トピックス
共鳴非弾性軟 X 線散乱の磁気円二色性による磁性研究
宮脇淳

東京大学物性研究所

菅〒2778581 千葉県柏市柏の葉 515

滋正

大阪大学産業科学研究所〒5670047 茨木市美穂ヶ丘 81

独ユーリッヒ研究センター

藤原秀紀
大阪大学基礎工学研究科〒5608531 豊中市待兼山町 13

池野豪一
大阪府立大学工学研究科
JSTさきがけ〒5998570 大阪府堺市中区学園町 12〒3320012 埼玉県川口市本町 418

原田慈久
東京大学物性研究所

要 旨〒2778581 千葉県柏市柏の葉 515共鳴非弾性 X 線散乱（RIXS）は，photon-in/photon-out の測定原理により，電場や磁場などの外場中でも散乱過程が影響を受けることなく電子状態を測定することが可能であり，磁場中における磁性体の電子状態測定に有用な手法である。近年の急速なエネルギー分解能の向上によって，RIXS では，蛍光成分にとどまらず，dd 励起やマグノンなどを分離観測することが可能となっている。そこで，我々は，軟 X 線 RIXS を磁場中で測定することが可能となるコンパクトな永久磁石システムを開発し，RIXS における磁気円二色性の測定を行ったので，磁石システムの特徴，得られた結果について紹介する。

を受けることなく電子状態を測定できるというのは RIXS

1. はじめにの大きな特長であり，磁場中での RIXS 測定を活用した手

共鳴非弾性 X 線散乱（RIXS）は，物質の内殻に共鳴す法として， RIXS における磁気円二色性（ RIXS MCD ）る X 線を照射し（ photon-in ），散乱された X 線をエネルの測定が行われ，スピン分解した価電子帯励起の抽出が試

ギー分解することによって（ photon-out ），電子状態や素みられてきた35)。

励起を調べることができる分光手法である1,2) 。中でも軟RIXS MCD は， Strange らによって初めて理論的に予X 線 RIXS （ SX RIXS ）は，放射光光源と測定装置の性

言され6)，原理的にはスピン分解光電子分光から得られる能向上に伴って，この十数年で劇的なエネルギー分解能の情報と同等の情報が得られ，X 線吸収分光における MCD

向上を遂げてきた。これにより，SXRIXS はバルクの電（ XASMCD）と相補的なものであることが示された。実子状態を調べるための X 線分光の手法において重要な位

験的には， Duda らが，遍歴電子系である 3d 遷移金属か置を占めるようになってきている。現在では，高エネル

ら の 蛍 光 X 線 の MCD の 測 定 を 初 め て 行 い7) ，

ギー分解能化によって， dd 励起やオービトン，マグノ

Yablonskikh らが局在電子系の磁性体の RIXSMCD の測ン，フォノンなどの素励起の運動量分散の観測が実際に可定を行っている8)。Braicovich らは，XASMCD が観測さ能となっており，電気伝導や磁性などの重要な物性をよりれない実験配置（磁化方向と円偏光の偏光ベクトルが直交直接かつ詳細に議論できるに至っている。 RIXS は pho-する配置）での RIXS MCD 測定へと進展させ， XAS 

ton-in / photon-out で測定することから，バルク敏感性，

MCD の影響を排除することによって定量性の議論も行っ元素軌道化学状態選択性，入射光のエネルギー運動ている911) 。ところが， XAS MCD が一般的なツールと量偏光依存性など，多くの利点を有しており，これまでして利用されているのに対して，これまでの先人たちの多も物質の状態（固体，液体，気体）や電気伝導度（金属，

大な努力にも関わらず RIXSMCD は広く利用されている

半導体，絶縁体）に関わらず様々な物質に適用されてきとは 言え ない 状況に ある 。この 一つの 理由 として は，た。中でも，電場や磁場などの外場中でも散乱過程が影響

XAS に比べて RIXS の測定が非常に複雑であることが挙

放射光 Nov. 2018 Vol.31 No.6 ● 353(C) 2018 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Researchげられる。もう一つのより本質的な理由は， RIXSMCDの解析には，定量的かつ精度の高い理論計算が必要になる

2. 磁石システムことであろう。これは，総和則が確立されている XAS 

Fig. 1(a)と 1(b)に我々が開発した磁気回路の模式図と写MCD が，実験だけから磁気モーメントを定量的に得る強真を示す。磁気回路は， Nd FeB 永久磁石，鉄でできた力な手法として広く利用されていることと対照的である。

