東京大学と理化学研究所、鉄さびに隠れた磁気状態を電場とX線の新手法で解明

東京大学と理化学研究所は2026年10月15日、鉄さびに隠れた磁気状態を検出したと発表した。電場をかけながらX線を照射する新たな測定手法と計算を組み合わせた成果だ。

鉄さびの何が見えたのか

研究対象は、鉄さびの主成分であるヘマタイトだ。酸化鉄の一種で、和名は赤鉄鉱という。研究にはフランスのネール研究所とレンヌ大学も参加した。

研究グループが検出したのは「高次多極子状態」だ。単純なN極・S極の組では表せない、電子のスピンや軌道の複雑な分布を指す。スピンは電子の磁気に関わる性質だ。

東京大学によると、従来の測定では磁気信号が打ち消し合っていた。そのため、内部の状態を詳しく観察することが難しかったという。

かんたんに言うと、隠れた模様を浮かび上がらせる

たとえるなら、重なって見えなくなった模様を、重なり方を変えて読み取るような方法だ。今回の研究では、電場で物質の対称性を崩した。研究グループによると、これにより隠れていた磁気信号を取り出したという。

実験は大型放射光施設SPring-8で行った。電場をかけた状態で、X線がどのように吸収されるかを測定した。

観測したのは、X線の振動方向による吸収の違いが、入射方向で逆転する性質だ。研究グループは、電場がこの性質を引き起こし、応答の大きさは電場の強さに比例したとしている。

原子核ほどの小さなずれが手がかりに

測定結果を読み解くため、第一原理計算も併用した。実験値に頼らず、量子力学の基本原理から物質の性質を調べる計算だ。

研究グループによると、計算で実験結果を再現できた。さらに、電場によるイオンの位置のずれが、応答の原因と分かったという。イオンとは電気を帯びた粒子のことだ。

そのずれは数フェムトメートルで、原子核ほどの大きさだったとしている。1フェムトメートルは1兆分の1mmだ。原子核は、原子の中心にある陽子と中性子からなる部分を指す。

まとめ

今回の成果は、鉄さびの内部で打ち消し合っていた磁気信号を、電場とX線で読み取った点にある。計算を組み合わせることで、応答を生む微小な位置のずれにも迫った。

研究グループは、この手法を多様な磁性材料の隠れた性質の解明に役立てたいとしている。将来の超高速・低消費電力の電子機器や、量子材料の設計につながる可能性がある。