Giant electron-scattering phenomena in liquid crystal state of topological spin defects

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 20H05155
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 金澤 直也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10734593)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: スキルミオン / スピンカイラリティ / スキュー散乱 / 非相反伝導 / ベリー位相

Outline of Research at the Start

スピンが渦状に配列したスキルミオンというトポロジカルな磁気構造は、固体中ではその渦が竜巻のように伸びた糸状の構造体(スキルミオンストリング)として存在する。これまで、このスキルミオンストリングは多数集まり周期的な集合体、すなわち結晶状態を形成することが知られてきたが、温度や磁場といった外部因子を変化させることによって融解し、液晶状態を実現できる。本研究では、薄膜作製技術を駆使することによってこのスキルミオンストリング液晶状態を制御し、そのゆらぎに由来した電子散乱現象を観測・解明する。

Outline of Annual Research Achievements

糸状トポロジカルスピン構造であるスキルミオンストリングの配向秩序の変化によって生じる電子散乱現象を、磁場や歪みといった外場や微細化に伴う表面効果によって制御することが本研究の全体目的である。 本年度は主にスキルミオンストリングの液晶状態が発現する候補物質について単結晶合成や2次非線形伝導測定を行い、スピンカイラリティに起因した非相反散乱現象の開拓を目指して研究を進めた。 その結果、当初の研究目標を達成することができた。キラル磁性体MnGeについて4-5 GPaの超高圧下におけるフラックス法による合成を行い、世界で初めて単結晶合成に成功することができた。これにより、磁場、歪み、微細化などの外部制御因子を自在に変化させた時に、MnGeにおけるスキルミオンストリングの配向秩序がどのように応答するかを系統的に調べることができた。集束イオンビーム法を用いて試料をマイクロメーターサイズにまで微細化することで、高電流密度下におけるスキルミオンストリング励起状態とそれに由来した非線形伝導特性を観測できた。特にベクトルスピンカイラリティの揺らぎによる非相反スピン散乱効果が巨大な磁気カイラル効果をもたらし、磁場で制御可能なダイオード効果を生み出すことに成功した。これらの成果は論文として出版することができた[Phys. Rev. B 103, L220410 (2021)]。さらにこの結果を発展させ、らせん磁気構造における非線形伝導特性やトポロジカル磁気欠陥の非線形ダイナミクスの観測にも成功している。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Paul Scherrer Institute(スイス)
• [Int'l Joint Research] Paul Scherrer Institute/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(スイス)
• [Journal Article] Enhanced electrical magnetochiral effect by spin-hedgehog lattice structural transition (2021)
  • Author(s): Kitaori A.、Kanazawa N.、Ishizuka H.、Yokouchi T.、Nagaosa N.、Tokura Y.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.l220410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Emergent electromagnetic induction beyond room temperature (2021)
  • Author(s): Kitaori Aki、Kanazawa Naoya、Yokouchi Tomoyuki、Kagawa Fumitaka、Nagaosa Naoto、Tokura Yoshinori
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 33 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1073/pnas.2105422118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dislocation-Driven Relaxation Processes at the Conical to Helical Phase Transition in FeGe (2021)
  • Author(s): Schoenherr Peggy、Stepanova Mariia、Lysne Erik Nikolai、Kanazawa Naoya、Tokura Yoshinori、Bergman Anders、Meier Dennis
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 15 Issue: 11 Pages: 17508-17514
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c04302
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Emergence of spin-orbit coupled ferromagnetic surface state derived from Zak phase in a nonmagnetic insulator FeSi (2021)
  • Author(s): Ohtsuka Yusuke、Kanazawa Naoya、Hirayama Motoaki、Matsui Akira、Nomoto Takuya、Arita Ryotaro、Nakajima Taro、Hanashima Takayasu、Ukleev Victor、Aoki Hiroyuki、Mogi Masataka、Fujiwara Kohei、Tsukazaki Atsushi、Ichikawa Masakazu、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 47
  • DOI: 10.1126/sciadv.abj0498
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detection of Topological Spin Textures via Nonlinear Magnetic Responses (2021)
  • Author(s): Stepanova Mariia、Masell Jan、Lysne Erik、Schoenherr Peggy、K?hler Laura、Paulsen Michael、Qaiumzadeh Alireza、Kanazawa Naoya、Rosch Achim、Tokura Yoshinori、Brataas Arne、Garst Markus、Meier Dennis
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 22 Issue: 1 Pages: 14-21
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02723
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Giant anomalous Hall effect from spin-chirality scattering in a chiral magnet (2021)
  • Author(s): Fujishiro Yukako、Kanazawa Naoya、Kurihara Ryosuke、Ishizuka Hiroaki、Hori Tomohiro、Yasin Fehmi Sami、Yu Xiuzhen、Tsukazaki Atsushi、Ichikawa Masakazu、Kawasaki Masashi、Nagaosa Naoto、Tokunaga Masashi、Tokura Yoshinori
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 317-317
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20384-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic Skyrmion Materials (2020)
  • Author(s): Tokura Yoshinori、Kanazawa Naoya
