理研など、室温において単一のスキルミオンを電流で駆動することに成功

理化学研究所(理研)、東京大学、科学技術振興機構の3者は11月24日、室温で単一の「スキルミオン」を電流によって駆動することに成功し、その動的な振る舞いを観察したことを発表した。

同成果は、理研 創発物性科学研究センター(CEMS) 電子状態マイクロスコピー研究チームのポン・リソン基礎科学特別研究員、同・于秀珍チームリーダー、理研 CEMS 強相関物質研究グループの軽部皓介研究員、同・田口康二郎グループディレクター、理研 CEMSの永長直人副センター長(理研 CEMS 強相関理論研究グループ グループディレクター/東大大学院 工学系研究科 教授兼任)、同・十倉好紀センター長(理研 CEMS 強相関物性研究グループ グループディレクター/東大 国際高等研究所 東京カレッジ 東大卓越教授兼任)らの共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

スキルミオンは、固体中の電子スピンによって形成される渦状の磁気構造体で、大きさは通常数十～数百nm。電流を流すと、伝導電子はスキルミオンの創発磁場を受けてトポロジカルホール効果を示し、その反作用として、スキルミオンは電流により偏向されてホール運動をすると考えられている。

しかし、キラル磁性体中の単一スキルミオンの電流駆動は臨界電流密度が低くて済むという利点があるものの、これまでの研究からは、-150℃の低温条件下でしか実証されておらず、将来的にスキルミオンを電子デバイスに組み込むためには、室温で単一スキルミオンを電流駆動できるようにすることが求められていた。

そこで研究チームは今回、室温でスキルミオンを生成できるキラル磁性体「Co₉Zn₉Mn₂」の約160nmという薄板を用いて、室温での単一スキルミオンの電流駆動を試みることにしたという。

その結果、デバイスの板面に垂直下向きに80mTの磁場を加えながらパルス電流を流すことで、直径約100nmの単一スキルミオンの生成に成功したほか、スキルミオンのダイナミクスの観察にも成功したという。また、スキルミオンは、電流が小さいうちは固定されたまま動かないが、電流が臨界電流密度を超えるとゆっくりとしたクリープ運動をすることが観察されたほか、電流が大きくなると、スキルミオンは流動するようになり、ホール角(30°弱)を保ちながら、電流の増大に伴い速度が直線的に増加することも確認されたという。

• Co₉Zn₉Mn₂dデバイス中に観察された単一スキルミオンとその電流駆動ホール運動。(a)Co₉Zn₉Mn₂のキラルな結晶構造。(b)Co₉Zn₉Mn₂の薄板の両端にタングステン(W)と白金電極(Pt)が取り付けられたマイクロデバイス。(c)室温で生成された単一スキルミオン(左)とその磁化分布(右)。磁場は紙面の下向き、スキルミオンの中心スピンは上向き。(d)電流駆動スキルミオンのホール運動の模式図 (出所:理研Webサイト)

なお研究チームによると、今回の成果は、磁壁を駆動する電流の1万分の1の低電流でスキルミオンを駆動できることを示すものであり、次世代の省電力の電子素子の実現や、スピントロニクスの応用研究に寄与することが期待されるとしている。

• トポロジカル数が+1と-1のスキルミオンのホール運動。(a～c)磁場-80mT、電流j=5.05×10¹⁰A/m²におけるスキルミオンのホール運動。(a)スキルミオンの模式図。(b)電流を流す前。(c)電流を流した後のスキルミオンのローレンツ電子顕微鏡像。(d～f) 磁場+50mT、電流j=4.82×10¹⁰A/m²におけるスキルミオンのホール運動。(d)スキルミオンの模式図。(e)電流を流す前。(f)電流を流した後のスキルミオンのローレンツ電子顕微鏡像。(g～h)電流の変化によるスキルミオンのホール角(g)と速度(h)の変化を示すグラフ (出所:理研Webサイト)