広報活動

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2016年2月16日

理化学研究所
産業技術総合研究所
科学技術振興機構

強誘電体中の新たな量子現象を発見

-量子揺らぎで軽量化した強誘電ドメイン壁の運動を解明-

私たちの身の回りにある電子機器は多数の電子デバイスで構成されています。その材料として、導体、半導体のほかに誘電体(絶縁体)があります。誘電体に電界をかけると内部で電荷の偏りができます。この現象を誘電分極と呼びます。電界をゼロにすると普通の誘電体は元の状態に戻りますが、電界ゼロでも分極がゼロにならない特殊な誘電体があります。それが「強誘電体」です。電界がゼロの状態でも存在する電荷の偏りのことを自発分極といい、自発分極の向きが異なる領域(ドメイン)の境界面を「ドメイン壁(分域壁)」と呼んでいます。強誘電体のドメイン壁は電界をかけることで動き、その結果、試料全体の自発分極の向きを変えることができます。この性質を利用した、強誘電体による記録デバイスの研究も進んでいます。

強誘電ドメイン壁が動く過程では熱エネルギーによって活性化された揺らぎ(熱揺らぎ)が主要な役割を果たしています。このため、熱揺らぎが抑制されている低温環境下では、ドメイン壁が動くために必要な電界強度は飛躍的に増大してしまい、試料の絶縁破壊や放電などにつながります。しかし、揺らぎには熱ゆらぎのほかに、量子力学的な原理に基づいた「量子揺らぎ」が存在していて、これは低温でも抑制されることがありません。ただ、熱揺らぎが失われる低温環境下で大きな「量子揺らぎ」が存在した場合に、強誘電ドメイン壁が電界下でどのような挙動を示すのかは、これまで解明されていませんでした。

理化学研究所の研究者を中心とする共同研究グループは、有機物質の強誘電体を用い、これに加える圧力を制御し量子揺らぎが大きい状態を作り出すと、低温環境下であっても強誘電ドメイン壁が比較的小さい電界によって動くことを見いだしました。さらに量子揺らぎの下で動いた強誘電ドメイン壁の運動を解析して、強誘電ドメイン壁の有効質量注1)を計算したところ、試料である強誘電体が重い有機分子でできているにもかかわらず、あたかも水素原子と同程度の軽さを持っているような"振る舞い"があることを発見しました。分子の変形や変位を伴う強誘電ドメイン壁が、分子よりも圧倒的に軽い有効質量を有するという振る舞いは、量子揺らぎが顕在化したことによるものと考えられました。

今回の実験で、強誘電ドメイン壁は、熱揺らぎが抑制されている中でも、増大した量子揺らぎのために軽い有効質量を得て電界下で動くことが分かりました。この成果は、量子揺らぎが強誘電ドメイン壁の挙動に与える特異な一面を捉えたものです。強誘電体における量子効果の理解を深めるための重要な知見となると考えられます。

図:強誘電ドメイン壁が示すトンネル現象を、質量を持った粒子が示すトンネル現象との対比で現象論的に理解しようとした際に生じる、質量相当のパラメータ。

注1)強誘電ドメイン壁が示すトンネル現象を、質量を持った粒子が示すトンネル現象との対比で現象論的に理解しようとした際に生じる、質量相当のパラメータ。

理化学研究所
創発物性科学研究センター 統合物性科学研究プログラム 動的創発物性研究ユニット
ユニットリーダー 賀川 史敬 (かがわ ふみたか)

創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関物性研究グループ
グループディレクター 十倉 好紀 (とくら よしのり)
(東京大学大学院工学系研究科教授)