研究課題
スカーミオンとは連続場中のトポロジカル欠陥であり、歴史的には非線形古典場の理論にその端を発する。2009 年にカイラル磁性体 MnSi のスピンテクスチャーとして観測されるに至り磁性物理学の中心的課題の一つとなった。磁気スカーミオンはトポロジカル保護という特異な性質を持つため、その生成や消滅の起原から情報伝達応用までの広い範囲で大きな注目を集め、現在精力的に研究が進められている。これまでの研究から磁気スカーミオンは長周期磁気構造を基底状態にもつ種々の磁性体において有限磁場・有限温度で形成されることがわかっており、熱揺らぎにより形成するトポロジカルスピン構造であると理解されている。一方で、量子磁性体中においては従来型の熱力学的な磁気スカーミオンとは異なる量子力学的準粒子としてのスカーミオンを考えることができる。本研究の目的は磁場中超高エネルギー分解能中性子散乱を駆使し量子スカーミオンを実験的に発見することである。初年度である2019年度においては、上述の超高エネルギー分解能中性子非弾性散乱を可能にする単結晶試料育成に挑戦した。対象候補物質としてはこれまでによく研究されているCu2OSeO3を選択したが、化学気相成長法による試料育成では、かなり育成条件を振っても cm サイズの結晶は得られないことが確認された。一方、研究計画にはもう一つの道筋として量子性の強いスカーミオン候補物質の探索も挙げていたが、この方向には Ce-V-Ge 金属間化合物、Yb-(Ni,Ru)-(Al,Ge) 金属間化合物等の六方晶化合物の合成とそのバルク物性測定を行った。この中で Yb 化合物についてはすでに予備的な中性子回折実験を行いab面内に変調ベクトルを持つ長距離磁気構造を確認するなど、量子スカーミオン形成の可能性を示唆する結果を得ることができた。
2: おおむね順調に進展している
研究実績の概要に記したとおり、既知の候補物質である Cu2OSeO3 単結晶育成に関しては否定的な結果に至っている。また、初年度に計画していた精密磁場制御試料セル開発に関しては対象試料の変更の可能性から現時点ではまだ進めていない。一方で、Yb 含有六方晶金属間化合物において低温長周期磁気構造を発見したことは極めて大きな進展と言える。また、MnSi トーピング系等の研究が進展したことも、今後の最低温スカーミオン相発見につながるものとして大いに期待できる進展である。総合すると当初の予定とは少し異なる進展を見せているが、挑戦的研究という側面から鑑みるに研究計画での想定範囲と考えられるため、平均としては順調に進展していると判断する。
2020年度はさらに物質探索を進め、より適当な量子スカーミオン候補物質を見出す。特に量子性の強い希土類元素（Ce, Yb等）を含有する六方晶化合物にターゲットを絞り、さらなる物質開発・探索を進める。また、2019年度の予備中性子回折実験から可能性が示唆されたYb化合物に関しては、磁場中での磁気測定および中性子回折を進めることで量子スカーミオンの形成を探る。MnSi ドーピング系に関しては、特にMn(Si,Ir) に関してその低温物性をバルク磁化測定を用いて詳細に調べ、低温での新たなスカーミオン相形成の可能性を探る。これらの結果候補物質を一つに絞り、それに対応した試料環境を開発することが2020年度の推進方策となる。なお、現時点で最も大きな問題は新型コロナ感染症の拡大による研究活動の停滞である。現時点で大学実験室での実験も不可能になり、2020年度前半の実験研究は大きく制限されるものと想像される。また、中性子散乱実験に関しては海外施設の利用が極めて重要であるが、海外渡航が再開できる目処は立っていない。そこで、現時点では、これまでに得られたデータの解析や候補物質のデータベースを用いた探索に主軸を置くことで、できるだけ研究停滞を避ける所存である。
研究実績の概要に記したとおり、当初量子スカーミオン実験対象候補物質として想定していた既知物質Cu2OSeO3の単結晶育成が否定的な結果となった一方で、新物質として大きな可能性が考えられるYb金属間化合物が発見された。当初研究計画にて初年度設計製作予定であった精密磁場制御試料セルはCu2OSeO3を想定したものであり、Yb 化合物等の新候補物質に対しては、その物性を精密に測定した後に再設計を行う必要がある。そこで、次年度繰越として2020年度に物性測定の後に設計製作を行うこととした。
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Physical Review Materials
巻: 3 ページ: 104408-1-9
10.1103/PhysRevMaterials.3.104408
