2024年 | プレスリリース?研究成果
マルチフェロイック結晶の分極を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－
【本学研究者情報】
〇大学院理学研究科物理学専攻
助教 小野 淳（おの あつし）
研究者ウェブサイト
【発表のポイント】
- BiFeO3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、分極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。
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最新の時間分解構造測定装置を用いて、光励起による新しい格子の振動（フォノン）が生じ、分極変化の原因となっていることを確認。
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理論的検討で、光励起で生じた格子の振動が、分極と磁性両方を変化させると考察。
【概要】
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、名古屋大学未来材料?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質（用語1）であるBiFeO3の単結晶薄膜を、時間幅100 fs（10兆分の1秒）の光パルス（用語2）で励起し、誘電分極（用語3）の大きさがパルス幅の時間以内で室温においても操作できることを確認しました。また、電子線パルスを用いた最新の構造測定装置（用語4）の観測結果と理論的解析から、光で注入された励起電子が周囲に新しい格子の振動（フォノン：結晶中の波）（用語5）を生み出し、分極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、誘電分極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）状態による分極やスピン状態（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、超高速の分極?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」に掲載されました。
光励起でマルチフェロイック結晶（BiFeO3）中に生じた励起状態の電子（球体）が、周囲の結晶を波立たせ（新しいフォノンの生成に対応）、電子とフォノンが結びついたドレスド状態を生み出す様子。本結晶の特性でありメモリーデバイスの根幹となる強誘電性と磁性を、ドレスド状態が超高速で変化させます。
【用語解説】
（1） マルチフェロイック物質：永久磁石内では結晶を構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、強誘電体内では、（電気）分極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、複数互いに相関を持ちつつ共存している物質。電場を加えることで、磁石の向きを変えるような通常想定しない現象が起こるため、磁気―電気エネルギー変換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、極短時間だけ発生した光。
（3） 分極：固体中で、正の電荷と負の電荷が空間的に分離することで、反転対称性を破った状態。その大きさや向きを保持し、外部電場に応じて切り替わることで、情報を記録するメモリとして応用されている。
（4） 電子線パルスを用いた最新の構造測定装置：電子は、波としての性質を持つため、結晶にあたると、結晶中の原子による散乱波が干渉を起こし、回折像が観測される。この回折像を解析することで、結晶構造の情報を得ることが出来る。光励起による構造変化の様子を、試料を励起するパルス光と時間的同期のとれた電子線パルスを用いることで、ストロボ撮影のように時々刻々測定する装置。
（5） 格子の振動（フォノン：結晶中の波）：結晶格子は、規則正しく原子が整列し結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構造から少しずれた時に、安定構造を中心として起こる構造変化の振動。
【論文情報】
掲載誌：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
DOI：10.1038/s43246-024-00698-8
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学大学院理学研究科物理学専攻
助教 小野 淳（おの あつし）
電話：022-795-6365
Email：ono*cmpt.phys.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学大学院理学研究科
広報?アウトリーチ支援室
電話： 022-795-6708
Email：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
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