大型放射光施設 SPring-8

公開日

2021年04月17日

2021年4月17日
（公財）高輝度光科学研究センター
国立大学法人 東北大学

【本研究成果のポイント】
① これまでX線磁気円二色性（XMCD）効果を観測するには有限の磁化が必要と考えられてきたが、磁化ゼロの状態でもXMCDが観測される例外的磁気秩序があることを示した。
② 上記の磁気秩序モデルに基づき、理論計算によるXMCDスペクトルを示した。
③ 他研究グループにおいても異なる理論的アプローチで磁化ゼロのXMCDの存在を説明しているが、実験で期待されるXMCDスペクトルを直接計算して示した初めての報告である。

【研究の背景】
　目で見ることのできる光を「可視光」と呼びますが、その波長を1/100～1/10000に短くした光がX線です。X線は可視光と同様に、振動する電場と磁場が伝搬することで進みます。この電場が振動するときに振動面が螺旋を描いて回転しながら進むX線のことを円偏光X線と呼び、回転方向によって右回り円偏光と左回り円偏光に分類されます。円偏光に関する以上の説明は物理学における古典的描像に相当しますが、量子力学の世界では光子スピンに対応します。つまり、右回り円偏光と左回り円偏光は、それぞれ、光子スピンが+1と-1の状態に相当します。ここで、円偏光X線を磁石（磁化した強磁性体）に照射した場合を考えます。磁石がN極とS極をもつことは良く知られていますが、これは磁石を構成する物質内で上向きの電子スピンと下向きの電子スピンの数に偏りがあることに起因しています。円偏光X線を磁石に照射すると、光子スピンと電子スピンの間で相互作用を生じますが、このとき、互いの向き（符号）の関係によって、相互作用の大きさが異なります。つまり、円偏光X線を磁石に照射したときに、右回り円偏光と左回り円偏光で相互作用の大きさが異なり、X線吸収量などの違いとして実験的に検出されます。この差が本研究の主題であるX線磁気円二色性（XMCD: X-ray Magnetic Circular Dichroism）です。
　一方、物質内で上向きの電子スピンと下向きの電子スピンの数に偏りがない場合や、試料全体としてN極とS極が明確に定まらない場合には、右回り円偏光X線と左回り円偏光X線に対する吸収量は平均化されてゼロとなりXMCDは観測されません。ここで、図1に代表的な磁性体における原子磁石の配列を示しました。図1Aの強磁性や図1Bのフェリ磁性では磁石と同じようにN極が揃い「磁化」が現れます。1987年にドイツのGisela Schütz（ギゼラ シュッツ）博士が純鉄を試料として、放射光を用いて初めてXMCDの測定に成功したときには、XMCDは純鉄のような強磁性体やフェリ磁性体で観測されると考えられました。図1Cの反強磁性体や図1Dの常磁性体^※4では、個々の原子磁石に対するXMCD効果が互いに打ち消し合って試料全体としてはゼロとなるためです。ただし、反強磁性体や常磁性体でも外部から強い磁場を印加すると、わずかながら磁化を持ちます。大型放射光施設SPring-8^※5のような高輝度放射光施設が利用できるようになり、XMCDの測定精度が飛躍的に向上すると、磁場下の反強磁性体や常磁性体においてもXMCDが観測できるようになりました。このように強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体、常磁性体などでXMCDを観測するためには「磁化」が必要という点では原理的に一貫しており、専門家の間でもいわば「常識」と考えられてきました。今回の研究は「磁化がなくてもXMCDが観測されることはあるのか？」という素朴な問いから始まりました。

【研究内容と成果】
　本研究グループは図2(a)に示すカゴメ格子^※6上にFeなどの3d遷移金属イオンを配置して、図2(b)の正三角形単位格子が形成する反強磁性状態をモデルとして、このような物質が示すXMCD効果を電子の全多重項を考慮した理論模型を用いて解析しました。カゴメ格子上で120度ずつ原子磁石のスピンが回転する反強磁性状態では、スピンが時計回りに回転する場合と反時計回りに回転する場合の2種類のスピン配列を考えることができます。スピンが時計回り、反時計回りに回転する場合を、物理の言葉で、それぞれ、プラスカイラリティ^※7とマイナスカイラリティと呼びます (図2(c))。図3(a)、図3(b)はそれぞれプラスカイラリティとマイナスカイラリティのFe²⁺イオンの配置をモデルとして計算したXMCDスペクトルです。本研究では、青、赤、緑で示した各Fe²⁺イオンが、それぞれ、①、②、③のXMCDスペクトル信号を応答するという結果を得ました。このように理論計算で予測される各Fe²⁺イオンのXMCDスペクトルは分かったのですが、実験ではどのように観測されるのかということを確認しておくことも重要です。しかし、最新の実験技術を用いても、青、赤、緑の各Fe²⁺イオンに独立にX線を照射することができないため、実験では①、②、③を区別できず、合算したXMCDスペクトルを観測することになります。今回の研究では、合算したXMCDスペクトルがカイラリティの符号によって異なるという事実が明らかになりました。図3(a)で示したプラスカイラリティの場合は①～③が互いに打ち消しあいXMCD応答がゼロとなりますが、図3(b)で示したマイナスカイラリティの場合にはXMCD応答が残ることが分かります。
　この応答を理解するためにはそれぞれのサイトの微視的な電子状態の違いに着目する必要があります。プラスカイラリティの場合はサイトごとのミクロな電子状態が同一と考えられます (図4(a))が、一方で、マイナスカイラリティの場合はそれぞれのサイトで異なる電子状態として考える必要があります(図4(b))。つまり、プラスカイラリティとマイナスカイラリティに由来する電子状態の違いを反映した結果、カイラリティの違いによるカゴメ反強磁性の応答が発現したということになります。この結果は、XMCDがマクロな磁化の違いではとらえきれないミクロな電子状態に敏感に応答することを示しており、また、反強磁性カゴメ格子以外に対してもXMCD応答が期待されることを示しています。なお、このXMCD応答に関する理論予測は異なるアプローチにより既に報告されており、本研究成果に関する論文でもそのことを紹介しています。しかし、本研究では実験で得ることが期待されるXMCDスペクトルを直接計算して示したこと、および、カイラリティに起因するXMCD応答に関する理解を更に深める意味でMn²⁺イオンを配置した場合（図示は省略）についても示したことなどが高く評価されて論文が採択されました。

【今後の展開】
　今後、本研究で理論的に予測した現象がSPring-8のBL25SUなどで実験的に確認され、X線と磁性の相互作用に関する理解がさらに深化することを期待しています。研究グループではSPring-8、および東北大学の青葉山新キャンパスに建設が進む次世代放射光施設における先端計測技術と理論研究を融合し、「Sustainable Development Goals（SDGs）：持続可能な開発目標」の実現や、イノベーションにつながる物質材料研究を推進していきたいと抱負しています。

【用語解説】