磁石の磁場に対する新しい反応を発見 金属を絶縁体に変える微小垂直磁化の発見
(a)パイロクロア格子上のIrが作るall-in all-out (all-out all-in)構造と(b)トルク磁化の概念図
金属絶縁体転移を引き起こすとIrのスピンが正四面体に対して全て外向き（あるいは全て内向き）に向いた構造をとる。垂直磁化は磁気トルクを測定することで検出された。
© 2017 Tian Liang.
東京大学物性研究所の中辻知教授らの国際研究グループは、磁場が加わると磁石の性質をもつ物質（磁性体）に生じる磁化（磁石の性質を示すようになる現象）が、磁場と垂直方向に微小に生じていることを検出しました。この微小垂直磁化は金属を絶縁体に変化する要因であるため、メモリや磁気センサへの応用の可能性を秘めています。
磁性体は外から与えた磁場と同じ方向に磁化すると古くから知られてきました。しかし熱力学の理論によると、それとは垂直方向にも磁化の発生が想定されます。この「垂直磁化」は非常に小さいためこれまで実験的に観測されることはありませんでした。
国際研究グループは、パイロクロア型イリジウム酸化物（Eu2Ir2O7；Eu：ユウロピウム、Ir：イリジウム、O：酸素）が、金属から絶縁体へと変化する（金属絶縁体転移）際に磁化がわずかに変化することに着目しました。通常の磁化測定では磁場と平行方向の磁化のみを検出するため、磁場中で磁性体が回転しようとする力（トルク）をカンチレバーを用いて測定することで垂直磁化の検出を試みました。その結果、垂直磁化が金属から絶縁体への変化を遂げる温度以下の温度で急激に増大していることをつきとめました。垂直磁化はイリジウムの磁荷が特殊な空間分布を持っていること（磁気八極子）に由来しており、これが金属絶縁体転移の起源（秩序パラメータ）になっていることがわかりました。
「これまでメモリなどで利用されてきたのは磁石（強磁性体）ですがパイロクロア型イリジウム酸化物は磁石ではないのに同様の性質を持ち、大変注目を集めている物質です。」中辻教授は説明します。「今回の発見によりこの系の輸送特性を制御する仕組みが明らかになりました。磁石ではない物質でのスイッチング機構、起電力効果発現機構などの研究を進めていくことで、今後小さな漏れ磁場を活かした高密度の不揮発性メモリや新たな環境発電物質などのデバイス材料物質の開発につながれば良いと思っています」と続けます。
なお、本成果は米国プリンストン大学、米国マサチューセッツ工科大学と共同で得られたものです。また、本研究はJSPS科研費 15H05883（J-Physics:多極子伝導系の物理）、文部科学省委託事業戦略的創造研究推進事業 (JST/CREST) 、研究領域「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」、研究課題「トポロジカルな電子構造を利用した革新的エネルギーハーヴェスティングの基盤技術創製」の支援を受けて行われたものです。
論文情報
, "Orthogonal magnetization and symmetry breaking in pyrochlore iridate Eu2Ir2O7", Nature Physics Online Edition: 2017/02/28 (Japan time), doi:10.1038/nphys4051.
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