p波磁性体と呼ばれる新しいタイプの磁性体を実現~電流を用いた高効率な磁化制御などへ期待~

2025-10-23 理化学研究所,東京大学,高エネルギー加速器研究機構,J-PARCセンター,総合科学研究機構,日本原子力研究開発機構,科学技術振興機構

理化学研究所・東京大学・高エネルギー加速器研究機構などの共同研究チームは、金属中で電子のスピンがp波対称性をもって分裂する「p波磁性体」を世界で初めて実証した。従来の磁石はs波型スピン分裂を示すが、今回観測されたp波型では電子の運動方向によってスピン分裂の符号が反転する。研究チームは共鳴X線散乱と中性子散乱により、結晶格子の6倍周期をもつ独特な磁気構造を確認し、金属p波磁性体の存在を明確に示した。さらに微細加工デバイスでの電気抵抗測定により、スピン分裂に起因する異方的抵抗も観測された。この成果は、反強磁性スピントロニクスや量子デバイスへの応用が期待され、電流による高効率な磁化制御への道を拓くものとされる。研究成果は『Nature』誌オンライン版(2025年10月22日)に掲載。

p波磁性体と呼ばれる新しいタイプの磁性体を実現~電流を用いた高効率な磁化制御などへ期待~
p波磁性体の磁気構造(左)と電子の運動方向に依存するスピン分裂(右)

<関連情報>

整合スピンヘリックスを持つ金属p波磁石 A metallic p-wave magnet with commensurate spin helix

Rinsuke Yamada,Max T. Birch,Priya R. Baral,Shun Okumura,Ryota Nakano,Shang Gao,Motohiko Ezawa,Takuya Nomoto,Jan Masell,Yuki Ishihara,Kamil K. Kolincio,Ilya Belopolski,Hajime Sagayama,Hironori Nakao,Kazuki Ohishi,Takashi Ohhara,Ryoji Kiyanagi,Taro Nakajima,Yoshinori Tokura,Taka-hisa Arima,Yukitoshi Motome,Moritz M. Hirschmann & Max Hirschberger
Nature  Published:22 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-025-09633-4

Abstract

Antiferromagnetic states with a spin-split electronic structure give rise to spintronic, magnonic and electronic phenomena despite (near-)zero net magnetization1,2,3,4,5,6,7. The simplest odd-parity spin splitting—p wave—was originally proposed to emerge from a collective instability in interacting electron systems8,9,10,11,12. Recent theory has identified a distinct route to realize p-wave spin-split electronic bands without strong correlations13,14, termed p-wave magnetism. Here we demonstrate an experimental realization of a metallic p-wave magnet. The odd-parity spin splitting of delocalized conduction electrons arises from their coupling to an antiferromagnetic texture of localized magnetic moments: a coplanar spin helix whose magnetic period is an even multiple of the chemical unit cell, as revealed by X-ray scattering experiments. This texture breaks space-inversion symmetry but approximately preserves time-reversal symmetry up to a half-unit-cell translation—thereby fulfilling the symmetry conditions for p-wave magnetism. Consistent with theoretical predictions, our p-wave magnet shows a characteristic anisotropy in the electronic conductivity13,14,15. Relativistic spin–orbit coupling and a tiny spontaneous net magnetization further break time-reversal symmetry, resulting in a giant anomalous Hall effect (Hall conductivity >600 S cm−1, Hall angle >3%), for an antiferromagnet. Our model calculations show that the spin-nodal planes found in the electronic structure of p-wave magnets are readily gapped by a small perturbation to induce the anomalous Hall effect. We establish metallic p-wave magnets as an ideal platform to explore the functionality of spin-split electronic states in magnets, superconductors, and in spintronic devices.

0403電子応用
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