ヨーク及び真鍮でできた支柱で構成される。磁気回路全体

しかし，RIXSMCD の持つ可能性は，実は総和則が存の大きさは， ICF114 から導入し，マウントできるよう在しないことを補って余りあるほどのものである。RIXS

f65 mm 以下に設計されており，既存のチャンバーや光学

MCD は， RIXS の持つあらゆる特徴を活用して磁気的なシステムを変更することなく導入することが可能である。

情報を引き出せるだけでなく， dd 励起の RIXS MCD を

磁極の間隔はヨークの部品を交換することによって変更可議論することによって，局在した個々の d 軌道に対する能であり，様々な大きさの試料ステージに対応可能であ

磁気的な情報を得ることが可能である。過去の研究では，る。磁極の f2 mm の貫通穴は X 線を通すために利用し，エネ ルギー 分解 能の制 約に よって ，蛍光 成分 にお ける

ヨークの板の f16 mm 貫通穴は磁極間に配置される試料

RIXSMCD の議論が主であった。しかし，現在得られるの位置を確認するために設けてある。

高エネルギー分解能をもってすれば容易に dd 励起の分

Fig. 1 ( c )に磁気回路と位置調整機構（ z ステージ，回転

離，観測が可能であり，RIXSMCD は磁性研究の非常にステージ，角度調整用ベローズ）で構成される磁石システ

有力な手法になり得る。そこで，我々は，RIXSMCD のムの写真を示す。z ステージは磁気回路を試料位置まで移有用性を示し，より広汎な利用を促すため，世界中の放射動させるのに利用し，磁場を利用しない通常の実験時には光施設におけるあらゆる RIXS 装置で利用できるような汎退避させることが可能である。回転ステージは磁気回路を用性を持った，コンパクトな永久磁石のシステムを SPr-

回転させるために利用し，試料に対する磁化方向を変化さ

ing 8 BL07LSU の HORNET エンドステーションにて開せ，磁場反転による MCD の測定が可能である。支柱は中発した1214) 。電磁石や超電導磁石を使用すればより強大空となっており，磁極間に位置する試料をヨークの下の板な磁場を得ることも可能であるが，SXRIXS で多く調べの貫通穴からモニターできるようになっている。磁場の大られる 3d 遷移金属，また，その酸化物の多くは軟磁性できさは，磁気回路の大きさ，特に磁極の間隔に依存するあり，RIXSMCD の測定に必要な単磁区は永久磁石の磁が，磁極の間隔が11 mm の時（後述する専用の試料ステー

場で十分得られるので，我々のシステムでは可搬性，汎用ジに最適化された間隔），磁極中心の磁場の実測値は約性を優先し永久磁石を採用している。本稿では，磁石シス0.25 T である。この磁場の大きさは，物性を変化させる

テムの特徴を紹介し，本システムを利用した磁性研究の中には十分でないが，RIXSMCD を測定するために必要なから，弱強磁性体である a Fe2O3 の RIXS MCD の結果

単磁区を，SXRIXS で広く研究される遷移金属酸化物やについて紹介する15)。

合金で得るのに相応な大きさとなっている。
Fig. 2(a)に，SPring8 BL07LSU の HORNET エンドス

Fig. 1(Color online) (a) Schematic representation and (b) photographs of the magnetic circuit. The magnetic circuit iscomposed of NdFeB magnets, a horseshoe-shaped yoke and truncated cones made of Fe, and brass supports.
The magnets are ˆxed by a screw with a through-hole for the X-ray beam. (c) Photograph of the complete magnet
system.

354 ● 放射光 Nov. 2018 Vol.31 No.6

トピックス ■ 共鳴非弾性軟 X 線散乱の磁気円二色性による磁性研究

テーションで本磁石システムを利用した際の実験配置の模る（ Fig. 2 ( d )下）。試料ホルダー側面には 2 つの穴が空い式図を示す。この実験配置では，磁石システムと試料スており，そこへトランスファーロッド先端のピンを差し込

テージは，それぞれ真空チャンバーの下と上から導入されみ，その後，トランスファーロッドを回転させるとピンのており， RIXS 分光器の散乱角は 90 °となるように設定さ間隔が狭くなる。これにより試料ホルダーは確実にホールれている。Fig. 2(b)に磁極間隔11 mm で利用可能な専用のドされる。

