変磁力

スピンの方向と結晶内の隣接するサイトで原子の空間的配向が交互に変化する、交代磁性秩序の例。

凝縮物質物理学において、交代磁性は理想的な結晶における永続的な磁気状態の一種である。[1] [2] [3] [4] [5]交代磁性構造は共線的であり結晶対称性が補償されているため、正味磁化はゼロとなる。[1] [5] [6] [7]正味磁化がゼロの別の磁気状態である通常の共線的反強磁性体とは異なり、交代磁性体の電子バンドはクラマース縮退しておらず、代わりに異なる磁気サブ格子を接続する固有の結晶対称性により、スピン依存的に波動ベクトルに依存する。 [1] [8]この特徴に関連して、重要な実験的観察が 2024 年に発表された。[9]交代磁性はスピントロニクスの分野で応用できるのではないかと推測されている。[6] [10]

結晶構造と対称性

交互磁性物質では、原子は結晶中の隣接する磁性部位で交互にスピンと空間配向を持つ規則的なパターンを形成します。[5] [7]

反対の磁気モーメントを持つ原子は、結晶回転または鏡面対称性によって結合した交代磁性体である。[1] [5] [6] [7] [9] [11] [8]磁性原子の空間配向は、周囲の非磁性原子のケージに由来する可能性がある。[7] [12]交代磁性マンガンテルル化物（MnTe） の反対のスピン副格子は、六回結晶回転と半単位胞並進と組み合わされたスピン回転によって関連している。[7] [9] 二酸化ルテニウム（RuO 2）は交代磁性体であると主張されたが、[7] [11]後に2つの独立した研究で完全に非磁性であることが確認された。[13] [14]

左は交互磁性テルル化マンガン (MnTe) の交互磁気パターンと結晶パターン、右は二酸化ルテニウム (RuO 2 ) の磁気構造の提案。ただし、後に非磁性であることが判明しました。

電子構造

交代磁性体の特徴的な特徴の 1 つは、特異的にスピン分裂したバンド構造[7]であり、これは 2024 年に発表された研究で初めて実験的に観測されました。[9]交代磁性バンド構造は時間反転対称性を破り、[7] [12]強磁性体と同様に E ks = E − ks ( Eはエネルギー、k波動ベクトル、sスピン) となりますが、強磁性体とは異なり、正味の磁化は生成しません。交代磁性スピン分極は波動ベクトル空間で交互に変化し、それぞれd波、g波、i波秩序パラメータに対応する特徴的な 2、4、または 6 スピン縮退ノードを形成します。[7] d波交代磁性体は、d波超伝導体の磁気的対応物とみなすことができます。[15]

  • 交代磁性金属のフェルミ面。青と赤の色はスピンの上向きと下向きの分極に対応しています。
    交代磁性金属のフェルミ面。青と赤の色はスピンの上向きと下向きの分極に対応しています。
  • 交代磁性体のバンド構造。
    交代磁性体のバンド構造。

バンド構造（エネルギー–波動ベクトル図）における交代磁性スピン分極は共線的であり、反転対称性を破らない。[7]交代磁性スピン分裂は波動ベクトル内でも偶数であり、すなわち ( k x 2 − k y 2 ) s zである。[7] [9]したがって、これは、スピン軌道相互作用により非中心対称性の非磁性または反強磁性材料で反転対称性を破る非共線的ラシュバまたはドレスハウススピンテクスチャとも異なる。

材料

半導体MnTeにおける交代磁性バンド構造の直接的な実験的証拠は、2024年に初めて発表されました。[9]絶縁体、半導体、金属から超伝導体に至るまで、さらに多くの物質が交代磁性体であると予測されています。[6] [7]交代磁性は、軽元素と重元素の両方を含む3Dおよび2D物質[3] [6] [8] で予測されており、相対論的および非相対論的バンド構造で見つけることができます。[7] [9] [12]

プロパティ

オルターマグネットは、強磁性と反強磁性の珍しい組み合わせを示し、強磁性体の特性によく似ています。[1] [5] [6] [7] [8]異常ホール効果[12]などのオルターマグネット材料の特徴は、以前にも観測されています[16] （ただし、この効果は非共線反強磁性体[17]などの他の磁気補償系でも発生します）。オルターマグネットはまた、結晶の回転に伴って符号が変化する異常なピエゾ磁性[8]や異常な非共線スピン流[8]などのユニークな特性も示します[18] 。

交代磁性体におけるスピン分裂効果

スピン分割トルク（SST）は、最近提案された電流誘起スピントルク機構であり、交互磁性体における非相対論的異方性スピンバンド分裂（異方性スピン分割効果（ASSE）としても知られる）を利用することで、効率的な磁気スイッチングを可能にします。スピン軌道トルク（SOT）とは異なり、SSTはT奇磁気交換分裂に由来するため、スピン軌道結合とは独立しており、分極がネールベクトルと一致し、結晶方位に強く依存するバルク支配の横スピン流を生成します。SSTは、交換分裂起源のため高いトルク効率を提供し、横スピン流はメモリデバイスにおける読み出しパスと書き込みパスの空間的分離を可能にするため、従来のスピントランスファートルク（STT）とSOTの利点を効果的に組み合わせています。さらなる利点として、磁気配向によるスピン分極の制御が可能であり、低対称性のSOC効果に依存せずに面外スピン分極が可能になります。共線反強磁性RuO₂膜を用いた実験では、SSTは超高スピントルク伝導率を生成できることが示されており、報告されている値は最大で に達し、SOTに一般的に用いられる重金属やトポロジカル絶縁体の値を上回っています。これらの特性により、SSTはスピントロニクス応用における高効率磁気スイッチングのための、SOCに依存しない有望な手法となっています。[19]

実験観察

2024年12月、ノッティンガム大学の研究者らは、オルト磁性の初の実験画像化に成功し、その特異なスピン対称性を確認した。窒素空孔中心顕微鏡とX線磁気線形二色性（XMLD）を用いて、結晶対称性によって保護されたオルト磁性秩序から生じるスピン偏極電流を可視化した。この秩序は、異なる結晶サブ格子内で反平行スピン配列を特徴とし、巨視的な磁化なしに補償スピン偏極を生み出していた。[20]これらの発見は理論予測を検証し、高速・低エネルギースピントロニクスデバイスにおけるオルト磁性材料の可能性を実証した。[21] [22]

参考文献

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