东京大学研究生院新领域创成科学研究科的木村健太助教和木村刚教授等人组成的研究团队，与东北大学金属材料研究所的木村尚次郎副教授等人进行了联合研究，针对四极磁体被微自旋取代、显示出四极自旋排列（图1）的反铁磁材料，详细调查了通过可见光时的光透射状态。调查发现了随着四极子的正负极变化，光吸收也发生变化的现象，并确认这种现象起因于线性电磁光效应。另外还利用该现象，通过偏振显微镜成功地使四极子的正负空间分布（磁畴）实现了可视化。
这是首次利用线性电磁光效应在现实空间使反铁磁畴实现可视化的研究。磁畴是所有磁性材料中自发形成的不均匀结构，磁畴的控制对基础研究和应用研究都极为重要。与常规方法相比，此次这种使用偏振显微镜的方法可以更简单快速地使反铁磁畴实现可视化。因此，有望为使用反铁磁材料的光磁器件的开发，以及研究反铁磁畴对外部输入的反应做出贡献。
为研究反铁磁材料的线性电磁光效应，研究团队此次着眼于名为Pb(TiO)Cu4 (PO4)4的材料。如图1所示，在这种材料中，负责磁性的4个铜离子形成1个磁性单元，该单元呈四极子式自旋排列，四极磁体被微观自旋取代。这种自旋排列符合虽然不发生宏观磁化，但会产生线性电磁光效应的条件。
图1：对象研究物质Pb(TiO)Cu4 (PO4)4的四极子式自旋排列。4个铜离子的自旋在平面上的投影相当于四极磁体的条形磁体被自旋取代。
该研究团队向Pb(TiO)Cu4 (PO4)4的晶体入射可见光，详细调查了透射光的状态。结果出现了两个正交的线性偏振光的吸收量产生差异的“线性二色性”，另外还发现，逆转光的行进方向后，线性二色性的符号也会逆转。这就是应该称为非相反线性二色性的新光学反应。
还有一点值得一提的是，基于线性二色性的吸收系数的相对变化约达到4％。这个值与以往的反铁磁材料的电磁光效应相比高出1～2位数。此外还发现，通过调换四极子的正负，线性二色性的符号也会逆转。
根据以上结果，研究团队认为，通过调查样本各个位置的线性二色性，应该可以使样本内部的四极子的正负分布（磁畴）实现可视化。因此，研究团队通过采用线性偏振光的光学显微镜（偏振显微镜）观察了晶体的样子，如图2所示，清晰地看到了四极子的磁畴。此次研究利用线性电磁光效应，仅通过偏振显微镜观察这种简单的方法，就使不具备磁化作用的反铁磁材料的磁畴首次实现了可视化。
图2：利用偏振显微镜实现可视化的Pb(TiO)Cu4 (PO4)4晶体的四极子磁畴。蓝色和红色分别对应于四极子的正和负。白色部分表示正和负沿着晶体的厚度方向混在一起。
未来展望
此次研究证实，线性电磁光效应可以成为使某种反铁磁材料的磁畴实现可视化的有效工具。磁畴是所有磁性材料自发形成的不均匀结构，因此其控制对基础研究和应用研究都非常重要。以前要想观察不具备宏观磁化的反铁磁材料的磁畴，需要利用同步辐射和高强度脉冲激光等先进装置，而且，获得一张磁畴图像一般需要几分钟以上的时间。与常规方法相比，此次采用的偏振显微镜观察法的优点是，能够非常简单且快速地使反铁磁畴实现可视化。因此，有望为调查反铁磁畴对外部刺激的反应，以及加速开发使用反铁磁材料的光磁器件做出巨大贡献。
论文信息
题目：Imaging switchable magnetoelectric quadrupole domains via nonreciprocal linear dichroism
期刊：Communications Materials
DOI：10.1038/s43246-020-0040-3
文：JST客观日本编辑部
