スキルミオン結晶を利用したマグノン伝搬制御

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K13876
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 高木 里奈 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (50742417)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 磁気スキルミオン / マグノン / スピン波分光 / ナノ周期構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、粒子性を持つ渦状スピン構造体、スキルミオンが自発的に形成するスキルミオン結晶を利用したマグノン制御を目指している。昨年度は、キラル構造を伴う磁性体Cu2OSeO3の準安定スキルミオン結晶相において磁気共鳴測定を行い、マグノンモード混成の観測に成功した。磁気スキルミオンのスピンテクスチャは結晶構造の対称性に依存することが知られており、キラル構造の下ではBloch型、極性構造のもとではNeel型と呼ばれる磁気スキルミオンが発現する。磁気スキルミオン結晶相におけるマグノンダイナミクスは、異なるスピンテクスチャに対して変化することが期待される。
そこで本年度は、極性構造のもとで発現するNeel型スキルミオン結晶相の磁気共鳴ダイナミクスの解明を目指した。具体的には、極性構造を伴う磁性体VOSe2O5の単結晶試料において、マイクロストリップライン用いたマイクロ波分光測定を行った。その結果、Neel型スキルミオンの三角格子相において2種類の磁気共鳴モードを観測することに成功した。さらに、実験で観測した共鳴モードの周波数分布や選択則を理論計算によって非常によく再現することに成功し、従来のBloch型スキルミオンの三角格子相とは異なるダイナミクスを示すことが明らかになった。また派生した成果として、中性子散乱実験によって4回対称な磁気反射が観測されている温度・磁場領域においても同様の共鳴モードを発見した。これは、Neel型スキルミオンの四角格子相の発現を強く示唆しており、VOSe2O5における2種類のスキルミオン相の実現が実証された。この他、上記の系と比べて一桁小さい、数nm周期のスキルミオン結晶を伴う新物質の発見にも成功しており、今後、ナノ周期のスキルミオン結晶のもとでのマグノン特性の解明・制御など、本研究成果の波及効果が期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Karlsruhe Institute of Technology/Technische Universitat Munchen/Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Karlsruhe Institute of Technology/Technische Universitat Munchen/Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
• [Int'l Joint Research] Paul Scherrer Institute (PSI)/EPFL(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: Paul Scherrer Institute (PSI)/EPFL
• [Journal Article] Rhombic skyrmion lattice coupled with orthorhombic structural distortion in EuAl4 (2023)
  • Author(s): Masaki Gen, Rina Takagi, Yoshito Watanabe, Shunsuke Kitou, Hajime Sagayama, Naofumi Matsuyama, Yoshimitsu Kohama, Akihiko Ikeda, Yoshichika Onuki, Takashi Kurumaji, Taka-hisa Arima, Shinichiro Seki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Pages: L020410-L020410
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.l020410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum oscillations in the centrosymmetric skyrmion-hosting magnet GdRu2Si2 (2023)
  • Author(s): N. Matsuyama, T. Nomura, S. Imajo, T. Nomoto, R. Arita, K. Sudo, M. Kimata, N. D. Khanh, R. Takagi, Y. Tokura, S. Seki, K. Kindo, Y. Kohama
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 1070 Pages: 104421-104421
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.104421
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Spontaneous topological Hall effect induced by non-coplanar antiferromagnetic order in intercalated van der Waals materials CoTa3S6 and CoNb3S6 (2023)
  • Author(s): H. Takagi, R. Takagi, S. Minami, T. Nomoto, K. Ohishi, M.-T. Suzuki, Y. Yanagi, M. Hirayama, N. D. Khanh, K. Karube, H. Saito, D. Hashizume, R. Kiyanagi, Y. Tokura, R. Arita, T. Nakajima, S. Seki
  • Organizer: APS March Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-step topological phase transitions among meron/antimeron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet (2023)
  • Author(s): H. Yoshimochi, R. Takagi, J. Ju, N. D. Khanh, H. Saito, H. Sagayama, H. Nakao, S. Itoh, Y. Tokura, T.-h. Arima, S. Hayami, T. Nakajima, and S. Seki
  • Organizer: APS March Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 反転対称性を有する遍歴磁性体EuAl4における磁気異方性の制御とスキルミオン相の安定性 (2023)
  • Author(s): 高木里奈、河野秀城、齋藤開、Jonathan White、Victor Ukleev、速水賢、中島多朗、関真一郎
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 共鳴X線磁気散乱実験によるスキルミオン物質EuAl4の直方晶歪みと磁気構造の同時観測 (2023)
  • Author(s): 厳正輝、高木里奈、鬼頭俊介、佐賀山基、関真一郎、有馬孝尚
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 極性構造を持つ室温強磁性体Gd7Pt3におけるNeel型磁気スキルミオンの観測 (2023)
  • Author(s): 池田直樹、高木里奈、Fehmi Sami Yasin、Licong Peng、星野学、橋爪大輔、十倉好紀、Xiuzhen Yu、関真一郎
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] カイラル強磁性体Co9Zn9Mn2におけるフォノンの非相反物性 (2023)
  • Author(s): 野村肇宏、X.-X. Zhang、高木里奈、軽部皓介、吉川明子、田口康二郎、十倉好紀、S. Zherlitsyn、小濱芳允、関真一郎
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 遍歴磁性体EuAl4の磁気スキルミオン相における直方格子歪み (2022)
  • Author(s): 厳正輝、高木里奈、渡辺義人、松山直史、小濱芳允、池田暁彦、車地崇、有馬孝尚、関真一郎
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 極性スキルミオン物質VOSe2O5における磁気共鳴モードの観測 (2022)
  • Author(s): 荒木那巨、車地崇、十倉好紀、高木里奈、関真一郎
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 複数のスキルミオン相を生じる空間反転対称な正方晶物質GdRu2(Si1-xGex)2における磁気相図の全貌の解明 (2022)
  • Author(s): 吉持遥人、高木里奈、周芝苑、速水賢、Nguyen Duy Khanh、Seno Aji、齋藤開、Deepak Singh、Priya Baral、Leonie Spitz、Victor Ukleev、Jonathan White、Sonia Francoual、Jose R. L. Mardegan、佐賀山基、中尾裕則、有馬孝尚、十倉好紀、中島多朗、関真一郎
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 空間反転対称性の保たれたスキルミオン物質GdRu2Si2における量子振動 (2022)
  • Author(s): 松山直史、野村肇宏、今城周作,野本拓也、有田亮太郎、須藤健太、木俣基、N.D.Khanh、高木里奈、十倉好紀、関真一郎、金道浩一、小濱芳允
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 空間反転対称性を有する磁性金属EuAl4における磁気スキルミオン格子相の観測 (2022)
  • Author(s): 高木里奈
  • Organizer: 中性子散乱研究会
  • Invited
• [Presentation] 磁気スキルミオン格子の生成と構造制御 (2022)
  • Author(s): 高木里奈
  • Organizer: 東京大学物性研究所凝縮系セミナー
  • Invited
• [Presentation] 磁性合金におけるスキルミオン結晶の生成と構造相転移 (2022)
  • Author(s): 高木里奈
  • Organizer: 第５回未来材料セミナー
  • Invited
• [Presentation] Formation and Structural Phase Transition of Skyrmion Lattices in Centrosymmetric Magnetic Alloys (2022)
  • Author(s): 高木里奈
  • Organizer: 2022年度ナノ構造・物性ーナノ機能・応用部会合同シンポジウム
  • Invited