反強磁性体の表面に、磁石の性質を帯びた奇妙な電子が出現 ― スピンの向きが100%揃った電流の実現へ ―

2026-09-17 東京大学,大阪大学

反強磁性トポロジカル絶縁体NdBiの表面に現れる「磁性ディラック電子」を、角度分解光電子分光(ARPES)によって世界で初めて直接観測した。NdBiを冷却して反強磁性相にすると、表面ディラック電子のバンド交差点に約17 meVのエネルギーギャップが形成され、その大きさは約150テスラ級の外部磁場に相当する理論予測と一致した。これは、物質自身の表面磁性によって、通常は外部から巨大磁場を加えなければ得られない電子状態を実現できることを示す。さらに、電子の運動方向とスピンが結び付く「スピン・運動量ロック」とギャップ形成により、外部磁場なしでスピンの向きが100%揃った完全スピン偏極電流の実現につながる可能性がある。今後、実際の電気伝導の実証や、低消費電力スピントロニクスへの応用が期待される。

反強磁性体の表面に、磁石の性質を帯びた奇妙な電子が出現 ― スピンの向きが100%揃った電流の実現へ ―
本研究では、磁石の性質を持つ特殊な電子「磁性ディラック電子」を直接観測し、100%スピンが揃った「完全スピン偏極電流」を実現するための電子状態を実証しました。

<関連情報>

反強磁性トポロジカル絶縁体NdBiにおけるスピン偏極表面ディラックギャップの直接観測 Direct observation of a spin-polarized surface Dirac gap in the antiferromagnetic topological insulator NdBi

Yuto Fukushima, Hiroyuki S. Suzuki, Masayuki Ochi, Takuma Nishida, Toshiya Ikenobe, Hiraku Saito, Yuto Kinoshita, Kaishu Kawaguchi, Hiroaki Tanaka, Ayumi Harasawa, Takushi Iimori, Koichiro Yaji, Masashi Tokunaga, Taro Nakajima, Kiyohisa Tanaka, Takahiro Morimoto, Ryo Mori & Takeshi Kondo
Nature Communications  Published:15 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-77571-4  Early Provide

Abstract

A gapped Dirac cone in antiferromagnetic topological insulators (AFM-TIs) is essential for realizing the quantized anomalous Hall effect, yet its intrinsic magnitude remains controversial. In the prototypical AFM-TI MnBi2Te4, however, the observed Dirac gap is significantly smaller than theoretical predictions or nearly absent, highlighting a long-standing discrepancy. Here we demonstrate that NdBi hosts a spin-polarized topological surface Dirac cone with a sizable gap of 17 ± 2 meV at the Dirac point, in excellent agreement with density functional theory predictions (12 meV). This direct observation is enabled by high-resolution 7 eV laser-based spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy, which unambiguously disentangles the spin-polarized surface Dirac cone from bulk-derived states. Furthermore, through temperature dependence and controlled surface contamination, we establish a direct linkage between surface magnetism and the Dirac gap, demonstrating that the gap opens only in the presence of surface magnetic order. These results provide definitive spectroscopic evidence for an intrinsic Dirac gap in AFM-TIs and establish NdBi as a model platform to resolve the long-standing discrepancy between experiment and theory in AFM-TIs.

1701物理及び化学
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