反転対称性が破れた強磁性体の新しい光学現象 東大・物理工学専攻 産総研・強相関電子技術研究センター （CERC ) 科技団・ERATOスピン超構造プロジェクト （ ERATO-SSS ) 十倉 好紀 ・ 分極と磁化との結合 −スピントロニクスの新しい課題 ・ 磁気非線形光学効果と磁気カイラル効果 3色超格子と磁気非線形光学 小川佳宏(SSS)、山田浩之、川崎雅司､岡本博（CERC) FeGaO3の磁気カイラル効果 有馬孝尚、小川佳宏、久保田正人、Jong-Hoon Jung 、 金子良夫(SSS) ・ 3色ペロブスカイト超格子のMSHGとその界面研究への応用 ・ 極性強磁性体 FeGaO3のMSHGと磁気カイラル効果 次世代スピントロニクス機能の課題 強いスピン-電荷結合 伝導電子 ・巨大応答 フント結合 伝導、磁性、光物性変化 局在スピン 微小入力：磁場、電場、光 ・微小サイズ 安定化強磁性ドメイン ・高速応答 光制御（THz, 1.5µm 域） ・新原理 量子位相制御、磁気カイラリティ CMR効果 CMR効果 (Nd,Sm)0.5Sr0.5MnO3 軌道の形状 ＝ 原子核の周りに分布する電子の存在確率(電子雲） 電子の「形」としての自由度 巨大磁気抵抗 eg 軌道 ３ｄ 電子軌道 ３ｄ 電子軌道 z x 軌道物理学 y Y.Tokura and N.Nagaosa Science, Vol.288,463 (2000). 2 2 2 2 x -y 3z -r 0.1nm t2g 軌道 zx yz xy 1 エキゾチックな相制御 強相関電子のもつ自由度と複雑系の形成 Pr0.7Ca0.3MnO3 106 Q= -e 10 10 10 10 spin RT=20K L 108 HR state 102 100 orbital 9 109 10 8 108 10 7 107 10 6 0 2 4 6 8 10 12 Magnetic Field (T) (a) 1055 10 10 6 5 105 10 0 LR state 200 400 400 600 600 800 800 1000 1000 200 Applied voltage (V)(V) Applied Voltage (b) 10V 104 30K 1033 10 1 20K 磁場 Sz= +1/2 , -1/2 107 10 102 106 10 10-2 0.2mm 7 (Ω) Resistance (Ω) Resistance ( (Ω) Resistance Ω) Resistivity (Ωcm) charge 9 109 10 Pr1-x Cax MnO3 x=0.3 104 ↑ 101 10 Laser pulse 100 -20 -20 00 2020 40 40 Time (μs) (c) 6060 光照射 電場 Tz=+1/2, -1/2 Q= -e 超高速軌道制御の「鍵」は オービトン (軌道波） 電荷 スピン → マグノン (磁性体） 原子変位 → フォノン (誘電体） 通常のスピントロニクスでのスピン状態制御 1ギガヘルツ（1ナノ秒） スピン 軌道状態（電子雲の形）の周期的な変動と伝播： 共有結合の波 軌道 Ｘ オービトン周波数 10-100テラヘルツ（10-100フェムト秒周期） 伝導電子（電流）の制御 スピントロニクス(spintronics)から オービトロニクス(orbitronics)へ 軌道エレクトロニクス 軌道波（オービトン） 軌道自由度の量子力学的素励起 Nature，Vol.410, 180 (2001). ラマン散乱 実験 (a) (x,x) (x,y) 理論 A 強度 （任意目盛） B (b)(x’,x’) (e) 0 (c) (z,z) (z,x) 0 R = R0+ αi I・M (x’,x’) (x’,y’) (x’,y’) I M H L D 磁化の向きと電流の向きに応じて抵抗が変わる ω 2ω Pz (f) (z,z) (z,x) 120130140150160170 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Raman シフト (meV) Raman シフト (J1) 磁気カイラル効果 εxx = ε0xx +αi k・M 電流磁気カイラル効果 C 0 空間反転対称性のない強磁性体の不思議な性質 磁化の向きと光の進む向きに応じて色が変わる (d) (x,x) (x,y) 金研・前川研究室 軌道波の分散（オービトンのバンド） 磁気電気光学効果・磁気光非線形 y εyy = ε0yy +αi Ey・Mx MM+ x 分極のない方向（ｙ）に磁化によって擬分極が発生 2 Magneto-nonolinear-opics with use of tri-color superlattices アナロジー B A 異常ホール効果 C B A 電流磁気カイラル効果 磁気非線形光学効果 B P P C A B B M M EH P’ E’ M ±I I E B A C B A A A Centrosymmetry 分極場 + スピン-軌道相互作用 Ferromagnetic order Fabrication of Non-centrosymmetric Superlattice Verification of broken centrosymmetry LSMO 10 units STO 3 units LAO 2 units 0 200 substrate STO 3 units LAO 2 units 