反強誘電-強誘電フラストレーションがもたらすリラクサー強誘電体の巨大応答機構

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03502
• Research Institution: 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発
• Principal Investigator: 松浦 直人 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 副主任研究員 (30376652)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: リラクサー強誘電体 / レーザークエンチ

Outline of Annual Research Achievements

巨大な誘電・圧電応答が観測されているリラクサー誘電体のMorphotropic Phase Boundary(MPB;菱面体晶-正方晶組成境界)が,潜在的に反強誘電-強誘電相境界でもあることが系統的な微視的実験により明らかになってきた．本研究では,“相転移を回避する急速な冷却”を用いて，相転移より高温側の巨大応答状態を凍結し,不均一な系における反強誘電-強誘電競合状態の解明を目指している．
2018年度は急速な冷却を行うためのレーザー加熱システムの第1段階の構築を行ったが、急冷に必要な高温相までの加熱が出来なかった．2019年度はレーザー高出力化、白金粉末の塗布によるレーザーの熱吸収効率の向上、試料の温度制御を工夫することにより、高温相から室温へと急冷することに成功し、輝度の高い放射光X線が得られるSPring8にて実験を行った．2019年度のSPring8でのX線回折実験では，リラクサー強誘電体(1-x)PMN-xPT MPB近傍組成（x=0.3~0.4）単結晶試料を用い、レーザーで650Kまで昇温後、急冷(~100K/sec)した試料を測定した結果，菱面体晶相（30%PT）の(330)反射の分裂が狭くなる方向に変化した．一方、正方晶相（x=37%PT）の(400)反射の分裂幅は急冷によって変化せず，結晶性が悪くなる傾向が見られた．この事は菱面体晶相は急冷により抑制される一方，正方晶相の安定性は急冷によっても変化しない事を示しており，MPBを境にして急冷による効果に明瞭な違いがあることが見出された．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2019年度は、2018年度よりもレーザー出力を100倍向上させ，650Kから室温までのレーザー急冷することにで、冷却速度によりリラクサー強誘電体の巨視的な相を制御できることを示した．しかし、2019年度の課題では，急冷速度が相転移速度を上回ることが出来ず、熱平衡状態で実現する秩序相を完全に回避することは出来なかった．

Strategy for Future Research Activity

2020年度では出力25Wの高出力レーザーを導入して更にレーザー出力を10倍向上させる．また、赤外領域のレーザーを用いることにより試料部でのレーザー光吸収効率を向上させる． これらの改良により，2019年度に購入したレーザーでは不可能であった650Kから窒素温度(77K)への急冷を行うことが可能になり，冷却速度が1桁以上速い急冷を実現させる．更なる急冷速度を向上により，熱平衡状態で実現する秩序相を完全に抑制し，リラクサー強誘電体における反強誘電-強誘電競合状態を解明することを目指す．

Causes of Carryover

SPring8でのレーザークエンチ実験を行うためのレーザーや光学機器を購入したが、予定よりも低い金額で購入出来た。生じた次年度使用額は、次年度の光学機器の改良に用いる。