研究課題
本年度は、共鳴軟X線小角散乱による外場下での磁気スキルミオンの観測、及びコヒーレント軟X線回折による磁気テクスチャの実空間イメージングに関する研究を進めた。絶縁体であり磁気スキルミオンが発現するカイラル磁性体Cu2OSeO3においては電場を印加した状態で磁気散乱を観測することを試み、磁気スキルミオン相とらせん磁気相の間で電場誘起磁気相転移が発現することを確認した。さらに、電場を印加するために取り付けた電極の影響によって新たな磁気構造が発現することを発見した。試料を冷却すると試料と基板の間で熱収縮率が異なるため、試料を固定した電極間で試料に引っ張りの応力が印加されることになる。Cu2OSeO3では一軸の加圧によって磁気相転移が起きることが観測されているが、引っ張り応力によってらせん磁気構造の変調ベクトルが電極間方向に向いて安定化することが見られた。この状況で磁場を印加すると、通常は磁気スキルミオンが発現するのに対して、本実験では磁気カイラルソリトン格子が発現することを見出した。磁気カイラルソリトン格子は、磁場を印加するのに伴って磁気変調ベクトルが減少し、磁気モーメントの回転が孤立波となって等間隔に並んだ状態となる。そのような磁気構造が実現すると磁気散乱では高次反射が観測されるが、その理論計算値が実験で得られた値と一致したことから磁気カイラルソリトン格子の発現を実証することができた。また、コヒーレントな軟X線を用いて計測された回折から位相回復アルゴリズムによって磁気スキルミオンの実空間像を観測することにも成功した。磁気スキルミオンが室温に近い温度から発現するFeGeを薄片に加工し、低対称なアパーチャー上に固定した試料を準備し共鳴軟X線散乱を測定した。得られた回折図形を反復的フーリエ変換による位相回復アルゴリズムで解析し、20nm程度の空間分解能で実空間像を観測した。
1: 当初の計画以上に進展している
磁気テクスチャの外場制御に関しては、当初計画していた磁場、電場に加えて一軸応力に関しても実験的に観測することに成功し、コヒーレント軟X線回折イメージングについても当初の計画通りに研究開発が進展し、実際に磁気スキルミオンの観測を行うことができた。
これまでの研究成果から、外場を印加した状態での共鳴軟X線小角散乱による磁気テクスチャの観測、及びコヒーレント軟X線回折イメージングによる実空間観測の基本的な計測技術は完成した。今後は、測定対象を拡げると共に電流やマイクロ波などの外場印加下や、外場を印加しながらのコヒーレント軟X線回折イメージング手法を実施していく。これらの測定手法によって磁気スキルミオンが外場印加によって運動する様子などのダイナミクス現象を観測することを目指して行く。
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