スカーミオン格子相におけるトポロジカルマグノンの探索

• 研究課題/領域番号: 17K18744
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 物性物理およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 佐藤 卓 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70354214)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2018年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2017年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
• キーワード: magnetic skyrmion / neutron scattering / small angle scattering / inelastic scattering / topological magnon / 中性子非弾性散乱 / 磁気スカーミオン / マグノン / 物質探索 / 小角散乱 / 物性実験 / トポロジカルマグノン / トポロジー / スカーミオン

研究成果の概要

磁性体中のトポロジカルなスピンテクスチャーである磁気スカーミオン格子中では、磁気モーメントの集団運動であるマグノンがトポロジカルなバンドを形成することが理論的に予想されていた。本研究で我々はこのトポロジカルマグノンバンドの探索に挑戦した。最初に、Mn(Si,Ge)等の混晶系における物性パラメータの置換濃度依存性を調べトポロジカルマグノンバンド観測に適した系を確定した。続いて、中性子非弾性散乱を行いスカーミオン格子相に特徴的なエネルギー方向にブロードな磁気励起を観測した。この結果は理論予想とは異なるが、有限温度の磁気ダイナミクス計算を行うことにより幅の広がりが温度効果であることが示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

磁性体中に形成される磁気スカーミオンはその非自明なトポロジーに起因して外乱から保護された構造であると考えられるため、基礎科学の側面からだけでなく、スピントロニクス応用の観点からも興味が持たれている。本研究で我々は磁気スカーミオン中の準粒子マグノン（磁気モーメントの集団運動）に対してトポロジカルバンド形成の検証を行った。結果は予想されたものとは異なっていたが、磁気スカーミオン格子における有限温度のミクロな磁気ダイナミクスを明らかにしたという意味で基礎科学的に意義があると考える。

