マルチフェロイクスにおける巨大電気磁気応答の開発

• 研究課題/領域番号: 07J02085
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 生物物理・化学物理
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山崎 裕一 東京大学, 大学院・工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2007 – 2009
• 研究課題ステータス: 完了 (2009年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2009年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2008年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2007年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: マルチフェロイクス / 量子常誘電性 / 電気磁気効果 / マグネトキャパシタンス効果 / スピン軌道相互作用 / らせん磁性体 / 強誘電体

研究概要

本研究では、強誘電性と磁気秩序が同時に発現するマルチフェロイクスに着目し、電場による磁化の制御や磁場による誘電性の制御が可能となる電気磁気効果が強く発現する物質の開発、探索を目的とした。本年度は、フェリ磁性体イットリウム鉄ガーネットY3Fe5O12(YIG)において発見した磁場によって制御可能な量子常誘電性の研究を中心に行った。
YIGは電場冷却することによって1次の電気磁気効果が発現することが過去に報告されていたが、効果の発現に必要な時空間反転対称性の破れは観測されておらず、その発現機構は未解明であった。また、この電気磁気効果は印加する磁場の方位によって、効果の強度が大きく変化することが知られているが、その起源についても不明であった。
本研究では、YIGにおいて誘電緩和が存在し、その緩和強度が磁場を印加することによって増大することを発見した。さらに、その変化は磁場の方位によって大きく変化することも見出し、誘電緩和と電気磁気効果の相関を見出した。通常の誘電緩和現象は、最低温度において凍結(緩和時間が無限大)になるが、YIGで観測された誘電緩和現象は最低温度においても10ms程度の有限な緩和時間を示している。このことは、誘電緩和現象を発現させる電気双極子が最低温で量子トンネル効果によって緩和していると考えられ、YIGにおいて量子常誘電性が発現していることになる。酸素欠損などによる過剰電子がFeサイトに局在し、Feサイト間を量子トンネルすることによって量子誘電緩和が発現するモデルを考え、それにより磁場による量子常誘電性制御の振る舞いを説明することに成功した。この研究成果は、磁場の方位によって量子常誘電性の制御を示した世界で初めての例である。

