• Ca2CoSi2O7における電気磁気効果

2003年のTbMnO3における磁場誘起電気分極フロップの発見[T. Kimura et al., Nature 426, 55 (2003).]以降、「電場による磁性の制御」もしくは「磁場による誘電性の制御」といった電気磁気効果は、新規の省エネルギー磁気記録デバイスの開発への期待もあり、マルチフェロイックの一分野として、基礎・応用両面から注目を集め、精力的に研究が進められている。本研究では、「Ca2CoSi2O7における電気磁気効果の観測」を報告し、オケルマナイト構造を持つCa2CoSi2O7が新奇のマルチフェロイック物質であることを示した。Appl. Phys. Lett. 94, 212904 (2009).

• パルス強磁場を用いたオケルマナイト物質の電気磁気効果の研究

パルス磁場は、数ミリ秒程度の短い間に50 T超の強磁場が印加できるものである。多くの場合、この短い発生時間および速い掃引速度のため測定は困難となるが、変位電流により見積もられる電気分極測定は、速い掃引速度が功を奏し精密な測定が可能である。この特徴を生かし、オケルマナイト型物質では、転移温度(TN=7 K)以上においてもスピン誘起の電気分極が発現していることを示した。この磁場誘起電気分極は2次の電気磁気効果であり、マクロには、結晶対称性を反映した2次のテンソルで、ミクロにはpd混成機構によるスピン誘起の電気分極から理解することができる。これは、磁気秩序のない状態でも条件によりスピン誘起の電気分極が発現できることを示した例であり、応用開発において新たな指針を与えるものと考えられる。実際、候補者は室温において試料の周りで磁石をモーターにより高速回転することで変位電流の観測（室温巨大電気磁気効果の観測）に成功した。Phys. Rev. B 86, 060413(R) (2012).

Ca2CoSi2O7は、結晶格子の整合-不整合相転移が250 K付近で見られ、低温では（3×3×1）超格子構造を示し、その構造は2種類（P4とP21212）の構造が提唱されていた。これらの構造の違いは小さく複雑であるため、構造解析から構造の決定を行うことは大変困難であった。オケルマナイト物質の常磁性相における磁場誘起電気分極は、結晶対称性から決まる電気磁気テンソルにより、その振る舞いを説明できることが分かったので、磁場印加方向を変化させたパルス強磁場電気分極測定から電気磁気テンソルを決定し、テンソルのノンゼロ項から結晶対称性の同定を試みた。この結果、結晶対称性はP21212が妥当であることを示した。また、75Tまでの磁化測定によりc軸方向磁場印加時に20~50Tという広い磁場範囲で特異な磁化プラトーが観測された。 J. Phys.  Soc. Jpn. 83, 093704 (2014). 

• Sr2CoGe2O7におけるスピン四極子励起の観測

オケルマナイト物質の磁気励起の研究は、Ba2CoGe2O7においてテラヘルツ分光実験により進められていた。その成果として方向2色性を示すエレクトロマグノンが観測され注目を集めている。一方でその磁気吸収モードは、Ba2CoGe2O7の持つ大きな磁気異方性のため理論計算が困難であり、理解が十分とは言えなかった。本研究では、同様の結晶構造を持ち異方性が小さいSr2CoGe2O7を用い、飽和磁場20 T以上を含めた磁気励起モードの観察を目的とし、パルス強磁場電子スピン共鳴実験を行った。その結果、電気磁気効果、特に電気四極子相互作用を考慮した計算から磁気励起モードをよく説明できることが分かった。また、飽和磁場以上の領域で2マグノン励起が観測された。この2マグノン励起が強制強磁性状態という単純な状態で実現していることもあり、また、この化合物のCoO4の四面体がc面内で交互に傾きを変えているという事とd-p混成機構で電気分極が現れて、磁気秩序を必要としないために飽和磁場以上でも有限の電気分極を有するという特殊条件のために、磁気励起の解析からスピン四極子励起として理解できた。このスピン四極子は電気磁気相関を起源とし、単一サイトで励起されるものであり、交換相互作用の競合（最近接強磁性-次近接反強磁性のスピン1/2の一次元磁性体）により現れると予想されているスピンネマティック相で考えられているスピン四極子とは大きく異なっている。この成果により、スピン多極子の研究のさらなる発展が期待できる。Phys. Rev. B 96, 214406 (2017).