【本学研究者情報】

〇【研究当時】金属材料研究所　助教　赤木暢

【発表のポイント】

• 銅やアルミなど通常の金属は、電気は右向き?左向きどちらにも同じように流れます。私たちの身の回りの電子機器に使われている電子部品ダイオードは、異なる半導体をつなぎ合わせて、電気が一方向にだけ流れるように設計されています。
• 研究グループは今回、ミクロな磁石（電子のスピン）がジグザグに並んだ金属で、電気の流れやすい方向に偏りが生じ、ダイオードのような「電気の一方通行的な性質」を出現させることに成功しました。これまで単一金属で同じ効果を発現させるには、外から磁場をかける必要がありました。今回、電子のスピンの並びが内部に創りだすミクロな磁場の働きによって、外部磁場なしに自然に生じること、その効果は磁場をかける方法に比べ１０００倍以上も大きいことを初めて明らかにしました。
• 本成果は、従来とは異なる、電気の流れをコントロールする新たな原理を発見したものです。今回の物質は機能発現に低温環境が必要ですが、今後、より高い温度で機能し、より大きな効果を示す物質の探索を進めます。また、発見した原理を使うと物質の磁気的な性質をより手軽に調べられることから、省エネルギーで超小型の電子部品や新たな機能材料の開発に役立つことが期待されます。

【概要】

電気回路で使う「ダイオード」は電気を一方向にだけ流す電子部品で、性質の異なる半導体を接合して作ります。今回研究グループは、ミクロな磁石（電子のスピン）がジグザグ形に並んだ特別な構造を持つ金属の中で、電気の流れやすい方向に偏りが生じる「電気の一方通行的な性質」（非相反伝導）が自然に現れることを見いだしました。

この金属は原子がジグザグに並ぶ構造を持ち、電子のスピンもジグザグに並んでいます。温度を下げると、スピンの向きが互いに反対向きになる性質（反強磁性）(注１)を示します。このスピンの配置が内部にミクロな磁場（内部磁場）を形成した結果、電気の流れやすい方向に偏りが生じる非相反伝導が出現することがわかりました。これまで、この効果は、外から磁場をかけたときのみ観測されていました。しかし今回は、外部磁場を必要としないうえに、外部磁場を用いるよりも電気の流れの偏りは１０００倍以上も大きいことを確認しました。また、結晶中の異なる領域を計測したところ、その領域ごとに電気の流れやすい方向も異なっていました。これは結晶の中にスピンの並び方が異なる部分があり、その違いを捉えたためと考えられます。つまり、電気の流れ方を調べると、反強磁性体の磁気的な性質を解析できたことになります。

本成果は、ジグザグに並ぶスピンによって反強磁性を示す物質で、スピンが創る内部磁場が電気の流れを偏らせるという、新たな原理を発見しました。同時に、反強磁性体の磁気的な性質の解明には大型施設や特殊な測定方法を必要としていますが、普通の実験室で従来よりも手軽に測定できる方法を提供します。これにより、省エネルギーで超小型の次世代デバイスの開発につながる研究が加速し、未来のコンピュータや通信機器の進化を後押しします。

本研究は国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長：小口正範）原子力科学研究所先端基礎研究センター 強相関アクチノイド科学研究グループの木俣基研究副主幹、国立大学法人東京大学（総長：藤井輝夫）物性研究所の須藤健太特任研究員、国立大学法人東北大学（総長：冨永悌二）金属材料研究所の赤木暢助教（現、神戸大学研究基盤センター）、公立大学法人富山県立大学（学長：小笠原司）工学部教養教育センターの谷田博司准教授、柳有起准教授によるものです。

本研究成果は、2026年1月5日（現地時間）に米国物理学会誌「Physical Review Letters」にオンライン掲載されました。また、編集部が選出する注目論文Editors' Suggestionに選出され、学会が運営するオンライン研究紹介サイトPhysics magazine (URL: https://physics.aps.org/)にて紹介されました。

原子がジグザグに並ぶ反強磁性体で生じる「電気の流れ方の方向の偏り」（非相反伝導）の概念図　ミクロな磁石（電子のスピン）がジグザグに並び、スピンの向きに規則性が生じると、電気の流れが非対称になる

【用語解説】

（注１）反強磁性
物質そのものが全体として磁力を持っている状態を「強磁性」と言います。このとき、物質の電子のスピンの向きは、全て同じ方向にそろっています。一方、反強磁性の物質では、隣り合うスピンの向きが互いに逆を向く「互い違い」の状態です。そのため、物質レベルでの磁力の発現はありませんが、規則的な磁気の並びが存在する点が特徴です。かつては機能性の少ない物質と考えられていましたが、近年では強磁性体に匹敵する特性を持つような反強磁性体も見つかり、注目が高まっています。

【論文情報】

タイトル：Large Spontaneous Nonreciprocal Charge Transport in a Zero-Magnetization Antiferromagnet （ゼロ磁化反強磁性体における大きな自発的非相反電荷輸送）
著者： Kenta Sudo*, Yuki Yanagi, Mitsuru Akaki, Hiroshi Tanida, Motoi Kimata*
*責任著者
掲載誌：The Journal of Physical Chemistry C
DOI：10.1103/13pd-tlzp

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

国立大学法人東北大学 金属材料研究所
情報企画室広報班
TEL: 022-215-2144
Mail: press.imr*grp.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）