東北大,ナノ世界で磁気渦の高速直進運動を観測

東北大学の研究グループは,磁気スキルミオンと呼ばれるナノスケールの磁気の渦を工学利用する上での課題であったスキルミオンホール効果を抑制する新材料技術を開発して積層フェリ結合した磁気スキルミオンを実現し,これまで不可能であった室温での電流による直進運動の観測に成功した(ニュースリリース)。

今回研究グループはスピントロニクスの諸原理を駆使し,磁気スキルミオンの直進運動を室温で実現することに成功した。具体的に用いた原理は,RKKY相互作用,DM相互作用,スピン・軌道相互作用の3つ。

積層構造はIr(イリジウム)を挟む2層の強磁性体とその上下に位置するW(タングステン),Pt(白金)から構成される。Ir層を介したRKKY相互作用によって対向する2層の強磁性層の磁化は反平行方向に結合する(積層フェリ結合)。

これによって,野球のボールで例えると上の層はシュート回転,下の層はスライダー回転し,それらが結合しているために結果として直進運動が実現される。また2層の強磁性層とIr, W, Ptの界面におけるDM相互作用によって,積層フェリ結合系では形成が容易ではないトポロジカルな磁気構造が安定化される。

加えて,この積層構造に電流を導入すると,スピン・軌道相互作用によって上層のWと下層のPtにおいて磁気スキルミオンを電流の方向に移動させるような駆動力(スピン軌道トルク)が生じ,効率的な運動が実現される。

次に,今回開発した積層フェリ結合積層構造と,従来の単層強磁性体からなる構造を細線状に微細加工し,電流を導入したときの磁気スキルミオンの応答を測定して比較した。

今回開発した積層フェリ結合磁気スキルミオンは従来型と比べて1桁小さな電流密度で同等の動作速度を実現できていることが分かる。また狙い通り,積層フェリ結合磁気スキルミオンではスキルミオンホール効果が抑制されていることも分かるという。

この結果により,磁気スキルミオンを工学的に利用する上での懸案であったスキルミオンホール効果を抑制し,室温にて電流で効率的に駆動する方法が明らかになった。

また今回の研究では実験の都合からマイクロメートルスケールの磁気スキルミオンが扱われたが,今回の技術を発展させることで100nmを下回るような微細な磁気スキルミオンを室温で安定して形成することも可能になるという。

今後,今回確立した技術を発展させることで,従来にない機能を持った情報デバイスの実現へと繋がり,同時に物性物理学におけるトポロジーの理解を発展させる上での一助となることも期待されるとしている。

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