スキルミオン結晶を利用したマグノン伝搬制御

• 研究課題/領域番号: 21K13876
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 高木 里奈 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (50742417)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 磁気スキルミオン / マグノン / スピン波分光 / ナノ周期構造

研究開始時の研究の概要

局在スピンの集団励起であるスピン波（マグノン）は新しい情報伝送媒体の候補であり、その伝搬特性の制御は応用に向けても重要な課題である。本研究課題では、磁気スキルミオンと呼ばれるナノスケールの渦状スピン構造体が自発的に形成するスキルミオン結晶に着目し、物質に内在するナノ周期構造を利用したマグノン伝搬の新しい制御法を開拓する。

研究成果の概要

物質中の多数の電子スピンの振動によって作られる波であるマグノンは、絶縁体中でも利用可能なジュール損失のない情報伝送媒体の候補であり、低消費電力デバイスへの応用が期待されている。本研究は、スキルミオンと呼ばれる微小なスピン渦が自発的に形成する「スキルミオン結晶」を用いたマグノン特性の制御を目的としている。スキルミオン結晶を伴うキラル磁性絶縁体において、マグノンモード混成に由来するギャップ構造の観測に成功した。さらに、極性磁性絶縁体のスキルミオン結晶相において磁気共鳴ダイナミクスの観測に成功し、観測したモードの周波数分布や選択則を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

