電子の地図が決めていた、“渦”のサイズ

世界最小スキルミオンの誕生メカニズムを解明

2025-5-9●自然科学系理学研究科准教授越智　正之

発表のポイント

世界最小のスキルミオン（直径約1.9ナノメートル）を生み出す物質の電子構造を、放射光を用いた高精度な光電子分光により初めて可視化することに成功。
スピン同士が電子をキャッチボールしながら結びつくことで、スキルミオンの源となるらせん状のスピン構造が形成されるメカニズムを解明。
磁場や温度で自在に変形・再構築される、しなやかな磁気ドメインを発見。書き換え可能なこの磁気構造は、これまでにない柔軟性と応答性を備え、次世代のメモリデバイスや情報処理技術に新たな道を拓く可能性を秘める。


図. 「電子の地図」に刻まれた伝導電子の運動量によって、スキルミオンのサイズが決まる

発表概要

東京大学物性研究所のYuyang Dong大学院生（同大学大学院理学系研究科物理学専攻博士課程）（いずれも研究当時）と近藤猛准教授らの研究グループは、同研究所の木下雄斗特任助教、徳永将史教授、大阪大学大学院理学研究科の越智正之准教授、東京都立大学の松田達磨教授、北海道大学の速水賢教授らの研究グループと共同で、世界最小のスキルミオンが発現することで知られる物質GdRu₂Si₂において、スキルミオンの源となる、らせん状のスピン構造(らせんスピン)が形成されるメカニズムを解明しました。
磁石の中で、目には見えないほど小さな“渦”が回っている、そんな不思議な現象が、いま物理学の最前線で注目を集めています。「スキルミオン」と呼ばれるこの渦は、電子スピン（電子が持つ小さな磁石）がなめらかにねじれながら、ドーナツ型に巻き込むように並んだナノスケールの磁気構造です。直径はわずか数ナノメートルで、髪の毛の太さの数万分の1という極限のサイズに、渦巻きの世界が広がっています。その構造は「トポロジー」という幾何学的な法則によって守られており、熱や衝撃といった外乱にもびくともしない高い安定性を持ちます。この「壊れにくい情報の渦」が、次世代の超高密度・超低消費電力の磁気メモリや量子情報デバイスの担い手として、いま世界中で熱い注目を浴びています。ところが、このスキルミオンの源である、らせん状のスピン構造がどうやって生まれるのか、その謎は未解明でした。
今回本研究グループは、物質の中に広がる電子の地図となる運動量とエネルギーの関係（電子構造）を可視化することで、その謎に迫りました。すると、ある特定の運動量を持つ伝導電子たちが、遠く離れたスピン同士をまるでキャッチボールするように結びつけていることが分かりました。この仕組みは「RKKY相互作用」と呼ばれ、スピンがねじれながら連なっていく、柔らかくしなやかな磁気構造(らせんスピン)を生み出していました。そしてこのスピン構造が、外部からの磁場や温度変化に対して驚くほど柔軟に応答し、磁気ドメインのパターンが自在に変化する操作可能な磁性を実現していることも明らかになりました。今回の研究は、電子構造とスキルミオン形成の関係を初めて描き出し、スキルミオンを自在に設計・制御するための新たなコンパスを提示するものです。この成果は、スピントロニクス素子や次世代情報処理デバイスの材料開発において、電子構造の設計という新しい発想に基づく強力な基盤を提供します。“電子の地図”から未来のスキルミオンを描く、そのための明確な指針が、いまここに示されました。
本成果は米国科学振興協会が発行するScienceの5月8日14時（米国東部夏時間）オンライン版に掲載されました。

