磁気スカーミオンを用いた非平衡熱力学の構築

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磁気スカーミオンは、小型・低エネルギー化が可能となるトポロジカル特性を示す磁区構造である。 本研究では、薄膜ヘテロ構造に安定化するスカーミオンの非線形応答に着目し、物性モデルの新規構築やデバイス応用を目指す。並行して、デバイス実装に適した安定化材料の開拓も行う。３年度目では、Co/Ptポリ結晶薄膜ヘテロ構造で発現する非線形応答を利用することで、スカーミオンを用いた物理リザーバーの構築に成功した。これらの応答領域では、リザーバーに要求される不揮発性・多次元性・非線形性を全て満たすため、入力信号に対する電気応答をホール信号として検出し、再帰させることで、波形認識タスクに対して高い再現性を担保することに成功した。この結果は、スピントロニクス関連素子としては、スピントルク発振子に続く結果で、スカーミオンの非線形応答をデバイス活用した実績として評価できる。平行して、前年度に引き続き、高温稼働・大規模生産が採用可能な、産業応用を視野に入れた材料研究を進めた。この一環として、2010年代後半に提唱された、磁気異方性転移に伴い発現する面内スカーミオンに新たに着目した。室温近傍においてスピン再配列が誘起されるCaCu5型NdCo5を採用し、スパッタ法による薄膜作製を行った。同材料のc軸を基板面内に配向させることで、高温側のスピン再配列に伴い、面内-面直間の異方性転移が生じ、これにより同温度領域での巨大なトポロジカルホール信号の検出に成功した。前年度のMn系逆ホイスラー合金と比較し、トポロジカル信号の消失温度が270K以上と室温近傍まで漸近し、最大化磁場も1Tから大きく減少したことで、将来的なデバイス化で希望される零磁場・室温稼働の特性に近づく結果が得られた。