Topological charge dynamics derived from magnetic skyrmions

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K14653
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Okamura Yoshihiro 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20804735)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: スキルミオン / 磁気光学効果

Outline of Final Research Achievements

We explore the novel topological charge dynamics derived from the Berry-phase effect of the magnetic skyrmions, which may lead to the optical functionality and giant response. To this end, we addressed two subjects: (i) Current-induced magnetization (Edelstein effect) and (ii) Magneto-optical Faraday rotation. Although we found some spurious effects in case (i), we successfully observed the Faraday rotation arising from the skyrmion formation. This topological Faraday rotation shows the resonance structure upon the band crossings due to the skyrmion formation, which reaches the giant value of 20 mrad. Our work demonstrates that the Berry phase effect of the magnetic skyrmion can show up in the optical response.

Free Research Field

光物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

スキルミオンにおけるベリー位相効果は理論的には明快に示されているものの、実験的な実証は容易ではなく、また現象のバリエーションとしても乏しいのが現状である。本研究では、これまで行われてこなかった光学応答の探索を行い、スキルミオンと電子状態が強く相互作用することで初めて生じる光学応答を確立することができた。応用的な観点からみても、磁気光学効果は現代ではアイソレーターの原理として携帯電話などの通信デバイスのキーテクノロジーである。その増強指針においてトポロジカルスピン構造という新しいガイドラインを提案することができた。