ブックタイトル日本結晶学会誌Vol61No4

概要

日本結晶学会誌Vol61No4

日本結晶学会誌61，207-208（2019）最近の研究動向磁気スキルミオンのヘリシティ・キラリティ相関と磁気バブルのヘリシティダイナミクスの観測東京大学生産技術研究所柴田基洋Kiyou SHIBATA: Observation of Helicity-Chirality Correlation and Magnetic Bubble Dynamicsナノスケール磁気渦構造であるスキルミオンは位相幾何学的に安定な構造を有すること，その構造が電気特性や光学特性に影響を与えること1）などの理由で，さまざまな観点から研究が行われてきた．その中でローレンツ電子顕微鏡法（LTEM）はキラルな結晶構造をもつ磁性体（以下，キラル磁性体）における実験的発見2）,3）の当初から，スキルミオンを実空間観察できる強力なプローブとして，重要な役割を果たしてきた．本稿では，LTEMで明らかになったキラル／アキラル磁性体における結晶構造と磁気渦構造との相関を概観する．キラル磁性体の代表例がB20型と呼ばれる空間群P2 13に属する結晶構造をもつ，遷移金属と14族元素の化合物磁性体群である．B20型結晶構造の鏡像対について図1aに示す．このような空間反転対称性の破れた磁性体では，相対論的スピン軌道相互作用に由来するジャロシンスキー・守谷（DM）相互作用が働く．これは隣接するスピンを直交させた場合にエネルギーが低下するようなスピン間相互作用で，B20型結晶構造においてはDS・（S×S）と空間的に一様で等方的な捻じりを与えるハミルトニアンで記述される．ここで，DはDM相互作用の強さを与える擬スカラーで，スピン軌道相互作用や結晶の対称性で決まる量である．Dの符号がエネルギー的に安定な捻じりの向き，大きさが捻じりの強さを決める．このDM相互作用と隣り合うスピンを平行にしようとする強磁性的交換相互作用の競合は，一定の角度で一方向にスピンが回転するプロパースクリュー型らせん磁気構造（図1b）を無磁場下で安定化する．一方，磁場下ではゼーマンエネルギーとのバランスでさまざまな磁気相が現れる．その1つが磁場と垂直な面に対して渦状の構造をもつスキルミオン（図1c）である．2009年にB20型MnSiについての小角中性子散乱でスキルミオンが三角格子状に配列したスキルミオン格子の形成が推察され，2）2010年にLTEMを用いたB20型Fe 0.5Co 0.5SiのLTEM観察によってスキルミオン格子が実空間観察された．3）,4）LTEMによるスキルミオンの観察（フレネル法）の模式図を図2aに示す．薄片試料中のスキルミオンに照射された電子線は面内磁化によるローレンツ力で巻き方に応じて凸レンズまたは凹レンズのように偏向させられ，試料から焦点をずらした位置に斑点状の濃淡を作る．そのため，斑点の位置とその明暗からスキルミオンの位置日本結晶学会誌第61巻第4号（2019）(a)左手系(b)左手系(c)反時計回り（CCW）遷移金属元素14族元素[111]B右手系右手系時計回り（CW）図1（a）B20型結晶構造，（b）らせん磁気構造，（c）スキルミオンの右手系・左手系の模式図.（Schematicsof B20-type crystal structure（a）, helical magneticstructure（b）, and skyrmions（c）.）と磁場と垂直な面内の巻き方（ヘリシティ）が観察できる．B20型FeGe多結晶の薄片についてスキルミオンを観察した例を図2bに示す．各単結晶領域では斑点の明暗が揃っており，ヘリシティの同じスキルミオンの形成が確認できる．これはあるキラリティの結晶ではDの符号が一定なためである．一方，鏡映操作による結晶構造のキラリティ反転に対しては，磁気構造も鏡映操作により，スキルミオンのヘリシティが反転する．これはDの符号が反転し，磁気構造を捻る向きが逆になることを意味する．図2bの結晶ドメインA，Bでは斑点の明暗が逆になっており，スキルミオンのヘリシティが異なるが，これはドメインA，Bが異なるキラリティを有するためであると考えられる．透過電子線は多重散乱の効果を強く受け，試料の三次元構造の情報を含むため，収束電子回折（CBED）を用いると空間群の決定が行えることが知られている．5）結晶構造のキラリティもCBED図形をシミュレーション結果と比較することで判別が可能である．図2bのドメインA，Bから取得した［120］入射CBED _図形を図2c，dに示す．詳細は割愛するが，002/002ディスクのパターンがドメインに応じて反転していることが，異なるキラリティをもつことを示している．シミュレーションとの比較で各々のキラリティを判別すると，FeGeにおいて207