フェロイック物質の分域壁内ダイポール構造とそのダイナミクス

• Project/Area Number: 23K20818
• Project/Area Number (Other): 21H01010 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Institute of Science Tokyo (2023-2024); Chiba University (2021-2022)
• Principal Investigator: 横田 紘子 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (50608742)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2021: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
• Keywords: 分域境界 / 光第2高調波 / 強弾性体 / フェロイック / 分域壁 / 内部構造 / 非線形光学 / 反位相境界 / フェロアキシャル / ドメイン境界

Outline of Research at the Start

申請者がこれまでに開発してきた非破壊3次元可視化が可能な光第2高調波顕微鏡を用いて、(1) 分域壁がブロッホラインやバイカイラリティ構造のような分域とは異なる特異な内部構造を有しているのか、(2) 分域壁の内部構造が新規機能性をもたらすのか、を明らかにする 。これらの目的を達成するために、Δk 現象や干渉現象などを利用する。さらに構造化照明顕微法を適用することにより光の回折限界を2倍以上上回る空間分解能を実現し、分域壁の内部構造観察を行う。本研究を通じて、分域だけでは理解できなかった反強誘電性の相転移機構や巨大物性発現機構について新しい視点から知見を与える。

Outline of Annual Research Achievements

フェロイック物質において必然的に存在する分域境界に関して、光第2高調波顕微鏡を用いた研究を進めた。分域境界においては近年バルクとは異なる物性が発現することが多々報告されており、光第2高調波は非破壊で分域境界における対称性の低下を評価できることから優れた実験手法として認識されている。
分域境界において超伝導的な高い電気伝導度が観察されている酸化タングステンを用いて研究を行った結果、分域境界において高い極性を示すことがわかった。また、異なる波長を有する入射光を用いることで、分域境界およびバルク領域における光第2高調波の強度比が大きく異なることを確認した。これは極性領域のサイズと強い関係があると考えており、現在共鳴圧電スペクトロスコピーの結果などと合わせて論文投稿準備中である。
また、特殊な光学素子を用いることで分極の3次元空間可視化を行うことができるのではないかと考え、必要な数値趣味レーションを行うなどその準備を開始した。特に、高いNAを有する対物レンズを用いた場合に、光の伝搬方向に対して偏光成分を有する光がどの程度有効に取り出すことができるのかなどについて検討を行った。
また、フェロアキシャル物質についても分域境界の観察を行うなど研究を進めた。チェレンコフ光の寄与を取り除くことができる幅の金属マスクを作成し、これを用いることで分域境界における光第2高調波強度が極性由来であるのかどうかを識別する実験を開始した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Cambridge University(英国)
• [Int'l Joint Research] ICREA(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Xi'an Jiotong University(中国)
• [Int'l Joint Research] Oxford University/Cambridge University(英国)
• [Int'l Joint Research] FZU(チェコ)
• [Int'l Joint Research] Xi'an Jiotong University(中国)
• [Int'l Joint Research] Oxford University/Cambridge University(英国)
• [Journal Article] Tuning of Polar Domain Boundaries in Nonpolar Perovskite (2023)
  • Author(s): An Zheyi、Yokota Hiroko、Kurihara Kyomaru、Hasegawa Nozomu、Marton Pavel、Glazer Anthony Michael、Uesu Yoshiaki、Ren Wei、Ye Zuo‐Guang、Pasciak Marek、Zhang Nan
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 35 Issue: 11 Pages: 2207665-2207665
  • DOI: 10.1002/adma.202207665
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phase transition hysteresis at the antiferroelectric-ferroelectric boundary in PbZr1－xTixO3 (2022)
  • Author(s): An Zheyi、Xie Shanshan、Ondrejkovic Petr、Marton Pavel、de Prado Esther、Yokota Hiroko、Ren Wei、Ye Zuo-Guang、Glazer A. M.、Pasciak Marek、Zhang Nan
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 22 Pages: 224103-224103
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.224103
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional imaging of ferroaxial domains using circularly polarized second harmonic generation microscopy (2022)
  • Author(s): Yokota Hiroko、Hayashida Takeshi、Kitahara Dan、Kimura Tsuyoshi
  • Journal Title: npj Quantum Materials Volume: 7 Issue: 1 Pages: 106-106
  • DOI: 10.1038/s41535-022-00515-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phase variation of ferroelectric Li2Sr1-xCax(Nb1-xTax)2O7 by selective reinforcement in the (Nb,Ta)-O covalent bonds (2022)
