(57)【要約】【課題】Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅ系の結晶中に生成されるスキルミオンについて、鉄の割合ｘを変化させることでスピン軌道相互作用の強さを変化させ、これによりスキルミオンのサイズと渦の向きを任意に制御する方法を提供する。【解決手段】Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅの結晶中に生成されるスキルミオン１のサイズと渦の向きの制御方法。Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅの結晶作成時にｘの割合を変化させることで前記スキルミオン１の前記サイズと前記渦の向きを制御する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅの結晶中に生成されるスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法であって、Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅの結晶作成時にｘの割合を変化させることで前記スキルミオンの前記サイズと前記渦の向きを制御することを特徴とするスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法。
【請求項２】
前記スキルミオンの前記サイズは５〜２００ｎｍの範囲で連続的に制御されることを特徴とする請求項１記載のスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法。
【請求項３】
前記Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅの結晶の生成は、アーク溶解と高圧合成とにより行われることを特徴とする請求項１叉は２に記載のスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法。
【請求項４】
所望のサイズと渦の向きを有するスキルミオンが生成されるＭｎ１−ｘＦｅｘＧｅの多結晶試料を得るようｘの調整をしたＭｎ、Ｆｅ、Ｇｅの化学量論混合物について、アーク溶解を行った後、更に高圧合成を行い前記多結晶試料を生成する工程と、
前記多結晶試料に磁場を印加する工程と、
を行うことにより前記多結晶試料中に生成されることを特徴とするスキルミオン結晶。
【請求項５】
前記多結晶試料中に生成される前記スキルミオンのサイズは５〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項４記載のスキルミオン結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅ系の結晶中に形成されるスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法及びスキルミオン結晶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体エレクトロニクスでは、電子における電荷とスピンという２つの性質のうち、電荷の活用に焦点を当てたものが殆どであった。一方、電子のもう１つの性質であるスピンを積極的に活用するスピントロニクスも近年において特に注目されている電子技術であり、次世代の革新的な特徴・機能を持つデバイスとして高い期待が寄せられている。
【０００３】
一般的に電子のスピンは、物質の磁気的な振る舞いに大きく関係しており、スピンが同一方向に揃う場合には、通常の磁性体としての性質が現れる。これに対し、一部の特殊な磁性体において、電子のスピンが自発的に「スキルミオン」と呼ばれる構造を作ることが近年において明らかにされている。
【０００４】
スキルミオンは、物質中に生じるスピン秩序が周期的に配列したトポロジカルな磁気構造である。スキルミオンは、スピンの連続的な変化に対して壊れることがない、非常に安定的な構造を持つ（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
このように、特定の温度下、磁場下においてスキルミオンが格子状に規則的に配列している構造をスキルミオン結晶といい、小角中性子線回折法を用いたＢ２０型のＭｎＳｉの解析により発見され、Ｂ２０型合金をローレンツ透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いることで直接観察することができる。
【０００６】
スキルミオンの大きさは、直径１０〜１００ｎｍ程度であることから、高い情報密度を持つ次世代のスピントロニクスデバイスとして期待されている。
【０００７】
また、スキルミオンは、強磁性体における磁壁と比較して、１０万分の１程度の微小な電流で磁気構造体をコントロールすることができ、工学的に優れた特性を示す。
【０００８】
また、結晶中に生成されるスキルミオンの数は、量子的ベリー位相を通過する磁束に応じて変化する性質を備えていて、これによりスキルミオン結晶には位相的ホール効果が生じていることが分かる。
【０００９】
更にスキルミオン結晶は他の興味深い性質も示し、例えば超低電力密度（＜１００Ａｃｍ−２）においてほぼピン止め効果の働かない挙動を示したり、絶縁体中でスキルミオンによる電気分極が生じたりする性質がある。
