| 研究課題/領域番号 |
23K23210
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01942 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分29010:応用物性関連
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| 研究機関 | 岡山大学 |
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研究代表者 |
池田 直 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (00222894)
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| 研究分担者 |
藤井 達生 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (10222259)
沖本 洋一 東京工業大学, 理学院, 准教授 (50356705)
藤原 孝将 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 放射光科学研究センター, 研究員 (50847150)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2023年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2022年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円)
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| キーワード | 電子強誘電体 / YFe2O4 / RFE2O4 / 電荷秩序 / フラストレーション / マルチフェロイック / RFe2O4 / 電子強誘電性 / 電荷秩序相 / 逐次相転移 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は電子強誘電体の常温の存在を解明してきた。そして超高速応答、省電力分極反転、THz発生源動作，マルチフェロイック機能などの魅力的な新機能を持つことも明らかにしてきた。この新しい物性は、極めて柔らかな電気分極の超高速応答があることを解明してきた。その起源は鉄d電子間の相互作用にある。本研究は、電子強誘電体の低温の逐次相転移近傍に注目し、極性電荷秩序(強誘電)相と非極性電荷秩序相の境界領域、さらにそれに重なる磁気相転移点での、誘電応答、磁気応答、光応答解析技術を開発しながら、最終的にFeイオン間相互作用に役割を持つと示唆されるスピン揺らぎ効果の役割を、世界に先駆け総合的に解明する。
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| 研究実績の概要 |
本研究は、電子強誘電体の低温の逐次相転移近傍に注目し、極性電荷秩序(強誘電)相と非極性電荷秩序相の境界領域、さらにそれに重なる磁 気相転移点で誘電・磁気応答や電子構造を解析する。最終的にFeイオン間相互作用の光制御手法を完成し、この相境界付近での光―誘電―磁気 応答を精密に評価することで、電子強誘電体の起源であるd電子間相互作用とスピン揺らぎ効果の役割を、世界に先駆け総合的に解明する。
この理解から、常温にある電子型強誘電分極の安定な実現方法を確定する。これにより、今の材料よりも応答時間が３桁早くエネルギーロスがない強誘電体を提供するとともに、電荷秩序型電気分極が持つ様々な魅力的な特性の解明に、多くの研究者が取り組めるようにする。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
研究開始当初より、今までに増して良質なYFe2O4単結晶合成に取り組んだ。YFe2O4の複雑な低温相の存在は、粉末状結晶を用い、透過電子顕微鏡観察、メスバウアー分光解析、放射光粉末X線回折実験で見出されてきたが、バルク単結晶においては、いまだかつて低温の逐次電荷秩序の発現には成功していなかった。
今年度、結晶育成中の溶融領域における組成比をある範囲に制御すると、数cmまでの長さにおいて低温相転移を示すYFe2O4単結晶を合成できることを初めて見出した。早速これを用い、高エネルギー加速器研究機構放射光実験施設のBL08の低温X線振動写真装置を用い、バルクのYFe2O4単結晶において、磁気転移温度以下で７倍の電荷秩序が発生することを再現よく確認することに成功した。これに合わせ、二次高調波非線形光学測定（SHG）により、同じ時期転移温度以下で、極性な電荷秩序にともなうSHG信号の消失を確認することができた。さらに驚くべきことに、130K付近以下より、部分的にSHG信号が回復することも確認した。これは、常温において電子強誘電を示す３倍電荷秩序相が、240Kの磁気転移とともに消失するが、更に低温で、部分的に極性な電荷秩序相にリエントラント転移することを示している。現在この現象が見出されたばかりであり、その精査が続いていいる。またこの結晶を用い、米国オークリッジ国立研究所の原子炉中性子源を用い、スピン構造を含めた、低温相転移相の観察を行うことになっている。バルク単結晶合成に必要なパラメータを解明し、それをもちいた放射光実験でその再現実験を実施できたことは、大きな進捗となった。
また、東京大学、物質・材料研究機構、産業総合技術研究所のグループとも、共同研究体制が整備されたことや、極性な電荷秩序相が異方的なパルス電場によって成長することも見出しており、これらも本年度の重要な進捗である。
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| 今後の研究の推進方策 |
この結晶を用い、米国オークリッジ国立研究所の原子炉中性子源を用い、スピン構造を含めた、低温相転移相の観察を行う。
さらにこれまで見出した、msec以下のパルス状の電場印加とそれに続く無電場時間の適切な配置により、極性な電荷秩序ドメインの体積を大きくできる、という事象の精密な理解を進める。これにより、電荷秩序によるバルク状の単ドメイン結晶（自発電気分極を持つ）を実現することで、常温にある電子型強誘電分極の安定な実現方法を確定する。これが可能になれば、今の材料よりも、応答時間が３桁早くエネルギーロスがない強誘電体を提供するとともに、電荷秩序型電気分極が持つ様々な魅力的な特性の解明に、多くの研究者が取り組めるようにする。
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