理化学研究所(理研)と北海道大学(北大)は、外部磁場がない状態でも磁気渦が生成していることを発見し、その生成機構を解明したと発表した。同研究成果は、磁気渦を示す物質の探索・設計のための新しい指針を与えるとともに、磁気渦を情報担体とする磁気記憶素子の実現に向けた足掛かりになると期待できる。

同成果は、理研 創発物性科学研究センタースピン創発機能研究ユニットの高木里奈 特別研究員、関真一郎ユニットリーダー(科学技術振興機構 さきがけ研究者、計算物質科学研究チームの有田亮太郎チームリーダー(東京大学大学院 工学系研究科 教授)、強相関物性研究グループの十倉好紀グループディレクター(東京大学大学院 工学系研究科 教授)、北大大学院 理学研究院物理学部門の速水賢 助教らで形成される国際共同研究グループによるもの。詳細は米国のオンライン科学雑誌「Science Advances」に掲載された。

  • 磁気渦格子の概念図

    磁性金属中を動き回る電子(黄色の球)が媒介する磁気的相互作用によって生じる磁気渦格子の概念図 (出所:理研Webサイト)

電子は、電気的な性質である「電荷」と磁気的な性質である「スピン」という2つの性質を持っている。スピンの集まりである磁気構造体を情報担体として利用する磁気記憶素子を高密度化・省電力化する方法として、渦状の磁気構造が近年注目を集めている。粒子としての性質を持つナノスケールの磁気渦構造は、新しい情報担体の候補として有望視されている。しかし渦状のスピン配列を作るためには、隣り合うスピンの向きを傾ける力が必要であるが、バルクの物質でこのような力が働くのは、特殊な結晶構造を持つ物質に限られると考えられていたため、物質設計が難しいという問題があった。

このため、より多彩な物質群で磁気渦を生成できる新しい機構を見いだすことが期待されていたが、実際のバルク物質において実証されていなかった。

今回、国際共同研究グループは、磁性金属Y3Co8Sn4に着目し、スピンの配列を詳しく調査。具体的には、Y3Co8Sn4の単結晶バルク試料を作製し、中性子小角散乱実験を実施。その結果、温度17K(約-256℃)以下、磁場がない状態において、6つのスポットパターンが観測されたという。

  • 単結晶バルク試料

    作製されたY3Co8Sn4の単結晶バルク試料 (出所:理研Webサイト)

また、磁場を試料面に平行な方向にかけても、強磁性状態になる直前まで、6つのスポットパターンが保たれることも判明。これらの結果から、Y3Co8Sn4では磁場がなくても磁気渦を生成できることが判明したとする。

  • 観測された中性子小角散乱パターンとスピン配列

    Y3Co8Sn4で観測された中性子小角散乱パターンとスピン配列 (出所:理研Webサイト)

さらに、この磁気渦の起源の調査を目的にシミュレーションを行ったところ、磁場がない状態でも磁気渦が現れるという、実験とよく一致する結果が得られたとのことで、動き回る電子が媒介する多体の磁気的相互作用という磁性金属に内在する性質が今回発見した磁気渦生成の鍵となっていることが強く示唆されたと研究グループでは説明している。

  • 磁気相図

    中性子小角散乱測定で決定したY3Co8Sn4の磁気相図 (出所:理研Webサイト)

今回発見した新しい磁気渦の生成機構は、動き回る電子が媒介する多体の磁気的相互作用という、多くの磁性金属に内在する性質であることから、研究グループでは、新物質だけでなくこれまで見落とされていた物質も磁気渦を形成する物質の候補となり、磁気渦を示す物質の探索・設計に新しい指針を与えると述べているほか、磁場がない状態でも磁気渦を生成できるという特徴は、磁気渦を情報担体とする磁気記憶素子の実現に向けた足掛かりとなると期待できるとコメントしている。