【００１０】
こうした数々の特異な性質を有することにより、スキルミオンは、高密度省電力データデバイスへの応用や演算デバイスへの応用が期待されている。またスキルミオンは、その特殊なスピン配列であるため粒子としての性質を持ち、ナノメータサイズで構成されることから、高速で省電力の磁気メモリ素子の記録ビットへの応用が期待されている。
【００１１】
ところで、過去のスキルミオンの研究において、スキルミオンの結晶構造の理論研究が先ず行われており、ＭｎＳｉや、ＦｅＧｅ、Ｆｅ１−ｘＣｏｘＧｅ等のＢ２０構造を有する金属系のカイラル磁性体において強磁性交換相互作用とＤＭ（ジャロシンスキー・守谷）相互作用、更には面直磁場のゼーマン相互作用等により生じることが実験的に検証されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【００１２】
特に近年において、絶縁体のカイラル磁性体Ｃｕ２ＯＳｅＯ３においても、ある磁場温度域になるとスキルミオン相が発現することも確認されている（例えば、非特許文献２参照。）。このＣｕ２ＯＳｅＯ３では、スキルミオンがスピン軌道相互作用を通じて誘電分極を誘起することにより、強誘電体としての機能も併せ持つマルチフェロイックスとしての特性を発現させるとともに、当該スキルミオンに基づく新たな電磁気現象の発現も期待されている。
【００１３】
また近年においては、スキルミオンの制御手法の確立やスキルミオンを基盤としたデバイスの開発を行うため、スキルミオンの性質の詳細を解明するための基礎研究や、スキルミオンの新奇な外場応答を探索するための研究も行われている。
【００１４】
スキルミオンが電磁波に対して応答を示す特性を利用して逆にスキルミオンを制御する方法も提案されている（例えば、非特許文献３参照。）。また電磁波による磁気共鳴に基づいてスキルミオンの回転運動や並進運動をするための技術も提案されている。
【００１５】
ところで、キラリティ、すなわち右手系又は左手系の対掌性は、科学分野の広範にわたる重要な概念である。キラリティは分子や結晶構造において見出されるだけでなく、磁気的構造においても見出される構造であるため、こうしたスキルミオンの研究においても重要な概念となっている。
【００１６】
具体的には、キラル格子のらせん磁性体中に観察される磁気のスキルミオンは、位相的に安定したスピンの渦構造であり、スピンの渦の方向（ヘリシティ）は時計回りと反時計回りの２つの方向があるため、こうした磁気的構造もキラリティを生じるものとなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Yu, X. Z. et al. Near room temperature formation of a Skyrmion crystal thinfilms of the helimagnet FeGe. Nat. Mat. 10, 106-109 (2011).
【非特許文献２】Seki, S., Ishiwata, S. & Tokura, Y. Magnetoelectric nature of Skyrmion in a chiral magnetic insulator Cu2OSeO3. Phys. Rev. B 86, 06403 (2012).
【非特許文献３】Schultz, T. et al. Emergent electrodynamics of Skyrmions in a chiral magnet.Nat. Phys. 8, 301-304 (2012).
【非特許文献４】Onose, Y., Okamura, Y., Seki, S., Ishiwata, S. & Tokura, Y. Observation of magnetic excitations of Skyrmion crystal in a helimagnetic insulator Cu2OSeO3.Phys. Rev. Lett. 109, 037603 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
こうした興味深い電磁気的な性質があるにも関わらず、結晶工学は従来の強磁性体の分野と比べてスキルミオン結晶の構造の制御（格子定数、格子形状及び磁気の渦の方向等を含む）という点については一切確立されていない。
【００１９】
具体的には、例えばスピントロニクスデバイスにおいて読み取り可能なスキルミオンのサイズに制限がある場合には、生成されるスキルミオンのサイズを読み取り可能な所定の範囲内とする必要がある。
【００２０】
また、スキルミオンの渦の向きがスピントロニクスデバイスにおいて扱われる情報を担うよう構成することも考えられるため、この渦の向きを制御可能にすることが望ましい。
このように、スキルミオンのサイズと渦の向きを制御することができればスピントロニクスデバイスの開発に大きく貢献することができるにも関わらず、こうした制御を行う方法はまだ開発されていなかった。
