光のスキルミオンで磁気スキルミオンを操る ー光のピンセットによる非接触操作や、光と磁気を融合した次世代情報技術に道ー

2026-09-16 早稲田大学

光のスキルミオンと磁気スキルミオンという、異なる物理系に現れるトポロジカル構造の相互作用を、コンピューターシミュレーションで理論的に解析した。光のスキルミオンを磁性体薄膜中の磁気スキルミオンに照射すると、回転、スキップ、トロコイド旋回の3種類の特徴的な運動が生じることを発見。さらに、光スキルミオンのヘリシティや磁気スキルミオンのカイラリティによって、スキップ位置や運動軌道を選択的に制御できることを示した。これは光の空間構造や角運動量を利用して磁気スキルミオンを非接触操作する「光ピンセット」につながる可能性がある。光による情報伝送と磁気による情報保持・処理を融合する次世代情報技術への応用も期待されるが、現段階では理論・シミュレーションによる予測であり、実験的検証が今後の課題である。

光のスキルミオンで磁気スキルミオンを操る ー光のピンセットによる非接触操作や、光と磁気を融合した次世代情報技術に道ー
磁性体薄膜中の磁気スキルミオンに光のスキルミオンを照射した時に生じる「回転」、「スキップ」、「トロコイド旋回」と呼ばれる特徴的な運動の概念図。回転運動では、磁気スキルミオンが光の中心の周囲を回る。スキップ運動では、円軌道を運動していた磁気スキルミオンが特定の場所で急に軌道を変える。さらに、条件によっては小さなループを繰り返しながら進むトロコイド旋回運動が現れる。

<関連情報>

磁気スキルミオンと光学スキルミオンの相互作用 Magnetic Skyrmion Interacting with Optical Skyrmion

Lan Bo, Jian Chen, Xichao Zhang, Yan Zhou, Chengwei Qiu, and Masahito Mochizuki
Physical Review Letters  Published: 14 September, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/hylp-trxp

Abstract

Magnetic skyrmions (MSks) and optical skyrmions (OSks) embody topology in matter and in light, respectively. Here we investigate the interaction between a single MSk and an OSk beam. Three distinct nonlinear dynamical modes are identified: rotation, skipping, and trochoidal motion. By decomposing the optical driving force into gradient, orbital-angular-momentum, and spin-angular-momentum contributions, we clarify their respective roles of radial confinement, azimuthal drift, and precessional modulation. The skipping motion arises from the azimuthal asymmetry of the OSk beam and exhibits spatial selectivity originating from the magnetization-polarization coupling between the MSk and OSk. In three dimensions, the coupling acquires a propagation-dependent phase dominated by the differential Gouy phase, which yields -asymmetric skipping trajectories. These results bridge topological particles and topological fields within a unified framework, offering helicity-selective and phase-programmable routes to optomagnonic control.

0403電子応用
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