新たな磁石が1000倍高速なメモリを約束した。実現まであとどれくらい？

磁性の種類

磁石は二種類です。そう思われていました。一つ目は身近な磁石です。冷蔵庫に貼りつき、方位磁針を北へ向けます。二つ目は1930年代に説明され、何にも貼りつきません。

原子内は磁化されていますが、外からは磁石に見えません。2024年、こうした静かな物質の一部が第三の種類だと実験で確認されました。物理学者はこれを交代磁性と呼びます。結晶内で方向により変わる隠れた磁気パターンです。2026年7月、これを定義した3人の物理学者がユーロフィジックス賞を受賞。

電子機器が1,000倍速くなると約束する動画もあります。大学発表の1,000倍は測定値でなく予測です。第三の磁石とは何か。なぜ命名が遅れ、実用化はどこまで近いのでしょうか。

磁性は電子から生まれる

磁性は主に電子から生まれます。電子はスピンという量子力学的性質と結びつき、小さな磁石のように振る舞います。多くの物質では小さな磁石がばらばらを向き、打ち消し合います。鉄では膨大な原子が同じ向きにそろいます。

そろった原子が感じる磁場を生み、これが強磁性体です。物理学者によれば、強磁性体は数千年前から知られています。運動場の全員が北を向くと想像してください。観客席からは、群衆が一方向を向いて見えます。

強磁性体では、スピンアップとスピンダウン電子のエネルギーも違います。スピン分裂と呼びます。だから磁石は電気で読めます。層状素子では磁性層のそろい方で抵抗が変わります。覚える特徴は二つ。外へ届く磁場と、スピンで分かれる電子エネルギーです。

第三の磁石は片方を保ち、片方を失います。

ネールの隠れた秩序

フランスの物理学者ルイ・ネールは1932年の博士論文で別の可能性を提案。隣り合う原子磁石は反対向きになりやすいのかもしれません。1936年、彼は二つの原子集団が入り組む結晶を説明。一方は上、もう一方は下を向きます。二つの集団が打ち消し、全体の磁化はゼロです。

これが反強磁性です。白黒が交互のチェッカーボードは、遠くから灰色に見えます。小さな磁石を持つ中性子が、この隠れた秩序を見る道を与えました。アーネスト・ウォランは1944年にオークリッジのグラファイト原子炉で中性子実験を始め、1946年にクリフォード・シャルが加わりました。

1949年、シャルと同僚スマートは酸化マンガンに中性子を当てました。結晶の各軸で2倍の距離ごとに繰り返す磁気パターンの新たな回折ピークを発見。隠れたチェッカーボードは実在しました。ルイ・ネールは反強磁性とフェリ磁性の研究で1970年ノーベル物理学賞を分け合いました。

フェリ磁性では反対向きの原子磁石の大きさが違い、磁化が一部残ります。厳密には磁石は最初から2種類だけではありません。らせん状や、原子磁石が雑然と凍るガラス状など、ほかの配列もあります。それでも原子が上か下を向く磁石では、教科書は単純な二分法を保ちました。

すべてそろえば強磁性体。交互に並び打ち消し合えば反強磁性体。ネールはノーベル賞講演で、反強磁性体は理論上極めて興味深いが応用はなさそうだと述べました。数十年、それはおおむね正しく見えました。

静かだが読み出しにくい

その後、磁気記録が急速に発展しました。1988年、アルベール・フェールとペーター・グリューンベルクが独立に巨大磁気抵抗を発見。小さな磁気変化を電気抵抗差に変える現象です。これを使う最初のハードディスク読取ヘッドは1997年に登場し、発見は2007年ノーベル物理学賞につながりました。

MRAMという磁気メモリーチップもビットを磁石で保存し、電源を切ってもデータが残ります。しかし強磁性ビットには構造上の問題があります。磁場が漏れ磁場として外へ漏れ、密集したビットが干渉します。反強磁性体は漏れ磁場がほぼなく、隣のビットが干渉する経路を減らせます。