【００２１】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅ系の結晶中に生成されるスキルミオンについて、そのサイズと渦の向きを制御する方法及びこうして形成されるサイズと渦の向きを制御可能なスキルミオン結晶を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者は、上述した課題を解決するために、Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅ系の結晶中に生成されるスキルミオンについて、そのサイズと渦の向きを制御する方法及びサイズと渦の向きを制御可能なスキルミオン結晶を発明した。
【００２３】
第１発明に係るスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法は、Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅの結晶中に生成されるスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法であって、Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅの結晶作成時にｘの割合を変化させることで前記スキルミオンの前記サイズと前記渦の向きを制御することを特徴とする。
【００２４】
第２発明に係るスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法は、第１発明に係るスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法において、前記スキルミオンの前記サイズは５〜２００ｎｍの範囲で連続的に制御されることを特徴とする。
【００２５】
第３発明に係るスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法は、第１発明又は第２発明に係るスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法において、前記Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅの結晶の生成は、アーク溶解と高圧合成とにより行われることを特徴とする。
【００２６】
第４発明に係るスキルミオン結晶は、所望のサイズと渦の向きを有するスキルミオンが生成されるＭｎ１−ｘＦｅｘＧｅの多結晶試料を得るようｘの調整をしたＭｎ、Ｆｅ、Ｇｅの化学量論混合物について、アーク溶解を行った後、更に高圧合成を行い前記多結晶試料を生成する工程と、前記多結晶試料に磁場を印加する工程と、を行うことにより前記多結晶試料中に生成されることを特徴とする。
【００２７】
第５発明に係るスキルミオン結晶は、第４発明に係るスキルミオン結晶において、前記多結晶試料中に生成される前記スキルミオンのサイズは５〜２００ｎｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
上述した構成からなる本発明によれば、Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅ系の結晶中に生成されるスキルミオンについて、鉄の割合ｘを変化させることでスピン軌道相互作用の強さを変化させ、これによりスキルミオンのサイズと渦の向きを任意に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】スキルミオンを示す模式図である。
【図２】結晶と磁気のキラリティの定義を示す模式図であり、図２ａは右手系と左手系の光学異性体を示す模式図、図２ｂはらせん状の磁気の配列についての磁気−モーメント構造を示す模式図、図２ｃは外部磁場が下向きに印加された場合における、平面内のスキルミオンのらせん構造中に含まれる磁気モーメントの構造、図２ｄはローレンツＴＥＭがスキルミオンの観察とその渦の向きの決定に使われる様子を示す模式図、図２ｅはＦｅＧｅ系において観察される過焦点像である。
【図３】図３ａはＭｎ１−ｘＦｅｘＧｅの組成ｘが０．６〜０．７の試料におけるローレンツ電子顕微鏡像を示す図、図３ｂは、図３ａに示した領域の組成分布を示す図、図３ｃは、図３ａと図３ｂから得られたスキルミオンのサイズと組成ｘの関係を示すグラフである。
【図４】磁気周期（スキルミオンサイズとらせん磁気構造周期）の組成依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態としてのスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法について詳細に説明する。
【００３１】
図１は、スキルミオンを示す模式図である。図１に模式的に示すスキルミオンは、渦状のスピン構造であり、スピンは球面を包み込むようにあらゆる方向に向いていて、この状態の位相の符号は−１となる。
【００３２】
スキルミオン１は、あらゆる方向をむくスピン２で構成されている。スキルミオン１に印加される磁場Ｈの方向が図中上向きである場合に、最外周のスピン２ａは、その磁場Ｈの方向と同様に上向きで、且つ磁場Ｈと平行とされている。
【００３３】
スキルミオン１は、その最外周から渦巻状に内側へ向けて回転していく平面形態とされ、これに伴ってスピン２の方向は徐々に向きを変えることとなる。そしてスキルミオン１の中心を構成するスピン２ｂは、磁場Ｈと反平行となるように、下向きで安定することとなる。
【００３４】
