トポロジカルマグノンの熱に対する耐性を初めて理論的に実証

次世代超低消費電力スピントロニクス材料の設計指針

早稲田大学

2026/6/12 14:00

2026年6月12日

早稲田大学

トポロジカルマグノンの熱に対する耐性を初めて理論的に実証 ~次世代超低消費電力スピントロニクス材料の設計指針~

詳細は早稲田大学HPをご覧ください

【発表のポイント】

●磁性体中に現れる特殊な量子状態「トポロジカルマグノン」が、熱に対してどこまで安定か、世界で初めて定量的に解明しました。

●複数のマグノン同士が衝突・干渉し、互いに束縛しあう量子力学的な効果を取り込んだ新しい理論を構築し、これまで熱によって壊れやすいと考えられていたトポロジカルマグノンの性質が、従来予想よりも高温まで保たれることを明らかにしました。

●トポロジカルマグノンに関する中性子散乱実験の結果を「単一マグノンとマグノン束縛状態間の相互作用」を考慮することで再現・説明することに成功しました。

●熱に強いトポロジカルマグノン材料を探索するための具体的な設計指針を示しました。将来的な超低消費電力情報技術に向けた新しい量子材料探索への貢献が期待されます。

　早稲田大学大学院先進理工学研究科の衛藤倫太郎(えとうりんたろう)大学院生(研究当時)と理工学術院の望月維人(もちづきまさひと)教授は、ドイツ・ミュンスター大学、ミュンヘン工科大学との国際共同研究により、磁性体中に現れる特殊な量子状態「トポロジカルマグノン」が、熱によってどのような影響を受けるかを理論的に解明しました。

　研究グループは、多数のマグノン同士が衝突・干渉しあう複雑な量子効果を高精度で取り扱える新しい理論を構築しました。この理論を用いることで、臭化クロム（CrBr3）やヨウ化クロム（CrI3）に現れるトポロジカルマグノンが、従来予想されていたよりも熱に対して頑健で、高温でも安定に存在できることを定量的に示しました。

　本研究の成果は、将来的な超低消費電力情報技術に向けた新しい量子材料探索の指針になることが期待されます。

　本成果は、アメリカ物理学会（APS）が刊行するフラッグシップジャーナル「Physical Review X」に、2026年6月10日（現地時刻）にオンライン掲載されました。

図1: 磁性元素が蜂の巣(ハニカム)格子を組むファンデルワールス強磁性体の模式図。2つのマグノンの束縛状態[図中左]が、単一マグノン[図中右]と相互作用する様子を示している

キーワード：

トポロジカルマグノン、ディラックマグノン、ファンデルワールス磁性体、熱耐性、束縛状態、臭化クロム、ヨウ化クロム、スピントロニクス

（１）これまでの研究で分かっていたこと

　磁性物質中では、電子が持つ磁気的な自由度であるスピン[※1]の集団的な揺らぎが波のように伝わります。この波は「マグノン[※2]」と呼ばれ、電荷の流れを伴わずに情報を運べるため、発熱の少ない次世代情報処理技術への応用が期待されています。

図2: ギャップのないトポロジカルマグノン(左)及びギャップ付きトポロジカルマグノン(右)の運動量-エネルギー空間における模式図。トポロジカルマグノンのバンドギャップが開くと、ギャップ間に散乱の影響をほとんど受けずマグノンが一方向にのみ流れる「エッジ状態」が現れる。

　なかでも近年、特に注目されているのが、「トポロジカルマグノン[※3]」[図2]と呼ばれる特殊なマグノンです。絶対零度において、典型的な「バンドギャップ[※4]のない」トポロジカルマグノン[図2左] は、エネルギーが運動量に比例する特徴的なバンド[※4]構造を形成します。さらに、スピン軌道相互作用[※5]などの効果によってバンド間に「ギャップが開く」[図2右]と、物質の端（外周）に沿って伝わる特殊なマグノン状態「エッジ状態[※6]」がギャップ内に現れます。このエッジ状態は、欠陥や乱れの影響を受けにくく安定に流れやすいという特徴を持っていることから、将来の省エネルギー情報技術への応用が期待されています。

　一方で、実際の物質は有限温度にあります。温度が上がると、熱励起された複数のマグノン同士が衝突・散乱されることで、マグノンのエネルギーが変化したり寿命が短くなったりします。そのため、本来は絶対零度でのみ理論的に正確に記述できるトポロジカルマグノンの性質が、実際の実験環境・デバイスとしての動作環境である有限温度下でも本当に存在するのか、またどの程度の温度まで安定なのかは十分に分かっていませんでした。特に、ギャップがほとんどないトポロジカルマグノンを持つ「臭化クロム（CrBr3）」では、過去の実験でマグノン励起スペクトルの詳細な温度依存性が報告されていましたが、その全体を定量的に説明する理論は確立されていませんでした。

