【本学研究者情報】

〇大学院理学研究科物理学専攻　助教　中山耕輔
材料科学高等研究所　教授　佐藤宇史
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 磁気の渦（磁気スキルミオン）がわずか数ナノメートルという極小サイズで、しかも複数の異なる形で現れる理由を解明しました。
• 最先端の放射光^（注1）実験により、電子の振る舞いが劇的に変化する瞬間（リフシッツ転移^（注2））が、スキルミオン誕生の引き金であることを突き止めました。
• 本成果は、電子の状態を「設計図」として利用することで、極小スキルミオンの大きさや形を自在にデザインできる可能性を示すものです。

【概要】

スキルミオンは、電子のスピン（小さな磁石）^（注3）が渦巻状に並んだ特殊な構造（図1a）で、一度できると壊れにくく、しかもごくわずかな電流で動かせるという優れた性質を持つことから、次世代の超低消費電力メモリや情報デバイスの切り札として注目されています。これまでスキルミオンの形成には、結晶構造に表と裏の区別がある特殊な環境が必要であると考えられていました。しかし近年、これまでの常識では説明できない材料から、直径わずか約2ナノメートルという「世界最小級」のスキルミオンが発見され、世界的な注目を集めています。特にEu（Ga,Al）₄という材料は、磁場によってスキルミオンの並び方が菱形から正方形へ変化する珍しい性質を持ちますが（図1b, c, d）、なぜこれほど小さくなれるのか、なぜ並び方の形まで変わるのか、その根本原因は分かっていませんでした。

東北大学と京都産業大学の共同研究グループは、放射光施設フォトンファクトリーを利用した角度分解光電子分光実験^（注4）を行い、Eu（Ga,Al）₄の内部を動く電子の状態を精密に観測しました。その結果、ガリウム（Ga）をアルミニウム（Al）に置き換える過程で、特定の組成において新たなフェルミ面^（注5）が出現する「リフシッツ転移」を発見しました（図2）。新たに現れたフェルミ面が、スキルミオンの有無や大きさ、並び方を決定していることを突き止めました。これは、伝導電子がスピンの向きを揃えるRKKY相互作用^（注6）が、極小スキルミオンの形成と多様性をもたらすことを示しています。この成果は、電子状態を変化させることでスキルミオンの大きさや形状を自在に設計・制御できる可能性を示したものです。本研究成果は2026年4月13日10時（英国時間）、科学誌Nature Communicationsに掲載されました。

図1.
(a)磁気スキルミオンの模式図。円錐は電子スピンを表し、尖っている方向が磁石のN極に相当する。
(b)Eu（Ga,Al）₄の結晶構造の模式図。
(c)スキルミオンが菱形に規則正しく並んだ状態。EuAl₄に弱い磁場をかけた際に観測されている。
(d)スキルミオンが正方形に規則正しく並んだ状態。EuAl₄に強い磁場をかけた際に観測されている。

【用語解説】

注1. 放射光：円形の加速器内を周回運動する数GeV（ギガ電子ボルト）の高いエネルギーを持つ電子が、磁場によって軌道を曲げられたときに発生する指向性の高い電磁波を放射光と呼ぶ。赤外線から可視光（ヒトが見ることのできる光、動物種によって見ることのできる光の波長は異なる）、紫外線、X線、γ線に至るまでの、幅広い波長の電磁波が加速器から発生される。そのため、放射光の用途も広く、材料科学、デバイス開発、環境科学、医学、生物学、考古学、科学鑑定など多くの分野で、物質、材料、化学物質、生物、食物などについて、原子や分子の構造や元素の状態の精密な分析が行われている。

注2. リフシッツ転移：金属において、フェルミ面のトポロジーが劇的に変化する（フェルミ面が出現・消失したり、つなぎかえが起きたりする）現象である。この転移に伴って、超伝導などの性質が大きく変化する例が報告されている。しかし、スキルミオンの出現とリフシッツ転移の関係はこれまで未解明であった。

注3. スピン：電子が持つ、自転に由来した磁石の性質をスピンと呼ぶ。一般的な磁石（強磁性体）では、スピンの向きが一方向に揃った状態になっている。一方、磁気スキルミオンでは、スピンの向きが渦巻き状になっている。

注4. 角度分解光電子分光（ARPES）：結晶の表面に紫外線などの強力な光を照射して、外部光電効果により結晶外に放出される電子のエネルギーと運動量を同時に測定することで、物質中での電子の状態を観測する実験手法である。紫外線よりも波長の短い軟X線を結晶に照射すると、紫外線を照射した場合よりも物質の内部深く（バルク）の電子状態を決定することが可能になる。この手法をSX-ARPESと呼ぶ。

注5. フェルミ面：物質中の電子は、最もエネルギーが低い量子状態から順に占有する。順に全ての電子を埋めていった際の電子の存在する領域と存在できない領域の境界のエネルギーをフェルミエネルギーと呼ぶ。そのエネルギーにおける運動量空間での電子分布がフェルミ面である。

【論文情報】

タイトル：Origin of multiple skyrmion phases in EuAl4
著者：Yuki Arai, Kosuke Nakayama*, Asuka Honma, Seigo Souma, Daisuke Shiga, Hiroshi Kumigashira, Takashi akahashi, Kouji Segawa*, and Takafumi Sato*
*責任著者：東北大学大学院理学研究科　助教　中山耕輔、京都産業大学理学部　教授　瀬川耕司、東北大学材料科学高等研究所　教授　佐藤宇史
掲載誌：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-026-71020-y

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

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東北大学大学院理学研究科物理学専攻
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Email：k.nakayama*arpes.phys.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

東北大学材料科学高等研究所
教授 佐藤 宇史（さとう たかふみ）
電話：022-217-6169
Email：t-sato*arpes.phys.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

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Email：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）