物性物理学において、交替磁性体（こうたいじせいたい、altermagnetism）は、理想結晶において持続的に存在する磁気状態の一種である。交替磁性体の磁気構造は共線的であり、結晶対称性によって磁化が補償されるため、正味の磁化はゼロとなる。同じく正味の磁化がゼロとなる通常の共線反強磁性体とは異なり、交替磁性体では電子バンドがクラマース縮退していない。その代わり、異なる磁気副格子を結び付ける固有の結晶対称性により、電子バンドはスピンに依存する形で波数ベクトルに依存する。この特徴に関連する重要な実験的観測結果が、2024年に発表された。交替磁性体はスピントロニクス分野への応用が可能であるとも考えられている。

日本語では交代磁性体と表記されることもある。「交代」は普通、人・担当・役割などが一度だけ入れ替わる場合に使われる。たとえば「選手交代」「政権交代」「当直を交代する」など。一方で「交替」は、二つ以上の状態や配置がかわるがわる現れることを表す。例えば「昼夜交替」「交替勤務」「交替して並ぶ」など。従ってaltermagnetismの和訳として交替磁性体のほうが忠実な日本語訳となっている。

結晶構造と対称性

交替磁性材料では、結晶内で隣接する磁気サイトのスピンと空間的配向が交互に変化する規則的なパターンを原子が形成する。

交替磁性体では、反対向きの磁気モーメントを持つ原子同士が、結晶の回転対称性または鏡映対称性によって結び付けられている。

磁性原子の空間的配向は、その周囲に存在する非磁性原子によって形成された構造から生じる場合がある。

交替磁性体であるテルル化マンガン（MnTe）において、互いに反対向きのスピンを持つ副格子は、スピン回転と、結晶の6回回転および半単位胞分の並進を組み合わせた操作によって互いに関係付けられている。

二酸化ルテニウム（RuO2）は、かつて交替磁性体であると主張されていたが、その後、独立した2つの研究によって完全に非磁性であることが確認された。

電子構造

交替磁性体を特徴付ける性質の一つは、特有のスピン分裂を示すバンド構造であり、これは2024年に発表された研究で初めて実験的に観測された。

交替磁性体のバンド構造では時間反転対称性が破れており、強磁性体と同様に Eks = E−ks（E はエネルギー、k は波数ベクトル、s はスピン）という関係を持つ一方、強磁性体とは異なり正味の磁化は生じない。

交替磁性体におけるスピン偏極は波数ベクトル空間内で交互に変化し、それぞれ2個、4個、または6個の特徴的なスピン縮退ノードを形成する。これらはそれぞれ d 波、g 波、i 波の秩序パラメータに対応する。

d 波交替磁性体は、d 波超伝導体に対応する磁気的な類似物とみなすことができる。

バンド構造（エネルギー–波数ベクトル図）における交替磁性体のスピン偏極は共線的であり、反転対称性を破らない。

交替磁性体のスピン分裂は波数ベクトルに対して偶関数であり、例えば (kx2−ky2)sz のように表される。

このため、交替磁性体のスピン構造は、スピン軌道相互作用によって反転対称性を持たない非磁性体または反強磁性体に生じ、反転対称性を破る非共線的なラシュバ型またはドレッセルハウス型スピンテクスチャとも異なる。

材料

半導体MnTeにおける交替磁性バンド構造の直接的な実験証拠は、2024年に初めて発表された。

このほかにも、絶縁体、半導体、金属から超伝導体に至るまで、多数の物質が交替磁性体になると予測されている。

交替磁性体は3次元材料と2次元材料の双方で予測されており、軽元素を含む材料から重元素を含む材料まで存在し、非相対論的バンド構造と相対論的バンド構造の双方で見いだされる可能性がある。

性質

交替磁性体は、強磁性体と反強磁性体の性質を組み合わせた特異な特徴を示し、その性質はどちらかといえば強磁性体に近い。

交替磁性材料の特徴の一つである異常ホール効果は、交替磁性体という概念が確立される以前から観測されていた。

ただし、この効果は非共線反強磁性体など、ほかの磁化が補償された磁性系でも生じる。

交替磁性体はさらに、通常とは異なる圧磁性や、異常なスピン流および非共線スピン流といった固有の性質を示す。これらのスピン流は結晶を回転させることで符号が反転する場合がある。

実験的観測

2024年12月、ノッティンガム大学の研究者らは、交替磁性体を初めて実験的に画像化し、その特有のスピン対称性を確認した。

研究チームは、窒素空孔中心顕微鏡法とX線磁気線二色性（XMLD）を用いることで、結晶対称性によって保護された交替磁性秩序に由来するスピン偏極電流を可視化した。この秩序では、異なる結晶副格子内でスピンが互いに反平行に配列し、巨視的な磁化を生じることなく、互いに補償されたスピン偏極が形成されていた。

これらの結果は理論的予測を裏付けるとともに、交替磁性材料が高速かつ低消費エネルギーのスピントロニクス素子に応用できる可能性を示した。

脚注