研究チーム長の共同研究グループ※は有機物質の強誘電体注1)において、水素原子と同程度の有効質量注2)を持つ強誘電ドメイン壁注3)を見いだしました。強誘電体中における強誘電ドメイン壁は、一般に電界を印加することによって動きますが、その過程では熱エネルギーによって活性化された揺らぎ(熱揺らぎ注4))が主要な役割を果たしています。そのため、熱揺らぎが失われる低温では、電界の印加によって強誘電ドメイン壁を動かすことは困難です。揺らぎには熱揺らぎのほかに、量子力学的な原理によって起こる量子揺らぎ注5)が存在し、後者は低温でも抑制されません。熱揺らぎが失われる極低温環境下において、大きな量子揺らぎが存在した場合、強誘電ドメイン壁が電界下でどのような挙動を示すかは、まだ解明されていません。共同研究グループは、有機強誘電体に加える圧力を制御することで、極低温下であっても大きな量子揺らぎが存在する状態を作り出しました。その結果、比較的小さい電界の印加によって強誘電ドメイン壁を動かせることを見いだしました。量子揺らぎの下で動かした強誘電ドメイン壁の運動を解析し、強誘電ドメイン壁の有効質量を算出したところ、重い有機分子で構成されているにもかかわらず、あたかも水素原子と同程度の軽さを持つような振る舞いが示されました。今回の発見は、量子揺らぎが強誘電体ドメイン壁の運動に与える特異な一面を捉えたものであり、強誘電体における量子効果の理解を深めると期待できます。一司)の助成を得て行われました。Communications』(2月16日付け)に掲載されます。サチオ)<背景>通常の物質は外部から電界を印加すると電気分極が誘起されます。これに対し、電界が印加されていない状態でも電気分極を持つ物質を強誘電体と呼びます。強誘電体中では通常、電気分極(強誘電分極)の向きが異なるドメイン(領域)が混在しており(図1左)、電界を印加しない限り、そのようなドメイン構造は安定して存在し、ドメイン間の境界である強誘電ドメイン壁も静止しています。このような状況に電界を印加すると、強誘電ドメイン壁は電界の向きと同じ向きの強誘電分極を持ったドメインを拡大するように動きます(図1右)。この運動には熱エネルギーによって活性化された揺らぎ(熱揺らぎ)が重要な役割を果たしています。そのため、熱揺らぎが十分に抑制されている低温環境下では、強誘電ドメイン壁を動かすのに必要な電界強度(抗電界)が飛躍的に増大し、一般的に用いられる電界強度では、強誘電ドメイン壁を動かせなくなります。揺らぎには熱揺らぎのほかに、量子力学的な原理によって起こる量子揺らぎが存在し、後者は極低温下においても抑制されません。熱揺らぎが失われる低温環境下において、大きな量子揺らぎが存在した場合、強誘電ドメイン壁が電界によってどのような挙動を示すのか、まだ明らかになっていませんでした。2,5-ジブロモ-3,6-ジヨード-p-ベンゾキノン(QBr2I2)」という単結晶の有機物質(図2a、同グループが2015年に開発)に着目しました。TTF-QBr2I2では、圧力を加えることで強誘電相が現れ、その転移温度がほぼ絶対零度(0ケルビン[K])となる圧力は約0.26ギガパスカル(GPa、1GPaは1Paの10億倍)です(図2b)。Kになる点を量子臨界点と呼び、そこでは一般に、通常はあまり大きくない量子揺らぎが発散的に増大することが知られています。比較することで、量子揺らぎが強誘電ドメイン壁の運動に与える影響を明らかにできると考えました。共同研究グループは、まず強誘電ドメイン壁を動かすのに必要な抗電界の強さの温度依存性を調べました(図3)。量子臨界点からやや離れた0.34GPaにおいては、物質を取り巻く環境が低温になるにつれ、抗電界の強さは4kV/cmから15kV/cmへと4倍近く上昇します。このような増大は熱揺らぎが小さくなることを反映したもので、強誘電体一般に見られる挙動です。これに対し、量子臨界点に近い0.26GPaにおいては、温度が低くなっても抗電界の強さは3~4kV/cmと小さいままで、ほとんど変化しません。このことから、量子臨界点近傍での強誘電ドメイン壁の動きは、熱揺らぎに基づくものではなく、量子揺らぎに基づくことが分かりました。強誘電ドメイン壁の運動は、微視的には強誘電ドメイン壁が強誘電体中において取り得る安定な配置間を次々と移り変わる断続的な運動の結果として理解されています。その様子を模式的に表したものが図4aで、球としてモデル化された強誘電ドメイン壁が、安定配置に相当する窪み(安定点)のある地形の上を移動していく様子が描かれています。このモデルにおいては、熱揺らぎに基づく強誘電ドメイン壁の運動は、熱エネルギーの助けを借りて安定点間の“山(ポテンシャル障壁)”を乗り越える運動として、また一方で、量子揺らぎに基づく運動は、その山をトンネル効果注6)によってすり抜ける運動として表されています。運動形態の詳細にかかわらず、1つの安定点から隣の安定点へと移動する際に要する特徴的な時間を緩和時間といいますが、その緩和時間を各圧力について、温度の逆数(逆温度)に対してプロットしたものが図4bです。