電子状態マイクロスコピー研究チーム

主宰者

主宰者名 Xiuzhen Yu
学位 理学博士
役職 チームリーダー
略歴
1990 中国吉林大学大学院電子科学系半導体物理専攻 博士前期課程修了
2002 科学技術振興機構 ERATO 十倉スピン超構造プロジェクト 技術員
2006 物質材料研究機構 ナノ計測センター 先端電子顕微鏡グループ エンジニア
2008 東北大学理学研究科物理学専攻 博士学位取得
2008 物質材料研究機構 ナノ計測センター 先端電子顕微鏡グループ 研究員
2010 科学技術振興機構 ERATO十倉マルチフェロイックスプロジェクト 研究員
2011 理化学研究所 基幹研究所 強相関量子科学研究グループ 特別研究員
2013 同 創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関物性研究グループ 上級研究員
2017 同 電子状態マイクロスコピー研究チーム チームリーダー (現職)

研究室概要

当チームは、原子レベル空間分解能を有する電子顕微鏡を駆使して、強相関電子秩序やスキルミオンなどのトポロジカルスピンテクスチャーの微視的磁気状態とそのダイナミックスの実空間観察を行う。超高速電子線イメージングや微視的磁場・電場の定量計測をはじめとする各種電子線分光法を用いて、高温超伝導材料、遷移金属カルコゲナイト材料、極性強磁性材料やへテロ界面薄膜などの電子結合状態、元素分布、界面構造、相転移などに関する知見を得る。このようなナノスケール電子状態マイクロスコピーの研究により、強相関電子材料における創発現象の発見、さらには次世代のメモリ素子への応用を展開する。

研究分野

物理学、工学、材料科学

キーワード

電子状態
ローレンツ顕微鏡法
分析電子顕微鏡法
高分解能電子顕微鏡法
位相差顕微鏡法

研究紹介

電流パルスで単一スキルミオンとそのクラスターの駆動ダイナミックスの直接観察

スキルミオン(Sk)はトポロジカル数「-1」を有しトポロジカル粒子であるので、基礎物性研究分野やスピントロニクス分野で大変注目されている。Skは微小電流で移動させられることが提唱されているが、単一Skではまだ実証されていなかった。当チームは、小さな切り欠きをつけたらせん磁性体FeGe薄片に、磁壁駆動電流密度より3桁低い微小・超短パルス電流で直径80nmの単一SkとSkクラスターの移動に成功した。さらに、パルス電流の刺激によりSkクラスターの回転運動を初めて直接観察した。単一Skを生成するため、「切り欠き」をつけたらせん磁性体FeGeの薄片を作成した。この切り欠きの導入により局所的にスピン流が生成でき、電流で単一Skを誘起することが出来る。図aは電流下のSkホール運動の模式図である。ローレンツ顕微鏡を用いた実空間観察により、3個Skからなるクラスター(b)を電流パルスで刺激すると、クラスターは反時計回りに回転しながらホール運動することが世界で初めて観察された(図c-d)。さらに、磁壁を移動する電流閾値より3桁小さい超短電流パルスで、単一SkとSkクラスターのホール運動が観察された(図e-g)。

図

(a) 電流下のスキルミオンホール運動の模式図。 (b-d) 電流パルス印加前(b)と印加後(c-d)のスキルミオンクラスターの回転運動のローレンツ電子顕微鏡像。 (e-g) 電流パルス印加前(e)と印加後(f-g)のローレンツ電子顕微鏡像。

 

原子スケールスキルミオンとナノスケールアンチスキルミオンの正方格子の直接観察

スキルミオンはトポロジカル数「-1」を有しトポロジカル粒子であるので、基礎物性研究分野やスピントロニクス分野で大変注目されている。スキルミオンの起因は空間反転対称性の破れた結晶構造を持つ物質におけるジャロシンスキー・守谷相互作用であることが提唱された。本研究では、空間反転対称性の破れがない結晶構造を持つ希土類合金GdRu2Si2において、既知の化合物では過去最小となるスキルミオンの正方格子の直接観察に成功した。この原子スケールのスキルミオンの起因は物質中の遍歴電子が媒介する新機構であることが明になった。図1aは観察されたスキルミオン正方格子の電子顕微鏡像を示す。周期的に並んだ原子像の上に、周期1.9 nmのスキルミオン(点線に囲んだ円状ドメイン)正方格子が重畳している様子が読み取れる。

一方、スキルミオンの反粒子、トポロジカル数「+1」を持つ「アンチスキルミオン」(図1d)の正方格子(図1b)は、Mn1.4Pt0.9Pd0.1Snの薄片中に観察され、外部磁場や試料温度を変えることで、アンチスキルミオンとスキルミオン(図1e-g)の相互変換やスキルミオンの回転方向を制御(図1c-g)することが直接観察された。

図

(a) (001) GdRu2Si2薄片中に観察されたスキルミオン(点線に囲まれた円状ドメイン)正方格子の電顕像。円中の小さいドットは結晶元素を示す。 (b, c) (001) Mn1.4Pt0.9Pd0.1Snの薄片中に観察されたアンチスキルミオンの正方格子(b)とスキルミオンの三角格子(c)。 (d, e-f)実空間観察で得られたアンチスキルミオン(d)、反時計回り(e)、時計まわり(f)スキルミオンの磁化マップ。 (g)回転方向揃った(反時計まわり)スキルミオンの三角格子。