400 Time (s) Polarity probed by SHG SrTiO3(001) 10 units z θ 2ω Θ y 0.5 B x 0.0 electron beam tricolor STO/LAO/LSMO bicolor LAO/LSMO bicolor STO/LSMO RHEED r KrF KrFlaser Laser STO LAO LSMO 800 600 s-polarized ω 1.0 SH intensity (a. u.) RHEED Intensity (a. u.) Laser Ablation Method LSMO Non-centrosymmetry Breaking in both inversion and time-reversal symmetry LSFO 3 2 10 2 5 u.c. 10 10 u.c. Non-centrosymmetry Centrosymmetry Upon the FM transition 3 2 P 5 u.c. 2 10 10 P’ 10 u.c. 3 Nonlinear Kerr rotation SH intensity (a. u.) Sin→Sout interface magnetic moment 0.5 -0.35 T 33º Kerr rotation angle φ 0.0 0 -B P Sin→Pout centrosymmetry breaking Sin→Sout time reversal symmetry breaking (magnetic moment ) 45 90 135 Analyzer angle θ (deg.) I (±M) 2ω P cosθ ± P sinθ SP 180 in tan φ = SP in flim M out 0.5 4 2 MSHG (d) 0 2 0.0 Sin-Pout out 2 SS Kerr rotation angle φ bulk M M Θ +0.35 T 1.0 8 φ ∝ interface magnetism 1 (e) 0 0 SS tanφ = P SP Normalized 2ω +B P’ = α P×M 6 Sin→Pout symmetry breaking at surface no temperature dependence 1.0 Analyzer angle θ ω Interface Magnetism ħω=1.55 eV, 10 K Angle of incidence Θ １３° Magnetization induced Second Harmonic Generation (MSHG) in tricolor super lattice (STO3/LAO2/LSMO10)10/STO(001) s-polarized light Pseudo-polarization M Centrosymmetry φ (deg.) Non-centrosymmetry Kerr rotation angle (La,Sr)MnO LSMO SH intensity (a. u.) SrTiO3 STO LaAlO3 LAO 100 200 300 Temperature (K) MSHG is a sensitive prove for interface magnetism 3 “Remeikite” (1960) Ga2-xFexO3 (x=0.7-1.4) Magneto-electric Ferrimagnet c // M P b ・ocatahedron (Ga2,Fe1,Fe2) ・tetragon (Ga1)→ breaking I ・space group:Pc21n P Gigantic Nonlinear KerrRoation up to ±85° Directional Dichroism in Polar Ferromagnet X-ray X-ray P M P M X-ray Dichroism with Magnetization Reversal P M 4 Observation of magnetochiral dichroism G.L.J.A. Likken & E. Raupach Nature, 390, 493 (1997). Eu(±tfc)3 tris(3-trifluoracetyle-camphorato)euromium (III) Toward New New Spintronics Spintronics Toward ・Critical-State Phase Control importance of bi-critical point ultrafast phase control < 200fs ・Magneto-Chiral Phenomena many candidates for chiral magnets! magnet without inversion symmetry directional bifringence current-induced magnetization reversal ・Quantam Berry Phase angstrom A-B effect on atomic scale colossal magneto-optical effect Kagome 5
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