成功利用磁铁的不对称性进行自然旋光性的电场控制

东京大学研究生院工学系研究科的高桥阳太郎副教授小组与理化学研究所创发物性科学研究中心的十仓好纪中心长小组共同发现，通过使用排列成螺旋状的自旋，太赫兹带产生了较大的自然旋光性，成功控制了电压引起的自然旋光性。手性是表示镜像不像右手和左手那样重叠这一对称性破坏的概念，见于生物分子到基本粒子等各个层次。自然旋光性是在具有手性的物质中行进的光的偏振光在右手系统和左手系统反向旋转的现象。作为细菌学家也很有名的巴斯德，由于使用自然旋光性，首次实现了被称为光学分割的右手系统和左手系统的区分。在普通物质中，原子的空间排列会产生手性，但作为磁铁来源的自旋排列所产生的手性性质尚不清楚。高桥阳太郎副教授等人使用具有排列成螺旋状的自旋结构的CuO，测量了太赫兹波段的透射光的偏振光。结果发现，右旋和左旋的自旋排列分别表现出相反的偏振旋转，即产生自然旋光性。并且，通过电压替换右旋转和左旋转的旋转排列，实现了自然旋光性的电压控制。这次的成果表明，使用具有不对称性的自旋排列，可以通过电压控制光。另外，通过使用自旋排列带来的不对称性，有望对实现电压写入、光读取的新的低功耗存储器有所帮助。

