以东京大学研究生院工学系研究科的高木里奈助教和关真一郎副教授等人为中心的研究团队，与日本理化学研究所、东京大学物性研究所、日本原子力研究开发机构、综合科学研究机构和东京大学研究生院新领域创成科学研究科开展联合研究，着眼于拥有简单晶体结构的EuAl4（Eu：铕，Al：铝）实施了中子和X射线散射实验，发现生成了直径为3.5纳米的超高密度磁性斯格明子。另外还发现，随着磁场和温度发生变化，磁性斯格明子的排列方式会由方形晶格变为菱形晶格，并确认这种变化起源于在物质中移动的电子介导相互作用。
图1：（a）磁性斯格明子的模式图。各个箭头表示每个铕（Eu）原子的磁矩方向。（b）EuAl4的晶体结构。（供图：东京大学研究生院工学系研究科综合研究机构物理工学专业助教高木里奈）
随着信息技术应用的加速，信息记录的大容量化和节能化成为课题。“磁性斯格明子”的自旋涡旋是新一代超高密度磁记录领域最具潜力的技术，全世界都在推进相关材料的开发。
研究团队此次研究的EuAl4是保持了空间反演对称性的方形晶格结构二元合金，具有Eu和Al分别形成的二维层交替层叠的简单结构。为详细调查这种物质的磁性结构，研究团队在高强度质子加速器设施J-PARC和日本原子力研究开发机构的研究反应堆JRR-3中实施了中子散射实验，在德国电子同步加速器研究所DESY实施了X射线散射实验。
实验发现，改变温度和磁场后，磁性结构会发生多阶段变化，中间的磁场区域会出现直径为3.5纳米的磁性斯格明子有序排列组成正方形晶格的状态。另外，改变磁场的强度后，磁性斯格明子的排列会发生变化，变为组成菱形晶格排列的状态。这表明，在这种物质中，磁性斯格明子的排列方式有一定的自由度，有望通过外场来控制排列。
图2：（a）EuAl4的磁相图。（b）观测的磁性斯格明子的方形晶格（III）和菱形晶格（II）的模式图。背景颜色表示电子磁矩的垂直分量的方向，红色部分朝向正面，蓝色部分朝向另一面。（供图：东京大学研究生院工学系研究科综合研究机构物理工学专业助教高木里奈）
此外，研究团队还使用磁性金属的理论模型对方形晶格中的磁性结构进行了模拟计算，充分再现了实验中观测到的磁性斯格明子的排列变化。这表明，在物质中移动的电子介导的磁性相互作用在磁性斯格明子的形成中发挥了主要作用。
高木助教表示：“此次的研究证明，由两种元素构成的简单晶体结构的合金中形成了超高密度的磁性斯格明子，并确认磁性斯格明子的排列方式会随着外场变化，这有助于实现无需使用多种原料的简单材料设计，通过探索此次这种排列自由度高且具有超高密度磁性斯格明子的物质，有望为新一代磁存储材料的实现开辟道路。”
【论文信息】
期刊名称：《Nature Communications》
论文题目：Square and rhombic lattices of magnetic skyrmions in a centrosymmetric binary compound
DOI：10.1038/s41467-022-29131-9
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
