外部併任先
- 東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センター 教授
- 理化学研究所 創発物性科学研究センター 客員主管研究員
- 高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所 協力研究員
研究内容
- Keywords
放射光、軟X線分光・イメージング、磁性体、交代磁性体、マルチフェロイクス、磁気多極子、計測インフォマティクス、材料デジタルツイン、自律計測
放射光を用いた先端計測と、磁気対称性・電子状態の理論、データ科学を組み合わせ、磁性材料の機能を生み出す微視的な起源を解明しています。高輝度、短パルス、エネルギー・偏光可変という放射光の特長を活かし、X線吸収・磁気二色性分光、共鳴X線散乱、コヒーレント回折イメージングなどの手法を開発しています。元素ごとの電子状態や磁気モーメント、ナノスケールの磁気構造とその動的挙動を観測し、磁性材料の探索・設計につなげることを目指しています。
1．反強磁性体・交代磁性体の電子状態と磁気多極子
正味の磁化がなくても、結晶構造と磁気秩序の対称性によって、X線磁気円二色性（XMCD）や異常ホール効果が発現する反強磁性体に着目しています。局所的な電子軌道の異方性とスピン配置から、その応答を磁気多極子の観点で理解する研究を進めています。非共線反強磁性体Mn₃SnにおけるXMCDの理論的提案と実験的実証［1,2］、共線反強磁性体における異方的磁気双極子項の秩序［3］を通じて、磁化では捉えにくい磁気秩序の検出原理を開拓しています。また、スピネル酸化物NiCo₂O₄における四極子異常ホール効果を明らかにし、電子状態の異方性と横輸送応答の関係を調べています［4］。
2．X線吸収・磁気二色性の理論
X線吸収スペクトルから電子状態を読み解くため、完全多極子基底に基づいてX線吸収、XMCD、X線磁気線二色性（XMLD）の理論と総和則を構築しています［5］。軌道角運動量やスピン、軌道の異方性とスピンが結合した成分を区別し、従来の磁化測定だけでは捉えにくい磁気秩序を検出するための理論的基盤を開拓しています。
3．NanoTerasuを活用した先端軟X線計測
NanoTerasuの高輝度・高コヒーレンス軟X線を活用し、磁場中で磁気構造を観察する軟X線顕微鏡や、高速なXMCD分光手法を開発しています。四極電磁石を搭載したコヒーレント回折イメージング装置による磁気構造の実空間観察［6］、組成傾斜薄膜の元素別磁気モーメントをマッピングするon-the-fly XMCD計測［7］、構造化軟X線ビームの振幅・位相とトポロジカルチャージの定量評価［8］などを進めています。また、時間分解XMCDとベイズ推定を組み合わせ、強磁性共鳴下におけるスピン・軌道磁気モーメントの動的挙動を調べています［9］。
4．計測インフォマティクスと材料デジタルツイン
機械学習、統計解析、信号処理、ベイズ推定などを活用し、計測データから物性や機能を決定する情報を効率よく抽出する手法を開発しています［7,9］。JST CREST「材料デジタルツインで加速する磁性デバイス開発」では、放射光やレーザーによる先端顕微計測と、データ駆動・物理モデルを融合した解析を推進しています。実際の磁性材料の電子状態やスピン構造を計測に基づいてコンピュータ上に再構成し、機能の発現機構の解明と、省エネルギー磁性デバイスの材料設計・開発の加速を目指しています。
主要論文
[1] Y. Yamasaki, H. Nakao, and T.-h. Arima, Journal of the Physical Society of Japan 89, 083703 (2020).
https://doi.org/10.7566/JPSJ.89.083703
[2] M. Kimata et al., Nature Communications 12, 5582 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25689-7
[3] N. Sasabe, M. Mizumaki, T. Uozumi, and Y. Yamasaki, “Ferroic Order for Anisotropic Magnetic Dipole Term in Collinear Antiferromagnets of (t₂g)⁴ System,” Physical Review Letters 131, 216501 (2023).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.216501
[4] H. Koizumi, Y. Yamasaki, and H. Yanagihara, “Quadrupole anomalous Hall effect in magnetically induced electron nematic state,” Nature Communications 14, 8074 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-43543-1
[5] Y. Yamasaki, Y. Ishii, and N. Sasabe, “Sum rules for x-ray circular and linear dichroism based on complete magnetic multipole basis,” Science and Technology of Advanced Materials 26, 2513217 (2025).
https://doi.org/10.1080/14686996.2025.2513217
[6] Y. Ishii et al., “Development of soft X-ray microscope with a four-pole magnet,” Science and Technology of Advanced Materials: Methods, 2586300 (2025).
https://doi.org/10.1080/27660400.2025.2586300
[7] Y. Yamasaki et al., “High-Throughput Mapping of Magnetic Properties via the on-the-fly XMCD spectroscopy in a Combinatorial Fe-Co-Ni Film,” Science and Technology of Advanced Materials: Methods 5, 2544528 (2025).
