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本課題の目的は、中空球殻構造を有するナノ磁性体の磁気特性を理論的に解析し、その特異な磁気渦ダイナミクスを活用した新規な磁気デバイスをデザインすることにある。これまで合成に成功した各種の無機中空磁性体は、以下のような優れた操作性を示す。
光や圧力などの外場印加によって磁気特性が大きく変化する「高応答性」
原子配列構造・スピン渦構造をかなりの程度恣意的に構築できる「構造設計性」
すなわち中空球殻磁性体は、従来のバルク型磁性材料に比べ遙かに高い自由度を有しており、この柔軟性に基づく新規機能の発現・およびその操作性を活用した革新的なスイッチング素子の開発が期待できる。そこで当年度の研究では、磁性体の形状と磁気物性との相関を定量的に明らかにするため、曲面型ナノ磁性体の磁化秩序と磁気感受率に対する系の幾何曲率効果をモンテカルロ・シミュレーションにより数値的に解析した。その結果、曲面形状を有するナノ磁性体の表面にはその幾何学的曲率を反映したフラストレーション効果が働くこと、および、低温下における磁性体表面の磁気秩序過程においてはそのフラストレーションに起因する特異な磁気渦凍結状態が発現することが明らかとなった。この理論結果は、中空球殻型のナノ磁性体において系の幾何曲率に起因するヒステリシスが観測されることを示すものであり、ナノ構造体の磁気操作技術の観点から非常に興味深い成果である。上記に加えて当年度研究では、磁気相転移温度をまたぐ広範囲の温度領域においてその秩序過程の時間変化を追跡計算した。その結果、表面曲率分布の恣意的変化による磁気秩序核の生成・消滅を制御するための基礎データを得ることができた。その成果は、中空球殻表面の磁気渦構造と秩序過程を光・磁場・格子歪み等によりコヒーレント制御する技術の確立を目指す本申請課題の目的達成に対して理論的基盤を供するものである。
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