接合界面電子状態制御による新規トポロジカル磁気粒子の創出

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: 高密度共役の科学：電子共役概念の変革と電子物性をつなぐ
• 研究課題/領域番号: 23H04017
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 金澤 直也 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (10734593)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: スキルミオン / Zak位相 / トポロジカルスピン構造 / 非線形伝導

研究実績の概要

本研究では固体表面に現れるd電子系の高密度共役電子状態の開拓とd電子系に特徴的な磁性との関連を明らかにすることを目的にしている。特に研究代表者が近年発見した非磁性絶縁体FeSiの表面に現れるトポロジカル強磁性金属状態を対象として、さまざまな異種物質との接合界面を作製し、界面におけるトポロジカル磁気構造形成を目指している。
本年度は、強いスピン軌道相互作用を有するPtとのヘテロ接合を作製した。Pt/FeSi界面において反対称的スピン軌道相互作用に起因して、トポロジカルスピン構造のスキルミオンの形成が観測された。これらのスキルミオンはサブミクロンスケールの大きさを有し、欠陥や表面荒さといった結晶構造の乱れによって強くピン留めされた状態であることがわかった。強いピン留め効果によって、従来のスキルミオンよりも6桁程度大きな電流密度によっても駆動・崩壊されない強固な状態となっている。これにより、高電流密度で顕著になる非線形伝導特性をスキルミオンの存在下で測定することができ、7次にまで及ぶ高次の非線形ホール効果を観測することに成功した。高次非線形ホール効果は電流による非線形磁化ダイナミクスや非共線スピン構造による電子散乱機構に起因していることがわかった。特に後者のメカニズムは、非線形トポロジカルホール効果とも言える新しい非線形伝導現象に対応する可能性がある。また、大きな非線形伝導特性はリザバーコンピューティングといった応用への展開も期待できる。
上記の成果は論文1件、解説記事1件として発表できている。さらにPt/FeSi界面以外にもさまざまな物質系を開拓しており、論文2件を出版している。

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

研究初年度に、目的としていたd電子高密度共役状態におけるトポロジカルスピン構造の形成や非線形伝導現象の発見をトポロジカル表面と重金属接合によって実現することができた。また研究成果を論文や解説記事として発表することができた。これらの成果も含め、日本物理学会若手奨励賞の受賞に繋がった。

今後の研究の推進方策

Pt/FeSi界面におけるスキルミオン形成と高次非線形ホール効果の発見を基に、さまざまなヘテロ接合界面の作製とd電子高密度共役系におけるスピン状態の物理の構築に繋げていく。まずは、FeSiのトポロジカル強磁性表面状態に対してPt以外の接合物質を積層し、積層物質による近接効果の詳細を明らかにする。さらにホール効果以外にも非相反電気伝導(ダイオード効果、整流効果)といった非線形伝導現象を開拓していく。

研究成果

• [雑誌論文] Topological stability of spin textures in Si/Co-doped helimagnet FeGe (2024)
  • 著者名/発表者名: Guang Yao、Fujishiro Yukako、Tanaka Aito、Peng Licong、Kaneko Yoshio、Kanazawa Naoya、Tokura Yoshinori、Yu Xiuzhen
  • 雑誌名: Journal of Physics: Materials 巻: 7 ページ: 025009～025009
  • DOI: 10.1088/2515-7639/ad2ec4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Strongly pinned skyrmionic bubbles and higher-order nonlinear Hall resistances at the interface of Pt/FeSi bilayer (2024)
  • 著者名/発表者名: Hori T.、Kanazawa N.、Matsuura K.、Ishizuka H.、Fujiwara K.、Tsukazaki A.、Ichikawa M.、Kawasaki M.、Kagawa F.、Hirayama M.、Tokura Y.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 8 ページ: 044407
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.044407
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular beam epitaxy of superconducting FeSexTe1－x thin films interfaced with magnetic topological insulators (2024)
  • 著者名/発表者名: Sato Yuki、Nagahama Soma、Belopolski Ilya、Yoshimi Ryutaro、Kawamura Minoru、Tsukazaki Atsushi、Kanazawa Naoya、Takahashi Kei S.、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 8 ページ: L041801
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.L041801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct observations of spin fluctuations in hedgehog-anti-hedgehog spin lattice states in MnSi1－xGex (x = 0.6 and 0.8) at zero magnetic field (2023)
  • 著者名/発表者名: Aji Seno、Oda Tatsuro、Fujishiro Yukako、Kanazawa Naoya、Saito Hiraku、Endo Hitoshi、Hino Masahiro、Itoh Shinichi、Arima Taka-hisa、Tokura Yoshinori、Nakajima Taro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 054445
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.054445
  • 査読あり
• [学会発表] キラル結晶におけるトポロジカルスピン構造形成と創発電磁物性の研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 金澤 直也
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] FeSexTe1-x thin films as a platform for exploring exotic superconducting states (2024)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sato, Soma Nagahama, Ilya Belopolski, Ryutaro Yoshimi, Minoru Kawamura, Atsushi Tsukazaki, Naoya Kanazawa, Akiyoshi Yamada, Masashi Tokunaga, Kei S Takahashi, Masashi Kawasaki, Yoshinori Tokura
  • 学会等名: APS March Meeting 2024
  • 国際学会
• [学会発表] A Noble-Metal-Free Spintronic System with Ferromagnetic Topological Surface State of FeSi above Room Temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Hori, N. Kanazawa, M. Hirayama, K. Fujiwara, A. Tsukazaki, M. Ichikawa, M. Kawasaki, and Y. Tokura
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] MBE成長させたFe(Se,Te)薄膜における電子相図 (2023)
  • 著者名/発表者名: 永濱壮真, 佐藤雄貴, Ilya Belopolski, 吉見龍太郎, 川村稔, 塚﨑敦, 金澤直也, 高橋圭, 川崎雅司, 十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] MBE成長させたFe(Se,Te)薄膜の上部臨界磁場測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤雄貴, 永濱壮真, Ilya Belopolski, 吉見龍太郎, 川村稔, 塚﨑敦, 山田暉馨, 徳永将史, 金澤直也, 高橋圭, 川崎雅司, 十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 偏極中性子反射率測定による新規トポロジカル強磁性表面の直接観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 金澤直也
  • 学会等名: 東京大学物性研究所共同利用成果発表会
  • 招待講演
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/n_kanazawa
• [備考] 金澤研究室ホームページ
  • URL: https://sites.google.com/view/kanazawa-lab