量子臨界点から離れた圧力である0.34GPaでは、温度が下がるにつれ(逆温度が上がるにつれ)、緩和時間が図4b中で直線的に増大していく様子が見てとれます。これは低温で熱揺らぎが抑制されるにつれ、強誘電ドメイン壁が動きにくくなり、安定な配置間を移動するのにより長い時間を要するようになることを表しています。これに対し、量子臨界点近傍の0.26GPaにおいては、緩和時間は低温まで温度に依存せずほぼ一定です。これは強誘電ドメイン壁が量子揺らぎに基づいて安定点間をトンネル効果によって移動していることを示しています。これらの測定結果から量子臨界点近傍の圧力における強誘電ドメイン壁の有効質量を見積もると、水素原子の質量の約1/3~1/2程度という結果が得られました。ハロゲン原子からなる分子そのものの運動を伴うことを踏まえると、分子の質量(TTF-QBr2I2の場合、水素原子の200~500倍)と同程度の有効質量を持つものと考えられますが、解析から見積もられた有効質量はそれよりはるかに軽いものでした。分子の変形や変位を伴う強誘電ドメイン壁が分子よりも圧倒的に軽い有効質量を有することは、量子揺らぎが顕在化したことによる現象ということができます。<今後の期待>今回の実験では、量子臨界点近傍では強誘電ドメイン壁は、熱揺らぎが十分抑制されているにもかかわらず、増大した量子揺らぎのために軽い有効質量を獲得し、電界によって動けるようになることが分かりました。強誘電体が電界下で示す誘電率などの物性値はしばしば強誘電ドメイン壁の運動によって決定されます。今回の発見は、量子臨界点近くでの強誘電体の物性の全容解明に向けて、重要な知見を与えると期待できます。電界を印加することによって、電界の向きと同じ向きの強誘電分極を持ったドメインが拡大する。この過程は、異なる向きの強誘電分極を持ったドメイン間の境界である強誘電ドメイン壁が電界によって動くことに対応する。強誘電相と強誘電分極を持たない常誘電相における結晶構造の模式図。Kから連続的に上昇していく。Kである点を量子臨界点と呼び、そこでは一般に量子揺らぎが発散的に増大する。横軸の温度は、各圧力下における強誘電転移温度で規格化したもの。1が各圧力における強誘電転移温度に該当する。強誘電ドメイン壁が強誘電体中を運動する様子を理解するための現象論的モデル図。緩和時間(ある安定点から隣の安定点に移動するのにかかる特徴的な時間)の温度依存性。横軸は逆温度(温度の逆数)。通常の物質は外部電界(電界は電圧を、その電圧が印加されている試料の厚みで割ったもの)を印加すると電気分極が誘起される。これに対し、電界が印加されていない状態でも電気分極を持ち、外部電界の極性の向きに応じて電気分極の向きを可逆的に反転できる物質を強誘電体と呼ぶ。書き換えと保存が可能なメモリー特性などさまざまな機能性を持っている。強誘電ドメイン壁が示すトンネル現象を、質量を持った粒子が示すトンネル現象と対比させながら理解しようとする際、強誘電ドメイン壁を、あたかも質量を持った粒子のように近似し、その運動を考えることになる。したモデルの下で算出される、粒子と見なした強誘電ドメイン壁の質量を有効質量と呼ぶ。“有効”と呼ぶのは、強誘電ドメイン壁が実際には粒子ではないことを反映している。強誘電体において、電気分極の方向が揃っている領域を強誘電ドメインと呼び、強誘電分極の向きが異なるドメインを隔てている境界面を強誘電ドメイン壁と呼ぶ。向きが異なるドメインが単結晶中においても混在している。電界を印加すると、その電界の向きを向いている電気分極を持ったドメインが拡大するように、境界面である強誘電ドメイン壁が動く(図1右)。これはドメイン壁が電界という力を受けたことによって移動したと見ることができ、このようにドメイン壁の位置が変わることを一般に「運動」という。熱揺らぎ物質が示す電気抵抗や強誘電分極の大きさなどの物性値は通常、時間に対して変化せず一定値を示している。詳細に見ると、物性値の時間平均値は一定であるが、瞬間瞬間では物性値は時間平均値とは異なる値を示している。このような状況を、物性値が揺らいでいるという。この揺らぎの起源が、物質が有限の熱エネルギーを持つことによるものである場合、特に熱揺らぎと呼ぶ。°C)でも起こりうる。この場合の揺らぎの起源は熱ではなく、量子力学的な原理に基づくものである。このような起源を持つ揺らぎのことを、特に量子揺らぎと呼ぶ。粒子があるポテンシャル障壁と呼ばれる高い壁のようなものに遭遇した際、古典力学では粒子がそのポテンシャル障壁を乗り超えるような運動エネルギーを獲得しない限り、障壁の向こう側に到達することはできないとされる。その運動の理解に量子力学が必要となるような、電子などの微小粒子の場合、高い運動エネルギーを獲得しなくとも、ある一定の確率でポテンシャル障壁の向こう側にすり抜けることができる。このような現象をトンネル効果、またはトンネル現象と呼ぶ。