研究成果

• [国際共同研究] Oak Ridge National Laboratory/NIST(米国)
• [国際共同研究] ANSTO/University of Sydney(オーストラリア)
• [国際共同研究] Paul Scherrer Institute(スイス)
• [国際共同研究] Julich Center for Neutron Scattering/IFW(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Groningen(オランダ)
• [国際共同研究] Oak Ridge National Laboratory/NIST(米国)
• [国際共同研究] ANSTO/University of Sydney(オーストラリア)
• [国際共同研究] Julich Center for Neutron Scattering/IFW(ドイツ)
• [国際共同研究] Paul Scherrer Institute(スイス)
• [国際共同研究] University of Groningen(オランダ)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] Oak Ridge National Laboratory/NIST/University of Maryland(米国)
• [国際共同研究] Mahidol University/Phranakhon Rajabhat University(Thailand)
• [国際共同研究] ANSTO(Australia)
• [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] Whirling spin order in the quasicrystal approximant Au72Al14Tb14 (2019)
  • 著者名/発表者名: T. J. Sato, A. Ishikawa, A. Sakurai, M. Hattori, M. Avdeev, R. Tamura
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: VOL. 100 号: 5
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.054417
  • 査読あり / 国際共著
• [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] 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] Nonreciprocal Magnons in Noncentrosymmetric Magnets (2019)
  • 著者名/発表者名: Sato Taku J、Matan Kittiwit
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 号: 8 ページ: 081007-081007
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.081007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Triplon band splitting and edge states in the quantum dimer compound Ba2CuSi2O6Cl2 (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Nawa, K. Tanaka, N. Kurita, T. J. Sato, H. Sugiyama, H. Uekusa, S. Ohira-Kawamura, K. Nakajima, S. Itoh, K. Kuwahara, and H. Tanaka
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 印刷中 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10091-6
  • 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] Scaling of Memories and Crossover in Glassy (2017)
  • 著者名/発表者名: A. M. Samarakoon, M. Takahashi, D. Zhang, J. Yang, N. Katayama, R. Sinclair, H. D. Zhou, S. O. Diallo, G. Ehlers, D. A. Tennant, S. Wakimoto, K. Yamada, G-W.Chern, T. J. Sato, S.-H. Lee
  • 雑誌名: Magnets Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12187-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Topological magnetic textures and topological magnetic excitations (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 卓
  • 学会等名: The 20th Korea-Taiwan-Japan Symposium on Strongly Correlated Electron Systems
  • 国際学会 / 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] Triplon band splitting and topologically protected edge states in the dimerized antiferromagnet (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa,Kimihiko Tanaka,Nobuyuki Kurita,Taku J Sato,Haruki Sugiyama,Hidehiro Uekusa,Seiko Ohira-Kawamura,Kenji Nakajima,Hidekazu Tanaka
  • 学会等名: The 3rd Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering 2019 (AOCNS 2019)
  • 国際学会
• [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] 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] Magnetic structures of quasicrystal approximants (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 卓
  • 学会等名: Interdisciplinary Symposium for Quasicrystals and Strongly Correlated Electron Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological Magnetic Textures and Excitations (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 卓
  • 学会等名: INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED MATERIAL TECHNOLOGY IN CONJUNCTION WITH INTERNATIONAL CONFERENCE OF MULTIDISCIPLINARY RESEARCH 2019 (ICAMT-ICMR 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum condensed matter & WAND2 University users (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 卓
  • 学会等名: WAND2「Complementarity and Synergy effects with the JRR3 Instrument Suite」
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum magnetism and topological magnetic structures (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 卓
  • 学会等名: International School of Crystallography 53rd Course: Magnetic Crystallography
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological triplon band and edge states in the spin dimer antiferromagnet Ba2CuSi2O6Cl2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa, Kimihiko Tanaka, Nobuyuki Kurita, Taku J Sato, Haruki Sugiyama, Hidehiro Uekusa, Seiko Ohira-Kawamura, Kenji Nakajima, and Hidekazu Tanaka
  • 学会等名: The 2nd Asia Pacific Workshop on Quantum Magnetism
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 反転対称性の破れた磁性体中のマグノン非相反性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 卓
  • 学会等名: 磁性材料研究会
  • 招待講演
• [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] Ga-Pd-Tb系Tsai型近似結晶の形成と磁性III (2018)
  • 著者名/発表者名: 高木強平, 肖英紀, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [学会発表] Au-Al-Tb 近似結晶の磁気構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐藤卓, 石川明日香, 櫻井晶, Maxim Avdeev, 田村隆治
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [学会発表] S=1/2異方的三角格子反強磁性体Cs2CuCl4の非弾性中性子散乱による磁気励起測定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 村崎遼, 那波和宏, 中島健次, 河村聖子, Tao Hong, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [学会発表] MAGNETIC SKYRMIONS: THERMAL STABILITY,KINETICS AND ELECTRIC-CURRENT EFFECT (2018)
  • 著者名/発表者名: Taku J. Sato
  • 学会等名: XVII International Small Angle Scattering Conference - SAS2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [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, J. D Reim, 東大樹, 南部雄亮, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [学会発表] 中性子散乱による Al-Al-Yb の量子臨界磁気揺動観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐藤卓, 米山祐樹, 廣川慎之介, 出口和彦, 佐藤憲昭, 益田隆嗣, 松浦直人, 柴田薫
  • 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: Reim, Johannes D., Makino, Koya., Higashi, Daiki., Okuyama, Daisuke., Sato, Taku J.,Nambu, Yusuke. Gilbert, Elliot P., Booth, Norman., Seki, Shinichiro., Tokura, Yoshinori
  • 学会等名: International Conference on Magnetism 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Neutron diraction study and theoretical analysis of the antiferromagnetic order and diuse scattering in the layered Kagome system CaBaCo2Fe2O7 (2018)
  • 著者名/発表者名: J. D. Reim, E. Ros en, O. Zaharko, M. Mostovoy, M. Valldor, T. J. Sato, W. Schweika
  • 学会等名: International Conference on Highly Frustrated 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] Nonreciprocal Magnons in Noncentrosymmetric Magnets (2018)
  • 著者名/発表者名: Taku J Sato
  • 学会等名: ISSP Workshop Present and Future of Neutron Scattering Research on Condensed Matter Physics - Future Perspective of US-Japan Cooperative Program on Neutron Scattering
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] パイロクロア格子反強磁性体Na3T(CO3)2Cl（T = Co，Mn）の磁化過程 (2018)
  • 著者名/発表者名: 那波和宏, 野尻浩之, 奥山大輔, Maxim 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73回年次大会
• [学会発表] Ga-Pd-Tb系Tsai型近似結晶の形成と磁性II (2018)
  • 著者名/発表者名: 高木強平, 肖英紀, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] Magnons in Noncentrosymmetric Magnets (2017)
  • 著者名/発表者名: Taku Sato
  • 学会等名: Gordon Research Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] THERMAL STABILITY AND SLOW DYNAMICS OF THE SKYRMION-LATTICE PHASES IN CU2OSEO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Taku J Sato
  • 学会等名: MATERIALS RESEARCH SOCIETY-INDONESIA CONFERENCE AND CONGRESS 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [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
  • 国際学会
• [学会発表] Phase stability and higher order peaks of the skyrmion lattice in Cu2OSeO3 International Conference on Neutron Scattering 2017 (2017)
  • 著者名/発表者名: Johannes D. Reim, Koya Makino, Daiki Higashi, Yusuke Nambu, Daisuke Okuyama, Taku J. Sato, Elliot P. Gilbert, Norman Booth, Shinichiro Seki, Yoshinori Tokura
  • 学会等名: International Conference on Neutron Scattering 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
  • 国際学会
• [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: 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: 日本物理学会2017年度秋季大会
• [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] フラストレーションの強いS=1スピンダイマー磁性体Ba2NiSi2O6Cl2における磁気励起 (2017)
  • 著者名/発表者名: 栗田伸之, 那波和宏, 佐藤卓, 河村聖子, 中島健次, 田中秀数
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] 擬2次元量子スピンダイマー系Ba2CuSi2O6Cl2の磁気励起 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田中公彦, 栗田伸之, 那波和宏, 佐藤卓, 河村聖子, 中島健次, 桑原慶太郎, 伊藤晋一, 田中秀数
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] 非弾性中性子散乱を用いた梯子型鉄系化合物 BaFe2Se3 の磁性に対する研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 羽合孝文, 南部雄亮, 大串研也, Barry Winn, V. Ovidiu Garlea, Melissa Graves-Brook, Igor Zaliznyak, 伊藤晋一, 横尾哲也, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [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年秋季大会
• [学会発表] フラストレーションの強いS=1スピンダイマー磁性体Ba2NiSi2O6Cl2における局在励起 (2017)
  • 著者名/発表者名: 栗田伸之, 那波和宏, 佐藤卓, 河村聖子, 中島健次, 田中秀数
  • 学会等名: 日本中性子科学会第17回年会
• [備考] QSPL, IMRAM, Tohoku University
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/sato_tj/
• [備考] 東北大学多元物質科学研究所 スピン量子物性研究分野
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/sato_tj/