新しい結晶が原子磁石を奇妙な形でねじらせます。 フロリダ州立大学の研究者たちは、原子規模の磁気モーメントを誘導し、安定した渦巻くサイクロイドパターンを形成する新しい結晶材料、すなわちスカイミオン様スピンテクスチャを設計しました。これらの複雑なスピン構成は構造的なフラストレーションから生じ、その安定性と最小限のエネルギー要求により、低エネルギーデータストレージ、効率的な電子機器、量子情報技術の進歩に大きな可能性を秘めています。 原子レベルでは、磁気は電子の本質的なスピンに由来し、これは微小な方向性磁石のように振る舞います。従来の磁性材料では、スピンは通常、強磁性(すべて同じ方向)または反強磁性(交互)に整列します。しかしここでは、スピンは単純な順序に分解できず、複雑で繰り返される螺旋状に組織化されます。 この画期的な発見は、構造的に相容れない密接に関連している2つの化合物、MnCoGe(マンガン・コバルト・ゲルマニウム)とMnCoAs(マンガン・コバルト・ヒ素)を意図的に組み合わせたことに由来します。 ゲルマニウムとヒ素は周期表上で隣接する元素であり、化学的に類似していますが、MnCoGe変異体では六方晶/直方晶、MnCoAでは直方晶の結晶対称性が異なり、合金化時には構造的嗜好が競合します。この不一致は原子格子レベルでのフラストレーションを生み出し、それが磁気フラストレーションにつながり、スピンを望まない非自明なパターンにねじらせます。 これらのスカーミオン様のテクスチャーを検証するため、チームはオークリッジ国立研究所のスパレーション中性子源にあるTOPAZ装置で単結晶中性子回折を用い、ナノスケールでのサイクロイドスピン配置の存在を確認しました。これはコンパクトなデバイスへの統合に理想的なものです。 主な利点は、これらのパターンを低エネルギーで制御できることであり、これにより超効率的な磁気メモリ(例:高密度・低消費電力のハードドライブ)や量子状態の堅牢な保護が可能になります。従来のスカワーミオン研究が既存材料を経験的にスクリーニングすることが多いのに対し、この研究は「化学的思考」を用いて特定の組成境界をターゲットにし、複雑な磁気の出現を予測する合理的で設計主導のアプローチを示しています。 [ワン、Y.、キャンベル、I.、テナー、Z. P.、クラーク、J. K.、グラテロール、J.、ロガレフ、A.、ウィルヘルム、F.、チャン、H.、ロング、Y.、ドロンスコウスキー、R.、ワン、X.、シャトラック、M.(2025年)。構造的なフラストレーションから生じたスカーミオンのようなスピンテクスチャが素材に現れる。アメリカ化学会雑誌、147巻(47号)、43550–43559頁。DOI: 10.1021/jacs.5c12764]