材料化学

磁性・強誘電体材料

磁気秩序と強誘電分極を結晶対称性、ドメイン、結合、機能デバイスに結び付けます。

直観二つの秩序

磁性体は微視的モーメントの向きを、強誘電体は電気双極子の向きを保てます。どちらもドメインを形成します。マルチフェロイクスでは磁気秩序と電気秩序が共存し相互作用するため、一方で他方を制御できる可能性があります。

逆向きの強秩序ドメインと、外場によるドメイン壁移動・秩序反転を可視化します。

定義: 強誘電性

定義: 磁気電気結合

強磁性秩序ではモーメントが揃い、反強磁性秩序では交互に向くため正味のモーメントが相殺されることがあります。強誘電ドメインは分極方向が異なり、境界が反転や損失を左右します。

P_i=\frac{1}{V}\sum_s q_s r_{s,i},\qquad M_i=\frac{1}{V}\sum_s m_{s,i}

例

解答

P = p/V = 2.0 × 10⁻²⁸ / 5.0 × 10⁻²⁸ = 0.40 C m⁻²です。

自発分極には極性構造が必要であり、反転可能性が強誘電体を単なる極性誘電体から区別します。磁気秩序には交換相互作用が必要で、熱乱雑化と競合します。対称性は許される結合を制限し、線形磁気電気応答は多くの磁気点群で禁制ですが、すべてではありません。

秩序	秩序変数	典型的な場
強誘電	分極 P	電場 E
磁気	磁化 M／交替秩序	磁場 H

ペロブスカイト強誘電体では陽イオンの中心ずれや格子歪みが双極子を生み、磁性酸化物では酸素を介した超交換がスピン秩序を決めることが多いです。スピン軌道相互作用や非共線スピン構造は分極と磁気秩序を結び付けますが、強い結合だけで室温動作や容易な反転が保証されるわけではありません。

Multiferroic and magnetoelectric materials · W. Eerenstein, N. D. Mathur, J. F. Scott, 2006
The evolution of multiferroics · M. Fiebig, T. Lottermoser, D. Meier, M. Trassin, 2016
Electric-field control of local ferromagnetism using a magnetoelectric multiferroic · Y.-H. Chu, L. W. Martin, M. B. Holcomb, M. Gajek, S.-J. Han, Q. He, N. Balke, C.-H. Yang, D. Lee, W. Hu, Q. Zhan, P.-L. Yang, A. Fraile-Rodríguez, A. Scholl, S. X. Wang, R. Ramesh, 2008