令和５年１１月１７日

東北大学
大阪大学
高エネルギー加速器研究機構
量子科学技術研究開発機構
自然科学研究機構 分子科学研究所
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

反強磁性体に隠れた質量ゼロの電子を初めて観測

～省エネルギー技術や量子デバイスへの応用を開く～

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ポイント

• スピンが交互に配列した反強磁性体のネオジム・ビスマス化合物（ＮｄＢｉ）における微小な磁気ドメインの中の電子状態（電子構造）を、高輝度放射光を用いて精密に測定することに成功しました。
• ＮｄＢｉ表面で発現する相対論的電子「ディラック電子」の質量が、磁気ドメインのスピン配列方向によって有限になったり消失したりすることを実証しました。
• ＮｄＢｉにおいて「反強磁性トポロジカル絶縁体」と呼ばれる新しい量子相が実現していることを示しました。本成果は、省エネルギー素子や量子デバイスの開発につながると期待されます。

物質中で通常は見かけ上の質量（有効質量）がゼロのディラック電子は高速で動きやすく、質量を持たせることで省エネルギー素子などへの応用も期待できます。質量の発生にはこれまでの研究では永久磁石に代表される強磁性体が用いられてきましたが、漏れ磁場が生じるため集積化しにくいという課題がありました。一方、スピンが交互に配列した外部に磁場を発生しない反強磁性体でディラック電子を発生できるというアイデアが１０年以上前に提案されましたが、微小領域の電子状態観測が難しいため、研究の障害になっていました。

東北大学、大阪大学、ケルン大学（ドイツ）、高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）、量子科学技術研究開発機構、分子科学研究所などの共同研究グループは、１０マイクロメートル（μｍ）に集光した放射光を用いて、これまで困難であった反強磁性体の磁気ドメイン領域内のディラック電子の直接観測に世界で初めて成功しました。

研究グループはＮｄＢｉ結晶の反強磁性状態において、マイクロ集光角度分解光電子分光（マイクロＡＲＰＥＳ）という手法によって磁気ドメイン内の電子を精密に観測しました。その結果、ＮｄＢｉ表面のディラック電子が、スピンの配列方向によって巨大な質量を持つ場合と全く質量を持たない場合があることを明らかにしました。この成果は、反強磁性トポロジカル絶縁体という新しい物質相を実証しただけでなく、巨大な電磁気応答や量子伝導現象を用いた省エネルギー素子や量子デバイスへの応用につながるものです。

本研究成果は２０２３年１１月１７日、科学誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」に掲載されます。

本成果は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業ＣＲＥＳＴ「トポロジカル材料科学に基づく革新的機能を有する材料・デバイスの創出」研究領域（研究総括：上田 正仁）における研究課題「ナノスピンＡＲＰＥＳによるハイブリッドトポロジカル材料創製」（ＪＰＭＪＣＲ１８Ｔ１）（研究代表者：佐藤 宇史）、日本学術振興会 科学研究費助成金における研究課題「２次元電子スピン検出器の開発と強磁性トポロジカル物質の研究」（ＪＰ１９Ｈ０８１４５）（研究代表者：相馬 清吾）などの支援を受けて行われました。

＜プレスリリース資料＞

• 本文 ＰＤＦ（７５３ＫＢ）

＜論文タイトル＞

“Antiferromagnetic topological insulator with selectively gapped Dirac cones”

ＤＯＩ：10.1038/s41467-023-42782-6

＜お問い合わせ先＞

• ＜研究に関すること＞

  相馬 清吾（ソウマ セイゴ）

  東北大学 材料科学高等研究所（WPI-AIMR） 准教授
  Tel：022-217-6169
  E-mail：s.soumaarpes.phys.tohoku.ac.jp

  佐藤 宇史（サトウ タカフミ）

  東北大学 材料科学高等研究所（WPI-AIMR） 教授
  Tel：022-217-6169
  E-mail：t-satoarpes.phys.tohoku.ac.jp

• ＜ＪＳＴ事業に関すること＞

  安藤 裕輔（アンドウ ユウスケ）

  科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
  〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
  Tel：03-3512-3531 Fax：03-3222-2066
  E-mail：crestjst.go.jp

• ＜報道担当＞

  東北大学 材料科学高等研究所 広報戦略室

  Tel：022-217-6146
  E-mail：aimr-outreachgrp.tohoku.ac.jp

  大阪大学 基礎工学研究科 庶務係

  Tel：06-6850-6131
  E-mail：ki-syomuoffice.osaka-u.ac.jp

  高エネルギー加速器研究機構 広報室

  Tel：029-879-6047
  E-mail：presskek.jp

  量子科学技術研究開発機構

  Tel：043-206-3026
  E-mail：infoqst.go.jp

  自然科学研究機構分子科学研究所

  研究力強化戦略室 広報担当
  Tel：0564-55-7209
  E-mail：pressims.ac.jp

  科学技術振興機構 広報課

  〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
  Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432
  E-mail：jstkohojst.go.jp

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