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2020 年度 実施状況報告書

トポロジカルな磁気構造を持つ室温磁性体の物性解明と新物質探索

研究課題

研究課題/領域番号 20K15164
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

軽部 皓介  国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (00755431)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワードスキルミオン / アンチスキルミオン / 新物質探索
研究実績の概要

①Co-Zn-Mn合金における準安定スキルミオン状態の全体像の解明
β-Mn型カイラル構造を有する室温スキルミオン物質Co-Zn-Mn合金について、Mnを含まないCo10Zn10の単結晶試料に対し、磁化率測定、小角中性子散乱測定を行い、らせん磁気伝播ベクトル(qベクトル)が低温で結晶軸の<111>方向に固定されること、それに伴い、410Kの磁場中で生成するスキルミオン格子が低温で菱形格子に変形することを明らかにした。一方、これまでのMnを含む組成Co9Zn9Mn2、Co8Zn8Mn4、Co7Zn7Mn6では、qベクトルが結晶軸の<100>方向に向きやすく、Mnスピンの反強磁性相関により磁気的な乱れが増大することで、qが低温で著しく増大し、準安定スキルミオン格子が四角格子に変形することが分かった。これらのCo-Zn-Mn合金の系統的な研究成果は、Physical Review Bに掲載された。

②S4対称性を持つ新規室温アンチスキルミオン物質の発見
アンチスキルミオンはD2d対称性を持つホイスラー合金でのみ報告されている。今回、S4対称性を持つシュライバーサイト(Fe, Ni)3P にPdをドープしたFe1.9Ni0.9Pd0.2Pの単結晶試料を作製し、磁気状態を調べたところ、400K以下で弱い一軸異方性を持つ強磁性を示すことが分かった。所属機関内の共同研究者にローレンツ透過型電子顕微鏡観察をお願いしたところ、室温を含む広い温度範囲でアンチスキルミオンが観察された。また、磁気力顕微鏡観察により、S4対称性で特徴づけられるノコギリ型の磁気ドメイン構造が観察された。これらの磁気構造は、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用と磁気双極子相互作用によって形成されることが分かった。これらの研究成果は、Nature Materialsに掲載された。

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

①【研究計画1:Co-Zn-Mn合金の全体像の探求】について、今回、Co10Zn10のスキルミオン状態を明らかにした。これまでのMnを含む組成と比較することで、スキルミオン格子状態は磁気異方性とMnによる磁気的な乱れに強く依存することが分かり、Co-Zn-Mn合金の全体像を理解することができた。したがって、研究目的を達成できた。

②【研究計画3:新規室温スキルミオン物質の開拓】について、今回、S4対称性を持つ新規磁性体Fe1.9Ni0.9Pd0.2Pを作製し、室温を含む広い温度範囲でアンチスキルミオンが生成することを発見した。したがって、研究目的を達成できた。また、磁場や試料の厚さで、スキルミオンとアンチスキルミオンが相互変換することや、厚い試料の表面でノコギリ型の新奇な磁気ドメイン構造が形成されることなど、当初の計画以上の発見があった。

今後の研究の推進方策

①【研究計画2:Co-Zn-Mn合金における創発輸送現象の探求】の目標達成のため、Co-Zn-Mn合金および関連物質に着目し、ホール効果など電気輸送測定を進める。

②今回発見したS4対称性の室温アンチスキルミオン物質Fe1.9Ni0.9Pd0.2Pについて、NiとPdの組成により磁気状態がどのように変化しているのかを詳しく調べる。また、RuやRhなどPd以外の4d遷移金属のドープによる磁気状態の変化を調べる。

③【研究計画3:新規室温スキルミオン物質の開拓】のもう一つの目標である小さいサイズのスキルミオンを室温で示す新物質開拓の達成のため、磁気フラストレーションが働く系に着目し、物質合成、物性測定を行う。

次年度使用額が生じた理由

当該年度は、測定機器およびパーツを安く購入することができたため、次年度使用額が生じた。次年度は、請求した助成金と合わせて、デジタルロックインアンプなど高額な物品を購入する予定である。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (1件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] Paul Scherrer Institute/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      Paul Scherrer Institute/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
  • [国際共同研究] Institut Laue-Langevin(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Institut Laue-Langevin
  • [雑誌論文] Room-temperature antiskyrmions and sawtooth surface textures in a non-centrosymmetric magnet with S4 symmetry2021

    • 著者名/発表者名
      Karube Kosuke、Peng Licong、Masell Jan、Yu Xiuzhen、Kagawa Fumitaka、Tokura Yoshinori、Taguchi Yasujiro
    • 雑誌名

      Nature Materials

      巻: 20 ページ: 335~340

    • DOI

      10.1038/s41563-020-00898-w

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Frustration-driven magnetic fluctuations as the origin of the low-temperature skyrmion phase in Co7Zn7Mn62021

    • 著者名/発表者名
      Ukleev V.、Karube K.、Derlet P. M.、Wang C. N.、Luetkens H.、Morikawa D.、Kikkawa A.、Mangin-Thro L.、Wildes A. R.、Yamasaki Y.、Yokoyama Y.、Yu L.、Piamonteze C.、Jaouen N.、Tokunaga Y.、R?nnow H. M.、Arima T.、Tokura Y.、Taguchi Y.、White J. S.
    • 雑誌名

      npj Quantum Materials

      巻: 6 ページ: 40

    • DOI

      10.1038/s41535-021-00342-5

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Metastable skyrmion lattices governed by magnetic disorder and anisotropy in β-Mn-type chiral magnets2020

    • 著者名/発表者名
      Karube K.、White J. S.、Ukleev V.、Dewhurst C. D.、Cubitt R.、Kikkawa A.、Tokunaga Y.、R?nnow H. M.、Tokura Y.、Taguchi Y.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 102 ページ: 064408

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.102.064408

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Transformation of metastable skyrmion lattices in room-temperature chiral magnets2020

    • 著者名/発表者名
      Kosuke Karube
    • 学会等名
      APW-RIKEN-Tsinghua-Kavli workshop “Highlights on condensed matter physics”
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-12-27  

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