磁気構造のトポロジー・対称性に由来した新しいマグノン・熱輸送現象の開拓

• 研究課題/領域番号: 18H03685
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分13:物性物理学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学 (2019-2020); 国立研究開発法人理化学研究所 (2018)
• 研究代表者: 関 真一郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70598599)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 45,760千円 (直接経費: 35,200千円、間接経費: 10,560千円); 2020年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2019年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円); 2018年度: 30,290千円 (直接経費: 23,300千円、間接経費: 6,990千円)
• キーワード: スピントロニクス / マグノン / スキルミオン / トポロジー

研究成果の概要

近年、絶縁体中における新しい情報・エネルギー伝送媒体として、局在電子スピンの集団振動であるスピン波(マグノン)が大きな注目を集めている。本研究では、特殊なトポロジー・対称性を持つ「磁気スキルミオン」と呼ばれる渦状スピン構造に着目し、新しいマグノン輸送現象の実験的な開拓を行った。その結果、(1)マグノンのダイオード効果の観測、(2)フォノン（格子振動）のダイオード効果の観測、(3)新機構に由来した世界最小の直径のスキルミオンを生じる新物質の発見、(4)マグノンのホール効果の観測、といった成果を得ることに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来のエレクトロニクスで用いられてきた金属中の伝導電子とは異なり、絶縁体中のマグノンには「ジュール発熱に伴うエネルギー損失を生じない」という利点があり、その積極的な活用は、情報処理の高効率化に向けた切り札となる可能性を秘めている。また、マグノンやフォノンは絶縁体における熱流の主要な担い手としても知られており、今回発見されたマグノン・フォノンの非相反伝搬現象とその性能向上のための指針は、効率的な熱制御のための新しい基盤技術の開発につながることが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
• [国際共同研究] Karlsruher Institut Technologie/Hochfeld-Magnetlabor Dresden(ドイツ)
• [国際共同研究] Helmholtz-Zentrum Dresden- Rossendorf/TU-Dresden/University of Augsburg(ドイツ)
• [国際共同研究] University College London/Imperial College London(英国)
• [国際共同研究] Budapest University of Technology(ハンガリー)
• [国際共同研究] EPFL(スイス)
• [雑誌論文] Nonreciprocity of spin waves in the conical helix state (2021)
  • 著者名/発表者名: Ogawa N.、K?hler L.、Garst M.、Toyoda S.、Seki S.、Tokura Y.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 号: 8 ページ: 2022927118-2022927118
  • DOI: 10.1073/pnas.2022927118
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Imaging the coupling between itinerant electrons and localised moments in the centrosymmetric skyrmion magnet GdRu2Si2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasui Yuuki、Butler Christopher J.、Khanh Nguyen Duy、Hayami Satoru、Nomoto Takuya、Hanaguri Tetsuo、Motome Yukitoshi、Arita Ryotaro、Arima Taka-hisa、Tokura Yoshinori、Seki Shinichiro
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 5925-5925
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19751-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Particle-size dependent structural transformation of skyrmion lattice (2020)
  • 著者名/発表者名: Takagi R.、Yamasaki Y.、Yokouchi T.、Ukleev V.、Yokoyama Y.、Nakao H.、Arima T.、Tokura Y.、Seki S.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 5685-5685
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19480-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural analysis of high-pressure phase for skyrmion-hosting multiferroic Cu2OSeO3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishibori E.、Karatsu S.、Terakura C.、Takeshita N.、Kinoshita M.、Ishiwata S.、Tokura Y.、Seki S.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 20 ページ: 2011061-2011065
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.201106
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bloch Lines Constituting Antiskyrmions Captured via Differential Phase Contrast (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasin Fehmi S.、Peng Licong、Takagi Rina、Kanazawa Naoya、Seki Shinichiro、Tokura Yoshinori、Yu Xiuzhen
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 32 号: 46 ページ: 2004206-2004206
  • DOI: 10.1002/adma.202004206
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanometric square skyrmion lattice in a centrosymmetric tetragonal magnet (2020)
  • 著者名/発表者名: Khanh Nguyen Duy、Nakajima Taro、Yu Xiuzhen、Gao Shang、Shibata Kiyou、Hirschberger Max、Yamasaki Yuichi、Sagayama Hajime、Nakao Hironori、Peng Licong、Nakajima Kiyomi、Takagi Rina、Arima Taka-hisa、Tokura Yoshinori、Seki Shinichiro
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 15 号: 6 ページ: 444-449
  • DOI: 10.1038/s41565-020-0684-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Emergent topological spin structures in centrosymmetric cubic perovskite SrFeO3 (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Ishiwata, T. Nakajima, J. -H. Kim, D. S. Inosov, N. Kanazawa, J. S. White, J. L. Gavilano, R. Georgii, K. M. Seemann, G. Brandl, P. Manuel, D. D. Khalyavin, S. Seki, Y. Tokunaga, M. Kinoshita, Y. W. Long, Y. Kaneko, Y. Taguchi, T. Arima, B. Keimer, and Y. Tokura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 101 号: 13 ページ: 134406-134406
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.134406
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Propagation dynamics of spin excitations along skyrmion strings (2020)
  • 著者名/発表者名: Seki S.、Garst M.、Waizner J.、Takagi R.、Khanh N. D.、Okamura Y.、Kondou K.、Kagawa F.、Otani Y.、Tokura Y.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41467-019-14095-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Controlled transformation of skyrmions and antiskyrmions in a non-centrosymmetric magnet (2020)
  • 著者名/発表者名: L. Peng, R. Takagi, W. Koshibae, K. Shibata, K. Nakajima, T. Arima, N., Nagaosa, S. Seki, X. Z. Yu, Y. Tokura
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 15 号: 3 ページ: 181-186
  • DOI: 10.1038/s41565-019-0616-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Creation of magnetic skyrmions by surface acoustic waves (2020)
  • 著者名/発表者名: Yokouchi Tomoyuki、Sugimoto Satoshi、Rana Bivas、Seki Shinichiro、Ogawa Naoki、Kasai Shinya、Otani Yoshichika
