電子スピンの渦「スキルミオン」のサイズと渦の向きを自在に制御

理化学研究所 (理研、野依良治理事長) 、東京大学 (濱田純一総長) 、物質・材料研究機構 (潮田資勝理事長) は、マンガン (Mn) 、鉄 (Fe) 、ゲルマニウム (Ge) の化合物
「Mn₁-_xFe_xGe」で、電子スピンが渦状に並んだ磁気構造体「スキルミオン」のサイズと渦の向きがマンガンと鉄の濃度比で制御できることを見いだしました。これはスキルミオンを記録ビットとして用いる省電力磁気メモリ素子の実現に重要な指針を与えるものです。本成果は、理研創発物性科学研究センター強相関物性研究グループの十倉好紀センター長兼グループリーダーと柴田基洋研修生、NIMS先端的共通技術部門 表界面構造・物性ユニットの木本浩司ユニット長らの共同研究グループによるものです。

物質中の電子は、磁石の源であるスピンの性質を持ちます。スピンの集団である磁気構造体を記録ビットとするハードディスクなどの現行の磁気メモリ素子は、電源供給なしに情報を保持できますが、処理速度が遅いという問題があるため、電流で磁気構造体を動かす研究が盛んに行われています。スキルミオンは、他の磁気構造体と比べ10万分の1程度の微小電流で動くため、高速で省電力な磁気メモリ素子への応用が期待されています。しかし、素子に集積化し利用するには、そのサイズや渦の向きを自在に制御する手法が必要です。

共同研究グループは、マンガンと鉄の濃度比をさまざまに変えたMn₁-_xFe_xGeでスキルミオンを観察しました。その結果、スキルミオンのサイズ及びらせん磁気構造の周期が5~200 nm (ナノメートル) 程度まで連続的に変化すること、渦の向きがマンガンと鉄の濃度比が約1対4となったときを境に反転することを明らかにしました。これは、「スピン軌道相互作用」と呼ばれる相対論的な効果がスキルミオンのサイズと渦の向きを決める要素であることを示しています。

本研究は、最先端研究開発支援プログラム (FIRST) 課題名「強相関量子科学」 (中心研究者 : 十倉好紀) の事業の一環として行われ、成果は科学雑誌『Nature Nanotechnology』オンライン版 (9月8日付け : 日本時間9月9日) に掲載されます。