研究者にとって、最近行われた微小な鉄硫化物結晶に対する軽微な機械的圧縮は、予期しない発見を明らかにしました：この材料の二つの特異な性質が完璧に同期して共に縮小することが分かりました。この発見により、科学者たちは新たに認識された磁性材料のカテゴリの動作原理を初めて明確に観察することができました。ライス大学の研究チームは、六方鉄硫化物結晶を圧縮し、その微弱な磁信号と異常な電気効果が同期して減少する様子を観察しました。関連する研究成果は『先進材料』誌に発表されました。
この材料は「交替磁性材料」と呼ばれるグループに属し、二つのより馴染みのある磁性タイプの特性を組み合わせています。反鉄磁体に似て、この種の材料の内部の大部分の磁気モーメントは互いに打ち消し合うため、強力な外部磁場を生成することはありません。しかし、それでも運動中の電子に有益な影響を与えることができ、これは将来の電子デバイスにとって非常に重要かもしれません。研究された六方鉄硫化物は、内部で打ち消しが起こっているにもかかわらず、非常に微小な磁気モーメントを保持し、異常ホール効果と呼ばれる独特の電気信号を生成することができます。
材料中を流れる電流は、外部磁場がない場合でも横方向の電圧を生成することができます。
圧縮後の信号変化
対応著者の戴鵬程は、この材料が研究者に微弱な磁信号と電信号を同時に観察することを可能にしたと述べています。彼は、特定の方向に結晶を圧縮することで、これら二つの信号が共に減少することを示しており、これはこれら二つの効果の間に密接な関係が存在することを示唆しています。研究チームは、単一の方向から結晶を圧縮する装置を構築し、圧力が増加するにつれてこれら二つの特性を追跡しました。結果は、微小な磁気モーメントと横方向の電圧が共に安定して減少し、その基盤となるより大きな磁性秩序は実験全体を通じて基本的に変わらないことを示しました。
結晶の磁性構造に対する圧力の実際の影響を深く理解するために、研究者たちはオークリッジ国立研究所の中性子ビームを使用して測定を行いました。これらの測定は、基本的な磁気配置が整っていることを示しましたが、圧縮によって材料内部の好ましい磁気方向が変化しました。この結晶は、ほぼ等価な磁気モーメントの指向方向を持っており、これらの方向間のエネルギー差が小さいため、適度な圧力でもバランスが特定の方向に傾くことができ、これによりこの材料は機械的に調整するのが異常に容易になります。
未解の問題
これらの結果は、長年の問題に新たな視点を提供します。それは、この材料がなぜ異常な電信号を生成するのかということです。一般的な説明の一つは「ベリー曲率」であり、これは電子が結晶の電子構造を通過する方法に関係しています。第一著者の姚偉良は、新しい測定結果がこの説明を排除するものではなく、むしろ電信号と微小な磁気モーメントの間に強い関係が存在することを示していると指摘しています。これにより、この関係の具体的な理由は依然として未解決のままです。戴鵬程は、これらの効果を制御するために単純な機械的ひずみを利用することが、将来的にスピントロニクスの分野で非常に有用である可能性があると述べています。
この分野は、電子のスピンを利用して情報を保存または処理し、多くの従来の技術よりも低い磁気干渉とエネルギー消費で操作することを目指しています。