バルク物質における磁気スキルミオン格子相は、三角格子や正方格子といった高対称な形状で発現するというのが従来の認識でした。しかし、回転対称性が自発的に破れたスキルミオン格子相が、遍歴磁性体EuAl₄ (空間群I4/mmm) において初めて発見されました。EuAl₄では、2価のEuイオンが持つ局在スピン間のRKKY相互作用が磁性に影響を及ぼすと考えられており、非常に複雑な磁気相図を示します。ここで、零磁場下でのメロン-アンチメロン格子相 (VI相) からスパイラル相 (V相) への転移は、正方晶から直方晶への構造相転移を伴います。また、c軸方向に磁場を印加すると、正方格子スキルミオン相 (III相) に加えて、菱形格子スキルミオン相 (II相) や菱形格子ボルテックス格子相 (IV相) といった低対称の多重Q相が発現します。これらのスピンテクスチャの回転対称性の破れは、スピン系と格子自由度の強い結合に起因することが示唆されます。

　そこで、我々はEuAl₄の磁場誘起相転移に伴う直方晶歪みの変化を調べました[A]。零磁場・5 Kにおけるスパイラル相 (I相) では、ab面内で約0.2%にも及ぶ直方晶歪みが生じます。磁場を印加していくと、直方晶歪みの大きさは磁気転移が起きる度に不連続に変化しながら飽和磁気相に向かって単調に小さくなっていくことが、ファイバー・ブラッグ・グレーティング (FBG) 法を用いた精密磁歪測定によって明らかになりました。さらに、共鳴X線散乱実験によって主反射と磁気反射を同時に観測することで、直方晶歪みと磁気変調の対応関係を決定しました。本実験結果から、最近接スピン間の磁気相互作用の距離依存性に関する情報を引き出すことができます。

　さらに、中島研究室(東大物性研)が開発したトップローディング型の可変一軸応力プローブを用いて、EuAl₄の磁気相図に対する一軸応力効果を電気抵抗および磁化測定によって調べました[B]。その結果、高々数十MPaの[010]軸への応力印加によって、各磁気相の安定領域が高温・高磁場側へ顕著にシフトしていくことが明らかになりました。また、一軸応力下での中性子散乱実験によって、最低温・ゼロ磁場相のらせん磁気状態における磁気変調周期が短くなることが明らかになりました。第一原理計算によって、観測された磁気変調周期の変化が直方晶歪みに伴うフェルミ面形状の変化によって説明可能であることが示されており、本物質における磁性の起源はフェルミ面のネスティングに由来するRKKY相互作用が重要であると結論づけられます。

　ちなみに、もし直方晶歪みと磁気変調の対応関係が逆だった場合は、縦押し配置での中性子散乱実験が不可能だったので、大変幸運でした。

関連論文

[A] M. Gen et al., Phys. Rev. B 107, L020410 (2023). (原著論文[19])
[B] M. Gen et al., arXiv:2511.07079