阐明柔软的斯格明子的行为--以十亿分之一...
阐明柔软的斯格明子的行为 - -以十亿分之一秒的精度测量电影-
理化学研究所(理研)创发物性科学研究中心电子状态光谱研究小组的下志万贵博研究员、中村飞鸟基础科学特别研究员、石坂香子小组组长等研究小组利用超高速时间分解洛伦兹电子显微镜[1]，发现磁斯格明子[2]以纳秒(十亿分之一秒)到微秒(百万分之一秒)的时间尺度重复灵活变形。本研究成果显示了利用光高速重复控制斯格明子的可能性，有望为新一代磁存储元件的开发做出贡献。 磁斯格明子作为像粒子一样动作的稳定的自旋涡旋为人所知，作为磁存储器元件的新的信息载体备受瞩目。 另一方面，在实际的材料中，已知在晶格缺陷和端面，斯格明子容易变形。 调查这样的柔软性质，关系到自由度更高的斯格明子的控制，因此一直被认为是应用上的重要课题。 此次，研究小组对有意引入晶格缺陷[3]的手性磁性体[4]的Co9Zn9Mn2(Co :钴、Zn :锌、Mn :锰)薄片照射纳秒脉冲激光， 利用超高速洛伦兹电子显微镜分时测量了磁斯格明子柔软变形的过程。结果发现，斯格明子的生成、收缩、漂移、簇形成、消失的一系列过程在纳秒到微秒的时间尺度上反复发生。 本研究刊登在在线科学杂志《科学高级》( 6月16日:日本时间6月17日)上。
柔性斯格明子显示的超高速循环
背景 磁斯格明子(斯格明子)是纳米(十亿分之一米)大小的自旋漩涡，具有密集地组成晶格、孤立地像粒子一样行动的性质。 一旦生成，不仅寿命长，而且可以通过电流和热进行输送，因此有望作为下一代磁存储器的信息载体使用。 迄今为止，对清洁系统的斯格明子进行了广泛的研究，并显示了其有用性。 另一方面，已知在实际材料中包含的晶格缺陷、端面、界面等附近，斯格明子的稳定性被扰乱，容易变形。
要在现实的电子设备中使用斯格明子，重要的是要调查这些斯格明子的灵活行为，并获得更好的控制指导。 为此，有必要实时直接观测斯格明子的行为。 但是，理论上预计斯格明子对外场响应的时间尺度极短，为纳秒(十亿分之一秒)左右。 迄今为止，用于观测这种现象的同时实现高时间·兼顾空间分辨率的磁成像方法非常有限。
研究方法和成果 研究小组对通过镓( Ga )离子照射有意导入晶格缺陷的手性磁性体的Co9Zn9Mn2(Co :钴、Zn :锌、Mn :锰)薄膜照射纳秒脉冲激光[5]，迅速加热试样。 然后，利用超高速时间分解洛伦兹电子显微镜法(图1 )，观测到了被热驱动的斯格明子。 在本实验中，我们使用了以热驱动斯格明子为目的的激光脉冲和以检测斯格明子响应为目的的电子脉冲。 通过控制两个脉冲之间的时间差，可以以10纳秒的精度跟踪瞬态斯格明子的状态。 在得到的洛伦兹电子显微镜图像中，斯格明子的形状以图像对比度的形式表现出来。
将2台纳秒激光发射的激光脉冲的一方(淡绿)用于引起试料的结构变化。 另一个(淡紫色)照射到电子显微镜内的阴极，变换为电子脉冲(淡黄色)。 电子束在试料内的磁矩的作用下，受到洛伦兹力的偏转。 透过试样的电子被照相机记录下来，可以进行磁成像。 通过延迟发生器控制激光脉冲和电子脉冲到达试料的定时，以纳秒的精度拍摄视频。
激光照射前，可观测到因晶格缺陷的影响而变形的斯格明子(图2a )。 用纳秒脉冲激光以5mJ/cm2的强度照射这里，试料会迅速加热。 结果发现，变形的斯格明子在270纳秒后将接近6次对称的簇结构(图2b )。
图2洛伦兹电子显微镜图像的时间变化
激光照射前( a )和照射后270纳秒( b )的洛伦兹电子显微镜图像。 照射前，斯格明子a显示出被7个斯格明子包围的扭曲结构，但经过270纳秒后，发现在斯格明子a的周围有6个斯格明子大致等间隔地排列。
