トポロジカルスピン結晶の新しい制御法を発見~スピンの波の位相変化による新しい磁気渦結晶と伝導特性の開拓~

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2021-12-01 東京大学,科学技術振興機構

ポイント
  • トポロジカルスピン結晶の1つである磁気スキルミオン結晶において、スピンの波の位相変化がもたらす効果を理論的に解明しました。
  • 磁性金属に対する大規模数値計算により、トポロジカルな性質が異なる磁気スキルミオン結晶と磁気渦結晶を相互にスイッチする機構を発見しました。
  • 本研究で見いだした位相制御は、質的に新しいトポロジカルスピン結晶の創出やスピントロニクスデバイスへの応用に新しい可能性をもたらします。

東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻の速水 賢 講師、東京大学 大学院理学系研究科 量子ソフトウェア寄付講座/知の物理学研究センターの大久保 毅 特任准教授、東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻の求 幸年 教授らは、幾何学的なスピンテクスチャーを持つトポロジカルスピン結晶における新しい制御変数として、スピンの波の重ね合わせにおける位相に着目し、その変化によって生じる新しいトポロジカルスピン結晶やトポロジカル相転移現象の微視的な機構を理論的に発見しました。

近年、固体中の電子スピンが渦構造を形成することによって現れるトポロジカルスピン結晶が注目を集めています。この現象は、磁気構造がトポロジカルな性質によって保護されていることや、通常の磁性体では実現の難しい巨大な電磁応答が現れることから、高速・高効率・省エネルギー性能を持つ新しいデバイスへの応用が期待されています。これまで、トポロジカルスピン結晶として主に磁気スキルミオン結晶や磁気ヘッジホッグ結晶が精力的に調べられてきましたが、応用の可能性を広げる上で、新しいタイプのトポロジカルスピン結晶の開拓が望まれていました。

本研究グループは、トポロジカルスピン結晶を構成するスピンの波の重ね合わせにおける位相に着目し、その役割を理論的に調べることで、磁気スキルミオン結晶とは異なる幾何学的なスピンテクスチャーを持つ新しいタイプの磁気渦結晶を見いだしました。さらに、磁性金属の理論モデルに対して大規模数値シミュレーションを行うことで、得られた磁気渦結晶と磁気スキルミオン結晶をスイッチする微視的な機構を明らかにしました。本研究の成果は、スピンの波の位相制御による新しいトポロジカル物質科学へ向けた学理の構築につながると期待できます。

本研究成果は2021年12月1日(英国時間)に英国科学誌「Nature Communications」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.JPMJPR20L8)および「革新的な量子情報処理技術基盤の創出」研究領域(No.JPMJPR1912)、同 戦略的創造研究推進事業 CRESTの「トポロジカル材料科学に基づく革新的機能を有する材料・デバイスの創出」研究領域(No.JPMJCR18T2)、日本学術振興会(JSPS) 科学研究費補助金基盤研究 B(No.19H01834・21H01037)、同 基盤研究 C(No.19K03752・19K03740)、同 若手研究(No.18K13488)、同 科学研究費補助金 新学術領域研究「J-Physics:多極子伝導系の物理」(課題番号:18H04296)および「量子液晶の物性科学」(課題番号:19H05822・19H05825)の助成と東京大学 大学院理学系研究科「量子ソフトウェア」寄付講座の支援を受けて行われました。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Phase Shift in Skyrmion Crystals”
DOI:10.1038/s41467-021-27083-0
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
速水 賢(ハヤミ サトル)
東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻 講師

<JST事業に関すること>
嶋林 ゆう子(しまばやし ゆうこ)
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

<報道担当>
東京大学 大学院工学系研究科 広報室
東京大学 大学院理学系研究科・理学部 広報室
科学技術振興機構 広報課

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