[論文レビュー] Coupled electricity and magnetism in solids: multiferroics and beyond

D. I. Khomskiǐ|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2015

Multiferroics and related materials参考文献 61被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、多フェロ酸化物や磁気ドメイン壁、スピンテクスチャー（例：スカイミオン）といった関連現象を含め、固体における結合した電気的および磁気的性質について包括的な理論的概説を提供する。スピン駆動型フェロエレクトリシティおよび線形磁気電気結合が対称性と微視的メカニズムからどのように生じるかを説明し、特にスピン波およびトポロジカルスピンテクスチャーが電気分極を運ぶことにより、磁気を電気で制御可能であり、スピントロニクス素子における新機能が実現可能であるという主要な結果を示している。

ABSTRACT

The interplay of electricity and magnetism, one of the cornerstones of modern physics, takes a special form in solids in such phenomena as magnetoelectricity and the possibility of multiferroic behaviour. In this paper I give a short survey of the main notions of this field, paying special attention to microscopic aspects. Some related phenomena, such as electric activity of magnetic domain walls, etc., are also shortly discussed.

研究の動機と目的

• 固体における磁気電気結合および多フェロ酸化物の性質の微視的起源を基礎的に理解すること。
• ドメインウォール、ヴォルテックス、スカイミオンといった磁気的秩序およびスピンテクスチャーが、電気分極を誘起するか、それに対して応答する仕組みを明らかにすること。
• 磁気状態の電場制御の可能性を強調し、低消費電力スピントロニクス素子の実現に寄与すること。
• 理論的概念と実験的観察（例：Cr2O3における磁気電気効果、[70]で報告されたスカイミオンの電気的活性）を結びつけること。
• 多フェロ酸化物の意義を、トポロジカルスピントロニクスや量子物質といった広範な分野にまで拡大して示すこと。

提案手法

• 対称性制約と群論を用いて、許可された磁気電気結合テンソル（例：径方向ヴォルテックスに対して対称なαij、横方向効果に対して反対称なもの）を特定する。
• ランダウ＝ギンツブルグ＝デヴォンシールド理論を適用し、多フェロ酸化物におけるフェロエレクトリックおよび磁気的秩序パラメータの結合を記述する。
• 磁気的電流と電場の古典的類似を用いて、進行するスピン波（マグノン）が誘導する電気双極子モーメントを説明する。
• サイクロイド、ヴォルテックス、スカイミオンといったスピン配置を検討し、スピンのトポロジーに基づく磁気電気応答を決定する。
• 実験的実現例をレビューする。例：Cr2O3における線形磁気電気効果、[70]で観測されたスカイミオンの電気的活性。
• マクスウェル方程式と電気的および磁気的現象の双対性を結びつけ、動的スピンテクスチャーにおける発生電場を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような絶縁体において、磁気的秩序が自発的電気分極を誘起するのか？
• RQ2 多フェロ酸化物における線形磁気電気効果の微視的メカニズムは何か。また、結晶対称性にどのように依存するのか？
• RQ3 トポロジカルスピンテクスチャー（例：スカイミオンや磁気ヴォルテックス）は磁気電気応答を示す可能性があるか。その性質は何か？
• RQ4 磁性絶縁体におけるスピン波（マグノン）がどのように電気双極子モーメントを生成するのか。その物理的起源は何か？
• RQ5 磁気的分極または分極の電場誘起が、将来の低消費電力電子素子およびメモリ素子に与えるインパクトは何か？

主な発見

• 線形磁気電気効果は1960年にジャローシンスキーによって理論予測され、Cr2O3で実験的に確認され、最初に知られた磁気電気材料として確立された。
• ニッケル-ヨウ素ボラサイトや希土類マンガン酸化物といった多フェロ酸化物は、フェロエレクトリックおよび磁気的秩序を共存させ、磁場による磁気の電場制御が可能である。
• スピン駆動型フェロエレクトリシティは、タイプII多フェロ酸化物におけるスピンサイクロイドから生じる。ここではスピンスパイラルが逆転対称性を破り、ネット分極を誘起する。
• 磁気スカイミオンは、トポロジーに応じて横方向および縦方向の磁気電気応答を示す可能性があり、[70]で実験的証明がなされている。
• フェロ磁性体におけるスピン波は、波数ベクトルおよび磁化に直交する方向に、磁化および誘導電気双極子モーメントを運ぶ。これは有効な磁気的電流に起因する。
• マグノンの電気的活性は、古典的双対性によって理解できる。回転する磁気双極子（電流ループに相当）は電場を生成し、ファラデーの法則に類似した挙動を示す。