研究の背景

スキルミオンは長らく、“ねじれた”結晶構造を持つごく限られた材料でしか現れないと考えられていました。しかし近年、左右対称な一般的な構造を持つ結晶でもスキルミオンが現れることが明らかになり、「物質の常識」が塗り替えられようとしています。さらに注目すべきは、そのサイズです。新たに見つかったスキルミオンは、従来に比べて10分の1〜100分の1という超小型です。これにより、記録密度の飛躍的な向上が期待されており、情報技術の限界を超える鍵として、産業界からも大きな期待が寄せられています。こうしたスキルミオンは、縦横に交差するらせん状のスピン構造（らせんスピン）が、ちょうど波紋のように重なり合うことで、格子状の磁気模様を形成します(図1)。しかし、その“らせんスピン”は一体どうやって生まれるのか？どのような電子のふるまいが、この精緻な磁気渦の誕生を導いているのか？その答えは、多くの理論が交錯しながらも、これまで未解決の謎でした。

図1. らせんスピン構造の重ね合わせによって形成されるスキルミオン格子
電子スピンが空間的にらせん状に回転しながら縦横に並ぶ“らせんスピン”は、スキルミオン形成の基本単位である。しかし、その発生メカニズムは、重要であるにも関わらず未解明だった。

研究の内容

スキルミオンのようなナノスケールの磁気渦が、なぜ結晶の対称性を破らなくても出現するのか？電子の動きを“地図”のように可視化することで、その謎に迫りました。本研究グループが挑んだのは、世界最小記録となる直径約1.9ナノメートルのスキルミオンを生み出すことで知られる、空間反転対称性を持つ磁性金属GdRu₂Si₂です。鍵を握るのは、物質中の電子運動が描く模様、すなわち電子構造でした。放射光を用いた光電子分光によって、物質内部の電子たちがどのようなエネルギーと運動量の関係で動いているかを可視化しました(図2)。
その結果、電子構造の中でも最もエネルギーが高く勢いのある電子たちだけに着目して描かれるフェルミ面において、特定の方向に沿って線路のレールのように平行に伸びる、いわゆる「ネスティング構造」が浮かび上がりました。これは、電子集団が協調的に整列して進行する道筋を示しています。このネスティングにより、伝導電子は離れたスピン同士をキャッチボールでつなぐような相互作用、すなわちRKKY相互作用を強め、磁気秩序を誘導します。そして驚くべきことに、このネスティングの差し渡し運動量(線路のレール間距離に対応)が、以前の実験で明らかにされていたスキルミオン格子の周期長とほぼ完全に一致していました。つまり、スキルミオンのサイズは、伝導電子の行進パターンによって決められていたといえます。さらに、ネスティングの運動量に対応するフェルミ面上(線路のレール上に対応)では、電子の存在がかき消されたように信号強度が弱まり、「擬ギャップ」と呼ばれる電子密度の部分的な減少が観測されました。これにより、(線路が分断されたように)フェルミ面は閉じた形を保てず、途中でちぎれたように見える「フェルミアーク」が形成されていました。これら一連の現象(ネスティング、擬ギャップ、フェルミアーク)は、伝導電子とスピン秩序との強い相互作用が導くものであり、通常の磁性体では見られない非共線的な、らせん状の磁性構造が発現していることの明確な証拠となります。重要なのは、この磁性が成り立つための条件が極めて繊細であることです。(線路がとても長く)ネスティングが強すぎれば、単純なスピン密度波や反強磁性秩序が優勢となり、スキルミオンは安定に存在できません。(線路が短すぎて)ネスティングが逆に弱すぎても、そもそも磁気秩序が育ちません。本研究では、このバランスがちょうどよく保たれた状態にある結果として、スキルミオン格子が安定して形成されていることを実証しました。実際、絶妙なバランスで成り立つ磁性が持つしなやかさと柔軟さを、無磁場下に現れた磁気ドメインのパターンがパルス磁場によって粉々に崩壊しつつも温度変動によって再構成されるという劇的な挙動から捉えることができました(図3)。これは、スキルミオン磁性体ならではの高い操作性と応答性を物語っており、次世代のメモリデバイスや情報処理技術に革新をもたらす、新たな道を切り拓く可能性を秘めています。

