スピン誘導型強誘電体における一軸圧力誘起巨大電子分極の機構解明

Research Project

Project/Area Number	20K14421
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research Institution	Japan Atomic Energy Agency
Principal Investigator	玉造博夢国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究職 (20804967)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000) Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords	スピン誘導型強誘電体 / マルチフェロイクス / 一軸圧力
Outline of Research at the Start	スピン誘導型強誘電体は磁性と誘電性間の非自明な交差相関を示す機能性物質群であり、超低消費電力・高速応答の電子デバイスへの応用が期待されている。しかしながら分極値の本質的な小ささが実用上の問題点の一つである。スピン誘導型強誘電体CuFeO2では、外場として一軸圧力を用いることで、電気分極を大幅に増大することが出来る。この分極増大は、昔から知られた単なる圧電効果によるものではないことが判明しており、磁気構造と結合した新しい機構によって実現していると考えられる。本研究では、この新規分極の発現機構を解明し、実用上の問題点であった分極値の小ささを改善する新たなアプローチの確立を目的とする。
Outline of Annual Research Achievements	スピン誘導型強誘電体は、磁性と誘電性間の非自明な交差相関を示す機能性物質群であり、超低消費電力・高速応答の電子デバイスへの応用が期待されている。しかしながら、分極値の本質的な小ささが実用上の問題点の一つである。スピン誘導型強誘電体CuFeO2では、外場として一軸圧力を用いることで、電気分極を大幅に増大することが出来る。この分極増大は、昔から知られた単なる圧電効果によるものではないことが判明しており、一軸圧力によってFe-O間の共有結合性が増したことによる、磁気構造と結合した新しい機構による電子分極が新たに発現したためであると考えられる。本研究では、この新規電子分極の発現機構を解明し、実用上の問題点であった分極値の小ささを改善する新たなアプローチの確立を目的としている。研究代表者は、この目的達成のために、一軸圧力下におけるCuFeO2の結晶構造や、FeとOの電子状態を解明する必要があると考えており、一軸圧力下での放射光回折実験によってそれを達成しようとしている。 2021年度から2022年度にかけて、一軸圧力下での放射光回折実験をKEK photon factoryにて実施し、一軸圧力下におけるCuFeO2の結晶構造や、Feの電子状態について、新たな知見を得ることが出来た。2023年度は、この実験結果を元に、上記の磁気構造と結合した新しい機構による分極発現のモデル化を検討した。2024年度は、これらの成果を投稿論文としてまとめる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 当初計画では、2022年度までに、一軸圧力下での放射光回折実験を実施しつつ、この実験結果に基づいた電子状態・分極の計算を行う予定であったが、2020年度から2021年度にかけて一軸圧力印加装置の製作に予定以上の時間を要したため、本装置を使用した放射光回折実験の開始時期、及びその結果に基づいた電子状態・分極の計算が遅れた。結果として、2023年度に予定していた論文執筆も遅れた。一方、一軸圧力下での放射光回折実験は、2021年度の実験開始から予定通りに順調に進んでおり、一軸圧力下におけるCuFeO2の結晶構造と特にFeの電子状態について新たな知見を得ることに成功した。また、これらの実験結果に基づいて、2023年度には当該現象の発現機構についての考察が進んだ。順調に進展している部分もあるが、論文の執筆まで至らなかったことから、やや遅れていると判断した。
Strategy for Future Research Activity	2023年度までの研究で、対象の新規分極が磁気構造と結合していることの裏付けとして、磁場中での分極データが必須であることが判明した。最終年度である2024年度は、この磁場中での分極データを取得しつつ、これまでに得た結果と合わせて投稿論文としてまとめる。