軟X線渦ビームのらせん波面の観測に成功~磁性体中のトポロジカル欠陥構造に対する新たな観測手法~

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2020-12-25 高エネルギー加速器研究機構,東北大学 大学院理学研究科,高輝度光科学研究センター,理化学研究所

概要

東北大学大学院理学研究科の石井祐太助教、分子科学研究所 山本航平研究員、高輝度光科学研究センター(JASRI)放射光利用研究基盤センター 横山優一博士研究員、水牧仁一朗主幹研究員、高エネルギー加速器研究機構(KEK)物質構造科学研究所の中尾裕則准教授、理化学研究所創発物性科学研究センター 有馬孝尚チームリーダー、物質・材料研究機構 山崎裕一主任研究員(兼KEK 客員准教授)らのグループは、インライン型ホログラフィーの手法を用いて、フォーク型回折格子から生成された らせん状の軟X線渦ビームの位相分布を観測することに初めて成功しました。更に、ナノメートル(10億分の1メートル)領域の磁気渦構造であるスキルミオンの格子において、欠陥構造が存在する場合、本手法により欠陥のトポロジカルな構造の推定が可能であることを、シミュレーションにより明らかにしました。これらの結果は、磁性体中に存在するトポロジカルな欠陥構造に対して、本手法が新しい計測手段になり得ることを示しています。

本研究の成果は米国現地時間の12月24日、学術誌Physical Review Appliedに掲載されました。

研究成果のポイント

  • 軟X線の特殊な状態である渦ビームに対して、試料からの散乱と参照光の間の干渉効果を利用することにより、らせん波面の観測に成功
  • スキルミオン格子に存在するトポロジカルな欠陥構造を、渦ビームの位相測定により観測できることを発見
  • 磁性体中のトポロジカル欠陥構造に対して、本手法が新たな観測手法になり得ることを提示

図 4.
(a)トポロジカルな欠陥構造を含むスキルミオン格子
(b)インラインホログラフィーの干渉パターンのシミュレーション結果
(c)図(b)で赤丸をつけた箇所の位相分布
位相がらせん状になっており、スキルミオン格子のトポロジカル欠陥から渦ビームが生成されることを示している。

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