Design of light- or electromagnetic-wave-correlating phase transition materials and research of their advanced functionalities

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本課題では、光・電磁波に応答する新規相転移物質を創成し、次世代デバイスや環境・エネルギー問題に資する新機能性に関する研究を推進することを目的としている。令和2年度は、電磁波応答機能性に関して、世界最小サイズのマルチフェロイック粒子であり、磁気記録適合性、k=0マグノンによる共鳴吸収を示すイプシロン酸化鉄ナノ磁性体について、ナノ磁性体内の全スピンの動きを考慮した確率的ランダウ・リフシッツ・ギルバート理論モデルを構築することで、外場応答性の理論的な解明に取り組んだ。原子配置や各サイトに働く超交換相互作用を反映させ、時間発展スピンダイナミクスのシミュレーションを行うことで電磁波に対する磁化の応答性を調べた。その結果、k=0マグノンの共鳴周波数に相当する電磁波を照射すると、小さい印加磁場下であっても、磁化が瞬時に反転することが示された。また、磁気双極子励起ファラデー効果の観測に取り組み、k=0マグノンの共鳴周波数において回転角および楕円率の変化を観測した。光応答機能性に関しては、研究代表者らが見出した室温光可逆光誘起金属-半導体相転移を示すラムダ型五酸化三チタンを用い、超高速時間分解粉末X線回折実験を行ったところ、光照射によって結晶構造が500 fsで変形し、光照射表面から結晶中をピコ秒オーダーで伝搬するひずみ波によって、相転移が進行することを観測した。このようなひずみ波伝搬による相転移現象の観測は初めてである。反転対称の破れた結晶構造を有するDy-Feペンタシアノニトロシル錯体を合成し、第二高調波発生を観測するとともに、光照射によってFeイオンに配位したニトロシル基がフリップすることで、出射光強度をスイッチングできることを明らかにした。また、集積型RbCuMoシアノ架橋型錯体薄膜を作成し、光可逆的に強磁性をスイッチングできることを見出した。