【研究領域課題番号】20H01865 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロ二クス / 粘性流体 / スキルミオン / 表面弾性波 / スピントロニクス / バーネット効果 / ベリー位相 / 核磁気共鳴 / フェリ磁性体 / スピン回転結合

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)

【研究領域課題番号】20H00337 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スキルミオニクス / スピントロニクス / スキルミオン / 磁気デバイス / マイクロ波素子 / マイクロ波応答

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2020-04-01 - 2024-03-31

【配分額】44,590千円 (直接経費: 34,300千円、間接経費: 10,290千円)

【研究領域課題番号】19K14653 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スキルミオン / 磁気光学効果 / スピントロニクス

【研究成果の概要】

スキルミオンのベリー位相効果によって引き起こされる新奇な伝導電子ダイナミクスの解明・開拓を目指し、ひいては新奇光機能性や巨大光学応答の実証を目指した。具体的には、スキルミオン由来の(1)電流誘起磁化（エデルシュタイン効果）、(2)磁気光学ファラデー回転の観測を目指した。前者については再現性のあるデータがとれなかった一方で、後者に関しては、トポロジカルホール効果とよく対応した振る舞いの磁気光学効果が観測された。この磁気光学ファラデー効果はスキルミオン形成に伴うバンド変化によって引き起こされる光学遷移において共鳴的な増大を示し最大20mradを超える巨大偏光回転を実現した。

【研究の社会的意義】

スキルミオンにおけるベリー位相効果は理論的には明快に示されているものの、実験的な実証は容易ではなく、また現象のバリエーションとしても乏しいのが現状である。本研究では、これまで行われてこなかった光学応答の探索を行い、スキルミオンと電子状態が強く相互作用することで初めて生じる光学応答を確立することができた。応用的な観点からみても、磁気光学効果は現代ではアイソレーターの原理として携帯電話などの通信デバイスのキーテクノロジーである。その増強指針においてトポロジカルスピン構造という新しいガイドラインを提案することができた。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2019-04-01 - 2021-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究領域課題番号】19F19815 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

skyrmions / micromagnetics / simulations / topology / helimagnetism / spintronics / Nernst effect / scalar spin chirality / スキルミオン / トポロジカルなスピン構造

【研究成果の概要】

In my original proposal for the fiscal year 2021, I planned to continue my collaborations on (1)the three-dimensional texture of skyrmions as well as the collaborations on (2)the effects of thermally activated scalar spin chirality on atomic lattices. Moreover, I planned to study the effects of temperature and temperature gradients on the motion of skyrmions, supporting recent experimental results at RIKEN.
On the end of (1), I have worked on various different topics, exploiting the computational power of my modified version of the open source simulation tool MuMax3. I could explain the unusual experimental observations at topological defects in the helical (lamellar) phase of chiral magnets and, in a different project, explain the stability of skyrmions and antiskyrmions in an experimentally mapped out series of various material compositions. Moreover, a work on the current-induced distortion of skyrmions pinned at defects is under review, as well as a work on the electrical and spin currents induced by the motion of a magnetic screw.
Our first work on the large Hall and Nernst effects induced by (2) has also been published and subsequent projects were initiated. However, my program for simulating the thermal Hall effect in such systems is not ready for use yet.
Finally, I also tried the motion of skyrmions in temperature gradient which was described in previous theories which,but failed to explain experimental observations at RIKEN.I corrected small errors in these previous and combined the results with a compensate theory for error, which finally described the experiments.

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2019-11-08 - 2022-03-31

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)

【研究領域課題番号】18H03685 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / マグノン / スキルミオン / トポロジー

【研究成果の概要】

近年、絶縁体中における新しい情報・エネルギー伝送媒体として、局在電子スピンの集団振動であるスピン波(マグノン)が大きな注目を集めている。本研究では、特殊なトポロジー・対称性を持つ「磁気スキルミオン」と呼ばれる渦状スピン構造に着目し、新しいマグノン輸送現象の実験的な開拓を行った。その結果、(1)マグノンのダイオード効果の観測、(2)フォノン（格子振動）のダイオード効果の観測、(3)新機構に由来した世界最小の直径のスキルミオンを生じる新物質の発見、(4)マグノンのホール効果の観測、といった成果を得ることに成功した。

【研究の社会的意義】

従来のエレクトロニクスで用いられてきた金属中の伝導電子とは異なり、絶縁体中のマグノンには「ジュール発熱に伴うエネルギー損失を生じない」という利点があり、その積極的な活用は、情報処理の高効率化に向けた切り札となる可能性を秘めている。また、マグノンやフォノンは絶縁体における熱流の主要な担い手としても知られており、今回発見されたマグノン・フォノンの非相反伝搬現象とその性能向上のための指針は、効率的な熱制御のための新しい基盤技術の開発につながることが期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】45,760千円 (直接経費: 35,200千円、間接経費: 10,560千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17H02924 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スキルミオン / スピントロニクス / トポロジカル磁気テクスチャ / 非平衡ダイナミクス / マイクロ波応答 / 磁気メモリ / トポロジカル磁性 / 非平衡現象 / スピン起電力 / スピン波励起 / 磁性 / トポロジカル / エレクトロマグノン / 負熱膨張 / DM相互作用

