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質（※1）の代表例であるマンガン酸化物YMn2O5において、2つの量子ビーム（放射光X線とミュオン）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極（※2）を観測することに成功
- マルチフェロイック物質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
- 物質中のミクロな現象を調べるためには、異なる種類の量子ビーム（マルチプローブ）の協奏的利用が極めて有効
【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東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質YMn2O5において、強誘電性のミクロな発生機構を放射光X線とミュオンの協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達と共に強誘電性が現れることが知られています。本研究では、放射光による共鳴X線散乱（RXS）（※4）とミュオンスピン回転（µSR）（※5）を用いてYMn2O5中の酸素イオンのスピン偏極を詳細に調べ、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質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、スピン偏極の観測には、磁化測定や中性子散乱などの手法がよく使われます。しかし、酸素のような陰イオンで生じるスピン偏極は、大きさと密度が小さいために上記の手法では観測が困難です。本研究では酸素を狙い撃ちできるRXSとµSRを協奏的に組み合わせることで、その空間配置を定量的に評価することに成功しました。これまで観測が困難であった物質中のミクロな現象を捉える上で、マルチプローブ利用が極めて有効であることも同時に示されました。
本研究の成果は米国現地時間の6月29日、学術誌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：YMn2O5の、らせん配列するマンガンイオンスピン、理論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極の模式図
【用語解説】
※1．マルチフェロイック物質
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質と呼び、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極
通常、酸素イオンは反平行のスピンを持つ電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電子が移動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質では、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．共鳴X線散乱（RXS）
ある元素のX線吸収端にX線のエネルギーを合わせて、散乱実験を行う手法。X線が物質に入射されると、特定元素の電子に関わる共鳴現象を引き起こす。これにより、電子のもつ電荷、スピン、軌道等の秩序状態を元素選択的に観測が可能になる。
※5．ミュオンスピン回転法（µSR）
物質を構成する原子の隙間に注入したミュオン（ミュー粒子）を用い、そのスピン偏極度の時間変化からミュオンが感じる内部磁場の大きさやそのゆらぎを精密に観測する実験手法。注入・停止したミュオンの周り0.5ナノメートル程度の範囲の局所的な情報に加え、擬水素としてのミュオン自身の電子状態についての情報も与える。放射光・中性子を用いて得られる物質内の長距離にわたる情報とは相補的な関係にある。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学大学院理学研究科
助教 石井 祐太
TEL：022-795-5600
Mail：yuta.ishii.c2*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
東北大学多元物質科学研究所
教授 木村 宏之
TEL：022-217-5352
Mail：hiroyuki.kimura.b5*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
広報情報室（伊藤）
TEL：022-217-5198
Mail：press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）