Creation of topological magnetic particles by controlling electronic states at interfaces

• Project Area: Condensed Conjugation Molecular Physics and Chemistry: Revisiting "Electronic Conjugation" Leading to Innovative Physical Properties of Molecular Materials
• Project/Area Number: 23H04017
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 金澤 直也 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (10734593)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2024: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: ヘテロ接合 / スキルミオン / ホプフィオン / Zak位相 / トポロジカルスピン構造 / 非線形伝導

Outline of Research at the Start

2次元層状物質の剥離や積層によって多彩な物性の巧みな開拓・制御が可能になってきた。特に現在の激烈な研究競争の契機の1つとなったグラフェンのツイスト積層における強相関物性の発現は、まさにp電子のπ共役状態の精密な近接効果の制御に起因している。本研究では3次元d電子物質表面のπ結合状態に注目し、d電子系特有の磁性・強スピン軌道結合を利用した新しい2次元表面スピン物性を開拓する。具体的には、層状物質の積層制御と同様にd電子π結合表面状態への高密度近接効果に注目して、スキルミオンや創発磁気モノポール、さらには新たなトポロジカル磁気励起「ホプフィオン」の実現に挑みたい。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では固体表面に現れるd電子系の高密度共役電子状態の開拓とd電子系に特徴的な磁性との関連を明らかにすることを目的にしている。特に研究代表者が近年発見した非磁性絶縁体FeSiの表面に現れるトポロジカル強磁性金属状態を対象として、さまざまな異種物質との接合界面を作製し、界面におけるトポロジカル磁気構造形成を目指している。
本年度は、強いスピン軌道相互作用を有するPtとのヘテロ接合を作製した。Pt/FeSi界面において反対称的スピン軌道相互作用に起因して、トポロジカルスピン構造のスキルミオンの形成が観測された。これらのスキルミオンはサブミクロンスケールの大きさを有し、欠陥や表面荒さといった結晶構造の乱れによって強くピン留めされた状態であることがわかった。強いピン留め効果によって、従来のスキルミオンよりも6桁程度大きな電流密度によっても駆動・崩壊されない強固な状態となっている。これにより、高電流密度で顕著になる非線形伝導特性をスキルミオンの存在下で測定することができ、7次にまで及ぶ高次の非線形ホール効果を観測することに成功した。高次非線形ホール効果は電流による非線形磁化ダイナミクスや非共線スピン構造による電子散乱機構に起因していることがわかった。特に後者のメカニズムは、非線形トポロジカルホール効果とも言える新しい非線形伝導現象に対応する可能性がある。また、大きな非線形伝導特性はリザバーコンピューティングといった応用への展開も期待できる。
上記の成果は論文1件、解説記事1件として発表できている。さらにPt/FeSi界面以外にもさまざまな物質系を開拓しており、論文2件を出版している。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究初年度に、目的としていたd電子高密度共役状態におけるトポロジカルスピン構造の形成や非線形伝導現象の発見をトポロジカル表面と重金属接合によって実現することができた。また研究成果を論文や解説記事として発表することができた。これらの成果も含め、日本物理学会若手奨励賞の受賞に繋がった。

Strategy for Future Research Activity

Pt/FeSi界面におけるスキルミオン形成と高次非線形ホール効果の発見を基に、さまざまなヘテロ接合界面の作製とd電子高密度共役系におけるスピン状態の物理の構築に繋げていく。まずは、FeSiのトポロジカル強磁性表面状態に対してPt以外の接合物質を積層し、積層物質による近接効果の詳細を明らかにする。さらにホール効果以外にも非相反電気伝導(ダイオード効果、整流効果)といった非線形伝導現象を開拓していく。

Research Products

• [Journal Article] Topological stability of spin textures in Si/Co-doped helimagnet FeGe (2024)
  • Author(s): Guang Yao、Fujishiro Yukako、Tanaka Aito、Peng Licong、Kaneko Yoshio、Kanazawa Naoya、Tokura Yoshinori、Yu Xiuzhen
  • Journal Title: Journal of Physics: Materials Volume: 7 Issue: 2 Pages: 025009-025009
  • DOI: 10.1088/2515-7639/ad2ec4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Strongly pinned skyrmionic bubbles and higher-order nonlinear Hall resistances at the interface of Pt/FeSi bilayer (2024)
  • Author(s): Hori T.、Kanazawa N.、Matsuura K.、Ishizuka H.、Fujiwara K.、Tsukazaki A.、Ichikawa M.、Kawasaki M.、Kagawa F.、Hirayama M.、Tokura Y.
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 8 Issue: 4 Pages: 044407-044407
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.8.044407
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular beam epitaxy of superconducting FeSexTe1-x thin films interfaced with magnetic topological insulators (2024)
  • Author(s): Sato Yuki、Nagahama Soma、Belopolski Ilya、Yoshimi Ryutaro、Kawamura Minoru、Tsukazaki Atsushi、Kanazawa Naoya、Takahashi Kei S.、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 8 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.8.l041801
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct observations of the spin fluctuations in hedgehog-anti-hedgehog spin lattice states in MnSi1-xGex (x = 0.6 and x = 0.8) (2023)
  • Author(s): Seno Aji, Tatsuro Oda, Yukako Fujishiro, Naoya Kanazawa, Hiraku Saito, Hitoshi Endo, Masahiro Hino, Shinichi Itoh, Taka-hisa Arima, Yoshinori Tokura, and Taro Nakajima
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 108 Issue: 5 Pages: 054445-054445
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.054445
  • Peer Reviewed
• [Presentation] キラル結晶におけるトポロジカルスピン構造形成と創発電磁物性の研究 (2024)
  • Author(s): 金澤 直也
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
  • Invited
• [Presentation] FeSexTe1-x thin films as a platform for exploring exotic superconducting states (2024)
  • Author(s): Yuki Sato, Soma Nagahama, Ilya Belopolski, Ryutaro Yoshimi, Minoru Kawamura, Atsushi Tsukazaki, Naoya Kanazawa, Akiyoshi Yamada, Masashi Tokunaga, Kei S Takahashi, Masashi Kawasaki, Yoshinori Tokura
  • Organizer: APS March Meeting 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Noble-Metal-Free Spintronic System with Ferromagnetic Topological Surface State of FeSi above Room Temperature (2023)
  • Author(s): T. Hori, N. Kanazawa, M. Hirayama, K. Fujiwara, A. Tsukazaki, M. Ichikawa, M. Kawasaki, and Y. Tokura
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] MBE成長させたFe(Se,Te)薄膜における電子相図 (2023)
  • Author(s): 永濱壮真, 佐藤雄貴, Ilya Belopolski, 吉見龍太郎, 川村稔, 塚﨑敦, 金澤直也, 高橋圭, 川崎雅司, 十倉好紀
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] MBE成長させたFe(Se,Te)薄膜の上部臨界磁場測定 (2023)
  • Author(s): 佐藤雄貴, 永濱壮真, Ilya Belopolski, 吉見龍太郎, 川村稔, 塚﨑敦, 山田暉馨, 徳永将史, 金澤直也, 高橋圭, 川崎雅司, 十倉好紀
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 偏極中性子反射率測定による新規トポロジカル強磁性表面の直接観測 (2023)
  • Author(s): 金澤直也
  • Organizer: 東京大学物性研究所共同利用成果発表会
  • Invited
• [Remarks] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/n_kanazawa
• [Remarks] 金澤研究室ホームページ
  • URL: https://sites.google.com/view/kanazawa-lab