非平衡定常状態及び外場下における磁気スキルミオンの駆動機構解明

• 研究課題/領域番号: 17K14327
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 物性Ⅱ
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 奥山 大輔 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (30525390)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2018年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2017年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
• キーワード: 非平衡定常状態の物理 / 中性子散乱 / 磁気スキルミオン / 非平衡状態の物理 / 磁性

研究成果の概要

外部からのエネルギー供給があり非平衡定常状態にある磁気スキルミオン格子の駆動状態を明らかにすべく、電流下での中性子小角散乱を使った研究を開始した。電流中による試料からのジュール熱を起源とした熱勾配が十分小さい条件下で小角中性子散乱が可能となるセッティングを構築し、磁気スキルミオンの電流効果を調べた。その結果、磁気スキルミオン格子は閾電流密度1 MA/m2 という低電流密度を超えると三角格子を保ったまま駆動し、さらに試料端でのピニング効果により摩擦のような力を受け塑性変形を起こしつつ流動していると考えられる結果が得られた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

今回得られた研究結果より、外力によって駆動している磁気スキルミオン格子は試料端でのピニング効果により摩擦のような力を受け塑性変形を起こすことが分かった。駆動中の塑性変形はこれまで行われてきた磁気スキルミオン研究では考慮されず、薄膜や細線等のデバイスとして磁気スキルミオンを利用する際にバルク試料と異なった性質を示す一因になっているのではと予想する。本研究成果は磁気スキルミオンを使った記憶媒体などを実現するのに必要不可欠な新しい知見を示したため、本研究の波及効果は大きいと考えている。

研究成果

• [国際共同研究] NIST/ORNL(米国)
• [国際共同研究] PSI/EPFL(スイス)
• [国際共同研究] ANSTO(オーストラリア)
• [国際共同研究] NIST/ORNL(米国)
• [国際共同研究] PSI(スイス)
• [国際共同研究] ANSTO(Australia)
• [国際共同研究] NIST(米国)
• [国際共同研究] PSI(Switzerland)
• [雑誌論文] Effect of Ge substitution on magnetic properties in the itinerant chiral magnet MnSi (2019)
  • 著者名/発表者名: Aji Seno, Ishida Hidesato, Okuyama Daisuke, Nawa Kazuhiro, Hong Tao, Sato Taku J.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 3 号: 10 ページ: 104408-104408
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.3.104408
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Deformation of the moving magnetic skyrmion lattice in MnSi under electric current flow (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Okuyama, M. Bleuel, J.S. White, Q. Ye, J. Krzywon, G. Nagy, Z.Q. Im, I. Zivkovic, M. Bartkowiak, H.M. Ronnow, S. Hoshino, J. Iwasaki, N. Nagaosa, A. Kikkawa, Y. Taguchi, Y. Tokura, D. Higashi, J.D. Reim, Y. Nambu, T.J. Sato
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 2 号: 1 ページ: 79-79
  • DOI: 10.1038/s42005-019-0175-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 電流下における磁気スキルミオン格子の塑性変形 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔, 東大樹, 南部雄亮, 佐藤卓
  • 雑誌名: 波紋 巻: 29 ページ: 171-175
  • NAID: 130007949162
  • 査読あり
• [雑誌論文] Controlling the stoichiometry of the triangular lattice antiferromagnet Li1+xZn2-yMo3O8 (2019)
  • 著者名/発表者名: Sandvik Kim E.、Okuyama Daisuke、Nawa Kazuhiro、Avdeev Maxim、Sato Taku J.
