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1 .发布要点: ◆发现在由两种元素组成的简单合金中生成了超高密度的磁性斯格明子(微小的磁性漩涡)。 ◆发现磁性斯格明子的排列方式随磁场的强度和温度而变化，明确了其微观机制。 ◆为超高密度磁性斯格明子的设计和外场控制提供了新的指导方针，有望成为今后物质探索和功能开拓的基础。 2 .发布概述: 作为电子自旋(注1 )的涡旋结构的磁性斯格明子(注2 )，典型的直径小至几十~几百纳米( nm、1nm为十亿分之一米)，作为用于新一代超高密度磁存储器的新的信息载体(注3 )的候选而备受关注 磁性斯格明子原本被认为只在具有特殊对称性结晶结构的物质中出现。 但是最近，有报告称，在具有极普通晶体结构的物质中，形成了直径为数纳米的超高密度磁性斯格明子，提出了与以往不同的形成机制。 以东京大学研究生院工学系研究科的高木里奈助教、关真一郎副教授等为中心的研究小组在与理化学研究所、东京大学物性研究所、日本原子能研究开发机构、综合科学研究机构、东京大学研究生院新领域创建科学研究科的共同研究下，开发了具有简单晶体结构的eual4(欧盟:铕、 着眼于铝)这一物质，进行中子x射线的散射实验时，发现生成了直径3.5纳米的超高密度的磁性斯格明子。 此外，研究人员还发现，磁场和温度作用下，磁性斯格明子的排列方式从正方晶格向菱形晶格变化，其起源于在物质中流动的电子所传播的相互作用。 本研究成果表明，即使是仅含有两种元素的简单二元合金，也能够实现极小尺寸磁性斯格明子的丰富有序结构，有望为今后物质设计探索和控制方法的开拓提供重要的指导方针。 本研究成果于2022年3月30日(英国夏令时间)在线刊登于英国科学杂志《Nature Communications》上。 3 .发布内容: ■研究背景 近年来，作为省电、高密度的新一代磁存储器的信息载体的候补，被称为磁性斯格明子(图1a )的电子自旋的涡旋结构备受关注。 众所周知，磁性斯格明子的典型直径小到几十~几百纳米( nm，1nm为十亿分之一米)，可以电检测其存在。 磁性斯格明子原本是在空间反转对称性(注4 )破裂的具有特殊晶体结构的物质中发现的，其形成需要被称为贾罗辛斯基守谷相互作用的扭转相邻自旋方向的力。 另一方面，最近，在保持空间反转对称性的晶体结构的物质中，报告了比以往更高密度的磁性斯格明子的观测，作为其形成机制，提出了由在物质中流动的电子所介导的磁相互作用。 但是，据报道，通过这种新机构形成磁性斯格明子的物质非常少，仅限于由三种以上元素构成的复杂物质。 另外，这种磁性斯格明子只能在与晶格呈相同对称性排列的状态下观测到，其排列方式能否通过外场控制尚不清楚。 ■研究内容 本研究着眼于保持空间反转对称性的正方晶格结构的二元合金EuAl4。 该物质的晶体结构具有铕( Eu )和铝( Al )分别形成的二维层交替层叠的简单结构(图1b )。为了详细调查该物质的磁结构，在大强度质子加速器设施J-PARC以及日本原子能研究开发机构研究用原子炉JRR-3中进行了中子散射实验，在德国电子同步加速器研究所DESY中进行了x射线散射实验。 结果发现，随着温度和磁场的变化，磁结构会发生多阶段的变化，在中间磁场区域，直径3.5纳米的磁性斯格明子会出现规则排列并组成正方形格子的状态(图2 )。 另外，发现改变磁场强度时，磁性斯格明子的排列会发生变化，形成菱形格子排列的状态。 也就是说，明确了在这种物质中，磁性斯格明子在排列方式上具有自由度，可以通过外场控制排列的可能性。 进而，利用磁性金属的理论模型进行了正方晶格中磁结构的模拟计算，得到了很好地再现了实验中观测到的磁性斯格明子的排列变化的结果。 这有力地表明，由在物质中运动的电子所介导的磁相互作用在磁性斯格明子的形成中起着主要作用。 ■社会意义今后的计划 与以往的物质相比，即使是由更简单的两种元素构成的合金，由于证实了由新机构形成的磁性斯格明子，因此可以认为与不使用多种原料的简单的材料设计有关。 另外，通过推进此次发现的排列自由度高、显示超高密度磁性斯格明子的物质探索，有望开辟通向新一代磁性存储器材料的道路。 