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数物系科学

2024.12.05

マルチフェロイック結晶の分极を10兆分の1秒の光で制御 -強誘電?磁気メモリーデバイスの超高速操作が室温で可能に-

東京科学大学(Science Tokyo) 理学院 化学系の田久保耕特任助教(現早稲田大学客員研究員)と腰原伸也教授、総合研究院の重松圭助教、東正樹教授、筑波大学数理物質系の羽田真毅准教授、東北大学大学院理学研究科の小野淳助教、黑料网未来材料?システム研究所の桒原真人教授、名古屋工業大学生命?応用化学類の浅香透准教授らの研究チームは、マルチフェロイック物质(用语1)である叠颈贵别翱3の単結晶薄膜を、時間幅100 fs(10兆分の1秒)の光パルス(用语2)で励起し、诱电分极(用语3)の大きさがパルス幅の时间以内で室温においても操作できることを确认しました。また、电子线パルスを用いた最新の构造测定装置(用语4)の観测结果と理论的解析から、光で注入された励起电子が周囲に新しい格子の振动(フォノン:结晶中の波)(用语5)を生み出し、分极を変化させていることを解明しました。
各種情報処理の高度化に向け、诱电分极や磁性を使った電子記録デバイスには、高速化が要求されています。このためには100 fs以内で結晶構造が変化する物質の探索が課題でした。問題解決の一案として、電子とフォノンが強く結合した(ドレスド)状態による分极やスピン状态(磁性の起源)を超高速制御する理論的アイデアが小野助教によって提案されました。本研究では光励起によってドレスド状態が室温のBiFeO3結晶薄膜内に実際に出現し、超高速の分极?磁性の制御が可能となることを示しました。強誘電?磁気メモリーデバイスの100 fs秒以下での超高速制御、さらには光情報と電子情報とを超高速に直接変換することが室温で可能となると期待されます。
本研究成果は、12月4日付の「Communications Materials 」に掲载されました。

 

※2024年10月1日に東京医科歯科大学と東京工業大学が統合し、東京科学大学(Science Tokyo)となりました。

 

【ポイント】

○叠颈贵别翱3結晶薄膜を、時間幅100 fs(10兆分の1秒)の光パルスで励起することで、分极の大きさをパルス幅以内の時間で、室温でも操作できることを実証。
○最新の时间分解构造测定装置を用いて、光励起による新しい格子の振动(フォノン)が生じ、分极変化の原因となっていることを确认。
○理论的検讨で、光励起で生じた格子の振动が、分极と磁性両方を変化させると考察。

 

◆详细(プレスリリース本文)はこちら

 

【用语説明】

(1) マルチフェロイック物质:永久磁石内では结晶を构成する原子の持つスピンが、自発的にある方向を向き秩序化している。また、强诱电体内では、(电気)分极がある方向を向き秩序化している。このような特定の方向を持つ秩序が、复数互いに相関を持ちつつ共存している物质。电场を加えることで、磁石の向きを変えるような通常想定しない现象が起こるため、磁気―电気エネルギー変换等の応用が期待される。
(2) 光パルス:カメラのフラッシュランプのように、极短时间だけ発生した光。
(3) 分极:固体中で、正の电荷と负の电荷が空间的に分离することで、反転対称性を破った状态。その大きさや向きを保持し、外部电场に応じて切り替わることで、情报を记録するメモリとして応用されている。
(4) 电子线パルスを用いた最新の构造测定装置:电子は、波としての性质を持つため、结晶にあたると、结晶中の原子による散乱波が干渉を起こし、回折像が観测される。この回折像を解析することで、结晶构造の情报を得ることが出来る。光励起による构造変化の様子を、试料を励起するパルス光と时间的同期のとれた电子线パルスを用いることで、ストロボ撮影のように时々刻々测定する装置。
(5) 格子の振动(フォノン:结晶中の波):结晶格子は、规则正しく原子が整列し结合することでエネルギー的に安定化している。エネルギーが加わり安定构造から少しずれた时に、安定构造を中心として起こる构造変化の振动。

 

【论文情报】

掲载誌:Communications Materials
論文タイトル:Photocontrol of ferroelectricity in multiferroic BiFeO3 via structural modification coupled with photocarrier
著者: Kou Takubo, Atsushi Ono, Shunsuke Ueno, Samiran Banu, Hongwu Yu, Kaito En-ya, Ryota Nishimori, Makoto Kuwahara, Toru Asaka, Kei Maeda, Daiki Ono, Keita Ozawa, Takuma Itoh, Kei Shigematsu, Masaki Azuma, Tadahiko Ishikawa, Yoichi Okimoto, Masaki Hada, and Shin-ya Koshihara
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【研究代表者】