らせん磁性体におけるスカーミオン格子形成とその量子輸送現象

• 研究課題/領域番号: 11J09335
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 物性Ⅱ(磁性・金属・低温)(実験)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 金澤 直也 東京大学, 大学院工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2013
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円); 2013年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2011年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: スカーミオン / らせん磁性体 / B20型化合物 / トポロジカルホール効果 / 磁気メモリ / ホール効果 / 熱電効果

研究概要

近年、スカーミオンと呼ばれる渦状の磁気構造がMnSiやFeGeといったB20型化合物において観測された。この磁気構造はトポロジカルなスピン配列をしており、他の磁気構造とは異なった電磁気応答が発現する。本研究では、スカーミオン磁気構造形成の物理とそれにおける新奇な輸送現象の観測を目的として実験を行ってきた。前年度までに分子線エピタキシー法や高圧合成法といった様々な合成方法を用いて、一連のB20型Mn_<1-x>Fe_xGeバルク試料やB20型Mn_<1-x>Fe_xSi薄膜の作製に成功した。上述の試料においてスカーミオン形成を観測し、さらにその形成に伴うトポロジカルホール効果といった巨大ゲージ場(仮想磁場)に由来する電気輸送現象を観測した。最終年度である当該年度においても、スカーミオン形成とその新奇電磁気応答の物理を精査し、新たな現象の観測と知見を得た。特に、B20型MnGeバルク試料においては3次元スカーミオン結晶形成に伴う巨大なネルンスト効果を観測した。これは、トポロジカルホール効果と同様に、40T程度の巨大な仮想磁場によって、熱流で駆動された伝導電子の運動が曲げられたために生じた新しい現象であり、トポロジカルネルンスト効果と呼んでいる。一方で、B20型薄膜サンプルにおいては成膜条件を制御することによって、スカーミオン相の安定性を支配する重要なパラメータが膜厚とらせん周期であることを明らかにした。B20型化合物において発現するスカーミオンの形成過程とそれがもたらす巨大な電磁気応答を明らかにでき、今後のスカーミオンの磁気メモリなどへの応用化の足がかりとなった。

