EPFL、光でエレクトロニクスを制御

July, 5, 2024, Lausanne--EPFLの研究者は、マグネタイトと呼ばれる物質に様々な波長の光を当てることで、その状態を変化させ、多かれ少なかれ電気を起こしやすくできることを発見した。これは、エレクトロニクスのための革新的な材料の開発につながる可能性がある。

マグネタイトは、最も古く、最も強い天然磁石。電子工学に使用され、スピントロニクス(電子の流れ(電流として知られているもの)ではなく電子のスピンで動くデバイス)の分野で興味深い独自の特性を持っている。それ以上に、マグネタイトは磁気を理解する上で重要な役割を果たし、アインシュタインや他の有名な科学者の関心を集めてきた。その磁気的および電子的特性は、生体磁気、触媒、および古地磁気で研究されている。

近年、その非平衡スイッチング特性を活用する研究が盛んになり、先端技術への応用が注目されている。マグネタイトの豊かな歴史と多面的な用途は、科学的発見を魅了し、推進し続けている。

「少し前に、マグネタイトで逆相転移を誘発できることを示した。まるで水を汲んで、レーザでエネルギーを流すことで氷に変えるようなものだ。これは直感に反するもので、通常、水を凍らせるには冷やすので、エネルギーを除去することになる」と、EPFLの物理学者Fabrizio Carboneは言う。

現在、同氏は、このような光誘起相転移におけるマグネタイトの微視的な構造特性を解明し、制御する研究プロジェクトを主導している。この研究では、特定の光の波長(色)を光励起に用いることで、マグネタイトを「隠れ相」と呼ばれる非平衡準安定状態(「準安定」とは、特定の条件下で状態が変化する可能性があること)に駆動できることを発見し、超高速の時間スケールで材料特性を操作するための新しいプロトコルを明らかにした。

エレクトロニクスの将来に影響を与える可能性のある調査結果は、PNASに掲載されている。

「非平衡状態」とは何か?「平衡状態」とは、基本的には、材料内の力が釣り合っているため、材料の特性が時間の経過とともに変化しない安定した状態。これが破壊されると、物質(物理学的には正確には「系」)は非平衡状態に入ると言われ、エキゾチックで予測不可能な特性を示すことができる。

マグネタイトの「隠れ相」

相転移とは、温度、圧力、またはその他の外部条件の変化による材料の状態の変化。日常的な例は、水が沸騰したときに固体の氷から液体に、または液体から気体に変わること。

材料の相転移は、通常、平衡条件下で予測可能な経路をたどる。しかし、物質が平衡状態から外れると、いわゆる「隠れ相」、つまり通常はアクセスできない中間状態を示し始める可能性がある。隠れ相を観察するには、材料構造の急速かつ微細な変化を捉える高度な技術が必要になる。

マグネタイト(Fe3O4)は、興味深い金属から絶縁体への移行で知られるよく研究された材料であり、低温で電気を通すことができる状態から電気を能動的に遮断するなど。これはVerwey(フェルヴァイ)転移として知られており、マグネタイトの電子的および構造的特性を大きく変化させる。

マグネタイトは、結晶構造、電荷、軌道秩序が複雑に絡み合っているため、約125 Kでこの金属絶縁体転移を起こすことができる。

マグネタイトの隠れた遷移を誘起する超短パルスレーザ
「この現象をよりよく理解するために、われわれはこの実験を行い、このような変換中に起こる原子の動きを直接調べた。レーザ励起によって、固体が平衡状態では存在しないいくつかの異なる相に変化することがわかった」(Carbone)。

実験では、近赤外(800nm)と可視光(400nm)の2つの異なる波長の光を使用した。800 nmの光パルスで励起すると、マグネタイトの構造が破壊され、金属領域と絶縁領域が混在する。対照的に、400 nmの光パルスは、マグネタイトをより安定した絶縁体にした。

レーザパルスによって引き起こされるマグネタイトの構造変化を監視するために、研究チームは、サブピコ秒の時間スケール(ピコ秒＝1兆分の1秒)で物質中の原子の動きを「見る」ことができる超高速電子回折技術を使用した。

この技術により、科学者たちは、レーザ光の異なる波長が実際にマグネタイトの構造にどのように影響するかを原子スケールで観察することができた。

マグネタイトの結晶構造は「単斜晶系格子」と呼ばれるもので、単位セルは3つの不等エッジを持つ歪んだ箱のような形をしており、その角度のうち2つは90度で、3番目は異なる。

800nmの光がマグネタイトを照らすと、マグネタイトの単斜晶系格子が急速に圧縮され、立方体構造に変化した。これは50psで3段階に分けて行われ、物質内部で複雑な動的相互作用が起こっていることを示唆している。逆に、400nmの可視光は格子を膨張させ、単斜晶系格子を強化し、より規則的な相、つまり安定した絶縁体を作り出した。

根本的な意味と技術的応用
この研究は、マグネタイトの電子特性が、異なる光の波長を選択的に使用することで制御できることを明らかにした。これらの光誘起遷移を理解することは、強相関系の基礎物理学への貴重な洞察を提供する。

「われわれの研究は、カスタマイズされたフォトンパルスを使用して超高速の時間スケールで物質を制御する新しいアプローチの礎を開いた」と研究者は書いている。
マグネタイトの隠れ相を誘導・制御できることは、先端材料やデバイスの開発に大きな影響を与える可能性がある。例えば、異なる電子状態を迅速かつ効率的に切り替えることができる材料は、次世代のコンピューティングデバイスやメモリデバイスに使用される可能性がある。