電子の地図が決めていた、”渦”のサイズ―世界最小スキルミオンの誕生メカニズムを解明―
【ポイント】
- 世界最小のスキルミオン（直径約1.9ナノメートル）を生み出す物質の電子構造を、放射光を用いた高精度な光電子分光により初めて可視化することに成功。
- スピン同士が電子をキャッチボールしながら結びつくことで、スキルミオンの源となるらせん状のスピン構造が形成されるメカニズムを解明。
- 磁場や温度で自在に変形・再構築される、しなやかな磁気ドメインを発見。書き換え可能なこの磁気構造は、これまでにない柔軟性と応答性を備え、次世代のメモリデバイスや情報処理技術に新たな道を拓く可能性を秘める。
【概要】
東京大学物性研究所のYuyang Dong大学院生（同大学大学院理学系研究科物理学専攻博士課程）（いずれも研究当時）と近藤猛准教授らの研究グループは、同研究所の木下雄斗特任助教、徳永将史教授、大阪大学大学院理学研究科の越智正之准教授、東京都立大学の松田達磨教授、北海道大学の速水賢教授らの研究グループと共同で、世界最小のスキルミオンが発現することで知られる物質GdRu2Si2において、スキルミオンの源となる、らせん状のスピン構造(らせんスピン)が形成されるメカニズムを解明しました。
磁石の中で、目には見えないほど小さな“渦”が回っている、そんな不思議な現象が、いま物理学の最前線で注目を集めています。「スキルミオン」と呼ばれるこの渦は、電子スピン（電子が持つ小さな磁石）がなめらかにねじれながら、ドーナツ型に巻き込むように並んだナノスケールの磁気構造です。直径はわずか数ナノメートルで、髪の毛の太さの数万分の1という極限のサイズに、渦巻きの世界が広がっています。その構造は「トポロジー」という幾何学的な法則によって守られており、熱や衝撃といった外乱にもびくともしない高い安定性を持ちます。この「壊れにくい情報の渦」が、次世代の超高密度・超低消費電力の磁気メモリや量子情報デバイスの担い手として、いま世界中で熱い注目を浴びています。ところが、このスキルミオンの源である、らせん状のスピン構造がどうやって生まれるのか、その謎は未解明でした。
今回本研究グループは、物質の中に広がる電子の地図となる運動量とエネルギーの関係（電子構造）を可視化することで、その謎に迫りました。すると、ある特定の運動量を持つ伝導電子たちが、遠く離れたスピン同士をまるでキャッチボールするように結びつけていることが分かりました。この仕組みは「RKKY相互作用」と呼ばれ、スピンがねじれながら連なっていく、柔らかくしなやかな磁気構造(らせんスピン)を生み出していました。そしてこのスピン構造が、外部からの磁場や温度変化に対して驚くほど柔軟に応答し、磁気ドメインのパターンが自在に変化する操作可能な磁性を実現していることも明らかになりました。今回の研究は、電子構造とスキルミオン形成の関係を初めて描き出し、スキルミオンを自在に設計・制御するための新たなコンパスを提示するものです。この成果は、スピントロニクス素子や次世代情報処理デバイスの材料開発において、電子構造の設計という新しい発想に基づく強力な基盤を提供します。“電子の地図”から未来のスキルミオンを描く、そのための明確な指針が、いまここに示されました。
本成果は米国科学振興協会が発行するScienceの5月8日14時（米国東部夏時間）オンライン版に掲載されました。
論文情報
〈雑誌〉 Science
〈題名〉Pseudogap and Fermi arc induced by Fermi surface nesting in a centrosymmetric skyrmion magnet
〈著者〉Yuyang Dong, Yuto Kinoshita, Masayuki Ochi, Ryu Nakachi, Ryuji Higashinaka, Satoru Hayami, Yuxuan Wan, Yosuke Arai, Soonsang Huh, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Masashi Tokunaga, Yuji Aoki, Tatsuma D. Matsuda, and Takeshi Kondo* (*責任著者)
<DOI> 10.1126/science.adj7710
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