トポロジカルスピン結晶の新しい制御法を発見～スピンの波の位相変化による新しい磁気渦結晶と伝導特性の開拓～

2021-12-022022-05-08

2021-12-01 東京大学,科学技術振興機構

ポイント

トポロジカルスピン結晶の１つである磁気スキルミオン結晶において、スピンの波の位相変化がもたらす効果を理論的に解明しました。
磁性金属に対する大規模数値計算により、トポロジカルな性質が異なる磁気スキルミオン結晶と磁気渦結晶を相互にスイッチする機構を発見しました。
本研究で見いだした位相制御は、質的に新しいトポロジカルスピン結晶の創出やスピントロニクスデバイスへの応用に新しい可能性をもたらします。

東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の速水賢講師、東京大学大学院理学系研究科量子ソフトウェア寄付講座／知の物理学研究センターの大久保毅特任准教授、東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の求幸年教授らは、幾何学的なスピンテクスチャーを持つトポロジカルスピン結晶における新しい制御変数として、スピンの波の重ね合わせにおける位相に着目し、その変化によって生じる新しいトポロジカルスピン結晶やトポロジカル相転移現象の微視的な機構を理論的に発見しました。

近年、固体中の電子スピンが渦構造を形成することによって現れるトポロジカルスピン結晶が注目を集めています。この現象は、磁気構造がトポロジカルな性質によって保護されていることや、通常の磁性体では実現の難しい巨大な電磁応答が現れることから、高速・高効率・省エネルギー性能を持つ新しいデバイスへの応用が期待されています。これまで、トポロジカルスピン結晶として主に磁気スキルミオン結晶や磁気ヘッジホッグ結晶が精力的に調べられてきましたが、応用の可能性を広げる上で、新しいタイプのトポロジカルスピン結晶の開拓が望まれていました。

本研究グループは、トポロジカルスピン結晶を構成するスピンの波の重ね合わせにおける位相に着目し、その役割を理論的に調べることで、磁気スキルミオン結晶とは異なる幾何学的なスピンテクスチャーを持つ新しいタイプの磁気渦結晶を見いだしました。さらに、磁性金属の理論モデルに対して大規模数値シミュレーションを行うことで、得られた磁気渦結晶と磁気スキルミオン結晶をスイッチする微視的な機構を明らかにしました。本研究の成果は、スピンの波の位相制御による新しいトポロジカル物質科学へ向けた学理の構築につながると期待できます。

本研究成果は２０２１年１２月１日（英国時間）に英国科学誌「ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」オンライン版に掲載されます。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業個人型研究（さきがけ）の「トポロジカル材料科学と革新的機能創出」研究領域（Ｎｏ．ＪＰＭＪＰＲ２０Ｌ８）および「革新的な量子情報処理技術基盤の創出」研究領域（Ｎｏ．ＪＰＭＪＰＲ１９１２）、同戦略的創造研究推進事業ＣＲＥＳＴの「トポロジカル材料科学に基づく革新的機能を有する材料・デバイスの創出」研究領域（Ｎｏ．ＪＰＭＪＣＲ１８Ｔ２）、日本学術振興会（ＪＳＰＳ）科学研究費補助金基盤研究Ｂ（Ｎｏ．１９Ｈ０１８３４・２１Ｈ０１０３７）、同基盤研究Ｃ（Ｎｏ．１９Ｋ０３７５２・１９Ｋ０３７４０）、同若手研究（Ｎｏ．１８Ｋ１３４８８）、同科学研究費補助金新学術領域研究「Ｊ－Ｐｈｙｓｉｃｓ：多極子伝導系の物理」（課題番号：１８Ｈ０４２９６）および「量子液晶の物性科学」（課題番号：１９Ｈ０５８２２・１９Ｈ０５８２５）の助成と東京大学大学院理学系研究科「量子ソフトウェア」寄付講座の支援を受けて行われました。

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