スキルミオン分子の生成と低電流密度での駆動に成功

理化学研究所 (理研、野依良治理事長) と東京大学 (濱田純一総長) 、物質・材料研究機構 (潮田資勝理事長) は、1軸異方性を持つ強磁性体である層状マンガン酸化物「La_1+2xSr_2-2xMn₂O₇」薄膜中に、初めてトポロジカルチャージ2を持つ電子スピン渦の結合状態「スキルミオン分子」を生成し、可視化に成功しました。さらに、強磁性体中の磁壁を駆動するのに必要とされる電流密度(1平方メートルあたり約10億アンペア)の1000分の1以下で、スキルミオン分子を駆動させました。これは、理研創発物性科学研究センター (十倉好紀センター長) 強相関物性研究グループの于秀珍 (ウ・シュウシン) 上級研究員と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) 、物質・材料研究機構先端的共通技術部門 (藤田大介部門長) 表界面構造・物性ユニット木本浩司ユニット長らによる共同研究グループの成果です。

物質中の電子スピンの向きを磁気情報として利用する磁気メモリ素子は、高速、不揮発性などの特徴をもつ次世代デバイスとして期待されています。近年盛んに研究されている磁気メモリは、電流で強磁性体細線中の磁壁を操作するデバイスです。しかし、磁壁を移動させるには、最低でも1平方メートルあたり約10億アンペアという大電流密度を必要とし、消費電力が大きいことが問題でした。このため、より小さな電流密度で駆動する方法が望まれていました。

そこで注目されているのが、電子スピンが渦状に並んだ磁気構造体「スキルミオン」です。スキルミオンは強磁性体の磁壁と異なり、障害を避ける性質を持つため、強磁性磁壁より小さな電流密度で駆動できます。また、電子スピンが渦巻状に整列してスキルミオン構造をとると、トポロジカルチャージが生じます。1個のスキルミオンはトポロジカルチャージ1を有し、これが1ビットの情報量に相当します。ところが、より高いトポロジカルチャージをもたらすスキルミオンは、理論予測されていましたが、これまで実測例がありませんでした。

共同研究グループは、1軸異方性や外部から加えた磁場を制御しながら、初めて層状マンガン酸化物La_2-2xSr_1+2xMn₂O₇中にトポロジカルチャージ2を持つスキルミオン分子を生成し、従来、強磁性磁壁を駆動するために必要な電流密度の1000分の1で駆動することに成功しました。これは、スキルミオン分子がもたらす磁気輸送特性、高密度・低消費電力という特性を備えた磁気メモリ素子の研究につながる重要な成果です。本研究成果は、英国の科学雑誌『Nature Communications』のオンライン版 (1月28日付け : 日本時間1月28日) に掲載されます。