反強磁性体で電流による電子の液晶化を実証~エレクトロニクス応用可能な電気抵抗変化として世界初観測~

2026-01-08 東北大学

東北大学金属材料研究所の酒井英明教授らの研究グループは、時間反転対称性と空間反転対称性の両方を欠く特殊な反強磁性体において、電流によって電子状態が液晶(ネマティック)化する現象を世界で初めて電気伝導として実証した。ディラック電子を有する反強磁性体SrMnBi₂を用い、磁場中で電気抵抗のダイオード的成分を精密測定した結果、電子の運動性が特定方向に偏る電子液晶化を検出することに成功した。さらに、電流と磁場を組み合わせて反強磁性パターンを制御することで、ダイオード特性の極性を切り替えることにも成功した。本成果は、反強磁性体を用いた新原理エレクトロニクスの実現に道を開くもので、次世代メモリや整流素子への応用が期待される。研究成果はNature Communicationsに掲載された。

反強磁性体で電流による電子の液晶化を実証~エレクトロニクス応用可能な電気抵抗変化として世界初観測~
図1. (a) PT対称磁性体の電子状態(フェルミ面)の概念図。電流印加によりフェルミ面がシフトし、系全体で面内方向に歪んだ電子ネマティック液晶状態が実現する。(b) SrMnBi2の結晶構造の模式図(左)。四面体に囲まれたMnサイトがPT対称反強磁性秩序を示す。二次元Bi層のディラック電子が形成する電子ポケットの概念図(右)。層間方向の電流により、面内で等方的な4回対称から異方的な2回対称(ネマティック状態)となる。

<関連情報>

パリティ時間対称反強磁性体における電流誘起ネマティックディラックバレーの輸送証拠 Transport evidence of current-induced nematic Dirac valleys in a parity-time-symmetric antiferromagnet

Hideaki Sakai,Yuya Miyamoto,Motoi Kimata,Hikaru Watanabe,Yoichi Yanase,Masayuki Ochi,Masaki Kondo,Hiroshi Murakawa & Noriaki Hanasaki
Nature Communications  Published:07 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-67229-y

Abstract

Itinerant antiferromagnets with broken time-reversal symmetry have recently attracted attention, since their spin-split bands enable large magnetotransport responses comparable to ferromagnets despite the negligible spontaneous magnetisation. When the inversion symmetry is further broken by the antiferromagnetic order, the emerging odd-parity multipole order renders the bands spin-degenerate but asymmetric in the momentum space. For such parity-time-symmetric antiferromagnets, it has been predicted that electronic nematicity is induced by current, allowing unconventional nonlinear transport phenomena. However, their experimental evidence has been lacking. Here, we report two-fold nonreciprocal angular magnetoresistance in the tetragonal layered Dirac material SrMnBi2 with parity-time-symmetric antiferromagnetic order in its Mn-Bi layers. By quantitatively modelling the angular and field dependencies using a phenomenological framework, we reveal that the observed nonreciprocal interlayer resistivity arises from the current-induced breaking of four-fold rotoinversion symmetry of the Dirac valleys in the Bi square net adjacent to the Mn-Bi layer. Furthermore, we demonstrate the alignment of parity-time-symmetric antiferromagnetic domains via current-field cooling, achieving electric-magnetic control of the f-wave polarity in momentum space. The observed switchable nonreciprocal transport associated with current-tuneable valley nematicity paves the way for novel antiferromagnetic spintronic and valleytronic applications.

0402電気応用
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