東京大學研究生院工學系研究科的研究生吉持遙人、高木裏奈助教（研究當時）、關真一郎副教授等人組成的研究團隊，與東京大學物性研究所的中島多朗副教授、北海道大學研究生院理學研究院的速水賢副教授等人進行了聯合研究，在稀土類合金GdRu₂Ge₂中，透過改變外部磁場的大小，成功觀測到了橢圓形斯格明子、梅隆—反梅隆分子、圓形斯格明子等多種自旋結構。相關成果已發表在《Nature Physics》上。
圖1 稀土類合金GdRu₂Ge₂中的多種自旋結構概念圖（供圖：東京大學）
圖2 以各種拓撲數表徵的多種自旋結構概念圖。（供圖：東京大學）
斯格明子（a）及反斯格明子（b）構成的自旋貼合到球面時，正好覆蓋球面一週（e，f），因此可以用整數值的拓撲數Nsk來表徵。梅隆和反梅隆（c，d）正好覆蓋球面的一半（g，h），因此可以用半整數值的拓撲數Nsk來表徵。箭頭表示物質内部的自旋方向，自旋向下時爲藍色，向上時爲紅色。
能夠在磁性材料中觀測到的電子自旋漩渦結構——磁性斯格明子，表現爲受拓撲保存的穩定粒子，由於這一特性，它成爲了備受矚目的新一代資訊載體的候選。傳統理論認爲，斯格明子只在具有低對稱晶體結構的物質中表達，但近年來有研究報導稱，根據新的形成機制，即使在高對稱物質中，也能觀測到直徑數奈米的微小尺寸的斯格明子。
爲此，研究團隊將目光投向了具有保持空間反演對稱的正方晶格結構的稀土類合金GdRu₂Ge₂。該物質具有一種交替層疊結構，由三價釓離子組成的發揮磁性作用的二維正方晶格層和由釕和鍺組成的發揮導電作用的層面交疊而成。
研究人員對該物質進行了磁化測量和電輸運測量，測量了磁化、縱電阻率和霍爾電阻率的磁場依賴性。結果表明，當向層疊方向施加外部磁場時，磁性結構會發生多級相變，特別是在第2級和第4級這兩種磁相中，霍爾電阻率增大。目前已知，通常情況下，當電子在斯格明子上運動時，會反映斯格明子異常的位相結構，感知虛擬磁場並彎曲其前進方向，從而發生拓撲霍耳效應。這裏觀測到的霍爾電阻率的增加被認爲是由這種拓撲霍耳效應引起的，這暗示了該物質中產生了多個斯格明子相。
爲了直接觀測微觀自旋排列，研究人員使用安裝在大強度質子加速器設施J-PARC的光束線上的高解析度斬波光譜儀（HRC）進行了中子散射實驗，並使用日本高能加速器研究機構（KEK）的光量子工廠光束線進行了共振X射線散射實驗。
結果顯示，在第2級和第4級磁相中，直徑2.7奈米的斯格明子在構成晶格的狀態下穩定。此外，研究表明，該物質會對應外部磁場發生多級磁結構性相變，特別是在第2、3、4級磁相中，表現出了橢圓形斯格明子、梅隆—反梅隆分子、圓形斯格明子等多種拓撲自旋結構。
此次的研究成果爲斯格明子相關的微小尺寸新物質提供了設計指南。同時，斯格明子和梅隆—反梅隆分子可以用不同的拓撲數表徵，這使得基於外部磁場的多值存儲操作具有了新的實用化潛力。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Physics
論文：Multistep topological transitions among meron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet
DOI：10.1038/s41567-024-02445-9
