Exploration of electromagnetic phenomena based on dynamics of topology change

トポロジーに関する物性研究は近年盛んに行われている一方で、ゆらぎによるトポロジーの変化に着目した研究は数少なく、新現象や新概念に繋がる可能性を秘めています。本研究課題では、トポロジー変化に着目して新奇な電磁応答の開拓に取り組みます。初年度の研究では、キラル磁性体MnSiにおいてスピンのトポロジー変化に由来する現象を探究しました。磁気スキルミオンと強磁性は、スピンの連続変形で行き来することができない磁気構造であるため、異なるトポロジーに分類されます。MnSi中に発生する磁気スキルミオン格子は20nm程度の周期構造であり、ユニットセルの長さスケールではスピンがほぼ強磁性的に揃っています。また、MnSiにおいて磁気構造を形成する電子と伝導を担う電子は、いずれもMnイオンのd電子に由来します。これらの要因によって、十分に低温では伝導電子は磁気構造とスピンの向きを揃えながら運動し、磁気スキルミオン中の伝導電子はあたかも磁場中に存在するかのように振る舞います。この仮想的な磁場は創発磁場と呼ばれています。しかし、熱ゆらぎは伝導電子の不連続な変化を引き起こし、トポロジーの異なる状態間の確率的な遷移が起こります。このトポロジー変化によって創発磁場が弱まることを、ホール効果とネルンスト効果の温度依存性の解析から提示しました。創発磁場の減衰が15 K以上で顕著になるので、さらに高い温度では熱ゆらぎによるトポロジー変化がより頻繁に起きていると考えられます。実際に、MnSiの磁気スキルミオン格子は20 K以下の温度域では準安定状態として保持されますが、23 K以上の温度域では数秒程度以下の時間で崩壊します。このように、スピンのトポロジー変化という観点で、ホール効果やネルンスト効果のような線形応答の性質と、準安定状態の崩壊という非線形で不可逆な性質の繋がりを理解できることが分かりました。

トポロジーに関する物性研究は近年盛んに行われている一方で、ゆらぎによるトポロジーの変化に着目した研究は数少なく、新現象や新概念に繋がる可能性を秘めています。本研究課題では、トポロジー変化に着目して新奇な電磁応答の開拓に取り組みます。初年度の研究では、キラル磁性体MnSiにおいてスピンのトポロジー変化に由来する現象を探究しました。磁気スキルミオンと強磁性は、スピンの連続変形で行き来することができない磁気構造であるため、異なるトポロジーに分類されます。MnSi中に発生する磁気スキルミオン格子は20nm程度の周期構造であり、ユニットセルの長さスケールではスピンがほぼ強磁性的に揃っています。また、MnSiにおいて磁気構造を形成する電子と伝導を担う電子は、いずれもMnイオンのd電子に由来します。これらの要因によって、十分に低温では伝導電子は磁気構造とスピンの向きを揃えながら運動し、磁気スキルミオン中の伝導電子はあたかも磁場中に存在するかのように振る舞います。この仮想的な磁場は創発磁場と呼ばれています。しかし、熱ゆらぎは伝導電子の不連続な変化を引き起こし、トポロジーの異なる状態間の確率的な遷移が起こります。このトポロジー変化によって創発磁場が弱まることを、ホール効果とネルンスト効果の温度依存性の解析から提示しました。創発磁場の減衰が15 K以上で顕著になるので、さらに高い温度では熱ゆらぎによるトポロジー変化がより頻繁に起きていると考えられます。実際に、MnSiの磁気スキルミオン格子は20 K以下の温度域では準安定状態として保持されますが、23 K以上の温度域では数秒程度以下の時間で崩壊します。このように、スピンのトポロジー変化という観点で、ホール効果やネルンスト効果のような線形応答の性質と、準安定状態の崩壊という非線形で不可逆な性質の繋がりを理解できることが分かりました。