本研究では、まず、光磁気ディスクの材料として既に実用化されているFe-Tbアモルファス薄膜を取り上げ、その垂直磁気異方性の起源について放射光を用いて調査した。Fe-Tbアモルファス薄膜の垂直磁気異方性の発現は、磁気モーメントの軌道成分(M_orb.)の増大が原因であることが予想されながらも、これまで、M_orb.に関する情報は得られておらず垂直磁気異方性の起源は完全には理解されていない。そこで、磁気XANES(X-ray Absorption Near Edge Structure)実験を行い、3d-4f相互作用を媒介するTb5d電子の軌道磁気モーメントについて調べた。その結果、図1で示したように薄膜の垂直磁気異方性エネルギー(Ku)に依存してTb5d電子の磁気モーメント中の軌道成分が増加することが明らかになった。Tb5d電子はFe3d電子における磁気モーメントの軌道成分増大を混成によってTb4f電子に伝搬し、異方性の軸を揃える役割を担っていると考えられる。

図1 Fe-Tbアモルファス薄膜の5d電子に関する(M_orb./M_spin)_5dのKu依存性。波線は最小自乗フィッティング。

　スピン分極分布を動径構造関数として得るために、磁気EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure)の実験を行った。磁気EXAFSは動径分布の中心原子に対して元素選択性があり、元素の種類を分類した情報を得ることが可能である。従来の解析法から得られる動径分布は、スピン分極の大きさの分布についてのみ議論できるものであったが、符号付きで表示できなければ、磁気構造解析としては不十分である。そこで磁気EXAFSが原理的にスピンの符号情報を含むことに着目し、DyFe₂合金における実験で得た良質の磁気EXAFSスペクトルを基に検討を行った結果、符号付きでスピン分極分布を得る新しい解析手法を考案するに至った。C15ラーベス相の結晶構造をもつDyFe₂合金ではFeの周りの環境は、吸収原子であるFe原子の最近接をFe原子、第2近接をDy原子が占めている。

図2 DyFe₂のFe K-edgeにおける磁気EXAFSの解析結果。(a)通常のEXAFSによる動径分布関数(実線)、(b)磁気EXAFSのフーリエ変換(c)スピンの符号を考慮した磁気EXAFSのフーリエ変換(実線)。

　図2(a)はEXAFSによる通常の動径分布関数であり、r＝2.22Åとr＝2.91Åのピークは、それぞれ最近接のFe原子と第2近接のDy原子に対応する。(c)の実線が新しい解析法による磁気的動径分布関数で、Fe原子位置で負符号、Dy原子位置で正符号となり、FeとDyのスピンモーメントが互いにフェリ結合していることが如実に反映されている。波線はいずれもEXAFSの理論計算を基にしたシュミレーション結果である。解析結果とシュミレーション結果の一致が良好であることは、結晶構造が既知の物質において、磁気EXAFS実験と簡単な計算を組み合わせることによりスピンの分極分布を決定することができることを示している。さらに、未知物質中の特定元素原子の周りのスピン磁気モーメントの結合方向を簡単に知ることができることを示した画期的な成果である。

　RE-TM合金のREを中心としたスピン分極分布を得るための磁気EXAFS実験では、多電子励起(MEE)にともなう磁気円二色性(MCD)の影響が一部の実験データに関する正確な解析を阻害している。MEEは主に1光子によって2個の内殻電子が励起される現象であり、全体の吸収量の1%程度にすぎないが、相対的に非常に大きなMCDを示す興味深い現象である。これまでに、MEEのMCD(MMEE)の構造については磁気EXAFSスペクトルとの重なりが大きく、分離が困難であることを理由に詳細な情報は得られていない。本研究では磁気EXAFSからの影響が小さいRE-TMアモルファス薄膜を試料として、磁気XAS(X-ray Absorption Spectra)と磁気XES(X-ray Emission Spectra)の実験を行い、MMEEに関する多くの知見を得た。図3(c),(d)はCo₆₇Gd₃₃アモルファス薄膜の磁気XESにおいて初めて観測したMMEEだけを抽出したスペクトルである。

