スピン-格子結合系の強磁場制御とX線分光の理論

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層状鉄酸化物RFe204(Rは布土類金属イオン)はFeイオンの3d電子が糸の誘電性を支配することが指摘されている。本年度の研究ではこの層状鉄酸化物における磁気誘電性とその強磁場制御について理論解析を行った。まず拡張されたpd模型を元に電荷、スピン、軌道自由度に関する有効模型を導出した。これをもとにこの物質の物性を担うと三角格子二重層において、マルチカノニカル法を利用した古典モンテカルロ法によりこの模型の解析を行った。得られた主な結果について以下にまとめる。有限温度において電気分極を伴った3倍周期の電荷秩序状態が安定となることが明らかとなった。これは三角格子における電荷のフラストレーションとエントロピーの効果によるものである。更に磁気秩序温度以下で電気分極が著しく増大することが示された。これは超交換相互作用項における電荷とスピン自由度との結合、ならびに三角格子におけるスピンフラストレーションに起因するものであり、電荷秩序型誘電体におけるマルチフェロイクスの可能性を始めて指摘したものである。また磁気秩序強誘電相において、誘電分極が大きな磁場効果を示すことを明らかにした。これは磁場印加によりスピンのフラストレーションが抑制され、これに伴っていた電気分極が減少したものである。このような電荷・スピンのフラストレーションに起因する特異な誘電現象における磁場効果を始めて予測したものであり、今後実験による検証が望まれる。最後に電場の印加によりフェリ磁性秩序のコントロールが可能であることを理論的に予測した。以上の理論解析により電荷秩序型誘電体の特異な現象の起源と磁場による操作の可能性を明らかにした。