  • Author(s): Nakano Akitoshi、Shirakuni Hirokazu、Nagai Takayuki、Mochizuki Yasuhide、Oba Fumiyasu、Yokota Hiroko、Kawaguchi Shogo、Terasaki Ichiro、Taniguchi Hiroki
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 6 Issue: 4 Pages: 044412-044412
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.6.044412
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Domain boundaries in Ferroics (2023)
  • Author(s): Hiroko Yokota
  • Organizer: 第15回日中強誘電体応用会議
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The Investigations of Polar Domain Boundary in Ferroics (2023)
  • Author(s): Hiroko Yokota
  • Organizer: Beyond Imperfections : New Structure-Property Relationships in Ceramics and Glasses
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Visualization of Ferroaxial Domains Using Circularly Polarized Second Harmonic Generation Microscopy (2023)
  • Author(s): Hiroko Yokota, Takeshi Hayashida, Dan Kitahara, Tsuyoshi Kimura
  • Organizer: ISAF-ISIF-PFM joint conference 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸化タングステンにおけるドメイン境界のダイナミクス (2023)
  • Author(s): 横田 紘子, 北原 暖，Jack Eckstein，Gustau Catalan，Ekahard Salje
  • Organizer: 日本物理学会 2023年年次大会
• [Presentation] 円偏光光第2高調波によるferroaxialドメインの可視化 (2023)
  • Author(s): 横田紘子，林田健志，北原暖，木村剛
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 円偏光光第2高調波顕微システムによるferroaxialドメインの可視化 (2023)
  • Author(s): 横田紘子，林田健志，北原暖，木村剛
  • Organizer: 第16回「強的秩序とその操作に関わる研究会」
• [Presentation] Polar antiphase boundaries in PbZr1-xTixO3 (2022)
  • Author(s): Hiroko Yokota
  • Organizer: 2022 US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Understanding the polar nature of antiphase boundaries (2022)
  • Author(s): Hiroko Yokota, Zheyi An, Kyomaru Kurihara, Nozomu Hasegawa, Nan Zhang, Marek Pasciak, A. M. Glazer
  • Organizer: EMRS Fall meeting 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The observations of polar domain boundaries in ferroics (2022)
  • Author(s): Hiroko Yokota, Kyomaru Kurihara, Nozomu Hasegawa
  • Organizer: ISAF 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 圧電固溶体PbZr1-xTixO3の反強誘電・強誘電相転移近傍における履歴現象 (2022)
  • Author(s): 横田紘子，Z. An，S. Xie，P. Ondrejkovic，P. Marton，E. Prado，W.Ren，Z-G. Ye，M.Glazer，M.Pasciak，N. Zhang
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 反強誘電体PbZr1-xTixO3における反位相境界の内部構造 (2022)
  • Author(s): 横田紘子，栗原京丸，Zheyi An，Nan Zhang，Marek Pasciak，Mike Glazer
  • Organizer: 第39回強誘電体応用会議
• [Presentation] 反位相境界における極性の応力印加効果 (2022)
  • Author(s): 横田紘子，栗原京丸，Zheyi An，Nan Zhang，Guanjie Zhang，Marek Pasciak, Mike Glazer
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] Understanding the origin of electro mechanical coupling in PbZr1-xTixO3 (2021)
  • Author(s): Hiroko Yokota
  • Organizer: THERMEC’ 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] フェロイック物質のナノヘテロ構造とその境界が発現する新しい機能 (2021)
  • Author(s): 横田 紘子
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] 反位相境界における相転移現象 (2021)
  • Author(s): 横田紘子，長谷川望夢，Zheyi An，Nan Zhang，Marek Pasciak，Mile Glazer
  • Organizer: 第38回強誘電体応用会議
  • Int'l Joint Research