物質中のトポロジカル欠陥の一種であるスキルミオンは、安定な粒子としての性質を持つことから磁気記録・演算のための新しい情報担体としての応用が見込まれている。電流による制御を目指す観点から、金属中でのスキルミオンのダイナミクスが盛んに研究されている。一方、絶縁体中ではマグノン制御にスキルミオンを活用できる可能性があり、本研究では、絶縁体中のスキルミオンを用いてマグノンモードを制御できることを実証し、その微視的な機構を明らかにした。これは、マグノン制御法の確立に向けた新しい切り口を与えるものと考えられ、さらにマグノン研究の舞台となりうるスキルミオン物質の開拓にも繋がることが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology/Technische Universitat Munchen/Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY(ドイツ)
• [国際共同研究] Paul Scherrer Institute (PSI)/EPFL(スイス)
• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology/Technische Universitat Munchen/Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY(ドイツ)
• [国際共同研究] Paul Scherrer Institute (PSI)/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(スイス)
• [雑誌論文] Rhombic skyrmion lattice coupled with orthorhombic structural distortion in EuAl4 (2023)
  • 著者名/発表者名: Gen Masaki、Takagi Rina、Watanabe Yoshito、Kitou Shunsuke、Sagayama Hajime、Matsuyama Naofumi、Kohama Yoshimitsu、Ikeda Akihiko、Onuki Yoshichika、Kurumaji Takashi、Arima Taka-hisa、Seki Shinichiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 2
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.l020410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum oscillations in the centrosymmetric skyrmion-hosting magnet GdRu2Si2 (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Matsuyama, T. Nomura, S. Imajo, T. Nomoto, R. Arita, K. Sudo, M. Kimata, N. D. Khanh, R. Takagi, Y. Tokura, S. Seki, K. Kindo, Y. Kohama
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 10 ページ: 104421-104421
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.104421
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct visualization of the three-dimensional shape of skyrmion strings in a noncentrosymmetric magnet (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Seki, M. Suzuki, M. Ishibashi, R. Takagi, N. D. Khanh, Y. Shiota, K. Shibata, W. Koshibae, Y. Tokura & T. Ono
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 21 号: 2 ページ: 181-187
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01141-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Zoology of Multiple‐Q Spin Textures in a Centrosymmetric Tetragonal Magnet with Itinerant Electrons (2022)
  • 著者名/発表者名: Khanh Nguyen Duy、Nakajima Taro、Hayami Satoru、Gao Shang、Yamasaki Yuichi、Sagayama Hajime、Nakao Hironori、Takagi Rina、Motome Yukitoshi、Tokura Yoshinori、Arima Taka‐hisa、Seki Shinichiro
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 9 号: 10 ページ: 2105452-2105452
  • DOI: 10.1002/advs.202105452
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Square and rhombic lattices of magnetic skyrmions in a centrosymmetric binary compound (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Takagi, N. Matsuyama, V. Ukleev, L. Yu, J. S. White, S. Francoual, J. R. L. Mardegan, S. Hayami, H. Saito, K. Kaneko, K. Ohishi, Y. Onuki, T. Arima, Y. Tokura, T. Nakajima, S. Seki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 1472-1472
  • DOI: 10.1038/s41467-022-29131-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hybridized magnon modes in the quenched skyrmion crystal (2021)
  • 著者名/発表者名: Takagi Rina、Garst Markus、Sahliger Jan、Back Christian H.、Tokura Yoshinori、Seki Shinichiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 14 ページ: 144410-144410
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.144410
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Spontaneous topological Hall effect induced by non-coplanar antiferromagnetic order in intercalated van der Waals materials CoTa3S6 and CoNb3S6 (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Takagi, R. Takagi, S. Minami, T. Nomoto, K. Ohishi, M.-T. Suzuki, Y. Yanagi, M. Hirayama, N. D. Khanh, K. Karube, H. Saito, D. Hashizume, R. Kiyanagi, Y. Tokura, R. Arita, T. Nakajima, S. Seki
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Multi-step topological phase transitions among meron/antimeron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshimochi, R. Takagi, J. Ju, N. D. Khanh, H. Saito, H. Sagayama, H. Nakao, S. Itoh, Y. Tokura, T.-h. Arima, S. Hayami, T. Nakajima, and S. Seki
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 反転対称性を有する遍歴磁性体EuAl4における磁気異方性の制御とスキルミオン相の安定性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高木里奈、河野秀城、齋藤開、Jonathan White、Victor Ukleev、速水賢、中島多朗、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] 共鳴X線磁気散乱実験によるスキルミオン物質EuAl4の直方晶歪みと磁気構造の同時観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 厳正輝、高木里奈、鬼頭俊介、佐賀山基、関真一郎、有馬孝尚
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] 極性構造を持つ室温強磁性体Gd7Pt3におけるNeel型磁気スキルミオンの観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 池田直樹、高木里奈、Fehmi Sami Yasin、Licong Peng、星野学、橋爪大輔、十倉好紀、Xiuzhen Yu、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] カイラル強磁性体Co9Zn9Mn2におけるフォノンの非相反物性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 野村肇宏、X.-X. Zhang、高木里奈、軽部皓介、吉川明子、田口康二郎、十倉好紀、S. Zherlitsyn、小濱芳允、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] 遍歴磁性体EuAl4の磁気スキルミオン相における直方格子歪み (2022)
  • 著者名/発表者名: 厳正輝、高木里奈、渡辺義人、松山直史、小濱芳允、池田暁彦、車地崇、有馬孝尚、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 極性スキルミオン物質VOSe2O5における磁気共鳴モードの観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 荒木那巨、車地崇、十倉好紀、高木里奈、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 複数のスキルミオン相を生じる空間反転対称な正方晶物質GdRu2(Si1-xGex)2における磁気相図の全貌の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉持遥人、高木里奈、周芝苑、速水賢、Nguyen Duy Khanh、Seno Aji、齋藤開、Deepak Singh、Priya Baral、Leonie Spitz、Victor Ukleev、Jonathan White、Sonia Francoual、Jose R. L. Mardegan、佐賀山基、中尾裕則、有馬孝尚、十倉好紀、中島多朗、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 空間反転対称性の保たれたスキルミオン物質GdRu2Si2における量子振動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松山直史、野村肇宏、今城周作,野本拓也、有田亮太郎、須藤健太、木俣基、N.D.Khanh、高木里奈、十倉好紀、関真一郎、金道浩一、小濱芳允
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 空間反転対称性を有する磁性金属EuAl4における磁気スキルミオン格子相の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高木里奈
  • 学会等名: 中性子散乱研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 磁気スキルミオン格子の生成と構造制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高木里奈
  • 学会等名: 東京大学物性研究所凝縮系セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 磁性合金におけるスキルミオン結晶の生成と構造相転移 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高木里奈
  • 学会等名: 第５回未来材料セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Formation and Structural Phase Transition of Skyrmion Lattices in Centrosymmetric Magnetic Alloys (2022)
  • 著者名/発表者名: 高木里奈
  • 学会等名: 2022年度ナノ構造・物性ーナノ機能・応用部会合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 磁気スキルミオンストリングの３次元形状の観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 関真一郎、鈴木基寛、石橋未央、高木里奈、Nguyen Duy Khanh、塩田陽一、柴田基洋、小椎八重航、十倉好紀、小野輝男
  • 学会等名: 日本物理学会第７７回年次大会
• [学会発表] 異常ホール反強磁性体CoM3S6(M=Nb,Ta)の偏極中性子散乱による磁気構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高木寛貴、高木里奈、齋藤開、Nguyen Duy Khanh、大石一城、鬼柳亮嗣、野本拓也、見波将、鈴木通人、柳有起、平山元昭、軽部皓介、橋爪大輔、十倉好紀、有田亮太郎、中島多朗、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第７７回年次大会
• [学会発表] Identification of Topological Magnetic Spin Textures via Dierential Phase Contrast (2021)
  • 著者名/発表者名: Fehmi Yasin, Licong Peng, Rina Takagi, Naoya Kanazawa, Shinichiro Seki, Yoshinori Tokura, Xiuzhen Yu
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第７７回学術講演会
• [学会発表] トポロジカルな磁気構造を伴う新物質の開拓 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高木里奈
  • 学会等名: ISSP WOMEN'S WEEK 2021
  • 招待講演
• [学会発表] 空間反転対称性を有する遍歴磁性体EuAl4における磁気スキルミオン格子相の観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高木里奈、松山直史、Victor Ukleev、Le Yu、Jonathan S. White、Sonia Francoual、Jose R. L. Mardegan、金子耕士、大石一城、大貫惇睦、有馬孝尚、十倉好紀、中島多朗、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Multiple-Q spin textures in tetragonal itinerant magnet GdRu2Si2 (2021)
  • 著者名/発表者名: N. D. Khanh, T. Nakajima, S. Hayami, S. Gao, Y. Yamasaki, H. Sagayama, H. Nakao, R. Takagi, Y. Motome, Y. Tokura, T. Arima, S. Seki
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 量子ビームによる空間反転対称性を有するスキルミオン物質GdRu2Ge2の磁場誘起相の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 周芝苑、吉持遥人、高木里奈、Nguyen D. Khanh、齋藤開、佐賀山基、中尾裕則、有馬孝尚、十倉好紀、関真一郎、中島多朗
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 反転対称性を有するスキルミオン物質GdRu2(Si1-xGex)2 における多彩な磁気相と創発磁気輸送現象 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉持遥人、高木里奈、Ju Jiwon、Nguyen D. Khanh、齋藤開、佐賀山基、中尾裕則、有馬孝尚、十倉好紀、中島多朗、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Square and rhombic lattice of magnetic skyrmions in a centrosymmetric itinerant magnet (2021)
  • 著者名/発表者名: Rina Takagi
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Condensed Matter Physics 2021 (AC2MP2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 超高密度な磁気渦を示すシンプルな二元合金物質を発見－次世代磁気メモリへの応用に期待－
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-03-30-003
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/rtakagi