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。

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

YMn₂O₅ では、横滑りらせん（サイクロイド）型（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）とミュオンスピン回転（μSR）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。

論文情報
雑誌名：「Physical Review B」
論文タイトル：Electronic charge transfer driven by spin cycloidal structure
著者：Y. Ishii, S. Horio, Y. Noda, M. Hiraishi, H. Okabe, M. Miyazaki, S. Takeshita, A. Koda, K. M. Kojima, R. Kadono, H. Sagayama, H. Nakao, Y. Murakami, and H. Kimura
DOI番号：10.1103/PhysRevB.101.224436

リンク
プレスリリース (東北大学Webサイト)