東大、トポロジカル数2の磁気スキルミオンとトポロジーの多段階変化を発見

東京大学(東大)と北海道大学(北大)は4月3日、磁性金属中において、トポロジカル数が2の新しい磁気スキルミオン結晶が現れ、磁場に応じてトポロジカル数が多段階に変化する現象を理論的に発見したと発表した。

同成果は、東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の大学院生 小澤遼氏、北海道大学大学院理学研究院物理学部門 速水賢助教、東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 求幸年教授らの研究グループによるもので、米国科学誌「Physical Review Letters」に掲載される予定。

物質中の電子スピンが作るミクロな磁気渦の一種である磁気スキルミオンは、トポロジカルな性質に守られた堅牢さや、磁場・電場に対する応答の多様性などから、新しい磁気デバイスへの応用が期待されている。これまで、磁場中で安定なトポロジカル数1の磁気スキルミオンが精力的に調べられてきたが、最近では、空間反転対称な物質や理論モデルにおいても磁気スキルミオン結晶が見出され、その起源が議論の的となっている。

同研究グループは今回、磁性金属に対する基本的な理論モデルのひとつである近藤格子模型に対して、近年開発された新しい大規模数値シミュレーション手法を適用し、安定なスピン配列と電子状態を調査。モデルは空間反転対称な三角格子のものを考え、多項式展開法とランジュバンダイナミクスに基づいた新しいアルゴリズムを用いた数値計算を、GPGPUによる超並列スーパーコンピュータを駆使して実行し、従来のシミュレーションを大きく超える1万個以上のスピンを含む大きな系の性質を明らかにすることに成功した。

この結果、通常はらせん型の磁気構造が現れると考えられていた無磁場の状態において、トポロジカル数が2の磁気スキルミオン結晶が現れることを発見。これまでの磁気スキルミオンには見られないスピン配列をもっていること、また、空間反転対称性の破れや外部磁場を必要としないことから、まったく新しい磁気スキルミオン結晶であるという。

さらに、同研究グループは、外部磁場を導入することによって、トポロジカル数2の磁気スキルミオン結晶から、トポロジカル数1の別の磁気スキルミオン結晶、トポロジカル数0の磁気渦状態へと多段階の変化が生じることも見出した。このようにトポロジカル数が2→1→0と多段階に変化する振る舞いは、従来のトポロジカル数1の磁気スキルミオンでは見られないまったく新しいものであるという。

同研究グループは、今回の成果について、微小磁場による多値メモリ動作といった新しい応用へ向けた学理の確立につながるものと説明している。