層状磁性材料で異常な超高速運動を発見

この発見はアインシュタインとデ・ハースの実験に触発されました。

磁性材料は、微視的なスピン配置がどのようにして巨視的な長さスケールで異常な特性をもたらすのかについて、長い間研究の対象となってきました。 そのような例の 1 つは、強磁性体のアインシュタイン・デ・ハース効果です。これにより、スピンの角運動量が物品全体の機械的回転に伝達されます。 しかし、正味の磁気モーメントのない反強磁性体の巨視的な動きとスピンの秩序がどのように結びつくのかはまだ不明である。

アルゴンヌをはじめとする米国の国立研究所や大学の研究者チームは、新しい研究で、「反」強磁性体における同様だが異なる効果を報告している。 この実験では、研究者らは電子スピンを利用して、巨視的な物体である円筒内の機械的応答を引き出しました。

たとえば、反強磁性体では、電子スピンは常に上を向いているのではなく、隣接する電子間で上から下に交互に回転します。 反強磁性体は、反対のスピンが互いに打ち消し合うため、強磁性体のような磁場の変化には反応しません。

米国エネルギー省 (DOE) アルゴンヌ国立研究所の材料科学部門と X 線科学部門の物理学者であるハイダン・ウェン氏は、次のように述べています。しかし、精神的にはアインシュタイン・デ・ハスの実験におけるシリンダーの回転に似ていますか?」

研究者らは、その疑問に対する答えを提供するために、反強磁性体鉄三硫化リン (FePS3) のサンプルを作成しました。 サンプルの各層は複数の FePS3 層で構成されており、厚さは原子数個だけでした。 FePS3 は、層間の相互作用が非常に弱い層状構造で作成されるため、従来の磁石とは異なります。

ウェン氏は、「私たちはこの層状材料に超高速レーザーパルスを照射し、その結果生じる材料特性の変化を光学、X線、および電子パルスで測定する一連の実証実験を設計しました。」と述べました。

研究者らは、パルスが電子スピンの秩序ある向きを乱すことによって材料の磁気特性を変化させることを発見した。 電子スピンの矢印は、体系的に上下に切り替わるのではなく、整理されていません。

マサチューセッツ工科大学 (MIT) の物理学教授ヌー・ゲディク氏は、「電子スピンのこのスクランブルは、サンプル全体にわたる機械的応答につながります。 層間の相互作用が弱いため、サンプルの 1 つの層が隣接する層に対して前後にスライドする可能性があります。」

この動きの振動時間は非常に短く、10 ～ 100 ピコ秒です。 ピコ秒の定義は 1 兆分の 1 秒です。 光は 1 ピコ秒で 3 分の 1 ミリメートルしか移動しません。これは、この現象が非常に速いためです。

原子スケールの空間分解能とピコ秒スケールの時間分解能でサンプルを測定するには、世界クラスの科学施設が必要です。 科学者らはこれを達成するために、電子ビームとX線ビームを使用して原子構造を分析する最先端の超高速プローブを使用しました。

初期の実験では、SLAC 国立加速器研究所のメガ電子ボルト超高速電子回折装置が使用され、ワシントン大学での光学測定に触発されました。 MIT の超高速電子回折装置では、追加の研究が行われました。 Advanced Photon Source (APS) の 11-BM および 7-ID ビームラインとナノスケール材料センター (CNM) の超高速電子顕微鏡施設での研究により、これらの発見がさらに追加されました。 アルゴンヌでは、CNM と APS が DOE 科学局のユーザー施設です。

多層反強磁性体は、ピコ秒より長い持続時間で電子スピンの影響も受けます。 チームメンバーは、APSとCNM装置を使用した以前の研究で、電子スピンが無秩序な挙動から秩序ある挙動に切り替わった時点付近で、層の変動運動が大幅に減速することを発見した。