物質・材料研究機構表界面構造・物性ユニット博士研究員の長尾全寛氏、博士研究員の肖 英紀氏（現東京大学）、主幹研究員の原 徹氏、ユニット長の木本浩司氏、超伝導物性ユニットグループリーダーの磯部雅朗氏らはローレンツ電子顕微鏡法を用いて、結晶に空間反転対称性 が存在する強磁性マンガン酸化物のナノ磁気クラスターが自発的にスキルミオン構造を形成していることを明らかにした。
近年発見された磁気スキルミオンと呼ばれる磁気渦構造体は、巨大な異常ホール効果や超低密度電流でのスキルミオン駆動など従来にない興味深い物性が明らかになり、新たな磁気素子として応用への期待が高まっている。スキルミオン形成には空間反転対称性がない磁性体に磁場をかけることが必須だと考えられてる。
今回のローレンツ電子顕微鏡法を用いた直接観察から、空間反転対称性が存在する強磁性マンガン酸化物において、ナノ磁気クラスターが自発的にスキルミオン構造を形成していることがはじめて明らかとなった。この結果は、従来必須とされていた条件を満たさない様々な強磁性体のナノ磁気クラスターやナノ粒子においても、スキルミオン構造が形成される可能性を示唆している。
今回観察されたスキルミオンは熱揺らぎの影響により、一定の温度で磁気渦が時計回り・反時計回りと繰り返し反転する現象を示した。また、2つのスキルミオンが近接する場合には同じ渦方向に同期して反転することが分かった。この結果は、スキルミオン間の相互作用を利用した磁気素子の開発に新たな知見を与えると思われる。
さらに、ローレンツ電子顕微鏡観察から個々のナノ磁気クラスターの磁気渦反転に必要なエネルギーを求める方法を示した。この方法は、通常の測定では磁化反転に必要なエネルギーを求めることが困難なナノ磁性体やナノ磁気デバイスに広く適用が可能だ。
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