Moving state and its dynamics for the magnetic skyrmion at nonequilibrium steady and nonsteady states

• Project/Area Number: 19K03709
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Okuyama Daisuke 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (30525390)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2019: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 非平衡状態の物理 / 中性子散乱 / 磁気スキルミオン / 非平衡定常/非平衡非定常状態 / 磁気ダイナミクス

Outline of Research at the Start

位相幾何学とは連続体を分類する概念であり、通常のトリビアルな状態とは位相が異なる幾何学的位相欠陥は古くから研究されている。空間反転対称性の破れた磁性体で観測される磁気スキルミオンは、幾何学的位相欠陥の一つである。磁気スキルミオンで系の微視的情報が得られる中性子回折を行い、現在研究が停滞している幾何学的位相欠陥の非平衡定常状態/非定常状態での動力学の解明を目指す。本研究では系を非平衡定常/非定常状態にするため定常/変動電流を用いる。そのため、それらの電流下での小角中性子回折と電圧ノイズの同時測定技術の構築を行うことからスタートする。

Outline of Final Research Achievements

In chiral magnet MnSi, it is known that the magnetic skyrmions start to move above the threshold current density jt ~ 1 MA/m2. To elucidate the moving and transient states induced by the change of the electric current flow, we study a small angle neutron diffraction experiment under an alternative electric current flow. In our study, the moving magnetic skyrmions keep a triangular lattice state and the magnetic skyrmion lattices near the sample edges move with plastic deformation, plastic flow. Furthermore, we found that for the plastic deformation of the magnetic skyrmion lattice, the few second relaxation time is necessary. In the plastic flow model, the dislocation of the magnetic skyrmion lattice moves with sliding on the magnetic domain wall of the skyrmion lattice. It is considered that the relaxation time is the time when the moving dislocation reaches the edge of the domain boundary from the other skyrmion lattice domain.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

電流下で駆動中の磁気スキルミオンは三角格子を保ち試料端付近で塑性変形を起こしながら駆動する塑性流動を起こすことがわかっていたが、今回得られた研究結果より塑性変形を引き起こすには数秒の緩和時間が必要であることが判明した。これは磁気スキルミオンを高速、短時間で動かしている分には試料端付近のピニングの影響が小さいことを意味しており、磁気スキルミオンを使った記憶媒体などを実現するために必要不可欠な新しい知見を示した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NIST(米国)
• [Int'l Joint Research] NIST/ORNL(米国)
• [Int'l Joint Research] NIST/ORNL(米国)
• [Int'l Joint Research] PSI/EPFL(スイス)
• [Journal Article] Zigzag magnetic order in the Kitaev spin-liquid candidate material <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>RuBr</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math> with a honeycomb lattice (2022)
  • Author(s): Imai Yoshinori、Nawa Kazuhiro、Shimizu Yasuhiro、Yamada Wakana、Fujihara Hideyuki、Aoyama Takuya、Takahashi Ryotaro、Okuyama Daisuke、Ohashi Takamasa、Hagihala Masato、Torii Shuki、Morikawa Daisuke、Terauchi Masami、Kawamata Takayuki、Kato Masatsune、Gotou Hirotada、Itoh Masayuki、Sato Taku J.、Ohgushi Kenya
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l041112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental Observation of Long-Range Magnetic Order in Icosahedral Quasicrystals (2021)
  • Author(s): Tamura Ryuji、Ishikawa Asuka、Suzuki Shintaro、Kotajima Takahiro、Tanaka Yujiro、Seki Takehito、Shibata Naoya、Yamada Tsunetomo、Fujii Takenori、Wang Chin-Wei、Avdeev Maxim、Nawa Kazuhiro、Okuyama Daisuke、Sato Taku J.
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 143 Issue: 47 Pages: 19938-19944
  • DOI: 10.1021/jacs.1c09954
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formation of Single Polar Domain in α-Cu2V2O7 (2021)
  • Author(s): Piyawongwatthana Pharit、Okuyama Daisuke、Nawa Kazuhiro、Matan Kittiwit、Sato Taku J.