https://doi.org/10.1080/27660400.2025.2544528
[8] Y. Ishii and Y. Yamasaki, “Evaluation of topological charge distribution of structured soft X-ray beam,” Journal of the Physical Society of Japan 95, 063002 (2026).
https://doi.org/10.7566/JPSJ.95.063002
[9] Y. Ishii et al., “Microscopic evaluation of spin and orbital moment in ferromagnetic resonance,” Scientific Reports 14, 15504 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41598-024-66139-1
(a) 共鳴軟X線小角散乱による磁気スキルミオンの観測[R. Takagi et al., Nature Communications 11, 5685 (2020)]、(b)軟X線顕微鏡による軟X線光渦の観測 [Y. Ishii et al., Physical Review Applied 14 (6), 064069(2020); Scientific Reports 12 (1), 1-8 (2022)]、(c) 反強磁性体におけるX線磁気円二色性の観測[Y. Yamasaki et al., J. Phys. Soc. Jpn. 89, 083703 (2020), M. Kimata et al., Nature Communications 12, 5582 (2021)]
所属学会
日本物理学会, 日本放射光学会
外部資金獲得履歴
- 科学技術振興機構 CREST 研究代表者 (2024)
- 日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B) 研究代表者 (2024)
- 日本学術振興会 科学研究費助成事業 学術変革(A) 公募班研究代表者 (2024)
- 科学技術振興機構 CREST「情報計測領域」主たる共同研究者 (2021)
- 日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B) 研究代表者 (2018)
- 光科学技術研究振興財団 (2018)
- 科学技術振興機構 さきがけ「情報計測領域」研究代表者 (2017)
- 日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(A) (2016)
マテリアル基盤研究センター
放射光分光・イメージングと磁気多極子解析による磁性材料研究
放射光、軟X線分光・イメージング、磁気多極子、交代磁性体、計測インフォマティクス、材料デジタルツイン
概要
放射光を用いた先端計測と、磁気対称性・電子状態の理論、データ科学を融合し、磁性材料の機能を生み出す微視的な起源を解明しています。X線吸収・磁気二色性分光、共鳴X線散乱、コヒーレント回折イメージングを通じて、元素ごとの電子状態や磁気モーメント、ナノスケールの磁気構造とその動的挙動を観測します。NanoTerasuを活用した高速・高精度計測と材料デジタルツインの構築により、磁性材料の探索・設計の加速を目指しています。
新規性・独創性
● 正味の磁化では捉えにくい反強磁性体・交代磁性体の磁気秩序を、磁気多極子の観点から検出・解明
● 完全多極子基底に基づくX線吸収・磁気二色性の理論と総和則による電子状態解析
● 磁場中・時間分解軟X線計測による磁気構造とスピン・軌道磁気モーメントの可視化
● 高速XMCD計測と計測インフォマティクスによる磁性材料の効率的な探索
● 先端計測と物理・データ駆動モデルを融合した材料デジタルツインの構築
内容
放射光のエネルギーと偏光を制御し、構成元素の吸収端で分光・散乱測定を行うことで、磁性材料の電子状態や磁気秩序を元素選択的に調べています。共鳴軟X線散乱による磁気スキルミオンの観測（図(a)）、インラインホログラフィーによる軟X線光渦の振幅・位相の可視化（図(b)）、反強磁性体におけるX線磁気円二色性（XMCD）の理論的提案と実験的実証（図(c)）など、従来の計測では捉えにくい構造や秩序を観測する手法を開拓してきました。
磁性体研究では、局所的な電子軌道の異方性とスピン配置に着目し、磁化が打ち消し合う反強磁性体でもXMCDが発現する微視的機構を調べています。また、完全多極子基底を用いてX線吸収、XMCD、X線磁気線二色性（XMLD）の総和則を構築し、軌道角運動量やスピン、軌道の異方性とスピンが結合した成分を区別して解析する理論的基盤を整備しています。
NanoTerasuでは、四極電磁石を搭載した軟X線顕微鏡による磁場中のコヒーレント回折イメージング、構造化軟X線ビームのトポロジカルチャージの定量評価、組成傾斜薄膜を対象としたon-the-fly XMCD計測を進めています。高速XMCD計測では、従来のステップ計測に比べてスペクトル取得時間を約10倍短縮し、組成に応じた元素別磁気モーメントのマッピングを実現しました。さらに、時間分解XMCDとベイズ推定を組み合わせ、強磁性共鳴下のスピン・軌道磁気モーメントを定量評価する手法を開発しています。
まとめ
先端的な放射光計測、磁気多極子の理論、データ科学を組み合わせ、磁性材料の構造・電子状態・磁気ダイナミクスと機能の関係を明らかにします。JST CREST「材料デジタルツインで加速する磁性デバイス開発」では、放射光やレーザーによる顕微計測とシミュレーションを融合し、実際の材料の状態をコンピュータ上に再構成する研究を進めています。機能の発現機構の理解と予測を通じて、省エネルギー磁性デバイスの材料設計・開発につなげることを目指しています。