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 271 ページ: 216-221
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2018.12.064
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal Structure in Quadrupolar Kondo Candidate PrTr2Al20 (Tr = Ti and V) (2019)
  • 著者名/発表者名: Okuyama Daisuke、Tsujimoto Masaki、Sagayama Hajime、Shimura Yasuyuki、Sakai Akito、Magata Atsushi、Nakatsuji Satoru、Sato Taku J
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 号: 1 ページ: 015001-015001
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.015001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Degenerate ground state in the classical pyrochlore antiferromagnet Na3Mn(CO3)2Cl (2018)
  • 著者名/発表者名: Nawa Kazuhiro、Okuyama Daisuke、Avdeev Maxim、Nojiri Hiroyuki、Yoshida Masahiro、Ueta Daichi、Yoshizawa Hideki、Sato Taku J.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 14
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.144426
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin Seebeck effect in the polar antiferromagnet α-Cu2V2O7 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, R. Takashima, D. Okuyama, G. Gitgeatpong, P. Piyawongwatthana, K. Matan, T. J. Sato, E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 号: 18 ページ: 180414-180414
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.180414
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thermal stability and irreversibility of skyrmion-lattice phases in Cu2OSeO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Makino, J. D. Reim, D. Higashi, D. Okuyama, T. J. Sato, Y. Nambu, E. P. Gilbert, N. Booth, S. Seki, Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 号: 13
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.134412
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of minute-time-scale kinetics on the stabilization of the skyrmion-lattice in Cu2OSeO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: J. D. Reim, K. Makino, D. Higashi, Y. Nambu, D. Okuyama, T. J Sato, E. P. Gilbert, N. Booth, S. Seki
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 828 ページ: 012004-012004
  • DOI: 10.1088/1742-6596/828/1/012004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Creating the hydrogen absorption capability of CeNi5 through the addition of Al (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Yamagishi, T. Kojima, S. Kameoka, D. Okuyama, T. J. Sato, C.i Nishimura, A. P. Tsai
  • 雑誌名: International J. Hydrogen Energy 巻: 42 号: 34 ページ: 21832-21840
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.07.072
  • 査読あり
• [学会発表] マルチフェロイック正方晶ペロブスカイトSr1/2Ba1/2MnO3の強誘電原子変位の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔,山内邦彦,酒井英明,田口康二郎,十倉好紀,杉本邦久,佐藤卓,小口多美夫
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会（2020年）, 名古屋
• [学会発表] 電流下における磁気スキルミオン格子の動力学 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔
  • 学会等名: 展開共同研究 B 及び小口中村研合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] カイラル磁性体Pr5Ru3Al2の中性子小角散乱 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔
  • 学会等名: 東北大金研-CROSSワークショップ「J-PARCとJRR-3の相補利用による偏極中性子科学の新展開」
• [学会発表] 電流中の磁気スキルミオン格子のダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔
  • 学会等名: 東北大金研-CROSSワークショップ「J-PARCとJRR-3の相補利用による偏極中性子科学の新展開」
  • 招待講演
• [学会発表] 量子ビームによる反転対称性が破れた磁性体の磁気的・電気的特性発現機構の解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔
  • 学会等名: 物質・デバイス領域共同研究拠点第9回活動報告会/平成30年度ダイナミック・アライアンス成果
  • 招待講演
• [学会発表] カイラル磁性体の電流効果に関する研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔,山内邦彦,小口多美夫,佐藤卓
  • 学会等名: 物質・デバイス領域共同研究拠点第9回活動報告会/平成30年度ダイナミック・アライアンス成果報告会
• [学会発表] 中性子散乱によるトポロジカル磁性の研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔,那波和宏,佐藤卓
  • 学会等名: 物質・デバイス領域共同研究拠点第9回活動報告会/平成30年度ダイナミック・アライアンス成果報告会
