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功能性反铁磁纳米细线的磁成像——用简易的高空间分辨率新方法—— 研究成果 东京大学 理化研究所 科学技术振兴机构 发表要点 通过从微针向试样注入热流的超简易新方法，成功地将关注物质反铁磁魏尔半金属Mn3Sn的磁极化的空间分布可视化。 传统的磁成像法对测量对象有限制，Mn3Sn只能以薄膜或微细线等大小进行测量。 这次，在世界上首次成功进行了纳米细线的磁像观察，明确了微细化的Mn3Sn内部的磁性行为。 本研究使用的方法可以适用于各种磁性拓扑物质，今后为了实现使用这些材料的新一代元件，可以从新的视点进行研究。 功能性反铁磁体Mn3Sn的超简易磁成像 概要 由东京大学物性研究所的一色弘成助教、nicobai研究生、小林鲇子研究生(研究当时)、上杉良太研究生(研究当时)、大谷义近教授(兼任理化学研究所创发物性科学研究中心组长)、东京大学研究生院理学系研究科的肥后友也特任副教授、中辻知教授组成的研究小组 该小组采用2023年开发的通过微针向试样注入热流，检测局部磁热电效应(注2 )的响应并得到磁像的方法(图1 )，对Mn3Sn的纳米细线(纳米为十亿分之一)进行了磁成像。 通过实现了用以往的方法无法研究的纳米尺度试样的磁成像，明确了加工成微小尺寸的Mn3Sn的磁性行为(图2 )。 在实现超高速、超省电的信息通信运算和超高灵敏度传感的新一代自旋电子学元件的开发中，对微细加工后的物质的磁性行为的理解是不可缺少的，预计将对今后的研究开发做出贡献。 本成果刊登在美国科学杂志《Physical Review Letters》5月23日(当地时间)的在线版上。 图1 :磁热电效应(左)和磁成像新方法示意图(右) 左:产生的电压( v )与磁极化和热流的外积成比例。 右:通过测量注入热流时产生的磁热电信号( v )，可以调查磁极化的方向。 发表内容 研究背景 反铁磁魏半金属Mn3Sn虽然是反铁磁材料，但具有根据其磁性能沿垂直方向弯曲电流的特殊性质，因此是非常有希望作为新一代自旋电子学元件材料的物质。 在研究这一性质时，不可缺少的是将磁极化的空间分布可视化的磁成像。 但是，适用于Mn3Sn的传统方法存在着低空间分辨率和测量原理带来的制约等各种问题，使得微细加工后的试样难以测量。 因此，为了磁成像，我们着眼于Mn3Sn的磁极化和在注入热流的外积方向生成电场的热电效应(图1左)，应用了研究小组2023年开发的方法(参照相关信息)。 通过微针向试样注入局部热流，检测磁热电效应的响应(图1右)。 如果调查局部磁热电效应产生的电压符号，就可以知道局部的磁极化方向，从而可以超简易地进行磁成像。 研究内容 这次，我们将该方法应用于多晶Mn3Sn纳米细线。 图2表示Mn3Sn纳米细线的凹凸像(拓扑学像)和磁场施加前后的磁像。 磁像中的红蓝色分别表示磁极化的方向向上和向下。 在施加磁场前的磁像(图2中段)中，随机表现出数百纳米左右大小的向上(红)、向下(蓝)显示磁极化的区域。 为了研究磁响应，向上施加外部磁场后去除外部磁场，得到了相同区域的磁像(图2下段)。 可以看出，施加磁场后，向上(红色)的区域整体扩大，向下(蓝色)的区域完全消失。 通过该测量发现:①即使去除外部磁场后，仍存在Mn3Sn的磁极化残留在纳米细线的宽度方向(宽度方向)；②不生成磁热电信号的晶粒。 ①表示反铁磁体没有预想的形状磁各向异性，②表示多晶试样该区域的磁极化朝向纸面垂直方向。 这样，通过本研究，可以直观的形式获得迄今为止缺失的宝贵信息。 图2:Mn3Sn纳米细线凹凸像(上段)和外加磁场前后的磁像(中段、下段) 今后的展望 将材料微细加工到纳米尺度是制造实用元件所必不可少的。 现在，为了实现在JST未来社会创造事业中正在开发的自旋电子学光电融合器件，需要能够超高速动作的磁性体，使用Mn3Sn细线的研究正在推进。 本测量技术是能够在纳米尺度上将磁性体磁畴壁的测量可视化的技术，可以高精度地评价Mn3Sn细线中与不挥发信息对应的磁极化的空间分布。 另外，本研究中使用的磁成像方法，可以适用于各种磁性拓扑物质，除了上述光电融合器件外，还有望对超高速、超省电的存储器和高灵敏度的物理传感器等新一代元件开发的研究有很大的帮助。 相关信息 “热流注入观磁-简易的高分辨率磁成像新方法-”( 2023/03/02 ) 发表者、研究者等信息 东京大学 物性研究所 一色弘成助教 大谷义近教授 兼:理化研究所创发物性科学研究中心组长 研究生院新领域创建科学研究科(物性研究所) 尼古代史博士课程 小林鲇子研究当时:博士课程 上杉良太研究当时:博士课程 研究生理学系研究科 肥后友也特任副教授 中辻知教授 兼:东京大学物性研究所特任教授 论文信息 杂志: Physical Review Letters 标题: observation of cluster magnetic octupole domains in anti ferromagnetic Weyl semi metal mn3sn nanowire 作者: Hironari Isshiki*，Nico Budai，Ayuko Kobayashi，Ryota Uesugi，Tomoya Higo，Satoru Nakatsuji，YoshiChika Otani doi:10.1103/physrevlett.132.216702 研究资助 本研究在JST战略性创造研究推进事业CREST (课题编号: JPMJCR18T3 )、JST未来社会创造事业(课题编号: JPMJMI20A1 )、科研费“基础研究( c ) (课题编号: 23K04579 )”、环境钢铁基金的支持下实施。 用语解说 (注1 )反铁磁魏尔半金属: 尽管是反铁磁体(由于自旋相互抵消地排列，所以作为整体几乎没有磁化物质)，但由于物质内部的特异的能带结构，会显示出异常霍尔效应(在磁极化和电流的外积方向产生电动势的现象)和异常嵌套效应(注2 ) 反铁磁魏尔半金属几乎没有漏磁场，能够以超高速反转磁结构，因此作为新一代自旋电子学(对自旋和电荷两者进行工程利用的技术领域)元件的材料受到了广泛关注。 (注2 )磁热电效应: 磁性导体中热和电相互转换的效果。 本文中主要是指产生与磁化和给定热流两者正交的电场的现象(异常嵌套效应)。 目前，利用异常嵌套效应的热流传感器和热能收获元件的研究正在广泛进行。 相关
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