科学者が層状磁性材料の異常な超高速運動を発見

Aug 16, 2023

2023 年 8 月 2 日

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ジョゼフ・E・ハーモン著、アルゴンヌ国立研究所

一般的な金属製のクリップは磁石にくっつきます。 科学者は、そのような鉄含有物質を強磁性体として分類します。 1世紀ほど前、物理学者のアルバート・アインシュタインとワンダー・デ・ハースは、強磁性体の驚くべき効果を報告しました。 鉄の円筒をワイヤーで吊り下げて磁場にさらすと、磁場の方向を逆にするだけで回転を始めます。

「アインシュタインとデ・ハースの実験はまるでマジックショーのようだ」と米国エネルギー省（DOE）アルゴンヌ国立研究所の材料科学部門とX線科学部門の物理学者ハイダン・ウェン氏は語る。 「触れずにシリンダーを回転させることができます。」

『Nature』誌では、アルゴンヌをはじめとする米国の国立研究所や大学の研究者チームが、「反」強磁性体における同様だが異なる効果を報告している。 これは、超高精度かつ超高速のモーション制御を必要とするデバイスに重要な用途をもたらす可能性があります。 一例としては、低侵襲診断や手術用のナノロボットでの使用など、生物医学用途向けの高速ナノモーターが挙げられます。

強磁性体と反強磁性体の違いは、電子スピンと呼ばれる性質に関係しています。 このスピンには方向があります。 科学者は方向を矢印で表します。矢印は上または下、またはその間の任意の方向を指すことができます。 上で述べた磁化された強磁性体では、鉄原子内のすべての電子に関連付けられた矢印は同じ方向、たとえば上を指すことができます。 磁場を反転すると、電子のスピンの方向が反転します。 つまり、矢印はすべて下を向いています。 この逆転によりシリンダーが回転します。

カリフォルニア大学バークレー校のミラー研究員アルフレッド・ゾン氏は、「この実験では、微視的な特性である電子スピンを利用して、巨視的な物体である円筒内の機械的反応を引き出している」と述べた。

たとえば、反強磁性体では、電子のスピンがすべて上を向いているのではなく、隣接する電子の間で上から下へ交互に回転します。 これらの反対のスピンは互いに打ち消し合うため、反強磁性体は強磁性体のように磁場の変化に応答しません。

「私たちが自問したのは、電子スピンが反強磁性体の中で、アインシュタイン・デ・ハスの実験における円筒回転による反応とは異なるものの、本質的には似たような反応を引き出すことができるのかということです。」 ウェンさんは言いました。

この疑問に答えるために、研究チームは反強磁性体である三硫化鉄リン (FePS3) のサンプルを準備しました。 サンプルは複数の FePS3 層で構成されており、各層の厚さは原子数個のみです。

ワシントン大学の物理・材料科学教授Xiaodong Xu氏は、「従来の磁石とは異なり、FePS3は層状構造で形成されており、層間の相互作用が非常に弱いため特別である」と述べた。

「私たちは、この層状材料に超高速レーザーパルスを照射し、その結果生じる材料特性の変化を光学、X線、および電子パルスで測定する一連の実証実験を設計しました」とウェン氏は付け加えた。

研究チームは、パルスが電子スピンの秩序ある配向をスクランブルすることによって材料の磁気特性を変化させることを発見した。 電子スピンの矢印は規則正しく上下に切り替わらず、乱れています。