稳益配室温下发现强相关电子材料依赖于电流方向的电阻变化

2025年7月5日

理化研究所

早稻田大学

科学技术振兴机构

住友化学株式会社

室温下发现强相关电子材料依赖于电流方向的电阻变化

-全面理解手性磁性体中的非互易电荷输运-

理化学研究所(理研)创发物性科学研究中心强相关物质研究组高级研究员、田口康二郎组总监(最先进研究平台合作( TRIP )事业总部强相关材料环境设备研究小组副队总监)、强相关理论研究小组总监永长直人(最先进研究平台合作( TRIP )事业总部基础量子科学研究计划总监)、早稻田大学理工学术院先进理工系的望月维人教授、李慕恩讲师等联合研究组是，手性结构[1]的磁性体的电阻在室温下依赖于电流方向而变化。

期待本研究成果能为利用自旋和电子相关的信息控制的基础技术的发展做出贡献。

联合研究小组认为，即使在电流和电压没有简单比例关系的“非线性电荷输送现象”中，也会带来整流效果非相反[2]具有手性结构的磁性体“Co”备受期待8Zn9Mn3(钴、锌、锰的合金)”，成功地在包括室温在内的广泛温度范围内观测到了非相反电荷输送现象。此外，还成功地分离了在不同温度磁场条件下产生的两种非相反电荷输运现象。通过对这两种现象进行理论分析，明确了具有手性结构的磁性体中的非互易电荷输送现象是由取决于两个自旋(电子的"自转" )之间的相对角度大小的自旋散射和伴随圆锥状自旋排列的电子的非对称的能量状态这两个主要因素所表现出来的

本研究根据科学杂志《方案高级》刊登在了在线版( 7月4日:日本时间7月5日)上。

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首席执行官8Zn9Mn3中有助于非相反电荷输送现象的2种成分的温度依赖性

背景

我们身边有各种各样的用电的机器。其基本原理之一是“电流越大，电压也成比例地增大”的欧姆定律。这是初中学习的最基本的电气物理学定律。但是近年来，人们越来越关注电流和电压不成比例的“非线性”响应，而不是这种比例关系。这个非线性现象[3]产生使电只向一个方向流动的“整流作用”和增大微弱信号的“放大作用”，成为高性能半导体器件的关键。

到目前为止，这种作用是由不同的材料组合而成的半导体异质结构[4]虽然已经通过实现了，碳中和社会[5]的实现等观点来看，正在寻求更小型且能效更高的电子器件。因此，通过使用单一材料的单纯结构来发挥同样效果的材料探索，正在成为世界性的研究潮流之一。

本研究在众多非线性现象中，关注了被称为“非相反电荷输送现象”的独特现象。这种现象，空间反转对称性[1]对于具有破坏的“手性结构”的物质，时间反转对称性[6]被期待通过施加破坏的磁场来出现。

迄今为止，在具有几种手性结构的磁性体中也观测到了非相反电荷输送现象，但存在着主要在室温附近发生现象的应用中没有发现容易结合的物质，以及磁性体中的自旋结构和非相反电荷输送现象的关系不太清楚等问题

研究方法和成果

因此，联合研究小组决定“Co8Zn9Mn3我们注意到一种特殊的金属材料:“(钴锌锰的合金)”。该合金通过调整组成中锰量，螺旋磁性有序[7]因为容易变更引起的温度，所以我认为这是探索室温下发生的非相反电荷输送现象和阐明其表达机制的最佳素材。

该材料如图1(a )所示，决定磁状态的钴原子在晶体中形成了手性结构(向左/右向任意一个扭曲的原子的排列)。通过该结构与外部施加的磁场的组合，可以期待产生电流的流动方式因方向而异的非相反电荷输送现象(图1(b ) )。而且，该材料的特征在于，不仅是原子位置的手性配置，电子所具有的自旋也在磁场中排列成圆锥(圆锥)状的手性排列(圆锥自旋排列)。因此，弄清楚与原子位置相比容易自由控制的自旋的排列结构本身对非互易电荷输送现象有何影响是本研究的一大重点。这是“自旋电子学[8]”可以应用的、磁和电的运动相互影响的“交叉相关现象[9]”的一个例子。

此次，为了高精度地观测非互易电荷输送现象，联合研究小组将比头发还细的几微米( m、1 m为百万分之一米)的微小试样(图1(c ) )聚焦离子束[10]用技术制作的。在此通入高密度电流，详细测量了非线性且非相反的电气响应。

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图1 Co8Zn9Mn3的非互易电荷输运现象研究理念稳益配