• [学会発表] Spatial Inhomogeneous Deformation of the Moving Magnetic Skyrmion Lattice in MnSi under Electric Current Flow (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Okuyama,M. Bleuel,J.S. White,Q. Ye,J. Krzywon,G. Nagy,Z.Q. Im,I. Zivkovic,M. Bartkowiak,H.M. Ronnow,S. Hoshino,J. Iwasaki,N. Nagaosa,A. Kikkawa,Y. Taguchi,Y. Tokura,D. Higashi,J.D. Reim,Y. Nambu,T.J. Sato
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES) 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic properties in the itinerant chiral magnet MnSi1-xGex (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Aji,H. Ishida,D. Okuyama,K. Nawa,T. Hong,S. Yano,T. J Sato
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 中性子回折による磁気スキルミオン格子の電流駆動観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔,山内邦彦,小口多美夫,佐藤卓
  • 学会等名: 第7回アライアンス若手研究交流会プログラム
• [学会発表] Plastic deformation of the moving magnetic skyrmion lattice in MnSi under electric current flow (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Okuyama,M. Bleuel,J.S. White,Q. Ye,J. Krzywon,G. Nagy,Z.Q. Im,I. Zivkovic,M. Bartkowiak,H. M. Ronnow,S. Hoshino,J. Iwasaki,N. Nagaosa,A. Kikkawa,Y. Taguchi,Y. Tokura,D. Higashi,J. D. Reim,Y. Nambu,T. J. Sato
  • 学会等名: The 3rd Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering 2019 (AOCNS 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 中性子回折による電流下の磁気スキルミオン格子の非平衡定常/非定常状態 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔,東大樹,南部雄亮,佐藤卓
  • 学会等名: 第19回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
• [学会発表] Absolute structure of α-Cu2V2O7 (2019)
  • 著者名/発表者名: Pharit Piyawongwatthana,Daisuke Okuyama,Kazuhiro Nawa,Kittiwit Matan,Taku J Sato
  • 学会等名: 日本物理学会2019秋季大会
• [学会発表] 立方晶カイラル磁性体Pr5Ru3Al2の磁気相図及び中性子小角散乱 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔,牧野晃也,J. D. Reim,E. P. Gilbert,N. Booth,大石一城,山内邦彦,小口多美夫,佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2019秋季大会
• [学会発表] 中性子非弾性散乱と放射光精密構造解析によるPrTr2Al20(Tr = Ti, V)の結晶構造特性と結晶場解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔, 辻本真規, 佐賀山基, 志村恭通, 酒井明人, 眞方篤史, O. Garlea, B. Weing, 中辻知, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] Magnetic properties in the itinerant chiral magnet MnSi1-xGex (2019)
  • 著者名/発表者名: Seno Aji, Hidesato Ishida, Daisuke Okuyama, Kazuhiro Nawa, Tao Hong, and Taku J Sato
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] PrTr2Al20 (Tr = Ti, V)の精密結晶構造と結晶場の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔, 辻本真規, 佐賀山基, 志村恭通, 酒井明人, 眞方篤史, 中辻知, 佐藤卓
  • 学会等名: 2018年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] Kinetics of the magnetic skyrmion lattice in MnSi under direct/alternating electric current (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Okuyama, M. Bleuel, Q. Ye, N. Nagaosa, A. Kikkawa, Y. Taguchi, Y. Tokura, J. D. Reim, Y. Nambu and T. J. Sato
  • 学会等名: The 2nd Symposium for World Leading Research Centers ‐ Materials Science and Spintronics ‐
  • 国際学会
• [学会発表] MnSi の定常/変動電流中の磁気スキルミオン格子ダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔, M. Bleuel, 永長直人, 吉川明子, 田口康二郎, 十倉好紀, 東大樹, J. D. Reim, 南部雄亮, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本中性子科学会 第18回年会
• [学会発表] MnSiにおける変動電流中の磁気スキルミオン格子のダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔, M. Bleuel, Q. Ye, P. Butler, 永長直人, 吉川明子, 田口康二郎, 十倉好紀, 東大樹, 南部雄亮, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2018年度秋季大会
• [学会発表] MnSiにおける電流中の磁気スキルミオン格子の塑性流動的な振る舞い (2018)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔, M. Bleuel, Q. Ye, P. Butler, 永長直人, 吉川明子, 田口康二郎, 十倉好紀, 東大樹, 南部雄亮, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2018年度秋季大会
