空間反転対称性が破れた磁性体における異常マイクロ波応答
Anomalous microwave response in noncentrosymmetric magnets（日本物理学会推薦）

代表研究者 東京大学

小野瀬佳文

The University of Tokyo

Yoshinori ONOSE

In noncentrosymmetric magnets, where the inversion and time reversal symmetries are simultaneously broken, thepropagation of quantum wave is nonreciprocal i.e. the degeneracy between +k and –k states are completely lifted. In thisstudy, we have investigated the nonreciprocity of magnons and phonons (acoustic waves) excited by microwave andmicrowave itself in GHz region. We have demonstrated the nonreciprocal propagation of magnons in a chiralferrimagnet LiFe5O8. The microscopic origin of nonreciprocity is ascribed to the asymmetric magnon band induced by
the Dzyaloshinskii-Morya interaction. We have also studied the nonreciprocity of microwave itself in anothernoncentrosymmetric magnet CuB2O4. We have detected the nonreciprocal microwave transmittance in the canted
antiferromagnetic state. We have shown that the nonreciprocity can be explained by the microscopic magnetoelectric
coupling. Finally, the nonreciprocity of phonons (acoustic waves) has been studied in terms of microwave. We havesuccessfully observed the nonreciprocity of surface acoustic wave in a Ni/LiNbO3 bilayer excited by the interdigitaltransducer and microwave. By means of detail angle dependence analysis we have clarified the origin of nonreciprocity
is different polarizations depending the direction of wave vector. These results may pave a new path to designing thenonreciprocal microwave devise.
研究目的

特に本研究では、空間反転対称性が破れた磁性体

一般に結晶の対称性はその電磁気応答と密接ににおけるマイクロ波によって励起されたマグノン、結びついている。特に、空間反転対称性が破れたフォノン（弾性波）の非相反性やマイクロ波自身物質においては、光の偏光面が物質中で回転しての非相反性の研究を行った。

いく自然旋光性や応力によって電気分極が誘起する圧電効果など非自明な物理現象が現れる。本研

研究経過

究では、空間反転対称性が破れた磁性体に着目し本研究では、上記の目的に沿った研究成果としその非自明なマイクロ波応答を開拓することを目てキラルなフェリ磁性体 LiFe5O8 におけるマグノ的とした。磁性体においては、多くの場合磁気モン非相反性の観測、空間反転対称性が破れた反強ーメント反転に関する対称性（時間反転対称性）

磁性体 CuB2O4 におけるマイクロ波の非相反性のも同時に破れている。空間反転対称性と時間反転観測、および LiNbO3 圧電体基板/強磁性 Ni 薄膜

対称性が同時に破れている場合には、量子の分散二層構造における非相反弾性波伝搬の観測、の三関係が非対称になる、すなわち、波数+k をもつ状つの成果を挙げることが出来た。以下これらにつ態と-k の状態の縮退が完全に破れた非相反性が期いて述べる。

待される。重要なことは、このような非相反性は電子だけではなく、フォトン、マグノン、フォノ１、空間反転対称性が破れたフェリ磁性体 LiFe5O8ンといった固体中の素励起全般に起こることであにおけるマグノン伝搬の非相反性る。マイクロ波領域には、フォノンやマグノンとLiFe5O8 は、マグネタイト Fe3O4 のスピネル構造

いった固体中の基本的な量子が存在しており、無における B サイトの Fe の 1/4 が Li で置換され、線通信周波数帯でもあるため応用上も重要である。

その Li が鏡映対称性を破るように整列した物質である。磁性は、900K 以上で A サイトと B サイかにした。

トの Fe が反平行に整列したフェリ磁性転移を示す。このような鏡映対称が破れたフェリ磁性体で２、空間反転対称性が破れた反強磁性体 CuB2O4は、らせん磁性体 MnSi などと同様に一様なジャにおけるマイクロ波の非相反性

ロシンスキー守谷相互作用が存在するが、この場CuB2O4 の結晶構造の空間反転対称性は破れて合は磁気異方性が比較的強く共線的なフェリ磁性いるが、有限の自発誘電分極を持つ極性物質でもが安定化している。しかしながら、励起状態にはなく、鏡映対称性が破れたキラルな物質でもない。

ジャロシンスキー守谷相互作用が影響し、運動量

しかしながら磁気モーメントが存在すると方向に空間で非対称なマグノンバンドが形成されている

応じて、極性やキラリティーが生じるユニークなと考えられていた。我々は、このような非対称マ物質である。このような性質の為に結晶構造の空グノンバンドの効果をマイクロ波測定によって観間反転対称性の効果が検証しやすく、可視光領域測するためにフォトリソグラフィーによって比較の方向二色性が東大新領域の有馬グループによっ的高い波数のマグノンを励起および検出が可能なて精力的に研究されている。我々は、この物質にミクロンスケールのアンテナを作成し、アンテナおけるマイクロ波の非相反性（方向二色性）の観間のマイクロ波透過強度の非相反性としてマグノ測に成功した(Fig. 2)。CuB2O4 には Cu の二つの異ンバンド非対称性の影響を観測することが出来たなるサイトがある。A サイトの Cu は、磁気モー(Fig.1 )。さらには、空間反転対称性がある強磁性メント間の相互作用が比較的強く 20K 以下で反強体のリファレンス試料（Y3Fe5O12）との比較や磁磁性、8K 以下でらせん磁性を生じる。一方で B

場方向依存性の解析などにより、このような非相サイトの Cu は磁気モーメント間の相互作用が弱反性が試料の空間反転対称性の破れによるジャロ

く、A サイトとの磁気相互作用を有効磁場としてシンスキー守谷相互作用の効果であることを明ら受けつつも 4K でも常磁性状態を保っている。こCuB2O4

Fig. 1: Microwave transmittance owing tomagnon propagation from port 2 to port 1(ΔS21) and from port 1 to port 2 (ΔS12) for(a),(b) chiral LiFe5O8 and (c),(d) reference
Y3Fe5O12 crystals.