試料ステージを示す。この試料ステージは，1 つの試料ホルダーを取り付けられるようになっており，ステージとの電気伝導と熱伝導を確保するため，また，磁場による試料

3. aFe2O3 の RIXSMCD

位置の変化を防ぐため，背面のボルトを真空中で締めるこa Fe2O3 は，ジャロシンスキー守谷相互作用（ DMI ）とによってステージと密に接触させ，固定して使用する。

の典型的な物質と知られ，室温で弱強磁性を示すことが知Fig. 2(c)に，散乱面における実験配置を示す。磁極の貫通られている16)。Fig. 3 に aFe2O3 の結晶構造と磁気構造を穴を利用して，磁場は入射 X 線に対して（i）平行，（ii）示す。aFe2O3 の交換相互作用は基本的には反強磁性であ，（iii）垂直の 3 つの配置を取ることができ，（i）の配45°

り（ネール温度約950 K），モーリン温度 TM250 K 以下

±45°の散乱角での測定が置では分光器回転に対応して90°で は ，〈 111 〉方 向 に 磁 化 し た 完 全 な 反 強 磁 性 体 で あ る

可能である。試料ステージの幅は 7 mm で，試料を含む試（Fig. 3(a)）。しかし，TM 以上では，(111)面内に磁化方向

料ステージ全体の大きさは f9 mm（Fig. 2(c)の試料周りのが変わり，反強磁性的にカップルしたスピンモーメントが点線の円）に収まっており，磁極間隔 11 mm の磁気回路

DMI によって(111)面内でわずかに傾き，弱強磁性を示す

中で自由に回転させることができ，任意の入射角を設定で（Fig. 3(b)と 3(c)）。

きる。Fig. 2(d)に試料ホルダーを掴むトランスファーロッ

DMI は， Dzhyaloshinkii が対称性に基づき議論し，そドの先端部を示す。試料ホルダーの大きさは，幅 7 mm，の後，守谷が Dij  Si × Sj の表式で表されることを解析的

厚さ 3.5 mm と小さいため，試料移送機構には専用の方法に導き出し，結晶の対称性が重要であることを明らかにしを採用しており，以下の方法で試料ホルダーを掴み移送すた17,18) 。しかし，一般的に Dij の方向（符号）大きさをFig. 2(Color online) Schematic representation and photographs of the experimental setup and the dedicated sample
transfer system. (a) Experimental conˆguration of RIXSMCD at the HORNET end-station in SPring-8
BL07LSU when the angle of the magnetic ˆeld is set at 45°to the incident X-ray. (b) Sample stage ˆxed to acryostat with a mounted sample. (c) Cross-sectional views of the experimental conˆgurations of RIXSMCD on
the scattering plane. The black(red) and blue arrows indicate the incident and scattered X-rays, respectively. The
colored quadrants represent the clearance angle for the incident and/or scattered X-rays. The 9 mm-diameter dotted circle around the sample stage indicates the area required for rotating the sample stage with a mounted sample. (d) Catching device for the transfer of the sample mounted at the end of a transfer rod.

放射光 Nov. 2018 Vol.31 No.6 ● 355

計算で決定するのは，対称性だけでなく複数の超交換相互

SPring 8 BL07LSU の HORNET エンドステーションで作用を厳密に議論する必要があるため，いまだに困難な課測定した12,13) 。全ての測定は a Fe2O3 が弱強磁性を示す題である。また，磁性体中で DMI のみが働くということ

室温で行った。XAS は酸素の K 蛍光 X 線の逆部分電子収はなく， DMI よりも圧倒的に強力な通常の交換相互作用量法（IPFY）で測定した24)。Fe L2,3 端 RIXS のエネルギーが常に存在するため，実験的にも Dij を評価することは困

分解能は約250 meV に設定した。Fig. 4(a)に XASMCD，難である。 Dij を評価するための手法は積極的に探索され

RIXSMCD の実験配置を示す。磁場は入射 X 線に平行にているが19,20) ，評価のためには DMI に関わる電子状態をの斜入射配置とした。
配置し，試料は表面から入射角10°

特定し，選択的に観測することが重要となる。

散 乱 角 は 90 °である。この配置では，弱強磁性成分が電子状態や磁性を調べる X 線分光手法としては XAS (111)面上で磁化方向に揃い，反強磁性的にカップルした

