东京大学研究生院工学研究科物理工学专业的研究团队构建了一个包含源自手性晶体结构的反对称交换作用和源自巡游电子系统的自旋-电荷相互作用的微观模型，通过利用数值模拟分析，在理论上确认了纳米级磁性斯格明子晶相可以稳定存在。
左为磁性斯格明子晶体结构图（从中心向外的放射状箭头表示自旋方向）。右为周期结构的磁性斯格明子晶体
近年来在EuPtSi中观测到了作为f电子化合物的首个磁性斯格明子晶体。其中观测到的磁性斯格明子晶体的构成要素——磁漩涡的周期与以往的晶体相比非常短，只有几纳米，另外还表现出了对磁场敏感的特性，但一直不清楚其物理机制。
作为出现在手性晶体结构中的传统磁性斯格明子晶体的稳定化机制，试图使自旋方向一致的铁磁相互作用，与试图使其扭曲的反对称（自旋-轨道）交换作用的竞争效应至关重要。此时实现的磁性斯格明子的尺寸为数十～数百纳米。另一方面，f电子系统中会出现由在局部磁矩与晶体中的巡游电子之间发挥作用的自旋-电荷耦合产生的高阶磁相互作用。这些相互作用协同工作时，手性晶体结构中就可能形成纳米级磁性斯格明子晶体。
研究团队通过构建并分析包含电子拥有的电荷、自旋和轨道等内部自由度之间的相关效应的理论模型，成功地捕捉到了这些特征。另外，还从分析结果中发现了所获得的磁性斯格明子晶体对磁场方向敏感的特性，这表明，对手性晶体结构中的纳米级磁性斯格明子晶体的稳定化来说，电子拥有的电荷、自旋和轨道等内部自由度之间的相关效应发挥着重要作用。
不仅是手性晶体结构，该结果还可应用于各种晶体结构，因此有望为探索新的纳米级磁性斯格明子晶体物质提供设计指南。
研究成果已经发布在日本物理学会发行的英文期《Journal of the Physical Society of Japan》（JPSJ）7月号（Vol. 90）上。
东京大学研究生院工学研究科的速水贤讲师表示：“通过应用获得的设计指南，在利用磁性斯格明子高度集成所产生的巨大突发磁场的自旋电子器件领域的应用有望取得进展。”
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
