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新機構に基づく世界最小のスキルミオンを伴う物質の開拓とダイナミクスの解明

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ1061
補助金の研究課題番号 22J21430 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
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

吉持 遥人  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2024年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードスキルミオン / 物質探索 / 磁気共鳴
研究開始時の研究の概要

スキルミオンと呼ばれるスピンの渦構造が、次世代情報担体の候補として注目されている。本研究では、近年提唱された、遍歴電子が媒介する相互作用による新しいスキルミオン形成機構に着目し、このような新機構が最も有効に作用するような候補物質を集中的に開拓することで、スキルミオン径の世界最小記録を更新する新物質の発見を目指す。さらに、このような極小サイズのスキルミオンはピコ秒スケールの超高速外場応答が期待され、時間分解磁気光学イメージング法によって、極小スキルミオンの超高速ダイナミクスを観測する。本研究を通じて、スキルミオンの超高密度・超高速制御可能な情報担体としてのポテンシャルを明らかにする。

研究実績の概要

本年度の研究業務では、近年提唱された新しいトポロジカル磁気構造の形成機構である、遍歴電子が媒介する相互作用に基づく機構に着目した。特に、前年度の研究業務で発見した極小サイズの多彩なトポロジカル磁気構造における外場制御を試みた。
1点目に、前年度の研究期間で発見した正方晶物質GdRu2Ge2における研究成果を論文としてまとめ、自身を筆頭著者として国際誌Nature Physicsにて発表した。本論文では、中性子散乱実験及び共鳴X線散乱実験に基づく詳細な磁気構造解析によって、本物質では楕円形スキルミオンやメロン-アンチメロン対、円形スキルミオンを含む直径2.7 nmのナノサイズの多彩なトポロジカル磁気粒子が実現していることを発見した。その上、遍歴電子が媒介する相互作用に基づく理論計算によって、これらの多彩なトポロジカル磁気粒子の形成機構を突き止めた。本成果は極小サイズのスキルミオンを実現するための新しい物質開拓指針を打ちたてる重要な成果であると考えている。
2点目に、上記で発見したGdRu2Ge2を対象として磁気相図の磁場角度依存性を測定したところ、面内磁場に対するメロンアンチメロン対の安定性が非常にロバストであることを発見した。本結果は、理論計算によっても精度良く再現されており、弱い面内磁場によって極小サイズのスキルミオンとメロン-アンチメロン対の間を自在に制御できることを明らかにした。
3点目に、空間反転対称な新規物質を対象として、トポロジカル磁気構造の探索を行った。磁化・電気輸送測定の結果、トポロジカルホール効果が発現していることを明らかにした。本物質に対して中性子散乱実験を行ったところ、トポロジカルホール効果に対応する領域で、複数方向のらせんの重ね合わせであるmulti-Q磁気構造が発現していることが明らかとなった。今後共鳴X線散乱実験によって磁気構造の同定を行う予定である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまでの研究によって、正方晶物質GdRu2Ge2において楕円形スキルミオンやメロン-アンチメロン対、円形スキルミオンを含む直径2.7 nmのナノサイズの多彩なトポロジカル磁気粒子が実現していることを発見した。本成果は極小サイズのスキルミオンを実現するための新しい物質開拓指針を打ちたてる画期的な成果であると考えており、今後の更なる磁気スキルミオン物質の探索に大いに寄与すると期待される。
さらに本物質を元に、極小サイズのスキルミオンとメロン-アンチメロン対の間を自在に制御できることを明らかにしている。本研究は、多彩なトポロジカル磁気構造の情報担体としてのポテンシャルを解明する重要な成果であると考えられる。

今後の研究の推進方策

本年度の研究では、上述したような正方晶物質における多彩なトポロジカル構造の制御に加え、新たなトポロジカル磁気構造の候補物質を発見している。今後は中性子散乱実験や共鳴X線散乱実験等によって、詳細な磁気構造の同定を進めるほか、理論家との共同研究によって、微視的な起源の解明と物質設計指針の確立を目指す。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 4件)

  • [国際共同研究] Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY/University of Hamburg(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Paul Scherrer Institute/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(スイス)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Paul Scherrer Institute (PSI)/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(スイス)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Multistep topological transitions among meron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet2024

    • 著者名/発表者名
      Yoshimochi H.、Takagi R.、Ju J.、Khanh N. D.、Saito H.、Sagayama H.、Nakao H.、Itoh S.、Tokura Y.、Arima T.、Hayami S.、Nakajima T.、Seki S.
    • 雑誌名

      Nature Physics

      巻: Advance online publications 号: 6 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1038/s41567-024-02445-9

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Multi-step topological phase transitions among meron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet2024

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshimochi、R. Takagi、J. Ju、Nguyen D. Khanh、H. Saito、H. Sagayama、H. Nakao、S. Itoh、Y. Tokura、T. Arima、S. Hayami、T. Nakajima、S. Seki
    • 学会等名
      International Symposium in Quantum Electronics
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Multi-step topological phase transitions among meron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet2024

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshimochi、R. Takagi、J. Ju、Nguyen D. Khanh、H. Saito、H. Sagayama、H. Nakao、S. Itoh、Y. Tokura、T. Arima、S. Hayami、T. Nakajima、S. Seki
    • 学会等名
      CEMS Symposium in Emergent Quantum Materials 2024
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 空間反転対称な正方晶スキルミオン物質GdRu2Ge2における磁気相図の磁場角度依存性2023

    • 著者名/発表者名
      吉持遥人、高木里奈、Nguyen D. Khanh、速水賢、関真一郎
    • 学会等名
      日本物理学会2023年秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 空間反転対称な正方晶スキルミオンホストGdRu2(Si, Ge)2における新規相の発見と磁性の考察2023

    • 著者名/発表者名
      松山直史、野村肇宏、速水賢、加藤康之、吉持遥人、Nguyen D. Khanh、高木里奈、十倉好紀、関真一郎、小濱芳允
    • 学会等名
      日本物理学会2023年秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Multiple-step topological phase transitions among meron-anti-meron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet2023

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshimochi、R. Takagi、J. Ju、Nguyen D. Khanh、H. Saito、H. Sagayama、H. Nakao、T. Arima、Y. Tokura、S. Hayami、T. Nakajima、S. Seki
    • 学会等名
      APS March Meeting 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [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
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Multiple-step topological phase transitions in a centrosymmetric tetragonal magnet GdRu2Ge22022

    • 著者名/発表者名
      . Yoshimochi、R. Takagi、J. Ju、S. Hayami、Nguyen D. Khanh、H. Saito、H. Sagayama、H. Nakao、T. Arima、Y. Tokura、T. Nakajima、S. Seki
    • 学会等名
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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