スキルミオン１では、スピン２が中心から最外周に至るまで下向きから上向きに方向が連続的に遷移し、且つ規則的に並んだ構造とされている。複数の電子スピンが渦のように規則的に並んだ構造をしている。
【００３５】
中心のスピン２ｂと最外周のスピン２ａの向きは反平行で、中心から外周の間にあるスピン２の向きは連続的にねじれ、渦巻き構造を形成する。
【００３６】
このようなスキルミオン１に対して、例えば特定の周波数からなる電磁波を照射することにより、スキルミオンを磁気共鳴させ、ひいてはこのスキルミオンを時計回りに回転させ、或いは反時計回りに回転させる等の運動を行わせることも可能となる。
【００３７】
スキルミオンはキラル結晶中において安定的に存在し、主に六方格子状（時折正方格子状や単純立方格子状）に生成される。こうした磁気的に秩序のある状態をスキルミオン結晶という。
【００３８】
本願発明者らは、混合結晶を用いたスキルミオンのサイズと磁気の渦の向きの制御について、スピノーダル分離について固有の性質を有するＭｎ１−ｘＦｅｘＧｅに狙いを絞って研究をした結果、様々な組成を示す多数の領域を作成することに成功した。
【００３９】
こうしたＭｎ１−ｘＦｅｘＧｅ中にスキルミオンを生成させる方法について説明する。
【００４０】
まず、Ｍｎ、Ｆｅ及びＧｅの化学量論混合物について、アーク溶解を行った後、更に高圧合成（４−４．５ＧＰａ、８００℃、１ｈ）を行い、Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅの多結晶試料が得られた。
【００４１】
次に、粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）により、得られた多結晶試料の相純度が確認された。ＸＲＤパターンにより算出された格子定数は凡そベガードの法則に従うものであった。
【００４２】
次に、多結晶の薄いプレート状のサンプルが、機械的薄層化とそれに続くアルゴンイオンミリングにより作成された。
【００４３】
次に、こうして得られた試料について、各領域のスキルミオン定数、各領域の定数ｘ及び結晶のキラリティを解析するため、ローレンツ透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、エネルギー分散Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）及び収束ビーム電子線回折（ＣＢＥＤ）が行われた。
【００４４】
具体的には、得られたサンプルに対する実空間磁気構造のイメージ化のため、ローレンツＴＥＭによる解析が行われた。ローレンツＴＥＭは、２００ｋＶで、ＣＣＤ（Charge-coupled device）カメラを用いて行われた。
【００４５】
ローレンツＴＥＭによる解像可能なサイズは２ｎｍ以下である。ローレンツＴＥＭを行う際のサンプルの温度管理は、液体窒素を用いた試料の冷却ホルダを用いて行われた。また、磁場は試料プレートに対して垂直（又は入射する電子線に対して平行）となるようにＴＥＭの対物レンズ電流を制御しつつ印加された。
【００４６】
次に、２００ｋＶで、走査型透過電子顕微鏡（JEM-2010F）とＥＤＸ検出器（３０ｍｍのシリコンドリフト検出器を有するBruker X-Flash 5030）が設けられたＴＥＭを用いたＥＤＸにより、組成のマップが得られた。
【００４７】
次に、結晶のキラリティを同定するため、ＣＢＥＤが、ローレンツＴＥＭと同じ顕微鏡を用いて行われた。第１次ラウレゾーンを含むＣＢＥＤのパターンは、ＣＣＤカメラを用いて得られ、ＭＢＦＩＴのソフトウェアを用いて比較、計算された。
【００４８】
こうした観察の結果、スキルミオン結晶は、その結晶定数に広い分布があるのみならず、ｘの変化に基づく結晶のキラリティの変化によりスキルミオンの渦の向きに逆転が生じることが判明した。また、これらの現象は、混合結晶系の符号の逆転とともに生じるスピン−軌道カップリング強度の連続的な変化に起因することが判明した。
【００４９】
このように、Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅ内において生成され、広範かつ連続的に調整可能なスキルミオンは、スキルミオンを含むスピントロニックデバイスの作成に非常に重要な役割を果たすことが予想される。
【００５０】
図２は、結晶と磁気のキラリティの定義を示す模式図である。この構造は非中心対称であり、図２ａの投影図に模式的に示すように、右手系と左手系の光学異性体が存在する。結晶の掌性は、炭素族元素（Ｇｅ）の構造のキラリティに従い定義されている。
【００５１】
こうしたキラル格子のらせん磁性は、式（１）に示す有効ハミルトニアンによりそのスピンの系が定義される。
【００５２】
【数１】
2015154002.tif 000003
【００５３】
上記式（１）において、Ｍは空間的に変化する磁化、Ｊは強磁性交換相互作用、αはジャロンスキー−守谷相互作用（ＤＭ）定数、ｒは３次元位置ベクターを示している。
【００５４】
基底状態において、適切なねじ式のらせん磁性構造が安定的に形成される。このモデルでは、波ベクトルｑはα／Ｊに比例する大きさを有している。
【００５５】
非対称なＤＭ相互作用により、スピンらせん構造のキラリティ（以下「磁気の渦の向き」という。）は、αの符号に基づいて決まる。αの符号は結晶のキラリティと、スピン軌道カップリングの符号（Γｃ）に基づき決まることが知られている。
