三次元的に乱れた新しいスキルミオン相の発見

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従来のスキルミオン相とは別の安定な存在領域

2018/09/19  理化学研究所

理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター強相関物質研究グループの軽部皓介特別研究員、田口康二郎グループディレクター、強相関物性研究グループの十倉好紀グループディレクターらの国際共同研究グループは、三次元的に乱れた新しいスキルミオン[1]状態が安定に存在することを発見しました。

本研究成果は、スキルミオンの新しい形態および安定条件が存在することを実証し、今後のスキルミオンの基礎研究および応用に貢献すると期待できます。

スキルミオンは、固体中の電子スピン[2]によって形成される数ナノメートル(nm、1nmは10億分の1メートル)~数百nmの大きさの渦状の磁気構造体であり、基礎研究の対象としてだけでなく、高性能の磁気記憶媒体として応用する観点からも注目を集めています。スキルミオンはこれまでに、キラル[3]な結晶構造を持つ磁性体において、磁気転移温度[4]直下の狭い温度範囲でのみ、二次元的に三角格子を組んだ結晶状態として観測されてきました。

今回、国際共同研究グループは、キラルな結晶構造を持つと同時に、「磁気フラストレーション[5]」が内在する磁性体「Co7Zn7Mn6(Co:コバルト、Zn:亜鉛、Mn:マンガン)」という物質に着目し、交流磁化率[6]、中性子小角散乱測定[7]およびローレンツ透過型電子顕微鏡[8]観察を行い、その磁気構造を詳しく調べました。その結果、これまでスキルミオンは安定に存在できないと考えられてきた温度領域に、三次元的に乱れたスキルミオンが安定して存在することを発見しました。

本研究は、米国のオンライン科学雑誌『Science Advances』(9月14日付け:日本時間9月15日)に掲載されます。

(a)従来のスキルミオン相図と(b)本研究で発見した新しいスキルミオン相図の模式図の画像

図 (a)従来のスキルミオン相図と(b)本研究で発見した新しいスキルミオン相図の模式図

※国際共同研究グループ

理化学研究所 創発物性科学研究センター
強相関物質研究グループ
特別研究員 軽部 皓介(かるべ こうすけ)
技師 吉川 明子(きっかわ あきこ)
グループディレクター 田口 康二郎(たぐち やすじろう)
強相関量子構造研究チーム
特別研究員(研究当時) 森川 大輔(もりかわ だいすけ)
チームリーダー 有馬 孝尚(ありま たかひさ)
(東京大学大学院 新領域創成科学研究科 教授)
電子状態マイクロスコピー研究チーム
チームリーダー 于 秀珍(ウ・シュウシン)
強相関物性研究グループ
グループディレクター 十倉 好紀(とくら よしのり)
(東京大学大学院 工学系研究科 教授)

東京大学大学院 新領域創成科学研究科
准教授 徳永 祐介(とくなが ゆうすけ)

スイスポール・シェラー研究所
研究員 ジョナサン・ホワイト(Jonathan S. White)

フランスラウエ・ランジュバン研究所
研究員 チャールズ・デゥーハースト(Charles D. Dewhurst)
研究員 ロバート・キュービット(Robert Cubitt)

スイス連邦工科大学ローザンヌ校
教授 ヘンリック・ロノー(Henrik M. Ronnow)

※研究支援

本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金基盤研究S「磁性体における創発電磁気学の創成(研究代表者:永長直人)」、同若手研究B「高温カイラル磁性体における新奇スキルミオン状態の探索と解明(研究代表者:軽部皓介)」による支援を受けて行われました。

背景

スキルミオンは、固体中の電子スピンによって形成される数ナノメートル(nm、1nmは10億分の1メートル)~数百nmの大きさの渦状の磁気構造体です(図1(a))。最近の研究では、スキルミオンは一度生成されると安定に存在し、低い電流密度で駆動できるなどの特性も発見されており、新しい磁気記憶媒体への応用の観点からも注目されています。