  • Journal Title: Chemical Reviews Volume: 121 Issue: 5 Pages: 2857-2897
  • DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00297
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Observation of the Statics and Dynamics of Emergent Magnetic Monopoles in a Chiral Magnet (2020)
  • Author(s): Kanazawa N.、Kitaori A.、White J. S.、Ukleev V.、Ronnow H. M.、Tsukazaki A.、Ichikawa M.、Kawasaki M.、Tokura Y.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 125 Issue: 13 Pages: 137202-137202
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.137202
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Metastable solitonic states in the strained itinerant helimagnet FeGe (2020)
  • Author(s): Ukleev Victor、Yamasaki Yuichi、Utesov Oleg、Shibata Kiyou、Kanazawa Naoya、Jaouen Nicolas、Nakao Hironori、Tokura Yoshinori、Arima Taka-hisa
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 1 Pages: 014416-014416
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.014416
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Monoclinic semimetal IrSi synthesized under high pressure above 25 GPa: Crystal structure, electronic, and magnetic properties (2020)
  • Author(s): Fujishiro Y.、Kanazawa N.、Shinmei T.、Nishi M.、Nakajima T.、Arima T.、Hashizume D.、Bahramy M. S.、Irifune T.、Tokura Y.
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 4 Issue: 5 Pages: 055002-055002
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.4.055002
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Emergence of spin-orbit coupled ferromagnetic surface state derived from Zak phase in a nonmagnetic insulator FeSi (2022)
  • Author(s): Naoya Kanazawa
  • Organizer: APS March Meeting 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spin-orbit coupling propertiesin ferromagnetic-metal surface state of FeSi (2022)
  • Author(s): Naoya Kanazawa
  • Organizer: 令和3年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Multiple magnetic phases and topological transport properties in chiral magnets (2021)
  • Author(s): Naoya Kanazawa
  • Organizer: SKYMAG 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Emergent transport phenomena induced by spin-chirality fluctuations in a chiral magnet MnGe (2021)
  • Author(s): Naoya Kanazawa
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2021（QLC2021）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Emergence of spin-orbit-coupled surface state derived from topological polarization and its spintronic functionality in a nonmagnetic insulator FeSi (2021)
  • Author(s): Naoya Kanazawa
  • Organizer: The 2021 Around-the-Clock Around-the-Globe Magnetics Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Formation of spin-hedgehog lattices and giant topological transport properties in chiral magnets (2021)
  • Author(s): Naoya Kanazawa
  • Organizer: Annual Meeting of DPG (German Physical Society)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spin chirality and emergent transport phenomena in short‐period helical magnets: anomalous Hall effect, nonreciprocal conduction, and room‐temperature emergent inductance (2021)
  • Author(s): Naoya Kanazawa
  • Organizer: CREST Workshop on “Physics of helical and skyrmion phases”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Deformation of spin-hedgehog lattice in MnGe (2021)
  • Author(s): Aki Kitaori, Naoya Kanazawa, Jonathan S White, Victor Ukleev, Henrik M Ronnow, Atsushi Tsukazaki, Masakazu Ichikawa, Masashi Kawasaki , Yoshinori Tokura
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 小角中性子散乱による 3 次元トポロジカル磁気構造とそのダイナミクスの観測 (2020)
  • Author(s): 金澤直也
  • 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] Giant anomalous Hall effect from spin-chirality scattering in a chiral magnet (2020)
  • Author(s): Naoya Kanazawa
  • Organizer: ARHMF2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/n_kanazawa
• [Remarks] 量子液晶の物性科学ホームページ
  • URL: http://qlc.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 磁気素子 (2022)
  • Inventor(s): 金澤直也,大塚悠介,堀智洋,平山元昭,十倉好紀,塚﨑敦,藤原宏平
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人東京大学, 国立大学法人東北大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-030135
  • Filing Date: 2022