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 2 Pages: 025003-025003
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.025003
  • NAID: 210000158822
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ferroelectric atomic displacement in multiferroic tetragonal perovskite Sr1/2Ba1/2MnO3 (2020)
  • Author(s): Okuyama D.、Yamauchi K.、Sakai H.、Taguchi Y.、Tokura Y.、Sugimoto K.、Sato T. J.、Oguchi T.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Issue: 3 Pages: 033038-033038
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033038
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetic properties of icosahedral quasicrystals and their cubic approximants in the Cd-Mg-RE (RE = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, and Tm) systems (2020)
  • Author(s): Labib Farid、Okuyama Daisuke、Fujita Nobuhisa、Yamada Tsunetomo、Ohhashi Satoshi、Sato Taku J、Tsai An-Pang
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 32 Issue: 41 Pages: 415801-415801
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ab9343
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural-transition-driven antiferromagnetic to spin-glass transition in Cd-Mg-Tb 1/1 approximants (2020)
  • Author(s): Labib Farid、Okuyama Daisuke、Fujita Nobuhisa、Yamada Tsunetomo、Ohhashi Satoshi、Morikawa Daisuke、Tsuda Kenji、Sato Taku J、Tsai An-Pang
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 32 Issue: 48 Pages: 485801-485801
  • DOI: 10.1088/1361-648x/aba921
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Deformation of the moving magnetic skyrmion lattice in MnSi under electric current flow (2019)
  • Author(s): D. Okuyama, M. Bleuel, J.S. White, Q. Ye, J. Krzywon, G. Nagy, Z.Q. Im, I. Zivkovic, M. Bartkowiak, H.M. Ronnow, S. Hoshino, J. Iwasaki, N. Nagaosa, A. Kikkawa, Y. Taguchi, Y. Tokura, D. Higashi, J.D. Reim, Y. Nambu, T.J. Sato
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 2 Issue: 1 Pages: 79-79
  • DOI: 10.1038/s42005-019-0175-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of Ge substitution on magnetic properties in the itinerant chiral magnet MnSi (2019)
  • Author(s): Aji Seno, Ishida Hidesato, Okuyama Daisuke, Nawa Kazuhiro, Hong Tao, Sato Taku J.
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 3 Issue: 10 Pages: 104408-104408
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.3.104408
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 電流下における磁気スキルミオン格子の塑性変形 (2019)
  • Author(s): 奥山大輔, 東大樹, 南部雄亮, 佐藤卓
  • Journal Title: 波紋 Volume: 29 Pages: 171-175
  • NAID: 130007949162
  • Peer Reviewed
• [Presentation] J1-J2フラストレート正方格子磁性体2VOSO4・D2SO4・nD2Oの磁気秩序 (2022)
  • Author(s): 那波和宏, 柴田将弥, 奥山大輔, Maxim Avdeev, Ross Piltz, 佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 量子三角格子磁性体Ba3Yb(BO3)3の結晶場励起 (2022)
  • Author(s): 松坂信之介, 那波和宏, 奥山大輔, 佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Suppression mechanism of the ferroelectric polarization in multiferroic tetragonal perovskite Sr1/2Ba1/2MnO3 (2021)
  • Author(s): D. Okuyama, K. Yamauchi, H. Sakai, Y. Taguchi, Y. Tokura, K. Sugimoto, T. J. Sato, T. Oguchi
  • Organizer: 25th Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography (IUCr2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Moving state of magnetic-swirling textures in a solid-state material observed by neutron diffraction (2021)
