新しい種類の磁石が室温で働く

電子は電荷を持つだけでなく、スピンも持っている。スピンは「上」か「下」を向く、小さな組み込みの磁石だ。スピントロニクスは、このスピンを使って情報を記憶し処理することを目指している。ここ数年、物理学者は驚くべき性質を持つ磁性材料を見つけてきた。全体としての磁化はないのに、電子のエネルギーはスピンに依存し、しかもそれが電子の進む方向によって変わるのだ。この「スピン分裂」は相対論的効果に頼らないので、大きくなる。

交代磁性体(アルターマグネット)と呼ばれる材料の一部では、このパターンは対称的だ。ある方向に進む電子と、逆方向に進む電子は、同じスピンを感じる。p波磁石では逆だ。進む方向を反転させると、スピンも反転する。これまで報告されたp波磁石は、液体窒素の温度より下でしか働かなかった。

なじみの結晶に隠れていたらせん

上海の復旦大学、ドレスデンの二つのマックス・プランク研究所、そして中国とチェコのほかの機関に所属するシェン・カイウェン(Kaiwen Shen)、チェン・シエンジョー(Xianzhe Chen)、リボル・シュメイカル(Libor Šmejkal)らは、ビスマスフェライト(BiFeO₃)に目を向けた。これは最もよく研究されてきた「マルチフェロイック」の一つで、磁性と強誘電性(組み込みの電気分極を持つ性質)を兼ね備えた材料だ。約640ケルビン(室温よりはるかに高い)まで磁気秩序を保ち、1,100ケルビンまで強誘電性を保つ。

その内部では、鉄原子の磁気モーメントはそろっていない。サイクロイドと呼ばれるらせんに沿って、一歩ずつ回転している。チームは、このらせんがそれだけでp波磁性を生み出すことを示した。著者らはこのしくみを、これまで見過ごされてきたものだと述べている。

理論、そしてレーザー

• 結晶の電子の計算では、きれいなp波のスピンパターンが現れ、スピン分裂は約100ミリ電子ボルトだった。相対論的効果を加えてもほとんど変わらない。この効果は磁気秩序そのものから来ている。
• らせんが逆向きに巻く(右巻きではなく左巻き)と、スピンパターンは反転する。
• 実験室では、ビスマスフェライトの厚さ100ナノメートルの膜を成長させ、ダイヤモンドの先端を持つ量子センサーでその磁気らせんを画像化した。
• スピンを読み取るため、膜に円偏光レーザーを当てた。一方向に回転する光は、一方のスピンの電子をもう一方より多く励起し、スピンの向きに応じた符号を持つ小さな電流を生む。試料を回転させると、電流はp波のスピン偏極について予測された方向でちょうど最大になった。これらの測定はすべて、大気中で室温で行われた。

電圧でスピンを反転する

鍵となる特徴は、ビスマスフェライトでは、らせんの巻き方が電気分極と固定されていることだ。一方を反転させると、もう一方もついてくる。

チームは膜に約300キロボルト毎センチメートルの電気パルスを加えた。分極が回転し、らせんの巻き方が変わり、レーザーによって生じる電流の符号が変わった。あるパルスのあとでは正、逆のパルスのあとでは負だ。加えた電場に対して電流をプロットすると、結晶の分極の切り替えと一致するヒステリシスループを描いた。この変化は可逆的で、パルスのあともそのまま保たれる。

電気パルスが分極とらせんの巻き方を反転させる(a)。デバイス(b)。スピン電流の符号が逆になり(c)、電場に対してヒステリシスループを描く(d)。— 図3、Shen et al. (2026), arXiv:2610.12892.

極低温から机の上へ

著者らはこれを、室温で電圧によって制御される、奇パリティのスピン分裂を持つ磁石として示し、消費電力の少ないスピントロニクスデバイスへの道とみなしている。結果は実験室の薄膜から得られたもので、測定した信号の切り替えを超えるデバイスはまだ実証されていない。