( a )首席执行官8Zn9Mn3的晶体结构。决定磁状态的钴原子( Co )在晶体中形成了手性结构。 ( b )示意性地表示与施加磁场的试料平行流动的电流的大小因方向而异的非互易性。对于手性磁性体，自旋呈圆锥(圆锥)状排列(圆锥自旋排列)时显示的非互易性在本研究中从实验理论的两个方面进行了详细调查。 ( c )实验中使用的微小试样的电镜图像。

实验结果是二氧化碳8Zn9Mn3中根据不同的温度和磁场条件，观测到了正负不同的2种非相反电阻(电阻中，仅提取了具有整流效果的成分的物理量)。通过对各个成分的分离和分析，明确了与理论的对应关系，揭示了复杂物理现象的总体情况。

如图1(b )所示，在对圆锥自旋排列施加比较强的磁场而使自旋强制对齐的区域中，有限温度下的热能和，贾罗辛斯基守谷相互作用[11]被称为的特殊相互作用使两个自旋之间的相对方向发生摆动，形成了手性的短程自旋结构(矢量自旋手性[12])被诱发。依赖于该矢量自旋手性的电子散射会引起非相电阻现象(非相电荷输送现象)，表明在室温附近其效果变大(图2(a ) )。

另一方面，在实现圆锥自旋排列的温度磁场条件下，如图2(b )所示，观测到了完全不同的非相电阻现象的温度依赖性。理论分析表明，携带电流的电子根据圆锥自旋排列的方向是不对称的能带结构[13]图2(c ) )，结果显示出现了表达机制与矢量自旋手性散射完全不同的第二种非互易电荷输运现象。这表明，在单一的螺旋磁性体中，会发生由多重贡献引起的非线性电荷输送。

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图2两种非相反电荷输运现象

( a ) ( b )首席执行官8Zn9Mn3中，有助于非相电阻率的2种成分的温度依赖性。虚线表示室温( 300开尔文约为27℃)。温度是绝对温度(单位:开尔文)。 ( a )表示在强制强磁性状态下由自旋涨落带来的自旋散射引起的成分，( b )表示由圆锥自旋排列中电子能量的非对称性引起的成分各自的温度依赖性。 ( c )圆锥自旋排列状态下电子的能带结构(电子可取的能量范围)不对称的模式图。 KF-，kF+是依赖于向左和向右前进的电子的密度的量，有助于电流的电子的能量(费米能量)中的能带结构的左右宽度为kF-和kF+来定义自定义外观。 ( c )的绿色和红色线表示理论模型中的两个电子能带结构。左右不对称表明电荷输运现象出现非互易性。

今后的期待

本研究发现了手性结构的磁体在包括室温在内的广泛温度范围内的非互易电荷输运现象，并进一步揭示了在不同温度磁场条件下出现的两种非互易电荷输运现象的机制。由此，我们对物理现象有了深入的了解，这是应用具有手性结构的磁性体带来的非互易电荷输运现象的基础。

深化关于仅由单一材料产生的非线性电荷输送现象的理论，有可能成为开发更小型、能效更高的电子器件的基础技术。也有望为解决实现碳中和社会等社会课题做出贡献。

物理学的基础研究具有成为未来技术创新源泉的可能性。本研究获得的知识将开辟利用自旋和电子相关的新信息控制技术，以及利用自旋的非易失性和高速操作性开发新一代自旋电子设备的可能性，有望实现超越科学和产业界限的价值创造。

补充说明1.手性结构、空间反转对称性

手性结构是指照镜子时彼此呈镜像关系，但不能与原来的形状重合。作为例子举出右手和左手的关系。另一方面，空间反转对称性是指即使以原点为中心相对于所有坐标轴反转物体，物体也与原来的物体相同的性质。虽然手性结构和不具有空间反转对称性的含义相似，但严格来说，不具有空间反转对称性的未必都是手性结构。

