スキルミオン結晶を利用したマグノン伝搬制御

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K13876
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 高木 里奈 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (50742417)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 磁気スキルミオン / マグノン / スピン波分光 / ナノ周期構造

研究実績の概要

本研究では、局在スピンの集団励起であるマグノンの特性を制御する方法として、粒子性を伴ったナノスケールの渦状スピン構造体「スキルミオン」が自発的に形成する「スキルミオン結晶」に着目した。スキルミオン結晶中では、その周期性を反映してマグノンバンドが折り畳まれ、複数のマグノンバンドがエネルギー的に縮退すると予測されている。縮退したマグノンバンド間では温度・磁場などの外場によって混成が起きる可能性があり、混成バンドを通じたマグノン伝搬特性の制御に繋がることが期待される。
初年度はマグノンバンド混成を引き起こす物質開拓を目指し、キラルな結晶構造を持つらせん磁性絶縁体Cu2OSeO3を対象物質として磁気共鳴測定を行った。この物質のバルク結晶では、スキルミオン結晶が安定に存在できるのは磁気秩序温度直下の狭い温度・磁場領域に限られるが、薄片試料では磁場下冷却によって準安定状態のスキルミオン結晶が広い温度・磁場範囲で存在できることが知られている。そこで、集束イオンビーム（FIB）法で作製した薄片試料を磁場下冷却し、準安定スキルミオン結晶状態における磁気共鳴モードの温度・磁場依存性を測定した。その結果、低温の磁気共鳴スペクトルにおいて、スキルミオンのCCWモード（反時計回りの回転運動）とブリージングモード（伸縮運動）にギャップを観測し、ギャップ近傍で異なるモードと反交差しているような振舞いを見出した。この起源を明らかにするため、スキルミオン結晶状態の磁気共鳴スペクトルの理論計算を行った。結晶磁気異方性の効果を大きくしていくと、磁気共鳴に不活性なスキルミオンの六極子モードと八極子モードがそれぞれCCWモードとブリージングモードに混成していくことを発見し、観測した磁気共鳴スペクトルを良く再現できたことから、低温に向けて増大する結晶磁気異方性がモード混成の主要な起源となっていることが明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究の舞台としてCu2OSeO3の準安定スキルミオン結晶状態に着目し、磁気共鳴スペクトルの温度・磁場依存性を詳細に調べることで、マグノンモード混成を観測することに成功し、モード混成に対する結晶磁気異方性の効果を議論することができた。さらに、この結果を通じて六極子モード・八極子モードという磁気共鳴に不活性なスキルミオンの振動モードの存在を実証することができた。

今後の研究の推進方策

これまでの実験で、FIB法で作製した薄片試料とリソグラフィーによるマイクロ波アンテナを利用することで、これまで観測されていなかった僅かなモード混成も検出可能なことがわかった。今後は測定対象を、スキルミオン結晶を示す室温磁性体など他の物質系にも広げてマグノン特性を定量的に調べていく。また外場によるスキルミオン結晶構造の制御を通じたマグノン特性の制御や混成マグノンに由来した現象の観測も試みたい。

次年度使用額が生じた理由

参加を予定していた研究会がオンライン方式になったため、旅費として計上していた予算から次年度使用額が生じた。次年度の測定対象物質の合成材料を購入することを計画している。

