スキルミオンのソースを表示

{{翻訳直後|[[:en:Special:Permalink/723891245|en:Skyrmion]],[[:de:Special:Permalink/151213313|de:Skyrmion]]|date=2016年9月}}

[[物性物理学]]において、'''スキルミオン'''<ref>{{Cite web|和書|url=https://jglobal.jst.go.jp/detail?JGLOBAL_ID=200906064318537520|title=スキルミオン|accessdate=2016-9-28|work=科学技術用語情報|publisher=[[科学技術振興機構]]}}</ref>（{{Lang-en-short|skyrmion}} {{IPAc-en|ˈ|s|k|ɜr|m|i|.|ɒ|n}}、'''スカーミオン'''<ref>{{Cite web|和書|url=http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/nagaosa-lab/ezawa/skyrmion.html|title=磁性体中のトポロジカル構造|accessdate=2016-9-28|author=江澤雅彦|publisher=[[東京大学]]}}</ref>とも）とは、[[場|連続場]]に生じる[[位相幾何学]]的に特徴のある[[渦]]のモデルをいう。この渦はそれぞれが[[粒子]]のように振る舞うため、有限な[[質量]]を持つ[[準粒子]]とみることができる<ref name="Spektrum2009.4" />。1962年、[[トニー・スカーム]]により[[バリオン]]の量子[[重ね合わせ]]と共鳴状態を説明するために考案された<ref group="注">その後、[[中間子]]にも関連づけられたモデルが登場した。</ref><ref name="Wong2002" />。[[原子核物理学|原子核物性]]からも予言された<ref name="Khoshbin2002" />。このモデルは高等数学的で、数学的な要請により明示的に[[非線形システム論|非線形]]である。元々は[[高エネルギー物理学|高エネルギー物理]]に端を発するが、現在では[[固体物理学|固体物理]]において応用され、[[情報技術]]分野から興味を集めている。[[ボース＝アインシュタイン凝縮]]体<ref name="AlKhawaja2001" />、[[超伝導|超伝導体]]<ref name="Baskaran2011" />、磁性薄膜<ref name="Kiselev2011" />、カイラル[[ネマチック液晶|ネマティック液晶]]<ref name="Fukuda2011" />中のスキルミオンが報告されている。

== 概要 ==
スキルミオンモデルは[[フェルミ粒子|フェルミオン]]（[[核子]]）を、[[ボース粒子|ボソン]]場から生じる特殊な[[ソリトン]]としてモデル化する（[[強い相互作用]]を[[中間子]]の交換で説明する非線形[[古典物理学|古典]]場）<ref name="Skyrme1958" /><ref name="Skyrme1959" /><ref name="Skyrme1961a" /><ref name="Skyrme1961b" />。1980年代初頭、[[エドワード・ウィッテン]]の仕事と、有名な[[MITバッグ模型|バッグ模型]]（[[ケネス・A・ジョンソン]]の項目も参照）とは独立に提唱され、[[量子ホール効果]]と関連づけて議論された。現在では、[[界面|表面・界面]][[磁性]]系におけるスキルミオンも発見されている<ref name="Blügel" /><ref name="Pfleiderer20102013" />。

[[固体物理学]]、特に発展著しい[[スピントロニクス]]技術の分野で、[[磁気スキルミオン]]と呼ばれる[[位相幾何学]]的に[[自明性 (数学)|非自明]]な[[スピン角運動量|スピン]]配置が注目されている。二次元磁気スキルミオンは、たとえば三次元スピン「ハリネズミ ({{Lang|en|hedgehog}})」<ref group="注">[[マイクロ磁気学]]で[[被覆空間|被覆数]] {{Math|+1}} の[[ブロッホ球|ブロッホ点]]と呼ばれる、[[ホモトピー]] 1 の特異点</ref>を[[ステレオ投影]]すると得られるようなスピン配置である。すなわち、円の周縁領域では上向きの北極スピンを、円の中心点では下向きの南極スピンをもつような分布になる<ref>{{cite journal|year=1968|title=Point Singularities in Micromagnetism|url=http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/39/2/10.1063/1.1656144|journal=Journal of Applied Physics|volume=39|issue=2|pages=1006–1007|ref=harv|first1=W.|last1=Döring|doi=10.1063/1.1656144}}</ref>。

