SLACの研究者、新しい磁性相であるオルタ磁性の証拠を発見

SLACの研究者、新しい磁性相であるオルタ磁性の証拠を発見

2026年10月29日

SLACの研究チームは、オルタ磁性の候補材料においてユニークな特性を直接観測し、2022年に初めて提唱された新しい磁性相の重要な証拠を提供しました。

Erin Woodward による

主要なポイント：

• 「オルタ磁性」と呼ばれる第三の磁性タイプの科学的根拠は、近年高まってきています。
• SLAC主導のチームが、オルタ磁性なしでは理論的に説明不可能な特性を示す材料を実験的に証明しました。
• オルタ磁性材料は、量子技術、メモリデバイス、データセンターを含む応用分野で、先進的なエレクトロニクスの設計に使用される可能性があります。

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数十年にわたり、物理学者は外部の影響なしに材料中に現れる磁性として、強磁性（フェロ磁性）と反強磁性（アンチフェロ磁性）の2種類のみを認識してきました。本日、米国エネルギー省のSLAC国立加速器研究所が主導するチームが、Science誌に発表された研究結果で、オルタ磁性と呼ばれる第三の磁性相の決定的な実験的証拠を提供しました。

「過去数年間、科学者たちは強磁性と反強磁性の二分法にきれいに収まらない現象を観測してきました」と、SLACおよびスタンフォード材料・エネルギー科学研究所の准教授で筆頭著者のDaniel Jostは説明します。「研究者たちは、これら2つのクラスの特性を橋渡しする第三の磁性タイプの証拠を積み重ねてきました。私たちの結果は、この第三の相であるオルタ磁性が実在するという強力な実験的確認を提供すると信じています。」

この研究は、以前の研究に基づいて、テルル化マンガン（MnTe）がオルタ磁石である、すなわち強磁性と反強磁性の両方の特性を示す新しいクラスの磁石であることを確認しました。彼らの結果は、オルタ磁性の候補材料のスピンにおけるキラリティー（螺旋階段やネジに似た非対称な磁気構造）の直接的な実験的証拠を示しました。

これらのユニークな材料を特定することで、研究者はそれらの特性を操作し、量子技術、メモリデバイス、データセンターを含む応用分野で先進的なエレクトロニクスに理想的な候補となるようにすることができます。

磁性入門

私たちにとって、磁性は触れることができる力です。子供の絵を冷蔵庫のドアにくっつけたり、コンパスの針を北に向けたりするものです。しかし、物理学者にとって、磁性はより複雑です。それは材料の量子特性であり、すべての磁性材料が直接観測可能な磁気効果を持つわけではありません。

物理学では、材料の電子スピン（それらの内部角運動量で、「アップ」または「ダウン」のいずれか）が分極している、つまり特定のパターンで整列している場合、その材料は磁性があると見なされます。

強磁性体では、すべての電子スピンが同じ方向（アップ・アップ・アップまたはダウン・ダウン・ダウン）を向いており、観測可能な磁場を生成します。人類は古代からこのクラスの磁石を認識し、利用してきました。1933年には、スピンが分極した別のタイプの材料が発見されました。反強磁性体は交互のスピン（アップ・ダウン・アップ・ダウン）を持ち、互いに打ち消し合うため、正味の磁気効果を生み出しません。

新しいタイプの磁性？

約90年間、この2つのカテゴリシステムは磁性の理解を支配してきました。

しかし近年、研究者たちは一部の材料がどちらのカテゴリにもきれいに収まらないことに気づきました。特定の材料は、正味の磁化を持たない交互のスピン構成という反強磁性の特徴と、スピン電流を使用できるという強磁性の特徴の両方を示すように見えました。これらの振る舞いはかつて相互排他的であると考えられていました。

2022年に、研究者たちは「オルタ磁石」という用語をこの巧妙な材料クラスにラベル付けするために提唱しました。

私たちの結果は、この第三の相であるオルタ磁性が実在するという強力な実験的確認を提供すると信じています。

SLACおよびスタンフォード材料・エネルギー科学研究所の准教授

この振る舞いを説明するために、研究者たちはオルタ磁石は従来の反強磁石と同様に交互のスピン分極（アップ・ダウン・アップ・ダウン）を示すが、重要なひねりがある、つまり「アップ」スピンを取り囲む結晶格子構造が「ダウン」スピンを取り囲む格子に対して回転していると提唱しました。この幾何学的なひねりは、それらの異常な振る舞いにつながる可能性のある対称性の破れです。

キラリティー：パズルの最後のピース

「2024年までに、オルタ磁性が実在することを強く支持する要因がいくつかありました」とJostは言います。「しかし、まだパズルのピースが欠けていました。」

その欠けていたピースは、オルタ磁性の候補材料におけるキラリティーの実験的証拠でした。キラリティーはしばしば「手性」と呼ばれ、左手が右手用手袋に収まらないように、材料がその鏡像に重ね合わせることができないことを意味します。