  • Author(s): Daisuke Okuyama
  • Organizer: 2021 MIRAI2.0 Workshop in Materials Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] GPTAS分光器を使った立方晶カイラル磁性体Pr5Ru3Al2の結晶場研究 (2021)
  • Author(s): 奥山大輔, 那波和宏, 佐藤卓
  • Organizer: 日本中性子科学会第21回年会
• [Presentation] Neutron diffraction study for the magnetic ordering in YbNiSn single crystal (2021)
  • Author(s): H. C. Wu, D. Okuyama, K. Nawa, A. Nakamura, D. Aoki, T. J. Sato
  • Organizer: 日本中性子科学会第21回年会
• [Presentation] Study on the magnetic excitation of Cu2(MoO4)(SeO3) (2021)
  • Author(s): Pharit Piyawongwatthana, Maiko Kofu, Kazuhiro Nawa, Daisuke Okuyama, Taku J Sato
  • Organizer: 日本中性子科学会第21回年会
• [Presentation] 量子三角格子磁性体Ba3Yb(BO3)3の単結晶育成および結晶場 (2021)
  • Author(s): 松坂信之介, 那波和宏, 奥山大輔, 佐藤卓
  • Organizer: 日本中性子科学会第21回年会
• [Presentation] 近似結晶Au65Ga21Tb14及びAu70Al16Tb14の磁性 (2021)
  • Author(s): 那波和宏, 奥山大輔, 海老名慧一, 村崎遼, Maxim Avdeev, Chin-Wei Wang, 高倉洋礼, 石川明日香, 田村隆治, 佐藤卓
  • Organizer: 日本中性子科学会第21回年会
• [Presentation] 強くなって帰ってきた4G-GPTAS (2021)
  • Author(s): 佐藤卓, 奥山大輔, 那波和宏, Hung-Cheng Wu, 村崎遼, Pharit Piyawongwatthana, 柴田将弥, 松坂信之介, 平岡巧
  • Organizer: 日本中性子科学会第21回年会
• [Presentation] フラストレート強磁性体候補物質の構造 (2021)
  • Author(s): 柴田将弥, 那波和宏, 奥山大輔, 佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Au70Al16Tb14 1/1近似結晶における精密磁気測定 (2021)
  • Author(s): 海老名慧一, 那波和宏, 奥山大輔, 石川明日香, 田村隆治, 佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 層状ハニカム構造を有する半金属RuI3の結晶構造と物性 (2021)
  • Author(s): 那波和宏, 今井良宗, 藤原秀行, 髙橋遼太郎, 萩原雅人, 鳥居周輝, 奥山大輔, 平岡巧, 山田和奏, 青山拓也, 後藤弘匡, 大串研也, 佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質RuX3 (X = Cl, Br, I)の配位子置換効果 (2021)
  • Author(s): 藤原秀行, 今井良宗, 山田和奏, 平岡巧, 青山拓也, 髙橋遼太郎, 那波和宏, 萩原雅人, 奥山大輔, 鳥居周輝, 川股隆行, 後藤弘匡, 加藤雅恒, 佐藤卓, 大串研也
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 定常中性子源を使った磁気スキルミオン格子とその駆動状態の研究 (2020)
  • Author(s): 奥山大輔
  • Organizer: 物性研短期研究会 中性子散乱研究の現状とJRR-3再稼働後の展望
  • Invited
• [Presentation] 反転対称性の破れたCe5Ru3Al2の高温の構造相転移と低温磁性 (2020)
  • Author(s): 奥山大輔, 牧野晃也, 佐賀山基, 佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 正方格子J1-J2フラストレート磁性体の物質探索 (2020)
  • Author(s): 那波和宏, 柴田将弥, 奥山大輔, 佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質ルテニウムハライドの高圧合成 (2020)
  • Author(s): 今井良宗, 山田和奏, 藤原秀行, 青山拓也, 髙橋遼太郎, 那波和宏, 萩原雅人, 奥山大輔, 鳥居周輝, 川股隆行, 後藤弘匡, 加藤雅恒, 佐藤卓, 大串研也
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Kitaev模型候補物質ルテニウムハライドの結晶構造と磁気構造 (2020)
  • Author(s): 高橋遼太郎, 那波和宏, 萩原雅人, 奥山大輔, 鳥居周輝, 今井良宗, 山田和奏, 藤原秀行, 青山拓也, 後藤弘匡, 大串研也, 佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 低次元フラストレート強磁性体候補物質の探索 (2020)
  • Author(s): 柴田 将弥, 那波 和宏, 奥山 大輔, 佐藤 卓
  • Organizer: 日本中性子科学会第20回年会
• [Presentation] モンテカルロ法によるスカーミオン格子相の磁場中シミュレーション (2020)
  • Author(s): 松坂 信之介, 村崎 遼, 奥山 大輔, 佐藤 卓
  • Organizer: 日本中性子科学会第20回年会
• [Presentation] 立方晶カイラル磁性体 Pr5Ru3Al2 単結晶の中性子小角散乱 (2020)
  • Author(s): 奥山 大輔, 牧野 晃也, Gilbert E. P, Booth N, 大石 一城, 佐藤 卓
  • Organizer: 日本中性子科学会第20回年会
• [Presentation] Magnetic structure of a quasi one-dimensional material Cu2(MoO4)(SeO3) (2020)
  • Author(s): Pharit Piyawongwatthana, Kazuhiro Nawa, Stuart A Calder, Daisuke Okuyama, Taku J Sato
  • Organizer: 日本中性子科学会第20回年会
• [Presentation] Kitaev模型候補物質RuBr3の結晶構造と磁気構造 (2020)
  • Author(s): 髙橋遼太郎, 那波和宏, 萩原雅人, 奥山大輔, 鳥居周輝, 今井良宗, 山田和奏, 藤原秀行, 青山拓也, 後藤弘匡, 大串研也, 佐藤卓
  • Organizer: 日本中性子科学会第20回年会
