理研ら,スキル/アンチスキルミオンを相互変換

理化学研究所(理研)と東京大学の研究グループは,トポロジカル数「+1」を持つ「アンチスキルミオン」と「-1」を持つ「スキルミオン」との相互変換の直接観察に成功した(ニュースリリース)。

スキルミオンとアンチスキルミオンは,トポロジーによって保護される磁性粒子とその反粒子(反渦)の性質を持つだけでなく,1~100nmの微小な粒子であるため,大容量情報担体としての利用が期待されている。また,近年,低電流でスキルミオンを駆動できることも示されている。

これまで,スキルミオンとアンチスキルミオンはそれぞれ異なる物質中で発見されていたが,1つの物質の中で相互に変換できるかどうか,さらに,それらの安定性がどのように異なるかは明らかになっていなかった。

研究グループは,キラルな結晶構造を持つバルク状のホイスラー合金Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn(Mn:マンガン,Pt:白金,Pd:パラジウム,Sn:スズ)をアルゴンイオンビームによって,電子線が通過できる程度の厚さである100nm以下の薄片に加工し,外部磁場を加えながら,その様子をローレンツ電子顕微鏡で観察した。

外部磁場がゼロのときには,直交しているらせん磁気構造に対応した縞状の模様が観測された。次に,薄片に垂直な方向に0.35テスラの磁場を加えると,正方格子構造のアンチスキルミオンが観察された。正方格子中の磁気構造(黄色点線で囲まれた部分)を解析すると,磁化分布マップが得られ,それは理論で予測されたアンチスキルミオンと一致した。

また,薄片を-23℃まで冷却して,垂直な方向に0.4テスラの磁場を加えると,アンチスキルミオンは消失し,代わりに互いに直交する方向に伸びた楕円型スキルミオンが観察された。それらを解析すると,時計回りと反時計回りの三角格子の構造をした楕円型スキルミオンだった。

次に,室温において,薄片の面内方向に0.003テスラの磁場を加えたところ,アンチスキルミオンが2本のブロッホラインを持つ磁気バブル(トポロジカル数0)へと変化した。さらに,その面内磁場を取り除くと,磁気バブルがスキルミオンへ変化した。

この研究では,外部磁場や温度の変化によりアンチスキルミオンとスキルミオンの相互変換,およびこれらの格子構造転移の制御やスキルミオンの回転方向の制御に成功した。また,系統的に磁場と温度を制御した実空間観察によりスキルミオンとアンチスキルミオンの安定性の違いを明らかにした。

これにより今後,ナノスケールのトポロジカル磁性粒子と反粒子の安定性とその相互変換に関する研究や,トポロジーの制御に関連した創発電磁現象注の研究がさらに活発に行なわれるとしている。

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