详细：

1 .主讲人: 增田亮二(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业博士课程(研究当时) ) 金子良夫(理化学研究所创发物性科学研究中心强相关物性研究组高级技师) 十仓好纪(理化学研究所创发物性科学研究中心中心主任/东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业教授/东京大学卓越教授) 高桥阳太郎(东京大学研究生院工学系研究科附属量子相电子研究中心副教授/理化学研究所创发物性科学研究中心创发光谱学研究组件组长) 2 .发表要点: ◆使用排列成螺旋状的自旋，成功观测了自然旋光性。 ◆在太赫兹波段明确了自然旋光性明显变大的同时，成功通过电压控制了自然旋光性。 ◆可以期待以小功耗控制光的偏振，还可以应用于非易失性手性的记录读取等各种设备。 3 .发表概要: 东京大学研究生院工学系研究科的高桥阳太郎副教授小组与理化学研究所创发物性科学研究中心的十仓好纪中心长小组共同发现，通过使用排列成螺旋状的自旋，太赫兹带(注1 )产生了较大的自然旋光性，成功控制了电压引起的自然旋光性。手性是表示镜像不像右手和左手那样重叠这一对称性破坏的概念，见于生物分子到基本粒子等各个层次。自然旋光性是在具有手性的物质中行进的光的偏振光在右手系统和左手系统反向旋转的现象。作为细菌学家也很有名的巴斯德，由于使用自然旋光性，首次实现了被称为光学分割的右手系统和左手系统的区分。在普通物质中，原子的空间排列会产生手性，但作为磁铁来源的自旋排列所产生的手性性质尚不清楚。高桥阳太郎副教授等人使用具有排列成螺旋状的自旋结构的CuO，测量了太赫兹波段的透射光的偏振光。结果发现，右旋和左旋的自旋排列分别表现出相反的偏振旋转，即产生自然旋光性。并且，通过电压替换右旋转和左旋转的旋转排列，实现了自然旋光性的电压控制。这次的成果表明，使用具有不对称性的自旋排列，可以通过电压控制光。另外，通过使用自旋排列带来的不对称性，有望对实现电压写入、光读取的新的低功耗存储器有所帮助。 4 .发表内容: <研究背景> 手征性是指像右手和左手那样处于镜像关系的东西不能相同的性质，众所周知手征性在生物、分子、结晶等各种物质中具有重要的作用。在具有手性的物质中行进的光的偏振光在右手系统和左手系统中反向旋转。这是由被称为自然旋光性的不对称性产生的最基本的性质。作为细菌学家也很有名的巴斯德，因其自然旋光性，首次实现了被称为光学分割的右手系和左手系物质的区分。至今，控制物质的手性仍被认为是重要而艰巨的课题之一。在以往的物质中，原子的空间配置会由于破坏反转对称性而产生不对称性。另一方面，已知物质中最小的磁铁——自旋的排列也会产生手性。但是，不知道自旋序列所形成的手性的基本性质。 <研究内容> 东京大学研究生院工学系研究科的高桥阳太郎副教授等人，着眼于排列成螺旋状的旋转。右旋旋转和左旋旋转具有不同的手性(图1 )。这种具有螺旋型自旋排列的物质作为复合材料(注2 )等新型功能材料也备受瞩目。在这次的研究中，利用CuO这一复合粒子验证了自旋序列产生的手性是否显示出自然旋光性。 CuO的单晶试料是用理化研究所开发的激光浮动区炉合成的。由于自旋的光响应出现在太赫兹波段，因此研究了在晶体中行进的太赫兹光的偏振。结果表明，右旋和左旋螺旋型自旋序列中，太赫兹光的偏振方向相反，偏振旋转角在太赫兹带有所增强，该实验证实了自旋序列产生的手性会产生自然旋光性多面体中的螺旋型自旋排列可以通过电压控制右旋转和左旋转。利用这一性质，通过施加电压脉冲，成功控制了手性和自然旋光性(图2 )。表明即使切断电压后自然旋光性也不发生变化，存在不挥发性，如果施加反向电压，自然旋光性会发生反转。这表明，通过电压写入手性，然后用光将其导入的实证实验也取得了成功。 <展望社会意义> 此次研究证实了自旋序列产生的手性在太赫兹带表现出自然旋光性的最基本性质，同时可以通过电压控制自旋序列产生的手性，通过光进行读取。这表明自旋阵列所具有的手性可以作为各种设备的新原理。例如，可以通过电压控制光的偏振，但此时流动的电流很小，只有在手征性反转时才施加电压，因此可以成为低功耗的光控制设备。另外，由于可以通过电压控制手征，通过光进行读取，因此也成为非易失性存储器的新原理。一般来说，物质的手性和自然旋光性的控制是至今仍在继续研究的困难课题之一，今后，通过利用自旋序列将手性作为一个功能的进一步研究开发备受期待。 5 .发表杂志: 杂志名称:《科学》论文标题:自然光学活动的电子现场控制作者: Ryoji Masuda，Yoshio Kaneko，Yoshinori Tokura，Youtarou Takahashi* 6 .用语解说: (注1 )太赫兹带指位于可见光和微波中间的光的波段。因为作为光波的频率是太赫兹( 10.12赫兹)，所以就叫做光波。期待未来的高速通信和各种传感技术的实现，是现在正在积极进行研究的频带。 (注2 )多联体自发表现铁电、铁磁等性质的物质被称为费克斯，但多个强性质共存的物质被称为多费克斯。特别是，来自自旋排列的产生铁电性的物质作为代表性的复合材料为人所知，作为新功能材料被期待应用于各种器件。 7 .附件:

图1 :最小磁铁自旋(红箭头)在晶体中呈螺旋状缠绕的配置，会产生不对称性。右旋和左旋的螺旋型自旋排列互为镜像，但具有不同性质。

图2 :演示电压对自然旋光性的控制。透过晶体的太赫兹光的偏振旋转角(左上段)和电压(左下段)。施加正电压(电场)时，晶体中的螺旋型自旋排列向右旋转，基于自然旋光性的偏振光旋转也变成板条。施加负电压时，晶体中的螺旋自旋排列向左旋转，反映手性的反转，从而自然旋光性的符号也发生反转。表明在电压脉冲切断后，仍保持着自然旋光性的符号，可以通过电压控制非易失性。

プレスリリース本文：/shared/press/data/setnws_202104301052114717552173_244233.pdfScience：https://science.sciencemag.org/content/372/6541/496

成功利用磁铁的不对称性进行自然旋光性的电场控制

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