約半世紀前に理論的に可能と予想された強誘電構造相転移を金属物質中に発見

2013.09.23

独立行政法人物質・材料研究機構
国立大学法人東北大学

NIMS 超伝導物性ユニット強相関物質探索グループの山浦一成主幹研究員は、オックスフォード大学物理教室のアンドリュー・ブースロイド教授と東北大学多元物質科学研究所の津田健治准教授と共同で、約半世紀前に理論的に可能と予想された構造相転移を実験的に確認することに成功した。

概要

独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田資勝、以下NIMS) 超伝導物性ユニット強相関物質探索グループの山浦一成主幹研究員 (研究全般担当) は、オックスフォード大学物理教室のアンドリュー・ブースロイド教授 (中性子線回折実験担当) と東北大学多元物質科学研究所の津田健治准教授 (収束電子回折実験担当) と共同で、約半世紀前に理論的に可能と予想された構造相転移を実験的に確認することに成功した。
強誘電性とは、結晶中の微小な電気双極子 (大きさが等しく、微小な距離だけ離れた正負一対の電荷) が構造変化を伴い自発的に整列して、さらにその向きを任意に反転させることができる特性である。物質によっては、常温で反転可能なため、強誘電体メモリーや光学素子の開発に有用であり、デバイス産業での用途は幅広い。さらに新用途を開拓し、次世代デバイスの開発を促進するためには、自発的に整列するメカニズムの解明や、多彩な強誘電体の開発が重要である。
通常、結晶内に伝導電子が存在すると、電荷の分布が結晶内で偏ることができなくなるため、結晶表面に電荷が留まること (誘電分極) が不能になる。従って、実用的な強誘電体は例外なく優れた電気絶縁体であった。強誘電性を向上させるためには、伝導電子は、限りなく存在しないことが望ましかった。しかしながら、1965年に発表された構造相転移に関する理論的研究では、強誘電性を伴う構造相転移は、電気絶縁体のみで起こるのではなく、伝導電子を持つ合金や金属的な化合物中でも起こりうると予想された。この等価な構造相転移を便宜的に“金属強誘電転移”とした。この理論的な研究以降、“金属強誘電転移”を実験的に探索する努力が継続されたが、50年近く未確認であった。
山浦らは、すでに広範な用途で強誘電体として利用されているニオブ酸リチウム (LiNbO₃) に着目し、同型の結晶構造と伝導電子を持つ未知物質を探索した。その結果、高温高圧法でオスミウム酸リチウム (LiOsO₃) の合成に成功し、ニオブ酸リチウムと同型の結晶構造と伝導電子を持ち、強誘電転移と等価な構造相転移を起こすことを確認した。結果として、これまで理論的にのみ可能とされた“金属強誘電転移”を、半世紀を経た今日、ようやく実験的に確認することに成功した。
この等価な構造相転移を詳細に研究することによって、自発的に電気双極子が整列するメカニズム (つまり強誘電構造相転移) について普遍的な理解が深まるだけでなく、新しい研究展開が可能になる。例えば、強誘電性を導く構造相転移と伝導電子が強く結合する未知物質が高温超伝導体となる可能性がある。今回の成果は、独立行政法人日本学術振興会最先端研究開発支援プログラム「新超電導および関連機能物質の探索と産業用超電導線材の応用」 (中心研究者 : 細野秀雄) の一環で得られた。本成果は、ネイチャーマテリアルズ (英: Nature Materials) で公表される予定である (平成25年9月23日午前2時 (日本時間) 、Web版公表予定) 。

プレス資料中の図1: (a) オスミウム酸リチウムの結晶の光学顕微鏡写真と、 (b) その結晶構造の模式図 (常温と (c) マイナス130℃以下の極低温) 。緑/白丸は熱的に乱れたリチウムイオンの平均位置 (2つに分離している) 、緑丸はリチウムイオン、赤丸は酸素イオン、八面体の中心部分にオスミウムイオンがある。