磁気スキルミオンは、カイラル[[磁性体]]を[[磁場]]下に置いた時に、[[電子スピン]]数千個程度の大きさのものが生じることが知られている。微小なにより[[固体]]中を自由に動かすことができ、[[ジュール熱]]をほとんど出さずに制御できる可能性が示されたため、低[[消費電力]]と[[集積回路|高密度実装]]を実現する[[不揮発性メモリ]]としての応用が期待されている<ref>{{Cite press release|和書| url = http://www.riken.jp/pr/press/2012/20120808_2/digest/ | title=電子スピンの渦「スキルミオン」を微小電流で駆動―従来の10万分の1の低電流密度での磁気情報操作技術の実現に大きく前進―|publisher=理化学研究所|date=2012年8月8日|accessdate=2016-9-24}}</ref><ref>{{cite news|title=極小の磁力の渦が記憶素子に？|newspaper=日本経済新聞|date=2015年3月8日|page=17}}</ref>。

== 数学的定義 ==
場の理論では、スキルミオンは非自明な対象多様体トポロジーの[[非線型シグマモデル|非線形シグマモデル]]に対する、[[ホモトピー]]的に非自明な古典解である。したがって、スキルミオンは[[位相欠陥|位相的ソリトン]]である。例として、[[中間子]]の{{仮リンク|カイラル模型|en|Chiral model}}<ref group="注">カイラル模型では左手性と右手性の間の際が強調される。</ref>が挙げられる。この場合、対象多様体は次の[[ファイバー束|構造群]]の[[等質空間]]である。

<math>\left(\frac{\mathrm{SU}(N)_\mathrm L\times \mathrm{SU}(N)_\mathrm R}{\mathrm{SU}(N)_\text{diag}}\right)</math>

ここで、 {{Math|SU(''N'')<sub>L</sub>}} および {{Math|SU(''N'')<sub>R</sub>}} は {{Math|SU(''N'')}} 行列のそれぞれ左部分と右部分であり、{{Math|SU(''N'')<sub>diag</sub>}} は{{仮リンク|対角部分群|en|Diagonal_subgroup}}である。

[[時空]]がトポロジー {{Math|S<sup>3</sup>×'''R'''}} を持つとき、古典配置は整数[[回転数 (数学)|回転数]]に分類される<ref group="注">同様の分類が有効スピン「ハリネズミ特異点」にもあてはまる。上スピンは北極を、下スピンは南極を指す。{{Harvtxt|Döring|1968}}も参照。</ref>。これは、三次の[[ホモトピー群]]

<math>\pi_3\left(\frac{\mathrm{SU}(N)_\mathrm L\times \mathrm{SU}(N)_\mathrm R}{\mathrm{SU}(N)_\text{diag}}\cong \mathrm{SU}(N)\right)</math>

が整数の[[環 (数学)|環]]と等価なためである。ここで、等号は[[位相同型]]を意味している。

カイラル[[ラグランジアン]]に位相幾何学的項が追加されることがあり、このときその積分は[[ホモトピー類]]にのみ依存する。この結果として量子化されたモデルに[[超選択則|超選択セクター]]が生じる。スキルミオンは{{仮リンク|サイン・ゴルドン方程式|en|Sine-Gordon_equation}}の[[ソリトン]]として近似することができる。{{仮リンク|ベーテ仮設|en|Bethe_ansatz}}その他により量子化すると、質量を持ち、{{仮リンク|シリング模型|en|Thirring_model}}に従って[[相互作用#物理学|相互作用]]する[[フェルミ粒子|フェルミオン]]となる。

