[論文レビュー] Royal Society Inaugural Article Perspective: Multiferroics Beyond Electric-Field Control of Magnetism

Nicola A. Spaldin|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2019

Multiferroics and related materials参考文献 95被引用数 25

ひとこと要約

この視覚的論文は、多フェロイック物質が磁気の電場制御という当初の約束をはるかに超えて、光触媒、医療応用、宇宙論、および基礎物理学における変容的潜在能力を有することを提唱する。鉄電気と磁気の特異な共存を活用することで、本論文は、導電性ドメイン壁、量子臨界性、磁気電気多極子といった出現現象を強調し、新しいデバイス構造を可能にするとともに、対称性の破れおよびトポロジカル状態の理解を深める。

ABSTRACT

Multiferroic materials, with their combined and coupled magnetism and ferroelectricity, providea playground for studying new physics and chemistry as well as a platform for development ofnovel devices and technologies. Based on my July 2017 Royal Society Inaugural Lecture, I review recent progress and propose future directions in the fundamentals and applications of multiferroics, with a focus on unanticipated developments outside of the core activity of electric-field control of magnetism.

研究の動機と目的

• 多フェロイック物質の電場による磁気制御という主な焦点を超えた、広範な科学的・技術的影響を明らかにすること。
• 多フェロイック材料が有する特異な化学的・電子的構造に起因する予期せぬ応用を特定・分析すること。
• 多フェロイック研究にインspiredされた、量子臨界性や磁気電気多極子といった基礎物理学の発見を強調すること。
• 多フェロイック概念を、トポロジカル絶縁体や反強磁性スピントロニクスといった新興分野と結びつけること。
• 高エネルギー物理学および材料設計への影響を拡大する将来の研究方向を提示すること。

提案手法

• 鉄電気と磁気の不相性の化学的起源を検討し、物質安定性を決定するd0と一部が満たされたd軌道の役割に焦点を当てる。
• 2次効果Jahn-Teller効果と局所的歪みの相互作用が遷移金属酸化物における鉄電気の安定化に果たす役割を分析する。
• 多フェロイック物質における極化不連続性を示す導電性ドメイン壁の実験的・理論的証拠を検討する。
• 圧力や磁場の下での多フェロイック物質における量子臨界性の出現を調査し、特にSrTiO3のような系を対象とする。
• 磁気電気多極子（例：モノポール、四極子、ドーナツ状モーメント）が、隠れた秩序相における可能性のある秩序パラメータとして果たす役割を探索する。
• 体積内磁気電気応答の形式的枠組みを用いて、多フェロイック挙動とトポロジカル絶縁体との類似性を検討する。特に、量子化された対角応答を通じて。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多フェロイック物質における鉄電気的秩序と磁気的秩序の共存が、電場による磁気制御をはるかに超えた出現現象をどのように生じさせるか？
• RQ2 磁気的および鉄電気的量子臨界転移が共存する多フェロイック量子臨界性の影響は何か？
• RQ3 多フェロイック物質の特異な化学的性質が、光触媒やドラッグデリバリー分野における新たな応用をどのように可能にするか？
• RQ4 磁気電気多極子（例：ドーナツ状モーメント、磁気モノポール）が、高Tc超伝導体やその他の量子材料における隠れた秩序パラメータとしてどのように機能するか？
• RQ5 多フェロイック概念が、トポロジカル絶縁体および反強磁性スピントロニクスの物理学にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 多フェロイック物質は、極化不連続性を示す導電性ドメイン壁を示し、従来のスピントロニクス論理を越えた新しいデバイス構造を可能にする。
• 磁気的および鉄電気的量子臨界点の共存は、磁気的および誘電的感受率におけるスケーリング関係の変更をもたらし、新たな普遍性クラスの可能性を示唆する。
• d0配置（例：Ti4+、Nb5+）を有する材料は鉄電気を促進するが、未対電子を欠くため、強磁性と根本的に化学的に不相性である。
• ドーナツ状モーメントや磁気モノポールなどの磁気電気多極子は、高Tc銅酸化物の準ギャップ相を含む、隠れた秩序相における主要な秩序パラメータとして浮上している。
• 多フェロイック物質における体積内磁気電気応答の形式的枠組みは、特に量子化された対角応答を通じて、トポロジカル絶縁体の理解に新たなフレームワークを提供する。
• 多フェロイック概念は、反強磁性スピントロニクスや電子の電気双極子モーメントの探索といった、見かけ上関係のない分野にすでに影響を与え始めている。