【研究成果の概要】

トポロジカル磁気テクスチャである「磁気スキルミオン」が示す非平衡現象や量子輸送現象を理論的に多数明らかにした。特に、「マイクロ波によるスキルミオンの並進運動駆動」や「スキルミオンを使ったマイクロ波-直流電圧変換」、「駆動された強磁性磁壁中に発現する動的スキルミオン状磁気構造」など、物性物理やスピントロニクス分野における基礎物理と技術応用の両方の観点から重要な発見である。また、磁場や電場、円偏光マイクロ波などによりナノスケールのスキルミオンを素子中に意図した数、意図した場所に書き込む技術の理論設計・提案は、次世代の高性能磁気メモリ素子への応用に向けた重要な基盤技術となると考えられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】19,110千円 (直接経費: 14,700千円、間接経費: 4,410千円)

【研究分野】ナノ構造物理

【研究領域課題番号】15K13268 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スキルミオン / 磁気ナノ構造 / スピントロニクス / 微細加工 / ジャロシンスキー守谷相互作用

【研究成果の概要】

電子スピンが渦状に並んだ磁気構造体「スキルミオン」は、その駆動電流密度が極めて小さいことから、近年、次世代の超低消費電力磁気メモリ素子として、国内外で大きな注目を集めている。本研究ではナノドット構造を有するFe系材料に注目し、その室温スキルミオンの発現、並びに、低電流駆動実現のための要素基盤技術の構築を目的とした。その結果、不規則化A2型ドット構造FeAl合金においてスキルミオン類似のスピン状態が表面に生じることが明らかになった。また、電子ビーム描画法と集束イオンビーム加工法を駆使した微細加工法がスキルミオン駆動実証用マイクロ素子作製基盤技術として極めて有効であることがわかった。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】26886005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スキルミオン / スピントロニクス / トポロジー / ホール効果

【研究成果の概要】

本研究は、近年キラルな結晶構造をもつ磁性体において観測されたナノ磁気構造体“スキルミオン”を情報担体として用いた新規不揮発性メモリ開発に向けて実現しなければならない基本動作の1つの書込/消去を実験的に実証することを目的としている。
スキルミオンは数nm-数百nmの大きさの渦状の磁気構造体であり、この磁気構造体の有無により情報記録を、外部刺激を用いたスキルミオンの運動により情報伝達を行えるような次世代記憶媒体の構成要素となり得る潜在性を有している。特に、そのナノメートルスケールのサイズにより情報の高密度化が、小電流駆動性により省電力化がそれぞれ期待されている。さらに、スピン配列のトポロジカルな幾何学的性質から、伝導電子が仮想的な巨大磁場(創発磁場)を受け、トポロジカルホール効果と呼ばれる新奇物性も観測されている。
本研究における平成26年度後期の実績としては、(i) スキルミオンホスト物質FeGeのエピタキシャル薄膜の作製と電子線リソグラフィー法によるナノ加工回路作製の成功、(ii) それらのスキルミオンナノ回路における単一スキルミオンの生成(書込)と消滅(消去)の磁場による制御、(iii) 単一スキルミオン生成消滅過程のトポロジカルホール効果による電気的検出(読出)、(iv) 上記実験成果を論文として出版 [N. Kanazawa et al., Phys. Rev. B 91, 041122(R) (2015).]の4項目が主に挙げられる。これらの結果は、スキルミオンメモリのひな形作製の実験的実証の第一歩であり、現在激しい競争が繰り広げられているスキルミオンメモリ開発に対して重要な意義を示した。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2014-08-29 - 2015-03-31

【配分額】1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】25400317 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル原子層物質 / トポロジカル絶縁体 / スキルミオン / スカーミオン / トポロジカル・ソリトン / ワイル半金属 / トポロジカル相転移 / ループ・ノード半金属 / トポロジカル物質 / 砂時計フェルミオン / マルチ・バンド・タッチング・フェルミオン / ノンシンモルフィック対称性 / ディラック半金属 / バレートロニクス / 原子層物質 / トポロジカル散逸構造 / トポロジカル超伝導体 / マヨラナ粒子 / シリセン / Skyrmion / フォスフォレン / 量子スピンホール効果 / スピン軌道相互作用 / スピントロニクス / トポロジカル・エレクトロニクス

【研究成果の概要】

シリセン、ゲルマネン、スタネンをはじめとするトポロジカル原子層物質の物性を研究した。電場や光照射による様々なトポロジカル相転移を明らかにし、トポロジカル電界効果トランジスターなどのトポロジカル・デバイスを提案した。第五族や第三族の原子層物質の電子物性の研究も行った。具体的には燐の原子層物質であるフォスフォレンのエッジ状態を明らかにした。ヒ素の原子層物質であるアルセネンやアルミニウムの原子層物質であるアルミネンのバンド構造を世界に先駆けて第一原理計算を用いて明らかにした。
また、磁性体中のトポロジカル・ソリトンであるスキルミオンの非平衡ダイナミクスも数値シミュレーションを用いて解析した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)