東京大學研究生院新領域創成科學研究科的木村健太助教和木村剛教授等人組成的研究團隊，與東北大學金屬材料研究所的木村尚次郎副教授等人進行了聯合研究，針對四極磁體被微自旋取代、顯示出四極自旋排列（圖1）的反鐵磁材料，詳細調查了透過可見光時的光透射狀態。調查發現了隨着四極子的正負極變化，光吸收也發生變化的現象，並應答這種現象起因於線性電磁光效應。另外還利用該現象，透過偏振顯微鏡成功地使四極子的正負間距分佈（磁疇）實施了視覺化。
這是首次利用線性電磁光效應在現實空間使反鐵磁疇實施視覺化的研究。磁疇是所有磁性材料中自發形成的不均勻結構，磁疇的控制對基礎研究和應用研究都極爲重要。與常規方法相比，此次這種使用偏振顯微鏡的方法可以更簡單快速地使反鐵磁疇實施視覺化。因此，有望爲使用反鐵磁材料的光磁器件的開發，以及研究反鐵磁疇對外部輸入的反應做出貢獻。
爲研究反鐵磁材料的線性電磁光效應，研究團隊此次着眼於名爲Pb(TiO)Cu4 (PO4)4的材料。如圖1所示，在這種材料中，負責磁性的4個銅離子形成1個磁性單元，該單元呈四極子式自旋排列，四極磁體被微觀自旋取代。這種自旋排列符合雖然不發生宏觀磁化，但會產生線性電磁光效應的條件。
圖1：物件研究物質Pb(TiO)Cu4 (PO4)4的四極子式自旋排列。4個銅離子的自旋在平面上的投影相當於四極磁體的條形磁體被自旋取代。
該研究團隊向Pb(TiO)Cu4 (PO4)4的晶體入射可見光，詳細調查了透射光的狀態。結果出現了兩個正交的線性偏光的吸收量產生差異的「線性二色性」，另外還發現，逆轉光的行進方向後，線性二色性的符號也會逆轉。這就是應該稱爲非相反線性二色性的新光學反應。
還有一點值得一提的是，基於線性二色性的吸收係數的相對變化約達到4％。這個值與以往的反鐵磁材料的電磁光效應相比高出1～2位數。此外還發現，透過調換四極子的正負，線性二色性的符號也會逆轉。
根據以上結果，研究團隊認爲，透過調查樣本各個位置的線性二色性，應該可以使樣本内部的四極子的正負分佈（磁疇）實施視覺化。因此，研究團隊透過採用線性偏光的光學顯微鏡（偏振顯微鏡）觀察了晶體的樣子，如圖2所示，清晰地看到了四極子的磁疇。此次研究利用線性電磁光效應，僅透過偏振顯微鏡觀察這種簡單的方法，就使不具備磁化作用的反鐵磁材料的磁疇首次實施了視覺化。
圖2：利用偏振顯微鏡實施視覺化的Pb(TiO)Cu4 (PO4)4晶體的四極子磁疇。藍色和紅色分別對應於四極子的正和負。白色部分表示正和負沿着晶體的厚度方向混在一起。
未來展望
此次研究證實，線性電磁光效應可以成爲使某種反鐵磁材料的磁疇實施視覺化的有效工具。磁疇是所有磁性材料自發形成的不均勻結構，因此其控制對基礎研究和應用研究都非常重要。以前要想觀察不具備宏觀磁化的反鐵磁材料的磁疇，需要利用同步輻射和高強度脈衝雷射等先進裝置，而且，獲得一張磁疇影像一般需要幾分鐘以上的時間。與常規方法相比，此次採用的偏振顯微鏡觀察法的優點是，能夠非常簡單且快速地使反鐵磁疇實施視覺化。因此，有望爲調查反鐵磁疇對外部刺激的反應，以及加速開發使用反鐵磁材料的光磁器件做出巨大貢獻。
論文資訊
題目：Imaging switchable magnetoelectric quadrupole domains via nonreciprocal linear dichroism
期刊：Communications Materials
DOI：10.1038/s43246-020-0040-3
文：JST客觀日本編輯部
