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　磁石は紀元前から利用され、現代社会ではハードディスクなど記憶媒体として広く使われている。磁石のような磁性体は１００年近くもの間、２種類だけだと思われてきたが近年になり「第３の磁性体」の存在が指摘されている。「現代のゴールドラッシュ」さながらに物質探しが盛り上がっている。

　理科の授業で習った棒磁石に砂鉄やクリップがつくことは、紀元前から知られてきた。一つ一つの金属が磁石としての性質を持ち、その物質を磁性体と呼ぶ。代表的なものが鉄やニッケルで、物質の中では金属原子の周りをクルクル回る電子のスピンが向きをそろえて整列する。一方向にスピンの向きがそろう磁性体を、強磁性体と呼ぶ。

　強磁性体は、古くは方位磁石として使われてきたほか、モーターや電磁石といった応用に広がった。さらに、スピンの向きを変えることで「０」か「１」でデジタル情報を記憶することができるため、現代ではハードディスクのほか、電気的に読み書きを行う半導体メモリーＭＲＡＭ（エムラム）（磁気抵抗ランダムアクセスメモリー）も実現させた。

　一方で、スピンの並びはそろっているものの、向きが互い違いになる「反強磁性体」が１９３０年代に発見され、７０年のノーベル物理学賞を受賞した。スピンの向きが交互に整列しているため、互いに打ち消し合うので、磁石にくっつく性質（磁性）を持たない金属と区別がつかない。さらに、互い違いのスピンの列では「０」と「１」の記憶はできない。発見者のフランスの物理学者ルイ・ネール（１９０４～２０００）もノーベル賞の受賞講演で「理論的にはとても興味深いが、産業的な応用は不可能であろう」と話すほどで、記憶媒体には使えないと考えられてきた。

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　ところが、２０２０年代になり、強磁性体でも反強磁性体でもない「第３の磁性体」の存在が提唱された。反強磁性体と同じようにスピンの向きは互い違いでも磁性を帯びない原子を「目印」にすることで「０」と「１」の見分けがつき、記憶媒体として使えるという。

　ドイツ・マインツ大の理論研究チームが２２年の論文で「交代磁性体（Ａｌｔｅｒｍａｇｎｅｔ）」と名付けると、世界中で研究が加速。昨年も複数の研究チームが、理論的、実験的に交代磁性体の性質をもつ物質を報告した。米科学誌サイエンスは２４年の重要な科学的成果として、第３の磁性体の証明を選んだ。

　ただ、強磁性体のように、実際にデジタル情報を記憶できるのかは証明されていなかった。東京大学の関真一郎教授（４１）のグループは、第３の磁性体のうち、室温で情報の読み書きができる物質を世界で初めて発見し、昨年１２月に英科学誌ネイチャー・マテリアルズに報告した。硫化鉄は強磁性体と半導体の両方の性質を持ち、２７度という室温状態でもデジタル情報を記憶して、情報を保持できることが分かった。

　関さんは「各国の研究者が『第３の磁性体』を見つけようとしのぎを削っている。現代のゴールドラッシュと言っても過言ではない」と話す。硫化鉄は温泉からも産出されるように、自然界にありふれている物質だ。これまで反強磁性体と思われてきた物質の１割ほどは交代磁性体の可能性があるという。

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　磁石研究は日本のお家芸と呼ばれてきた。日本の磁性体研究の父と呼ばれる本多光太郎氏は１９１７年に世界初の人工磁石を開発。歌人の俵万智さんの父である俵好夫さんは、１９７０年代当時の最強磁石だったサマリウムコバルト磁石の研究で知られ、永久磁石研究を切り開いた。娘の万智さんが詠んだ〈ひところは「世界で一番強かった」父の磁石がうずくまる棚〉という一首が有名だ。現代では大同特殊鋼顧問の佐川眞人さんのネオジム磁石は世界最強と評価され、電気自動車からスマートフォンにまで使われるなど、欠かせないものになっている。

　第３の磁性体の物質探しにおいても、日本の底力がいかされている。関さんたちが硫化鉄という物質の特定に至ったのは、やみくもに探したわけではなく、理論研究のチームが「あたり」をつけ、実験のチームが証明するという両輪が働いた成果だった。

　交代磁性体が実用化されれば、何が変わるのか。従来の強磁性体による記憶媒体では、素子の周りにできる磁場がそれぞれ干渉し合うため、ある程度の間隔をとる必要があった。交代磁性体はスピンの向きは互い違いになっているので、周囲に漏れる磁場が打ち消し合い、干渉を気にする必要がなくなる。従来のメモリーより集積化でき、小型化が可能になる。応答速度が１００倍から１千倍と飛躍し、情報処理に必要な消費電力を劇的に下げるはずだと期待がかかる。

　ただ、実用化には道半ばだ。関さんたちが発見した硫化鉄は、現在の技術では１ミリ角の単結晶の状態だ。ＭＲＡＭとして実用化するには、薄い膜にして重ね合わせる必要がある。試作品を作るには企業との連携が欠かせず、関さんたちはパートナーを募っている。「各国が実用化に向けて、スタートダッシュを切っている。早ければここ２～３年のうちデバイス化が進むのでは」と道筋をつけたい考えだ。（川原千夏子）