== 磁性体・データ記録媒体 ==
{{Main|磁気スキルミオン}}
[[点対称|反転対称性]]を持たず{{仮リンク|ジャロシンスキー・守谷相互作用|en|Dzyaloshinskii-Moriya_Interaction}}が重要な役割を果す[[カイラリティ|カイラル]]磁性体において、磁気スキルミオンが現われることが知られている。このスキルミオンのサイズは 1 nm （[[イリジウム|Ir]] (111) 上の[[鉄]]の場合の例）{{要出典範囲|から 1200 nm|date=2016年9月}} 程度である<ref name="Heinze2011" />。研究の結果、スキルミオンを[[走査型トンネル顕微鏡]]により読み書きすることが可能となっている<ref name="Romming2013" />。磁気スキルミオンの小ささとエネルギー消費の低さから、スキルミオンの在不在を表わす[[トポロジカルチャージ]]により[[ビット]]の「1」と「0」を表わす形式のデータ記録媒体や、その他のスピントロニクスデバイスへの将来的な応用が期待されている<ref name="Fert" /><ref name="yanzhou2015NC" /><ref name="xichao1" />。室温において安定なスキルミオンの報告もある<ref name="Wanjun2015" /><ref name="Gilbert2015" />。

== 脚注 ==
{{Reflist|group=注}}

== 出典 ==
{{reflist|30em|refs=
<ref name=Wong2002>{{cite arXiv|first=Stephen|last=Wong|date=|title=What exactly is a Skyrmion?|eprint=hep-ph/0202250|year=2002}}</ref>
<ref name=Khoshbin2002>{{cite journal |journal=Eur. Phys. J. A |volume=14 |issue=2 |title=Correlated quasiskyrmions as alpha-particles |last1 = M.r. khoshbin-e-khoshnazar |url=https://doi.org/10.1140/epja/i2001-10198-7 |year=2002 |pages = 207–209 |doi=10.1140/epja/i2001-10198-7 | ref=harv | language = [[英語]]}}</ref>
<ref name=AlKhawaja2001>{{cite journal|year=2001|title=Skyrmions in a ferromagnetic Bose–Einstein condensate|journal=[[Nature (journal)|Nature]]|pmid=11418849|volume= 411|issue= 6840|pages=918–20|doi=10.1038/35082010|bibcode = 2001Natur.411..918A|last1=Al Khawaja|first1=Usama|last2=Stoof|first2=Henk}}</ref>
<ref name=Baskaran2011>{{Cite arXiv|last=Baskaran|first=G.|eprint=1108.3562|title=Possibility of Skyrmion Superconductivity in Doped Antiferromagnet {{Chem|K|2|Fe|4|Se|5}}|class=cond-mat.supr-con|year=2011}}</ref>
<ref name=Kiselev2011>{{cite journal|title=Chiral skyrmions in thin magnetic films: New objects for magnetic storage technologies?|doi=10.1088/0022-3727/44/39/392001|year=2011|journal=Journal of Physics D: Applied Physics|volume=44|issue=39|page=392001|arxiv=1102.2726|bibcode=2011JPhD...44M2001K|last1=Kiselev|first1=N. S.|last2=Bogdanov|first2=A. N.|last3=Schäfer|first3=R.|last4=Rößler|first4=U. K.}}</ref>
<ref name=Fukuda2011>{{cite journal|title=Quasi-two-dimensional Skyrmion lattices in a chiral nematic liquid crystal|doi=10.1038/ncomms1250|year=2011|journal=Nature Communications|volume=2|page=246|last1=Fukuda|first1=J.-I.|last2=Žumer|first2=S.|pmid=21427717|bibcode = 2011NatCo...2E.246F }}</ref>
<ref name=Heinze2011>{{Cite journal|doi=10.1038/NPHYS2045|title=Spontaneous atomic-scale magnetic skyrmion lattice in two dimensions|year=2011|last1=Heinze|first1=Stefan|last2= Von Bergmann|journal=Nature Physics|volume=7|pages=713–718|layurl=http://www.nature.com/nphys/journal/v7/n9/full/nphys2045.html|laydate=Jul 31, 2011|first2=Kirsten|last3=Menzel|first3=Matthias|last4=Brede|first4=Jens|last5=Kubetzka|first5=André|last6=Wiesendanger|first6=Roland|last7=Bihlmayer|first7=Gustav|last8=Blügel|first8=Stefan|issue=9|bibcode = 2011NatPh...7..713H }}</ref>
<ref name=Fert>{{cite journal |author1=A. Fert |author2=V. Cros |author3=J. Sampaio |last-author-amp=yes |year=2013 |title=Skyrmions on the track |journal=Nature Nanotechnology |volume=8 |issue= |pages=152–156 |bibcode= 2013NatNa...8..152F |doi=10.1038/nnano.2013.29 }}</ref>
<ref name=yanzhou2015NC>{{cite journal |author=Y. Zhou, E. Iacocca, A.A. Awad, R.K. Dumas, F.C. Zhang, H.B. Braun and J. Akerman |year=2015 |title=Dynamically stabilized magnetic skyrmions |journal=Nature Communications |volume=6 |issue= |pages=8193 |bibcode= 2015NatCo...6E8193Z |doi=10.1038/ncomms9193 }}</ref>
<ref name=xichao1>{{cite journal |author1=X.C. Zhang |author2=M. Ezawa |author3=Y. Zhou |year=2014 |title=Magnetic skyrmion logic gates: conversion, duplication and merging of skyrmions |journal=Scientific Reports |volume=5 |issue= |pages= 9400 |bibcode= 2015NatSR...5E9400Z |doi=10.1038/srep09400 |arxiv = 1410.3086 }}</ref>
<ref name=Romming2013>{{Cite journal|doi=10.1126/science.1240573|title=Writing and Deleting Single Magnetic Skyrmions|year=2013|last1=Romming|first1=N.|last2=Hanneken|first2=C.|last3=Menzel|first3=M.|last4=Bickel|first4=J. E.|last5=Wolter|first5=B.|last6=Von Bergmann|first6=K.|last7=Kubetzka|first7=A.|last8=Wiesendanger|first8=R.|journal=Science|volume=341|issue=6146|pages=636–9|pmid=23929977|layurl=http://phys.org/news/2013-08-skyrmions-electronics.html | laysource = phys.org | laydate = Aug 8, 2013 |bibcode = 2013Sci...341..636R }}</ref>
