FePS3における臨界点近傍のテラヘルツ場誘起メタステーブル磁化

2024-12-29 Sun
テラヘルツ場によるFePS₃臨界点近傍の準安定磁化学術的背景近年、光を用いて量子材料の機能特性を制御することは凝縮系物理学のフロンティアとして注目されており、超伝導性、強誘電性、磁性、電荷密度波など、さまざまな光誘起相が発見されています。しかし、ほとんどの場合、光をオフにすると光誘起相は超高速時間スケールで平衡状態に戻るため、その実用的な応用が制限されています。テラヘルツ（THz）パルスはその低い光子エネルギーにより、集団モードを選択的に励起しながら軌道および電子自由度を基底状態に保つことができるため、近年多くの注目を集めています。
本研究では、強力なテラヘルツパルスを用いて、ファンデルワールス反強磁性体FePS₃において2.5ミリ秒以上の長寿命を持つ準安定磁化を誘起しました。この発見は、テラヘルツ光を用いた非熱的な経路による層状磁性体の磁気基底状態の効率的な制御を示し、臨界点近傍の秩序パラメータの揺らぎが増強された領域を準安定な隠れた量子状態を探索する有望な領域として確立しました。
論文の出典本論文は、Batyr Ilyas、Tianchuang Luo、Alexander von Hoegen、Emil Viñas Boström、Zhuquan Zhang、Jaena Park、Junghyun Kim、Je-Geun Park、Keith A. Nelson、Angel Rubio、Nuh Gedikらによって執筆され、マサチューセッツ工科大学、マックスプランク物質構造・ダイナミクス研究所、バスク大学、ソウル国立大学、Flatiron研究所に所属しています。論文は2024年12月19日から26日に『Nature』誌に掲載されました。
研究の流れと結果実験設計FePS₃は蜂の巣格子を持つファンデルワールス反強磁性体であり、その磁性構造はFe²⁺イオンのスピン軌道結合と単イオン異方性によって決定されます。研究チームは、強力なテラヘルツパルスを用いてFePS₃の低エネルギー磁気子（マグノン）およびフォノンモードを共鳴的に駆動し、交換パラメータを変更して有限の磁化を持つ状態にシステムを駆動しました。実験では、異なるテラヘルツ源を使用し、弱い近赤外（800 nm）プローブパルスを用いてそのダイナミクスを監視しました。
テラヘルツ誘起のコヒーレントフォノン実験結果から、テラヘルツパルスによって誘起された過渡的な変化には、高速振動とゼロ時間付近の強い正の信号が含まれていることがわかりました。フーリエ変換により、研究チームは4つの異なるフォノンモードと1つのマグノンモードを特定しました。これらのモードの周波数はラマンおよび赤外分光法の結果と一致しています。温度が反強磁性転移点に近づくにつれて、長寿命信号が蓄積し始め、臨界点近傍でシステムのダイナミクスが顕著に変化することが示されました。
準安定磁化研究チームは、温度が反強磁性転移点に近づくにつれて、テラヘルツパルスによって誘起された長寿命信号が蓄積し、118 Kでピークに達することを発見しました。偏光回転および楕円率変化の温度依存性を分析した結果、楕円率信号は非熱的なメカニズムを必要とすることがわかりました。さらに、テラヘルツ誘起の円二色性（CD）信号が、新しい光誘起状態が垂直方向の正味の磁化を持つことを示していることが明らかになりました。
フォノン誘起の磁化研究チームは、微視的なスピン-格子モデルとモンテカルロシミュレーションを用いて、特定のフォノンモード（ω₂ = 3.27 THz）が交換パラメータを変調し、有限の磁化を生み出すことを発見しました。このフォノンモードの変位はFe-Fe結合長を変化させ、ある鎖内の交換相互作用を強化し、隣接する鎖内の交換相互作用を弱めることで、正味の磁化を生み出します。
臨界減速研究チームは、テラヘルツ誘起の磁化状態の寿命が反強磁性転移点に近づくにつれて著しく延び、2.5ミリ秒に達することを発見しました。この現象は、臨界揺らぎ理論によって説明できます。つまり、相転移点に近づくと、システムのダイナミクスが臨界減速を示し、磁化状態の寿命が著しく延びるのです。
結論と展望本研究は、テラヘルツ光を用いてFePS₃において準安定磁化を誘起する可能性を示し、臨界揺らぎがこの非平衡状態を安定化する上で重要な役割を果たすことを明らかにしました。この発見は、臨界点近傍で準安定な隠れた量子状態を探索するための新しい視点を提供し、将来のスピントロニクス応用の可能性を開くものです。
研究のハイライト準安定磁化の長寿命：テラヘルツパルスによって誘起された磁化状態の寿命は2.5ミリ秒を超え、従来の光誘起相を大きく上回ります。
臨界揺らぎの役割：臨界揺らぎが非平衡磁化状態の振幅を増強し、その準安定性を促進する上で重要な役割を果たすことが明らかになりました。
非熱的な磁気制御：テラヘルツ光を用いて層状磁性体の磁気基底状態を非熱的に制御することで、将来の量子材料研究に新しいツールを提供します。
研究の意義本研究は、量子材料における非平衡状態を理解するための新しい視点を提供するだけでなく、将来のスピントロニクスや量子計算応用のための潜在的な材料プラットフォームを提供します。テラヘルツ光を用いて磁気基底状態を制御することで、研究者は臨界点近傍でより多くの隠れた量子状態を探索し、量子材料分野の発展を推進することができます。