電気伝導性を持つ金属でマルチフェロイックな性質を電気的に実証：研究開発の最前線

東京大学は、電子スピンがらせん状に配列したらせん磁性体金属で、らせんが巻く向きや電子的極性、トロイダルモーメントの制御に成功した。マルチフェロイックな性質を伝導体に適用し、電気的な実験で実証した。

[MONOist]

　東京大学は2025年4月25日、電子スピンがらせん状に配列したらせん磁性体金属で、らせんが巻く向き（スピンヘリシティ）や電子的極性、トロイダルモーメントの制御に成功したと発表した。電気分極と自発磁化が共存するマルチフェロイックな性質を伝導体に適用し、電気的な実験で実証した。理化学研究所との共同研究による成果だ。

らせんが巻く向き（時計回り、反時計回り）、電子的極性、トロイダルモーメントの方向を電流で制御［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　研究グループは、電子的極性の制御、観測を可能にするため、電子的極性と自発磁化の外積で表されるトロイダルモーメントに着目した。電子的極性は、絶縁体で観測できる電気分極に対応するもので、金属などの伝導体に存在すると予想されていた。

　トロイダルモーメントは、電子的極性と自発磁化の外積で定義され、どちらかの方向が反転すると、トロイダルモーメントの方向は反転する。実験では、非相反電気抵抗率の変化を測定することで、トロイダルモーメントが電子伝導に与える影響を明らかにした。

　具体的には、マルチフェロイックな磁気相の横コニカル構造を有する高温らせん磁性体YMn₆Sn₆（Y：イットリウム、Mn：マンガン、Sn：スズ）を用いて、直流電流でスピンヘリシティをそろえた。その際、流す電流の方向にトロイダルモーメントが向くように、スピンヘリシティがそろうことが判明した。スピンヘリシティがそろった状態で非相反電気抵抗率を測定したところ、トロイダルモーメントの符号反転に伴い、極性が反転する相関性を確認した。

らせん磁気構造由来の電子的極性の発現。上下でスピン（細矢印）の回転方向が異なる。それぞれ太矢印の方向に電子的極性が生じる。時計回りの場合と反時計回りの場合で生じる極性の向きが逆転する 出所：東京大学

観測した非相反電気抵抗率。縦軸が非相反電気抵抗率、横軸は磁場を表す。赤線（青線）が、電流でらせんを時計回り（反時計回り）にそろえた場合の測定結果。らせんの制御によるトロイダルモーメントの符号反転に対応し、非相反電気抵抗率の符号が逆転している［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　電気伝導性を持つ金属でマルチフェロイックな性質が示されたことで、先端スピントロニクスやメモリデバイスへの応用に向けた物性研究の進展が期待される。

⇒その他の「研究開発の最前線」の記事はこちら