新井結喜さん、中山耕輔助教らの研究成果が東北大学からプレスリリースされました。
- 受賞と成果
ナノサイズの「磁気の渦」の正体を解明
発表のポイント
- 磁気の渦（磁気スキルミオン）がわずか数ナノメートルという極小サイズで、しかも複数の異なる形で現れる理由を解明しました。
- 最先端の放射光実験により、電子の振る舞いが劇的に変化する瞬間（リフシッツ転移）が、スキルミオン誕生の引き金であることを突き止めました。
- 本成果は、電子の状態を「設計図」として利用することで、極小スキルミオンの大きさや形を自在にデザインできる可能性を示すものです。
概要
スキルミオンは、電子のスピン（小さな磁石）が渦巻状に並んだ特殊な構造（図1a）で、一度できると壊れにくく、しかもごくわずかな電流で動かせるという優れた性質を持つことから、次世代の超低消費電力メモリや情報デバイスの切り札として注目されています。これまでスキルミオンの形成には、結晶構造に表と裏の区別がある特殊な環境が必要であると考えられていました。しかし近年、これまでの常識では説明できない材料から、直径わずか約2ナノメートルという「世界最小級」のスキルミオンが発見され、世界的な注目を集めています。特にEu(Ga,Al)4という材料（図1b）は、磁場によってスキルミオンの並び方が菱形から正方形へ変化する珍しい性質を持ちますが、なぜこれほど小さくなれるのか、なぜ並び方の形まで変わるのか、その根本原因は分かっていませんでした。
東北大学と京都産業大学の共同研究グループは、放射光施設フォトンファクトリーを利用した角度分解光電子分光実験を行い、Eu(Ga,Al)4の内部を動く電子の状態を精密に観測しました。その結果、ガリウム（Ga）をアルミニウム（Al）に置き換える過程で、特定の組成において新たなフェルミ面が出現する「リフシッツ転移」を発見しました（図1c）。新たに現れたフェルミ面が、スキルミオンの有無や大きさ、並び方を決定していることを突き止めました。これは、伝導電子がスピンの向きを揃えるRKKY相互作用が、極小スキルミオンの形成と多様性をもたらすことを示しています。この成果は、電子状態を変化させることでスキルミオンの大きさや形状を自在に設計・制御できる可能性を示したものです。
本研究成果は2026年4月13日に科学誌Nature Communicationsにオンライン掲載されました。
図1. (a) 磁気スキルミオンの模式図。円錐は電子スピンを表し、尖っている方向が磁石のN極に相当する。(b) Eu(Ga,Al)4の結晶構造の模式図。(c) Eu(Ga,Al)4においてSX-ARPESを用いて観測したフェルミ面の組成依存性。EuGa4では青線（e2）と赤線（h1）の二種類のフェルミ面のみ存在するのに対して、GaをAlで置き換えた物質では、緑線（e1）フェルミ面が新たに出現する。このようなフェルミ面の変化をリフシッツ転移と呼ぶ。
論文情報
雑誌名：「Nature Communications」
論文タイトル：Origin of multiple skyrmion phases in EuAl4
著者： Yuki Arai, Kosuke Nakayama, Asuka Honma, Seigo Souma, Daisuke Shiga, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Kouji Segawa, and Takafumi Sato
DOI番号：10.1038/s41467-026-71020-y