結晶の欠陥を逆利用し、電気機能をデザイン ―原子スケールの“渦”を超高密度に創出―

2026-09-04 京都大学

京都大学の研究グループは、強誘電体材料中の格子欠陥を逆に利用して、電気分極が渦状に回転する「分極スキルミオン」を原子スケールで超高密度に形成する技術を開発した。対象はチタン酸ストロンチウム(SrTiO₃)で、従来は材料特性を劣化させるため避けられてきた「ねじり粒界」に着目した。研究では、この格子欠陥を形成・制御することで、わずか原子数個分のサイズを持つ分極スキルミオンを従来の限界に比べて約100倍の高密度で集積できることを実証した。分極スキルミオンは、強誘電体中の原子のずれによって生じる電気分極が渦状に配列した構造で、独特の電気的・圧電的機能を示すことから、次世代の情報・圧電デバイスへの応用が期待されている。従来の薄膜化による小型化では限界があったのに対し、本研究は結晶欠陥を機能発現のための設計要素として積極的に利用する新しい材料設計の考え方を示した。今後はさまざまな格子欠陥を利用し、スキルミオンのサイズや機能を自在に制御することが目指される。

結晶の欠陥を逆利用し、電気機能をデザイン ―原子スケールの“渦”を超高密度に創出―

<関連情報>

チタン酸ストロンチウム内のねじり粒界による原子スケール・超高密度スキルミオン格子の創出 Ultrahigh-Density Atomic-Scale Polar Skyrmion Lattice in SrTiO3 via Twist Grain Boundary Engineering

Masaya Kono, Kohta Kasai, Yoshitaka Ikeda, Tao Xu, Susumu Minami, Takahiro Shimada
Advanced Functional Materials  Published: 03 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/adfm.78177

ABSTRACT

Skyrmions and nanoscale topologies in materials exhibit distinctive functionalities, including emergent electromagnetic fields, and offer promising applications, particularly as high-density information devices, owing to their lattice-forming nature. While reducing thickness according to Kittel’s law enables the miniaturization of polar topologies, an intrinsic size limit of 2 − 5 nm emerges in the ultrathin regime, precluding the realization of ultrasmall topologies in bulk materials suitable for practical applications. Here, we demonstrate that ultra-high-density lattices (1.32 nm−2) of atomic-scale polar skyrmions (0.87 nm), an order of magnitude smaller than existing polar skyrmions (and two orders smaller than magnetic skyrmions), emerge in SrTiO3 via twist grain boundary (GB) defect engineering. The stabilization of these polar skyrmions originates from the interfacial Coulomb interactions arising from the twisted atomic geometry. Owing to this mechanism, engineering the GB interface structures enables the spontaneous emergence of diverse topologies, including hybrid and antiferroelectric skyrmions, all at ultra-high densities. Moreover, these topological orders can be switched and transformed by applying external electric fields. This work suggests that defect engineering can complement Kittel’s law, enabling access to topology sizes and densities beyond those attainable through the conventional thickness-scaling approach.

0703金属材料
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