近年、物質中の電子の量子状態が持つ構造である「量子幾何」が、オームの法則に従わない特異な電気伝導現象「非線形伝導」を生み出す重要な起源として注目されています。これまでの研究では、このような非線形伝導の観測やその物理的起源の解明が中心でした。一方で電子デバイスへの応用に向けては、こうした応答を電気的に制御する必要があります。

このたび、東北大学と日本原子力研究開発機構からなる研究チームは、トポロジカル反磁性体であるマンガン・スズ化合物（Mn₃Sn）において、量子幾何に由来する非線形ホール状態を室温下で観測し、かつそれを電流で制御することに成功しました。具体的には、量子幾何に由来する非線形ホール状態と磁気秩序の対応関係を利用し、電流により誘起されたスピン軌道トルク^（注３）によって磁気秩序を制御することで、非線形ホール状態の電流制御を実現しました。本成果は、量子幾何に由来する特異な電気伝導を自在に操る新たな道を拓くとともに、電気信号の周波数変換や増幅などの機能を電流で制御する次世代電子デバイスへの応用が期待されます。

今回の研究成果は、2026年11月4日（米国時間）付で、Cell Pressが刊行する学術誌「Newton」に掲載されました。

 

今回、東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センターの内村　友宏 助教（研究当時、東北大学電気通信研究所/大学院工学研究科大学院生）、同大学先端スピントロ二クス研究開発センターのハン ジヤハオ（Jiahao Han） 准教授、同大学電気通信研究所の深見 俊輔 教授、及び日本原子力研究開発機構の荒木 康史 研究副主幹と家田 淳一 グループリーダーらによる研究チームは、量子幾何に由来する非線形ホール状態を室温で観測し、さらにそれを基盤としてこの状態を電流によって制御することに成功しました（図1）。

本研究では、トポロジカル反磁性体マンガン・スズ化合物（Mn₃Sn）に着目しました。Mn₃Snは、Mn原子の磁気モーメントが三角形状に配列したカイラルな磁気構造を持つ反強磁性体です。この特殊な磁気構造によって、Mn₃Snはワイル半金属と呼ばれる特徴的な電子状態を形成し、顕著な量子幾何を有することが知られています。この電子状態は磁気構造と結びついているため、磁気構造を制御することで量子幾何を制御できると考えられます。

研究チームは、結晶方位の揃ったMn₃Sn薄膜をスパッタリング法により成長させ、この薄膜を用いて微細な素子を作製しました。室温における高次の電気応答を詳しく調べたところ、電流に対して垂直な方向に電圧が生じる「ホール効果」において、電流の３乗に比例する「３次の非線形ホール効果」を観測しました（図2）。さらに、この非線形ホール状態が磁気秩序に応じて変化することを明らかにしました。次に、観測された３次の非線形ホール効果の起源を明らかにするため、実験結果と理論計算を組み合わせて解析しました。その結果、この非線形ホール効果が、Mn₃Snが持つ量子幾何の中でも特に「ベリー曲率四極子」^（注４）が重要な役割を果たしていることが示されました。

さらに研究チームは、電子の電荷と磁気モーメント（スピン）の両方を利用する「スピントロニクス」の技術を活用し、この量子幾何に由来する非線形ホール状態を電流によって制御することを試みました。Mn₃Snに隣接する重金属に電流を流すと、スピンホール効果によって電子のスピンの流れであるスピン流が生じ、Mn₃Snへと注入されます。このスピン流が「スピン軌道トルク」となってMn₃Snの磁気秩序を制御します。この効果を利用してMn₃Snの磁気秩序を電流によって切り替えたところ、それに対応して３次の非線形ホール状態も切り替わることを確認しました（図3）。これにより、磁気秩序を電流で制御することで、量子幾何に由来する非線形ホール状態を電気的に制御できることを実証しました。本成果は、従来の磁気秩序の制御を中心としてきたスピントロニクスを、電子状態が持つ量子的性質を制御する新たな領域へと発展させるものです。