マグノンの寿命は想定より長い　スピントロニクスに追い風

電子のスピンが協調して動くとスピン波が生じ、その量子的な励起がマグノンと呼ばれる。マグノンは電子そのものを動かさずに、エネルギーや情報を物質中で運べる。

実験で分かったこと

研究チームは、磁性と原子の振動の相互作用が強い磁性体である酸化銅を用いた。試料に極めて短く強いレーザーパルスを照射すると電子が励起され、スピンが変化してマグノンが生成される。この過程はフェムト秒、つまり1000兆分の1秒の単位で進む。

その後、磁気励起同士が相互作用し、より無秩序な波の状態になる。さらに遅れて、結晶構造の原子の振動であるフォノンへエネルギーを渡し始める。最も重要な観測は、この最終段階だった。マグノンからフォノンへのエネルギー移動はナノ秒の単位で起き、強い相互作用を持つ材料としては予想より大幅に長かった。

観測には、自由電子レーザーによる強力なX線パルス、ポンプ・プローブ法、そして時間分解共鳴散乱の新たな応用を組み合わせた。

今後の展望

研究チームは、マグノンとフォノンのエネルギーと運動量の関係の違いが、エネルギー移動の効率を制限し、長寿命につながっているとみている。この仕組みの理解が進めば、マグノンの寿命を意図的に制御できる材料の設計に役立つ。将来的には、省エネルギーの論理回路やスピントロニクス素子、新しい計算アーキテクチャへの応用が見込まれる。