磁気スキルミオンの非対称拡散現象を発見~熱ゆらぎによって一方向へ広がる新しい輸送現象、AI 応用にも期待~

2026-08-20 早稲田大学

早稲田大学などの研究グループは、磁性体中のナノサイズの磁気構造「磁気スキルミオン」が、熱ゆらぎによってランダムに運動しながらも、一方向へ優先的に広がる「非対称拡散」を示すことを理論的に発見した。研究では、隔壁とゲートを備えた構造化空間を想定し、熱ゆらぎを取り入れた大規模マイクロマグネティクスシミュレーションと統計力学的解析を実施。その結果、ゲートが非対称な位置にある場合、スキルミオンが壁から反発力を受けた際、トポロジカルな性質に由来して力と垂直方向、すなわち壁に沿って移動するため、左右で異なる拡散確率が生じることを明らかにした。これは通常の粒子には見られない新しい非平衡輸送現象であり、熱ゆらぎを制御して情報処理に利用するリザバーコンピューティングやAIハードウェアへの応用も期待される。今後は実際の磁性薄膜・ナノ構造での実験的検証が課題となる。

磁気スキルミオンの非対称拡散現象を発見~熱ゆらぎによって一方向へ広がる新しい輸送現象、AI 応用にも期待~

熱ゆらぎが引き起こす磁気スキルミオンの非対称拡散現象の概念図。

<関連情報>

構造化環境における反発性スキルミオンの拡散非対称性 Diffusion asymmetry of repulsive skyrmions in structured environment

Xichao Zhang,Charles Reichhardt,Cynthia J. O. Reichhardt,Qiming Shao,Rui Zhang,Yan Zhou,Yongbing Xu & Masahito Mochizuki
npj Spintronics  Published:16 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s44306-026-00154-y   Early provide

Abstract

The diffusion of matter in structured environments can give rise to emergent phenomena that do not occur in unstructured environments. Here, we report the asymmetric diffusion of magnetic skyrmions in structured chambers, where repulsive skyrmion–skyrmion and skyrmion-environment interactions play vital roles in their diffusive behavior. By fabricating an off-center asymmetric gate separating two chambers, skyrmions could demonstrate asymmetric diffusion through the gate, which depends on the gate symmetry, the gate opening width, and the skyrmion density. Although the diffusion is affected by the skyrmion density, the simulation outcomes are generally in line with rate equation solutions assuming time-independent diffusion rates. Diffusive skyrmions within the chamber can transiently form bonds through repulsive skyrmion–skyrmion interactions, leading to emergent rotational dynamics that is unique to interacting skyrmion systems. Our results uncover asymmetric diffusive behavior of skyrmions, offering insights that will appeal to a wide audience interested in magnetism, active matter, and statistical physics.

1701物理及び化学
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