• [Presentation] Au71Al19Tb10 1/1 近似結晶の磁性 (2020)
  • Author(s): 海老名慧一, 那波和宏, 奥山大輔, 石川明日香, 田村隆治, 佐藤卓
  • Organizer: 第20回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
• [Presentation] 低次元フラストレート強磁性体候補物質の探索 (2020)
  • Author(s): 柴田 将弥, 那波 和宏, 奥山 大輔, 佐藤 卓
  • Organizer: 第20回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
• [Presentation] 電流中の磁気スキルミオン格子のダイナミクス (2019)
  • Author(s): 奥山大輔
  • Organizer: 東北大金研-CROSSワークショップ「J-PARCとJRR-3の相補利用による偏極中性子科学の新展開」
  • Invited
• [Presentation] カイラル磁性体Pr5Ru3Al2の中性子小角散乱 (2019)
  • Author(s): 奥山大輔
  • Organizer: 東北大金研-CROSSワークショップ「J-PARCとJRR-3の相補利用による偏極中性子科学の新展開」
• [Presentation] 量子ビームによる反転対称性が破れた磁性体の磁気的・電気的特性発現機構の解明 (2019)
  • Author(s): 奥山大輔
  • Organizer: 物質・デバイス領域共同研究拠点第9回活動報告会/平成30年度ダイナミック・アライアンス成果
  • Invited
• [Presentation] カイラル磁性体の電流効果に関する研究 (2019)
  • Author(s): 奥山大輔,山内邦彦,小口多美夫,佐藤卓
  • Organizer: 物質・デバイス領域共同研究拠点第9回活動報告会/平成30年度ダイナミック・アライアンス成果報告会
• [Presentation] 中性子散乱によるトポロジカル磁性の研究 (2019)
  • Author(s): 奥山大輔,那波和宏,佐藤卓
  • Organizer: 物質・デバイス領域共同研究拠点第9回活動報告会/平成30年度ダイナミック・アライアンス成果報告会
• [Presentation] Spatial Inhomogeneous Deformation of the Moving Magnetic Skyrmion Lattice in MnSi under Electric Current Flow (2019)
  • Author(s): D. Okuyama,M. Bleuel,J.S. White,Q. Ye,J. Krzywon,G. Nagy,Z.Q. Im,I. Zivkovic,M. Bartkowiak,H.M. Ronnow,S. Hoshino,J. Iwasaki,N. Nagaosa,A. Kikkawa,Y. Taguchi,Y. Tokura,D. Higashi,J.D. Reim,Y. Nambu,T.J. Sato
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic properties in the itinerant chiral magnet MnSi1-xGex (2019)
  • Author(s): S. Aji,H. Ishida,D. Okuyama,K. Nawa,T. Hong,S. Yano,T. J Sato
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中性子回折による磁気スキルミオン格子の電流駆動観測 (2019)
  • Author(s): 奥山大輔,山内邦彦,小口多美夫,佐藤卓
  • Organizer: 第7回アライアンス若手研究交流会プログラム
• [Presentation] Plastic deformation of the moving magnetic skyrmion lattice in MnSi under electric current flow (2019)
  • Author(s): D. Okuyama,M. Bleuel,J.S. White,Q. Ye,J. Krzywon,G. Nagy,Z.Q. Im,I. Zivkovic,M. Bartkowiak,H. M. Ronnow,S. Hoshino,J. Iwasaki,N. Nagaosa,A. Kikkawa,Y. Taguchi,Y. Tokura,D. Higashi,J. D. Reim,Y. Nambu,T. J. Sato
  • Organizer: The 3rd Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering 2019 (AOCNS 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中性子回折による電流下の磁気スキルミオン格子の非平衡定常/非定常状態 (2019)
  • Author(s): 奥山大輔,東大樹,南部雄亮,佐藤卓
  • Organizer: 第19回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
• [Presentation] Absolute structure of α-Cu2V2O7 (2019)
  • Author(s): Pharit Piyawongwatthana,Daisuke Okuyama,Kazuhiro Nawa,Kittiwit Matan,Taku J Sato
  • Organizer: 日本物理学会2019秋季大会
• [Presentation] カイラル磁性体 Pr5Ru3Al2 単結晶の磁気相図及び中性子小角散乱 (2019)
  • Author(s): 奥山大輔,牧野晃也,J. D. Reim,E. P. Gilbert,N. Booth,大石一城,山内邦彦,小口多美夫,佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会2019秋季大会
• [Presentation] 電流下における磁気スキルミオン格子の動力学 (2019)
  • Author(s): 奥山大輔
  • Organizer: 展開共同研究 B 及び小口中村研合同研究会
  • Invited
• [Presentation] マルチフェロイック正方晶ペロブスカイトSr1/2Ba1/2MnO3の強誘電原子変位の観測 (2019)
  • Author(s): 奥山大輔, 山内邦彦, 酒井英明, 田口康二郎, 十倉好紀, 杉本邦久, 佐藤卓, 小口多美夫
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Remarks] 流動中の磁気スキルミオン格子の変形挙動観測に成功
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/news_press/20190712/
• [Remarks] 若手研究者のタイトなつながりが、斬新な成果を生み出す
  • URL: http://five-star.tagen.tohoku.ac.jp/talk/talk_01.html