MCD や XAS の磁気線二色性（ XAS MLD ）が広く知ら

磁気モーメントの主成分は，磁場と入射 X 線に対して直れている。 XAS MCD は，全体として磁気モーメントが交する。kin∥〈112̃〉と kin∥〈11̃0〉の 2 つの面内角依存性を存在することが測定に必要であり，基本的に強磁性体にの測定したが，(111)面内の磁気異方性が小さいため，いずみ適用可能である。一方， XAS MLD は，全体では磁気れの配置でも磁化は磁場方向に揃い，Fig. 4(a)に示したとモーメントを持たない反強磁性体にも適用できるが，主におりとなる。

磁化方向に関する情報を与えるのみである21,22)。このため，Fig. 4 ( b )に，左右円偏光で測定した a Fe2O3 ( 111 )単結

XASMCD， XASMLD では aFe2O3 の弱強磁性，DMI

晶 の Fe L2,3 端 XAS と XAS MCD を 示 す。 XAS は ， 結の起源となる軌道に関する議論ができない。一方，RIXS

晶 場 に よ る ピ ー ク の 分 裂 （ No. 3 と No. 5 ， No. 10 とMCD であれば，個々の dd 励起における RIXS MCD を

No. 11)，電荷移動状態への励起に対応するサテライト構測定可能で，aFe2O3 の弱強磁性を誘起する d 軌道を特定

造（ No. 7）が観測され，過去の実験，理論の結果と良くで き る こ と が 期 待 さ れ る 。 そ こ で ， 我 々 は ， a Fe2O3

一致した22,25,26) 。有意な XAS MCD 信号は観測されなか(111) 単 結 晶 の Fe L 端 （ 2p → 3d 励 起 ） XAS MCD とと非常に小さく，った。これは，スピンの傾きが約0.065°

RIXSMCD 双方を測定し，電荷移動遷移を含む第一原理

全体のスピン磁気モーメントが著しく小さかったためであ

多重項計算による解析から，aFe2O3 の弱強磁性を誘起する。Fig. 4(c)に RIXS スペクトルの励起（入射 X 線）エネ

る電子状態，d 軌道の特定を行った。

ルギー依存性を示す。明瞭な励起エネルギー依存性を有a Fe2O3 (111) 単 結 晶 の Fe L 端 XAS 及 び RIXS は ，Fig. 4
Fig. 3(Color online) (a) and (b) Crystal and magnetic structuresof aFe2O3 with rhombohedral unit cell. Blue (black) arrows
on the Fe atoms indicate the direction of the magnetic moment (a) below and (b) above the Morin temperature, TM
250 K. (c) Projection of the crystal structure of aFe2O3
onto the (111) plane. Blue (black) arrows in (c) schematically denote canted magnetic moments in the weak ferromagnetic phase. The canting angle is ～0.065°. The〈112̃〉and〈11̃0〉directions on the (111) plane are indicated. Theˆgures were created using VESTA23).

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(Color online) Experimental conˆguration and Fe L2,3edge
XAS and RIXS results of aFe2O3 single crystal. (a)Schematic representations of the experimental conˆguration
for the present XASand RIXSMCD measurements. The
incident angle from the sample surface was 10°. Arrows on
the sample represent the directions of the canted magnetic
moments on the (111) plane. (b) Fe L2,3edge XAS andXASMCD spectra of aFe2O3 measured in IPFYmode in amagnetic ˆeld of ～0.25 T. (c) Excitation energy dependenceof RIXS spectra measured by p-polarized X-rays without amagnetic ˆeld. Numbers labeled on RIXS spectra correspond to the excitation energies shown in (b).

トピックス ■ 共鳴非弾性軟 X 線散乱の磁気円二色性による磁性研究

し，エネルギー損失が一定のピークが観測された（ Fig. 4は観測されなかった。観測された RIXSMCD は，磁場反( c )のピーク A D ）。観測されたエネルギー損失の大きさ

転によってその符号が反転し，aFe2O3 の弱強磁性によっは，光学吸収の結果と一致した2729)。

て誘起されたものであることを確認している。また，一方Fig. 5(a)に示した No. 3, 5, 7 の励起エネルギーで測定しの配置（ kin∥〈 11̃0 〉）のみで RIXS MCD が観測されるとた RIXS MCD の 結 果 を Fig. 5 ( b ) と 5 ( c ) に 示 す 。 kin∥