【００５６】
図２ｂは、らせん状の磁気の配列についての磁気−モーメント構造を示している。伝播ベクトルｑがＭ１×Ｍ２（Ｍ１とＭ２はｑの方向に基づく磁気モーメント）と平行であるとき、この状態は右手系のらせん、磁気の渦の向きはγｍ＝＋と表される。また、伝播ベクトルｑがＭ１×Ｍ２と逆平行であるとき、この状態はそれぞれ左手系のらせん、そして磁気の渦の向きγｍ＝−と表される。
【００５７】
スキルミオンは薄いフィルム状の強磁性体中に対し、外部磁場Ｂを垂直に印加したときに発生する。２つの構造、すなわち時計回り（ＣＷ）又は反時計回り（ＡＣＷ）の面内磁気モーメントの渦が、αの符号に応じ、エネルギー的に有利な状態となることで、対応するγｍが所定の格子キラリティで結晶の領域中に現れる。このように、平面内のスキルミオンの磁気−モーメント構造は、ＡＣＷ（ＣＷ）がγｍ＝＋（−）となるようにして定まる。
【００５８】
上述したローレンツＴＥＭは、実際の空間におけるトポロジー的なスピン構造の磁化分布を可視化する有効な手法である。入射する電子線は、試料中の局所的な面内磁気誘導に起因するローレンツ力により屈折され、面内磁化の空間的変動は、ぼやけた像面（不足焦点又は過焦点（オーバーフォーカス））内で収束（明るいコントラスト）又は発散（暗いコントラスト）した状態となる。
【００５９】
この手法を用いて、らせん状の磁気構造が縞模様として可視化される。しかし、ローレンツＴＥＭにより得られるのは面内の構造のみであるため、ローレンツ画像によっては適切な渦巻き構造についてのγｍに関する情報を得ることはできない。
【００６０】
一方、ＴＥＭの対物レンズ電流が形成されるＢ領域におけるスキルミオンのＴＥＭ画像は、上述した渦の向きについての十分な情報を有している。図２ｄに示すように、面内ＡＣＷ（ＣＷ）磁気モーメント構造は凸（凹）レンズとして機能し、過焦点の像面において明るい（暗い）点として表れる。
【００６１】
こうして、過焦点の像では、スキルミオンの位置とらせんの向きとが、それぞれスポット像とそのコントラストとして同時に可視化される。図２ｅは、ＦｅＧｅ系において観察される過焦点像を示している。図２ｅに示すように、面内磁気モーメントの再現は、過焦点及び不足焦点の画像の両方について強度輸送方程式を解くことで行われる。
【００６２】
図３ａはＭｎ１−ｘＦｅｘＧｅの組成ｘが０．６〜０．７の試料におけるローレンツ電子顕微鏡像を示す図である。黒いスポットはそれぞれスキルミオンを示している。また、ａｓｋは、化合物ｘ中のスキルミオン格子定数（スキルミオン間の距離の平均値）を示している。図３ａの左下から右上にかけて、次第にスキルミオンのサイズが小さくなっていることが分かる。
【００６３】
このサイズの異なるスキルミオンのそれぞれについて、組成ｘの解析が行われた。図３ｂは、図３ａに示した領域の組成分布を示す図である。図３ｂに示すデータは、ＥＤＸを用いて得られるものである。これより、スキルミオンのサイズが大きい左下に向うに従い、組成ｘが大きくなっている。
【００６４】
図３ｃは、図３ａと図３ｂから得られたスキルミオンのサイズと組成ｘ、すなわち鉄の割合との関係を示すグラフである。
【００６５】
これらのグラフから、Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅに含まれる鉄の割合ｘが変化することによってスキルミオンのサイズａｓｋが変化していることが分かる。
【００６６】
図４は、磁気周期（スキルミオンサイズとらせん磁気構造周期）の組成依存性を示すグラフである。スキルミオンのサイズを√（３／２）倍したもの（図中の黒丸）を、らせん磁気構造の周期（図中の×印）と共に表している。
【００６７】
スキルミオンは、鉄の割合ｘの変化に応じて５〜２００ｎｍ程度までは連続的に変化する。そして、ｘ＝０．８付近ではスキルミオンのサイズは大きくなり、ｘ＝０．８を境に渦の向きが左巻きから右巻きへと変化する。
【００６８】
そして、実際にスキルミオンのサイズに加え、らせん磁気構造の周期と組成の関係を分析した結果、サイズと周期は５〜２００ｎｍ程度まで、途中でスキルミオンの渦の向きの反転を伴って、連続的に制御できることが分かった。これは、組成ｘの変化によって電子の相対論的硬化の１つであるスピン軌道相互作用の強さが変化していることを示している。すなわち、スピン軌道相互作用の強さがスキルミオンのサイズと渦の向きを決める要素であることを示している。
【００６９】
このように、本実施形態に係るＭｎ１−ｘＦｅｘＧｅにおけるスキルミオンのサイズと渦の向きの制御方法によると、Ｍｎ１−ｘＦｅｘＧｅ系の結晶中に生成されるスキルミオンについて、鉄の割合ｘを変化させることでスピン軌道相互作用の強さを変化させ、これによりスキルミオンのサイズと渦の向きを任意に制御することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１  スキルミオン
２、２ａ、２ｂ  スピン
Ｈ  磁場
【図１】
2015154002.tif 000004
【図４】
2015154002.tif 000005
【図２】
2015154002.tif 000006
【図３】
2015154002.tif 000007