2021/12/01

トポロジカルスピン結晶の新しい制御法を発見

-スピンの波の位相変化による新しい磁気渦結晶と伝導特性の開拓-

 

東京大学

科学技術振興機構

 

概要

東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の速水賢講師、東京大学大学院理学系研究科量子ソフトウェア寄付講座/知の物理学研究センターの大久保毅特任准教授、東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の求幸年教授らは、幾何学的なスピンテクスチャをもつトポロジカルスピン結晶における新しい制御変数として、スピンの波の重ね合わせにおける位相に着目し、その変化によって生じる新しいトポロジカルスピン結晶やトポロジカル相転移現象の微視的な機構を理論的に発見しました。

近年、固体中の電子スピンが渦構造を形成することによって現れるトポロジカルスピン結晶が注目を集めています。この現象は、磁気構造がトポロジカルな性質によって保護されていることや、通常の磁性体では実現の難しい巨大な電磁応答が現れることから、高速・高効率・省エネルギー性能をもつ新しいデバイスへの応用が期待されています。これまで、トポロジカルスピン結晶として主に磁気スキルミオン結晶や磁気ヘッジホッグ結晶が精力的に調べられてきましたが、応用の可能性を広げる上で、新しいタイプのトポロジカルスピン結晶の開拓が望まれていました。

本研究グループは、トポロジカルスピン結晶を構成するスピンの波の重ね合わせにおける位相に着目し、その役割を理論的に調べることで、磁気スキルミオン結晶とは異なる幾何学的なスピンテクスチャをもつ新しいタイプの磁気渦結晶を見出しました。さらに、磁性金属の理論モデルに対して大規模数値シミュレーションを行うことで、得られた磁気渦結晶と磁気スキルミオン結晶をスイッチする微視的な機構を明らかにしました。本研究の成果は、スピンの波の位相制御による新しいトポロジカル物質科学へ向けた学理の構築につながると期待できます。

本研究成果は2021年12月1日(英国時間)に英国科学誌「Nature Communications」オンライン版に掲載されました。

図:スピンの波の位相変化がもたらすトポロジカル相転移
上図に示すように、波の重ね合わせの位相をずらすことによって全く異なる模様(干渉縞)が得られます。下図はトポロジカルスピン結晶における位相変化の例を示しています(上面はスピン配列、下面は幾何学的なスピンテクスチャがもたらす創発電磁場と関係のある物理量)。左はトポロジカル数が2の磁気スキルミオン結晶、右は本研究で得られた新しい磁気渦結晶を表します。これらの間のトポロジカル相転移は、温度、フェルミ面の形状、スピン間相互作用などの変化によって引き起こされます。

 

詳細については、東京大学工学部 のホームページをご覧ください。

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―