スキルミオンはこれまでに、キラルな結晶構造を持つ物質において精力的に研究されてきました。通常、スキルミオンは、磁気転移温度直下の狭い温度範囲でのみ、二次元的に三角格子を組んだスキルミオン結晶[1]状態(図1(b)上)として安定に存在します。それ以外の低温領域では、スキルミオンとは全く別の(連続変形でつながらない)磁気構造であるヘリカル磁性[9]またはコニカル磁性[9]が安定になります。このように、スキルミオンが安定に存在できるのは熱揺らぎ[10]の大きい磁気転移温度近傍のみであり、この非常に狭い安定領域が技術応用上の課題の一つでした。

国際共同研究グループは、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、マンガン(Mn)の三元合金に着目しました。これらの物質はキラルな結晶構造を持つと同時に、磁気フラストレーションという複雑な相互作用が存在する珍しい磁性体です。その中でもヘリカル磁性と磁気フラストレーションが共存すると考えられる「Co7Zn7Mn6」という組成に着目し、磁気フラストレーションがスキルミオンの構造や安定領域にどのような影響を及ぼすかを調べました。

研究手法と成果

国際共同研究グループは、Co7Zn7Mn6の単結晶バルク試料を作製し、交流磁化率測定およびフランスのラウエ・ランジュバン研究所の中性子ビームラインD33を用いて中性子小角散乱測定を行いました。その結果、まず磁気転移温度直下の146ケルビン(K、0℃が約273ケルビン)で、スキルミオン結晶に対応する12スポットパターンが観測されました(図2(a))。驚くべきことに、より低温の50K付近では、球殻状に分布した新たなパターンが観測されました(図2(b))。この球殻状のパターンは、三次元的に乱れたスキルミオン(図1(b)下)に対応することが分かりました。

また、薄片試料に対しローレンツ透過型電子顕微観察を行い、高温ではスキルミオン結晶(図2(c))を、低温では乱れたスキルミオン(図2(d))をそれぞれ直接観察することに成功しました。

これらの結果を図3の温度-外部磁場相図にまとめると、高温側の通常のスキルミオン結晶相とは別に、これまでスキルミオンは安定に存在できないと考えられてきた低温側に三次元的に乱れた新しいスキルミオン相が存在することが分かりました。この物質では磁気フラストレーションによる影響が、90K付近のクロスオーバー領域(図3の灰色の斜線)以下で顕著に表れることが分かっています。今回発見した新しいスキルミオン相は、これまでに考えられてきた熱揺らぎによってではなく、磁気フラストレーションが関与する新しいメカニズムによって安定化したと考えられます。

今後の期待

本研究成果は、キラルな結晶構造を持つ磁性体に磁気フラストレーションを導入することで、これまでにない新しいスキルミオン状態やその安定条件を作り出すことができることを実証しました。これは、スキルミオンの基礎特性の理解や今後のスキルミオン物質の探索に大いに貢献すると期待できます。また、磁気フラストレーションを利用することで、より広範囲の温度-磁場領域にスキルミオンを作り出せることを確認した本研究成果は、これまでのスキルミオンの狭い安定領域の課題を克服し、スキルミオンを使った超低消費電力の磁気記憶媒体の実現につながると期待できます。

さらなる応用上の課題として、スキルミオンの発現温度が室温より低いことが挙げられます。今回の発見に基づき、室温を含む広範囲の温度-磁場領域にスキルミオンが安定に存在する材料の研究開発を行います。

原論文情報

K. Karube, J. S. White, D. Morikawa, C. D. Dewhurst, R. Cubitt, A. Kikkawa, X. Z. Yu, Y. Tokunaga, T. Arima, H. M. Ronnow, Y. Tokura, and Y. Taguchi, “Disordered skyrmion phase stabilized by magnetic frustration in a chiral magnet”, Science Advances, 10.1126/sciadv.aar7043

発表者

理化学研究所
創発物性科学研究センター 強相関物質研究グループ
特別研究員 軽部 皓介(かるべ こうすけ)
グループディレクター 田口 康二郎(たぐち やすじろう)

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