第三の磁性が実証される：物理学者がMnTeでアルターマグネティズムを確認

ほぼ90年にわたり、物理学の教科書は磁石を2種類に分類してきた。その分類が今、破れた。米国エネルギー省のSLAC国立加速器研究所が率いるチームは今週、『サイエンス』誌で、第三の磁気相「アルターマグネティズム」がマンガンテルル化物（MnTe）に存在することの決定的な実験的証拠を得たと報告した。これは一つの分野に事実を一つ加えるような成果ではない。教科書に章を一つ加えるような成果だ。

古い描像は頭に入るほど単純だ。強磁性体では、電子のスピン——「上」か「下」を向く内在的な角運動量——がすべて同じ方向にそろい、冷蔵庫の扉にメモを留める磁場を生む。人類は古代から強磁性体を使ってきた。1933年、物理学者は第二の種類を発見した。反強磁性体ではスピンが上下交互に並んで打ち消し合い、正味の磁気効果は残らない。この二分法はほぼ1世紀続いたが、やがて一部の物質が「行儀悪く」振る舞い始めた。反強磁性体のような交互スピンを持ちながら、強磁性体のようにスピン偏極電流を運ぶことができる——本来は両立しないはずの二つの性質だ。2022年、研究者たちはこの異端者に名前を与えた。アルターマグネットである。

その名前の背後にある理論は、幾何学的なねじれだ。アルターマグネットのスピンは反強磁性体のように交互に並ぶが、「上」スピンの周りの結晶格子が「下」スピンの周りの格子に対して回転している。この対称性の破れが、理論によれば、通常の反強磁性体にはない「手性」——左手が右手用の手袋に入らないような、鏡像と重ならない性質——を物質に与えるはずだった。2024年までに、いくつかの証拠がその方向を示していたが、決定的なピースはまだ欠けていた。手性そのものを直接観測した者はいなかったのだ。

SLAC率いるチームが探しに行ったのはまさにそれで、彼らはMnTeの中でそれを見つけた。MnTeは長らく普通の反強磁性体に分類されてきた。チームはフランスの欧州シンクロトロン放射光施設（ESRF）で、精密に制御された偏光X線を生み出せるビームラインを使い、円偏光X線を物質に散乱させ、左巻きと右巻きの光に対する応答の違いを比べた。非キラルな物質なら両方の光を同じように散乱するはずだが、MnTeはそうではなかった。キラル信号は明確で、チームが2025年初頭に実験を繰り返したときも変わらなかった。筆頭著者のダニエル・ヨストは、これを「アルターマグネティズムが独自のクラスをなすと言える確固たる実験的根拠」と呼ぶ。

物理学科の外の人間がなぜ気にかけるべきなのか。答えはスピントロニクスにある。電子の電荷だけでなくスピンも使って電子デバイスを作る取り組みで、より速く、より頑丈で、消費電力がはるかに小さいデバイスが期待されており、データセンターにとっては現実的な関心事だ。古い2種類の磁石は、それぞれ逆の欠点を抱える。強磁性体は乱されやすすぎる。ヨストの言い方を借りれば、ポケットの中の永久磁石を持って強磁性体デバイスのそばを歩けば、そのビットが反転してしまうかもしれない。反強磁性体は安定性の問題を解決するが、実質的に「見えない」ため、データを読み出したり、有用なスピン電流を駆動したりするのが難しい。アルターマグネットはその両方を兼ね備える可能性を持つ。正味の磁化がゼロだから安定で、しかも情報を読み出すのに必要なスピン偏極電流を生み出せる。その組み合わせこそが、この論文を博物館の棚ではなく、メモリデバイスや量子技術、データセンターへと結びつけている。

ここで、率直な注意点が二つあり、どちらも重要だ。第一に、これは一つの物質で、一つのチームの手法によって得られた証明である。次にこの分野が示さなければならないのは、この特徴が一般化すること、そしてアルターマグネティック状態を光と電気で制御できることであり、研究者たちはそれを次のステップとして挙げている。第二に、デバイスはまだ存在しない。シンクロトロンのビームラインからメモリチップまでの道のりには、長年の材料工学が横たわり、美しい物理学の多くがその旅を完遂することはない。勇気づけられるのはその速度だ。概念が命名されたのは2022年で、わずか4年で提案から直接的な実験的確認へと進んだ。数日前には、別のチームがねじれた二次元構造におけるアルターマグネティズムを報告しており、新しいアルターマグネティック物質の探索がすでにMnTeの枠を超えて広がっていることを示唆している。

私が最も心に残るのは、さらに深い点だ。二分法が90年続いたのは、自然が整然としているからではなく、私たちの装置がそのねじれを見ることができなかったからだ。より優れたビームライン、手性についてのより鋭い問いかけによって、決着済みに見えた分類が実は不完全だったことが明らかになった。これは、完成したように感じるあらゆる分野への有益な注意喚起だ。第三の選択肢は、ときに最初の二つの妥協案ではない。幾何学の中に隠れた、真に新しい何かなのだ。