東大,トポロジカルスピン結晶の新規制御法を発見

東京大学の研究グループは,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た(ニュースリリース)。

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る。

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る。

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た。

研究グループは,トポロジカルスピン結晶の1つである磁気スキルミオン結晶におけるスピンの波の位相の役割を調べることにより,位相のずれが新しいタイプの磁気渦結晶をもたらすことを見出した。これは,局所的には磁気スキルミオン結晶とよく似た幾何学的なスピンテクスチャをもつが,トポロジカルな性質が異なることから,全く新しいトポロジカルスピン結晶だとする。

さらに,この新しい磁気渦結晶が安定に存在する条件を明らかにするために,磁性金属に対する大規模数値シミュレーションで解析を行ない,ある温度領域で新しい磁気渦結晶が現れることを見出した。さらに,温度を下げることで,トポロジカル数2の磁気スキルミオン結晶へと位相変化を伴うトポロジカル相転移が生じることも明らかにした。

この機構を詳細に調べることにより,磁性金属がもつフェルミ面に起因した多スピン間相互作用と類似の相互作用がエントロピーの効果として現れ,それが位相変化を引き起こす上で重要な役割を果たしていることを解明した。また,基底状態を調べることで,同様の位相変化が生じるために重要なフェルミ面の形状やスピン間相互作用の条件を明らかにした。

この研究によって,磁気スキルミオン結晶をはじめとするトポロジカルスピン結晶において,スピンの波の位相が新しい制御変数となりうること,さらにその変化が異なるタイプのトポロジカルスピン結晶を生み出すことが明らかになった。

研究グループは,これらの結果は磁気スキルミオン結晶だけではなく,磁気ヘッジホッグ結晶を含む他のトポロジカルスピン結晶にも未踏の可能性が残されていることを示しており,今後のトポロジカルスピン結晶の物質探索と設計指針に大きな影響を与えるものだとしている。

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