• [学会発表] 歪んだカゴメ格子反強磁性体Yb3Ni11Ge4の磁気散漫散乱 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高橋満, 那波和宏, Matthias Frontzek, 奥山大輔, 吉田雅洋, 植田大地, 吉沢英樹, 野尻浩之, 佐藤卓, Maxim Avdeev
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] Stabilizing the Skyrmion Phase in Cu2OSeO3: The Influence of Field, Temperature and Time (2018)
  • 著者名/発表者名: Johannes D. Reim, Koya Makino, Daiki Higashi, Daisuke Okuyama, Taku J Sato, Yusuke Nambu, Elliot P. Gilbert, Norman Booth, Shinichiro Seki, Yoshinori Tokura
  • 学会等名: International Conference on Magnetism 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Degenerate ground state in classical pyrochlore antiferromagnet Na3Mn(CO3)2Cl (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa, Daisuke Okuyama, Maxim Avdeev, Hiroyuki Nojiri, Masahiro Yoshida, Daichi Ueta, Hideki Yoshizawa, and Taku J Sato
  • 学会等名: International Conference on highly Frustrated Magnetism 2018
  • 国際学会
• [学会発表] パイロクロア格子反強磁性体Na3T(CO3)2Cl(T=Co, Mn)における磁化過程 (2018)
  • 著者名/発表者名: 那波和宏, 野尻浩之, 奥山大輔, M. Avdeev, 吉田雅洋, 植田大地, 吉澤英樹, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
• [学会発表] パイロクロア格子反強磁性体Na3T(CO3)2Cl(T=Co, Mn)の磁性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 那波和宏, 奥山大輔, M. Avdeev, 野尻浩之, 吉田雅洋, 植田大地, 吉澤英樹, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本中性子科学会第17回年会
• [学会発表] MnSiで観測される磁気スキルミオン反射の回転とブロードニングの特異な電流密度及び温度依存性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 奥山大輔, M. Bleuel, Q. Ye, P. Butler, 星野晋太郎, 岩崎惇一, 永長直人, 吉川明子, 田口康二郎, 十倉好紀, 東大樹, 南部雄亮, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2017年度秋季大会
• [学会発表] Controlling the stoichiometry of the triangular lattice antiferromagnet Li1+xZn2-yMo3O8 (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Sandvik, K. Nawa, D. Okuyama, J. Reim, M. Avdeev, M. Matsuda, T. J. Sato
  • 学会等名: 日本物理学会2017年度秋季大会
• [学会発表] S=5/2パイロクロア格子反強磁性体Na3Mn(CO3)2Clの構造と磁性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 那波和宏, 奥山大輔, M. Avdeev, 野尻浩之, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2017年度秋季大会
• [学会発表] 歪んだ籠目格子系Yb3Ni11Ge4の構造と低温物性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋満, 那波和宏, 奥山大輔, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2017年度秋季大会
• [学会発表] Influence of path and time on the stabilization of the skyrmion-lattice phases in Cu2OSeO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: J. D. Reim, K. Makino, D. Higashi, D. Okuyama, T. J. Sato, Y. Nambu, E. P. Gilbert , N. Booth, S. Seki, Y. Tokura
  • 学会等名: 日本物理学会2017年度秋季大会
• [学会発表] Magnetic structure determined by small angle neutron and powder neutron scatterings in cubic chiral crystal Pr5Ru3Al2 (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Makino, D. Okuyama, M. Avdeev, K. Ohishi, K. Yamauchi, T. Oguchi, T. J. Sato
  • 学会等名: International Conference on Neutron Scattering 2017 (ICNS 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Phase stability and higher order peaks of the skyrmion lattice in Cu2OSeO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: J. D. Reim, K. Makino, D. Higashi, Y. Nambu, D. Okuyama, T. J. Sato, E. P. Gilbert, N. Booth, S. Seki, Y. Tokura
  • 学会等名: International Conference on Neutron Scattering 2017 (ICNS 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Helical magnetic structure in cubic chiral crystal Pr5Ru3Al2 (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Makino, D. Okuyama, M. Avdeev, K. Ohishi, K. Yamauchi, T. Oguchi, T. J. Sato
  • 学会等名: 24th Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography (IUCR2017)
  • 国際学会
• [備考] 流動中の磁気スキルミオン格子の変形挙動観測に成功
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/news_press/20190712/
• [備考] 若手研究者のタイトなつながりが、斬新な成果を生み出す
  • URL: http://five-star.tagen.tohoku.ac.jp/talk/talk_01.html