磁石での波と光が強結合した状態を室温で実現することに成功 量子コンピューターの操作に期待

磁石での波と光が強結合した状態を室温で実現することに成功量子コンピューターの操作に期待

2025年2月 4日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇高度教养教育?学生支援机构／大学院理学研究科物理学専攻　准教授　冨田知志

【発表のポイント】

金属のらせん构造と磁石で构成されるメタマテリアル^（注１）を用いて、室温で光（マイクロ波）と磁石が极めて强く结合した状态を実现しました。
量子コンピューターの操作、表里が决まったマジックミラーの开発に繋がると期待されます。

【概要】

光と磁石が结合した状态はマグノンポラリトン^（注２）と呼ばれ、超伝导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强い结合が実现されてきました。これを超える结合比を持つ极めて强い结合（超强结合、结合比0.1以上）を実现するためには、低温の超伝导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强结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现できる可能性があります。

东北大学大学院理学研究科の叁田健太郎大学院生、同大学学际科学フロンティア研究所（大学院工学研究科兼务）の千叶贵裕助教、同大学高度教养教育?学生支援机构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务）、京都工芸繊维大学电気电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讲师、理化学研究所放射光科学研究センターの泽田桂研究员は、金属のらせん构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构造体、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调べました。その结果、メタ分子では室温で结合比0.22の超强结合マグノンポラリトンが実现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过が表と里とで异なる方向非相反性^（注３）も実现していました。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、コンパクトで室温动作するマグノンポラリトン媒体の开発に成功しました。

本成果は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1. 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H_extの元で、磁性体での磁化尘(迟)の歳差运动とマイクロ波の磁场丑(迟)が结合し、マグノンポラリトンが生成される。

【用语解説】

注1. メタマテリアル
天然物质では困难な物性を実现することができる人工构造物质。マイクロ波领域での负屈折率メタマテリアル、メタマテリアル不可视化クローク（透明マント）などが有名。

注2. マグノンポラリトン
磁石は电子のスピンが揃った状态と考えられる。このスピンの波であるマグノンと呼ばれる準粒子が、マイクロ波などの光が结合した状态（ポラリトン）をマグノンポラリトンと呼ぶ。ポラリトンにはこの他にも、格子振动（フォノン）と结合したフォノンポラリトン、电子と正孔のペアである励起子と结合した、励起子ポラリトン、金属表面に局在化した自由电子の集団振动（表面プラズモン）と结合した表面プラズモンポラリトンなどがある。

注3. 方向非相反性
表から见た场合と里から见た场合で、物质の屈折率が异なる现象。磁気光学（惭翱）効果による一般的な非相反性とは异なり、偏光に依存せず、光の进行方向に依存して透过係数や屈折率が异なる现象。表里の决まったマジックミラーの実现に繋がる。

【论文情报】

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*
*责任着者：东北大学高度教养教育?学生支援机构（兼务：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
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