大阪大学大学院基礎工学研究科の木村剛教授、青山拓也(博士後期課程3年・日本学術振興会特別研究員)、清水克哉教授、同大産業科学研究所の山内邦彦助教らの共同研究チームは、近年、注目を集めている「磁気秩序」と「強誘電秩序」の性質を併せ持つ「マルチフェロイック物質」 が、高い圧力を加えることで磁気起源の強誘電の性能が大幅に向上することを発見しました。従来、こうした物質では、通常の強誘電性を有した物質に比べ、その性能は小さいと考えられていましたが、定説を覆す発見となります。今後は、マルチフェロイック物質を用いた新たな電気・磁気・光学材料や新しい原理のデバイスなどの開発につながることが期待されます。

世の中の物質には様々な性質（物性）がある

世の中には金属・プラスチック、セラミックスなど様々な物質がありますが、各々、電気を通す「導電性」、電気を蓄える「誘電性」、さらには磁気を帯びる「磁性」などの特徴的な性質（物性）を持ちます。電子メモリなど、私たちが普段用いる様々なデバイスは、こうした物質がもつ誘電性や磁性などの特徴を活かして作られています。

マルチフェロイック物質の登場

近年、ひとつの物質の中で「磁気秩序」と「強誘電秩序」が共存する物質が、「マルチフェロイック物質」 と総称され注目を集めています。この物質は、磁場による強誘電性 の制御や電場による磁性の制御など通常とは異なる物性制御が実現可能であることから、磁気電気変換素子といった新規のデバイス構築が期待され、その研究はここ10年の間に急速な進展を見せています。

マルチフェロイック物質の中でも、磁気秩序に起因して強誘電性が発現するような物質においては、両者の強い相互作用によりしばしば巨大な電気磁気効果 （磁場による強誘電分極の劇的な変化）が観測されます。この典型的な物質例が、テルビウム、マンガン、酸素からなるペロブスカイト型酸化物TbMnO ₃ であり、同物質における磁気秩序に伴う強誘電性および巨大な電気磁気効果が2003年に木村剛教授らの研究グループによって発見されています。

これらの物質は、チタン酸バリウム(BaTiO ₃ )などの従来からよく知られた強誘電物質においては実現不可能な磁場による強誘電性制御が可能となります。TbMnO ₃ の性質（磁気秩序起因の強誘電性）の発見をきっかけに、ここ10年ほどの間に磁気秩序に起因した強誘電性に関する精力的な研究がなされ、様々なマルチフェロイック物質が見つかってきました。

しかしながら多くの磁気起因のマルチフェロイック物質では、電気磁気効果の動作温度が室温よりもはるかに低く、さらに強誘電性能の指標の一つである強誘電分極の大きさが、従来型の強誘電物質のそれよりも数桁以上小さいといった問題がありました。

マルチフェロイック物質の弱点克服への挑戦

前者の動作温度の問題に関しては、2010年に木村剛教授らの研究グループが、ストロンチウム、コバルト、鉄及び酸素からなるフェライト磁石と類似の材料を用いることにより、「室温」における動作に成功していますが、後者の強誘電分極の大きさについては、上述のTbMnO ₃ においては0.07μC/cm ² 、これ以外の磁気秩序起因のマルチフェロイック物質における最高値でも2013年にガドリニウム、マンガン、酸素からなる酸化物において報告されている0.36μC/cm ² が最高でした。これらの値は従来から知られる強誘電体の典型物質であるチタン酸バリウム(BaTiO ₃ )における20μC/cm ² に比べてはるかに小さくこれらの典型物質に代替するレベルにはありませんでした。

共同研究グループは、ダイヤモンドアンビルセルを用いて、これまでほとんど研究例のなかった10万気圧という高圧力下でマルチフェロイック物質の強誘電特性を調べることができる測定システムを開発し、高圧力下において上述の磁気起因のマルチフェロイック物質であるTbMnO ₃ の強誘電特性の詳細を調べました。その結果、常圧では、0.07μC/cm ² であったTbMnO ₃ における強誘電分極の大きさが、40万気圧を越える高圧下において、常圧での値よりも一桁以上大きな値(1μC/cm ² )に増幅されることが明らかになりました。さらに、この増幅された磁気秩序誘起の強誘電分極は磁場を印加することでさらに増幅し、ほぼ倍増の2μC/cm ² というこれまで報告されていた磁気起因強誘電分極の最高値を1桁程度凌駕する巨大な値を示すことを発見しました。また共同研究グループは、第一原理計算の手法を用いて、観測された強誘電分極の増幅が圧力印加による結晶構造変化によって引き起こされる磁気構造相転移に起因するものであることを明らかにしました。

今回の成果によって、従来型の強誘電物質の性能に大きく近づく性能を持つ磁気秩序に起因するマルチフェロイック物質が実現し、またその強誘電分極が磁場によって制御できることが示されました。現状では、まだ高圧力下および室温よりも低温でしかその動作は実現していないため、磁場による強誘電性制御や電場による磁性制御に関する実用化に向けての克服すべき問題は多く残されています。しかしながら、従来型の強誘電物質における強誘電分極に比べるとはるかに小さいことが常識化しつつあった磁気秩序起因の強誘電分極を、圧力によって大きく増幅させるといった結果は、マルチフェロイック特性の磁場、電場による制御のみならず圧力制御といった新たな制御の方向性も示す結果ではないかと考えられます。この成果により、新しい動作原理に基づくデジタル情報記憶用メモリ素子や各種電子デバイス等の研究・開発に繋がるものと期待されます。

本研究成果は英国の科学誌Nature Communications（平成26年9月12日10時（英国時間）に解禁）に掲載されます。

Giant spin-driven ferroelectric polarization in TbMnO ₃ under high pressure
（日本語名：高圧下におけるTbMnO ₃ の巨大スピン誘起強誘電分極）

図1　TbMnO ₃ の常圧下（上）および高圧下（下）における磁気構造の概略図。
上・下図は各々、結晶軸のc軸およびa軸に沿って見たときの構造図を示している。ピンク色の矢印は、Mn（マンガン）のスピンを示し、赤い矢印は磁気起因の強誘電分極の向きを表している。

図2　開発した高圧下強誘電特性測定セル。ダイヤモンドアンビルセル中の試料の配置図とその写真。

図3　圧力印加によって強誘電分極が大きく増幅されたことを示すTbMnO ₃ の電気分極-印加電圧曲線。
8T(テスラ)の磁場の印加によって、強誘電分極がさらに増幅。