東大ら,「スキルミオンひも」で信号伝達に成功

東京大学,理化学研究所の研究グループは,スキルミオンひも(磁性体中の電子スピンが作るナノスケールの渦糸構造)を利用した信号伝達を実証することに成功した(ニュースリリース)。

トポロジーに守られたスピン渦には,いくつかの種類が存在することが知られており,特に最近注目されているのが,「磁気スキルミオン」と呼ばれる新しいタイプのスピン渦となる。

スキルミオンは,その構成要素であるスピンを並べ替えると球面をちょうど整数回だけ覆うことができるという特徴をそなえており,薄膜のような2次元系では安定な粒子としての性質を持っている。

このスキルミオン粒子は,直径が数~数十nmと極めて小さく,またさまざまな外場によってその運動や安定性を制御できるため,次世代の磁気記憶・演算素子のための新しい情報ビットの候補として,近年盛んに研究されている。

一方,バルク結晶のような3次元系では,スキルミオンは安定な「ひも」としての性質を持つことがわかっている。しかし,このスキルミオンひもがどのような応答や機能を示すのかについては,これまでほとんど明らかにされていなかった。

そこでこの研究では,スキルミオンひもを用いた情報伝送の可能性を探るため,ひもを揺らした時に振動がどのようにひもの中を伝わっていくのか,実験・理論の両面から明らかにすることを試みた。

具体的には,ギガヘルツ帯域の高周波信号を送信・受信するための一対のアンテナ上に,スキルミオンひもを生じることが知られているキラル磁性体 Cu2OSeO3の微小結晶を載せて,アンテナ間の相互インダクタンスの測定を行なった。

その結果,スキルミオンひもが3つの固有振動モードを持っており,それぞれ異なる周波数の振動磁場を用いて共鳴励起することで,各モードを介した信号伝送が可能であることを明らかにした。

さらに詳細な解析の結果,スキルミオンひもがその直径の1000倍以上の非常に長い距離にわたって信号を伝達できること,また順方向と逆方向で異なる伝搬特性が現れる「ダイオード」的な性質を持っていることも発見した。こうした一連の振る舞いは,微視的な理論計算による予測とも良く一致しているという。

スキルミオンひもの振動は,電線上の電気信号と異なりジュール損失を生じないことから,フレキシブルで超低消費電力な新しい情報伝送路としての活用に期待できるとしている。

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