螺旋磁性

螺旋磁性：磁気モーメントの螺旋状ダンス

螺旋磁性とは、物質を構成する磁気モーメントが、互いに特徴的な角度を成して螺旋状に配列する磁気秩序のことです。隣り合う磁気モーメントの成す角度は0度から180度の間で変化し、この角度は強磁性相互作用と反強磁性相互作用の微妙なバランスによって決まります。強磁性（0度）や反強磁性（180度）は、この螺旋磁性の特別な場合と見なすことができます。

螺旋磁性の特徴として、その螺旋構造が左巻きか右巻きかのどちらかである点が挙げられます。この性質は、物質の空間反転対称性を破ることを意味します。厳密には、螺旋磁性体は自発的な磁化（永久磁気モーメント）を持たないため、複雑な反強磁性体の一種として分類されます。ただし、永久磁気モーメントを持ちながらも螺旋状パターンを示す物質もあり、これらは「conical magnets」と呼ばれて螺旋磁性体とは区別されます。ホルミウムは低温でこのconical magnetsの状態を示す物質の一例です。

螺旋磁性の概念は、1959年に二酸化マンガンの磁気構造を説明するために初めて提唱されました。当初は中性子回折法によってその存在が確認されましたが、その後、ローレンツ電子顕微鏡法を用いたより直接的な観察も可能になりました。興味深いことに、室温でも安定した螺旋磁性状態を維持する物質も発見されており、その多様性が明らかになりつつあります。

通常の強磁性体では、磁壁によって磁区と呼ばれる磁化の向きが異なる領域に分かれています。同様に、螺旋磁性体も特有の磁壁構造を持ち、この磁壁はトポロジカルチャージと呼ばれる特性によって特徴付けられます。

螺旋磁性体が多く見られる物質構造として、FeSi型結晶構造（Strukturbericht分類B20）をはじめとするキラル立方構造が挙げられます。これらの物質では、強磁性交換相互作用とジャロシンスキー・守谷相互作用が協調的に作用することで、比較的長周期の螺旋構造が形成されます。この結晶構造は、常磁性状態においても点対称性を持たないため、螺旋磁性への相転移によって点対称性が破れることはありません。そのため、螺旋の向きは結晶構造によって決定されるという特徴があります。

一方、磁気フラストレーションを持つ磁性体や、RKKY相互作用（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida interaction）に基づいた磁気秩序を示す物質も、螺旋磁性を示すことがあります。MnP（B31）型化合物のように、点対称性を持つ結晶構造においても、左巻きと右巻きの螺旋が共存する二重螺旋磁性を示す臭化ニッケル(II)などがその例です。このような遍歴電子型（itinerant）の螺旋磁性体では、電流を流したり外部磁場を印加することによって、螺旋のヘリシティ（巻き方向）を制御できる可能性が示唆されています。

螺旋磁性の研究は、基礎物理学的な観点だけでなく、新たな磁気デバイス開発への応用という観点からも注目を集めています。今後、さらなる研究によって、螺旋磁性の多様な性質やその制御方法が解明され、新たな技術革新につながることが期待されます。

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