フロリダ州立大学の研究者らが、親化合物には見られない複雑な渦巻き状磁気挙動を示す新規結晶材料を作成した。構造的に不整合だが化学的に類似した2つの材料を混合することで、チームは原子スピンをskyrmion様テクスチャを形成するよう誘導した。この画期的な成果はJournal of the American Chemical Societyに詳述されており、データストレージと量子技術の進展に寄与する可能性がある。
フロリダ州立大学の科学者らは、マルチ化合物としてマンガン、コバルト、ゲルマニウムからなるものと、マンガン、コバルト、ヒ素からなるものを組み合わせることで新規結晶材料を開発した。これらの元素は周期表上で隣接しており、化合物は化学的に類似しているが、異なる結晶対称性により構造的に異なる。この不整合が構造的フラストレーションを引き起こし、原子配置が競合して単純な安定パターンを防ぐ。得られたハイブリッド結晶では、原子スピンが従来の磁石で見られる通常の線形整列ではなく、複雑で繰り返しの渦巻きパターンとして知られるskyrmion様スピンテクスチャに組織化する。「この構造的フラストレーションが磁気フラストレーションに翻訳されるかもしれないと考えました」と、FSU化学・生化学部門の教授で共著者のMichael Shatruk氏は説明する。「構造が競合していれば、スピンがねじれる可能性がある」。磁気構造を確認するため、研究者らはOak Ridge National LaboratoryのSpallation Neutron SourceにあるTOPAZ装置で単結晶中性子回折法を用いた。この手法により、円錐状スピン配置が明らかになった。結果は2025年のJournal of the American Chemical Society（147巻47号43550ページ）に掲載された。これらのskyrmion様テクスチャは、ハードドライブでの高密度データストレージ、電子機器の低消費電力、耐エラー性量子コンピューティングシステムなど、技術的優位性を提供する。「TOPAZからの単結晶中性子回折データとLDRDプロジェクトの新規データ低減・機械学習ツールにより、非常に複雑な磁気構造を高い信頼性で解明できるようになった」と、Oak Ridgeの中性子散乱科学者Xiaoping Wang氏は述べる。既存材料をスクリーニングする過去のアプローチとは異なり、この研究は化学原理を用いてスピン挙動を予測し、意図的に結晶を設計した。「化学的思考です。これらの構造間のバランスがどのように影響し、それらの関係が原子スピン間の関係にどう翻訳されるかを考えています」とShatruk氏。大学院生の共著者Ian Campbell氏は「これらの複雑なスピンテクスチャがどこに現れるかを予測できるようにする」という。研究にはEuropean Synchrotron Radiation Facility、北京科学技術大学、RWTH Aachen University、Oak Ridgeからの協力者らが参加し、National Science Foundationの支援を受けた。
