交替磁性体でスイッチ可能なカイラルマグノンを観測

交替磁性体でスイッチ可能なカイラルマグノンを観測

東京大学高エネルギー加速器研究機構

発表のポイント

  • 新しい磁性材料「交替磁性体（Altermagnet）」において、右回り・左回りのカイラリティを持つマグノンを直接観測することに成功しました。
  • 交替磁性体中のマグノンのカイラリティが、外部磁場によって可逆的にスイッチ可能であることを明らかにしました。
  • 本成果は、散逸のない高密度スピントロニクスデバイスの開発を加速するものです。

東京大学物性研究所のリウ・ゼユアン大学院生と益田隆嗣教授（兼：高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所 特別教授）が率いる国際共同研究チームは、第３の磁性体と呼ばれる新しい磁性材料「交替磁性体（Altermagnet）」において、回転方向がスイッチ可能なカイラルマグノンの観測に世界で初めて成功しました。マグノンとは、磁性体中におけるスピン（注1）が波のように伝わる集団運動です。マグノンが右回りまたは左回りのカイラリティ（注2）を持つ場合、ジュール熱（注3）をほとんど発生させることなく情報を輸送できるため、低消費電力な電子デバイスの基盤として期待されています。交替磁性体は、強磁性体に類似したカイラルマグノンを持ちながら、周囲への影響を及ぼす漏れ磁場が存在しないため、近年大きな注目を集めています。しかし、交替磁性体中のマグノンが持つカイラリティについて、これまで理論予測のみで直接的な観測例がなく、存在について決定打がありませんでした。　 研究チームは、偏極非弾性中性子散乱法（注4）を用いて、交替磁性体MnTe中のカイラルマグノンを直接観測しました。さらに、そのカイラリティが外部磁場によって可逆的に反転可能であることを明らかにしました。これは、将来的にマグノンを用いた読み書き操作を自在に制御できる可能性を示しています。本成果は、交替磁性に関する重要な理論予想を実証しただけでなく、散逸の少ない高密度スピントロニクスデバイス（注5）の実現に向けた重要な基盤を提供するものです。

本研究成果は、米国物理学会誌 Physical Review Letters に6月12日（現地時間）に掲載されました。同論文は、注目論文であるEditor’s suggestionに選ばれました。

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発表内容

① 研究の背景

現在の電子デバイスは、エネルギー消費と発熱という深刻な問題に直面しています。電気エネルギーの多くは、電子の運動に伴ってジュール熱として失われています。そのため、世界中で電流に代わる新たな情報輸送手段の探索が進められています。その有力候補の一つがマグノンです。マグノンは電荷ではなくスピン角運動量を運ぶため、伝搬中に熱散逸をほとんど生じません。特にカイラルマグノンは、スピン角運動量を一方向に選択的に輸送できることから、次世代電子デバイスにおける情報処理への応用が期待されています。マグノンのカイラリティは、古典的には表紙図に示すようなスピンの右回り・左回りの回転として理解されます。

これまで、カイラルマグノンは主に強磁性体で研究されてきました。しかし強磁性体は強い漏れ磁場を生じるため、周辺デバイスとの干渉を引き起こし、高密度集積化の障害となります。近年、新しい磁性材料群である交替磁性体が大きな注目を集めています。交替磁性体は、漏れ磁場を持たない一方で、強磁性体に類似した機能性を示すことから、次世代スピントロニクスの有力候補と考えられています。研究チームはこれまでに、交替磁性体中の非従来型マグノンを世界で初めて観測していましたが（関連情報）、そのマグノンが実際にカイラリティを持つかどうかについては、直接的な実験証拠が存在していませんでした。

② 研究内容

研究チームは、多数の実験によって交替磁性であることが確認されているMnTeを対象物質として選びました。MnTeは、交替磁性に由来する特徴的なマグノン分裂を示す代表的な物質です。マグノンのカイラリティを直接観測するため、研究チームは高度な偏極非弾性中性子散乱実験を行いました。実験は、米国オークリッジ国立研究所のSpallation Neutron Source（SNS）（注6）に設置された偏極非弾性中性子分光器HYSPEC、およびフランスのInstitut Laue-Langevin（ILL）（注7）のIN20を用いて実施されました。

偏極非弾性中性子散乱では、試料による散乱の前後で中性子スピンがどのように変化したかを区別して測定します。本研究では、スピンダウンからスピンアップへ変化する散乱強度と、スピンアップからスピンダウンへ変化する散乱強度を個別に測定しました。これにより、物質内部のスピン波の回転方向を高精度に検出し、マグノンの強度およびカイラリティを直接評価しました。

次にHYSPEC実験を+5 mT（ミリテスラ）の磁場中冷却（注8）後に行い、MnTe中に分裂した二つのマグノンモード（注9）Ω1およびΩ2を明瞭に観測しました（図1(a)）。さらにカイラリティを詳細に調べ、Ω2は左回り、Ω1は右回りのカイラリティを持つことが明確に確認されました（図1(c)）。これらの実験結果を理論計算と比較すると非常によく一致していることが確かめられます（図1(b),(d)）。

