第一原理計算による六方晶CrTeにおける対称性駆動のアルターマグネティックなスピン分裂

なぜこの隠れた磁性が重要なのか

現代の電子機器は主に電子の電荷を利用していますが、電子のスピン――ごく小さな内在磁石――も情報を運べます。スピンを活用する技術分野であるスピントロニクスは、高速で低発熱、かつエネルギー効率の高い技術をもたらす可能性があります。しかし、従来の磁性材料は周辺部品に干渉する漏れ磁場を生じさせます。本研究は、一般的な化合物であるテルル化クロム（CrTe）に見られる驚くべき磁気状態を探ります。この状態は全体として磁化を持たない一方で強くスピン偏極した電流を生み出せるため、将来のスピンベースのデバイスにとって魅力的なプラットフォームになります。

北極を持たない新しいタイプの磁石

冷蔵庫のマグネットのような従来の磁石は強磁性体で、原子のスピンが整列して明確な北極・南極を生みます。これに対して反強磁性体は隣り合うスピンが逆向きになり、磁化が打ち消されるため通常は利用できるスピン信号が小さくなります。近年提案された「アルターマグネット」はこの二分法を覆します。アルターマグネットではスピンは交互に並んで全体では打ち消されますが、結晶対称性のために反対のスピンを持つ電子が非常に異なるエネルギー経路を取ります。その結果、強いスピンによるバンド分裂が生じ――見た目は強磁性体に似る一方で、全体磁化はゼロという点では反強磁性体に似ています。この異例の組み合わせにより、妨げとなる漏れ磁場なしに堅牢なスピン電流が可能になります。

テルル化クロムの磁性を再考する

CrTeは温度によって磁性が変化するよく知られた材料で、高温では常磁性（無秩序）、中温では強磁性、低温では一般に反強磁性と呼ばれてきました。著者らは密度汎関数理論に基づく高度な量子力学的シミュレーションを使って、低温の六方晶相のCrTeを再検討しました。結晶中のクロムとテルルの原子位置をモデル化し、隣接するクロム層が逆向きのコリニアなスピン配列を課しました。全体として磁化は打ち消されるにもかかわらず、運動量空間の特定の経路（L′–Γ–L）に沿って電子バンドに大きなスピン依存の分裂が現れることを発見しました。この分裂は約1電子ボルトに達し、CrSbやMnTeなど確立されたアルターマグネットと同程度であり、CrTeが同じ系統に属することを示唆します。

スピン分裂の起源

この効果の微視的起源を解明するために、研究者らは伝導に関係するエネルギー領域付近でどの原子軌道が寄与しているかを詳細に解析しました。フェルミ準位の直下と直上の状態は主にクロムのd軌道が支配しており、テルルの5p軌道も補助的に顕著な役割を果たしていることを示しました。バンド構造の詳細なマップは、スピンアップとスピンダウンの枝がブラベー格子中心を挟んで鏡像の関係にあることを明らかにします：片側のスピンアップを主とするバンドに対応して、反対側にはスピンダウンのバンドが対応します。同時に、スピンアップとスピンダウンの電子数の総和は等しいため、巨視的な磁化はゼロです。さらに著者らは実空間での電荷・スピン密度を可視化し、クロム原子上に隣接層間で回転し符号が反転する三葉状のd軌道に似たスピン分布を見いだしました。この回転と反転を組み合わせた対称性が、結晶の幾何学と運動量空間での異常なスピン挙動を直接結びつけています。

フェルミ面上のスピン選択的ハイウェイ

個々のバンドを超えて、研究チームはCrTeのフェルミ面――電気を伝導する状態の集合――を解析しました。スピン軌道相互作用を含めなくても、注目すべきパターンが見られました：運動量空間のある方向に沿っては、あるスピンのバンドがフェルミ準位を横切る頻度がもう一方のスピンより多く、逆方向ではその不均衡が反転します。三次元では、フェルミ面は四葉形に似たいわゆるg波スピンテクスチャを示し、主要なスピンキャラクターが結晶方向を一周するにつれて交互に現れます。この運動量依存のスピンテクスチャはアルターマグネティズムの決定的な指紋であり、外部磁場なしに異なる方向へ流れる電流が自然にスピン偏極され得ることを意味します。

将来のデバイスにとっての意義

これらの要素を総合すると、本研究は六方晶CrTeが単なる反強磁性体ではなくアルターマグネットであることを示しています：全磁化ゼロの状態で対称性に保護された大きなスピン分裂を持ちます。主要な伝導状態は主にクロムのd軌道とテルルのp軌道のハイブリッドによって構成され、フェルミ面上にスピン選択的なチャネルを形成します。CrTeはこの相で金属的に振る舞うため、結晶対称性に符号化された方向性と性質を持つ堅牢なスピン電流を運べる可能性があります。これらの特性は、純粋なスピン電流を情報処理に利用し、望ましくない磁気干渉を低減しつつ強いスピン効果を“磁場のないように見える”材料内部で活用することを目指すスピントロニクス技術にとってCrTeを有望なプラットフォームにしています。

引用: Singh, R., Huang, HL., Lai, CH. et al. Symmetry driven altermagnetic spin splitting in hexagonal CrTe from first principles. Sci Rep 16, 10458 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38641-1

キーワード: アルターマグネティズム, テルル化クロム, スピントロニクス, スピン分裂, 反強磁性材料