いう異方性も，観測された RIXSMCD が非対称な超交換〈 112̃ 〉の配置では（ Fig. 5 ( b ）），測定したどの励起エネル相互作用である DMI 由来の弱強磁性の結果であることをギーでも明瞭な RIXSMCD は観測されなかった。一方，示唆している。これらの結果は， aFe2O3 の RIXSMCD〈 11̃0 〉の配置では（ Fig. 5 ( c )），メインピーク（ No. 3
kin∥の起源が， a Fe2O3 の弱強磁性， DMI 由来であることをと No. 5）での励起では RIXSMCD が観測されなかった意味する。No. 7 のサテライト構造は，電荷移動状態へののに対し，サテライト構造（ No. 7 ）での励起では 1.8 eV

X 線吸収に対応し，この中間状態が RIXSMCD の観測にの dd 励起（ピーク B ）で明瞭な RIXS MCD が観測され重要な役割を果たしていることが予想される。

た。 dd 励起（ Fig. 4( c )のピーク A ， B ， C）の中で有意な

RIXSMCD の起源を明らかにするために，量子化学的

RIXS MCD が観測されたのは，このピーク B のみであなアプローチに基づく第一原理多重項計算を行った。具体〈 112̃〉， kin∥
〈 11̃0 〉の両方の配り，ピーク A ， C では， kin∥

的には， Madelung 場に埋め込んだ FeO69－ クラスターに置で測定したどの励起エネルギーでも有意な RIXSMCD

対して相対論分子軌道計算を行った後，配位子の O から
Fe 原子への電荷移動遷移を考慮した配置間相互作用計算を行った。本手法は， Anderson 不純物モデルなどのモデ
ルハミルトニアンを用いた計算と比較して，結晶場分裂や電荷移動エネルギーなどの経験的パラメータが不要であり，任意の対称性原子配列に対して適用できるという特徴がある。 a Fe2O3 の DMI を議論するためには，非対称な構造を反映し，スピン軌道相互作用を取り入れた上で，FeO 間の共有結合をより正確に取り扱う必要があるが，本手法はこれらの要件を満たすものである。Fig. 5(a)に実験 と 計 算 の XAS の 比 較 を 示 す 。 計 算 で 得 ら れ た XAS
は，結晶場によるピーク分裂，電荷移動状態に対応するサ
テライト構造を良く再現している。 Fig. 5 ( d )は，実験で〈11̃0〉の配置で RIXSMCD
RIXSMCD が観測された kin∥を計算したものである。1.8 eV の dd 励起に対応するピー
ク B′
では，メインピーク（ No. 3 ′と No. 5 ′）の励起ではRIXS MCD が ほ ぼ な い の に 対 し ， サ テ ラ イ ト 構 造（No. 7′）での励起では小さいながらも明瞭な RIXSMCDが得られた（差分スペクトル I ↑↑I ↑↓ に注目）。一方，ピー
ク A′
では，無視できる程度の RIXS MCD しか得られていない。これらの結果は，実験結果と定性的に良く対応している。
ピーク A，B での RIXSMCD の振る舞いを決定付ける
dd 励起を特定するため，計算で得られた始状態，中間状Fig. 5(Color online) Comparison of the experimental and calculated XAS and RIXSMCD spectra of aFe2O3. (a) Experimental and calculated Fe L2,3edge XAS spectra. The
transition energy in the calculated XAS is shifted by -14 eV
to align the main peaks of the L3 edge with the experimental
ones. (b) and (c) Experimental RIXSMCD spectra in the〈112̃〉and kin∥
〈11̃0〉. (d) Calculated
conˆgurations of kin∥
〈11̃0〉
RIXSMCD spectra in the conˆguration of kin∥
. The
energy loss in the calculation is shifted by -1.35 eV. To
clearly see the RIXSMCD, RIXS spectra (I ↑↑ and I ↑↓) are
multiplied by the factor indicated on each spectra, and the
diŠerence spectra (I ↑↑I ↑↓) are further multiplied by a factor of 2 and 5 for the experimental and calculated spectra,
respectively. Numbers labeled on the RIXS spectra indicate
the excitation energies shown in (a).

態，終状態それぞれの多重項状態を構成する主要な電子配置の割合を求め（ Table 1 ）， RIXS の電子遷移過程の解析を行った（Fig. 6）。Table 1 に示すように，始状態は高スピ
ン Fe3＋ の（t2g)3(eg)2 が主要な配置であるが，中間状態はでは電荷移動状態が大
電荷移動状態の割合が増え，No. 7′
部分を占める。終状態は 3d 5 が主要な配置となっている。
これらの電子配置から求められた RIXS 過程における遷移
可能な励起緩和チャンネルを模式的に Fig. 6(a)に示す。
始状態と終状態に占める電荷移動状態の割合が非常に少なかったので，始状態終状態では 3d 5 状態のみを考慮し，中間状態では 2p 53d 6 状態のみを考慮している。ピーク A，

