2021 Fiscal Year Research-status Report
Search for quantum skyrmions
| Project/Area Number |
19K21839
|
|---|
| Research Institution | Tohoku University |
|---|
Principal Investigator |
佐藤 卓 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70354214)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2023-03-31
|
| Keywords | 磁気スカーミオン / 量子スカーミオン / 中性子非弾性散乱 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
スカーミオンとは連続場中のトポロジカル欠陥であり、歴史的には非線形古典場の理論にその端を発する。2009 年にカイラル磁性体 MnSi のスピンテクスチャーとして観測されるに至り磁性物理学の中心的課題の一つとなった。磁気スカーミオンはトポロジカル保護という特異な性質を持つため、その生成や消滅の起原から情報伝達応用までの広い範囲で大きな注目を集め、現在精力的に研究が進められている。これまでの研究から磁気スカーミオンは長周期磁気構造を基底状態にもつ種々の磁性体において有限磁場・有限温度で形成されることがわかっており、熱揺らぎにより形成するトポロジカルスピン構造であると理解されている。一方で、量子磁性体中においては従来型の熱力学的な磁気スカーミオンとは異なる量子力学的準粒子としてのスカーミオンを考えることができる。本研究の目的は磁場中高エネルギー分解能中性子散乱を駆使し量子スカーミオンを実験的に発見することである。
研究計画3年目となる2021年度においては、初年度・2年度の研究結果に基づきYb-(Ni,Ru)-(Al,Ge) 系金属間化合物に絞って研究を進めた。プレリミナリーな中性子散乱実験により六方晶面内に非整合磁気ピークが観測されている Yb-Ru-Al 系に関して、2021年中頃に ORNL. CTAX 分光器を用いて磁場中実験を実施した。コロナ感染症のため実験はリモート実験（研究者は日本から参加）であったが、このため実験の詳細をコントロールすることができず、結果的に残留磁場の影響を最後まで取り除くことができなかった。このことにより最終結果を得ることはできなかったが、極めて興味深い磁場依存性が示唆された。この結果は現在さらに解析を進めるとともに、現地での最終実験を成功させるべく米国側研究者と準備を進めている。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2021年においても新型コロナ感染症の拡大に伴い海外施設での中性子散乱実験実施が困難であった。国内では研究用原子炉JRR-3が再稼働し、研究機会が増加したが、本実験に必要な極低温および磁場下の実験に関しては試料環境の問題でまだ実施が難しかった。これらの理由から海外施設でのリモート実験を選択したところであるが、研究実績の概要欄に記した通り、リモート実験では実験の細部まで十分に制御することが叶わず、最終データを取得することができなかった。他方、極低温および磁場下という実験条件は達成できており、実験結果からは非常に興味深い磁場依存性が観測されているため、コロナ感染症の収束後可及的速やかにオンサイトで実験を行うことで確定的な結果が得られるものと確信している。試料系が変わったという意味で当初の予定とは異なる進展が見られるなど、挑戦的研究として想定される研究進展を見せているものと判断される。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本挑戦的研究は3年間の研究期間を予定していたが、コロナ感染症の拡大という予測不可能な事象が生じ、研究計画の中核をなしていた中性子散乱実験の実施が困難となった。特に、2021年度に予定していた磁場中中性子散乱実験が満足にできておらず研究の完成には至っていない。そこで、2022年度さらに研究を継続することで本研究を完成させる。具体的には Yb-Ru-Al 系に関して米国 ORNL での極低温磁場下中性子小角散乱を実施し、磁場中での非整合磁気変調ベクトルの振る舞いを確認することで、この系の基底状態の磁場相図を完成させる。また、同時に国内の JRR-3 原子炉を用いて非弾性散乱を行うことで磁気励起の観点からもこの系のトポロジカル励起の可能性を探索する。JRR-3 も再稼働後2 年目を迎え徐々に試料環境も整備されてきており本研究でさらにいくつかの付帯的試料環境を導入することで本研究遂行に必要な環境が達成できるものと考えている。
|
| Causes of Carryover |
研究実績の概要および今後の研究の推進方策に記したとおり、2020年度および2021年度は新型コロナ感染症拡大のため海外の中性子散乱実験が不可能になった上、国内の実験もかなりの制限が加わった。そのため、当初予定していた中性子散乱実験用経費を次年度使用とすることとした。また、精密磁場制御試料セルに関しては当初試料として想定していたCu2OSeO3に対してのものであり、Yb 化合物等の新候補物質に対しては再設計を行う必要がある。現時点で海外実験に関してはすでに海外施設との協議のもと試料セル設計は完成しており、2022年度初めにこれを作成、2022年度中頃を予定している実験に使用する。一方、国内のJRR-3も再稼働後2年目を迎え実験可能性が見えてきたため、こちらに対応する試料環境も作成する。すなわち2022年度使用計画としては、海外実験旅費、海外実験試料セル作成、および国内実験試料環境整備が主な項目となる。
|