図3 Co₆₇Gd₃₃アモルファス薄膜GdL_1,2における蛍光発光(FY)スペクトル。(a)-(d)はそれぞれ、(a)FY_7398eV-FY_7378eV(b)FY_7418eV-FY_7378eV(c)MCD_{[FY7398eV-FY7378eV]}(d)MCD_{[FY7418eV-FY7378eV]}

　DyCo₅はフェリ磁性体の金属間化合物で、Dyが中性子吸収原子であるため中性子磁気散乱による磁気構造解析ができない物質の一つであり、X線磁気ブラッグ散乱による磁気構造解析が必要とされている。X線磁気ブラッグ散乱は、X線回折に対する磁気的寄与を抽出する実験であり、磁気モーメントのスピン成分と軌道成分をそれぞれ独立な磁気構造として得る(SL分離)ことが可能である。実験例が非常に少ないことから実験方法や解析法の多くの部分が未知であり、磁気構造解析の方法を確立し標準化を計ることが必要である。

　散乱角が2＝90°を満たすとき、磁気効果(R)は次式で与えられる。

　ここで、I₊とI_-は試料に印加する磁場が、それぞれ、正方向と負方向の場合に対するX線回折強度。S(k)、L(k)、n(k)は、それぞれ、スピン密度、軌道密度、電荷密度を表す。また、f_pは偏光因子、g＝E/mc²。は入射X線の波数ベクトル(k)と印加磁場の振動方向との間の角度を表す。したがって、の異なる1組の実験により(S(k)/n(k))と(L(k)/n(k))を求めることができる。

　実験は、KEK-PFのBL-3C₁にてDyCo₅の(h0h)結晶面からの回折について行い、(303)〜(707)反射について磁気効果Rを得た。(505)と(707)の回折面については、Co原子からの散乱波の位相は互いに打ち消し合って消失し、Dy原子だけから構成される結晶面の回折強度が反映されている。一方、(303),(404),(606)に対する回折強度は、Co原子とDy原子の両方の散乱の寄与が混ざるので解析が容易でない。本研究では、L_Co(k)/L_Dy(k)<<1,n(k)∝f(fは原子散乱因子)を仮定することによって、(303),(404),(606)に対するRについてもDyの磁気構造因子の軌道成分を選択的に求めることを試みた。

　図4は、(303)〜(707)反射に対する(S(k)/n(k))と(L(k)/n(k))をプロットした結果である。図中、白丸は計算に前述の仮定を用いて得たDyだけの(L(k)/n(k))に相当する。また、黒丸はDyだけの(S(k)/n(k))で、黒三角はDyとCoからの寄与が合成された(S(k)/n(k))である。ここで、Dy原子の軌道密度比とスピン密度比は、それぞれ、と、Dy原子とCo原子からの寄与が合成されたスピン密度比はである。(L(k)/n(k))の変化は単調に減衰する曲線となっおり、M.Itoらによる純Tb(T＝80K)の実験結果と良く整合する。また、(S(k)/n(k))〜0となっている理由としては、k<0.8の領域ではフェリ磁性結合するDyとCoのスピン磁気モーメントが互いに打ち消しあうこと、また、k>0.8の領域では(S(k)/n(k))の絶対値が十分に小さいことが考えられる。

図4 DyCo₅の(h0h)反射から求めたスピン密度比と軌道密度比。

　本研究では、希土類-遷移金属合金の磁性に関して以下の知見を得た。

　(1)磁気XANESの実験から、Fe-Tbアモルファス薄膜の垂直磁気異方性エネルギーとTb5d電子の軌道磁気モーメントの間に正の相関があることが明らかとなった。

　(2)磁気EXAFSの実験をDyFe₂合金などについて行い、スピン分極分布を得た。

　(3)Co₆₇Gd₃₃アモルファス薄膜のMEEにともなうMCDをXESにより初めて観測した。

　(4)DyCo₅の磁気散乱実験を行い、Dyの磁気構造因子の軌道成分を得た。