放射光 Nov. 2018 Vol.31 No.6 ● 357

Table 1

Results of the conˆguration analysis for many-electron
wave functions at the L3 edge. The values represent the percentages of the electronic conˆgurations in each state.
Nos. 3′, 5′, and 7′for the intermediate states correspond to
the photon energies shown in Fig. 5(a). A′and B′for theˆnal states indicate the RIXS peaks labeled in Fig. 5(d).
Conˆguration

Percentage(2p)6(t2g)3(eg)295
4
No. 3′ No. 5′ No. 7′
30
6
0

取り得る終状態は eg→t2g，t2g→t2g，eg→eg の 3 つのスピン反転励起状態である。
これらの緩和チャンネルが各励起エネルギー（ No. 3 ′， No. 7′）でピーク A ′と B′にどれだけ寄与すると No. 5′
か解析を行った結果を Fig. 6 ( b )と 6 ( c )に矢印線の太さにInitial state

では，緩和対応する相対強度で模式的に示す。ピーク A ′(2p)6(3d)6L

Intermediate statem1m2(2p)5(tm3(2p)5(t2g)3(eg)3512g) (eg)(2p)5(t2g)4(eg)2(2p)5(t2g)6(eg)1L(2p)5(t2g)5(eg)2L(2p)5(t2g)4(eg)3L(2p)5(t2g)3(eg)4L

Final state
f1
f2＋f3

B では， i, ii, iii, iv の 4 つの緩和チャンネルが考えられ，(2p)6(t502g) (eg)(2p)6(t2g)4(eg)1(2p)6(t2g)3(eg)2(2p)6(t2g)2(eg)3(2p)6(3d)6L

44
2
0
11
12

14
6
0
38
32

2
3
5
34
46

1
A′
1
91
2

4
B′
14
64
12

10

1
4

6
4

チャンネル i と ii が主要，すなわち，eg→t2g のスピン反転
励起が主要である。ピーク A では RIXS MCD は得られないことから，RIXSMCD の原因として緩和チャンネル
i, ii による eg → t2g スピン反転励起は排除される。ピーク

では， 4 つの緩和チャンネル i, ii, iii, iv 全てが寄与する
B′が， 緩和チャン ネル iii の寄与は 3 つ のどの励 起エネル
）でもごくわずかであり，
ギー（ No. 3′と No. 5′, No. 7′
チャンネル i と ii は RIXSMCD を生み出さないので，チャンネル iv が RIXS MCD の発現に重要であることが示唆される。ここで，No. 7′での励起でのみ RIXSMCD が得られたことを考えると，緩和チャンネル iv の寄与の増大が， RIXS MCD と良く関連していることがわかる。
と No. 7 ′の励起で，緩和チャンネル iv の遷移強度
No. 5 ′
では緩和チャンネル i と ii の強は同程度であるが，No. 5′
度が非常に強いため iv の寄与が抑えられ，無視できる程度の RIXSMCD 強度になったと考えられる。これらの解析により，aFe2O3 で観測された RIXSMCD は eg→eg ス
ピン反転励起の寄与の結果であると結論される。

Fig. 6(Color online) Possible transition channels for the L3
edge RIXS of aFe2O3. (a) Possible electronic spin conˆgurations for the initial, intermediate, and ˆnal states at the L3 edge. States m1, m2, and m3 stand for the intermediate states of the 2p53d 6 conˆgurations, and states f1, f2, and f3 for the three diŠerent ˆnal states of the 3d 5
conˆgurations in Table 1. (b) and (c) Schematic representation of the transition intensities for each channel in). The widths of the arrows indicate the
RIXS peaks A′and B′at three excitation energies (Nos. 3′, 5′, and 7′transition intensities for each channel and can be directly compared with each other. The black arrows labeled by
the Roman numerals correspond to the decay channels in (a). (d) Experimental and calculated Fe L3edge XAS
spectra.

