Ferroelectricity from iron valence ordering in the charge-frustrated system LuFeO

電荷フラストレーション系LuFeOの鉄イオン上の電荷秩序による強誘電性の発現

池田 直*; 大隅 寛幸*; 大和田 謙二; 石井 賢司; 稲見 俊哉; 加倉井 和久; 村上 洋一*; 吉井 賢資  ; 森 茂生*; 堀部 陽一*; 鬼頭 聖*

Ikeda, Naoshi*; Osumi, Hiroyuki*; Owada, Kenji; Ishii, Kenji; Inami, Toshiya; Kakurai, Kazuhisa; Murakami, Yoichi*; Yoshii, Kenji; Mori, Shigeo*; Horibe, Yoichi*; Kito, Hijiri*

SPring-8の放射光を用いた共鳴X線散乱実験,焦電気測定及び誘電分散測定により、混合原子価鉄イオンを含む複合酸化物LuFeOは、全く新しいカテゴリーに属する強誘電体であることがわかった。本系では、三角格子上において、鉄イオン間に電荷相互作用のフラストレーションが存在する。このフラストレーションは、2価と3価の鉄イオンの長周期電荷秩序構造を安定化し、その結果として、電子の密度分布変調による誘電分極を発生する。この強誘電発現機構は、基礎科学的に興味深いだけでなく、電荷・スピン・軌道といった電子の自由度により制御された、次世代の強誘電デバイス開発の可能性をも提供する大きなインパクトを持つものである。

By means of resonant X-ray scattering experiments using synchrotron radiation of SPring-8, it was found that a mixed-valence system LuFeO is a ferroelectric material owing to a real-space charge-ordering of Fe and Fe. This ordering is rooted in a charge frustration between the Fe ions on a triangular lattice. The new mechanism of ferroelectricity shown in the present paper offers great potential for designing future ferroelectric devices to be coupled or controlled with the degrees of freedom of electron: charge, spin and orbital.