図2. 光電子分光による電子構造の可視化と、らせんスピン形成機構の解明
世界最小スキルミオンが発現する磁性体GdRu₂Si₂において、放射光を用いた光電子分光により電子の運動量とエネルギーの関係を測定した。観測されたフェルミ面には、特定の運動量q に対応するネスティング構造が存在し、その方向に沿って擬ギャップとフェルミアークが形成されていた。この現象は、伝導電子が特定のqベクトルでスピンと強く相互作用することを意味し、RKKY相互作用（伝導電子によるスピン間のキャッチボール）によって、らせん状のスピン構造が自発的に形成される機構を実験的に裏付けるものである。重要なことに、らせんスピンを生む伝導電子の運動量qがスキルミオンの大きさλを決定していることが分かった。

図3. 無磁場下で観測された、らせん状スピン秩序の磁気ドメイン構造とその柔軟な応答性
本図は、GdRu₂Si₂において、外部磁場が存在しない状態（無磁場下）で形成される磁気ドメイン構造の変化を示している。左図は、冷却後に自然に形成された磁気ドメイン構造である。パルス磁場の印加により、磁気ドメインは、中央図のようなモザイク状に細分化される。しかし、その後の温度制御によって右図のように元のドメイン構造が可逆的に復元されることが分かった。このドメイン構造は、横らせんスピン構造および縦らせんスピン構造がそれぞれ発達した領域に対応している。スキルミオンは通常、外部磁場下でこれら2種類のらせんスピンが重なり合うことにより発現するが、本図のような柔軟で可逆的ならせん磁性の挙動は、スキルミオン磁性体ならではの高い操作性と機能性を物語っている。

今後の展望

本研究は、「スキルミオンはなぜ生まれるのか？」という根本的な問いに対し、結晶の構造ではなく、電子の動き（電子の地図）が決定的な役割を担うことを初めて明らかにしました。これまでスキルミオン材料の開発は「結晶構造の工夫」に依存していましたが、これからは「電子構造をデザインする」という、より精密かつ戦略的なアプローチが主流になるでしょう。電子の運動量空間を読み解き、フェルミ面を自在に設計できれば、スキルミオンのサイズ・柔軟性・安定性までも意図的に操ることが可能になります。第一原理計算と光電子分光を駆使して、“ネスティングを持つフェルミ面”を備えた新たな磁性物質を次々と発見することで、超高密度・超省エネのスキルミオンデバイス実現への道が大きく拓かれると期待されます。さらに、電場や光でスキルミオンを自在に制御する技術が確立されれば、次世代スピントロニクス素子や量子情報処理デバイスの開発も視野に入ってきます。電子の地図を手に、スキルミオンが切り拓く物質科学の新たな未来が、いま大きく動き出しました。 詳細を読む

特記事項

論文情報

〈雑誌〉Science
〈題名〉 Pseudogap and Fermi arc induced by Fermi surface nesting in a centrosymmetric skyrmion magnet
〈著者〉 Yuyang Dong, Yuto Kinoshita, Masayuki Ochi, Ryu Nakachi, Ryuji Higashinaka, Satoru Hayami, Yuxuan Wan, Yosuke Arai, Soonsang Huh, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Masashi Tokunaga, Yuji Aoki, Tatsuma D. Matsuda, and Takeshi Kondo* (*責任著者)
<DOI>10.1126/science.adj7710
本研究は、日本学術振興会の科学研究費（課題番号 JP21H04439、JP23K17351、JP22K03517、 JP21H01037、JP23H04869、JP25H01246、JP25H01250）、文部科学省の光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP 課題番号 JPMXS0118068681）、科学技術振興機構（JST PRESTO助成金 JPMJPR20L8）、東京都高度研究（課題番号 H31-1）、旭硝子財団、村田学術振興財団、三菱財団の支援を受けて実施した研究です。