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

研究成果

• [雑誌論文] Thermally Driven Ratchet Motion of Skyrmion Microcrystal and Topological Magnon Hall Effect (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Mochizuki, X. Z. Yu, S. Seki, N. Kanazawa, W. Koshibae, J. Zang, M. Mostovoy, Y. Tokura, and N. Nagaosa
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 13 号: 3 ページ: 241-246
  • DOI: 10.1038/nmat3862
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skyrmion stability in thin films of Mn1-_xFe_xSi as investigated by topological Hall effect (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Yokouchi, N. Kanazawa, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, M. Kawasaki, M. Ichikawa, F. Kagawa and Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.064416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Miniature Hall sensor integrated on a magnetic thin film for detecting domain wall motion (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Kubota, Y. Tokunaga, N. Kanazawa, F. Kagawa, Y. Tokura, and M. Kawasaki
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 114(10.1063/1.4817285)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological Nernst effect in a three-dimensional skyrmion-latt ice phase (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, N. Kanazawa, K. Shibata, Y. Onose, and Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 88 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.88.064409
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal chirality and skyrmion helicity in MnSi and (Fe, Co) Si as determined by transmission electron microscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Morikawa, K. Shibata, N. Kanazawa, X. Z. Yu and Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 88 号: 2
  • DOI: 10.1103/physrevb.88.024408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Towards control of skyrmion crystals in helimagnetic alloys by spin-orbit coupling (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, X. Z. Yu, T. Hara, D. Morikawa, N. Kanazawa, K. Kimoto, S. Ishiwata, Y. Matsui, and Y. Tokura
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 8 号: 10 ページ: 723-728
  • DOI: 10.1038/nnano.2013.174
  • 査読あり
• [雑誌論文] Robust Formation of Skyrmions and Topological Hall Effect Anomaly in Epitaxial Thin Films of MnSi (2013)
  • 著者名/発表者名: Yufan Li, N. Kanazawa, X. Z. Yu, .A. Tsukazaki, M. Kawasaki, M Ichikawa, X. F. Jin, F. Kagawa, and Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 110 号: 11
  • DOI: 10.1103/physrevlett.110.117202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skyrmion flow near r001 temperature ill an ultralow current density (2012)
  • 著者名/発表者名: X. Z. Yu, N. Kanazawa, W. Z. Zhang, T. Nagai, T. Hara, K. Kimoto, Y. Matsui, Y. Onose, and Y. Tokura
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Possible skyrmion-lat t ice ground state in the B20 ch i ral-lat t ice nagnet MoGe as seen via small-angle neutron scattering (2012)
  • 著者名/発表者名: D. S. Inosov, J. S. White, N. Egeten【neyer, J. L. Gavilano, S. Ishiwata, Y. Onose, T. Arima, B. Keimer, and Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 86 号: 13 ページ: 134425-134425
  • DOI: 10.1103/physrevb.86.134425
  • 査読あり
• [雑誌論文] Real-Space Observation of Skyrmion Lattice in Helimagnet MnSi Thin Samples (2012)
  • 著者名/発表者名: Akira Tonomura, Xiuzhen Yu, Keiichi Yanagisawa, Tsuyoshi Matsuda, Yoshinori Onose, Naoya Kanazawa, Hyun Soon Park, Yoshinori Tokura
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 12 号: 3 ページ: 1673-1677
  • DOI: 10.1021/nl300073m
  • 査読あり
• [雑誌論文] Band-filling dependence of thermoelectric properties in B20-type CoGe (2012)
