東京大學研究生院工學研究科物理可用能工學專業的研究團隊構建了一個包含源自手性晶體結構的反對稱交換交互作用和源自巡遊電子系統的自旋-電荷相輔作用的微觀模式，透過利用數值類比分析，在理論上應答了奈米級磁性斯格明子晶相可以穩定存在。
左爲磁性斯格明子晶體結構圖（從中心向外的放射狀箭頭表示自旋方向）。右爲週期結構的磁性斯格明子晶體
近年來在EuPtSi中觀測到了作爲f電子化合物的首個磁性斯格明子晶體。其中觀測到的磁性斯格明子晶體的構成要素——磁渦流的週期與以往的晶體相比非常短，只有幾奈米，另外還表現出了對磁場敏感的特性，但一直不清楚其物理可用能機制。
作爲出現在手性晶體結構中的傳統磁性斯格明子晶體的穩定化機制，試圖使自旋方向一致的鐵磁相輔作用，與試圖使其扭曲的反對稱（自旋-軌道）交換交互作用的競爭效應至關重要。此時實施的磁性斯格明子的尺寸爲數十～數百奈米。另一方面，f電子系統中會出現由在局部磁矩與晶體中的巡遊電子之間發揮作用的自旋-電荷耦合產生的高階磁相輔作用。這些相輔作用統合工作時，手性晶體結構中就可能形成奈米級磁性斯格明子晶體。
研究團隊透過構建並分析包含電子擁有的電荷、自旋和軌道等内部自由度之間的相關效應的理論模式，成功地捕捉到了這些特徵。另外，還從分析結果中發現了所獲得的磁性斯格明子晶體對磁場方向敏感的特性，這表明，對手性晶體結構中的奈米級磁性斯格明子晶體的穩定化來說，電子擁有的電荷、自旋和軌道等内部自由度之間的相關效應發揮着重要作用。
不僅是手性晶體結構，該結果還可應用於各種晶體結構，因此有望爲探索新的奈米級磁性斯格明子晶體物質提供設計指南。
研究成果已經發布在日本物理可用能學會發行的英文期《Journal of the Physical Society of Japan》（JPSJ）7月號（Vol. 90）上。
東京大學研究生院工學研究科的速水賢講師表示：「透過應用獲得的設計指南，在利用磁性斯格明子高度整合所產生的巨大突發磁場的自旋電子器件領域的應用有望取得進展。」
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