ある試験では、最大12テスラ、磁場強度の単位で冷蔵庫磁石の1,000倍超の磁場でも、反強磁性メモリービットを乱せませんでした。反強磁性体はさらに高速かもしれません。2018年、あるチームは銅、マンガン、ヒ素のメモリーに250ピコ秒パルスでデータを書き込み、

その持続時間は10億分の1秒の4分の1、最大4ギガヘルツ、毎秒40億サイクルでした。続いて毎秒1兆回振動する光のテラヘルツパルスを使用。各パルスは約1ピコ秒、1兆分の1秒でした。彼らによれば、強磁性体の同程度のスイッチングは5ギガヘルツを大きく超えていませんでした。強磁性体をテラヘルツ速度で動かすには、反強磁性体より

同じ面積で約100倍の電流と約1,000倍のエネルギーが必要と見積もりました。つまり反強磁性体は安定し、詰めやすく、高速です。ただし強い電気信号の取り出しは難しくなります。物理学者リボル・シュメイカルは磁化を有用な性質であり「敵」でもあると呼びました。

反強磁性体は電気で読めますが、強磁性素子が頼る強いスピン分裂はありません。磁気クロストーク、近くのビットの干渉を減らすほど静かですが、読み取りと制御は難しい。技術者が求めたのは、反強磁性体のように静かで強磁性体のように読める電子を持つ磁石でした。

欠けていた回転

2019年1月、シュメイカル、ハイロ・シノヴァ、トマーシュ・ユングヴィルトと同僚ゴンサレス・エルナンデスが一部の反強磁性体の予測を発表。原子磁石が打ち消し合っても、ホール信号を生む磁石があると論じました。電流と直角に物質を横切る電圧で、通常は強磁性体に結び付く信号です。

2022年、マインツとプラハの3人は完全な分類を発表。原子磁石が打ち消し合う磁石を、どの操作で模様が同じに見えるかという対称性で分類しました。上向き原子を下向き原子に変える操作は何でしょう。通常の反強磁性体では、一歩のずれか中心点を通る反転で上向き原子を下向きに重ねられます。

その操作は周囲の原子にも対応しなければなりません。新分類ではずれでも反転でも足りず、周囲を一致させる回転が要ります。研究チームはこれを交代磁性と名付けました。Science Newsは美術に例えました。反強磁性体がチェッカー盤なら、交代磁性体は

隙間なくかみ合うM. C. エッシャーのモザイク模様です。隣のタイルは色だけでなく向きも変わります。回転するのは磁性原子でなく周囲です。磁性原子は酸素やテルルなど周囲の原子の小さな檻に入っています。

交代磁性体では上向き原子の檻は一方向、下向き原子の檻は回転しています。彼らは、交代磁性がありふれた軽元素の結晶にも生じうると書きました。

方向で分かれる電子

回転した檻が電子の動きを変えます。交代磁性体では強磁性体同様、スピンアップとスピンダウン電子のエネルギーが異なります。ただし差は進行方向で変わり、方向が変わると符号も反転します。例として四方向の交差点を考えます。

南北道路ではスピンアップ電子が追い越し車線を使います。東西道路ではスピンダウン電子が使います。結晶全体では反対向きの磁気モーメントが打ち消し合い、外部磁場はありません。それでも、ある道路に沿う電流は一方のスピンを選べます。

この符号の交代が交代磁性の名前の由来です。最も単純な模様は四つ葉のクローバーに似ており、著者たちは電子対が似た四つ葉になるd波超伝導体と比較しました。この効果にスピン軌道相互作用は不要です。電子のスピンと運動を結び、重い原子で強くなる作用です。

二酸化ルテニウムの計算では、特定方向の電子の分裂は約1電子ボルトに達しました。2022年の比較で、これは相対論による記録的分裂の約10倍でした。重元素を含むバルク結晶、薄膜でない固体結晶での比較です。電子ボルトは小さなエネルギー単位ですが、結晶の電子には大きな値です。

そして検証が始まりました。2024年2月、国際チームがテルル化マンガン、MnTeを測定。測定はポール・シェラー研究所のスイス放射光源で行われました。MnTeは長らく通常の反強磁性体に分類されていました。

