リラクサー強誘電体はなぜ広い温度域で巨大応答を示すのか ~相転移の「遅さ」と持続する「臨界的な揺らぎ」を解明~

2026-09-18 総合科学研究機構,量子科学技術研究開発機構,広島大学,J-PARCセンター,韓国原子力研究院

量子科学技術研究開発機構(QST)、総合科学研究機構(CROSS)、広島大学などの研究グループは、リラクサー強誘電体が広い温度範囲で巨大な誘電・圧電応答を示す仕組みを明らかにした。代表的なPMN-xPTについて、SPring-8の急冷放射光X線回折とJ-PARCなどの中性子散乱を組み合わせて解析した結果、複数の結晶状態が競合することで相転移の進行が非常に遅くなり、通常なら相転移温度付近に限定される「臨界的な揺らぎ」が広い温度範囲にわたって維持されることを確認した。この揺らぎが、極性ナノ領域(PNR)の空間的・時間的な相関として現れ、巨大な誘電・圧電応答を支えていると考えられる。また、急速冷却によって相転移を抑制できることも示され、冷却速度を材料機能を制御する新たなパラメータとして利用できる可能性が示された。超音波診断、ソナー、各種センサなどに用いられる高性能圧電材料の設計・機能制御につながる成果である。

リラクサー強誘電体はなぜ広い温度域で巨大応答を示すのか ~相転移の「遅さ」と持続する「臨界的な揺らぎ」を解明~
図1.急冷による構造相転移の抑制
PMN-30%PTをゆっくり冷却すると、構造相転移によりX線回折ピークが2つに分裂する。一方、350 K/sで急冷するとピーク分裂がほぼ消失し、巨視的な構造相転移が抑制される。​

<関連情報>

リラクサー強誘電体における緩慢な相転移速度と拡張された臨界相関 Sluggish phase-transition kinetics and extended critical correlations in relaxor ferroelectrics

Masato Matsuura, Kenji Ohwada, Shinya Tsukada, Akihiko Machida, Tatsuya Kikuchi, and Young-Soo Han
Physical Review Materials  Published: 8 September, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/tnnk-lhcn

Abstract

Giant responses over wide temperature ranges in relaxor ferroelectrics remain a puzzling phenomenon in solid state physics. Rapid-quenching x-ray diffraction demonstrates pronounced kinetic suppression of macroscopic structural ordering in (1−)Pb(Mg1/3⁢Nb2/3)O3−⁢PbTiO3 near the morphotropic phase boundary. Independently, neutron scattering reveals scale-free spatial and temporal correlations of polar nanoregions over the temperature range associated with the giant dielectric response. Taken together, these observations support a kinetic picture in which sluggish structural ordering allows near-critical relaxor fluctuations to persist over an extended temperature range.

0501セラミックス及び無機化学製品
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