ナノサイズの「磁気の渦」の正体を解明 ― 次世代・超省電力メモリ実現へ新たな設計指針 ―

2026-04-14 東北大学

東北大学と京都産業大学の研究チームは、ナノサイズの磁気渦構造「磁気スキルミオン」が極小サイズで多様な形態をとる原因を解明した。放射光を用いた角度分解光電子分光により、電子状態の変化であるリフシッツ転移がスキルミオン生成の起点であることを発見。特に新たに現れるフェルミ面が、スキルミオンの大きさや配列(菱形・正方形)を決定することを示した。これは伝導電子による相互作用がスピン構造形成を制御することを意味する。本成果は、電子状態を設計することでスキルミオンを自在に制御できる可能性を示し、超低消費電力メモリなど次世代スピントロニクスデバイス開発に重要な指針を与える。

ナノサイズの「磁気の渦」の正体を解明 ― 次世代・超省電力メモリ実現へ新たな設計指針 ―
図1.
(a)磁気スキルミオンの模式図。円錐は電子スピンを表し、尖っている方向が磁石のN極に相当する。
(b)Eu(Ga,Al)4の結晶構造の模式図。
(c)スキルミオンが菱形に規則正しく並んだ状態。EuAl4に弱い磁場をかけた際に観測されている。
(d)スキルミオンが正方形に規則正しく並んだ状態。EuAl4に強い磁場をかけた際に観測されている。

<関連情報>

EuAl4における複数のスキルミオン相の起源 Origin of multiple skyrmion phases in EuAl4

Yuki Arai,Kosuke Nakayama,Asuka Honma,Seigo Souma,Daisuke Shiga,Hiroshi Kumigashira,Takashi Takahashi,Kouji Segawa & Takafumi Sato
Nature Communications  Published:13 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-71020-y

Abstract

The Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction has been considered essential for skyrmion formation, however, the discovery of skyrmion lattices (SkLs) in nominally centrosymmetric materials where the DM interaction is forbidden, such as Eu(Ga1−xAlx)4, has challenged this established view. Recent structural investigations of Eu(Ga1−xAlx)4 have further complicated this issue by revealing that the charge-density wave breaks local symmetry, theoretically allowing DM interaction. This raises a fundamental question: are the complex magnetic phases driven by the DM interaction or by alternative mechanisms? Here, using soft-x-ray angle-resolved photoemission spectroscopy, we determine the three-dimensional bulk electronic structure of Eu(Ga1−xAlx)4, and elucidate the electronic origins of its rich magnetic orders. We directly observe an x-dependent Lifshitz transition leading to the emergence of a Fermi-surface pocket. Importantly, multiple nesting vectors derived from this pocket match the symmetries and periodicities of the multiple SkLs. Moreover, these nesting vectors can also account for other magnetic orders, such as the zero-field helical magnetism, suggesting a common electronic origin of the complex magnetic phases. These findings suggest that competing nesting-induced Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida interactions and their engineering can generate and control various SkLs and related topological spin textures.

0403電子応用
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