2019年 | プレスリリース・研究成果
相転移の狭間に出現する新たな創発磁気モノポール格子 －二つのトポロジカル磁気構造が移り変わる様子を解明－
【発表のポイント】
- 磁気スキルミオン（注１、図２）の集合状態が創発磁気モノポール（注２、図２）の集合状態へと変化する様子を多角的な実験により解明しました。
- 相転移（注３）の途中過程では、創発磁気モノポール・反モノポールが面心立方格子上に配置された、新しいトポロジカル磁気構造（注４）が実現されている可能性を提唱しました。
- 実効的な圧力効果によるトポロジカル磁気構造の変換とみなせることから、今後の物質開拓やデバイスへの応用の礎となることが期待されます。
【概要】
トポロジカル磁気構造は省エネルギー型の磁気メモリーデバイスへの応用の観点から、その生成・消去の手法に関してさまざまな研究が行われてきました。しかし、異なる二つのトポロジカル磁気構造同士の相転移を実現し、磁気特性・電気伝導特性などを含む多角的な視点からその詳細を観測した例はこれまでに報告されていませんでした。
東京大学大学院工学系研究科の藤代有絵子大学院生と金澤直也講師、理化学研究所創発物性科学センターの十倉好紀センター長らの研究グループは、スキルミオン格子をもつ化合物MnSi（Mn：マンガン、Si：ケイ素）と、創発磁気モノポール格子をもつ化合物MnGe（Ge：ゲルマニウム）に着目し、両者の固溶体であるMnSi1-xGexを合成することに成功しました。更に、理化学研究所の于秀珍チームリーダー、有馬孝尚チームリーダー、有田亮太郎チームリーダー、総合科学研究機構（CROSS）中性子科学センターの大石一城副主任研究員、東京大学物性研究所の徳永将史准教授、金道浩一教授、東北大学理学研究科物理学専攻の是常隆准教授らのグループと共同で、MnSi1-xGexの磁気構造や物性を大強度陽子加速器施設（J-PARC、注５）物質・生命科学実験施設（MLF）の中性子小角・広角散乱装置「大観」（BL15）（図1）を使用した詳細な実験や、理論計算によって解明し、特に中間組成（x = 0.4-0.6）において新しい創発磁気モノポール格子が実現されている可能性を見出しました。
今回の発見は、創発磁気モノポール格子を形成する磁気相互作用に関して新たな知見をもたらすだけでなく、圧力による磁気構造制御の可能性を示唆するものであり、今後の物質開拓や、省エネルギーデバイスへの応用化に重要な指針を与えることが期待されます。
【用語解説】
（注１）磁気スキルミオン
磁気スキルミオンとは、無限に伸びる線のまわりにスピンが巻き付いたような磁気構造のこと。いわば、スピンの渦が筒状に積み重なった状態で、その筒同士が三角格子を組んだ状態（スキルミオン格子）がMnSiをはじめ多くの磁性体で観察されている。
（注２）創発磁気モノポール
磁気モノポールは磁場の湧き出しとなる粒子で未だ実験的には発見されていない。しかし、電子とトポロジカル磁気構造体が結合することで、固体中に「実効的な」磁気モノポール（＝創発磁気モノポール）が発生する。MnGeでは創発磁気モノポールと反モノポールが対になって格子を組んでおり（創発磁気モノポール格子）、例えば低温かつ高磁場にもかかわらず通常の金属化合物より一桁大きい熱電効果を示すなど、従来の電磁気学では説明のできないさまざまな現象が引き起こされている。
（注３）相転移
例えば物質の三態（固体・液体・気体）に着目した場合は、それらの間での変化を相転移と呼び、氷が水や水蒸気に変化するというのが代表的な例である。今回の場合は、磁気構造の変化に着目しており、MnSiのスキルミオン格子が、MnGeの創発磁気モノポール格子へと変化することを指している。
（注４）トポロジカル磁気構造
多数の電子スピンが作る構造のうち、それらのスピンをある一点に集めると全方位にスピンが向く磁気構造体のこと。トポロジカル磁気構造体は、連続変形して全てのスピンの向きが揃った状態にすることができないため、トポロジーという幾何学的な制約によって守られた粒子としてみなすこともできる。このような磁気構造体と電子が結合することで、固体中に仮想的な磁場が発生し、電子の振る舞いに影響を与える。
（注５）大強度陽子加速器施設（J-PARC）
日本原子力研究開発機構と高エネルギー加速器研究機構が茨城県東海村で共同運営している先端大型研究施設で、素粒子・原子核物理学、物質科学、生命科学などの幅広い分野の世界最先端の研究が行われている。J-PARCの物質・生命科学実験施設（MLF）では、世界最高クラスのパルス中性子およびミュオンビーム、最先端実験装置を用いた物質科学、生命科学の学術研究および産業応用研究が行われている。総合科学研究機構（CROSS）中性子科学センターは中性子小角・広角散乱装置「大観」をはじめとする共用ビームラインの利用促進を行なっている。
図1 J-PARC物質・生命科学実験施設（MLF）に設置されている中性子小角・広角散乱装置「大観」（BL15）の外観図
パルス中性子ビームが試料に照射され、試料で散乱された中性子のパターンを試料前方および後方に設置された多数の検出器によって効率的に観測することができる。これにより磁気スキルミオンをはじめとした磁性体中での磁気構造や機能性材料などの構造を明らかにすることができる。
図２ MnSiにおけるスキルミオン格子とMnGeにおける創発磁気モノポール格子の模式図と、MnSi1-xGexにおいて磁気構造が存在する温度・磁場範囲の変化の様子。
(a) MnSiにおけるスキルミオン格子の模式図。スピンの渦が筒状に積み重なっており、またそれらが三角格子を組んでいる。(b) MnGeにおける創発磁気モノポール格子の模式図。ヘッジホッグ・アンチヘッジホッグと呼ばれる磁気構造が３次元的に分布している。(c) MnSi1-xGexにおいて、磁気構造が存在する温度・磁場範囲の変化を示したもの。特にx = 0.25とx = 0.65付近で、強磁性転移磁場に大きな変化が起きていることが分かる。
問い合わせ先
【研究内容に関すること】
東北大学大学院 理学研究科 物理学専攻
准教授 是常 隆（これつね たかし）
E-mail：koretsune*cmpt.phys.tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）
【報道に関すること】
東北大学大学院 理学研究科 広報・アウトリーチ支援室
電話：022-795-6708
E-mail：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）