鉄さびの中の隠れた磁気状態を解明 ―電場印加下のX線吸収分光と第一原理計算の融合で 1兆分の1mm単位のイオン変位を捉える―

2026-10-15 東京大学

東京大学と理化学研究所などの国際共同研究チームは、鉄さびの主成分であるヘマタイト(α-Fe₂O₃)に潜む複雑な磁気状態「高次多極子」を検出する新しい測定手法を開発した。高次多極子は、通常の磁石のN極・S極の配列だけでは表現できない電子の複雑な空間分布であり、次世代の磁気デバイス設計に関わる重要な性質である。研究チームは、外部電場を印加しながら大型放射光施設SPring-8でX線吸収測定を行い、電場誘起X線非相反線二色性という特殊な応答を観測した。さらに第一原理計算と実験結果を照合し、電場によって生じる約5フェムトメートル(5×10⁻¹⁵ m)という極微小なイオン変位が、磁気四重極や磁気トロイダル八重極に由来する信号を引き出すことを明らかにした。本手法により、従来の測定では互いに打ち消し合って見えなかった磁気状態を識別できる。交替磁性などの物性解明に加え、超高速・低消費電力のスピントロニクス素子や量子材料の設計への応用が期待される。

鉄さびの中の隠れた磁気状態を解明 ―電場印加下のX線吸収分光と第一原理計算の融合で 1兆分の1mm単位のイオン変位を捉える―
本研究の実験配置(上)と観測された電場誘起X線非相反線二色性の要因となる
電場で誘起されるイオン変位(下)。変位の大きさは誇張して描いている。

<関連情報>

ヘマタイトにおける電場誘起X線非相反二色性 Electric-Field-Induced X-Ray Nonreciprocal Dichroism in Hematite

Takeshi Hayashida, Koei Matsumoto, Keito Arakawa, Yves Joly, Sergio Di Matteo, Kenji Tamasaku, Yoshikazu Tanaka, and Tsuyoshi Kimura
Physical Review X  Published: 14 October, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/p5ry-x2wr

Abstract

Hematite (α−F⁡e2⁢O3) is a prototypical room-temperature antiferromagnet whose time-reversal-odd magnetic structure has recently attracted renewed attention. While such magnetic symmetry can be characterized in terms of higher-order multipoles beyond the magnetic dipole, their manifestation in measurable physical phenomena has remained largely elusive. In this work, we investigate x-ray absorption near the Fe -edge of hematite under an applied electric field, which explicitly breaks space-inversion symmetry. We observe an electric-field-induced x-ray nonreciprocal linear dichroism that reflects the time-reversal-odd nature of the magnetic order. A symmetry-resolved multipole analysis attributes this response to the electric-field-induced magnetic quadrupole and the magnetic toroidal octupole induced by the applied electric field. Furthermore, numerical simulations based on ab initio density functional theory reproduce the observed spectra, including their dependence on the antiferromagnetic domain and x-ray polarization. These results indicate that electric-field-modulated x-ray absorption measurements, combined with simulations, provide a framework for identifying the higher-order multipoles contributing to measurable physical responses in time-reversal-odd antiferromagnets, thereby facilitating the investigation of hidden symmetry properties in magnetic materials.

1701物理及び化学
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