磁気に新しい形が生まれる？科学者が交流磁気を発見！

李昭英

磁気は私たちの生活の中で非常に馴染みのある概念です。磁気のさまざまな配列に基づいて、理論的には 1421 種類の磁気が予想され、実験的に多くが発見されています。今年2月14日、ネイチャー誌に掲載された新たな研究によると、科学者らは実験測定を通じて初めて新しい磁気形態である「交代磁性」の存在を確認したという。

交互磁性とは何かを理解するために、まずは最もよく知られている強磁性と反強磁性から始めましょう。

強磁性と反強磁性

冷蔵庫のマグネットやドアストッパーなど、日常生活で触れる磁石はすべて強磁性体であり、その磁性を強磁性といいます。物質の磁気特性は主にその内部の電子の挙動によって生じます。微視的な視点から見ると、それぞれの電子は小さな棒磁石のようなものです。電子の磁気モーメントの方向は、そのスピン（つまり、電子の固有磁気モーメント）に直接関係しています。

原子が磁気モーメントを持つかどうかは、その電子がどのように分布しているかに密接に関係しています。原子内の同じ軌道にある電子がペアになっている場合、量子力学の原理により、それらの電子は反対方向に回転するため、それぞれの磁気モーメントによって生成される磁場は互いに打ち消し合うことができます。その結果、原子自体には正味の磁気モーメントがなくなり、これらの原子で構成される物質は全体として強磁性を示さなくなります。しかし、鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、ほとんどの希土類元素など、一部の元素の原子は、最外層に多くの不対電子を持っています。これらの電子のスピンが同じ方向に整列すると、弱い磁気モーメントが生成されます。つまり、原子の正味の磁気モーメントはゼロではありません。さらに、原子内の電子の軌道運動によっても磁気モーメントが生成されますが、これは通常、スピン磁気モーメントよりもはるかに小さくなります。原子の全体的な磁気モーメントは、スピン磁気モーメントと軌道磁気モーメントの結合の結果です。特定の温度条件下では、磁性原子の磁気モーメントが材料内部に小さな磁気ドメインを形成し、これが大規模な磁石と同等になります。これらの磁区の配列方向が一定であれば、材料全体としては比較的大きな磁場を持つことになり、材料は強磁性になります。

強磁性体は、追加の磁場を加えることで電子スピンを反転させ、異なる磁性状態と非磁性状態を生成し、「1」と「0」として記録できるため、コンピューターの磁気記憶装置として使用されるなど、多くの実用的な技術的用途があります。強磁性体の強いスピン相関により、スピンエレクトロニクスと呼ばれる研究分野が生まれました。電子の電荷のみを考慮する従来の電子工学研究とは異なり、スピントロニクスデバイスは電子のスピン状態も利用して、より多くの情報を伝達します。

かなり長い間、人々は磁性と強磁性を同一視してきました。しかし 1930 年代に、物理学者ルイ・ネールらが別の種類の磁性、反強磁性を発見しました。

反強磁性体では、原子の磁気モーメントはすべて一方向を向いているわけではなく、交互に向きを変え、最も近い 2 つの原子の磁気モーメントは大きさが等しく、方向が反対になります。したがって、マクロレベルでは、反強磁性体の内部磁気モーメントによって生成される磁場は互いに打ち消し合い、明らかなマクロ的な磁場効果は発生しないため、この材料で作られた冷蔵庫マグネットを冷蔵庫に貼り付けることはできません。科学者たちはスピンエレクトロニクスの分野での反強磁性体の応用についても多くの研究を行ってきましたが、実用的な応用はまだ多くありません。

交互に配置された磁石

数年前、物理学者たちは反強磁性材料を探していたときに、二酸化ルテニウムという奇妙な化合物に偶然出会いました。二酸化ルテニウムには正味の磁気モーメントがなく、スピンが交互に配列された反強磁性体とほぼ同じです。しかし同時に、電流が流れると、その物質は強磁性体のように振る舞います。科学者たちは実験を通じて二酸化ルテニウムのこの特性を確認しました。

2021年、科学者たちは強磁性体と反強磁性体の中間にある物質を得るというアイデアを思いつきました。簡単に言えば、彼らの解決策は、これらの原子のスピン磁気モーメントが原子自体に接続されていると想像するのではなく、スピン磁気モーメントが原子自体とは独立して回転できると想像する方がよいというものです。そうすることで、同じ磁気構造を維持しながら、この材料に対して操作を実行できるようになります。このような材料では、スピン磁気モーメントは依然として交互に配置されますが、原子自体の軌道はスピンに弱く結合しているため、原子自体はさらに回転できると考えられます。この状況を説明する簡単な例を挙げてみましょう。強磁性体の原子を 1 つおきに 90 度回転させ、これらの原子のスピン磁気モーメントを 180 度反転すると、スピン磁気モーメントを見ると反強磁性体のように見えますが、物質内部の電子の動きを見ると、電子は同じ「向き」を持つ原子の方向に沿って動く傾向があるため、実際には強磁性体のように見えます。

二酸化ルテニウムだけではなく、実はこの種の磁性、つまり交互磁性を示すことができる物質が数多く存在します。

ほとんどの磁性材料の特性は、スピンによって表される各原子の磁場が上向き (ピンク) か下向き (黄色) かによって決まります。交番磁石では、原子と電子のスピンが独立して回転し、強磁性体と反強磁性体の両方の特性を持ちます。

2022年、理論家たちは、さまざまな絶縁体、半導体、金属から磁石になり得る候補材料が200種類以上あると予測した。これらの物質の多くは過去に知られており、広範囲に研究されてきましたが、その絡み合った磁気的性質に気付いた人は誰もいませんでした。インターレース磁石は大きな応用の可能性を秘めているため、研究者たちは研究を始めました。

テルル化マンガン

最新の研究では、研究者らはテルル化マンガンと呼ばれる単純な結晶に焦点を当てた。マンガンは、隣接するマンガン原子の磁気モーメントが反対方向を向いているため、物質の周囲に外部磁場が生成されず、典型的な反強磁性体であると長い間考えられてきた二元物質です。

光電子放出実験では、理論的な予測に基づいて、テルル化マンガン結晶に照射される光の偏光方向を操作した。研究者らは、シンクロトロン放射施設の角度分解光電子分光計を使用して材料のバンド構造を測定し、結晶内の電子エネルギーと運動量分布特性をさらに理解しました。その後、外部磁場が存在しないにもかかわらず、テルル化マンガンの電子状態は依然として強いスピン分裂を示し、このスピン分裂は量子力学計算に基づく交互磁性について予測された結果と完全に一致していることを発見しました。

言い換えれば、この新たな研究は、テルル化マンガンは典型的な反強磁性体でも典型的な強磁性体でもなく、異なるスピン磁気モーメントと原子の向きを持つ交番磁石であることを証明している。

あるいは技術革命を先導することになる

スタッガード磁石の発見はスピンエレクトロニクスにとって大きな意義を持っています。この分野は成長しており、最近ではインターリーブ磁石のさまざまな他の特性を確認するいくつかの研究も登場しています。したがって、ずらし磁性の発見は、磁気学における刺激的な新時代の始まりに過ぎないのかもしれません。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06907-7

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者名: Li Zhaoying

レビュー者: Luo Huiqian

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司