物質における対称性を破って電気と磁気をつなぐ
Keyword: マルチフェロイクス
古典電磁気学の確立により，電場や磁場が時間的に変化はなかった．しかしながら，21 世紀に入り，後述するマする場合には，例えば電流の周りに磁場が発生するなど，ルチフェロイクスに関する研究の進展と相俟って，電気磁両者が関連することは良く知られることである．それゆえ

気効果をはじめとする物質中の電気と磁気の相関現象が耳

磁気記録デバイスなどにおいては，情報操作としての磁化目を集めるようになった．の制御は主にエネルギー散逸を伴う「電流」によって行われている．これに対して，「電圧」という散逸の少ない電気的刺激で物質の持つ磁性を制御することが可能となれば，磁場の ON-OFF 制御に要するエネルギー消費を低減するこ

2.

マルチフェロイクス

磁場と磁化，電場と電気分極，応力と歪みの関係に履歴現象を生じる物質はそれぞれ，強磁性体（ferromagnetics），とが可能となり，磁気記録デバイスの低電力消費化へとつ

強誘電体（ferroelectrics），強弾性体（ferroelastics）と呼ばれながる．しかし古典電磁気学の教えるところでは，静的なるが，履歴現象という共通性に着目し，これらの強的な性電場や磁場の場合には，両者は互いに独立で両者の間に相質を持つ物質をひとまとめに表す「フェロイクス（ferro-関は生じない．これに対し，ある種の磁性体では「電気磁気ics）」という概念を最初に提唱したのは，相津敬一郎氏で効果」と呼ばれる静的な電場と磁場の相関現象が発現する．

ある．2） これらのフェロイクスは，強磁性体における時間反転対称性，強誘電体における空間反転対称性，強弾性体

1.

電気磁気効果における結晶対称性，といった系の対称性の破れの観点か

電気磁気効果とは，物質における「電場による磁化の誘ら分類でき，各々の対称性の破れに起因するドメインの構起」または「磁場による電気分極の誘起」といった物理現造の形成という共通項も有する．このフェロイクスという象の呼称である．その研究の発端は 19 世紀末のキュリー概念に触発されて，1990 年代にシュミット（H. Schmid）は，（P. Curie）による，物質に電場を印加したとき巨視的な電同一相中で上述の 3 つの ferroic な性質のうち少なくとも 2流を介することなしに磁気モーメントを誘起できるか，とつの性質を示す物質を「マルチフェロイクス（multiferro-いう疑問提示にまで遡る．この提示に対し，ランダウ（L. D.

3）ics）」と名付けた．
これが，マルチフェロイクスという用Landau）とリフシッツ（E. M. Lifshitz）は熱力学と磁気対称語のオリジナルの定義である．強磁性と強誘電性が共存す性の考察から時間反転に関して反対称である物質に電気磁るタイプのマルチフェロイクスは，複数の秩序変数の独立気効果の可能性があると予言し，さらにこの予言を受けてな制御に加えて，電気磁気効果が期待できることなどからジャロジンスキー（I. E. Dzyaloshinskii）が候補物質（Cr2O3）

長く興味をもたれていたが，強磁性と強誘電性の共存といを提示，そして 1960 年に同物質において電気磁気効果がうオリジナルの定義でのマルチフェロイクスはほとんど存初めて観測された．1） 当初の電気磁気効果研究の多くは，在しないということもあり，その研究はしばらくの間，大磁場 H（電場 E）に対して電気分極 P（磁化 M）が線形に応答きな展開を見せることはなかった．しかしながら，2003する一次の電気磁気効果（すなわち ΔP＝αH または ΔM＝年に発表された 2 種類のペロブスカイト型遷移金属酸化物

tαE; α は電気磁気結合係数）に着目したものであった．自における新たな発見（BiFeO3 の巨大な強誘電分極の発現，由エネルギーは系の持つ対称操作に対して不変であるといおよび TbMnO3 の磁気転移に伴う強誘電性と巨大な非線形う要請により，線形電気磁気効果の発現には時間および空4）
電気磁気効果の発現）がその状況を劇的に変えた．これ

間反転対称性がともに破れている必要がある．Cr2O3 におらの報告を契機として，電気と磁気の相関現象に大きな脚ける線形電気磁気効果の起源として，電場による Cr3＋ イ光が集まることとなった．その後の研究の流れにより，近オンの（1）結晶場の変化，（2）g 値の変化，（3）超交換相

年では，反強磁性を示す強誘電体や焦電体，従来から知ら互作用の変化など，いくつかの微視的機構が初期の段階よれる電気磁気効果を示す物質，さらには強磁性体と強誘電り提案されている．1970〜90 年代にかけては，螺旋（らせ体の混晶系といった，磁性と強誘電性が共存・相関する系ん）磁性体における非線形電気磁気効果や磁気転移に伴う全般に対してマルチフェロイクスという用語が使われるよ強誘電性の観測など，現在の視点から見ても先進的な結果うになっている．

が我が国から発信されている．当時は電気磁気効果を示す物質系は限られ，また観測される効果も小さいなどの理由のため，同効果に関する研究は大きな広がりを見せること144©2016 日本物理学会

3.