Fig. 2: Nonreciprocity of microwave
transmittance in CuB2O4. When the crystal
chirality is reversed by the rotation of magnetic
field, the nonreciprocity is also reversed,
indicating the nonreciprocal microwave
dichroism.

の物質では、A サイトの反強磁性共鳴励起は 20GH

Ni/LiNbO3以上の高い周波数帯にあるが、B サイトの常磁性磁気共鳴励起は 10GHz 以下と低い周波数帯で観測されている。本研究では、反強磁性相においてマイクロ波の非相反性を観測することに成功した。
この B サイト常磁性磁気共鳴励起周波数における磁場とマイクロ波の波数が共に[100]方向にある場の楕円偏光の向きが波数の方向によって異なることに起因していることが明らかになった。
考察
マイクロ波の非相反性は、強磁性体を組み込んだマイクロ波回路形状に非対称性が存在すると磁場合、有限の非相反性が観測された。この非相反気双極子相互作用由来の非相反性が現れることが性は、磁場の方向を 180°回転するかもしくは結知られており、これをもとにアイソレータやサー

Fig. 3: Absorption and phase velocity change asfunctions of magnetic field in ferromagnetic
Ni/ piezoelectric LiNbO3 bilayer sample.

キュレータといったマイクロ波非相反素子が作られている。本研究で行ったことは、空間反転対称性と時間反転対称性が破れると電磁波やマグノンといった GHz 帯の量子の分散関係が非対称になり、晶を 90°回転して磁場と波数が[010]方向に向くと反転した。これにより、空間反転対称性と時間反転対称性が同時に破れたことに伴う非相反性であることが明らかとなった。さらに、磁場方向依存性の詳細な解析により、スピン依存 d-p 混成機古典的な非相反性に加えて結晶構造対称性に依存した新たなタイプの非相反性が存在することを明らかにしたことである。これらの非相反性は、外場制御型マイクロ波非相反素子など高付加価値なデバイス創成へつながることが期待される。

構と呼ばれる電気磁気結合がその微視的な起源であることが裏付けられた。

研究の発表
口頭発表

３、LiNbO3 圧電体基板/Ni 強磁性薄膜二層構造における非相反弾性波伝搬

1.

excitations in magnetic materials"

LiNbO3 は最も有名な圧電体の一つであり、そのThe OIST International Workshop on Novel

基板表面にいわゆるすだれ状電極を付けると表面Quantum Materials and Phase

弾性波と呼ばれる表面を伝搬する弾性波が存在する。このような表面弾性波は高周波のバンドパスフィルタ―などの素子に応用されている。このよ

沖縄 2014 年 5 月（招待講演）
2.

LiFe5O8 における高波数マグノン励起のマ+k と-k の振動数は一致しているが、表面に強磁性イクロ波応答」日本物理学会、早稲田大学

体の Ni を付けると時間反転対称性が破れて非相圧電体基板上に厚さ 50nm の Ni 強磁性薄膜を蒸着2015 年 3 月
3.

Photonics Conference 、サンディエゴ

電体の吸収や位相速度変化に方向依存性が表れる
磁場角度依存性の解析などから非相反応答の依存性は弾性波によって作られる磁性体に働く有効磁

小 野 瀬 佳 文 “Magnon Hall effect”Spintronics

VIII Symposium of the SPIE Optics &し、基板上での弾性波を測定した。その結果、圧有限の非相反性を観測することができた(Fig. 3)。

井口雄介、上村宗一郎、上野和紀、小野瀬佳
文「空間反転対称性が破れた強磁性体

うな表面弾性波には相反性が存在しており、波数反性が表れることが期待される。我々は、LiNbO3

小野瀬佳文“Topological effects on magnetic

米国2015 年 8 月（招待講演）
4.

小 野 瀬 佳 文 “Nonreciprocal

propagation

inaferromagnet

LiFe5O8”EMNmagnon

noncentrosymmetric
HongKongmeeting 香港 中国 2015 年 12 月（招待講演）
5.

小 野 瀬 佳 文 “Nonreciprocal

propagation

inaferromagnet

magnonnoncentrosymmetric
LiFe5O8”Core-to-Copre

International Meeting cMag2016 symposium 広島
6.

2016 年2月

小野瀬佳文「強磁性マグノン伝搬の相対論効果」
第 55 回化合物新磁性材料専門研究会、
東京大学 2016 年３月（招待講演）

7.

小野瀬佳文「ジャロシンスキー守谷相互作用に由来する非相反マグノン伝搬」日本物理学会、東北学院大学 2016 年 3 月（招待講演）
8.

新居陽一、佐々木遼、井口雄介、小野瀬佳文「非反転対称磁性体 CuB2O4 のマイクロ波応答」日本物理学会、東北学院大学

2016

年3月
9.

佐々木遼, 新居陽一, 井口雄介, 小野瀬佳文「Ni/LiNbO3 における表面弾性波の磁気弾性結合と非相反性」日本物理学会、東北学院大学 2016 年 3 月

誌上発表

1. Y. Iguchi, S. Uemura, K. Ueno, and Y. Onose,Phys. Rev. B 92, 184419 (2015).