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光を用いた新奇な量子物性機能の開拓

光物性物理グループ

今回は光物性物理グループの研究内容を紹介します。
光は電磁波の一種であり、物質中の電子やイオンなどと相互作用を行うことにより、反射や屈折、吸収や発光などの光学現象を引き起こします。このような光と物質の相互作用の仕方は物質の種類(例えば、金属・半導体・絶縁体)によって異なるため、逆にそれを調べることで物質中の様々な情報を得ることができます。光物性の中心的課題は、まさに「光を探針として物質の性質(物性)を解明する」ことにあります。この方法論を用いて、様々な物質の微視的・巨視的性質が明らかにされ、量子論の誕生から発展、さらには現代社会を支える機能性物質の開発に多大な貢献をしてきました。最近では、ナノテクノロジーを駆使した微視的な構造設計により、自然界に存在する物質ではあり得ない光学特性(例えば、負の屈折率・透明マント)を実現することも夢物語ではなくなってきました。一方、近年のレーザー技術の発展により、光を「探針」として利用するのみならず、より能動的に物質の電気的・磁気的・光学的性質を瞬時に「制御」する手段としても研究されています。これにより、将来の超高速エレクトロニクスの基盤技術となる光スイッチとしての応用も期待されています。

Fig1_J

図 新規光スピントロニクス原理や光イメージング技術を用いた量子物性機能の開拓

光物性物理グループでは、光と物質の線形・非線形の多彩な相互作用を高度に利用・開拓することで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。その中の1つの研究テーマとして、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の探索があります。これは、対称性や光応答を意図的に操作した人工物質(磁性体メタマテリアル)や、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、また、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すものです。もう少し具体的には、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発[1,2]や、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[3,4]、さらには、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)の開拓など、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)を融合する最先端の光物質科学を開拓しています。

このように光物性物理グループでは、従来の光物性研究の伝統を引き継ぎつつも、将来の革新的量子物性機能の開拓を目指し、「光の時代」である21世紀を切り拓いていきます。

参考文献

[1] M. Matsubara et al., Nature Communications 6, 6724/1-7 (2015).
[2] 松原, 応用物理 88, 475-479 (2019).
[3] M. Matsubara et al., Science 348, 1112-1115 (2015).
[4] 松原 他, 固体物理 51, 173-185 (2016).

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