磁気スキルミオンの物理と量子コンピューティングへの応用可能性
KHF 理学部紀要 · 物理学科 · 量子物質研究部門 · Vol.3 No.3 (2026) 磁気スキルミオンの物理と量子コンピューティングへの応用可能性 位相的スピンテクスチャのコヒーレント量子利用――ヘリシティ量子ビットからマヨラナ准粒子担体まで 🔹 執筆:理学部物理学科 栗林 基定(保安学部兼任) 🔹 神衛7年(令和8年)3月21日 🔹 論文番号:KHF-PHY-2026-009 要旨 / Zusammenfassung 磁気スキルミオンは、反対称交換相互作用(ジャロシンスキー-守谷相互作用、以下DM相互作用)によって安定化される、 ナノスケールの渦巻き状スピンテクスチャである。 その位相的巻き数(スキルミオン数 Q)によって保護されたロバスト性、 ナノメートル級の微小サイズ、および極めて低い駆動電流密度という三つの特性が、 従来のスピントロニクス(超高密度磁気メモリ・論理素子)から 量子情報科学(スキルミオン量子ビット・位相的量子計算の媒体)へと至る 幅広い技術応用の可能性を開拓している。 本論文は、神衛7年(令和8年)に至るまでの最新研究動向を体系的に分析し、 特に三つの主要トピック——(i)スキルミオンの基礎物理とDM相互作用の理論的枠組み、 (ii)量子スキルミオンおよびヘリシティ量子ビットの提案と実験的進展、 (iii)三次元スキルミオン管・ねじれ二次元磁性体・流体論理素子という三つの最新実験的突破—— を論じる。 さらに、スキルミオン系がマヨラナ零エネルギーモードの担体となりうるという 位相的量子計算への含意と、日本(早稲田大学・大阪大学系)が この研究分野で占める国際的な位置を分析する。 主題語 磁気スキルミオン DM相互作用 位相的スピンテクスチャ スキルミオン量子ビット ヘリシティ自由度 スキルミオン管 量子異常ホール効果 マヨラナ准粒子 スピントロニクス 位相的量子計算 第一節 序論:スキルミオンとは何か――位相数学と磁性物理の交叉 磁気スキルミオンの概念は、素粒子物理学者トニー・スキルムが1961年に提唱した 「バリオンをトポロジカル・ソリトンとして記述する」という場の理論的発想に端を発する [1]。 これが凝縮系物理学に移植され、磁性体におけるスピンテクスチャとして 理論的に予言されたのが1989年のことであり、 実験的に初めて観測
