南洋理工大学物理学者､光が非磁性金属を磁化すると提案

August, 6, 2019, Singapore--南洋理工大学(NTU)とコペンハーゲンのニールスボーア研究所の物理学者は､非磁性金属をレーザを使って磁石に変換する方法を考案した｡
　磁石とその磁界は､一般に回転する電流によって生成される､日常的な電子コイルに見られるのと同じである｡これらコイルの｢利き手｣(時計回りか反時計回りか)が､生まれる磁場の方向を決める｡
　研究チームは､非磁性金属ディスクを直線偏光で照射(固有の利き手を持たない光)したとき､ディスクに循環電流､つまり磁性が自然発生することを理論化する｡
　この方法は原理的に､光を使って｢オンデマンドで｣非鉄金属を磁石に変更することができる｡
　NTU数理科学学部准教授､Justin Songとニールスボア研究所､准教授､Mark Rudnerによる新理論は､Nature Physicsに発表された｡
　研究チームの提案の定式化で､チームは､光と物質の相互作用について考える新方法を開発した｡
　Songによると､その構想は新しい強力な光-物質相互作用の使い方の一例で､これによって｢オンデマンド｣で材料特性を実現することができる｡実験的に理解するなら､これは､グラフェンなど幅広い高品質プラズモン材料で､広範な潜在的アプリケーションを開くことになる｡

プラズモン場の利用
　多くの物質の特性は､従来､固定しており､その原子配列によってナノスケールで決まっていると考えられている｡例えば､物質の原子構成は､それが容易に電気を通すか､あるいは絶縁/非伝導挙動を示すかを決定する｡
　研究チームは､プラズモン､金属における電気の局所振動､それらが作り出す強い振動電場が､物質の特性を変えるためにどのように利用できるかを探求した｡
　光がフォトンで構成されるように、プラズマ振動は、一種の擬粒子､プラズモンで構成されている｡プラズモンは､それを駆動する場と同じ方向に振動し動く傾向がある(例えば､光場の偏光方向)｡
　しかし､光照射が十分に強いとき､非磁性金属ディスクのプラズモンは､たとえ直線偏向光で駆動されても､左回りか右回りか､いずれかに自発的に回転することを研究チームは確認した｡
　｢これは､物質の固有特性が変えられるシグネチャであった｡プラズモンの強力な内部場が物質の電子帯構造を変えるとき､プラズモンも同じように変え､プラズモンが自発的に対掌性を示すようにするフィードバックループを設定する｣とSongは説明している｡
　プラズモンのこのキラル動作は磁化を発生させ､それが今度は､研究チームの構想にある非磁性金属ディスクを磁化する｡
　研究チームの主張では､その理論的分析における重要な観察は、強いプラズモン振動電場は、金属の電子の動力学を変更することができる。
　Rudnerは、「物質内の電子観点から、電場は電場である。この振動する場が、物質内部のプラズモンであるか、物質に対するレーザ照射によって生ずるか、それはどうでもよい」と主張する。
　研究チームは、プラズモンの内部場からのフィードバックが､系の中で自発的な磁化への不安定性の引き金になるとき､今回の洞察を利用してその条件を理論的に実証した｡チームは､この理論的なアプローチが､グラフェンのような､広範な高品質プラズモン材料で実現されると期待している｡

突発的な挙動
　光を使って材料の特性を変えるという考えは､近年､多くの科学的注目を浴びている｡しかし､発表された多くの例は､光照射に存在する特性を材料に吹き込んでいる(例えば､材料に円偏光を照射すると､材料は対掌性､つまり巻き方を獲得する可能性がある)｡あるいは､すでに材料に存在する特性を定量的に強化する｡
　こうしたアプローチとは違い､研究チームは､さらに踏み込む｡
　｢われわれは、プラズモンがある種の‘別のライフ’、つまり新たな特性の‘覚醒’を獲得できることを確認した。これは、プラズモンをホストする金属にも、それを駆動する光場にも存在しなかった特性である」とSongは付け加えている。プラズモンの挙動は、光場と金属、両方の本来的な対称性を破るという意味で突発的である。
　全体が部分の総和を超える、突発的な挙動は、多くの粒子が相互に作用し、集合的に動作することによって生まれる。それは、一般に温度によってコントロールされる強磁性や超電導など有用な物質の総に関わるものである。チームの研究は、この考えをプラズモンに拡張し、それが光照射によっていかに制御されるかの提案である。
(詳細は、https://www.ntu.edu.sg/)