東大・理研・高エネ研・NIMS、新機構が生み出す過去最小の磁気渦粒子を発見

発表日:2020年5月19日

新機構が生み出す過去最小の磁気渦粒子を発見

－超高密度な次世代情報担体としての活用に期待－

1.発表者:

Nguyen Duy Khanh（研究当時:理化学研究所 創発物性科学研究センター 強相関量子構造研究チーム 特別研究員、現所属:東京大学物性研究所 特任研究員）

中島 多朗（研究当時:理化学研究所 創発物性科学研究センター 強相関量子構造研究チーム研究員、現所属:東京大学物性研究所 准教授）

于 秀珍（理化学研究所 創発物性科学研究センター 電子状態マイクロスコピー研究チームチームリーダー）

Shang Gao （研究当時:理化学研究所 創発物性科学研究センター 強相関量子構造研究チーム特別研究員、現所属:オークリッジ国立研究所 研究員）

柴田 基洋（研究当時:理化学研究所 創発物性科学研究センター 強相関量子構造研究チーム基礎科学特別研究員、現所属:東京大学生産技術研究所 助教）

Max Hirschberger（東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター特任講師/理化学研究所 創発物性科学研究センター トポロジカル量子物質研究ユニット ユニットリーダー）

山崎 裕一（物質・材料研究機構 統合型材料開発・情報基盤部門 材料データ科学グループ主任研究員/科学技術振興機構 さきがけ研究者）

佐賀山 基（高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所 准教授）

中尾 裕則（高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所 准教授）

Licong Peng（理化学研究所 創発物性科学研究センター 電子状態マイクロスコピー研究チーム特別研究員）

中島 清美（理化学研究所 創発物性科学研究センター 電子状態マイクロスコピー研究チームテクニカルスタッフ I）

高木 里奈（東京大学大学院工学系研究科総合研究機構・物理工学専攻 助教）

有馬 孝尚（東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 教授/理化学研究所 創発物性科学研究センター 強相関量子構造研究チーム チームリーダー）

十倉 好紀（理化学研究所 創発物性科学研究センター センター長/東京大学 卓越教授）

関 真一郎（東京大学大学院工学系研究科総合研究機構・物理工学専攻 准教授/科学技術振興機構 さきがけ研究者）

2.発表のポイント:

◆高い対称性を持つ希土類合金（GdRu2Si2）中で、既知の化合物では過去最小となる直径1.9nmの磁気スキルミオン（粒子性を持った渦状スピン構造）を観察することに成功。

◆従来、スキルミオンは結晶構造の低い対称性に起因して生じるとされてきたが、この物質では動き回る電子が媒介する新機構によってナノスケールのスキルミオンが実現している。

◆今回の発見は、極小サイズのスキルミオンの新しい設計指針を与えており、超高密度な次世代情報担体としての応用を後押しすることが期待される。

3.発表概要:

理化学研究所 創発物性科学研究センターのNguyen Duy Khanh特別研究員（現所属:東京大学物性研究所）、中島多朗研究員（現所属:東京大学物性研究所）、于秀珍チームリーダーと、東京大学の関真一郎准教授（JSTさきがけ研究者兼任）、有馬孝尚教授、十倉好紀卓越教授らの研究グループは、物質・材料研究機構、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所との共同研究を通じて、既知の化合物では過去最小となる直径1.9nmの磁気スキルミオン（磁性体の中で現れる渦巻き状のスピン構造）を観察することに成功しました。スキルミオンは、幾何学的に保護された安定な粒子としての性質を持つため、次世代の情報担体の候補として盛んに研究が行われています。従来、スキルミオンを生み出すには、対称性の低い結晶構造が必要であると考えられてきましたが、本研究では動き回る電子が媒介する新機構を活用することにより、対称性の高い希土類合金中で過去最小のスキルミオンを実現することに成功しました。今回の発見は、極小サイズのスキルミオンを生み出すための新しい物質設計指針を与えており、超高密度な情報素子への展開に役立つことが期待されます。

本研究成果は2020年5月18日に英国科学誌「Nature Nanotechnology」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さきがけ研究領域「トポロジカル材料科学と革新的機能創出」研究課題「磁気構造と電子構造のトポロジーを利用した巨大創発電磁場の生成と制御」（No.JPMJPR18L5）、同戦略的創造研究推進事業CREST研究領域「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」研究課題「ナノスピン構造を用いた電子量子位相制御」（No.JPMJCR1874）、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金基盤研究A「磁気構造のトポロジー・対称性に由来した新しいマグノン・熱輸送現象の開拓」（No.18H03685）および「電子顕微鏡によるトポロジカルスピン構造とそのダイナミクスの実空間観察」（No.19H00660）、同新学術研究領域「ナノスピン変換科学」（No.17H05186）、同外国人特別研究員プログラム（No.18F18804）、フンボルト財団、旭硝子財団、村田学術振興財団の支援を受けて行われました。共鳴X線散乱実験は、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所フォトンファクトリーの研究課題（2018G570）に基づいて行われました。

※以下は添付リリースを参照

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添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0533967_01.pdf