研究成果

• [雑誌論文] Quantum Magnetoelectric effect in Iron Garnet (2009)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamasaki, Y.Kohara, Y.Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 80
  • 査読あり
• [雑誌論文] Novel Multiferroic State of Eu1-xYxMnO3 in High Magnetic Fields (2009)
  • 著者名/発表者名: M.Tokuanaga, Y.Yamasaki, Y.Onose, Y.Tokura
  • 雑誌名: Physical Review Letters 103 ページ: 187202-187202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lattice dynamics in the ab- and bc-spiral spin-ordered states of perovskite manganites (2009)
  • 著者名/発表者名: J.S.Lee, N.Kida, Y.Yamasaki, R.Shimano, Y.Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 80 ページ: 134409-134409
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unconventional Ferroelectric Transition in the Multiferroic Compound TbMnO3 Revealed by the Absence of an Anomaly in c-Polarized Phonon Dispersion (2009)
  • 著者名/発表者名: R.Kajimoto, H.Sagayama, K.Sasai, T.Fukuda, S.Tsutsui, T.Arima, K.Hirota, Y.Mitsui, H.Yoshizawa, A.Q.R.Baron, Y.Yamasaki, Y.Tokura
  • 雑誌名: Physical Review Letters 102 ページ: 247602-247602
  • 査読あり
• [雑誌論文] Far-infrared optical study of electromagnons and their coupling to optical phonons in Eu1-xYxMnO3(x=0.1, 0.2, 0.3, 0.4, and 0.45) (2009)
  • 著者名/発表者名: Y.Takahashi, Y.Yamasaki, N.Kida, Y.Kaneko, T.Arima, R.Shimano, Y.Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 79 ページ: 214431-214431
  • 査読あり
• [雑誌論文] Systematics of electromagnons in the spiral spin-ordered states of RMnO3 (2009)
  • 著者名/発表者名: J.S.Lee, N.Kida, S.Miyahara, Y.Takahashi, Y.Yamasaki, R.Shimano, N.Furukawa, Y.Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 79
  • 査読あり
• [雑誌論文] Erratum : Electric Control of Spin Helicity in a Magnetic Ferroelectric [Phys. Rev. Lett. 98, 147204 (2007)] (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamasaki, H. Sagayama, T. Goto, M. Matsuura, K. Hirota, T. Arima, Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review Letters 100
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cycloidal Spin Order in the a-axis Polarized Ferroelectric Phase of Orthorhombic Perovskite Manganite (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamasaki, H. Sagayama, N. Abe, T. Arima, K. Sasai, M. Matsuura, K. Hirota, D. Okuyama, Y. Noda, Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review Letters 101 ページ: 97204-97204
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrically driven spin excitation in a ferroelectric magnet DyMnO3 (2008)
  • 著者名/発表者名: N. Kida, Y. Ikebe, Y. Takahashi, J. P. He, Y. Kaneko, Y. Yamasaki, R. Shimano, T. Arima, Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 78 ページ: 104414-104414
  • 査読あり
• [雑誌論文] An infrared-active continuum band of spin excitations in multiferroic TbMnO3 (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, N. Kida, Y. Yamasaki, J. Fujioka, T. Arima, R. Shimano, Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review Letters 101 ページ: 187201-187201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric-dipole active two-magnon excitation in ab spiral spin phase of a ferroelectric magnet Gd0. 7Tb0. 3MnO3 (2008)
  • 著者名/発表者名: N. Kida, Y. Ikebe, Y. Takahashi, J. P. He, Y. Kaneko, Y. Yamasaki, R. Shimano, T. Arima, Y. Tokura
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 77 ページ: 123704-123704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlation between spin helicity and electric polarization vector in quantum-spin chain magnet LiCu202 (2008)
  • 著者名/発表者名: S.Seki, Y.Yamasaki, M.Soda, M.Matsuura, K, Hirota, and Y.Tokura
  • 雑誌名: Physical Review Letter 100 ページ: 1272011-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric Control of Spin Hehcity in a Magnetic Ferroelectric (2007)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamasaki, H.Sagayama, T.Goto, M.Matsuura, K.Hirota, T.Arima, and Y.Tokura
