2019 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of the space inversion symmetry breaking and anomalous physical properties in the asymmetry super lattices of oxides
Publicly Offered Research
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
19H04535
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
田畑 仁 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00263319)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 傾斜歪構造 / スピン / 双極子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
・非対称人工格子による空間反転対称性の破れと特異物性の創出
希土類ガーネット（R3Fe5O12）はIa3dの点群に属する立方晶である。高い中心対称性の為に光学的にも電気的にも等方的であり、誘電特性も等方的な常誘電性を示す。電気双極子の秩序配列がないためにスピン-フォノン相関が小さく、双極子-スピンハイブリッドやフォトン-スピンハイブリッドにおける交差相関はほとんど期待できない。大きなハイブリッド相関を実現するためには、双極子の強結合状態である強誘電性発現、すなわちフォノンソフト化の実現が鍵である。ソフトモードフォノンは強く非調和的な低エネルギー光学フォノンで、相転移温度に向かって振動数を減少（ソフト化）させ、最終的に凍結することで強誘電性相転移を引き起こす。薄膜-基板界面の格子不整合の中でも、特に極薄膜領域における傾斜格子歪（空間反転対称性の破れ）の効果を利用することで強誘電性を誘起し、交差相関性の増大化を検討した。
具体的には、スピンと双極子が共存する物質系としてガーネット型酸化鉄（R3Fe5O12）を対象とし、イオン半径の異なる希土類Rを系統的に変化（Lu-Dy）させると共に、単結晶として入手可能な３種のガーネット結晶（Gd3Ga5O12:GGG、Substituted-GGG：SGGG、Y3All5O12:YAG）と組み合わせることで、空間反転対称性の人為制御および0-4%の格子不整合による格子歪導入を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画に沿って、研究、実験を進めており、順調に進展していると考えられるため。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 非対称人工格子による傾角スピン制御によるエレクトロマグノン誘起
傾角スピン制御による歪勾配誘起のスピン・フォノン結合型マグノン（エレクトロマグノン）発現に挑戦する。鉄ガーネットR3Fe5O12において、イオン半径の異なる3種類の鉄ガーネットを利用して、A層：Ho3Fe5O12(ミスマッチ0%)、B層：Sm3Fe5O12(+1%)、C層：La3Fe5O12(+2%)を逐次積層した人工格子：A-B-C-A-B-C・・と積層した三色結晶-非対称人工格子を作製し、空間反転対称性を人工的に破る。また、A-B-C-C-B-C・・と、構成元素が共通で空間反転対称性を保持した対称人工格子との比較も行う。非対称結晶構造によって、面直方向に撓電性自発分極が形成される。この時空間的にイオン間距離は中心対称的でなくなり、4面体・8面体サイト間に形成されている超交換相互作用による反強磁性的結合は、傾角を持つことになる。このような磁気誘電カップリングに由来する歪誘起スピン傾角構造：Spin Flexoelecrticityが期待される。
(2)局所的元素置換による３次元的特異構造制御と新規物性創出
人工格子おける2次系制御に加えて、3次元系制御を目指して部分的元素置換による局所格子歪制御とそれによるフォノン物性制御を目指す。イオン結合性が強く、異元素置換の許容度の大きな機能性酸化物においては、非平衡結晶成長により局所的に大きな格子歪を印加されることが期待できる。様々なイオン半径および電荷イオンを組み合わせることで、フォノンがソフト化し、格子不安定性を誘起することで特異物性創出（スピングラス等の揺らぎ物性発現）が期待できる 。極性をもつ点群の4mmやmm2といった点群を設計することが可能であり、磁化によって発生する分極成分や、点欠陥を中心とした分極成分も期待できる。また格子歪によってΓ点以外の禁制フォノンが発生することも期待できる。
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[Journal Article] Hybridization between the ligand p band and Fe-3d orbitals in the p-type ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb2020
Author(s)
T. Takeda, M. Suzuki, L. Anh, N.T. Tu, T. Schmitt, S. Yoshida, M. Sakano, K. Ishizaka, Y. Takeda, S. Fijimori, M. Seki, H. Tabata, A. Fujimori, V.N. Strocov, M. Tanaka, M. Kobayashi
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 101
Pages: 155142(1-7)
DOI
Peer Reviewed
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