キラリティーは、反強磁石と疑われるオルタ磁石との微妙な量子レベルの違いを区別するための巧妙な方法を提供します。オルタ磁性材料は反強磁石のように交互のスピン（アップ・ダウン・アップ・ダウン）を持ちますが、その格子における幾何学的なひねりは、材料の電子および磁気構造に、従来の反強磁石にはない明確な手性（キラリティー）を与えます。

Jostのチームは、数年前まで数十年間反強磁性と考えられていたが、オルタ磁性であると疑われるようになった材料であるMnTeにおけるキラリティーを調査することを選択しました。チームは、高度に制御された偏光X線ビームを生成する能力で知られるビームラインがあるフランスの欧州シンクロトロン放射光施設（ESRF）にそれを持ち込みました。

「キラリティーを持つ材料は、左旋偏光X線ビームと右旋偏光X線ビームを異なるように散乱します」とJostは説明します。「キラリティーを持たない材料は、各光ビームを同じように散乱します。」

材料から円偏光X線を散乱させ、左手と右手の光に対する応答を比較することで、従来の反強磁性体には存在しないはずの明確なキラリティー信号を抽出しました。

「このキラリティーのシグネチャにより、オルタ磁性が独自のクラスを形成していると断言できる確固たる実験的根拠が得られました」とJostは言います。最初の実験は2024年に完了しました。チームは2025年初頭に実験を繰り返し、以前の結果を確認しました。

「この技術は、テルル化マンガンが実際にオルタ磁性特性を示していることを確認するのに役立ちました」と、ESRFのポスドク研究員で、ID32ビームラインでの実験の設計と実施に協力した共著者であるRachel Nickelは述べています。「オルタ磁性は数年前に提唱されたばかりで、これらのモデルの確認における急速な進歩は信じられないほどです。」

［画像: フランスの欧州シンクロトロン放射光施設でオルタ磁性の発見に関わった装置の一部。］

フランスの欧州シンクロトロン放射光施設（ESRF）のポスドク研究員であるRachel Nickelは、オルタ磁性と呼ばれる新しいクラスの磁性の直接的な証拠を観測したチームの一員です。(ESRF/Stef Candé)

オルタ磁性の実世界への応用

この発見は、磁性材料の分極スピンを活用して次世代エレクトロニクスを設計するスピントロニクス分野に大きな影響を与えます。

従来のコンピューティング技術が情報の保存と移動に電子の電荷のみを使用するのに対し、スピントロニクスは電子の電荷とスピンの両方の利点を活用し、研究者にさらなる制御ノブを提供します。スピントロニクスデバイスは、より高速で、より堅牢で、コンピューティングおよびデータセンターでの消費電力を大幅に削減する可能性があります。

研究者たちはスピントロニクスデバイスでいくつかの成功を収めてきましたが、その成功は強磁性および反強磁性の性質によって制限されていました。

「強磁性体は磁場の影響を受けやすすぎます」とJostは説明します。「ポケットに永久磁石を入れてスピントロニクスデバイスの近くを歩くと、ビットが反転し、そこに保存されている情報が破損する可能性があります。反強磁性体はこの問題を解決しますが、実質的に見えないため、そこに保存されているデータを簡単に読み取ったり、効率的なスピン電流を駆動するために使用したりすることができません。」

「オルタ磁石は両方の長所を兼ね備えています」とJostは言います。「それらは正味の磁化がゼロであるため安定していますが、情報を簡単に抽出するために必要なスピン分極電流を生成する能力も依然として持っています。これにより、作業のための追加の自由度が得られます。」

今後の研究では、量子技術、メモリデバイス、データセンター向けのスピントロニクスソリューションでの有用性を高めるために、光と電気を使用してオルタ磁性状態をどのように影響させ、制御できるかを調査します。

この研究は、DOE科学局からの支援を受けています。

引用: D. Jost et al., Science, 29 October 2026, 10.1126/science.adv3196。

メディアに関するお問い合わせは、media@slac.stanford.edu までご連絡ください。その他のご質問やコメントについては、SLAC戦略コミュニケーション＆外部広報（communications@slac.stanford.edu）までご連絡ください。

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SLACについて

SLAC国立加速器研究所は、宇宙が最大、最小、そして最速のスケールでどのように機能するかを探求し、世界中の研究者が使用する強力なツールを発明しています。超高速科学における世界的リーダーであり、宇宙の物理学の大胆な探求者として、私たちは起源の理解を深め、より健康的で持続可能な未来を構築します。私たちの発見とイノベーションは、新しい材料や化学プロセスの開発を支援し、宇宙や生命の最も繊細な機械の比類のない視点を開きます。60年以上にわたる先見の明のある研究に基づいて、私たちは量子技術、科学コンピューティング、次世代加速器の開発などの分野を進歩させることで未来を形作っています。

SLACは、スタンフォード大学が米国エネルギー省の科学局のために運営しています。科学局は、米国における物理科学の基礎研究の最大の支援者であり、現代の最も差し迫った課題のいくつかに取り組むために活動しています。

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