アインシュタインとデ・ハースにインスピレーションを受けて: 科学者が層状磁性材料の異常な超高速運動を発見

Jun 14, 2023

アルゴンヌ国立研究所2023年8月7日

スクランブルスピンで動くアトミックカーペット。 層状鉄三硫化リンの原子層のせん断は、光パルスにさらされたときの電子スピンのスクランブルによって引き起こされます。 左がオーダースピン。 右にスクランブルスピン。 クレジット: アルゴンヌ国立研究所による画像

最先端の超高速イメージング技術により、層状材料内の磁気状態の変化に関連した超高速の機械的運動が明らかになりました。 この興味深い磁気効果は、超精密かつ高速の動作制御を必要とするナノデバイスに応用できる可能性があります。

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。 彼らは、鉄の円筒をワイヤーで吊り下げて磁場にさらすと、磁場の方向が逆になると回転し始めることを発見しました。

「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。 ,war「シリンダーに触れずにシリンダーを回転させることができます。」

「この実験では、電子スピンという微視的な特性を利用して、巨視的な物体である円筒内の機械的応答を引き出します。」

— Alfred Zong, Miller Research Fellow at the University of California, BerkeleyLocated in Berkeley, California and founded in 1868, University of California, Berkeley is a public research university that also goes by UC Berkeley, Berkeley, California, or Cal. It maintains close relationships with three DOE National Laboratories: Lawrence Berkeley National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, and Lawrence Livermore National Laboratory." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">カリフォルニア大学バークレー校

科学誌『ネイチャー』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において、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起こ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。

“Unlike a traditional magnet, FePS3 is special because it is formed in a layered structure, in which the interaction between the layers is extremely weak,” said Xiaodong Xu, professor of physics and materials science at the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"University of Washington./p>

“This scrambling in electron spin leads to a mechanical response across the entire sample. Because the interaction between layers is weak, one layer of the sample is able to slide back and forth with respect to an adjacent layer,” explained Nuh Gedik, professor of physics at the Massachusetts Institute of Technology (MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"MIT)./p>

“The pivotal discovery in our current research was finding a link between electron spin and atomic motion that is special to the layered structure of this antiferromagnet,” Zong said. ​“And because this link manifests at such short time and tiny length scales, we envision that the ability to control this motion by changing the magnetic field or, alternatively, by applying a tiny strain will have important implications for nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"nanoscale devices.”/p>