電子の連携、量子物質の巨大分極を誘発~高速エレクトロニクスを拓く新材料としての応用に期待~

2005-09-08 東北大学

東北大学の岩井伸一郎教授らは、電子強誘電体の代表格であるルテチウム鉄酸化物(LuFe₂O₄)に室温でテラヘルツ波を照射することで、バルク強誘電体としては過去最大となる大きな電気分極応答を引き出すことに成功しました。これは、電子の協力的な動きにより発生する「電子強誘電性」に由来しており、原子位置を動かす従来の方式よりもはるかに高速で、エネルギー効率が高いです。従来の強誘電体では動作速度や結晶劣化といった課題がありましたが、電子雲の偏りによる分極形成ならそれらの問題を克服できます。本成果は、超高速強誘電メモリや光エレクトロニクスデバイスなど、新たな超高速電子・光応答デバイスの開発において革新的な応用基盤となる可能性が極めて高いとされています。論文は『Physical Review Letters』に2025年9月4日付でオンライン掲載されました。

電子の連携、量子物質の巨大分極を誘発~高速エレクトロニクスを拓く新材料としての応用に期待~
図1. 結晶構造と本研究の実験の模式図。(a)従来型の強誘電体では重いイオンなどの変位によって分極が生じる。一方、電子強誘電体LuFe2O4では軽い電子雲の変形によって分極が生じる。結晶構造は、鉄(Fe)原子からなる層と、Luからなる希土類層が交互に積層している。(b)Fe層で生じる強誘電分極と、テラヘルツ波(図中の緑矢印)による分極駆動。分極は電子(図中の紫球)のチームプレーによって生じているため刺激に敏感で、高速に制御できる。

<関連情報>

LuFe2⁢O4 における室温での電子強誘電異方性のテラヘルツ場制御 Terahertz Field Control of Electronic-Ferroelectric Anisotropy at Room Temperature in LuFe2⁢O4

Hirotake Itoh, Ryusei Minakami, Hongwu Yu, Ryohei Tsuruoka, Tatsuya Amano, Yohei Kawakami, Shin-ya Koshihara, Kosuke Fujiwara, Naoshi Ikeda et al.
Physical Review Letters  Published: 4 September, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/fryl-jjnj

Abstract

Electronic ferroelectrics, with polarization induced by strongly correlated charges, are expected to show ultrafast, huge, and flexible responses required in future optoelectronics. Although the challenges for ultrafast manipulation of such a polarization are ongoing, the expected advantages have been unclear. In this Letter, we demonstrate an unprecedentedly large increase by a factor of 2.7 in optical second harmonic generation at room temperature in the prototypical electronic ferroelectrics, the rare-earth ferrite LuFe2⁢O4, by applying a terahertz field of 260  kV/cm. The transient anisotropy indicates that the direction of macroscopic polarization can be controlled three dimensionally on subpicosecond timescales, offering additional degrees of freedom in controlling polarization. Although the polarization response is in phase concerning the terahertz field, its sensitivity increased with delay, indicating that cooperative interactions among microscopic domains play an important role in the unprecedented response.

0403電子応用
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