| 研究課題/領域番号 |
24224009
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| 研究種目 |
基盤研究(S)
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
永長 直人 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60164406)
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| 研究分担者 |
BAHRAMY MOHAMMAD 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (10587463)
十倉 好紀 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30143382)
佐藤 卓 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70354214)
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| 研究期間 (年度) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| キーワード | トポロジー / ベリー位相 / 磁性体 / スキルミオン / スピン軌道相互作用 / ホール効果 / 中性子散乱 / 数値シミュレーション |
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| 研究概要 |
平成24年度は、LLG方程式の大規模数値シミュレーションを行い、その計算結果の解析を行った。ヘリカル相とスキルミオン相それぞれにおける電流の効果を比較し、前者では非断熱効果や不純物効果によって電流・速度特性が大きく影響を受けるのに対して、後者ではスピントランスファートルクによる運動機構が理想的な形で実現し、普遍的な電流・速度特性を示すことをつきとめた。この結果は、スピンテクスチャーの運動を議論する一般論Thieleの方法で解析され、スキルミオンのトポロジカルな性質が、その安定性だけではなく運動にまで本質的や役割を果たしていることが分かった。実験ではMBE法によってMnSi薄膜の作製を行い、エピタキシャル薄膜では初めてスキルミオン形成の直接観測に成功した。さらにトポロジカルホール効果をプローブとして用い、転移温度直下に限らず広い温度磁場領域におけるスキルミオンの発現を明らかにした。また、高圧合成によって作製したMnGe多結晶において小角中性子散乱実験を行い、スキルミオン形成の磁化過程を明らかにした。特に、ベリー位相の計算から、スキルミオンが従来とは異なる格子形を組んでいる可能性が示された。
中性子実験については、 MnSi, (Fe,Co)Siの電流印可下、および Cu2OSeO3 の電場下中性子小角散乱実験および非弾性散乱実験の可能性の検討を行った。これらの結果を元に、それぞれの実験に必要な装置の設計を終了した。加えて、キラル磁性体 MnSb2O6 の単結晶中性子弾性散乱実験を行なった。その結果、この系では変調ベクトルがc軸を向いていることが判明し、磁場下でのスキルミオン格子形成は難しいことが判明した。一方で、c面内磁気構造のカイラリティとc軸方向のヘリシティが共に一意に選ばれている可能性が示唆され、新しいカイラル磁性体として興味が持たれることが分かった。
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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
スキルミオン研究は世界的に加速しており、競争が激化しているが、理論。実験とも当プロジェクトはその研究を先導していると考える。理論では、スキルミオン系のダイナミックスの大規模シミュレーションを世界に先駆けて行い、従来の磁壁のそれとは全く異なる運動形態を明らかにした。桁違いに小さい電流密度によるスキルミオン結晶の運動が、そのトポロジーに起因することを示すとともに、電流下での結晶格子の変形やブラッグスポット強度の変化など実験で検証可能な予言をいくつも行い、来年度以降の研究計画につながる成果を得た。実験では、上記の薄膜作製およびその物性評価に加えて、電流誘起スキルミオン運動(スライディング運動やホール運動)などのダイナミックスを調べるために必要としていたメゾスケールのホールバーの作製に成功した。またCu2OSeO3においてスキルミオン格子の集団励起が顕著な非相反二色性を示すことを実証し、ダイナミクスにも創発電磁気効果が現れる事を見出した。この他、パイロクロア型イリジウム酸化物における金属絶縁体転移を電荷ダイナミクスの観点から調べ、臨界点付近でトポロジカル半金属状態(ワイル半金属状態)が実現している可能性が高い事を明らかにした。中性子実験は、マシーンタイムの申請などに時間がかかる上、日本原子力研究開発機構のJRR-3原子炉の起動が遅れたため、小角散乱実験等をパルス中性子源 J-PARC、および海外の実験施設用に再考する必要が生じたことで、当初の計画から約半年程度の遅れが生じた。現在、実験計画は順調にJ-PARC および海外の施設で採択され始めており、既に一部の実験(MnSb2O6等)は実施されている。このように、計画はやや遅れているが、今後は追いつく事ができるものと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成25年度は、理論では、スキルミオンを用いた論理回路の設計を視野に入れ、制限された空間でのスキルミオンの運動、ノッチ構造のような障害の効果、スキルミオンの生成消滅過程についてシミュレーションを進める。また、時間依存する電流を印加した時のスキルミオン系の運動を追跡し、その質量とそれに起因する慣性効果がどのようなものであるかを調べる。さらに進んで、LLG方程式に確率過程のランダムトルク項を加えて有限温度の効果を調べる。これによりスキルミオンの拡散効果、スピン波との相互作用、スキルミオン格子の熱回転など、多くのテーマに挑戦する。
実験では、電流誘起スキルミオン運動の観測を行う。ホール電圧と周波数スペクトラム測定系の整備を完了しメゾスケールのホールバーを利用して測定を行う。またパイロクロア型イリジウム酸化物における磁気輸送特性を精密に調べ、非自明な表面状態に起因する量子伝導現象の観測を行う。この他、量子化異常ホール効果の実現に向けたトポロジカル絶縁体薄膜および界面デバイスの作製にも取り組む。中性子実験では、24年度中に計画した中性子小角散乱によるスキルミオン格子の外場（電流、電圧）下での運動の観測を行う。必要な装置は既に製作を始めており平成25年度前半には実験を始める予定である。同時に高エネルギー分解能非弾性散乱を用いたスキルミオン格子運動に伴うミクロなスピンダイナミクスの測定も行う。キラル磁性体に関してはより広い波数空間での構造データを取得することでカイラル磁気構造を確定する。加えて、平成25年度の新しい試みとして、中性子非弾性散乱を用いたラシュバ分裂間の磁気遷移の測定にチャレンジする。
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