スキルミオンの流体挙動と論理ゲート機能を理論的に発見

～ナノ磁気構造体の流体力学の創成とそのデバイス機能の開拓に道～

2025（令和7）年11月4日
早稲田大学
信州大学
科学技術振興機構（JST）

発表のポイント

磁性体中に発現する「スキルミオン」と呼ばれる粒子状のナノ磁気構造体が無数に集まると、流体のように振る舞うことを発見しました。
「スキルミオン流体」をアルファベットのHの形状をした磁性体素子に流すと、AND（論理積）やOR（論理和）に対応する論理演算ができることを数値シミュレーションにより発見しました。
これらの流体挙動と論理演算機能は、位相幾何学的な磁化配列を持つスキルミオンが無数に集まった結果として現れる創発的な現象と機能です。
この成果により、スキルミオン1個1個を制御する高度な技術が不要となり、スキルミオンの素子応用の研究・開発が促進されると期待されます。また、ナノ磁気構造体の流体力学を研究対象とする科学分野が創成されるとともに、新たな機能を開拓する応用研究の展開が期待されます。

ナノサイズ（ナノは10億分の1）の磁気構造体であるスキルミオンは将来の磁気デバイスの素材として期待されていますが、極めて微小なスキルミオン1個1個を精密に制御する難しさが、研究・開発における大きな課題になっています。
早稲田大学 理工学術院総合研究所 張 溪超（チョウ・ケイチョウ） 次席研究員／研究院講師と、同大 理工学術院 望月 維人（モチヅキ・マサヒト） 教授、信州大学 工学部 劉 小晰（リュウ・ショウシ） 教授らの研究グループは、この課題を克服するために、無数のスキルミオンを集合体として活用する可能性について検証しました。数値シミュレーションにより、膨大な数のスキルミオンの集合体の挙動を調べた結果、電流存在下で流体のように振る舞うことや、AND（論理積）やOR（論理和）に対応する論理ゲートとしての機能を持つことを発見しました。この成果により、スキルミオンを使った素子の実現を阻んでいた課題が解決され、その素子応用の研究・開発が促進されると期待されます。また、ナノサイズの磁気構造体の流体力学を研究対象とする新しい科学分野が創成され、その現象と機能を開拓する研究の展開も期待されます。
本研究成果は、2025年11月1日（土）（日本時間）に「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」誌にオンライン掲載されました。
本研究は、以下の支援を受けて行われました。

研究費名	科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 CREST
研究課題名	Beyond Skyrmionを目指す新しいトポロジカル磁性科学の創出（課題番号：JPMJCR20T1）
研究代表者名（所属機関名）	于 秀珍（理化学研究所）

研究費名	日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究（A）
研究課題名	スキルミオンが持つ新しい物質機能・物性現象の開拓とスキルミオニクスの創出（課題番号：JP25H00611）
研究代表者名（所属機関名）	望月 維人（早稲田大学）

研究費名	日本学術振興会 科学研究費助成事業 学術変革領域研究（A）
研究課題名	キメラ準粒子の理論（課題番号：JP24H02231）
研究代表者名（所属機関名）	村上 修一（東京大学）

研究費名	日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究
研究課題名	ナノ機能界面のトポロジカル磁気テクスチャのデバイス機能の創出（課題番号：JP25K17939）
研究代表者名（所属機関名）	ZHANG XICHAO（早稲田大学）

研究費名	日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究（B）
研究課題名	磁気スキルミオンの物性とその論理演算・メモリ素子への基盤構築（課題番号：25K01606）
研究代表者名（所属機関名）	劉 小晰（信州大学）

研究費名	日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的研究（萌芽）
研究課題名	スピンソリトンを用いた室温量子リザーバーコンピューティング（課題番号：24K21711）
研究代表者名（所属機関名）	劉 小晰（信州大学）

＜プレスリリース資料＞

本文　PDF（1.19MB）

＜論文タイトル＞

“Nanofluidic logic based on chiral skyrmion flows”

DOI：10.1073/pnas.2506204122

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