図1：マグノンの強度およびカイラリティの測定結果と理論計算(a) +5 mT後にHYSPECで測定したマグノンの強度と、(b) 対応する理論計算。(c) 測定したマグノンモードのカイラリティと、(d)対応する理論計算。赤色および青色の矢印は右回りマグノンΩ1 および左回りマグノンΩ2を示す。

続いて、外部磁場に対する応答を調べるためIN20実験を行い、+4.2 mTおよび −4.2 mTの逆向き磁場中冷却後の測定を行いました。+4.2 mTで冷却した場合、Ω2モードでは右回りのカイラリティを示し、Ω1では左回りのカイラリティを示しました（図2(a)）。一方、逆方向磁場（−4.2 mT）で冷却すると、モードは完全に反転し、Ω2は左回り、Ω1は右回りへと変わりました（図2(b)）。これは外部磁場の向きによってカイラリティのモードが反転したことを明瞭に示す結果となりました（図2(c)）。

図2：磁場反転によるマグノンカイラリティのスイッチング (a) +4.2 mT後、および (b) −4.2 mT後に測定したΩ1とΩ2の強度。(c) 磁場の向き ±4.2 mTによるカイラリティ () の変化。

これらの結果は、交替磁性マグノンがカイラリティを持ち、そのカイラリティが外部磁場によって制御可能であることを直接示しています。これは、交替磁性体を用いたスピントロニクスデバイスが、「漏れ磁場による干渉の少なさ」と「高い制御性」という二つの利点を同時に実現できる可能性を示しています。

③ 今後の展望

交替磁性体は、単なる新奇な磁気相にとどまらず、制御可能な情報輸送を担う現実的な量子材料として注目されています。研究チームは、今回発見された交替磁性体中のカイラルマグノンとそのスイッチング機能が、半導体や従来型磁性材料に続く次世代情報技術の新たなプラットフォームとなると期待しています。

関連情報：

発表者・研究者等情報

  • 東京大学物性研究所
    • 益田　隆嗣　教授 兼：同大学トランススケール量子科学国際連携研究機構　教授

      兼：高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所　特別教授

    • Liu Zheyuan（リウ・ゼユアン）　大学院生 （同大学大学院新領域創成科学研究科 物質系専攻 博士課程）

論文情報

  • 雑誌名：Physical Review Letters
  • 題　名：Observation of Switchable Chiral Magnons in an Altermagnet
  • 著者名：Zheyuan Liu, Hodaka Kikuchi, Zijun Wei, Shinichiro Asai, Mechthild Enderle, Ursula B. Hansen,Vasile O. Garlea, Manh D. Le, Goran J. Nilsen, Igor A. Zaliznyak, and Takatsugu Masuda*（*責任著者）
  • DOI: 10.1103/m8lc-f8gk

研究助成

本研究は、科研費 基盤研究(A)「次世代中性子分光器による量子物質の準粒子構造研究（課題番号：21H04441）」の支援により実施されました。米国オークリッジ国立研究所での実験は、日米協力事業「中性子散乱」の支援により実施されました。

用語解説

（注1）スピン・スピン波
スピンとは、電子などの粒子が持つ微視的な磁気モーメントです。棒磁石のように向きと大きさを持ちます。全てのスピンが同じ方向に揃った物質は強磁性体と呼ばれます。一方、交替磁性体ではスピン方向が交互に配列しています。スピン波とは、整列したスピンの揺らぎが波として伝わる集団励起であり、古典的にはスピンの歳差運動として理解されます。
（注2）カイラリティ
鏡像と元の状態が重ね合わせられない性質をカイラリティと呼びます。例えば、時計回りの回転は鏡像では反時計回りとなり、両者は一致しません。このように回転方向に区別がある状態をカイラル状態と呼びます。
（注3）ジュール熱
電流が抵抗を持つ物質中を流れる際、電気エネルギーが熱へ変換される現象です。微視的には、電子が原子やイオンと衝突して運動エネルギーを伝えることで熱振動が増大し、温度が上昇します。
（注4）偏極非弾性中性子散乱
試料によって散乱された中性子を解析することで、物質の性質を調べる実験手法です。中性子スピンの変化を区別して測定することで、マグノンの回転方向を直接調べることができます。
（注5）スピントロニクスデバイス
電子の電荷だけでなくスピン自由度も利用する新しい電子デバイス技術です。
（注6）Spallation Neutron Source（SNS）
米国オークリッジ国立研究所にある世界最高クラスのパルス中性子源です。高エネルギー陽子ビームを金属標的に衝突させることで中性子を生成し、物質中の原子運動、スピンダイナミクス、量子励起の研究に利用されています。
（注7）Institut Laue-Langevin（ILL）
フランス・グルノーブルにある世界有数の高束中性子研究炉です。凝縮系物理、磁性、ソフトマター研究において中心的役割を担っています。
（注8）磁場中冷却
高温から低温へ冷却する過程で外部磁場を印加し続けることで、物質の磁気状態を制御する一般的な手法です。
（注9）モード
マグノンの異なる励起状態のこと。本研究では、二つの異なるモードΩ1、Ω2が観測されました。

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(公開日: 2026年06月16日)

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