  • 著者名/発表者名: N.Kanazawa, Y.Onose, Y.Shiomi, S.Ishiwata, Y.Tokura
  • 雑誌名: Applied Physics Letter 巻: 100 号: 9 ページ: 93902-93902
  • DOI: 10.1063/1.3691260
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large Topological Hall Effect in a Short-Period Helimagnet MnGe (2011)
  • 著者名/発表者名: N.Kanazawa, Y.Onose, T.Arima, D.Okuyama, K.Ohoyama, S.Wakimoto, K.Kakurai, S.Ishiwata, Y.Tokura
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 106 号: 15
  • DOI: 10.1103/physrevlett.106.156603
  • 査読あり
• [雑誌論文] ローレンツ電顕法によるスキルミオン格子の観察 (2011)
  • 著者名/発表者名: 金澤直也, 于秀珍, 小野瀬佳文, 松井良夫, 永長直人, 十倉好紀
  • 雑誌名: 日本結晶学会誌 巻: 53 号: 4 ページ: 274-279
  • DOI: 10.5940/jcrsj.53.274
  • NAID: 10029532150
  • ISSN: 0369-4585, 1884-5576
  • 査読あり
• [学会発表] Skyrmion Formation and Topological Transport Phenomena in B20-type Transition-Metal Germanides (2013)
  • 著者名/発表者名: Naoya Kanazawa
  • 学会等名: Telluride Workshop 2013 on Physics of Emergent Correlated Materials
  • 発表場所: Telluride, USA
  • 年月日: 2013-06-03
  • 招待講演
• [学会発表] B20型カイラル結晶におけるスカーミオン形成とトポロジカルホール効果 (2013)
  • 著者名/発表者名: 金澤 直也
  • 学会等名: 第4回低温センター研究交流会
  • 発表場所: 東京大学小柴ホール、東京
  • 年月日: 2013-03-07
• [学会発表] Skyrmion-lattice formation and topological Hall effect in the B20 chiral-lattice magnet MnGe (2013)
  • 著者名/発表者名: N. Kanazawa, J. -H. Kim, D. S. Inosov. J. S. White, N. Egetenmeyer, J. L. Gavilano, S. Ishiwata, Y. Onose. T. Arima, B. Keinter, and Y. Tokura
  • 学会等名: QS2C Theory Forum: International Synposium on"Strongly Correlated Quantum Science
  • 発表場所: 伊藤国際学術研究センター、東京
  • 年月日: 2013-01-27
• [学会発表] MnGeにおける3次元スカーミオン結晶とトポロジカル物性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 金澤 直也
  • 学会等名: 日本学術会議シンポジウム"物性物理学・一般物理学の未来を語る"
  • 発表場所: 日本学術会議講堂.東京
  • 年月日: 2013-01-15
• [学会発表] Skyrmion-Lattice Formation and Topological Hall Effects in the B20 Chi ral-Lat t ice Magne t MnGe (2012)
  • 著者名/発表者名: Naoya Kanazawa
  • 学会等名: GCOE International Symposium on Physical Sciences Frontier (招待)
  • 発表場所: 東京大学武田先端知ビル、東京(招待)
  • 年月日: 2012-12-08
• [学会発表] MnGeにおける3次元スカーミオン結晶とトポロジカル物性 (2012)
  • 著者名/発表者名: 金澤 直也
  • 学会等名: CMRC研究会 ¨ARPES,中性子散乱,μSRを用いた強相関系研究の最近の発展"(招待)
  • 発表場所: KEKつくばキャンパス、茨城(招待)
  • 年月日: 2012-12-07
• [学会発表] B20型カイラル結晶MnGeにおけるスカーミオン形成とトポロジカルホール効果 (2012)
  • 著者名/発表者名: 金澤直也, Junghwa Kin, Dmytro S. Inosov, JonathainS. White, Nikola Egetenmeyer, Jorge L.Gavilano,石渡晋太郎,小野瀬 佳文,有馬孝尚, Bernhard , Keiler,十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会
  • 発表場所: 広島大学、広島
  • 年月日: 2012-03-29
• [学会発表] Formation and dynamics of Skyrmions in B20-type chiral magnets (2012)
  • 著者名/発表者名: Naoya Kanazawa
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2012
  • 発表場所: アメリカ合衆国・ボストン(招待講演)
  • 年月日: 2012-03-02
• [学会発表] Large topological Hall effect in a short-period belimagnet MnGe (2012)
  • 著者名/発表者名: N.Kanazawa, Y.Onose, T.Arima, D.Okuyama, K.Ohoyama, S.Wakimoto, K.Kakurai, S.Ishiwata, Y.Tokura
  • 学会等名: The 2nd ASRC International Workshop on
  • 発表場所: 日本・茨城県
• [学会発表] Large topological Hall effect in a short-period helimagnet MnGe (2011)
  • 著者名/発表者名: N.Kanazawa, Y.Onose, Y.Shiomi, S.Ishiwata, Y.Tokura
  • 学会等名: FIRST-QS2C Workshop on
  • 発表場所: 日本・沖縄県
• [備考]
  • URL: http://www.cmr.t.u-tokyo.ac.jp/members/kanazawa.shtml
• [備考]
  • URL: http://www.cmr.t.u-tokyo.ac.jp/members/kanazawa.shtml
• [備考]
  • URL: http://www.cmr.t.u-tokyo.ac.jp/members/kanazawa.shtml
• [産業財産権] スキルミオン駆動方法およびマイクロ素子 (2012)
  • 発明者名: 于 秀珍, 十倉 好紀, 金澤 直也, 小野瀬 佳文
  • 権利者名: (独)理化学研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2012-10-19
• [産業財産権] スキルミオン駆動方法およびマイクロ素子 (2012)
  • 発明者名: 于秀珍, 十倉好紀, 金澤直也, 小野瀬佳文
  • 権利者名: (独)理化学研究所
  • 産業財産権番号: 2012-232324
  • 出願年月日: 2012-10-19