<ref name=Wanjun2015>{{Cite journal|title = Blowing magnetic skyrmion bubbles|url = http://www.sciencemag.org/content/349/6245/283|journal = Science|date = 2015-07-17|issn = 0036-8075|pmid = 26067256|pages = 283–286|volume = 349|issue = 6245|doi = 10.1126/science.aaa1442|first = Wanjun|last = Jiang|first2 = Pramey|last2 = Upadhyaya|first3 = Wei|last3 = Zhang|first4 = Guoqiang|last4 = Yu|first5 = M. Benjamin|last5 = Jungfleisch|first6 = Frank Y.|last6 = Fradin|first7 = John E.|last7 = Pearson|first8 = Yaroslav|last8 = Tserkovnyak|first9 = Kang L.|last9 = Wang|arxiv = 1502.08028 |bibcode = 2015Sci...349..283J }}</ref>
<ref name=Gilbert2015>{{Cite journal|title = Realization of ground-state artificial skyrmion lattices at room temperature|url = http://www.nature.com/ncomms/2015/151008/ncomms9462/full/ncomms9462.html|journal = Nature Communications|date = 2015-10-08|volume = 6|doi = 10.1038/ncomms9462|first = Dustin A.|last = Gilbert|first2 = Brian B.|last2 = Maranville|first3 = Andrew L.|last3 = Balk|first4 = Brian J.|last4 = Kirby|first5 = Peter|last5 = Fischer|first6 = Daniel T.|last6 = Pierce|first7 = John|last7 = Unguris|first8 = Julie A.|last8 = Borchers|first9 = Kai|last9 = Liu|bibcode = 2015NatCo...6E8462G }}</ref>
<ref name=Spektrum2009.4>{{Cite journal|journal=Spektrum der Wissenschaft|date=2009|issue=4|page=11|title=Feldknoten als Teilchen|url=http://www.spektrum.de/magazin/feldknoten-als-teilchen/986518|language=[[ドイツ語]]}}</ref>
<ref name=Skyrme1958>{{cite journal |journal=Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences |issn = 0080-4630 |volume=247 |issue=1249 |title=A Non-Linear Theory of Strong Interactions |first1 = T. H. R. |last1 = Skyrme |url=http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/247/1249/260 |year=1958 |pages = 260–278 |doi=10.1098/rspa.1958.0183 | ref=harv}}</ref>
<ref name=Skyrme1959>{{cite journal |journal=Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences |issn = 0080-4630 |volume=252 |issue=1269 |title=A Unified Model of K- and \pi -mesons |first1 = T. H. R. |last1 = Skyrme |url=http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/252/1269/236 |year=1959 |pages = 236–245 |doi=10.1098/rspa.1959.0149 | ref=harv}}</ref>
<ref name=Skyrme1961a>{{cite journal |journal=Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences |issn = 0080-4630 |volume=260 |issue=1300 |title=A Non-Linear Field Theory |first1 = T. H. R. |last1 = Skyrme |url=http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/260/1300/127 |year=1961 |pages = 127–138 |doi=10.1098/rspa.1961.0018 | ref=harv}}</ref>
<ref name=Skyrme1961b>{{cite journal |journal=Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences |issn = 0080-4630 |volume=262 |issue=1309 |title=Particle States of a Quantized Meson Field |first1 = T. H. R. |last1 = Skyrme |url=http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/262/1309/237 |year=1961 |pages = 237–245 |doi=10.1098/rspa.1961.0115 | ref=harv}}</ref>
<ref name="Blügel">{{Cite web|publisher=Universität Regensburg | url=http://www.physik.uni-regensburg.de/aktuell/KollWS1011/Vortrag_Bluegel.pdf|archiveurl=https://web.archive.org/web/20131014111522/http://www.physik.uni-regensburg.de/aktuell/KollWS1011/Vortrag_Bluegel.pdf |archivedate=2013-10-14| format=PDF|title=From Rashba effect to topologically protected spin textures at metal surfaces|author=Stefan Blügel|accessdate=2016-9-26}}.</ref>
<ref name=Pfleiderer20102013>{{Cite journal|author=Christian Pfleiderer|url=http://www.pro-physik.de/details/physikjournalIssue/1089643/Issue_11_2010.html|title=Magnetismus mit Drehsinn|journal=Physik Journal|issue=11|year=2010| page= 25|language=[[ドイツ語]]}}<br />
{{Cite journal|author=Christian Pfleiderer|http://www.pro-physik.de/details/physikjournalIssue/5263381/PJ_10_2013.html|title=Wirbel um Spinwirbel|journal=Physik Journal|issue=10|year=2013| page=20&ndash;21|language=[[ドイツ語]]}}</ref>
}}

