電流駆動された磁気スキルミオン系における新奇非平衡相の開拓
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20H01866
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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| Research Institution | Institute for Molecular Science (2021)
Institute of Physical and Chemical Research (2020) |
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Principal Investigator |
佐藤 拓朗 分子科学研究所, 協奏分子システム研究センター, 助教 (60803749)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2020: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000)
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| Keywords | 磁気スキルミオン / 非平衡相転移 / 電流制御 / トポロジカルホール / 輸送特性 / スキルミオン / ノイズ測定 / ノードロック共鳴 / 非平衡 / モードロック共鳴 / 磁気力顕微鏡 |
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| Outline of Research at the Start |
磁気スキルミオンと呼ばれる渦状のスピン構造が発見されて以来、スキルミオンの結晶・液体・ガラスといった様々な熱平衡相が理論的に提案され、それらの探索が数多く行われてきた。しかし、熱平衡相の枠組みに限定されていた従来の探索では、現時点の観測例はスキルミオン結晶のみに留まっている。そこで本研究では、平衡状態から電流駆動下という非平衡状態へと探索の舞台を拡張し、さらなる新奇スキルミオン相の開拓を試みる。電気抵抗揺らぎ測定と磁気力顕微鏡を駆使して、スキルミオン運動の時間相関・空間相関を評価することで、未知のスキルミオン非平衡相を実証し、非平衡相転移の新たな舞台としての学術的地位の確立を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、近年精力的に研究が行われている磁気スキルミオンを対象にして、平衡状態から電流駆動下の非平衡状態へと探索の舞台を拡張することで、新奇スキルミオン相の開拓を目指すものである。今年度は、申請者のこれまでの研究から明らかになっていた、電流駆動されたスキルミオンが形成する動的結晶相に焦点を当て、非平衡相固有のモードロック共鳴と呼ばれる干渉効果の観測を行った。
スキルミオンに一定の直流電流を印加すると、上述のようにスキルミオンの並進運動が駆動され、ある閾電流以上では動的固体相が形成される。この状態では、運動するスキルミオン格子が不純物ポテンシャルと相互作用することで駆動速度が周期的に変調され、電圧ノイズ上で狭帯域雑音と呼ばれるピーク構造が生まれる。すなわち、スキルミオン格子の運動に起因して、電流の直流成分から交流成分が生じたとみなすことができる。次に、直流電流に重畳させて、交流電流を印加した場合を考えてみる。この場合、スキルミオン運動によって生じた交流成分と、新たに印加した交流電流との間の非自明な干渉効果が生じ得る。これがモードロック共鳴と呼ばれる現象である。今年度は、代表的なスキルミオン形成物質MnSiを用いて直流・交流電流下のノイズ測定を行い、モードロック共鳴を実験的に初めて実証した。共鳴時には、スキルミオン速度が交流電流の周波数によって固定され、直流電流に依存しなくなるとともに、運動のコヒーレンスが増大する様子が確認され、モードロック共鳴の基本的帰結を同定することに成功した。
また、得られた実験結果は、古典的な剛体球モデルによって良く記述できることが明らかになり、これまで定性的にしか捉えられていなかったスキルミオン運動を、より微視的に理解するために基盤が確立したと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
MnSiにおけるモードロック共鳴は、理論的な示唆があったにも関わらず、実験的な難しさから、過去全く研究されていなかった。このような状況の中、高精度な電圧雑音測定系を構築することで、交流電流の有無によるスキルミオン運動の変化を高い分解能で検出することに成功し、モードロック共鳴の理論予測を強く支持する質の高い実験結果が得られた。以上の点を踏まえ、当初の計画通り、順調に研究が進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の結果は、電流によってスキルミオン集団が織りなす新たな非平衡状態を見出すものであったが、電流でスキルミオン相そのものが変化したわけではない。そこで今後は、電流を用いて、スキルミオン相そのものを別の磁気相へと変換することを目指す。これまでの研究の蓄積から、収束イオンビームを用いたデバイス加工技術を駆使して試料界面などの条件をコントロールすることで、電流駆動されたスキルミオン相の安定度が制御できる可能性がある。この点に着目し、電流を用いた磁気相変換という新たな分野構築を目指す。
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Report
(1 results)
Research Products
(1 results)
