記者発表

電場で誘起される旋光性を用いて結晶に内在する「時計回り、反時計回り」構造の空間分布を可視化

投稿日：2020/09/11

記者発表

発表のポイント

◆結晶に内在する「時計回り、反時計回り」構造の共存状態（強軸性ドメイン）を可視化

◆強軸性ドメインを光学的に観測する手法を確立

◆強軸性物質を用いた新規な光学素子などの開発に期待

発表概要

東京大学大学院新領域創成科学研究科、同大学院工学系研究科、東北大学多元物質科学研究所、同学際科学フロンティア研究所、株式会社村田製作所の共同研究グループは、結晶に内在する「時計回り、反時計回り」構造の共存状態（強軸性ドメイン）を可視化することに成功しました。

結晶構造に内在する原子配置の回転歪みで特徴づけられる秩序を持つ物質は「強軸性」（注１）物質と呼ばれ、左右２つの回転状態を識別・制御することで強磁性体（注２）や強誘電体（注３）などのようにメモリや光学素子といった応用への可能性が期待できます。しかしながら、強軸性物質においては、強磁性体や強誘電体などに共通して現れるドメイン（注４）の観測はこれまで報告がありませんでした。

本研究では、電場変調イメージング技術（注５）を応用した光学的手法および走査型透過電子顕微鏡（STEM、注６）と収束電子回折（CBED、注７）を組み合わせた手法によって、強軸性ドメインを可視化することに初めて成功しました。強軸性ドメイン観測を可能とする測定手法が確立されたことにより、新たな物性としての強軸性に関する研究が加速し、さらには強軸性物質を用いた新規な光学素子などの開発につながることが期待されます。

発表内容

研究の背景

強磁性、強誘電性に代表される強的（ferroic）秩序物性は、長年にわたり盛んに研究が行われ、メモリや光学素子を始めとして様々なデバイスに応用されています。近年、これら既存の強的秩序物性に加わる新たな秩序物性として、「強軸性（ferroaxial）」と呼ばれる秩序物性が提案されています。この秩序状態は結晶内の原子配置の回転歪みによって特徴付けられるものであり、その秩序変数の符号は回転の向き（時計回り、反時計回り）によって決定されます（図１結晶構造図を参照）。強軸性秩序は、強誘電性と強磁性の両方の性質を併せ持つマルチフェロイック物質（注８）における電気磁気結合現象などの様々な現象と深く関連することが議論されており、その性質を解き明かすことは新たな多機能物質の開拓につながるものと期待されます。しかしながら、強軸性秩序を有する物質や、また、それを調べるために有効な測定手法は限られており、その研究はこれまであまり注目されてきませんでした。強磁性体や強誘電体など強的秩序物質においては磁化や分極といった秩序変数の不均一空間構造（ドメイン構造）が現れ、その外場応答の詳細を知ることはこれら物質の巨視的な物性・機能を理解・開拓するうえで重要です。一方、強軸性ドメイン状態、すなわち時計回りと反時計回りの回転構造の空間分布はこれまでのところ直接的に観測されたことはありませんでした。

研究内容

　本共同研究グループは、強軸性秩序が発現する物質としてニッケルとチタンを含む酸化物NiTiO₃に着目しました。同物質においては、図１の結晶構造図に示すように酸素原子位置が遷移金属原子の位置に対して時計回りまたは反時計回りに回転した２つの構造が共存すること、すなわち強軸性ドメインの発現が予想されます。そこで同物質の単結晶試料を作製し、電場印加によって旋光性（注９）が誘起される「電気旋光効果（electrogyration）」という現象を用いた光学的な手法を用いて、強軸性ドメインの空間分布の可視化を試みました。結晶対称性の要請から、符号の異なる強軸性ドメイン間では電場で誘起された旋光角が互いに逆向きになることが予想されます。このことを利用することにより、試料全体に電場を印加したときに誘起される旋光角の空間分布を調べることで、強軸性ドメインを可視化することが可能となります。

同手法による観測結果を図２に示します。赤と青のコントラストが強軸性ドメイン構造に対応するものとなっています。NiTiO₃で観測される電場誘起の旋光角は10^-5°/V程度と微小であったため、微小な透過率変化の空間分布を高感度に検出することを可能とする電場変調イメージング技術を応用することにより強軸性ドメインの観測を実現しました。この手法では空間分解能はμmスケールですが、偏光顕微鏡を使った簡単な測定原理に基づいて、結晶中の広い領域におけるドメイン構造を可視化することができます。

さらに、上記の結果を補完する測定として、走査型透過電子顕微鏡（STEM）と収束電子回折（CBED）を組み合わせた手法により３次元的な原子配列を直接調べることで、より高い空間分解能での強軸性ドメインの観測を試みました。この手法により得られた強軸性ドメインの空間分布を図３に示します。図３上図は通常のSTEM像で、強軸性ドメインのコントラストは観察できません。図３下図に数十ナノメートルスケールの領域のSTEM-CBED像を示しますが、白と黒の領域がそれぞれ時計回り、反時計回りドメインに対応しており、ピコメートルスケールの回転構造の歪みをナノメートルスケールの空間分解能で強軸性ドメインを観察することに成功しました。

本研究によって、これら２つの相補的な測定手法が従来報告されたことのない強軸性秩序とそのドメイン構造を観測するための強力な測定ツールになりうることが実証されました。

今後の展望

本研究により、電気旋光効果を用いた光学的手法が強軸性秩序の観測、さらにはそのドメイン構造を可視化する有効な手段となり得ることが明らかとなりました。本研究は、偏光顕微鏡を使った比較的簡便な測定原理に基づいて強軸性ドメインの空間分布を可視化した初めての例であり、本研究を契機として「強軸性（ferroaxial）」と呼ばれる新しいタイプの強的秩序物性・機能の研究がさらに盛んになることが予想されます。今後、強軸性秩序の秩序変数の制御を可能とする外場を明らかにし、その制御を実証することで、強磁性や強誘電性など従来の強的秩序物性と同様に、強軸性秩序が新規なメモリや光学素子などといった応用への展開が期待されます。

なお本研究は、科学研究費補助金新学術領域研究「量子液晶の物性科学」（JP19H05823）、科学研究費補助（JP17H01143, JP19H05823, JP18H03674, JP18K18931, JP19K14623, JP19H01847）、文部科学省科学技術人材育成費補助金（卓越研究員事業）、JST戦略的創造研究推進事業 CREST（JPMJCR18J2）の助成のもと行われました。