人工二重らせんによる磁気カイラリティの幾何学的制御

Artificial Double-Helix for Geometrical Control of Magnetic Chirality.

• Dédalo Sanz-Hernández
• Aurelio Hierro-Rodriguez
• Claire Donnelly
• Javier Pablo-Navarro
• Andrea Sorrentino
• Eva Pereiro
• César Magén
• Stephen McVitie
• José María de Teresa
• Salvador Ferrer
• Peter Fischer
• Amalio Fernández-Pacheco

抄録

キラルは素粒子物理学からDNAに至るまで自然界で重要な役割を果たしており、その制御は科学技術的にも大きな可能性を秘めていることから、非常に注目されています。磁性材料では、スピン間のキラルな相互作用が、トポロジカルな特性を持ち、将来の技術に大きな可能性を秘めたスキルミオンのような高度な渦巻き磁気状態の形成を促進しています。現在のところ、キラル磁性は、限定された天然材料のグループか、界面効果を利用した合成薄膜システムのいずれかを必要としています。ここでは、最先端のナノ加工と磁気X線顕微鏡を用いて、ナノスケールでの複雑なキラルスピン状態の3次元幾何学的効果の刷り込みを実証しています。人工的な強磁性二重らせんナノ構造において、双極子相互作用と交換相互作用のバランスをとることで、キラルな形状のみで決定される、明確に定義されたスピンのキラル性を持つ磁区と磁区壁を形成する。さらに、反対のキラリティを持つジオメトリを局所的に相互作用させることで、閉じ込められた3次元スピンテクスチャとトポロジカル欠陥を作り出す能力を実証した。キラルなスピンテクスチャ3Dナノパターニングを単独で作成する能力は、複雑なトポロジカル磁気状態の特性と位置を絶妙に制御することを可能にし、将来のメタマテリアルやキラリティが強化された機能を提供するデバイスの開発にとって非常に重要である。

Chirality plays a major role in nature, from particle physics to DNA, and its control is much sought-after due to the scientific and technological opportunities it unlocks. For magnetic materials, chiral interactions between spins promote the formation of sophisticated swirling magnetic states such as skyrmions, with rich topological properties and great potential for future technologies. Currently, chiral magnetism requires either a restricted group of natural materials or synthetic thin-film systems that exploit interfacial effects. Here, using state-of-the-art nanofabrication and magnetic X-ray microscopy, we demonstrate the imprinting of complex chiral spin states three-dimensional geometric effects at the nanoscale. By balancing dipolar and exchange interactions in an artificial ferromagnetic double-helix nanostructure, we create magnetic domains and domain walls with a well-defined spin chirality, determined solely by the chiral geometry. We further demonstrate the ability to create confined 3D spin textures and topological defects by locally interfacing geometries of opposite chirality. The ability to create chiral spin textures 3D nanopatterning alone enables exquisite control over the properties and location of complex topological magnetic states, of great importance for the development of future metamaterials and devices in which chirality provides enhanced functionality.