　また、ギャップの開いたトポロジカルマグノンを持つ「ヨウ化クロム(CrI3)」では、温度を上げていくと、バンドギャップの開閉が起こり、それに伴うトポロジカルな性質の変化に由来して、エッジ状態の向きが反転することが理論的に予測されていました。しかし、このバンドギャップ開閉に関する予測は必ずしも高温での精度が保証されていない近似計算に基づいたもので、その信頼性は強く疑問視されていました。

（２）新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

　本研究では、まず、磁性体中のトポロジカルマグノンが、有限温度でどのように変化するかを記述する理論を構築しました。対象としたのは、臭化クロム（CrBr3）、ヨウ化クロム（CrI3）などの「ファンデルワールス強磁性体[※7,8]」と呼ばれる層状磁性体です。これらの物質は、磁性層が弱い原子間力(ファンデルワールス力)により積み重なった構造をもち、マグノンの性質を調べる上で重要な物質群となっています。しかしながら、従来の理論では、これらの物質における温度によるマグノンのエネルギー変化や寿命の短縮を十分に説明できない場合がほとんどでした。

図3: (a) CrBr3におけるマグノンバンドのエネルギーの温度効果による変化量の理論-実験間の比較。エラーバー付きの白抜きマーカーが実験値、紫実線が再和法(resummation)による理論計算結果を示す。再和法(resummation)が、より低次の近似に基づく理論計算(黒実線および紫点線)よりも実験データとよく一致している。(b) CrI3におけるマグノン励起スペクトルの計算結果。緑線が絶対零度(0 K)の分散関係、カラーマップがキュリー温度付近(40.6 K)におけるスペクトル関数を示しており、K点直上のバンドギャップがキュリー温度付近においても消失することなく保たれている。

　そこで本研究では、熱励起された複数のマグノン間の相互作用をより精密に取り入れるため、「再和法(resummation)」と呼ばれる手法を用いました。これにより、単一のマグノンが、熱的に励起された別のマグノンや、2つのマグノンが量子力学的な効果により非常に強く結びついた「束縛状態[※9]」と相互作用する効果[図1]を精度良く記述することができます。

　その結果、CrBr3において、2022年にスイス・パウルシェラー研究所の中性子散乱実験[※10]グループにより観測・報告されていた、ギャップがほとんどないトポロジカルマグノンのエネルギー変化と線幅の広がりを、広い温度範囲で定量的に説明することに成功しました[図3(a)]。具体的には、再和法が複数マグノンの束縛状態や共鳴状態の効果を取り込み、低温での線幅の「大きな運動量依存性」を説明できることを示しました。

　さらに、CrI3などのギャップの開いたトポロジカルマグノンをもつ物質では、温度上昇によってバンドギャップは小さくなるものの、強磁性秩序が失われるキュリー温度[※11]付近までギャップが維持されることを明らかにしました[図3(b)]。これは、トポロジカルマグノンが、従来考えられていたよりも熱に対して頑強である可能性を示しています。
　また、これにとどまらず、温度効果によるスペクトル幅の広がり[※12]に埋もれずにトポロジカルなバンドギャップを観測するには、強磁性秩序を安定化させる「交換相互作用(J) [※13]」と、スピン軌道相互作用に由来しバンドギャップを開ける「Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(D) [※14]」との比D/Jがどの程度必要かを評価しました。その結果、典型的には「約5％」が一つの目安になることを示しました。これは、今後様々なトポロジカルマグノン材料を探索する際の実用的な指針になります。

（３）研究の波及効果や社会的影響

　本研究は、磁性物質中のトポロジカルマグノンが温度によってどのように変化するかを、実験と比較可能な形で予測する理論的な基盤を与えるものです。これにより、トポロジカルマグノンを利用した材料やデバイスを設計する際に、単に「理論的に存在する」だけでなく、「実際の温度条件で観測・利用できるか」を判断しやすくなります。

　マグノンは電荷の移動を伴わないため、発熱の少ない情報伝達の担い手として期待されています。本研究で示した温度耐性の評価方法は、将来的にスピントロニクス[※15]などの低消費電力情報処理技術に向けた材料探索に役立つ可能性があります。

（４）課題、今後の展望

　本研究では、2次元磁性体の代表例であるファンデルワールス磁性体を対象に、有限温度でのマグノンの振る舞いを理論的に調べました。一方で、実際の物質では、欠陥、不純物、試料形状、層数、基板との相互作用などもマグノンの性質に影響します。今後は、これらの現実的な要素を取り入れた理論や、より多様な候補物質への応用が重要になります。