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 15 号: 5 ページ: 361-366
  • DOI: 10.1038/s41565-020-0661-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phonon Magnetochiral Effect (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nomura, X.-X. Zhang, S. Zherlitsyn, J. Wosnitza, Y. Tokura, N. Nagaosa, S. Seki
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 122 号: 14 ページ: 145901-145901
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.145901
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Increased lifetime of metastable skyrmions by controlled doping (2019)
  • 著者名/発表者名: Birch M. T.、Takagi R.、Seki S.、Wilson M. N.、Kagawa F.、?tefan?i? A.、Balakrishnan G.、Fan R.、Steadman P.、Ottley C. J.、Crisanti M.、Cubitt R.、Lancaster T.、Tokura Y.、Hatton P. D.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 1 ページ: 014425-014425
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.014425
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Microwave Directional Dichroism Resonant with Spin Excitations in the Polar Ferromagnet GaV4S8 (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamura, S. Seki, S. Bordacs, A. Butykai, V. Tsurkan, I. Kezsmarki, and Y. Tokura
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 122 号: 5 ページ: 057202-057202
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.057202
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnon-photon coupling in the noncollinear magnetic insulator Cu 2 OSeO 3 (2019)
  • 著者名/発表者名: L. V. Abdurakhimov, S. Khan, N. A. Panjwani, J. D. Breeze, M. Mochizuki, S. Seki, Y. Tokura, J. J. L. Morton, and H. Kurebayashi
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 号: 14 ページ: 140401-140401
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.140401
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multiple-q non-collinear magnetism in an itinerant hexagonal magnet (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Takagi, J. S. White, S. Hayami, R. Arita, D. Honecker, H. M. Ronnow, Y. Tokura, S. Seki
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 4 号: 11 ページ: 3402-3402
  • DOI: 10.1126/sciadv.aau3402
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Uniaxial-stress Effects on Helimagnetic Orders and Skyrmion Lattice in Cu2OSeO3 (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Nakajima, V. Ukleev, K. Ohishi, H. Oike, F. Kagawa, S. Seki, K. Kakurai, Y. Tokura, T. Arima
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 87 号: 9 ページ: 094709-094709
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.094709
  • NAID: 210000134960
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Skyrmions in Centrosymmetric Magnets (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: Materials Research Society (MRS) Fall Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 磁気スキルミオンの物質設計と三次元ダイナミクス (2020)
  • 著者名/発表者名: 関 真一郎
  • 学会等名: ISSPワークショップ「量子物質研究の最近の進展と今後の展望」
  • 招待講演
• [学会発表] Coherent signal transfer along skyrmion strings (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: British-German WE-Heraeus-Seminar “Skyrmions in Magnetic Materials”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Propagating spin excitations along skyrmion strings (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Coherent signal transfer along skyrmion strings (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: The Future of Topological Materials, Princeton
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Coherent propagation of spin excitations along skyrmion strings (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: Magnonics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Coherent signal transfer along skyrmion strings (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: 第43回日本磁気学会学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 磁気スキルミオンの物質設計 (2019)
  • 著者名/発表者名: 関 真一郎
  • 学会等名: 第4回固体化学フォーラム研究会
  • 招待講演
• [学会発表] スキルミオンひもを用いた情報伝送 (2019)
  • 著者名/発表者名: 関 真一郎
  • 学会等名: 新学術領域研究「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」第4回領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Coherent signal transfer through skyrmion strings (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: International School on Spintronics and Korea-Japan Spintronics Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スキルミオンストリングを使った情報伝送 (2019)
  • 著者名/発表者名: 関 真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2019年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] Coherent signal transfer along skyrmion strings (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: Kavli ITS-APW-Tsinghua-RIKEN Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Skyrmions in Chiral Multiferroic Insulators (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: International Conference on Magnetism (ICM)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Coherent signal transfer through skyrmion strings (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: Sol-Skymag
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic skyrmions: Particles and Strings (2018)
  • 著者名/発表者名: 関 真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
  • 招待講演
• [備考] 東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻 / 総合研究機構 関研究室
  • URL: http://sekilab.net
• [備考] 磁気渦の新しい生成機構を発見 －磁気渦を情報担体とする磁気記憶素子の実現に期待－
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2018/20181117_1/