研究内容
研究概要
光と物質の線形・非線形の相互作用を高度に利用・開拓することにより、新奇な物理現象の解明と物質機能の創出を行っています。特に、電子の電荷を基にした現代エレクトロニクスを超え、電子のスピン（磁石の性質）を組み込んだ量子物性機能を探索しています。例えば、対称性や光応答を人工操作した磁性メタマテリアル、磁性体と誘電体の特徴を兼ね備えるマルチフェロイック物質、電磁気学では禁止されている磁気モノポールなどを実現するメゾスコピック人工磁性体、さらに、特異な性質を有する磁性体・誘電体・金属・半導体・絶縁体などを舞台に、独自開発した光技術を用いることで、将来のテクノロジーを支えうる新しい物理原理や光物質機能の開拓を目指しています。
具体的には、
- 光により電子スピン（スピン配列・スピン流）を制御する新規光スピントロニクス原理の開拓
- 高度な光イメージング技術を用いた量子物性機能の解明
- 特殊なスピン配列を利用した電気磁気制御技術の開発
- 磁性と誘電性を結合する電気磁気光機能（光のダイオード機能・波長変換機能・光電変換機能）の創出
など、光(フォトニクス）－電気(エレクトロニクス）－磁気(マグネティクス）を多元的に融合・変換する最先端の光物質科学を開拓します。
光スピントロニクス
次世代の高度通信・情報化社会の構築に向け、現在、既存エレクトロニクスに電子スピン機能を取り入れるスピントロニクスが注目を集め、電気・磁気デバイスの新しい駆動原理の創出や低消費電力・高密度デバイスの実現に向け盛んに研究されています。そこでは、機能創出の主役となるスピン、および、スピンの流れ(スピン流）をいかに高速かつ効率よく制御できるかが重要です。これまでスピンの制御に利用されてきた磁場による制御速度はすでにその限界に近づきつつあり、どれだけ速く電子スピン機能を制御できるのかは学術的のみならず産業的にも重要な課題になっています。
このような状況の中、近年の超高速光学技術の発展と相まって、スピン(流)を高速に制御する手段として光が注目されています。我々のグループでは、既存技術の枠組みを超えた、光によるスピン(流)制御を可能とする新原理の光スピントロニクス機能の開拓を目指しています。
キーワード： メタ光スピントロニクス、スピン流、光電流、超高速光磁気制御、磁気光学、非線形(磁気)光学、光誘起相転移
参考
- スピン流の伝搬方向や大きさを光パルスの偏光状態により完全制御する新原理を開拓（磁性メタマテリアル）
[Nature Commun. 2022, プレスリリース 2022] - テラヘルツスピンラチェット効果を発見（磁性メタマテリアル）[PRB 2023]
- マルチフェロイック（反強磁性）ドメインを可逆的に光スイッチングする新原理を発見（マルチフェロイック物質）
[Nature Photon. 2016, プレスリリース 2016] - 磁気相互作用の大きさを光パルスにより1兆分の1秒レベルで増減することに成功（磁性半導体）
[Nature Commun. 2015, 応用物理 2019, プレスリリース 2015] - 電気・磁気秩序の動的振る舞いを10兆分の1秒レベルで独立計測する技術を開発（マルチフェロイック物質）
[PRB 2009] - 光誘起反強磁性-強磁性転移の実現（強相関電子系物質）[PRL 2007, PRB 2008, JPSJ 2009]
- 超高速スピンダイナミクスの検出（強相関電子系物質）[PRB 2003, PRL 2007]
- リラクサー磁性体における永続的光誘起磁化の実空間観測（強相関電子系物質）[APL 2002]
量子機能光イメージング
対称性は物質の性質を決める最も重要な因子の1つです。近年、物質が示す様々な機能は、そこに内在する電子自由度の対称性と密接に結びついていることが分かってきました。この電子自由度を系統的に表現できる概念が「多極子」です。これを用いると、例えば、磁性や誘電性、また、それらの交差相関物性（電気磁気効果）などのマクロな応答が、多極子というミクロな電子自由度の観点から統一的に理解できるようになります。しかしながら、現存する物性測定技術では、数多く存在する多極子のうちどれが物質中で活性になっているかを精度よく明らかにすることは容易ではありません。
我々のグループでは、非線形光学技術や磁気光学技術、および、それらを高度に融合する独自開発した新技術を用いることにより、多彩な電気・磁気秩序の源となる多極子の高感度検出・可視化を可能とする量子機能光イメージング技術を開拓します。これにより、様々な物質が示す多彩な量子物性機能の解明や新たな量子物性機能の開拓に挑戦しています。
キーワード： 非線形(磁気)光学、磁気光学、イメージング、波長変換、対称性、多極子、磁気モノポール、磁気トロイダル、ドメインエンジニアリング、反強磁性スピントロニクス、キラリティ(カイラリティ)
参考
- マルチフェロイックドメインの電場・磁場制御と実空間観察による新しい電子機能の発見（マルチフェロイック物質）[Science 2015, 固体物理 2016, プレスリリース 2015]
- ナノ磁石で発現する磁気の渦を非破壊・非接触で直接検出する手法を開発（メゾスコピック人工磁性体）[APL 2022, プレスリリース 2022]
- 反強磁性フェロアキシャル物質における多彩な多極子を検出・可視化（その他機能性物質） [PRM 2024]
- 非線形光学応答における巨大なファラデー効果の観測（磁性半導体） [PRB 2012]
- 空間反転対称性を持つ磁性体における磁化誘起第二高調波発生の観測（磁性半導体） [PRB 2010, JAP 2011]
- 磁化と電気分極の超高速ダイナミクスを同時に測定する技術を開発（マルチフェロイック物質） [PRB 2009]
磁気光エネルギー変換
Coming soon…
電気磁気光学
空間反転対称性と時間反転対称性が同時に破れた物質では、従来の磁気光学効果や電気光学効果とは異なる、磁性と誘電性の結合した特異な電気－磁気－光機能が発現します。電場や磁場で制御可能な光の吸収・反射・発光・屈折・回折や非相反光学応答（光を入射する方向により光学応答が異なる効果：極端な場合、物質を一方から眺めると透明で、もう一方から眺めると真っ黒に見える）など、これまで知られている光学応答とは異なる興味深い現象が予想され、また実際に観測されています。マルチフェロイック物質やメタマテリアルを用いて、効率的に電気磁気光学効果を増強する方法を研究しています。
キーワード： 電気磁気光学、非相反応答、磁気光学、電気光学、電気磁気効果、空間反転対称性の破れ、時間反転対称性の破れ、多極子、磁気モノポール、磁気トロイダル、磁気カイラル