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ナノ強誘電(圧電)材料は、外場（力場・電場）と相互に作用する物性(圧電性やP-Eヒステリシス応答)を有しており、電気機械・エネルギー・情報技術を支える基幹となっている。このような優れた性質は、材料内部に直線的な強誘電分極によって構成されたドメインを内包することに起因する。近年では、従来の直線的な分極とは全く異なる多重渦状などのトポロジカルな強誘電分極が多孔質構造を有するメタマテリアル中に発現することが明らかにされつつある。本研究では、多孔質メタマテリアルに発現するトポロジカル強誘電分極と発現機構を解明することを目的とする。
当該年度はトポロジカルな分極秩序の発現機構を解明するため、構造体内の応力場ならびに静電場を評価する機能をプログラムに実装した。これを用いて負荷受けるメタ構造内部の応力分布・静電ポテンシャル分布の解析・抽出を行った。その結果、ナノ構造に起因する急峻な応力集中場がFlexoelectric効果を介して分極に作用し、分極Skyrmionといったトポロジカルな秩序を生み出すことを明らかにした。こうした構造-力学-機能相関を考慮し、物理的・力学的な合理性に基づく定式化を実施することで、本現象に関する数理モデルを構築した。力学場を積極的に利用して機能を創り出すことを検討し、前述の数理モデルを用いてナノ構造体に対する押し込み負荷シミュレーションを行った。負荷の大きさや負荷の軌跡によって、分極Skyrmionだけでなく、Skyrmioniumといった異なるトポロジカル秩序を生み出せることを示した。また、圧子による電場印加によってこうした秩序を元の分極組織に書き戻せることも示した。すなわち、分極トポロジカル秩序を力学的に描き、電気的に消去するといった新たな機能設計指針を示した。
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