== 外部リンク ==
*{{Cite web |url=http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/materials/developments-in-magnetic-skyrmions-come-in-bunches | title = Developments in Magnetic Skyrmions Come in Bunches | accessdate=2016-9-24| year = 2015 | publisher = {{仮リンク|IEEE Spectrum|en|IEEE Spectrum}} |language=[[英語]]}}

* {{Cite web|url=http://www.physik.uni-regensburg.de/aktuell/KollSS05/Schueller-Vortrag.htm|title=Ultraschnelle Exzitonendynamik am Quanten-Hall-Ferromagneten.|accessdate=2016-9-27|author=Christian Schüller|publisher={{仮リンク|レーゲンスブルク大学|de|Universität Regensburg}}|language=[[ドイツ語]]|archiveurl=https://web.archive.org/web/20070610155856/http://www.physik.uni-regensburg.de/aktuell/KollSS05/Schueller-Vortrag.htm|archivedate=2007-10-6}}
* {{Cite web|url=http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do?laid=11499|title=Skyrmionen im Spingitter|accessdate=2016-9-27|date=2009-2-13|publisher=Pro-Physik|language=[[ドイツ語]]}}
* {{YouTube|3LY03hJ00Dw|FDTD Skyrmion simulation in calculating pixel space }}

{{Normdaten}}
{{デフォルトソート:すきるみおん}}
[[Category:仮説上の粒子]]
[[Category:量子色力学]]
[[Category:電磁気学]]
[[Category:原子核物理学]]
[[Category:エポニム]]