光で電子をたたき出し、エネルギー、方向、スピンを測るスピン分解光電子分光を使いました。分裂は実在し、結果はNature誌に掲載されました。東北大学のグループはMnTeで特定方向に最大0.8電子ボルトの分裂を測定。MnTeは磁気秩序を307ケルビン、約34℃まで保ちます。

2024年3月、マインツのチームが薄膜、非常に薄い層のアンチモン化クロムの分裂を報告。クロムとアンチモンからなる導電性のよい物質、CrSbです。2025年、別チームがCrSbの分裂を三次元で描きました。最大約1.0電子ボルトで、電流を運ぶ電子のエネルギーに近い値でした。

CrSbは約七百五ケルビン、約四百三十℃まで秩序を保ちます。模様はクローバーより複雑で葉が多く、物理学者はg波と呼びます。2024年後半、ノッティンガム大学主導チームがスウェーデンMAX IV研究所でX線によりMnTeを画像化。髪の数千分の一の厚さの三十ナノメートル膜を約マイナス百七十三℃に冷やすと、

逆向きに巻く渦と反渦という渦巻き模様が見えました。膜を形に加工するか磁場中で冷やし、望む配置を作れました。ピーター・ワドリーは「ひねりのある反強磁性のようなもの」と表現しました。マインツ大学によると、Scienceは交代磁性を2024年の画期的成果の一つに挙げました。

ただし単純な説明には訂正が必要です。MnTeは完全には打ち消し合いません。マンガン原子1個あたり電子1個の磁気の強さの約1,000分の1という微小な残余磁化があります。ごく小さい値ですが、研究者は磁気秩序を制御する手がかりにできます。

引き出しに隠れていたもの

トマーシュ・ユングヴィルトは、交代磁性が「人々が単に引き出しに入れていた多くの結晶に存在する」と述べました。Science Newsが報じたデータベース推計では、交代磁性候補は232個でした。強磁性候補百九十三個より多く、反強磁性候補八百二十七個より大幅に少ない数です。ハイロ・シノヴァは交代磁性を「100年以上にわたり隠れていた」磁気相、独立した磁気状態だと語りました。

魅力的な見出しですが、話のすべてではありません。ズンガー、ラシュバらの2020年論文は、磁気スピン分裂理論を1964年のペカールとラシュバまでさかのぼります。2019年8月、日本の物理学者、速水、柳、楠瀬は、一部の反強磁性体がスピン軌道相互作用なしに電子をスピンで分裂させると示しました。

2019年12月、ズンガーのグループはフッ化マンガンで最大約300ミリ電子ボルト、約3分の1電子ボルトの分裂を予測。マンガンとフッ素の物質で、ここでもスピン軌道相互作用は不要です。フッ化マンガンが秩序を持つのは六十七ケルビン未満、約マイナス二百六℃だけです。オックスフォード大学のパオロ・ラダエリは、交代磁性の定義は著者ごとに少し異なると指摘。

また、結晶を押し伸ばして磁化を変える圧磁性は1950年代から知られると指摘しました。彼は、この用語を作った功績をシュメイカルらに認めています。それでも理論家イゴール・マジンはScience Newsに、どういうわけか「誰もこの可能性を考えなかった」と語りました。材料は何十年も前からあり、論文に散らばっていました。

マインツとプラハのチームは、完全な対称性分類と名前、実験を導く予測を加えました。研究所によると、この初期理論は二千二十五年だけで千回超引用されました。二千二十六年七月、欧州物理学会は交代磁性の発見を称え、シュメイカル、シノヴァ、ユングヴィルトにユーロフィジックス賞を贈りました。

メモリーの夢

研究室の外で、なぜ重要なのでしょう。多くのメモリは、すでに磁気式だからです。2019年、Samsungは28ナノメートル製造工程で、他チップに組み込むMRAMの量産を発表しました。組み込みフラッシュより書き込みが約千倍速く、無電源でもデータを保持すると説明しました。

2021年、Everspinは256キロビットMRAMをLucid Air電気自動車の主動力系に採用したと発表しました。Samsungの1,000倍は、既存メモリ2種の比較です。交代磁性体とは無関係です。交代磁性体は、二つの要望を満たす可能性があります。

