51探花

【本学研究者情报】

〇电気通信研究所　助教　土肥昂尭

【発表のポイント】

• 磁気スキルミオン^（注1）と呼ばれるナノ（10亿分の1）メートルスケールで形成される磁気涡は、室温无磁场下で安定に存在できることから、従来の电子素子に比べて极めて高密度で桁违いに消费电力の低い革新的情报処理技术への応用に向けた研究が进められています。
• 磁気スキルミオンでは、コロイドのような一般的な粒子とは质的に异なるブラウン运动^（注2）を示すことを観测。磁気涡のよじれ（トポロジー^（注3））が拡散性に强く影响することを明らかにし、かつそれを制御する方法を确立しました。
• 磁気スキルミオンの拡散运动を用いた革新的省エネデバイスの実现に向け、重要な知见となる成果です。

【概要】

社会がますますコンピューターに依存するにつれ、情报処理の高速化と素子のさらなる低消费电力化が求められています。近年、ナノメートルスケールで実现する磁気涡の一种である磁気スキルミオンが、高い安定性、电気的制御の容易性の観点から革新的情报処理技术への応用に向けた研究が进められています。磁気スキルミオンの运动は、その涡构造のトポロジーに强く影响されると予测されますが、ブラウン运动に代表されるような拡散运动におけるトポロジーの役割は、これまで明らかにされていませんでした。

今回、东北大学电気通信研究所の土肥昂尭助教、独ウプサラ大学のMarkus Wei?enhofer （マーカス ワイゼンホファ）研究員、独コンスタンツ大学のUlrich Nowak（ウリ ノワク）教授、独マインツ大学ヨハネスグーテンベルグ校のMathias Kl?ui（マティアス クラウィ）教授からなる日独共同研究チームは、逆向きの二つの磁気スキルミオンを人工的に結合させた反強磁性スキルミオン^{（注1, 図1b）}を用いてスキルミオンの拡散运动を详细に调べることで、一般的な粒子とは质的に全く异なるブラウン运动を示すことを発见しました。

その拡散性は、アインシュタインによるブラウン运动の记述で良く知られた拡散と摩擦の関係に加え、トポロジーも密接に関连していることを実験及び理论から明らかにしました。更に人工反强磁性结合したスキルミオンでは、トポロジーに起因する力を通して、この拡散性を制御できることを実証しました。

今回得られた知见を土台にして、スキルミオンを用いる究极的な省エネデバイスの実现に向けた研究开発が进展することが期待されます。

本研究成果は、2023年9月11日（英国時間）に学術誌Nature Communicationsに掲載されました。

図1.　补)磁気スキルミオンと产)人工反强磁性スキルミオン。人工反强磁性スキルミオンでは、お互い逆方向に结合しているため、それらの磁化の大きさ（矢印の大きさ）を制御することによって正味の涡の强さを制御できる。

【用语解説】

注1. 磁気スキルミオン
磁性体中で実現するナノスケールで安定可能な磁気渦（図1 a）。磁気構造の立体角でトポロジーが規定され、磁気スキルミオンは有限の値（1）を持つ。このためナノスケールにおいてさえも極めて安定であり、不純物等の外乱に対して堅牢な構造であると考えられている。図1 b)で示すような、二つの磁気スキルミオンが逆方向に結合したスキルミオンを人工反強磁性結合スキルミオンと呼ぶ。逆方向に結合しているため、お互いの磁化強さの比によって、正味の渦の強さを制御できる。

注2. ドリフト運動、拡散運動(ブラウン運動)
物体の运动は、二つに大别される。一つは、指向性を持つ外力によって駆动されるドリフト运动。もう一つは、热揺らぎのような时间的、方向的なランダム性を持つ外力による确率的な运动である拡散运动である。拡散运动の代表例として、粒子のブラウン运动が良く知られており、アインシュタインによって拡散（揺动）と摩擦（散逸）の関係が明らかにされた。揺动散逸定理の一种として良く知られている。

注3. トポロジー
何らかの系のカタチを连続変形の観点から分类する几何学。良く知られた例としてドーナツとコップの例が挙げられる。ドーナツとコップは同じ穴の数を有しており、连続変形によってお互いに移ることができるが、球のような穴の数が异なる物体には移り変わることができない。ここで、穴の数はトポロジカル数と呼ばれ、この数が异なる系には、移り変わることができないため、ある种の安定性を意味している。磁性体では、磁気モーメント（図1におけるそれぞれの矢印）が球を何回覆うかという指标がトポロジカル数であり、磁気スキルミオンは1という有限の値をとる。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学电気通信研究所
助教 土肥 昂尭
TEL: 022-217-5555
E-mail: tdohi*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（报道に関すること）
东北大学电気通信研究所 総務係
TEL: 022-217-5420
E-mail: riec-somu*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）