磁気的相互作用が生み出す強誘電性BiFeO3 や TbMnO3 をはじめとしてマルチフェロイクスの日本物理学会誌

Vol. 71, No. 3, 2016

多くは 3d の磁性イオンを含む酸化物であるが，その強誘旋の巻き方を反転させること（すなわち空間反転操作）に電性発現の機構は様々であり，磁気秩序と強誘電秩序の起より P の符号が反転することが，モデル計算により導かれ源が無関係なものもあれば，磁気秩序が空間反転対称性をている．5）

破ることにより強誘電性が発現するものもある．磁気誘起また，線形電気磁気効果を時間反転と空間反転を破るス型強誘電性を示すタイプのマルチフェロイクス（例えば，ピンテクスチャーの観点から理解することもできる．6） 例

TbMnO3）においては，その強誘電性は系の電荷分布が磁気えば，図 1（b）に示すスピンテクスチャーにおいては時間秩序の影響を受けシフトすることに起因する．電荷分布の反 転 と 空 間 反 転 が と も に 破 れ る が，こ の 構 造 で は T ∝シフトは，磁気秩序によって隣接するスピン間に働く「交å i ri×S（rii は中心からの距離）で定義される「トロイダル換相互作用」によって生じる場合もあれば，磁気秩序が「スモーメント（toroidal moment）T」が有限となり，その符号はピン軌道相互作用」を介して軌道角運動量に影響を与え，時間および空間反転操作により反転する．フェリ磁性焦電それが電荷分布に反映されるという場合もある．5） これら体 GaFeO3 などで観測される M⊥E（P⊥H）配置の線形電気の磁気的相互作用による電荷分布のシフトにより，磁気秩磁気効果は，磁気構造に内包される T に起因するとの解釈

序相における結晶・磁気対称性が低下し，極性構造をとるもなされている．さらに，最近の物性物理におけるホット場合には，マクロな自発分極，さらに強誘電性が発現する．

なトピックスの一つであるナノサイズの渦状磁性構造「ス

磁気誘起型強誘電性を示すマルチフェロイクスの多くは，キルミオン（skyrmion）」もまた，スピンテクスチャーによる磁場の印加で生じるメタ磁性転移などにより磁気対称性が対称性の破れに関連して電気磁気効果を発現させうる．5）変化することで，強誘電性が消失したり，電気分極の向きがフロップ的に変化するなどの劇的な非線形の電気磁気効果を示す．これは，銅酸化物超伝導体研究以降に発展して

5.

多彩な物性制御へ

バルクの性質として，そのもの自体が電気磁気結合現象きた強相関電子系における多自由度系の相転移・相制御とを示すことが，マルチフェロイクスの特徴といえるが，そいう視点に立脚したものであり，現代的なマルチフェロイれだけでなくマルチフェロイクスを磁気記録に使われる強クス研究はこの視点から大きく進展したと捉えられる．

磁性体に接合することで，交換バイアス効果（反強磁性体と強磁性体の接合界面のスピン間の結合効果）を介して強4.

スピンテクスチャーが破る対称性磁性体の磁化を電場で制御するといった試みも展開されて線形電気磁気効果発現の必要条件は時間および空間反転いる．また，いくつかの系では，電磁波の照射により，そ対称性がともに破れることであったが，磁気誘起の強誘電の交流磁場成分だけでなく交流電場成分でエレクトロマグ性発現には磁気秩序による空間反転対称性の破れ，かつ電ノン（electromagnon）と呼ばれるマグノンが励起され，劇荷分布のシフトをマクロに偏極させる必要がある．そのよ的な動的電気磁気現象や光・マイクロ波機能をも発現する．

うな状態を生み出す最もポピュラーな磁気構造の一つが，これら多彩な物性制御の可能性を秘めた点がマルチフェロ

図1（a）に 示 す ス ピ ン S の 螺 旋 構 造 で あ る．こ の 構造はイクスの魅力であろう．さらに，近年では，トロイダルモー

vector spin chirality（Si×Sj）と呼ばれる空間反転に関してメントが一様（すなわち強的）に揃った磁気構造を持つ系

反対称であるスピンテクスチャー（複数スピンで構成されを ferrotoroidics と呼び，ferroelectrics などと同格の ferroicsる複雑構造）によって特徴付けられ，スピン軌道相互作用の 1 つとして位置付けるようになってきた．今後，さらにを通じて隣接するスピン間で誘起される局所分極［ pij ∝新規なフェロイック状態の提案・実現，それを使った物性

eij×（Si×Sj）; eij は Si と Sj を結ぶ方向ベクトル］が打ち消し制御などへの展開も期待される．

あうことなく，マクロな電気分極 P を生み出し，さらに螺参考文献(b)(a)
スピンSi

eij

pij

Si

Sj(Si×Sj)riT

図 1 （a）磁気誘起型強誘電性および（b）線形電気磁気効果を引き起こすスピンテクスチャー．

現代物理のキーワード

物質における対称性を破って電気と磁気をつなぐ

1）T. H. OʼDell: The Electrodynamics of Magnetoelectric Media（North-Holland,1970）.
2）K. Aizu: Phys. Rev. B 2（1970）754.
3）H. Schmid: Ferroelectrics 162（1994）317.
4）J. Wang, et al.: Science 299（2003）1719; T. Kimura, et al.: Nature 426（2003）55.
5）Y. Tokura, S. Seki and N. Nagaosa: Rep. Prog. Phys. 77（2014）076501.
6）有馬孝尚：『マルチフェロイクス；物質中の電磁気学の新展開』（共立出版，2014）．

木村剛〈大阪大学大学院基礎工学研究科〉（2015 年 8 月 24 日原稿受付）
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