東北大学、高輝度光科学研究センター(JASRI)、高エネルギー加速器研究機構(KEK)、京都大学(京大)、東京大学は、磁石のミクロな起源である電子スピンが互いに打ち消し合う“反強磁性”と呼ばれる状態の中に潜んだ「磁気八極子(磁気オクタポール)」を放射光X線実験から明らかにしたと発表した。

同成果は、東北大 金属材料研究所の木俣基准教授、同・野尻浩之教授、JASRIのの雀部矩正博士研究員、同・小谷佳範主幹研究員、同・横山優一博士研究員、東北大大学院 理学研究科の栗田謙亮大学院生、同・是常隆准教授、物質・材料研究機構の山崎裕一主幹研究員、KEK 物質構造科学研究所の中尾裕則准教授、同・雨宮健太教授、京大 複合原子力科学研究所の田端千紘助教、東大大学院 理学系研究科の中辻知教授、東北大 国際放射光イノベーション・スマート研究センターの中村哲也教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

電子のスピンを活用するスピントロニクスの活用が進められつつあるが、近年の研究から、全体としては磁石としての性質を持たないはずの反強磁性体でも熱電効果の1つ「異常ネルンスト効果」が発見され、反強磁性では隣り合う電子のスピンの向きが180度反対であり、スピンを打ち消しあっているはずだが、何らかの仕組みにより、打ち消しあわずに向きがそろっていると考えられるようになってきたという。

この隠れた自由度は「磁気八極子」と呼ばれ、磁石としての性質は持っていないが、原子レベルでは局所的な巨大磁場を持っており、それが強磁性と同様の巨大な物性応答の起源と推測されている。しかし、その存在は理論的には指摘されていたものの、これまで実験的には検出されたことがなかったという。

そこで研究チームは今回、磁気八極子のそろった状態が期待されていた反強磁性体「Mn3Sn」に、放射光X線を用いた測定を適用し、磁気八極子の検出を試みることにしたという。検出には、大型放射光施設SPring-8と、KEKの放射光実験施設フォトンファクトリーのどちらにも備えられているX線磁気円二色性(XMCD)という計測技術が用いられた。

精密な実験が行われた結果、得られたXMCD信号は、スピンに由来するものでは説明できないことが判明したほか、理論計算との比較の結果、確かに磁気八極子の発現と対応したものであることが示されたという。

今回の成果を踏まえ研究チームでは今後、今後さまざまな機能を持つ反強磁性体に対し、放射光X線を用いたX線磁気分光や共鳴X線散乱といった手法を適用することで、多極子が起源となる新しい物性の理解を深めることにつながることが期待されるとしている。