[論文レビュー] Coexistence of Weak Ferromagnetism and Ferroelectricity in the High Pressure LiNbO3-type Phase of FeTiO3

Tamás Varga, Amit Kumar+12 more|ArXiv.org|May 20, 2009

Multiferroics and related materials被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、高圧下で合成されたFeTiO3のLiNbO3型相（FeTiO3-II）において、弱いフェロマグネティズムとフェロエレクトリシティが共存することを示している。ピエゾレスポンス力顕微鏡法、二次高調波生成、磁化測定を用いて、室温未満でフェロエレクトリシティが確認され、約120 K未塔で弱いフェロマグネティズムが観測された。これは、ジャローシュキン＝モリヤ相互作用によって駆動される多フェロ性の対称性に基づく設計と第一原理予測を裏付けるものである。

ABSTRACT

We report the magnetic and electrical characteristics of a polycrystalline specimen of FeTiO3 synthesized at high pressure that is isostructural with acentric LiNbO3 (LBO). Piezoresponse force microscopy, optical second harmonic generation, and magnetometry demonstrate that FeTiO3-II is ferroelectric at and below room temperature and weakly ferromagnetic below ~120 K. These results validate symmetry-based materials design criteria and first principles calculations of coexistence between ferroelectricity and weak ferromagnetism in a series of transition metal titanates crystallizing in the LBO structure. The high-pressure form of FeTiO3 stands out as a rare example of a ferroelectric exhibiting weak ferromagnetism generated by a Dzyaloshinskii-Moriya interaction.

研究の動機と目的

• 高圧下で非対称なLiNbO3（LBO）構造をとるFeTiO3の磁気的および電気的性質を調査すること。
• 対称性に基づく設計原理が、遷移金属チタネートにおけるフェロエレクトリシティと弱いフェロマグネティズムの共存を予測できるかどうかを検証すること。
• 第一原理計算により予測されたFeTiO3のLBO相における多フェロ性の挙動を実験的に検証すること。
• FeTiO3-IIが、極性秩序と磁気秩序の両方を示す単相多フェロ酸化物の稀な例として確立されること。

提案手法

• 多結晶FeTiO3を高圧合成することでLiNbO3型（LBO）相を安定化させること。
• ピエゾレスポンス力顕微鏡法（PFM）を用いてフェロエレクトリックドメインおよび分極のスイッチングを検出すること。
• 光学的二次高調波生成（SHG）を用いて非対称構造およびフェロエレクトリシティを確認すること。
• 磁化測定を用いて磁気的秩序を特徴づけ、弱いフェロマグネティズムを同定すること。
• 実験結果と第一原理電子構造計算の比較を行うこと。
• 観測された弱いフェロマグネティズムの起源としてのジャローシュキン＝モリヤ相互作用の分析を行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧LiNbO3型相のFeTiO3は、室温およびその未満でフェロエレクトリシティを示すか？
• RQ2 高圧FeTiO3相に弱いフェロマグネティズムが存在するか？ もしあるならば、どの温度で現れるか？
• RQ3 LiNbO3構造を有する単相遷移金属酸化物において、フェロエレクトリシティと弱いフェロマグネティズムの共存が実験的に確認できるか？
• RQ4 観測された弱いフェロマグネティズムの微視的起源は何か？
• RQ5 FeTiO3-IIの実験的挙動は、対称性に基づく設計原理および第一原理予測と整合するか？

主な発見

• FeTiO3-IIは室温およびその未満でフェロエレクトリシティを示し、ピエゾレスポンス力顕微鏡法および二次高調波生成により確認された。
• 弱いフェロマグネティズムは約120 K未塔で顕在し、磁化測定により裏付けられた。
• LiNbO3型構造を有する単相材料において、フェロエレクトリシティと弱いフェロマグネティズムの共存が実験的に検証された。
• 観測された弱いフェロマグネティズムは、結晶構造に対称性の中心がないことから生じるジャローシュキン＝モリヤ相互作用に起因するとされた。
• 結果は、対称性に基づく材料設計および遷移金属チタネートにおける多フェロ性の第一原理予測を支持するものである。
• FeTiO3-IIは、高圧下で安定化する極性秩序と磁気秩序の両方を示す、多フェロ酸化物の稀な例である。