| 研究課題/領域番号 |
17H02924
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
望月 維人 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80450419)
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| 研究分担者 |
古川 信夫 青山学院大学, 理工学部, 教授 (00238669)
竹内 祥人 青山学院大学, 理工学部, 助教 (80738328)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 磁性 / スキルミオン / トポロジカル / マイクロ波応答 / スピントロニクス / エレクトロマグノン / 負熱膨張 / DM相互作用 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は、傾斜磁場下の薄膜・薄片試料中の磁気スキルミオンが示すマイクロ波現象について研究した。具体的には、（１－１）強磁性磁気二層細線にマイクロ波交流ゲート電圧を印加することで、DM相互作用を動的に変調し、孤立スキルミオンのブリージング振動を励起できることと、それによりホール効果を伴わない並進運動が駆動できることを発見した。この現象は、スキルミオンのメモリ応用における大きなブレイクスルーとなり得る。（１－２）傾斜定常磁場下のキラル磁性体の薄膜・薄片試料にマイクロ波を照射することで、スキルミオン結晶の並進運動を駆動できることを理論的に発見し、その挙動や性質について調べた。照射するマイクロ波の周波数がスピン波モードの共鳴周波数に一致する時に運動速度が極大を示すことや、並進運動の方向や速さが、励起するモードの種類やマイクロ波偏光に依存することを見出した。
その他、磁性体に現れる新規な磁気テクスチャの研究において次のような成果を得た。（２－１）典型的なスパイラル磁性強誘電体TbMnO3において、圧力下で現れる新規な磁気強誘電相がテラヘルツ帯で巨大なエレクトロマグノン励起を示すことをパリ大学の実験グループと共同で明らかにし、その励起メカニズムを解明した。この成果はテラヘルツ波デバイス応用へ繋がることが期待される。（２－２）Y型ヘキサフェライト強磁性体中に「ミスフィット型ブロッホライン」と呼ばれる新しい磁壁構造が発現することを、国内の実験グループと共同で明らかに、磁気異方性と磁気双極子相互作用に由来する発現機構を解明した。（２－３）1958年の発見以来謎となっていた「Γ5g型反強磁性秩序に由来する逆ペロフスカイト型マンガン窒化物の巨大な負熱膨張現象」の機構を理論的に解明した。さらに、その機構が高い普遍性を持つことに気が付き、同じ機構によって負熱膨張が起こり得る結晶構造を予言・提案した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本年度計画は、「トポロジカル磁気テクスチャが示す特異な集団励起・共鳴励起のモードを理論的に磁化の時空間ダイナミクスを調べることで明らかにすること」と、「これらの励起モードに由来する光やマイクロ波領域でみられる非平衡現象やデバイス機能を探索・解明すること」であった。上記の研究実績の概要で述べた研究成果は、これらの計画を完全に履行したものとなっている。その上で、スキルミオンのマイクロ波励起モードが示すダイナミクスから直流起電力を取り出せる「トポロジカル磁気テクスチャを使ったマイクロ波-直流電圧変換現象」と言うべき新しい現象・機能を発見し、その研究に着手、プレリミナリーな研究成果を上げるなど、当初の目論見を超えた新しい方向にも研究が大きく展開している。また、ヘキサフェライト強磁性体における「ミスフィット型ブロッホライン」や、テルビウムマンガン酸化物の「圧力下磁気強誘電相」など、これまで知られていなかった新しいトポロジカル磁気テクスチャや機能性非共線磁気構造を、国内外の実験研究者と共同研究で発見し、そのは発現機構や物性機能を明らかにするなど、新たな研究対象と研究課題の開拓に成功している。これらは、研究計画立案当時にはまったく予想していなかった新規で重要な展開であり、次のステップへ繋がるシーズである。以上の理由により、本研究課題の初年度における進捗は、当初の計画をはるかに超えたものであると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究期間最後の1年である2019年度は、磁気スキルミオンに代表されるトポロジカル磁気テクスチャの非平衡ダイナミクス現象について、これまでの研究を深化させると同時に、新たな研究の方向性として光励起によるトポロジカル磁気構造生成・制御やトポロジカル磁気相転移の研究に取り組む。
前者の研究テーマでは、（１）2018年度の研究で発見した「傾斜磁場中の磁気スキルミオン結晶を利用したマイクロ波-直流電圧生成現象」について、さらに研究を進める。（２）ラシュバスピン軌道相互作用を持つ磁気二層系において交流ゲート電圧によりDM相互作用を変調する現象の解析的理論を構築し、その基礎学理を確立する。（３）円偏光マイクロ波照射によるスキルミオン生成の可能性を探索し、その基礎理論を確立する。（４）「スピン軌道トルク」を利用した駆動現象・技術を理論的に研究する。磁性体中の非共線的磁気構造を電流印加により駆動するメカニズムとして「スピン移行トルク機構」が良く知られているが、スピン軌道トルク駆動における、駆動速度の電流密度依存性、不純物によるピン留め効果、ホール効果の有無について理論的に解明する。
後者の研究テーマでは、トポロジカル絶縁体や近藤格子系、ラシュバ電子系に円偏光を照射して実現する、トポロジカル相転移、トポロジカル磁気構造の発現、磁性が持つトポロジーのダイナミクスを理論的に調べる。その手法として、磁化の時間発展方程式であるLLG方程式や、時間依存シュレジンガー方程式の数値解法、フロッケ理論を用いた解析的理論を駆使する。これにより、実験の進歩が著しい光による磁性制御の基礎学理と技術基盤の確立を目指す。
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