本研究涉及科技振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业个人型研究(先驱)的“信息载体及其集成的材料设备系统”研究领域( No. JPMJPR20B4)以及“拓扑材料科学与创新功能创造”研究领域( no.jp mjr 该战略性创造研究推进事业CREST的“基于量子状态高度控制的创新量子技术基础的创造”研究领域( No. JPMJCR1874 )、日本学术振兴会( JSPS )科学研究费补助金基础研究S(No. 21H04990 )、该基础研究a ( no.18h 036852520 ) 在同基础研究b ( no.17h 0281519 h 0185620 h 01864 )、同年轻研究( No. 21K13876 )、东京大学克研究奖励、旭硝子基金会、村田学术振兴基金会的支持下，大强度质子加速器设施J-PARC研究课题( 2017L0701 ) 2019C0006 )、日本原子能研究开发机构JRR-3研究课题( no.21512，21401 )、德国电子同步加速器研究所DESY研究课题( I-20190781EC )下进行的。 4 .发表杂志: 杂志名称:《Nature Communications》 论文标题: square and rhombic lattices of magnetic skyrmion s in a Centro symmetric binary compound 作者: Rina Takagi*，Naofumi Matsuyama，Victor Ukleev，Le Yu，Jonathan S. White，Sonia Francoual，José R. L. Mardegan，satoru Koji Kaneko，Kazuki Ohishi，Yoshichika Ōnuki，Taka-hisa Arima，Yoshinori Tokura，Taro Nakajima，Shinichiro Seki DOI编号: 10.1038/s41467-022-29131-9 5 .主讲人: 高木里奈(东京大学研究生院工学系研究科附属综合研究机构物理工学专业助教/ 理化研究所创发物性科学研究中心强相关物性研究组客座研究员/ 科学技术振兴机构先驱研究者) 松山直史(东京大学研究生院工程系研究科物理工程专业硕士课程) 速水贤(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业讲师/ 科学技术振兴机构先驱研究者) 斋藤开(东京大学物性研究所中子科学研究设施助教) 金子耕士(日本原子能研究开发机构物质科学研究中心研究主干) 大石一城(综合科学研究机构中子科学中心副主任研究员) 大贯惇睦(理化学研究所创发物性科学研究中心强相关量子传导研究小组高级研究员) 有马孝尚(东京大学研究生院新领域创建科学研究科物质系专业教授/ 理化研究所创发物性科学研究中心强相关量子结构研究小组组长) 十仓好纪(理化学研究所创发物性科学研究中心中心长/ 东京大学卓越教授(国际高等研究所东京学院) 中岛多朗(东京大学物性研究所附属中子科学研究设施副教授/ 理化研究所创发物性科学研究中心强相关量子结构研究小组客座研究员) 关真一郎(东京大学研究生院工学系研究科附属综合研究机构物理工学专业副教授/ 理化研究所创发物性科学研究中心强相关物性研究组客座研究员 /科学技术振兴机构先驱研究者) 6 .术语解释: (注1 )旋转 物质中的电子具有作为小磁铁的性质(磁矩)。 磁矩除了由电子绕原子核旋转运动产生以外，还伴随着相当于自转的被称为“自旋”的自由度产生。 (注2 )磁性斯格明子物质中存在着很多电子，具有作为小磁铁的性质(磁矩)。 电子磁铁方向一致的物质是通常的磁铁(强磁性体)。 另一方面，固体中电子所具有的磁矩有时会呈漩涡状排列，这种漩涡状的磁性结构体被称为“磁性斯格明子”。 (注3 )信息载体 在存储器中可以保持、写入、读取信息的结构和状态称为“信息载体”。 由于磁性斯格明子的有无支持1位的信息量，因此磁性斯格明子的高密度化有可能实现小型、大容量的内存。 (注4 )空间反演对称性 上下前后左右全部翻转时与原结构完全重叠的结构称为“保持空间反转对称性”，与原结构不重叠的结构称为“空间反转对称性被破坏”。 7 .各研究者在本研究中的作用 高木里奈:研究计划制定、试样合成、磁性传输特性评价、中子散射实验、x射线散射实验 松山直史:试样合成、磁性输运特性评价 速水贤:理论计算 斋藤开:中子散射实验 金子耕士:中子散射实验 大石一城:中子散射实验 大贯惇睦:试样合成 有马孝尚:研究计划制定 十仓好纪:研究计划制定 中岛多朗:研究计划制定，中子散射实验 关真一郎:研究计划制定 9 .附件:  图1:(a )一个磁技能百万的示意图。 各箭头表示铕( Eu )原子各自的磁矩方向。 ( b ) EuAl4的晶体结构。  图2:(a ) EuAl4的磁相图。 ( b )观测到的磁性斯格明子正方晶格( III )及菱形晶格( II )的示意图。 背景色表示电子所具有的磁矩的纸面垂直分量的方向，红色部分朝向近前侧，蓝色部分朝向对面侧。
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