研究内容

物質開拓を基点とした創発エレクトロニクス・スピントロニクス

 私たちは、トポロジーと対称性を切り口とした新物質開拓を通じて、革新的なエレクトロニクス・スピントロニクス機能を実現することを目指しています。

 通常、電子の振る舞いは外部から与えられた電場や磁場によって制御されます。一方、トポロジカルな秩序構造を伴う物質中では、電子が曲がった空間を感じることにより「創発電磁場」と呼ばれる巨大な仮想電磁場が生じることが発見され、その積極的な活用は物質中の電子の制御手法を根底から変える可能性を秘めています。

 本研究室では、こうした系のトポロジー・対称性に由来した未踏の量子現象が発現する新物質の設計・開拓を行うとともに、微細加工技術を駆使したマイクロデバイスの作成・計測を通じて、超低消費電力な情報処理・超高感度なセンシング等の応用につながる、新しい電子機能の実現に取り組んでいます。

創発電磁場の起源としては、たとえばスキルミオン(実空間における渦状の磁気構造)や、ワイル点(波数空間における電子構造のバンド交差点)が知られています。こうしたトポロジカルな秩序構造を伴う新物質の開拓と機能解明を行うことが、本研究室の主な目標の一つです。

最近の研究から:

電場で制御可能な磁気スキルミオンの発見

 磁気スキルミオンは、トポロジカルに安定な粒子としての性質を伴った渦状スピン構造で、その典型的な直径は数百〜数ナノメートル程度と非常に小さく、次世代の超高密度・超低消費電力な磁気記憶素子のための新しい情報担体の候補として、近年盛んに研究されています。

 金属中のスキルミオンは、電流によって動かすことができますが、この方法ではジュール発熱(電流の2乗に比例)に伴うエネルギー損失が避けられないという課題がありました。本研究室では、キラル対称性に立脚した物質設計指針に基づいて、スキルミオンを伴う初めての絶縁体物質(Cu2OSeO3)を発見することに成功し、さらに絶縁体中のスキルミオンが電気分極を誘起していることを明らかにしました。このようなスキルミオンと電気分極の強い結合は、電場によってスキルミオンの安定性やダイナミクスを制御できることを強く示唆しています。実際にその後の追加実験により、電場によるスキルミオンの不揮発な生成・消去や、共鳴運動の駆動ができることも証明されました。

 金属中の電流とは異なり、絶縁体中の電場はジュール損失を生じないことから、上記の発見はスキルミオンを電気的に制御するためのよりエネルギー効率の高い手法を与えていると考えられます。

[1] S. Seki et al., Science 336, 198 (2012).
[2] Y. Okamura, S. Seki et al., Nature Communications 4, 2391 (2013).
[3] Y. Okamura, S. Seki et al., Nature Communications 7, 12669 (2016).


スキルミオンストリングのダイナミクスの解明

 2次元系におけるスキルミオンは粒子としての性質を持ちますが、バルク結晶のような3次元系では、スキルミオンは「ひも」状の構造を持つことが知られています。

 本研究室では、伝搬スピン波分光法と呼ばれる測定手法を用いて、スピン励起の伝搬特性を評価することにより、スキルミオンストリングが異なる伝搬特性・分散関係を伴う3つの伝搬励起モードを持つこと、またこの励起モードが「ひも」の直径の1000倍以上の極めて長い距離を伝搬できることを明らかにしました。

 スキルミオンストリングは、超伝導体・超流動体における渦糸や、宇宙論の分野で議論されている宇宙紐と類似した性質を持ち、トポロジカルな保護に由来して自由に曲げることができるほか、その励起モードは曲がった「ひも」に沿って伝搬することが理論的に予測されています。上記の結果は、スキルミオンストリングをフレキシブルで強靱な情報伝送ラインとして利用できる可能性を示しています。

[1] S. Seki et al., arXiv:1902.10302


マグノン・フォノンの非相反伝搬現象(磁気カイラル効果)の観測

 キラルな構造を持った磁性体のように、時間反転対称性と空間反転対称性の両方が同時に破れた系では、順方向・逆方向に伝搬する準粒子流が異なる伝搬特性を示す、「磁気カイラル効果」と呼ばれる現象(一種のダイオード効果)の発現が予測されています。

 従来、この現象は光と伝導電子に対してのみ報告されていましたが、本研究室では新たに磁気励起(マグノン)と格子振動(フォノン)に対しても、同様のダイオード効果が発現することを実験的に明らかにしました。

 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、上記の発見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ます。

[1] T. Nomura, S. Seki et al., Phys. Rev. Lett. 122, 145901 (2019). [Editor’s suggestion, Highlighted in Physics]
[2] R. Takagi, S. Seki et al.Phys. Rev. B 95, 220406(R) (2017).
[3] S. Seki et al., Phys. Rev. B 93, 235131 (2016).


反強磁性スピントロニクスの基礎学理

 電子は電荷とスピンの2つの自由度を持つ粒子であり、電荷の流れである電流がジュール損失を生じるのに対して、スピン角運動量の流れであるスピン流は本質的にエネルギー非散逸であるため、省電力な電子素子のための新しい情報媒体として大きな注目を集めています。

 スピン流は、絶縁体中では局在スピンの振動波であるマグノンによって運ばれますが、従来のマグノンスピン流の研究はもっぱら単純な強磁性体に限られていました。本研究室では、新たに反強磁性体に対してスピンゼーベック効果(熱的にスピン流を誘起する現象)の測定を行うことで、反強磁性体中のマグノンがスピン流の担い手となれることを初めて実証しました。

 反強磁性体は、強磁性体と比較して漏れ磁界が小さく、高速なスピンダイナミクスを伴うといった特徴を備えており、最近ではその秩序変数が波数空間のトポロジカルな電子構造と結合して特異な外場応答を示すことが明らかにされるなど、次世代のスピントロニクスのための基幹材料として急速に研究が進んでいます。本研究室でも、こうした世界的な潮流を踏まえながら、反強磁性スピントロニクスを基礎づけるための更なる新現象の開拓に取り組んでいます。

[1] S. Seki et al., Phys. Rev. Lett. 115, 266601 (2015). [Editor’s Suggestion, Highlighted in Nature Nanotechnology and Physics]