磁石の中の竜巻(スキルミオンひも)の3次元形状の可視化に成功 ~新しい磁気情報処理手法の開拓に期待~

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2021-11-12 東京大学,関西学院大学,京都大学,理化学研究所,高輝度光科学研究センター,科学技術振興機構

ポイント
  • 磁性体の中に存在する「スキルミオンひも(電子スピンが作る竜巻構造)」の3次元形状を可視化することに、世界で初めて成功しました。
  • 従来、2次元的なイメージング手法によるスピン渦の検出例が報告されていましたが、本研究ではCTスキャンの原理を応用することで、その3次元形状の直接観測に成功しました。
  • スキルミオンひもは、ナノサイズの高密度な情報担体として注目されており、その3次元的な挙動を可視化することで、新しい磁気情報処理手法の開拓につながることが期待されます。

東京大学 大学院工学系研究科の関 真一郎 准教授(理化学研究所 創発物性科学研究センター 客員研究員、JST さきがけ研究者 兼任)、関西学院大学 工学部の鈴木 基寛 教授、京都大学 化学研究所の小野 輝男 教授らの研究グループは、磁性体中の電子スピンが作る竜巻構造「スキルミオンひも」の3次元形状を可視化することに、世界で初めて成功しました。スピンの渦巻きは、2次元系では粒子のように、3次元系ではひものように振る舞うことが理論的に予想されていますが、後者の実験的な観測は、これまで非常に困難であると考えられてきました。本研究では、CTスキャンで利用されるX線トモグラフィーの原理を応用し、さまざまな角度から観測した2次元透過像を合成することにより、数百ナノメートルの直径のスキルミオンひもの3次元形状を直接観察することに成功しました。スキルミオンひもは、超高密度な情報担体として近年大きく注目されており、その3次元空間における振る舞いを明らかにすることで、外場による効率的な制御手法の解明や、新しい磁気情報処理手法の開拓につながることが期待されます。

本研究成果は2021年11月11日(英国時間)に英国科学誌「Nature Materials」オンライン版に掲載されます。

本研究は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)の「トポロジカル材料科学と革新的機能創出」研究領域(No.JPMJPR18L5)および「情報担体とその集積のための材料・デバイス・システム」研究領域(No.JPMJPR20B4)、同 戦略的創造研究推進事業 CRESTの「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」研究領域(No.JPMJCR1874)、日本学術振興会(JSPS) 科学研究費補助金基盤研究A(No.18H03685・20H00349・21H04440)、同 基盤研究S(No.21H04990)、同 特別推進研究(No.15H05702)、同 挑戦的研究(萌芽)(No.21K18595)、同 若手研究(No.18K14117・21K13876)、旭硝子財団、村田学術振興財団の助成を受けて行われました。X線トモグラフィー実験は、SPring-8の利用研究課題(2018A2067、2019B1173、2020A2057)として行われました。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Direct visualization of the three-dimensional shape of skyrmion strings in a noncentrosymmetric magnet”
DOI:10.1038/s41563-021-01141-w
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
関 真一郎(セキ シンイチロウ)
東京大学 大学院工学系研究科 附属総合研究機構・物理工学専攻 准教授

鈴木 基寛(スズキ モトヒロ)
関西学院大学 工学部 物質工学課程 教授

小野 輝男(オノ テルオ)
京都大学 化学研究所 教授

<JST事業に関すること>
嶋林 ゆう子(シマバヤシ ユウコ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ

<SPring-8/SACLAに関すること>
高輝度光科学研究センター 利用推進部 普及情報課

<報道担当>
東京大学 大学院工学系研究科 広報室力
東京大学 生産技術研究所 広報室
関西学院大学 広報室
京都大学 総務部 広報課 国際広報室
理化学研究所 広報室 報道担当
科学技術振興機構 広報課

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