量子センサーで“見えない磁石”の構造を解明 ~八極子磁壁の正体に迫る~

2025-07-18 東京大学

東大を中心とした日欧連携チームは、反強磁性体Mn₃Sn薄膜において“見えない磁気八極子”が形成する磁壁の構造を、ナノスケールのダイヤモンド量子センサで初めて実空間観測しました。高品質薄膜と高精度磁場測定・解析により、磁区内部の八極子秩序の方向や幅(約40nm)、磁壁のキラリティ(左ネール型)などを定量的に解明。これにより、電流漏れの少ないスピントロニクス材料の設計指針が得られ、多極子磁性理解の深化や次世代スピントロニクス素子開発への展開が期待されます。

量子センサーで“見えない磁石”の構造を解明 ~八極子磁壁の正体に迫る~
ダイヤモンド量子センサによる八極子磁壁の高精度測定
磁気八極子(六角形)の秩序方向(青と赤の向き)が空間的に変化している構造(磁壁)の測定イメージ。磁気八極子は6つの磁気双極子(六芒星の各頂点の灰色矢印)から構成されています。ナノスケールの量子センサを物質表面で走査して計測することで、八極子の空間的な構造を明らかにしました。

<関連情報>

八極子秩序反強磁性体におけるキラル磁壁の観測 Observation of chiral domain walls in an octupole-ordered antiferromagnet

Moeta Tsukamoto, Zhewen Xu, Tomoya Higo, Kouta Kondou, Kento Sasaki, Mihiro Asakura, Shoya Sakamoto, Pietro Gambardella, Shinji Miwa et al.
Physical Review B  Published: 17 July, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/njnm-nl6n

Abstract

Spin chirality in antiferromagnets offers new opportunities for spintronics. The kagome antiferromagnet Mn3⁢Sn is a paradigmatic material in which the antiferromagnetic order parameter can be detected and controlled by electrical means. However, direct investigation of the magnetic texture of Mn3⁢Sn has been challenging because of the tiny moment hosted in its magnetic octupole, hindering further clarification of this unique material. Here, we address this issue by observing the stray magnetic field from Mn3⁢Sn using a diamond-based quantum scanning microscope. The spatially resolved intrinsic domains and domain walls in a high-quality single-crystalline Mn3⁢Sn film quantitatively reveal the polarization angle of the magnetic octupole in the kagome plane, the domain’s local magnetization, the domain wall’s width and chirality, and the octupole order in domain walls. Our nanoscale investigation of Mn3⁢Sn, a powerful complement to macroscopic measurements, paves the road for developing chiral antiferromagnetism and its potential for spintronic applications.

0403電子応用
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