魅惑のナノスケールの世界

電子は電荷に加えてスピン角運動量を持ちます。このスピン角運動量の間の静的、動的な相互作用が織りなす多彩な現象は磁性と呼ばれ、物性物理学の中心的な話題として今なお多くの研究者を魅了してやみません。物質を単純なモデルで表現してその本質だけを抽出することで、多様な磁性の起源に迫り新奇物性を予測することは、正に物性物理学の真骨頂と言えるでしょう。一方で、単純なモデルで表現することが困難な場合も、現実の物質の世界では多々見受けられます。その発現の舞台となるのが表面や界面などに代表されるナノスケールの物質の世界です。通常、大きな物質の中では電子は表面や界面の存在に気がつくことなく並進対称性を持つ結晶格子の中を運動しますが、薄膜やナノ粒子のように空間的に制限された領域に閉じ込められると、表面・界面、また領域のサイズを感じるようになり、大きな物質とは質的に異なる磁性が発現するようになります。表面・界面では空間的な反転対称性が破れ、スピン角運動量に加えて軌道角運動量が露になり、軌道角運動量とスピン角運動量の間に働く特殊相対論的な効果であるスピン-軌道相互作用が、大きな物質には現れない新たな現象を顕在化させることもしばしばです。このようなナノスケールにおける特異な磁性やスピン物性を見出し、その起源を探究するのが私たちの研究のターゲットになります。
　一方で、ナノスケール磁性研究は、大きな物質ではアプローチできない新たな研究領域に迫る従来にない方法論を提供するという別の側面も持ち合わせています。その最大の特長が、電子の環境を人工的に自在に制御し、作り出すことができるという点です。上の例で言えば、界面を人工的に形成しスピン-軌道相互作用の大きさを制御することで、 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用に起因して発現するトポロジカル不変量を持つ微小ならせんスピン構造（スカーミオン）やそれに伴う局所磁場が誘発するトポロジカルホール効果等が見出されます。このような磁性やスピン物性の物理に迫るための舞台を思いのままに設計するアプローチは、物性物理学の域に留まらず、新しい未知の磁性体や新機能の創出を通して工学的な研究の基礎を提供することにも繋がります。広くはスピントロニクスと呼ばれるこの研究領域は、物性物理学と工学とが両輪となって協奏曲のように掛け合いながら凄まじい勢いで現在進展しています。しばしばスピングラス磁性の物理と関連づけて議論されるニューロモーフィックの物理への展開も始まろうとしています。ナノ磁性・スピン物性研究は、世界的に益々活況を呈していますが、現在、我々の研究室では、電子スピンと他の秩序変数、また、それに対応するゆらぎ・素励起の間の相互作用とその変換の物理に着眼した研究を主に推進しています。以下にいくつかの例を示します。