图3显示的是从照射前到照射后7，820纳秒的时分洛伦兹电子显微镜图像。 如果仔细看这个，就会明白反映斯格明子的磁对比度的形状时时刻刻发生变化的样子。 激光照射后不久，椭圆形的斯格明子收缩或分裂，然后漂移，构成对称性更高的斯格明子簇。 另外，这一系列的动力学显示了纳秒数量级的延迟时间(从一个动作到下一个动作的等待时间)。 这被认为是由于外力的作用而产生的电子自旋扰动，捕捉到了相当于斯格明子之间摩擦的现象。 他还发现，通过激光照射分裂的斯格明子在约5微秒( 5，000纳秒)后重新结合(图3d，e )。 可以认为，在清洁系统中长时间稳定的斯格明子，由于晶格缺陷的影响变为了微秒的短寿命。 对称性高的斯格明子团簇在激光照射7，820纳秒后恢复到原来的畸变斯格明子，表明了从柔软的斯格明子生成到消失的一系列过程可以重复进行。
激光照射前( a )至7，820纳秒( e )的各洛伦兹电子显微镜图像(上段)及其示意图(下段)。 蓝色斯格明子在激光照射后收缩，但再次膨胀。 红色斯格明子分裂后，经过漂移重新结合。 由于最终恢复到激光照射前的斯格明子的排列，一系列的观测结果显示了可逆的循环。
今后的期待 在本研究中，通过使用超高速时间分解洛伦兹电子显微镜的实时观测，明确了晶格缺陷周边的柔软磁斯格明子在纳秒到微秒的时域内显示出可逆的生成消灭循环。 今后，通过充分利用斯格明子灵活性的可重复高速控制，期待着为新一代磁存储元件的开发做出贡献。
补充说明 1 .超高速时间分解洛伦兹电子显微镜 使用透射电子显微镜，向想要观察的对象照射电子束，通过放大透射的电子束并记录，从而获得图像。 特别是在洛伦兹电子显微镜法中，因试料中的局部磁化而偏转的电子形成对比度，因此可以进行磁成像。 利用改变物质结构的脉冲激光和用于观察的脉冲电子束，通过控制两个脉冲的时间差，可以得到洛伦兹电子显微镜图像的视频。 2 .磁斯格明子电子具有被称为自旋的类似小磁铁的性质。 这个小磁铁形成的漩涡状图案称为“磁涡流结构”，其中自旋指向三维空间所有方向的特殊图案称为“磁斯格明子”。 3 .晶格缺陷 指晶体中不遵循周期性排列模式的要素。 含有杂质和原子排列混乱。 4 .手性磁性体 具有镜子中所映像互不重叠的晶体结构的磁性体。 5 .纳秒脉冲激光 脉冲宽度为数纳秒的激光。 由于脉冲宽度比连续波激光短，因此具有高峰值功率(脉冲能量/脉冲宽度)。
研究小组 理化学研究所创发物性科学研究中心 电子状态频谱复制研究小组 研究员下志万贵博 基础科学特别研究员中村飞鸟 队长石坂香子 (东京大学研究生院工学系研究科附属量子相电子研究中心教授) 电子状态显微成像研究小组 小组组长于秀珍 强相关物质研究小组 研究员轻部皓介 集团总监田口康二郎 强相关物性研究小组 集团总监十仓好纪 (理化学研究所创发物性科学研究中心中心主任、东京大学研究生院工学系研究科教授、东京大学国际高等研究所东京学院卓越教授)
研究支援 本研究由日本学术振兴会( JSPS )科学研究费补助金基础研究( b )“超高速电子显微镜对技能离子动力学的观测与控制(研究代表者:下志万贵博)”、挑战性研究(萌芽)“利用光涡对固体新激发现象的探索(研究代表者:下志万贵博)” 基础研究( a )“基于电子显微镜的拓扑自旋结构及其动态的实空间观察(研究代表者:于秀珍)”、科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业CREST“基于纳米自旋结构的电子量子相位控制纳米自旋结构的电子量子相位控制(领域代表者，
原論文情報 T.Shimojima，A. Nakamura，X. Z. Yu，K. Karube，Y. Taguchi，Y. Tokura，K. Ishizaka，“磁天球生命周期的纳米到微米时空成像”，，10.1126/sciadv.abg1322新規タブで開きます
发表者 物理化学研究所 创物性科学研究中心电子状态光谱研究小组 研究员下志万贵博 基础科学特别研究员中村飞鸟 队长石坂香子
下志万 貴博
石坂 香子