358 ● 放射光 Nov. 2018 Vol.31 No.6

トピックス ■ 共鳴非弾性軟 X 線散乱の磁気円二色性による磁性研究

eg→eg スピン反転遷移が RIXSMCD の原因であるといSXRIXS 装置の発展は，現在もまだまだ途上にあり，うことは，とりもなおさず，eg 軌道が RIXSMCD の起源

さらなる高エネルギー分解能化，分光器の連続回転によるであるということを意味する。 eg 軌道は配位子である酸

角度分解 RIXS を目指して，世界中で開発が行われてい素原子方向に向いた軌道であることから容易に想像できるる。高エネルギー分解能化と分光器回転の開発は密接に関ように， t2g 軌道よりも酸素原子との混成がより大きい状係しており，高エネルギー分解能化によって観測が可能と態となっている。 Mulliken の密度解析の結果， Fe の t2gなった，より低エネルギーの素励起であるマグノンやフォと eg 軌道中の O 2p 原子軌道の密度はそれぞれ 0.043 とノンの分散を測定したいという要求に応える形で，分光器

0.097であり， eg 軌道の方が酸素原子との混成を通じてよの連続回転の開発が行われてきた。 SPring 8 BL07LSU

り非局在していることを支持しており，FeO 間の結合がの RIXS 分光器は，アップグレードによって 45 ～ 135 °のDMI に重要であるという理解とも一致する。以上から，散乱角を真空を破ることなく連続して回転させることが可実験と理論との組み合わせにより， a Fe2O3 の DMI の起能となっており，マグノンなどの分散が測定できるように源は酸素原子とより強く混成し，より共有結合的になってなっている。今後は，RIXS による磁場中でのマグノンのいる eg 軌道であることが明らかとなり，本研究の RIXS

分散の測定などの要望がより高まると予想される。また，

MCD 測定によって DMI を誘起する異方的なスピン軌道

さらなる高エネルギー分解能化によってより低エネルギー

相互作用を生み出す電子状態の特定に成功した。

のマグノンの分散測定が可能となると，より強磁場，磁場方向可変な磁石システムの必要性も高まると考えられ，超4. まとめと今後の展望
今回，我々は RIXSMCD 測定のためにコンパクトかつ取扱容易な永久磁石システムの開発を行い，それを利用し電導磁石の導入が必要となるであろう。しかし，RIXS では散乱 X 線の集光光学系のため空間的制約が大きく，光学系や分光器回転のための特殊なチャンバーと共存可能な
超電導磁石の開発が望まれる。

て a Fe2O3 の RIXS MCD の測定を行った。開発を行った磁石システムは，設計通りの性能である約 0.25 T の磁謝辞場を発生し，すでにいくつかの物質で RIXSMCD の測定

本研究は，元大阪府立大学工学部修士課程学生 浦崎真に成功した。弱強磁性体の a Fe2O3 の RIXS MCD 測定

人氏，元東京大学物性研究所博士研究員 丹羽秀治氏（現では， XAS MCD が観測できない程小さいにもかかわら筑波大学），元東京大学大学院新領域創成科学研究科博士

ず，個々の dd 励起の RIXSMCD の観測と詳細な理論解

課程学生 木内久雄氏（現京都大学）との共同研究で行わ析によって， DMI を発現させる電子状態の同定に成功しれました。ここに感謝いたします。また，磁石システムのた。このように，磁性に複雑に寄与する個々の d 軌道の開発，aFe2O3 の RIXSMCD 測定は，東京大学物性研究

寄与を，選別された dd 励起の RIXS MCD から直接かつ所嘱託研究員制度，東京大学物性研究所の共同利用課題に

精密に明らかにすることが可能である。RIXSMCD は，

よって行われました。

a Fe2O3 のように XASMCD が観測されないほぼ反強磁

参考文献

性体の物質系以外にも，より一般的に，強磁性体にももちろん適用可能で，局在電子系の磁性全般で磁性と軌道の物理を議論することができる非常に強力な手法である。応用
面では，スピンと軌道が関与する分野として近年提唱されているスピン軌道エンジニアリングやスピンオービトロニ
クスの研究などで軌道の重要性が増しており，本研究で示

1)
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した実験と理論による精密な軌道の解析は大きな威力を発揮するであろう。また， a Fe2O3 の DMI のように，弱い

5)ながらも物性に重要な働きをするスピンホール効果やラシ
ュバ効果などは，スピンオービトロニクスで積極的に活用6)されている。RIXSMCD は，dd 励起により個々の d 軌道7)間の励起を議論できるため，本研究で示したように非常に微小な磁性をも敏感に観測することができ，この点でも利用価値は高い。さらに，スピンオービトロニクスなどのデ

8)

バイスの分析を考えた時， RIXS は operando 分光との相性が非常に良いため，この点でも適した手法と言える。このように，RIXSMCD は，基礎だけでなく，応用への広い展開も期待される。

