反強磁性体における光-フォノン-スピン間相互作用を用いた超高速磁化制御

本研究の目的は、反強磁性体におけるマグノンの伝播特性に、同一周波数帯に存在するフォトンやフォノンモードがどのように影響するかを探求することである。とくに、室温で反強磁性と強誘電性の両方を示すマルチフェロイック物質BiFeO3は、その特異な強的秩序のみならず、電場活性なマグノンに由来する非相反方向二色性の発現や電場によって制御可能なマグノントランジスタへの応用など、マグノンダイナミクスの研究においても注目されている。2022年度は当初の計画に則り、反強磁性体BiFeO3単結晶においてフェムト秒パルスレーザーを用いたポンプ・プローブイメージング測定を行い、サブテラヘルツ領域における反強磁性マグノンと、2.4 THzのフォノン-ポラリトンの同時励起・検出を実現した。さらに、観測された時空間波形をフーリエ変換し、波数-周波数空間における励起強度分布の時間発展を可視化することで、反強磁性マグノンがサブテラヘルツ帯のフォトンと結合していることを明らかにした。この結合状態（マグノン-ポラリトン）は主要な2つのマグノンモードのうち片方（Ψモード）でのみ顕著に現れた。より詳細なマグノン-フォトン結合メカニズムの解明に当たっては、観測に用いたBiFeO3上の領域における強誘電性・反強磁性ドメインのマイクロメートルスケールでの空間的構造の情報が必要であることが分かった。これに伴い、2022年度終盤からは同試料における反強磁性ドメインの可視化を目指し、2次高調波発生を用いた磁気イメージング測定の構築を行っている。

本研究の目的は、反強磁性体におけるマグノンの伝播特性に、同一周波数帯に存在するフォトンやフォノンモードがどのように影響するかを探求することである。とくに、室温で反強磁性と強誘電性の両方を示すマルチフェロイック物質BiFeO3は、その特異な強的秩序のみならず、電場活性なマグノンに由来する非相反方向二色性の発現や電場によって制御可能なマグノントランジスタへの応用など、マグノンダイナミクスの研究においても注目されている。2022年度は当初の計画に則り、反強磁性体BiFeO3単結晶においてフェムト秒パルスレーザーを用いたポンプ・プローブイメージング測定を行い、サブテラヘルツ領域における反強磁性マグノンと、2.4 THzのフォノン-ポラリトンの同時励起・検出を実現した。さらに、観測された時空間波形をフーリエ変換し、波数-周波数空間における励起強度分布の時間発展を可視化することで、反強磁性マグノンがサブテラヘルツ帯のフォトンと結合していることを明らかにした。この結合状態（マグノン-ポラリトン）は主要な2つのマグノンモードのうち片方（Ψモード）でのみ顕著に現れた。より詳細なマグノン-フォトン結合メカニズムの解明に当たっては、観測に用いたBiFeO3上の領域における強誘電性・反強磁性ドメインのマイクロメートルスケールでの空間的構造の情報が必要であることが分かった。これに伴い、2022年度終盤からは同試料における反強磁性ドメインの可視化を目指し、2次高調波発生を用いた磁気イメージング測定の構築を行っている。