パルス電流によるスキルミオンの生成・消去に成功 | 理化学研究所
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図1　スキルミオンの模式図
各矢印は磁気スキルミオン内の磁気モーメントの向きを示している。外側の磁気モーメントは外部磁場と同じ向きを向くが、中心の磁気モーメントは反対を向く。外部磁場に対して、赤矢印が0°、黄色矢印が90°、青矢印が180°傾いている。

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図2　マンガンシリコン（MnSi）の磁気相図
(a)急冷前の磁気相図と(b)急冷後の磁気相図。磁気スキルミオン安定相を通過して急冷された場合にのみ、磁気スキルミオンが準安定相として(b)図中赤領域において観測される。

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図3　磁気スキルミオンの急冷の概念図
安定相である磁気スキルミオンを徐々に冷却すると、別の安定相（コニカル相）へと変化するが、急冷した場合はこの変化を起こすことなく、磁気スキルミオン準安定相として低温まで保持される。

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図4　パルス電流を用いた磁気スキルミオンの生成と消去
(a) ホール抵抗率の変化と用いたパルス電流の時系列。ホール抵抗率の高い状態が磁気スキルミオン準安定相、低い状態がコニカル安定相に対応する。(b)パルス電流を用いた磁気スキルミオンの生成・消去の繰り返し操作。


要旨

理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター動的創発物性研究ユニットの大池広志特別研究員、賀川史敬ユニットリーダーらの研究グループ※は、パルス電流印加（短時間に瞬間的に電流を流すこと）による磁気スキルミオンの生成・消去に成功しました。

磁気スキルミオン[1]は数十ナノメートル（nm、1 nmは10億分の1メートル）程度の大きさの渦状の磁気構造で、次世代の高密度磁気メモリ素子への応用が期待されています。しかし、磁性体を数十nmの厚さの薄膜に加工しない限り、磁気スキルミオンを観測できる温度域が数ケルビン（K）幅（マンガンシリコン（MnSi）の場合、27K～29K）程度と非常に限られていました。磁性体がその温度域を外れると磁気スキルミオンは別の磁気構造へと変化し失われてしまうため、基礎・応用研究の一層の展開に向けて磁気スキルミオンを観測できる温度域の拡大は解決すべき課題となっていました。

研究グループは、パルス電流印加に伴う急加熱と急冷効果を利用することで、MnSiにおいて、これまで磁気スキルミオンが観測されないと考えられていた温度域（27Kより低温）で、磁気スキルミオンを生成できることを発見しました。さらに、磁気スキルミオン生成に用いたパルス電流とは異なる強度・幅のパルス電流を用いることで、生成された磁気スキルミオンを消去できることも実証しました。
このようなパルス電流を用いた磁気スキルミオンの生成・消去は繰り返すことができることも確認しました。これらの成果は、電流印加による磁気スキルミオンの不揮発制御[2]の新原理を実証したものと言え、今後、磁気スキルミオンメモリデバイスの実現へ向けて1つの指針を与えると期待できます。

本研究は、国際科学雑誌『Nature Physics』に掲載されるのに先立ち、オンライン版（10月12日付け：日本時間10月13日）に掲載されました。

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