2.非相反

在电或光等信号的传输方式根据方向而变化的意义上，是指例如仅在一个方向通电的二极管、或仅从内侧看到外部的反射镜玻璃这样的性质。

3.非线性现象

输出对输入显示出与比例关系不同的响应的现象。带来电流整流作用的二极管、带来放大作用的晶体管等可以作为身边的例子。

4.半导体异质结构

指由不同种类的半导体层叠而成的结构体。制作需要洁净室等特殊设备。被用于二极管等承担电流的电子控制性优异的器件。

5.碳中和社会

是指温室效应气体的排放量和吸收量之差实质上为零的社会。作为建设环境友好型社会的指标，正在全世界范围内以实现为目标。

6.时间反转对称性

指即使逆转时间的流向，物理规律和现象也不会改变的性质。

7.螺旋磁性有序

原子所具有的自旋(因电子自转而具有的类似小磁铁的性质)呈螺旋状旋转并排列的状态。

8.自旋电子学

指的是不仅利用电子拥有的“电荷”，还利用“自旋”来传导电流和控制信息的电子技术。

9.交叉相关现象

一种物理量受另一种不同类型的物理状态影响的现象。

10.聚焦离子束

以高能量加速离子源发射的离子束，通过透镜系统缩小光束，使其聚焦在非常小的空间内的物质。可以对试样进行微细加工，用于透射电子显微镜观察用的薄膜试样制作等。

11.贾罗辛斯基守谷相互作用

相对论效应在磁铁中自旋产生的扭曲结构所带来的磁性关系或能量。成为导致特殊自旋排列结构的原因之一。

12.矢量自旋手性

表示相邻两个自旋所成的相对角度方向的量稳益配。

13.能带结构

电子在物质中取得的能量的分布。

联合研究组

理化学研究所创发物性科学研究中心

强相关物质研究组

高级研究员中村大辅

集团总监田口康二郎(田口康二郎)

(前沿研究平台合作( TRIP )事业总部强相关材料环境设备研究小组副团队总监)

创发功能磁性材料研究单元

单元领导轻部皓介

强相关理论研究小组

集团总监永长直人( Nagaosanoto )

(尖端研究平台合作( TRIP )事业总部基础量子科学研究计划总监)

强相关物性研究小组

集团总监十仓好纪(龙珠)

(东京大学卓越教授/东京大学国际高等研究所)

早稻田大学理工学术院先进理工学部应用物理学科

讲师李穆昆( Lee Mu-Kun )

教授望月维人

研究支援

本研究由与理研产业界的融合性合作研究制度(住友化学)、理研TRIP倡议实施，以科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业( CREST )“Beyond Skyrmion为目标，创造新的拓扑磁性科学(研究代表者:于秀珍) JPMJCR20T1 )”“使用纳米自旋结构的电子量子相位控制(研究代表者:永长直人，JPMJCR1874 )”、日本学术振兴会( JSPS )科学研究费资助事业基础研究( a )“技能肌胺所具有的新物质、功能、物性现象的开拓和技能肌胺的创造( 25H00611 )“量子非线性响应的理论研究(研究代表者:永长直人，24H00197 )”，同基础研究( b )“马约拉那准粒子传导电子耦合系统中的激电超导的理论(研究分担者:永长直人， 24K00583 )”“基于对称性和扰动的新拓扑磁性和创造功能的开拓(研究代表者:轻部皓介，23K26534 )”，同学术变革领域研究( a )“嵌合准粒子的理论(研究分担者:永长直人，望月维人，24H02231 ) 早稻田大学特定课题研究资助费“拓扑磁性的生成·驱动·开关现象及其方法·技术的理论(研究代表者:望月维人，2025C-133 )”，reservoir computing with topological magnetic systems (研究代表) 2025C-134 )、RIKEN TRIP Initiative“基础量子科学研究计划(计划总监:永长直人)”、“科研基础模型开发计划(参与研究人员:田口康二郎)”、“多电子集团(参与研究人员:田口康二郎)

原论文信息

Daisuke Nakamura，Mu-Kun Lee，Kosuke Karube，Masahito Mochizuki，Naoto Nagaosa，Yoshinori Tokura，Yasujiro Taguchi，" non rech方案高级, 10.1126/sciadv.adw8023

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主讲人

理化研究所

创发物性科学研究中心强相关物质研究组

高级研究员中村大辅

集团总监田口康二郎(田口康二郎)

(前沿研究平台合作( TRIP )事业总部强相关材料环境设备研究小组副团队总监)

强相关理论研究小组

集团总监永长直人( Nagaosanoto )

(尖端研究平台合作( TRIP )事业总部基础量子科学研究计划总监)

早稻田大学理工学术院先进理工学部

讲师李穆昆( Lee Mu-Kun )

教授望月维人

主讲人评论

支撑现在社会的科学技术是建立在很多基础研究的积累之上的。关于作为本研究对象的、因物质的磁状态而不同的非互易电荷输送现象，我们也想为了与使未来社会更加丰富的技术革新相联系而发展研究。最初开始本研究的时候，没有出现完全有意义的成果就暂时放弃了，但通过耐心的研究，最终得到了很高的学术评价，最终导致了本论文的发表。我想以这个经验为粮食，今后也不害怕挑战，以基础研究的力量为塑造今后社会奠定基础。 (中村大辅)

I am grateful to have the opportunity to collabo rate with famous research teams in riken CEMS on this topic.non reciprocal transport in chiral cryss is fascinating as it provides the potential for future small-size diodes， but the theory part is nontrivial since there can be multiple mechanisms.I ' m glad to work with theorists， prof.mochizuki in waseda university and prof.naga OSA in riken to figure out the separate mechanisms to explain the exciting experimental data nakamura.I believe our work can be generalized to more complicated situations including full band structures to explore new phenomena in the fute

新闻发言人

理化学研究所宣传部新闻负责人

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早稻田大学宣传室

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