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著者紹介
宮脇

淳

東京大学物性研究所 助教Email: miyawaki＠issp.utokyo.ac.jp
専門X 線分光学，固体物理［略歴］
2007 年 3 月東京大学大学院理学系研究科
化 学専 攻博 士課 程修 了。 博士 （ 理学 ）。
2007 年 4 月理化学研究所放射光科学総合
研究センター研究員。2012年11月より現職。

菅滋正

大阪大学産業科学研究所 招聘教授，ドイツユーリッヒ研究センター客員Email: ssmsuga＠gmail.com
専門固体電子物性，放射光科学［略歴］
1968 年東京大学工学部卒， 1973 年同大学
院工学系研究科物理工学専攻修了，博士（工学），同年ドイツマックスプランク固体研究所研究員， 1976 年東京大学助教授
軌道放射物性研究施設， 1989 年大阪大学
教 授 基 礎 工 学 研 究 科 ， 2009 年 定 年 退職，以後上記のように日独で研究に専念。

藤原秀紀
大阪大学基礎工学研究科 助教Email: fujiwara＠mp.es.osakau.ac.jp
専門固体電子物性，放射光科学［略歴］
2006 年大阪大学基礎工学研究科博士課程
修 了 ， 博 士 （ 工 学 ）， 2007 年 Alexandervon Humoldt 財団研究員（ドイツ，ケルン大学），2010年より現職。

360 ● 放射光 Nov. 2018 Vol.31 No.6

池野豪一
大阪府立大学工学研究科 准教授
JST さきがけ研究員（兼任）Email: ikeno＠mtr.osakafuu.ac.jp
専門計算材料科学，電子分光，マテリア
ルズインフォマティクス［略歴］
2007 年 3 月京都大学大学院工学研究科材料工学専攻博士課程修了。博士（工学）。
2007 年 4 月京都大学大学院工学研究科博士研究員（産官学連携）。 2009 年 4 月ユト
レヒト大学化学科博士研究員， 2010 年 4月京都大学福井謙一記念研究センターセン
ターフェロー，特定助教を経て，2013年 4月大阪府立大学21世紀科学研究機構特別講師。2018年 4 月より現職。

原田慈久
東京大学物性研究所 教授
Email: harada＠issp.utokyo.ac.jp
専門軟 X 線分光学，溶液科学［略歴］
2000 年 3 月東京大学大学院工学系研究科
物理工学専攻博士課程修了。博士（工学）。
2000 年 4 月理化学研究所基礎科学特別研究員，連携研究員， 2007 年 6 月東京大学
大学院工学系研究科特任講師，特任准教授
を経て 2011 年 12 月より東京大学物性研究所准教授。2018年 4 月より現職。

トピックス ■ 共鳴非弾性軟 X 線散乱の磁気円二色性による磁性研究

Magnetism studied by magnetic circulardichroism in resonant inelastic X-ray scattering
Jun MIYAWAKI

Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo, Kashiwanoha,
Kashiwa, Chiba 2778581, Japan

Shigemasa SUGA

Institute of Scientiˆc and Industrial Research, Osaka University, Ibaraki, Osaka
5670047, JapanJ äulich Research Center PGI6, J äulich, Germany

Hidenori FUJIWARA

Graduate School of Engineering Science, Osaka University, Ibaraki, Osaka 560
8531, Japan

Hidekazu IKENO

Department of Materials Science, Graduate School of Engineering, Osaka
Prefecture University, Gakuen-cho, Naka-ku, Sakai, Osaka 5998570, Japan
Precursory Research for Embryonic Science and Technology (PRESTO), Japan
Science and Technology Agency (JST), 418 Honcho Kawaguchi, Saitama
3320012, Japan

Yoshihisa HARADA

Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo, Kashiwanoha,
Kashiwa, Chiba 2778581, Japan

Abstract

Resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) is photon-in/photon-out technique and can measureelectronic structure even in electric and/or magnetic ˆeld. Thanks to the drastic improvement of
the energy resolution in RIXS over the past ten years or so, RIXS can now allow us to easily study
not only ‰uorescent spectra but also dd excitations. Thus, in order to measure magnetic circulardichroism in RIXS (RIXSMCD) of dd excitations, we developed a compact and portable permanent magnet system, and measured RIXSMCD of several magnetic systems. In this topic, we will
provide the detailed information of the developed magnet system and discuss obtained RIXS
MCD results of aFe2O3.

放射光 Nov. 2018 Vol.31 No.6 ● 361