弱い磁場で生成・制御可能な磁気渦を"トポロジカル原子層サンドイッチ構造"で発見

東京大学大学院理学系研究科物理学専攻の高城拓也大学院生、秋山了太助教、長谷川修司教授、および東京工業大学理学院物理学系の平原徹准教授らのグループは、物質・材料研究機構の佐々木泰祐主幹研究員およびロシア科学アカデミーのA. A. Saranin教授らとの国際共同研究で、スピン（ミクロな磁石の性質）を持つマンガン原子が規則的に密に並んだ単一原子層を含むトポロジカル強磁性体^[用語2]Mn(Bi,Sb)₂Te₄を使って、トポロジカル絶縁体 (Bi,Sb)₂Te₃原子層の上下を挟んだ"原子層サンドイッチ構造"を作製し、その電気伝導を測定しました。その結果、これまでの10分の1程度の弱い磁場でトポロジカルホール効果^[用語3]が観測され、ミクロな磁気渦（スキルミオン）が形成されていることを発見しました。

近年、上述のような磁性原子が規則的に並んだ原子層をもつトポロジカル強磁性体が世界的に盛んに研究されていますが、この物質系におけるトポロジカル絶縁体の持つカイラルスピン構造を利用したスキルミオンの観測は本研究が初めてです。

本研究で見出されたスキルミオンは外乱があっても壊れず、弱い磁場で書き換え容易な磁気メモリ^[用語4]への応用などが考えられ、スピントロニクス分野への貢献も期待されます。

本研究は、アメリカ化学会誌「Nano Letters」に掲載されました。

トポロジカル絶縁体は、その結晶内部は電気を通さないが、その表面ではスピンが揃った電子が高速で流れる特殊な金属のように振る舞う新規物質であり、近年高い注目を集めています。この表面の状態は、ノイズや不純物などの擾乱によって壊されることはなく、「トポロジカルに保護」された状態と言われます。この性質は、基礎物理学上興味深いだけでなく、次世代電気磁気素子への応用も強く期待されています。

さらに最近では、トポロジカル絶縁体の長所を活かして電子のスピンを活用する研究に発展しています。トポロジカル絶縁体に磁石（強磁性体）の性質を導入した「トポロジカル強磁性体」が盛んに研究され、特にトポロジカル強磁性体がもつスピンの渦（カイラルスピン状態）を用いると頑丈なスキルミオン（原子磁石の向きがナノスケールの渦状に並んだもの）（図1(a)）が実現できると期待されています。これまでもマンガンシリコン結晶といった従来の強磁性金属に特定の強さの磁場を印加することでスキルミオン渦が形成されると報告されていますが、トポロジカル強磁性体はカイラルスピン状態という「トポロジカルに保護」された特有のスピン配列を持ち、それを起源としてスキルミオンの磁気渦が作られているため、結晶中の不純物や欠陥によって壊されることなく、通常の強磁性金属よりも安定的に磁気渦が保たれるという特長が予測されています。

• 図1（a）スキルミオンの磁化の模式図。小矢印は原子磁石(磁化)を表しており、各々が渦状に並ぶことで仮想的な磁場（大矢印）を形成する。
  （b）今回の研究で設計・作製した"原子層サンドイッチ構造"の模式図。トポロジカル絶縁体(Bi,Sb)₂Te₃と自己形成型トポロジカル強磁性体Mn(Bi,Sb)₂Te₄の結晶構造を右・左脇にそれぞれ示す。

そのトポロジカル強磁性体におけるスキルミオンの観測は、従来はマンガンやクロムといった磁性原子を結晶内部に無秩序に添加した物質で試みられてきましたが、磁性原子がランダムに分布するために強磁性の相互作用が不均一で弱いことや、磁性原子どうしが意図せずに凝集する恐れもあるため、精密に制御可能な物質系が探索されていました。そのため近年では、結晶の作製条件を最適化すると、磁性原子が自動的に規則的な配列となるトポロジカル強磁性体、マンガンビスマスアンチモンテルル（Mn(Bi_1-xSb_x)₂Te₄: 以下MnBSTと表記）という合金結晶が高い注目を集めています。この結晶構造は、磁性を持たないトポロジカル絶縁体ビスマスアンチモンテルル（(Bi_1-xSb_x)₂Te₄: 以下BSTと表記）結晶格子に、強磁性のマンガンテルル（MnTe）原子層が入り込んだ構造です。2017年に同じ手法で形成されるトポロジカル強磁性体マンガンビスマスセレンMnBi₂Se₄が同研究グループから報告されたのを皮切りに^（注1）、この自己形成型トポロジカル強磁性体を舞台に電気・磁気特性の研究が爆発的に行われるようになりました。

• （注1）2017年6月2日プレスリリース 「トポロジカル絶縁体を強磁性にする新たな方法を発見 ―量子異常ホール効果を利用したデバイス開発へ進展―」

同研究グループは、磁性を持たないトポロジカル絶縁体BST原子層の上下を、MnBSTでサンドイッチしたナノスケール構造（図1(b)）を設計・作製し、これまで自己形成型トポロジカル強磁性体で実現例のない弱磁場生成スキルミオンを、トポロジカルホール効果の観測を通じて電気的に観測することに成功しました。

通常、強磁性体のホール効果は印加磁場に比例する「正常ホール効果」と、磁化の強さに比例する「異常ホール効果」の足し算で表現されます。一方、スキルミオンを発現する強磁性体では、スキルミオンが誘起する仮想的な磁場（創発磁場）の強さに依存する「トポロジカルホール効果」を加味することが必要です。実際、本研究では、スキルミオン渦が形成される印加磁場領域では図2(a)のように、ホール抵抗がこぶ状に上昇することが確認され、これがトポロジカルホール効果の証拠となります。

• 図2（a）本研究で観測されたサンドイッチ構造におけるホール抵抗。点線丸で囲まれたような「こぶ状」の振る舞いが見られるが、これがトポロジカルホール効果によるもので、スキルミオンの存在を示す。赤・青矢印は外部磁場の変化方向を示す。
  （b）サンドイッチ構造のBST層がある場合とない場合の比較。2層のMnBST層の間にBSTが1層入り込むことでスキルミオンが安定化し、トポロジカルホール効果が観測される。

また、サンドイッチ構造のように2層のMnBST間にBST層が挿入されている場合と、BSTが挿入されていない場合で比較したところ、BST層がある場合にのみトポロジカルホール抵抗が観測されることが明らかになりました（図2(b)）。これは、単に2層のMnBSTを積層させただけではスキルミオンが安定して存在せず、サンドイッチ構造にしてBST層の上下面の磁性トポロジカル表面状態を"カップリング"することで初めて安定化する証拠と言えます。

さらに、従来報告例のあるマンガン原子を無秩序に添加したトポロジカル強磁性体と比較すると、今回観測されたスキルミオンは従来の10分の1程度の弱い磁場の印加で生成できることが分かりました。これは本系ではマンガン原子が自己形成によって原子レベルで規則的かつ密に並んだことで強磁性相互作用が強まったことが原因と考えられ、磁性原子の配列状態がスキルミオン特性に大きく影響していることを明瞭に示すものです。

本成果は、トポロジカル強磁性体の結晶構造と磁性が密接に関連することを示すものであり、カイラルスピン誘起のスキルミオンの基礎的物性の理解に資するのみならず、外的擾乱に対して頑強なスキルミオンを弱い印加磁場で制御できるという点で、将来的には書き換えが容易なスキルミオン磁気メモリの開発などにつながることが考えられ、次世代スピントロニクスデバイスへの応用が期待できます。