強磁性体のようにスピン分裂するため、原理上は電気で読めます。反強磁性体のように正味磁化がほぼゼロで、漏れ磁場なくビットを近づけられます。研究所は「強磁性体の拡張性の限界を除ける」とし、ビット密度の限界を指します。Nottinghamの発表は、部品交換で「速度を千倍にできる」としました。

将来部品の予測で、測定値ではありません。2018年のテラヘルツ書き込みは通常の反強磁性体で、交代磁性体ではありません。交代磁性体のスイッチ実験は最近で、メモリチップにはまだ遠いのです。

実用化までの距離

技術の現状はどうでしょうか。MRAMセルの基本は磁気トンネル接合です。2つの磁性層を、ほぼ電流を通さない極薄の絶縁層が挟みます。同方向か逆方向かで抵抗が変わります。

この変化がトンネル磁気抵抗、TMRです。強磁性MRAMのTMRは数百パーセントに達することがあります。2025年6月、韓国UNISTは二酸化ルテニウム（RuO2）上の接合を報告し、信号を交代磁性と解釈しました。

他の層は二酸化チタンと通常の強磁性体コバルト鉄ホウ素です。TMRは十ケルビン、摂氏マイナス二百六十三℃で約五パーセントでした。約50ケルビン超で、ほぼ消えました。2025年のユングヴィルトらのレビューは、交代磁性体のTMRが

強磁性体並みになると予測します。予測で、まだ測定されていません。二つ目の問題は材料そのものです。二酸化ルテニウムは初期の代表例でした。

2024年初め、ドイツDESYチームは電子のエネルギーと方向を描く運動量顕微鏡を使い、時間を逆にすると電子パターンが変わる時間反転対称性の破れを報告。しかし同年、短寿命の磁気プローブであるミューオンと中性子の実験は、結晶と薄膜に検出可能な磁気秩序を見つけませんでした。

2026年、バルク結晶にも秩序はなく、一方、成長させた結晶に伸縮された厚さ二ナノメートルの薄膜には、磁気方向の模様が現れました。2026年レビューは、二酸化ルテニウムの磁気基底状態、最も低いエネルギーの磁気配置は「なお議論中」と要約。接合信号は実測ですが、交代磁性を示すかは論争中です。

そのため、この動画はMnTeとCrSbを中心に扱います。三つ目の問題はスイッチングです。メモリは命令どおりビットを反転し、状態を保たねばなりません。レビューは同じ向きを示す領域、磁気ドメインの制御を「重要な前提条件」と呼びます。

以前の酸化ツリウム鉄では秩序は一時的に変わるだけで、無電源では保てませんでした。ここでCrSbが成果を出し始めています。2025年2月、Nature誌で電流がCrSb薄膜の交代磁性秩序を切り替え、薄膜が室温で読めるホール信号を示すと報告されました。

2026年8月、別チームはアンチモン化クロムの秩序を読み取り、選んだ状態へ切り替えたと報告。その積層デバイスには、白金とテルルの物質、二テルル化白金も含まれます。彼らは「拡張可能な交代磁性メモリへの道を開く」と記しました。温度にも朗報があります。

MnTe、CrSb、新しいバナジウム化合物2種はすべて室温超で秩序を保ちます。採点表はこうです。物理現象は複数の材料で確認済みです。室温秩序があり、電気で読み取り、切り替える最初の実験も報告済みです。

まだないのは、電気で切り替えられる室温メモリセル。現在のMRAM並みの読出し信号も競争力あるチップもありません。

二種類より多い

冷蔵庫磁石に戻りましょう。誰もが知る最も目立つ磁石です。それでもデータベースでは、モーメントが打ち消し合う磁石は強磁性体の5倍超です。ほぼ1世紀、その静かな磁石の大半を一つに分類してきました。

一部はずっと電子をレーン分けしていました。新材料を発明する必要はありませんでした。MnTeはすでに引き出しにありました。変わったのは物理学者の対称性への問いです。

その問いがデバイスのメモリを変えるかは未解決です。さらなる実験が、材料の可能性を示すでしょう。正直な答えは、磁石には2種類超あり、まだ分類中だということです。