 

磁気渦(メロンmeron)と反渦(アンチメロンantimeron)の正方格子の実空間観察

強いスピン・軌道相互作用により誘起されるスキルミオンはトポロジカル数1をもつ安定したトポロジカル粒子として振る舞うことから、物性物理学から磁気記憶素子への応用に向けて大変注目されている。一方、スキルミオンを生成できるらせん磁性体の面内磁気異方性の導入より、メロンと呼ばれる、トポロジカル数2分の1を持つ渦構造の形成が予測されているが、まだ実測されていない。本研究は面内磁気異方性を有するらせん磁性体Co8Zn9Mn3の薄片を用いて、様々な温度・磁場下での磁気構造の実空間観察を行った。

薄片に微小な磁場(20 mT)を加えたところ、メロンとアンチメロンの正方格子が生成されることをローレンツ電子顕微鏡の観察で分かった(図1(a)と(b))。観察された正方格子は理論で予測したメロンとアンチメロンの正方格子と良く一致することが明らかになった。外部磁場を徐々に大きくすると、メロンとアンチメロンは「スキルミオン」に変化し、その構造は正方格子から三角格子(図1(c)と(d))に変わることが分かった。

図

(a)、(b) らせん磁性体Co8Zn9Mn3における観察されたメロンとアンチメロンの正方格子の顕微鏡像(a)と磁化分布(b)。
(c)、(d) 同一試料中に観察されたスキルミオンの六方晶の顕微鏡像(c)と磁化分布(d)。

 

ナノスケールトポロジカルスピンテクスチャーとそのダイナミックスの実空間観察

強相関電子材料は、わずかな刺激で電子相転移を起こし、数々の驚くべき創発物性を示す。最近注目されている一つの創発現象は、強いスピン・軌道相互作用により誘起されるナノメートルスケールのトポロジカルスピンテクスチャー、スキルミオンである。スキルミオンを構成するスピンは、並べ替えると一つの球面を覆いつくすものである。 このため、スキルミオンは、トポロジカル数1を持つ安定な粒子として振る舞う。特に、従来の磁気メモリ素子として使われている磁性体の磁壁と比べて数桁低い電流密度で駆動しうることから、スキルミオンを用いた次世代スピントロニクスの応用も期待されている。

スキルミオンは、創発磁場をもたらす特徴を有するため、電流をスキルミオンに流すと、伝導電子がこの創発磁場を受け、トポロジカルホール効果など新奇な電磁気効果が生じる。我々は、先端電子顕微鏡技法と微細加工技術を駆使し、電子顕微鏡の中で様々な物質中にスキルミオンを生成してその場観察を行い、スキルミオンの動的特性を見出す。

 

図

ヘリマグネットFeGe中に観察された孤立スキルミオン(左図)と再結晶化されたスキルミオン三角格子(右図)。 左図の425mTの孤立スキルミオン(白いドット)の磁場を150mTまで弱めると、右図のスキルミオン三角格子が形成される。図中のSkXとCは、それぞれスキルミオン結晶とコニカル磁気構造を示している。

 

メンバー一覧

Xiuzhen Yu

チームリーダー yu_x[at]riken.jp R

Licong Peng

基礎科学特別研究員

Fehmi Sami Yasin

基礎科学特別研究員

中島 清美 Kiyomi Nakajima

テクニカルスタッフI

Yao Guang

特別研究員

森 竣祐 Shunsuke Mori

特別研究員

柴田 基洋 Kiyou Shibata

客員研究員

森川 大輔 Daisuke Morikawa

客員研究員

望月 維人 Masahito Mochizuki

客員研究員

主要論文

  1. L. Peng, K. Karube, Y. Taguchi, N. Nagaosa, Y. Tokura, and X. Yu

    Dynamic transition of current-driven single-skyrmion motion in a room-temperature chiral-lattice magnet

    Nat. Commun. 12, 6797 (2021)
  2. X. Yu, F. Kagawa, S. Seki, M. Kubota, J. Masell, F. S. Yasin, K. Nakajima, M. Nakamura, M. Kawasaki, N. Nagaosa and Y. Tokura

    Real-space observations of 60-nm skyrmion dynamics in an insulating magnet under low heat flow

    Nat. Commun. 12, 5079 (2021)
  3. L. Peng, R. Takagi, W. Koshibae, K. Shibata, K. Nakajima, T. Arima, N. Nagaosa, S. Seki, X. Yu, and Y. Tokura

    Controlled transformation of skyrmions and antiskyrmions in a non-centrosymmetric magnet

    Nat. Nanotechnol. 15, 181 (2020)
  4. X. Z. Yu, W. Koshibae, Y. Tokunaga, K. Shibata, Y. Taguchi, N. Nagaosa, and Y. Tokura

    Transformation between meron and skyrmion topological spin textures in a chiral magnet

    Nature 564, 95 (2018)
  5. X. Z. Yu, Y. Onose, N. Kanazawa, J. H. Park, J. H. Han, Y. Matsui, N. Nagaosa and Y. Tokura
    Real-space observation of two-dimensional skyrmion crystal
    Nature 465, 901–904 (2010)

研究紹介記事