ポイント

• 電子スピンの渦（スキルミオン）に温度勾配を与えると一方向に回転する現象を発見
• 光や電子ビームを使ったスキルミオンの新しい駆動・制御の方法となる可能性
• スキルミオンを情報担体とする次世代メモリの実現に指針

要旨

理化学研究所（理研、野依良治理事長）、東京大学（濱田純一総長）、青山学院大学（仙波憲一学長）は、電子スピンの渦状構造体「スキルミオン^[1]」が格子状に配列された「スキルミオン結晶^[2]」に、光や電子線を照射して同心円状の温度勾配を与えると、特定の方向に回転する現象を発見しました。スキルミオンを情報担体とする次の磁気記憶・演算デバイスの実現に重要な指針になります。これは、理研創発物性科学研究センター強相関物性研究グループの十倉好紀センター長兼グループディレクター（東京大学大学院工学系研究科教授）と于 秀珍（ウ シュウシン）上級研究員、望月維人客員研究員（青山学院大学理工学部准教授、JSTさきがけ兼任研究者）、同センター強相関理論研究グループの永長直人グループディレクター（東京大学大学院工学系研究科教授）らの共同研究グループの成果です。

物質中の電子は磁石としての性質を担う「スピン」を持ちます。鏡に映した像が互いに重ならない結晶構造を持つ磁性体（キラル磁性体）を磁場中に置くと、電子スピンがスキルミオンと呼ばれるナノスケールの渦構造を形成します。近年、このスキルミオンが高い電子デバイスとしての機能を持っていることが明らかになり、ハードディスクなど現行のデバイスを超える高密度・省電力の磁気記憶・演算デバイスへの応用が期待されています。しかし、その実現にはスキルミオンを効率的に制御する方法を確立する必要があります。

本研究では、キラル磁性体に磁場を下向きに加えた際に出現するスキルミオンを、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^[3]で観察したところ、スキルミオン結晶が一方向に回転する現象が観察されました。数値シミュレーションの結果、これはローレンツ電子顕微鏡の電子線ビームによりキラル磁性体に同心円状の温度勾配ができることで、スキルミオンの一方向の回転が起きることが分かりました。この回転運動は、スピンの集団振動（マグノン）の流れとスキルミオンの相互作用により引き起こされるため、熱によるエネルギー損失がほとんどなく新しいスキルミオンの制御方法となることが期待できます。

本研究は、最先端研究開発支援プログラム（FIRST）課題名「強相関量子科学」（中心研究者：十倉好紀）の事業の一環として行われ、JST戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）研究領域「素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成」及び科研費基盤S「磁性体における創発電磁気学の創成」(No.24224009)（研究代表者：永長直人）の支援を受けました。成果は、英国の科学雑誌『Nature Materials』に掲載されるに先立ち、オンライン版（1月26日付け：日本時間1月27日）に掲載されます。

背景

右手と左手のように鏡に映した像が互いに重ならない結晶構造を持つ磁性体（キラル磁性体）に磁場を加えると、電子スピンが自発的に渦状に整列した「スキルミオン」と呼ばれるナノスケールの磁気構造が出現します（図1）。近年の研究から、スキルミオンは3～100ナノメートルと微小なサイズを持ち、物質によっては室温程度でも安定なうえに、通常の磁気構造体に比べて10万分の1～100万分の1の微小電流で駆動できることが明らかになっています。そのため、高い情報密度と広い範囲の動作温度、低い消費電力を実現する次世代の磁気記憶・演算デバイスへの応用が期待されています。

スキルミオンを実際の磁気記憶・演算デバイスとして実用化するには、小さな消費電力でこの磁気構造体を制御する方法を確立する必要があります。電流によるスキルミオンの生成・駆動方法の研究が世界的に盛んに行われていますが、この方法では発熱によるエネルギー損失が避けられません。そこで電流以外の外的要因による制御方法の探索にも注目が集まってきています。そこで共同研究グループは、スキルミオンの実用化に向け、新しいスキルミオンの制御方法の確立に挑みました。

研究手法と成果

実験では、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）と酸素（O）とセレン（Se）の化合物（Cu₂OSeO₃）を薄い膜状に成形し、そこに磁場を下向きに加えた際に出現するスキルミオンをローレンツ電子顕微鏡で観察しました。その結果、どちらの物質でもスキルミオン結晶が時計回りに回転する現象を発見しました。

この現象を調べるために、スピンの運動を記述する方程式（LLG方程式）を使って数値シミュレーションをしました。その結果、“ローレンツ電子顕微鏡の中で試料に照射される電子ビームによりわずかな温度勾配ができている”と考えると、時計回りの回転が再現できることが分かりました（図2、図3）。一方で、温度勾配がない熱平衡状態の場合では、一方向への回転は起こらないことを確認しました。1960年代に米国の著名な理論物理学者リチャード・ファインマンは、“爪車と羽根車をつないだ「ブラウンラチェット」と呼ばれる機械が、温度差をつけた時にのみに一方向に回転する”と提起しましたが、今回発見された現象は、その電子スピン版といえます。

次に共同研究グループは、この現象の物理的起源を調べるために、「スキルミオン」と「スピンの集団振動（マグノン）の流れ」との相互作用に基づいた理論を構築しました。その結果、高温側から低温側に向かう拡散的なマグノンの流れは、スキルミオンが作る仮想的な磁場によって曲げられる現象（トポロジカルマグノンホール効果）が起き、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。

今後の期待

本研究により、光や電子線の照射が生む温度勾配によって誘起されるマグノンの流れを利用して、スキルミオンを駆動す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スキルミオンの新しい制御方法として、次世代の省電力磁気メモリ素子の設計・開発を大きく前進させると期待できます。

原論文情報

• Masahito Mochizuki, Xiuzhen Yu, Shinichiro Seki, Naoya Kanazawa, Wataru Koshibae, Jiadong Zang, Maxim Mostovoy, Yoshinori Tokura, and Naoto Nagaosa.
  "Thermally Driven Ratchet Motion of a Skyrmion Microcrystal and Topological Magnon Hall Effect" ,Nature Materials, 2013, doi :10.1038/nmat3862

発表者

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）

お問い合わせ先

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補足説明

• 1.スキルミオン
  近年、いくつかのキラル磁性体中で存在が確認されたナノメートルサイズの渦状磁気構造体。電子スピンの空間分布の連続的な変化に対して壊れることがない安定な構造をしている。
• 2.スキルミオン結晶
  特定の温度・磁場下においてはスキルミオンが格子状に規則的に配列することが知られており、原子が周期的に並んで結晶を構成する様子になぞらえ、この状態を「スキルミオン結晶」と呼ぶ。特に本研究の対象物質であるMnSiやCu₂OSeO₃では、スキルミオンが三角格子状に配列したスキルミオン結晶が実現する。
• 3.ローレンツ電子顕微鏡
  磁場により電子線が曲げられる性質を利用して、磁性体中の磁化分布を実空間観察する手法。焦点を試料からずらすこと（ディフォーカス）で、磁気構造によって曲げられた電子線の偏向の影響が像のコントラストとして観察できる。