Rezultati iskanja

磁気スキルミオンとは固体中のスピンが渦を巻くように配列した状態である．連続体極限においてスピンの向きの連続変形では壊せない磁気構造であり，零でないトポロジカル量子数で特徴づけられる．このトポロジカルな安定性や，まるで粒子のように電流によって渦の位置を操作できることなどが注目されており，新規磁気メモリや論理素子への応用に期待が持たれている．また磁気スキルミオンはその特殊なスピンの配列と伝導電子との結合により，顕著な電磁気応答を生み出すことが最近の研究で分かってきた．それらは創発電磁応答と呼ばれ，例えばホール効果，磁気熱電効果，光を反射させたときの磁気旋光などの物性として現れる．応答をさらに拡張するための理論的な提案や実験による検証および新規物質開発による機能性の向上が試みられている．物質中で磁気スキルミオンを安定化するためには結晶構造に特殊な条件が必要であると考えられている．その一つが結晶の空間反転対称性の破れである．対称性が破れた固体中では相対論的効果であるスピン軌道相互作用が電子スピンの向きに影響を与える．これによりスピンの配列がねじれることが原因となって磁気スキルミオンが現れると考えられている．実際カイラルな格子構造をもつ磁性体や磁性薄膜の表面や界面などの非反転対称系を中心に磁気スキルミオンが観測され集中的に研究されているが，研究対象になりうる物質はまだ数が少ないのが現状である．結晶構造の対称性の制約を受けずにトポロジカルなスピン構造を作る新機構はないだろうか？　これを実際の物質で実証し，候補物質を設計・選択する有効な指針を確立できれば，これまで注目されてこなかった物質群を切り開くことにもつながり，そこから思いがけない新奇な電子状態や物性の発見につながることが期待できる．このことは新規物質開発の醍醐味であり，物性物理学の発展においても意義深い．われわれは磁気フラストレーションの効果を利用して，反転対称性のある物質においても磁気スキルミオンを安定化させる物質設計方法を開発した．特にガドリニウム原子（Gd）が三角格子を形成するように配列した結晶構造をとる金属間化合物Gd2PdSi3において，単結晶を使ったX線回折実験による磁気構造解析と電気輸送特性の詳細な測定により，Gdスピンによる磁気スキルミオンの三角格子配列を発見した．磁気スキルミオンのサイズはこれまでの典型的なサイズ10–100ナノメートルより小さい2.5ナノメートルであり，高密度に磁気スキルミオンが格子配列した状態を実現することができるようになった．このことにより創発電磁応答の一つであるトポロジカルホール効果を従来より一桁以上大きな応答として検出することに成功した．これは磁気スキルミオンから伝導電子が感じる仮想的な磁場（創発磁場）が密度の向上により大きく増幅されていることを意味している．この発見を端緒として，同様の設計指針をもとに反転対称性を持つ物質における磁気スキルミオン探索が加速度的に進んでいる．三角格子以外にもブリージングカゴメ格子，正方格子，ダイアモンド格子などといった様々なフラストレートした結晶格子において磁気スキルミオンが安定化することが続々と発見されており，物質開拓の発展性の高さを物語っている．これまでの反転対称性の破れた磁性体のスキルミオンとは質的に異なる格子状態や電気磁気応答も議論されており，今後のトポロジカル磁性体開発の進展が期待される．

磁性体や強誘電体，超伝導体といった対称性の破れを伴う秩序相に加え，物質中のバンド構造のトポロジーで分類されるトポロジカル相が物性物理学分野において近年注目を集めている．固体中のバンド構造が非自明なトポロジカル数を有する場合，その固体表面や界面にはバルクの状態と異なる特徴的なバンド分散を生じる．このような表面状態を観測する手法には，角度分解光電子分光や走査トンネル顕微分光法が主として用いられ，トポロジカル絶縁体，トポロジカル超伝導体，ディラック半金属，ワイル半金属などの新たな物質相の実験的検証が進められている．それに加えて近年では，カイラルアノマリーやワイル軌道など，特異なバンド構造に由来した新奇な輸送現象を観測して，外場などで制御しようとする取り組みが盛んになっている．トポロジカル秩序に由来する輸送現象として最も研究されてきたのが量子ホール効果である．量子ホール効果は，2次元電子系に外部磁場を印加することで試料端に1次元のカイラルエッジ伝導を生じて，ホール抵抗の量子化が観測される現象である．この外部磁場を磁化に置き換えた量子異常ホール効果は，以前から理論的な提案がなされていたが，磁性元素Crを添加したトポロジカル絶縁体薄膜（Bi1－x Sbx）2Te3において最近初めて実現された．量子異常ホール効果は，強磁場を要する量子ホール効果と異なり，零磁場でカイラルエッジ伝導を実現可能である上，磁気秩序変数によってトポロジカル数を制御できるという特徴を持っている．磁場や磁化の方向から一義的に決まる方向にしか運動できないカイラルエッジ伝導は，不純物や欠陥といった乱れによる電子散乱が禁制となるため，非散逸な1次元伝導を実現できる．そのため，カイラルエッジ伝導の次世代低消費電力素子への利用が期待されるが，試料端以外の場所に形成することが困難なため，制御性に乏しいという問題があった．この問題に対し量子異常ホール効果では，試料端のみならず磁壁においてもカイラルエッジ伝導を生じることから，磁区の制御によって伝導の方向のみならずその位置までも自在に制御可能になると期待される．我々は磁気力顕微鏡によって局所的に磁区を書き込む手法を確立し，デバイス試料内に一本だけ磁壁を有する状態を作り出した．この試料に対し，輸送特性のその場測定を行ったところ，単一磁区の状態と異なる特徴的な量子化抵抗値が観測され，磁壁でのカイラルエッジ伝導の発現が明らかになった．さらに，単一デバイス内に様々な磁区構造を形成して抵抗測定を行ったところ，いずれの磁区構造においても理論値との良い一致を示し，カイラルエッジ伝導からなる非散逸伝導回路を磁区の制御によって自在に設計できることが実証された．