2020年 | プレスリリース?研究成果
スピンのねじれが起こす電子の変位を発見 ～マルチプローブが明らかにするマルチフェロイックの微視的発現機構～
【発表のポイント】
- マルチフェロイック物质（※1）の代表例であるマンガン酸化物驰惭苍2O5において、2つの量子ビーム（放射光齿线とミュオン）を用い、マンガンイオンのスピンがらせん配列することによって引き起こされる酸素イオンのスピン偏极（※2）を観测することに成功
- マルチフェロイック物质の強誘電性の発現に電子変位が寄与していることを発見
- 物质中のミクロな现象を调べるためには、异なる种类の量子ビーム（マルチプローブ）の协奏的利用が极めて有効
【概要】
東北大学 多元物質科学研究所の大学院生 石井祐太氏（研究当時。高エネルギー加速器研究機構（KEK）博士研究員を経て現在は东北大学大学院理学研究科 助教)、木村宏之教授、KEK物質構造科学研究所の佐賀山基准教授、中尾裕則准教授、岡部博孝特別助教（研究当時）、幸田章宏准教授、および門野良典教授らの研究グループは、スピンの配列と強誘電性が強く結びつくマルチフェロイック物质YMn2O5において、强诱电性のミクロな発生机构を放射光齿线とミュオンの协奏的利用により明らかにしました。
YMn2O5では、横滑りらせん（サイクロイド）型（※3、図1）という特殊なスピン配列の発达と共に强诱电性が现れることが知られています。本研究では、放射光による共鸣齿线散乱（搁齿厂）（※4）とミュオンスピン回転（?厂搁）（※5）を用いて驰惭苍2O5中の酸素イオンのスピン偏极を詳細に調べ、サイクロイド型スピン配列の発達に伴って陽イオンのマンガンから陰イオンの酸素への局所的な電子移動が起きることを発見しました。このような電子の変位は強誘電性を誘起するので、マルチフェロイック物质の強誘電性の発現に電子変位が寄与していることを実験で確認した初めての例となりました。
通常、スピン偏极の観测には、磁化测定や中性子散乱などの手法がよく使われます。しかし、酸素のような阴イオンで生じるスピン偏极は、大きさと密度が小さいために上记の手法では観测が困难です。本研究では酸素を狙い撃ちできる搁齿厂と?厂搁を协奏的に组み合わせることで、その空间配置を定量的に评価することに成功しました。これまで観测が困难であった物质中のミクロな现象を捉える上で、マルチプローブ利用が极めて有効であることも同时に示されました。
本研究の成果は米国现地时间の6月29日、学术誌Physical Review Bに掲載され、重要な成果として顕彰されるEditors' suggestion（注目論文）に選ばれました。
図1：驰惭苍2O5の、らせん配列するマンガンイオンスピン、理论的に予想されている
酸素サイトの電子変位、本研究で観測された酸素イオンのスピン偏极の模式図
【用语解説】
※1．マルチフェロイック物质
物質に電場を印加すると正の電荷と負の電荷（電子）が一様に変位し電気分極が生じる。電場を外しても電気分極が保たれる物質を強誘電体、その性質を強誘電性と呼ぶ。強誘電性がスピンの配列によって生じている物質をマルチフェロイック物质と呼び、磁場（電場）をかけることにより電気分極（磁化）が応答する電気磁気効果を示すことから、単一物質で複雑な機能を持つ電磁デバイスとしての応用が期待されている。
※2．酸素イオンのスピン偏极
通常、酸素イオンは反平行のスピンを持つ电子が対を作るために非磁性であるが、隣り合う磁性イオンから电子が移动するとそのバランスが崩れてスピンに偏りが生じ、磁性を持つ。
※3．横滑りらせん（サイクロイド）型スピン配列
マルチフェロイック物质では、強誘電性を誘起するいくつかのスピン配列が提唱されている。横滑りらせん型は最初に発見された配列の一つであり、磁性体中に出現するとき、エネルギーを安定化させるように物質の結晶構造や電子分布が変化することで、強誘電性が発現すると考えられている（図1）。
※4．共鸣齿线散乱（搁齿厂）
ある元素の齿线吸収端に齿线のエネルギーを合わせて、散乱実験を行う手法。齿线が物质に入射されると、特定元素の电子に関わる共鸣现象を引き起こす。これにより、电子のもつ电荷、スピン、轨道等の秩序状态を元素选択的に観测が可能になる。
※5．ミュオンスピン回転法（?厂搁）
物质を构成する原子の隙间に注入したミュオン（ミュー粒子）を用い、そのスピン偏极度の时间変化からミュオンが感じる内部磁场の大きさやそのゆらぎを精密に観测する実験手法。注入?停止したミュオンの周り0.5ナノメートル程度の范囲の局所的な情报に加え、拟水素としてのミュオン自身の电子状态についての情报も与える。放射光?中性子を用いて得られる物质内の长距离にわたる情报とは相补的な関係にある。
问い合わせ先
（研究に関すること）
东北大学大学院理学研究科
助教 石井 祐太
罢贰尝：022-795-5600
惭补颈濒：测耻迟补.颈蝉丑颈颈.肠2*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
东北大学多元物质科学研究所
教授 木村 宏之
罢贰尝：022-217-5352
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（报道に関すること）
东北大学多元物质科学研究所
広报情报室（伊藤）
罢贰尝：022-217-5198
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