広報活動

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2014年1月27日

独立行政法人理化学研究所
国立大学法人東京大学
学校法人青山学院 青山学院大学

キラル磁性体中の「スキルミオン」が示す回転現象を発見

-高密度・省電力メモリ素子への応用に向けスキルミオンの制御法にめど-

スキルミオン結晶の回転運動の図

図 数値シミュレーションによる温度勾配がある場合のスキルミオン結晶の回転運動

磁性体の中で、結晶構造が非対称な、つまり鏡に映した像がお互いに重なり合わないものが「キラル磁性体」です。この物質を磁場中に置くと、磁石としての性質を持つ電子スピンが規則的に格子状に配列し、ナノスケールの渦構造を示します。この渦構造を「スキルミオン」と呼びます。通常の磁気構造体に比べ10万分の1~100万分の1の微小な電流で動かせるため、省電力メモリ素子への応用が期待され、現在、電流によるスキルミオンの生成や駆動方法の研究が盛んに行われています。しかし、電流を使えば発熱によるエネルギー損失は避けられません。そこで、理研の研究者を中心とする共同研究グループは、究極の省電力メモリ素子の実現を目指して、電流以外でスキルミオンを効率的に制御する方法の開発に挑みました。

研究グループは、キラル磁性体としてマンガン(Mn)とケイ素(Si)の化合物(MnSi)と、銅(Cu)、酸素(O)、セレン(Se)の化合物(Cu2OSeO3)を用いました。これらに磁場を下向きに加えた時に現れるスキルミオンを、電子線ビームを利用して試料を観察する「ローレンツ電子顕微鏡」で観察したところ、どちらの磁性体でもスキルミオンが時計回りに回転する現象を発見しました。この現象を解析した結果、ローレンツ電子顕微鏡の電子ビームの照射によってキラル磁性体に同心円状の温度勾配ができ、一方向の回転が起きていることが分かりました。研究グループは、この回転運動が電子スピンの集団振動の流れとスキルミオンの相互作用によって引き起こされるという理論での説明を試みました。そして、高温側から低温側へ向かう電子スピンの集団振動の流れは、スキルミオンが作る仮想的な磁場によって曲げられ、スキルミオンはその反動によって逆方向である時計回りに回転すると結論付けました。

電流ではなく、光や電子線によって生まれる温度勾配が起こす電子スピンの集団振動の流れを利用して、スキルミオンを駆動させる方法が示されました。この成果は、発熱によるエネルギー損失を抑えた新しい磁気構造体の制御方法として、次世代の省電力磁気メモリ素子の設計・開発を前進させるものになりそうです。

理化学研究所
創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関物性研究グループ
客員研究員 望月 維人 (もちづき まさひと)

創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関理論研究グループ
グループディレクター 永長 直人 (ながおさ なおと)