研究成果

• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology/Technische Universitat Munchen/Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Karlsruhe Institute of Technology/Technische Universitat Munchen/Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
• [国際共同研究] Paul Scherrer Institute (PSI)/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: Paul Scherrer Institute (PSI)/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
• [雑誌論文] Direct visualization of the three-dimensional shape of skyrmion strings in a noncentrosymmetric magnet (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Seki, M. Suzuki, M. Ishibashi, R. Takagi, N. D. Khanh, Y. Shiota, K. Shibata, W. Koshibae, Y. Tokura, T. Ono
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 21 ページ: 181-187
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01141-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] Zoology of Multiple‐Q Spin Textures in a Centrosymmetric Tetragonal Magnet with Itinerant Electrons (2022)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Duy Khanh, Taro Nakajima, Satoru Hayami, Shang Gao, Yuichi Yamasaki, Hajime Sagayama , Hironori Nakao , Rina Takagi , Yukitoshi Motome , Yoshinori Tokura , Taka-hisa Arima, Shinichiro Seki
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 9 ページ: -
  • DOI: 10.1002/advs.202105452
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Square and rhombic lattices of magnetic skyrmions in a centrosymmetric binary compound (2022)
  • 著者名/発表者名: Rina Takagi, Naofumi Matsuyama, Victor Ukleev, Le Yu, Jonathan S. White, Sonia Francoual, Jose R. L. Mardegan, Satoru Hayami, Hiraku Saito, Koji Kaneko, Kazuki Ohishi, Yoshichika Onuki, Taka-hisa Arima, Yoshinori Tokura, Taro Nakajima, Shinichiro Seki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41467-022-29131-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hybridized magnon modes in the quenched skyrmion crystal (2021)
  • 著者名/発表者名: Rina Takagi, Markus Garst, Jan Sahliger, Christian H. Back, Yoshinori Tokura, Shinichiro Seki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: -
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.144410
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 磁気スキルミオンストリングの３次元形状の観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 関真一郎、鈴木基寛、石橋未央、高木里奈、Nguyen Duy Khanh、塩田陽一、柴田基洋、小椎八重航、十倉好紀、小野輝男
  • 学会等名: 日本物理学会第７７回年次大会
• [学会発表] 異常ホール反強磁性体CoM3S6(M=Nb,Ta)の偏極中性子散乱による磁気構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高木寛貴、高木里奈、齋藤開、Nguyen Duy Khanh、大石一城、鬼柳亮嗣、野本拓也、見波将、鈴木通人、柳有起、平山元昭、軽部皓介、橋爪大輔、十倉好紀、有田亮太郎、中島多朗、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第７７回年次大会
• [学会発表] Identification of Topological Magnetic Spin Textures via Dierential Phase Contrast (2021)
  • 著者名/発表者名: Fehmi Yasin, Licong Peng, Rina Takagi, Naoya Kanazawa, Shinichiro Seki, Yoshinori Tokura, Xiuzhen Yu
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第７７回学術講演会
• [学会発表] トポロジカルな磁気構造を伴う新物質の開拓 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高木里奈
  • 学会等名: ISSP WOMEN'S WEEK 2021
  • 招待講演
• [学会発表] 空間反転対称性を有する遍歴磁性体EuAl4における磁気スキルミオン格子相の観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高木里奈、松山直史、Victor Ukleev、Le Yu、Jonathan S. White、Sonia Francoual、Jose R. L. Mardegan、金子耕士、大石一城、大貫惇睦、有馬孝尚、十倉好紀、中島多朗、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Multiple-Q spin textures in tetragonal itinerant magnet GdRu2Si2 (2021)
  • 著者名/発表者名: N. D. Khanh, T. Nakajima, S. Hayami, S. Gao, Y. Yamasaki, H. Sagayama, H. Nakao, R. Takagi, Y. Motome, Y. Tokura, T. Arima, S. Seki
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 量子ビームによる空間反転対称性を有するスキルミオン物質GdRu2Ge2の磁場誘起相の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 周芝苑、吉持遥人、高木里奈、Nguyen D. Khanh、齋藤開、佐賀山基、中尾裕則、有馬孝尚、十倉好紀、関真一郎、中島多朗
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 反転対称性を有するスキルミオン物質GdRu2(Si1-xGex)2 における多彩な磁気相と創発磁気輸送現象 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉持遥人、高木里奈、Ju Jiwon、Nguyen D. Khanh、齋藤開、佐賀山基、中尾裕則、有馬孝尚、十倉好紀、中島多朗、関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Square and rhombic lattice of magnetic skyrmions in a centrosymmetric itinerant magnet (2021)
  • 著者名/発表者名: Rina Takagi
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Condensed Matter Physics 2021 (AC2MP2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 超高密度な磁気渦を示すシンプルな二元合金物質を発見－次世代磁気メモリへの応用に期待－
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-03-30-003
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/rtakagi