磁気スキルミオンが押し合い跳ね返る瞬間をナノ秒で観測 ―超高速・高密度スピントロニクスデバイス実現へ新指針―

2026-08-18 東北大学

東北大学とドイツ・マインツ大学の国際共同研究チームは、次世代スピントロニクスデバイスへの応用が期待される磁気スキルミオンの集団運動を、時間分解X線顕微鏡を用いてナノ秒スケールで世界初の直接観測に成功しました。人工反強磁性多層膜中に形成されたスキルミオン格子に電流を流し、その運動を追跡した結果、低電流領域ではスキルミオン同士が反発し合い、電流停止直後に跳ね返る「反跳運動」を示すことを確認しました。この軌道解析から、スキルミオン間の反発相互作用ポテンシャルを定量的に評価することにも成功しました。一方、高電流領域ではスキルミオン格子全体が一体となって直進し、慣性遅れや横方向への偏向を伴わないことを実証しました。本成果は、多数のスキルミオンを高密度に集積した記憶・演算デバイスの設計指針を与えるものであり、超高速・高密度・低消費電力なスピントロニクス技術の実現を加速すると期待されます。

磁気スキルミオンが押し合い跳ね返る瞬間をナノ秒で観測 ―超高速・高密度スピントロニクスデバイス実現へ新指針―
図1.人工反強磁性多層膜に形成された反強磁性スキルミオン格子と電流誘起運動

<関連情報>

反強磁性スキルミオン相互作用の時間分解イメージング Time-resolved imaging of antiferromagnetic skyrmion interactions

Mona Bhukta,Takaaki Dohi,Kilian Leutner,Maria-Andromachi Syskaki,Fabian Kammerbauer,Duc Minh Tran,Sebastian Wintz,Markus Weigand,Simone Finizio,Jörg Raabe,Hendrik Ohldag,Thibaud Denneulin,Joseph Vimal Vas,Rafal E. Dunin-Borkowski,Robert Frömter & Mathias Kläui
Nature Physics  Published:10 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-026-03383-4

Abstract

Quantifying particle interactions is central to understanding and controlling collective dynamics in particle-based devices such as those comprising skyrmion ensembles. Here we directly visualize, in real time, the nanosecond current-driven dynamics of an antiferromagnetic skyrmion lattice. By tuning the spin–orbit torque relative to local pinning, we identify two regimes: an incoherent flow, where mobile skyrmions are driven toward pinned neighbours undergoing compression followed by a recoil, and a coherent flow regime, where the lattice translates uniformly. We use an inverse analysis method based on the Thiele equation to extract an exponentially decaying antiferromagnetic skyrmion interaction potential, which is in agreement with simulation results. At higher current densities, the lattice exhibits coherent motion free from detectable Hall and inertial effects or dynamical deformation, and this enables robust ultrafast operation. These findings establish a quantitative framework for antiferromagnetic skyrmion interactions and demonstrate deterministic control of their collective dynamics, even in the incoherent flow regime, thereby providing potential applications for multiskyrmion spintronic devices.

0403電子応用
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました