東北大学
学際科学フロンティア研究所

光と磁石が結合した状態はマグノンポラリトンと呼ばれ、超伝導量子ビットを用いた量子コンピューターの操作に繋がるために、多方面から研究されています。これまでの研究では、金属の箱（マイクロ波にとっての共振器）に磁石を入れ、マイクロ波を当てることで強い結合が実現されてきました。これを超える結合比を持つ極めて強い結合（超強結合、結合比0.1以上）を実現するためには、低温の超伝導体が共振器として用いられています。しかし室温で安定した超強結合マグノンポラリトンを作ることができれば、量子コンピューターの操作を室温で実現できる可能性があります。

 

東北大学大学院理学研究科の三田健太郎大学院生、同大学学際科学フロンティア研究所（大学院工学研究科兼務）の千葉貴裕助教、同大学高度教養教育・学生支援機構の児玉俊之特任助教と冨田知志准教授（大学院理学研究科兼務）、京都工芸繊維大学電気電子工学系の上田哲也教授、京都大学大学院工学研究科の中西俊博講師、理化学研究所放射光科学研究センターの澤田桂研究員は、金属のらせん構造のカイラルメタ原子と絶縁性の磁石の磁性メタ原子からなる人工構造体、磁気カイラルメタ分子を作製し、マイクロ波に対する応答を調べました。その結果、メタ分子では室温で結合比0.22の超強結合マグノンポラリトンが実現していることが明らかになりました。それのみならず光の透過が表と裏とで異なる方向非相反性も実現していました。本研究では、カイラルメタ原子を共振器としてメタ分子に取り込むことで、金属箱や冷却を必要とせずに、コンパクトで室温動作するマグノンポラリトン媒体の開発に成功しました。

 

本成果は2025年1月17日、米国物理学会による学術誌Physical Review Appliedに速報論文（Letter）として掲載されました。

図：磁気カイラルメタ分子でのマグノンポラリトンの概念図。外部磁場Hextの元で、磁性体での磁化m(t)の歳差運動とマイクロ波の磁場h(t)が結合し、マグノンポラリトンが生成される。

論文情報：
タイトル：Ultrastrongly coupled and directionally nonreciprocal magnon polaritons in magnetochiral metamolecules
著者： Kentaro Mita, Takahiro Chiba, Toshiyuki Kodama, Tetsuya Ueda, Toshihiro Nakanishi, Kei Sawada, Satoshi Tomita*
*責任著者：東北大学高度教養教育・学生支援機構（兼務：大学院理学研究科　物理学専攻）　准教授　冨田知志
掲載誌：Physical Review Applied
DOI：10.1103/PhysRevApplied.23.L011004
URL：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.L011004

 

プレスリリース：
東北大学
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2025/02/press20250204-01-magnon.html