東大,強誘電-反強誘電の相転移制御に成功

東京大学の研究グループは,強誘電および反強誘電秩序を分子形状により制御可能なモデルを提案し,シミュレーションにより,相転移および応答の物理的な解明を目指した。分子間の立体的な相互作用と電気的な相互作用とが競合しているという性質に着目し,電気双極子を持つ分子の形状を変えていくことで,強誘電秩序相と反強誘電秩序相の相転移を制御することに成功した(ニュースリリース)。

強誘電秩序および反強誘電秩序を示す材料は広く知られており,電場によるスイッチングのみならず,変形や熱と結びついた交差応答を示すことから,実用的な観点で大きな期待を集めている。

これまで,材料の強誘電秩序と反強誘電秩序を制御するには,無機材料に関しては原子の置き換えおよび応力により,有機材料に関しては分子の一部を異なる基で置き換えることにより実現されてきたが,どのような置き換え方をすれば秩序を制御可能であるのか,その物理原理が明らかになっておらず,経験則に頼っているのが実情であった。

研究グループは,理論およびシミュレーションにより解明を試みた。強誘電秩序および反強誘電秩序の発現には分子間の立体的な相互作用と電気的な相互作用との競合が重要であるという予想のもと,電気双極子を持つ分子の形状を制御可能な,楕円体分子のシミュレーションモデルを提案した。

電気双極子が電気的な相互作用により作る秩序は,電気双極子の空間的な並び方,つまり,結晶構造の影響を強く受ける。他方,分子形状を変えていき,分子間の立体的な相互作用を調節することで,いくつかの結晶構造の安定性を制御することができる。

両者を組み合わせることで,強誘電秩序相と反強誘電秩序相との間の相転移を,結晶構造の変化を伴いつつ引き起こすことが可能になる。さらに,この相転移における結晶構造の差異に起因して,電気的秩序が変化する際,大きな変形や熱の発生/吸収が起こるという交差応答が生ずることを見出した。その結果,電場をかけることで大きな変形や温度変化を誘起し,逆に応力や温度変化により分極秩序の相転移を誘起することに成功した。

この成果は,電気分極の秩序を,分子の形状によって制御可能であるということを示しただけでなく,相転移を利用して大きな変形や熱の発生/吸収を示す材料を開発する物理的な指針を与えたとする。

さらに,今回提示されたモデルで用いた双極子―双極子相互作用は磁気双極子にも共通なきわめて普遍的な相互作用であるため,磁性材料に対しても適用可能なモデルとなっているという。分子磁石あるいは市販の磁石を用いて同様の効果が起こることが予想され,予測を実証する実験的研究が待ち望まれるとしている。

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