原子レベルに薄い磁性体で磁気状態を反映した光電流を観測

東京大学 物性研究所のYu Dong 学振特別研究員（研究当時、現：理化学研究所 創発物性科学研究センター 特別研究員）と井手上 敏也 准教授、理化学研究所 創発物性科学研究センターの岩佐 義宏 グループディレクターらの研究グループは、東京大学 大学院工学系研究科の森本 高裕 准教授、理化学研究所 創発物性科学研究センターの小川 直毅 グループディレクターらのグループ、コロンビア大学のグループ、物質・材料研究機構のグループらと共同で、原子レベルに薄い反強磁性体において磁気状態を反映した光電流が生じることを発見しました。

原子数層まで薄くした原子層物質では、元の結晶とは異なる新しい物性が現れることが多く、次世代エレクトロニクスの有力な材料として近年大きな注目を集めています。特に、磁性を持つ原子層物質では、通常の磁石とは異なる特徴的な磁気状態が実現できるため、新しいスピン機能の発見が期待されます。

本研究では、2層から成る原子層反強磁性体の光電流特性を調べました。本物質は、各層内ではスピンの向きがそろい、上下の層ではスピンが互いに逆向きになる特徴を持つため、2種類の反強磁性状態が存在します。この原子層磁性体に光を照射して電流を測定したところ、反強磁性秩序がない状態では電流は流れず、反強磁性状態では外部電圧無しでも電流が発生し、さらに2つの反強磁性状態で電流の向きが逆になることを発見しました。また、光電流の振る舞いが、電子の波動関数の量子幾何学的性質で説明できることも分かりました。加えて、光電流は結晶全体ではなく、2つの原子層それぞれに局所的に流れており、電極の構造を工夫することで、各層の電流を個別に取り出せることも実証しました。

今回の成果は、マクロな磁化を持たない反強磁性体でも磁気状態を反映した光電流が生じることを示すとともに、光電流が原子層ごとに局所的に流れることを明らかにした点に意義があります。これは、各層の局所構造やデバイス設計が物性を決定する重要な要素であることを示しています。今後、このような原子層磁性体を用いて光とスピンを活用した超低消費電力デバイスや量子エレクトロニクスにつながる可能性があります。

本研究成果は、2026年5月18日（英国夏時間）に英国科学雑誌「Nature Materials」オンライン版に掲載されました。