理学部紹介冊子
「軌道弾性効果」 ～新しい物性現象への展開～
岡林 潤（スペクトル化学研究センター 准教授） |
学部の量子論の講義では，スピン角運動量と軌道角運動量について学ぶ。固体中におけるこれらの量の計測と制御は，磁気記録素子やハードディスク内の磁気センサーとしての応用に直結し，スピントロニクスの研究分野が進展している。磁気記録素子の薄膜垂直方向，面内方向の磁化の揃いやすさ（磁気異方性）を操作することは，高記録容量のハードディスクなどのデバイス開発に必須なことのひとつである。また，磁性体と誘電体を組み合わせた界面では，ひずみを電気的に可逆的に操作でき，磁気異方性を操作するマルチフェロイクス物質の研究が進んでいる。しかし，可逆的なひずみ印加に対する電子論（量子論）的なスピンと軌道の理解については，今まで明確ではなかった。
われわれは，電子の軌道運動がつくる角運動量を元素別に調べられるX線磁気円二色性（XMCD）に着目し，ひずみの有無の各状態での電圧印加時の（オペランド）XMCD計測システムを立ち上げた。Niの軌道角運動量について，電圧印加時のXMCDにて調べ，ひずみによる軌道角運動量の変化をとらえることに成功した。誘電体BaTiO3には電圧により2％もの大きな格子ひずみを印加でき，このひずみの伝播によりNiの化学結合状態が変わり，磁気異方性の変化として現れていることが判った。ひずみと磁気異方性の関係を示す磁気弾性効果は現象論的なマクロな性質として定式化されているが，量子力学的には，ひずみによる軌道角運動量の変化が磁気異方性の変調を説明することが判った。われわれはこれを「軌道弾性効果」 と名付けた。これは，オペランドXMCD分光によって初めて分かることであり，薄膜に垂直方向に磁化が向いた方が安定となる垂直磁気異方性の操作に関する起源に迫るものであり，スピンオービトロニクスという新概念を創出する。
オペランドXMCD測定については，高エネルギー加速器研究機構放射光施設（KEK-PF）内に理学系研究科スペクトル化学研究センターが所有するビームライン（BL-7A）にて立ち上げたシステムを用いて行った。試料に電極を設置し，電圧印 加時に放射光円偏光をあててXMCD分光を実施した。本研究により今後，界面のスピンと軌道状態を人工的に設計することができ，今までにない新しい磁石の性質の操作に関する研究が拓けるものと期待できる。原子レベルで制御された異種元素の界面のオペランド精密分光による物性計測は，化学と物理学の融合分野において今後益々必要となり，学生諸君のアイデアを活かせる研究分野であり，ぜひとも参入していただきたい。
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| 図：（a）設計した構造の模式図。BaTiO3上にNi/Cu多層膜を堆積し，薄膜の上下に電極を取り付けている。 （b）電圧印加オン・オフ時のNiのL吸収端X線吸収スペクトル（上段），X線磁 気円二色性スペクトル（下段）。 |
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本研究成果は，J.Okabayashi et al ., Nature Partner Journal npj Quantum Materials 4, 21（2019）に掲載された。
理学部ニュース2019年9月号掲載