　また、本研究で得られた指針をもとに、トポロジカルマグノンのギャップがより大きく、熱によるスペクトル幅の広がりの影響を受けにくい物質を探索することが期待されます。実験研究との密な連携により、マグノンを利用した新しい情報処理技術の基盤形成につながる可能性があります。

（５）研究者のコメント

トポロジカルマグノンは、将来の省エネルギー情報技術を支える候補として注目されています。本研究では、その性質が温度によってどのように変わるかを、実験結果と直接比較できる形で明らかにしました。今後の材料探索やデバイス設計に役立つ理論的な土台になると期待しています。

（６）用語解説

※1 スピン

電子が持つ小さな磁石のような性質です。磁石の性質やマグノンの振る舞いを決める重要な要素です。

※2 マグノン

磁性体中における磁気励起を粒子的な描像で捉えたものを「マグノン」と呼びます。

※3 トポロジカルマグノン

「トポロジー(位相幾何学)」とは、物の形を連続的に変えても不変となる量(トポロジカル不変量)を取り扱う数学の一分野です。物質中のマグノンでは、マグノンバンドを構成する状態空間の幾何学的性質として現れます。トポロジカル不変量が非ゼロとなるマグノンを「トポロジカルマグノン」と呼びます。

※4 バンド・バンドギャップ

電子やマグノンなどの粒子が物質中で取りうるエネルギーの運動量空間における離散的な分布のことを「バンド」といいます。結晶固体の性質を決める重要な概念です。また、複数のバンドの間のエネルギーのすき間のことを「バンドギャップ」といいます[図2右参照]。

※5 スピン軌道相互作用

相対論効果に由来する、電子のスピン自由度と電荷・軌道自由度を結びつける相互作用のことをいいます。

※6 エッジ状態

物質内部ではなく、物質の端（外周）に沿って現れる特殊な状態です。本研究では、トポロジカルマグノンのギャップ内に現れる、「後方散乱の影響を受けにくく安定して流れやすい」エッジ状態を扱っています。

※7 強磁性体

電子が持つ磁気的な自由度「スピン[※1]」が同じ向きにそろうことで、磁石として振る舞う物質です。鉄やコバルトなどが代表例です。

※8 ファンデルワールス磁性体

原子層が弱い原子間力（ファンデルワールス力）で積み重なった層状磁性体です。薄膜化しやすく、次世代の二次元量子材料として注目されています。

※9 束縛状態

空間的に近接した複数の粒子同士が互いに引き合い、ひとまとまりの状態として振る舞う量子状態です[図1参照]。

※10 中性子散乱実験

物質に中性子ビームを照射し、跳ね返ってきた中性子の方向やエネルギーの変化を調べることで、マグノンなどのスペクトルを精密に測定する実験手法。本研究で参照した臭化クロム(CrBr3)に関する中性子散乱実験のデータは、論文[S. E. Nikitin et al., Phys. Rev. Lett. 129, 127201 (2022)]にて報告されたものです。

※11 キュリー温度

強磁性体において、電子スピンの向きがそろった磁石としての性質（磁気秩序）が、熱揺らぎによって失われ、スピンの向きがバラバラになる温度のことです。

※12 スペクトル幅の広がり

マグノンは他のマグノンに散乱されることで寿命が短くなります。粒子の寿命とエネルギースペクトル幅（線幅）はおおよそ反比例の関係にあるため、粒子の寿命が短くなると、観測されるスペクトル幅が広がります。その結果、中性子散乱実験などで得られる信号が不明瞭になり、バンドギャップなどの微細な構造が観測しにくくなります。

※13 交換相互作用

電子スピン同士を同じ向き、あるいは反対向きにそろえようとする量子力学的な相互作用です。強磁性や反強磁性など、磁石の性質を決める基本的な要因です。

※14 Dzyaloshinskii-Moriya(守谷)相互作用

スピン軌道相互作用に由来する特殊な磁気相互作用のことをいいます。マグノンのバンド構造にギャップを作り、トポロジカルな性質をもたらす、あるいは変化させる主要因になります。

※15 スピントロニクス

電子の電荷自由度だけでなく、スピン自由度も利用して情報処理を行う技術分野です。低消費電力デバイスへの応用が期待されています。

（７）論文情報

雑誌名：Physical Review X

論文名：Fate of Topological Dirac Magnons in van der Waals Ferromagnets at Finite Temperature

執筆者名（所属機関名）：衛藤倫太郎* (ドイツ・ミュンヘン工科大学日本学術振興会海外特別研究員/研究当時: 早稲田大学大学院先進理工学研究科物理学及応用物理学専攻博士課程, 日本学術振興会特別研究員DC1)

Ignacio Salgado-Linares (ドイツ・ミュンヘン工科大学自然科学部物理学科博士課程)

望月維人 (早稲田大学理工学術院先進理工学部応用物理学科教授)