理研ら,ナノサイズの磁気渦構造を伝導電子に発見

理化学研究所(理研)と東京大学らは,ナノメートルサイズの磁気渦構造が伝導電子に現れることを発見した(ニュースリリース)。

ハードディスクなどの磁気情報記録媒体のさらなる高密度化につながると期待される磁気スキルミオンを実現させる複雑な力には「空間反転対称性の破れ」が必要であると考えられてきた。しかし,2019年に空間反転対称性のある物質において磁気渦構造が観測されることでこの常識が覆され,新たな機構が必要となった。

この新機構の候補として,物質中を自由に動き回る「伝導電子を媒介とした力」がある。伝導電子をキャッチボールのようにやり取りすることで,磁気構造を担う物質中で動かない局在電子が間接的な力を感じることが可能になる。このような機構が働いている場合は,力を媒介している伝導電子も磁気構造の情報を持っていると考えられ,この新機構を確かめるには伝導電子の状態を調べる必要があった。

研究グループは,伝導電子の空間分布に磁気構造が反映されるか否かを調べることで,伝導電子と磁気構造の関係の有無を確かめることにした。試料として,磁気スキルミオンが1.9nm間隔で格子状に整列する希土類合金GdRu2Si2を用い,走査型トンネル顕微鏡/分光法(STM/STS)により伝導電子の状態を調べた結果,磁気スキルミオン格子に対応する構造を捉えることに成功した。

次に,外部から磁場を加えると磁気構造が変化することから,外部磁場を変化させながら同じ実験をしたところ,磁気構造の変化に伴って,伝導電子の状態も明瞭に変化し,その分布は磁気構造の空間分布をよく表していることが分かった。

磁気スキルミオンやその他の磁気構造は局在電子からくる静的なものであるにもかかわらず,動的な伝導電子にその影響が表れることは,両者が互いに影響し合っている証拠だという。

さらに,伝導電子と局在電子の相互作用を理論的にモデル化し,磁気構造,電荷密度分布を計算したところ,電荷密度分布はSTM/STSで得られたパターンと非常によく似た構造になることが分かった。このことは,空間反転対称性のあるGdRu2Si2における磁気スキルミオンが,伝導電子を媒介とする新機構によって実現していることを示すという。

空間反転対称な結晶で生じる磁気スキルミオンは,これまでに報告されてきた空間反転対称性を破る物質での磁気スキルミオンより小さいという特徴がある。そのため,この磁気渦構造を「読み」「書き」するといった操作ができるようになれば,さらに高密度化された次世代磁気記録媒体につながるとしている。

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