原子レベルに薄い磁性体で磁気状態を反映した光電流を観測 ―反強磁性体における符号反転する新しい光電流を発見―

2026-05-18 東京大学,理化学研究所,科学技術振興機構

東京大学、理化学研究所らの研究グループは、原子レベルに薄い二次元反強磁性体において、磁気状態に応じて符号が反転する新しい光電流を発見した。研究では、上下2層でスピン方向が逆向きとなる反強磁性状態を持つ原子層磁性体に光を照射したところ、外部電圧なしで光電流が発生し、2種類の反強磁性状態で電流方向が逆転することを確認した。さらに、この光電流は結晶全体ではなく各原子層ごとに局所的に流れており、電極構造を工夫することで層別に取り出せることも実証した。理論解析では、この現象が電子波動関数の量子幾何学的性質に由来することが示された。従来、反強磁性体は全体磁化を持たないため制御が難しいと考えられていたが、本成果は光とスピンを利用した超低消費電力デバイスや量子エレクトロニクスへの応用可能性を示すものである。論文は Nature Materials に掲載された。

原子レベルに薄い磁性体で磁気状態を反映した光電流を観測 ―反強磁性体における符号反転する新しい光電流を発見―
原子層反強磁性体における磁気状態を反映した新しい光電流

<関連情報>

パリティ・時間対称性を持つ二次元反強磁性体における層状光起電力効果 Layer photovoltaic effect in a two-dimensional antiferromagnet with parity–time symmetry

Yu Dong,Sota Kitamura,Yuki M. Itahashi,Daniel G. Chica,Shingo Toyoda,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Miuko Tanaka,Xavier Roy,Naoki Ogawa,Takahiro Morimoto,Yoshihiro Iwasa & Toshiya Ideue
Nature Materials  Published:18 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-026-02593-8

Abstract

Antiferromagnets with parity–time symmetry host intriguing optical and transport phenomena governed by quantum metric, as the counterpart, Berry curvature, vanishes under parity–time symmetry. In antiferromagnets with parity–time symmetry, the intrinsic photovoltaic effect, driven by the interband quantum metric associated with optically allowed transitions, is expected due to the inversion symmetry breaking induced by antiferromagnetic order, but experimental demonstration has remained elusive. Here we report the experimental observation of an intrinsic photovoltaic effect in a two-dimensional antiferromagnet with parity–time symmetry, bilayer CrSBr. Notably, the intrinsic photocurrent reverses sign according to the antiferromagnetic configurations. Moreover, by manipulating the magnetic field and device architecture (the top and bottom contacts), we distinctly identify layer-resolved intrinsic photocurrent responses. A tight-binding model based on the band-resolved quantum-metric-driven magnetic injection current mechanism is proposed to interpret these observations and reveal the layer-localized nature of the quantum metric. Our findings provide a promising strategy for developing switchable photovoltaic devices and engineering the spatial quantum geometry in layered antiferromagnets.

0403電子応用
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