  • 雑誌名: Physical Review Letter 98 ページ: 1472041-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroelectric phase transitions of 3d-spin origin in Eu1-xYxMnO3 (2007)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamasaki, S.Miyasaka, T.Goto, H.Sagayama, T.Arima, and Y.Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 76 ページ: 1844181-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic field switching between the two orbital-ordered states in DyVO3 (2007)
  • 著者名/発表者名: S.Miyasaka, T.Yasue, J.Fujioka, Y.Yamasaki, Y.Okimoto, R.Kumai, T, Arima, and Y, Tokura
  • 雑誌名: Physical Review Letter 99 ページ: 2172011-4
  • 査読あり
• [学会発表] YIGにおける磁場制御可能な量子常誘電性 (2009)
  • 著者名/発表者名: 山崎裕一, 小原悠輝, 十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会
  • 発表場所: 熊本大学
  • 年月日: 2009-09-28
• [学会発表] ペロブスカイト型RMnO3の強誘電近傍における誘電緩和現象 (2009)
  • 著者名/発表者名: 山崎裕一, 十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会2009年春季大会
  • 発表場所: 立教大学
  • 年月日: 2009-03-27
• [学会発表] マルチフェロイックEu1-xYxMnO3における光の電場誘起による磁気励起の全体像 (2009)
  • 著者名/発表者名: 高橋陽太郎, 山崎裕一, 金子良夫, 貴田徳明, 有馬孝尚, 島野亮, 十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会2009年春季大会
  • 発表場所: 立教大学
  • 年月日: 2009-03-27
• [学会発表] Magnetoelectric coupling and relaxation in Yttrium Iron Garnet (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamasaki, Y. Kohara, Y. Tokura
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting
  • 発表場所: アメリカ・ピッツバーグ
  • 年月日: 2009-03-20
• [学会発表] Dielectric Relaxation at the Ferroelectric Transition in Multiferroic Perovskite Rare-earth Manganites (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamasaki, Y. Tokura
  • 学会等名: AIST-RKEN Joint Workshop, Okinawa
  • 発表場所: 沖縄 万国津梁館
  • 年月日: 2009-03-05
• [学会発表] TbMnO3における光の電場誘起による磁気励起の全貌 (2008)
  • 著者名/発表者名: 高橋陽太郎, 山崎裕一, 藤岡淳, 貴田徳明, 有馬孝尚, 島野亮, 十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会2008年秋季大会
  • 発表場所: 岩手大学
  • 年月日: 2008-09-21
• [学会発表] テラヘルツ電磁波時間領域分光法を用いた磁性強誘電体のabスパイラル相における光で誘起される磁気励起の全貌 (2008)
  • 著者名/発表者名: 貴田徳明, 山崎裕一, 島野亮, 有馬孝尚, 十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会2008年秋季大会
  • 発表場所: 岩手大学
  • 年月日: 2008-09-21
• [学会発表] YIGにおける異方的な磁気容量効果 (2008)
  • 著者名/発表者名: 小原悠輝, 山崎裕一, 十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会2008年秋季大会
  • 発表場所: 岩手大学
  • 年月日: 2008-09-20
• [学会発表] YIGにおける電気磁気緩和現象 (2008)
  • 著者名/発表者名: 山崎裕一, 小原悠輝, 十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会2008年秋季大会
  • 発表場所: 岩手大学
  • 年月日: 2008-09-20
• [学会発表] (Gd, Tb)MnO3の強誘電相における磁気構造 (2008)
  • 著者名/発表者名: 山崎裕一, 佐賀山基, 有馬孝尚, 野田幸男, 阿部伸行, 佐々井健蔵, 松浦直人, 廣田和馬, 奥山大輔, 十倉好紀
  • 学会等名: 特定領域研究「フラストレーションが創る新しい物性」第2回トピカルミーティング「フラストレーションとマルチフェロイクス」
  • 発表場所: 京都大学宇治キャンパス
  • 年月日: 2008-06-06
• [学会発表] Spiral Magnetic Order in the ferroelectric phase Gd0.7 Tb0.3MnO3 (2008)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamasaki Y.Tokura, K.Sasai, M.Matsuura, K.Hirota, D.Okuyama, H.Sagayama, N, Abe, T, Arima, Y.Noda
  • 学会等名: March Meeting, American Physical Society
  • 発表場所: アメリカニューオリンズ
  • 年月日: 2008-03-12
• [学会発表] Magnetic Ferroelectdcs in Cycloid Magnets (2007)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamasaki, T.Arirna, and Y.Tokura
  • 学会等名: COE International Symposium
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2007-09-28
• [学会発表] イットリウム鉄ガーネットY3Fe5012における磁気強誘電性 (2007)
  • 著者名/発表者名: 山崎 裕一, 小田 倫史, 十倉 好紀
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2007-09-21
• [学会発表] Ferroelectricity Induced by Non-collinear Magnetic Order in rnultiferroics TbMnO3 and CoCr2O4 (2007)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamasaki, T.Arima, and Y.Tokura
  • 学会等名: International Symposium on Advanced Magnetic Materials
  • 発表場所: 大韓民国済州島
  • 年月日: 2007-05-30
• [学会発表] Ferroelectricity Induced by Non-collinear Magnetic Structure in multiferroics TbMnO3 and CoCr2O4 (2007)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamasaki, T.Arima, and Y.Tokura
  • 学会等名: CERC symposium
  • 発表場所: 東京 秋葉原
  • 年月日: 2007-05-22
• [学会発表] Gd0.7Tb0.3MnO3の強誘電(Plla)相における磁気構造 (2007)
  • 著者名/発表者名: 山崎 裕一, 佐賀 山基, 有馬 孝向, 野田 幸男, 阿部 伸行, 佐々井 健蔵, 松浦 直人, 廣田 和馬, 奥山 大輔, 十倉 好紀
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 近畿大学
  • 年月日: 2007-03-23