ジョージア工科大学の研究者らは、風変わりな材料に新しい量子状態が起こることを発見した。これまで何にも見られなかった現象で、研究チームは、磁場をかけるとこの物質の電気伝導度が大幅に向上することを発見した。

マグネシウム、シリコン、テルルからなる合金に新しい量子状態を発見したことを報告した。これまで何にも見られなかった現象で、研究チームによると、磁場をかけるとこの物質の電気伝導度が10億パーセント上昇するとのことだ。この発見により、センサーや通信システムの構築など、量子コンピューティングへの応用が期待される。

この合金はMn₃Si₂Te₆ という結晶構造で、上から見ると八角形のセルがハニカム状に並んでいるが、横から見るとシートが積み重なっているものだ。

この構造の中では、電子が自由に動き回ることができる。しかし、その流れがランダムであるため、電子の移動が渋滞の車のようになり、絶縁体のような性質になる。

一部の材料は、磁場の変化に応じて伝導性が変化する「磁気抵抗効果(magnetoresistance)」と呼ばれる特性を持つことが知られており、今回の研究チームがこの合金に興味を持ったのも、この磁気抵抗効果を持つことからだが、この合金は、磁場の中に置くと導電性が向上するのだ。

このような性質の変化は、ほとんどの材料で見られるわけではないが、以前から観察されているものもある。だが、この合金の場合、磁場の存在下で絶縁体のように振る舞うのをやめ、代わりに導電線のように振る舞う。この際、導電率は7桁もアップ（10億％アップ）するとのことだ。このように、巨大な磁気抵抗効果を示すものを「巨大磁気抵抗」と呼ぶ。

さらに研究者らは、この巨大磁気抵抗効果が、ハニカム状表面に対して垂直方向に磁場を印加したときにのみ生じることを見出した。これは、他の材料で見られる磁気抵抗効果には当てはまらないが、研究者たちは、この合金がなぜそのような振る舞いをするのかを説明する新しいモデルを必要としていた。

「この現象は、既存のすべての理論モデルや実験的な前例に反しています」と、この研究の著者であるItamar Kimchi氏は語っている。

ジョージア工科大学の理論物理学者は、新しい数学モデルを開発し、磁性マンガンイオン間の電流の流れが対称性によって禁止されていることを発見した。しかし、八面体状に配置されたテルルイオンは、磁場を特定の方法でかけると、電流を流すことができた。

また、興味深いことに、電流を流しても絶縁体と導体の間を行き来することができることも発見された。しかし、この切り替えはすぐには起こらず、数秒から数分かかるという。

研究者らは、この遅い切り替えを利用して、電流制御量子デバイスの新たな用途を開拓したいと考えている。

だがその前に、研究者たちは、この新しく発見された量子状態についてもっと理解する必要があり、また、このような特性を示す他の材料がどのようなものであるのかも明らかにしなければならない。

論文

• Nature: Control of chiral orbital currents in a colossal magnetoresistance material

参考文献

• Georgia Tech: New Quantum State Discovered in Trimer-Honeycomb Material
• via New Atlas: New quantum state boosts material’s conductivity by a billion percent

研究の要旨

コロッサル磁気抵抗（CMR）は、磁場の存在下で電気伝導度が異常に増大する現象である。従来は、磁場誘起のスピン偏極によってスピン散乱や電気抵抗が劇的に減少することが知られていた。フェリ磁性体Mn₃Si₂Te₆ は、この法則の興味深い例外であり、磁気分極を回避した場合にのみ、ab面抵抗が7桁も減少することを示す。ここでは、MnTe₆ 八面体のエッジに沿って流れるab面キラル軌道電流（COC）によって駆動されるエキゾチックな量子状態を報告する。COCのc軸軌道モーメントはフェリ磁性Mnスピンと結合し、外部磁場が磁性ハードc軸に沿って配置されたときにab面導電率（CMR）を劇的に増加させる。その結果、COC駆動CMRは臨界閾値を超える小さな直接電流の影響を強く受け、COC状態の特徴である一次の「融解転移」を模倣した、時間依存の双安定スイッチングを引き起こすことができるようになった。COCを用いたCMRの電流制御の実証は、量子技術に新たなパラダイムを提供するものである。