背景色は、電子が持つ磁気モーメントの紙面垂直成分の向きを表しており、赤い部分で手前側、青い部分で向こう側を向いている。手前向きに印加した磁場を弱くしてゼロとしたのちに、向こう向きに反転させて強くしていくと、磁気スキルミオンの形状が変化していくとともに、三角格子 (a-c)から正方格子(d)へと配列が変化する様子を示している。
東京大学
理化学研究所
高エネルギー加速器研究機構
高輝度光科学研究センター
科学技術振興機構
概要
次世代メモリの情報担体の候補として注目されている磁気スキルミオンは、数十ナノメートル（nm、1nmは10億分の1メートル）程度の渦状の磁気構造体です。磁気スキルミオンはトポロジカル欠陥の一種であり、一度生成されると安定に存在でき、孤立した粒子として扱えることが知られています。これまで磁気スキルミオンは主に三角格子を組んだ状態で観測されてきましたが、最近では試料を急速に冷却すると、準安定状態として磁気スキルミオンを安定化できる温度・磁場範囲が拡大し、スキルミオンの三角格子から正方格子へと配列パターンが変化するという報告がなされています。しかし、この配列変化の起源は明らかになっていません。
東京大学大学院工学系研究科の高木里奈助教、関真一郎准教授らを中心とする研究グループは、理化学研究所、物質・材料研究機構、高エネルギー加速器研究機構（KEK）、高輝度光科学研究センターとの共同研究のもと、磁気スキルミオンの三角格子が正方格子へ配列変化する様子を実験と理論の両面から詳細に調べることで、磁気スキルミオンのコア部分の直径の変化が配列変化の起源となっていることを見いだしました。
今回の発見は、磁気スキルミオンのように内部変形の自由度を持つトポロジカル欠陥の集合体がつくる秩序構造を外場制御できる可能性を示唆しており、トポロジカル欠陥が示す新しい物性・現象の開拓につながることが期待されます。
本研究成果は、2020年11月11日(英国時間)に英国科学誌「Nature Communications」にオンライン掲載されます。
研究成果のポイント
◆磁気スキルミオンと呼ばれる微小な磁気渦のコア部分の直径の変化に伴って、多数の磁気スキルミオンの整列パターンが突然変化することを発見しました。
◆磁気スキルミオンの最安定な配列構造は、磁気スキルミオンの内部変形の自由度と密接に関連していることを見いだしました。
◆トポロジカル欠陥の内部自由度を活用した物性制御や機能開拓に向けた研究が広く展開されることが期待されます。
詳しくは プレスリリース をご参照ください。