フロリダ州立大学の研究チームは最近、まったく新しい結晶材料を合成しました。その内部の原子スピンは、従来の磁石のように整然と配置されなくなり、規則的に繰り返される渦のような「スピン テクスチャ」を形成します。従来の磁性材料とは全く異なる磁気的挙動を示します。高密度データストレージ、低エネルギー電子デバイス、将来の量子情報技術への応用が期待されていると考えられています。

研究者らは、独創的な「構造競合」戦略を用いた。化学組成は似ているが結晶対称性が異なる2つの化合物を混合するというものだ。1つはマンガン、コバルト、ゲルマニウムで構成され、もう1つは周期表で隣り合うマンガン、コバルト、ヒ素で構成されている。 2 つの結晶構造は、コンポーネントの接合部で同時に完全に安定した状態を保つことができず、いわゆる「構造フラストレーション」が発生します。この不安定性は、顕微鏡レベルで磁気の「フラストレーション」に「変換」され、原子スピンの歪みを強制し、最終的には結晶内部で周期的な渦パターンに自発的に組織化されます。

従来の磁石では、多数の原子スピンが小さな矢印のようにきれいに同じ方向を向いているか、単純な逆平行配置であり、コンピューターのハードドライブやスマートフォンなどのデバイスで使用されるよく知られた巨視的な磁性を作り出します。今回の研究で科学研究チームが発見した新物質では、スピンはもはや単純に並んでいるのではなく、より複雑なリング状や波状の構造、いわゆる「スピンテクスチャー」を形成しており、これには「スキルミオン」に似た螺旋状やサイクロイド状の構造も含まれる。このタイプのトポロジカルスピン構造は、物性物理学および材料化学の分野における最先端の研究のホットスポットです。

このスキルミオンのような磁気構造を決定するために、研究チームは、米国エネルギー省オークリッジ国立研究所の「スプラッシュ中性子源」ユーザー施設を利用して、TOPAZ単結晶中性子回折計でサンプルの精密な測定を行い、新しく開発されたデータ処理および機械学習ツールと組み合わせて、複雑な磁気構造を高い信頼性で解析しました。研究者らは、この能力により、奇妙なスピンテクスチャーを「発見」できるだけでなく、オンデマンドでこれらの磁性構造を「設計および最適化」することも可能となり、情報および量子技術における材料設計に新たな道を提供できると指摘した。

応用の観点から見ると、スキルミオンのようなスピン集合組織を持つこの種の材料は、より情報密度の高いハードドライブや記憶媒体の開発や電子伝達効率の向上に有望であると考えられています。磁場を介してスキルミオンを制御するのに必要なエネルギーは非常に低いため、電子デバイスやスピントロニクスデバイスにスキルミオンを導入することで、エネルギー消費の大幅な削減が期待されています。特に、数千、さらには数万のプロセッサを備えた大規模なスーパーコンピューティング システムでは、電力と冷却のコストが大幅に節約される可能性があります。

さらに、研究者らは、「構造的フラストレーション」に基づくこの設計アイデアが、「フォールトトレラント」量子ビットの構築に使用できる材料を見つけるための手がかりを提供する可能性があると考えています。いわゆるフォールトトレラント量子コンピューティングとは、ノイズやエラーのある実環境において量子情報を安定して保存および動作できるようにするための材料および構造設計の使用を指します。それは量子情報処理の「聖杯」とみなされており、複雑なスピンテクスチャ材料はそのような解決策を実現する可能性のある道であると考えられています。

「材料探索」に依存していた以前のルートとは異なり、この研究は一種の「化学的思考」に重点を置いています。つまり、既知の材料ライブラリーから特定の対称性を持つ候補を単に「検索」するだけではなく、構造とスピンの本質的な関係から出発し、期待される磁性組織を誘導するための成分と結晶骨格の組み合わせを積極的に設計します。研究チームは、元素と構造の組み合わせを事前に設定することで、実験的な試行錯誤のみに頼るのではなく、可能性のある新材料とその磁気特性を紙の上で推定できる予測機能を構築したいと述べている。

この方法の重要な追加の利点は、スキルミオンのようなスピンテクスチャーを生成するために使用できる原材料の選択が大幅に拡大すると予想されることです。これにより、コストが低く、結晶成長が容易で、将来の大規模な技術応用に役立つ、より堅牢なサプライチェーンを備えた材料システムが見つかります。関連する結果は、「構造的フラストレーションに由来する材料におけるスキルミオンのようなスピンテクスチャーの出現」というタイトルで、Journal of the American Chemical Societyに掲載されました。使用された研究施設には、フロリダ州立大学の実験プラットフォームとオークリッジ国立研究所の中性子散乱施設が含まれており、国立科学財団から資金提供を受けました。

/ScitechDaily から編集