フント則相関を利用した一重項ベースの新型磁石

ニューヨーク大学の研究チームはデータ記憶技術の性能向上に役立つ新しいタイプの磁石(一重項磁石)を開発した(Miao et al., Nature Comm. 10: 644, 2019)。「一重項ベース」の新型磁石は、小さな磁区が互いに整列して強い磁場を生成するという従来の磁石とは異なる。

 

これまでの磁石とは対照的に、一重項ベースの磁石は、磁性相と非磁性相の間でより急激な遷移がある。非磁性状態と強磁性状態の間で容易に反転させることができるため論理回路のスイッチング速度が向上する。磁気と電流との結合にも大きな違いがある。一重項ベースの磁石に注入された電子は、単に通過するのではなく、不安定な磁気モーメントと非常に強く相互作用するので、磁気情報の制御性が優れている。

一重項ベースの磁石のアイデアは意外と古く、1960年代に遡る。典型的な磁石は、他の磁気モーメントと整列するように固定された多数の小さな「磁気モーメント」を含む。これらはすべて一斉に作用して磁場を作り出す。高温にすると、磁性がなくなるが、各々の磁区が消失するわけではない。ランダムな方向を向いているために、巨視的な磁気モーメントを持たなくなるからである。

 

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Credit: Nature Comm.

 

上図a,bはU(Bi/Sb)2の一重項基底状態磁性と配位子ケージ、b U(Bi/Sb)2結晶構造には、UBi2(TN〜180 K)とUSb2 (TN〜203 K)の反強磁性構造を示すスピンが示してある。c,d面内強磁性核形成領域は、c二重項およびd一重項基底状態磁気系で囲まれている。一重項結晶場の基底状態は局所的なモーメントを持たず、格子の大部分はほとんどまたは全く磁気分極を持たない。

研究チームは「スピン励起子」と呼ばれる一種の一時的な磁気モーメントで一重項ベース磁石が可能になると考えた。単一のスピン励起子は短期間で消滅する傾向があるが、それらをたくさん持っているとき、それらが互いを安定化し、さらにカスケードのようなさらに多くのスピン励起子が出現する。

 

中性子散乱、X線散乱、および理論的シミュレーションを使用して、研究チームはUSb2の挙動と一重項ベースの磁石の理論的特性との間の関連を明らかにした。また、USb2がこのタイプの磁性、特に電子がどのように磁気モーメントを生成するかを支配する「フント則」を保持していることを発見した。最近、超伝導性を含む量子力学的性質にとって、フント則が重要な要素となることが示されている。ちなみに高温超伝導におけるフント則の重要性を主張したのは、上村教授(KSモデル)であった。

 

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