以東京大學研究生院工學系研究科的高木裏奈助教和關真一郎副教授等人爲中心的研究團隊，與日本理化學研究所、東京大學物性研究所、日本原子力研究開發機構、綜合科學研究機構和東京大學研究生院新領域創成科學研究科開展聯合研究，着眼於擁有簡單晶體結構的EuAl4（Eu：銪，Al：鋁）實施了中介子和X射線散射實驗，發現生成了直徑爲3.5奈米的超高密度磁性斯格明子。另外還發現，隨着磁場和溫度發生變化，磁性斯格明子的排列方式會由方形晶格變爲菱形晶格，並應答這種變化起源於在物質中行程的電子介導相輔作用。
圖1：（a）磁性斯格明子的模式圖。各個箭頭表示每個銪（Eu）原子的磁矩方向。（b）EuAl4的晶體結構。（供圖：東京大學研究生院工學系研究科綜合研究機構物理可用能工學專業助教高木裏奈）
隨着資訊科技應用的加速，資訊記錄的大容量化和節能化成爲課題。「磁性斯格明子」的自旋漩渦是新一代超高密度磁性記錄領域最具潛力的技術，全世界都在推進相關材料的開發。
研究團隊此次研究的EuAl4是保持了空間反演對稱的方形晶格結構二元合金，具有Eu和Al分別形成的二維層交替層疊的簡單結構。爲詳細調查這種物質的磁性結構，研究團隊在高強度質子加速器設施J-PARC和日本原子力研究開發機構的研究反應器JRR-3中實施了中子散射實驗，在德國電子同步加速器研究所DESY實施了X射線散射實驗。
實驗發現，改變溫度和磁場後，磁性結構會發生多階段變化，中間的磁場區域會出現直徑爲3.5奈米的磁性斯格明子有序排列組成正方形晶格的狀態。另外，改變磁場的強度後，磁性斯格明子的排列會發生變化，變爲組成菱形晶格排列的狀態。這表明，在這種物質中，磁性斯格明子的排列方式有一定的自由度，有望透過外場來控制排列。
圖2：（a）EuAl4的磁相圖。（b）觀測的磁性斯格明子的方形晶格（III）和菱形晶格（II）的模式圖。背景顏色表示電子磁矩的垂直度分量的方向，紅色部分朝向正面，藍色部分朝向另一面。（供圖：東京大學研究生院工學系研究科綜合研究機構物理可用能工學專業助教高木裏奈）
此外，研究團隊還使用磁性金屬的理論模式對方形晶格中的磁性結構進行了類比計算，充分再現了實驗中觀測到的磁性斯格明子的排列變化。這表明，在物質中行程的電子介導的磁性相輔作用在磁性斯格明子的形成中發揮了主要作用。
高木助教表示：「此次的研究證明，由兩種元素構成的簡單晶體結構的合金中形成了超高密度的磁性斯格明子，並應答磁性斯格明子的排列方式會隨着外場變化，這有助於實施無需使用多種原料的簡單材料設計，透過探索此次這種排列自由度高且具有超高密度磁性斯格明子的物質，有望爲新一代磁存儲材料的實施開闢道路。」
【論文資訊】
期刊名稱：《Nature Communications》
論文題目：Square and rhombic lattices of magnetic skyrmions in a centrosymmetric binary compound
DOI：10.1038/s41467-022-29131-9
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
