磁石を伝わる磁気の波をトポロジーで分類――表面波の安定性のメカニズムを解明 原子力機構など

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日本原子力研究開発機構は2019年5月29日、東京大学と共同で磁石を伝わる磁気の波を位相数学(トポロジー)を用いて分類し、表面波が持つ安定性を説明することに世界で初めて成功したと発表した。

現在、情報機器では主に電流を用いて電気信号を伝えることで計算や情報の記録を行なっているが、代わりに磁気の波が運ぶ磁気信号を用いることで省エネルギー化や高機能化を実現できる可能性があり、世界中で盛んに研究されている。磁気の波には、磁石の内部を伝わる内部波と表面を伝わる表面波があるが、表面波はさまざまな種類がある磁気の波の中で最も安定して長距離を伝搬し、また磁石のN極について右回りの方向にしか伝わることができないという一方通行性を持つ。

これらの特別な性質によって表面波は内部波より制御が容易であるため、磁気の波を情報機器に応用するための研究の大部分はこの表面波を対象に行われてきた。しかし、なぜ表面波がこれら内部波にはない、さまざまな性質を備えているかという理由については解明されていなかった。

今回、研究グループは表面波の安定性がトポロジーと密接に関連している、という物質科学における最新の知見に着目した。トポロジーとは数式を「互いにつながっているかどうか」に基づいて分類するための数学的ツールであり、研究グループは磁気の波を数式として表した上で、トポロジーによる分類手法を用いた。その結果、表面波が内部波と混じり合うことなく存在できることや一方通行性を持つことなど、安定に伝わる仕組みを世界で初めて解明した。

今回の成果は、磁気の波に対して確立した理論を一般化し、今回の対象とは異なる種類の磁気の波や音、あるいは光など他の波に対してもトポロジーを適用できる可能性を示した。これは表面波を情報処理へ応用できる可能性を拓くもので、電気回路に依存しない、より省エネで高機能な情報機器の開発につながることが期待できるとしている。

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