Research

研究成果のハイライト

磁気スキルミオンは、代表的な2次元トポロジカル磁気構造であり、面内のスピン流によって駆動されるスキルミオンホール効果を示すことが知られています。トポロジカルに保護された安定性と、極めて低い電流密度で駆動できることから、磁気スキルミオンは不揮発性レーストラックメモリとしての応用が期待されています。

私たちは、ドイツ・カールスルーエ工科大学のMarkus Garst研究室との共同研究により、３次元的な構造を持つスキルミオン紐の電流駆動に関する研究を行いました。磁気スキルミオン紐に沿った方向にスピン偏極した電流を印加すると、磁気スキルミオン紐が不安定化するということを明らかにしました。この縦スピン流が誘起する並進ゴールドストーンモードに起因した不安定性は、磁気スキルミオン紐を螺旋状に変形させ、最終的には破壊していまいます [1]。私たちは、同様の不安定性が周期的な磁気スキルミオン結晶においても現れることも示しました。

磁気モノポールは、真空中では未発見の素粒子の一つですが、量子物質中において実現しうると考えられています。(反)磁気ヘッジホッグは、３次元的なトポロジカル磁気欠陥であり、その創発磁場によって有効的な(反)磁気モノポールを形成します。この磁気モノポールと反磁気モノポールは、ディラックの弦の一つとしてみなされる磁気スキルミオン紐によって繋がれており、このような構造は磁気トロンとも呼ばれます。

私たちは、磁気ヘッジホッグ格子を通して、磁気モノポール結晶の物理を理論的に開拓してきました。まず私たちはカイラルな遍歴磁性体において、磁気ヘッジホッグ格子がゼロ磁場かつ基底状態で安定化することを初めて見出しました。また、磁場下において、磁気モノポールと反モノポールの対消滅による多段トポロジカル転移を発見し、非単調なトポロジカルホール効果を引き起こすことを明らかにしました [1]。さらに、最近では、空間反転心を持つ遍歴磁性体においても磁気ヘッジホッグ格子が現れることを示し、磁気モノポールが発現する材料探索のプラットフォームを広げる提案を行っています [2]。

ワイル状態は、線形なバンド分散とカイラリティを有する３次元的なトポロジカル電子状態の１つです。物質中に現れるワイル準粒子は、波数空間における磁気モノポールとしてみなすことができ、異常な量子輸送現象を示すことが知られています。光と物質の相互作用を用いてワイル状態を生み出し制御することは、重要かつ挑戦的な研究課題となっています。

私たちは、フロッケエンジニアリングの考え方を用いて円偏光を照射した３次元ディラック半金属の振る舞いについて調べてきました。その結果、円偏光が誘起するディラック・ワイル転移において、カイラルゲージ場と１光子共鳴という２つの異なる機構が存在することがわかりました [1]。私たちは、東京大学大学院理学系研究科の島野研究室との共同研究において、３次元ディラック半金属であるCo₃Sn₂S₂ [2]やBi [3]に対する実験と比較しながら、それぞれの機構がもたらす光誘起異常ホール伝導度についての理論的な検証を行いました。

カイラル磁性体は、空間反転対称性と時間反転対称性を同時に破ることから、多彩な非線形応答現象を発現する舞台として注目を集めています。特に、ミクロな磁気構造が示す巨大な非線形光学応答は、非従来型の太陽光電池や光学センサといった次世代の光学エレクトロニクスデバイスへの応用が期待されています。

私たちは、伝導電子と結合したコニカル磁性に対して非線形応答理論を用いることによって、光起電力や第二次高調波発生といった電場の２次の光学応答が現れることを提案しました。このカイラル磁性体における光起電力は、ワイル半金属に匹敵する巨大な応答を示すだけでなく、磁化や光の周波数に対して符号変化まで含めた高い操作性を持つことを明らかにしました [1]。