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Origin of magnetovolume effect in a cobaltite

輝コバルト鉱における磁気体積効果の起源

Miao, P.*; Tan, Z.*; Lee, S. H.*; 石川 喜久*; 鳥居 周輝*; 米村 雅雄*; 幸田 章宏*; 小松 一生*; 町田 真一*; 佐野 亜沙美; 服部 高典; Lin, X.*; Li, K.*; 茂筑 高士*; 菊池 涼介*; 川島 千弦*; 高橋 博樹*; Huang, Q.*; 伊藤 晋一*; 門野 良典*; Wang, Y.*; Pan, F.*; 山内 邦彦*; 神山 崇*

Miao, P.*; Tan, Z.*; Lee, S. H.*; Ishikawa, Yoshihisa*; Torii, Shuki*; Yonemura, Masao*; Koda, Akihiro*; Komatsu, Kazuki*; Machida, Shinichi*; Sano, Asami; Hattori, Takanori; Lin, X.*; Li, K.*; Mochiku, Takashi*; Kikuchi, Ryosuke*; Kawashima, Chizuru*; Takahashi, Hiroki*; Huang, Q.*; Ito, Shinichi*; Kadono, Ryosuke*; Wang, Y.*; Pan, F.*; Yamauchi, Kunihiko*; Kamiyama, Takashi*

層状ペロブスカイトPrBaCo$$_{2}$$O$$_{5.5}$$は、熱膨張のない複合材料を作るために必要な負の熱膨張(NTE)を示す。NTEは、自発的な磁気秩序と密接に関連していることがわかっていた(磁気体積効果: MVE)。今回、われわれは、PrBaCo$$_{2}$$O$$_{5.5}$$の連続的な磁気体積効果が、本質的には不連続であり、大きな体積を持つ反強磁性絶縁体(AFILV)から、小さな体積をもつ強磁性卑絶縁体(FLISV)への磁気電気的相転移に起因することを明らかにした。また、磁気電気効果(ME)は、温度,キャリアドーピング,静水圧,磁場などの複数の外部刺激に対して高い感度を示した。これは、これまでよく知られている対称性の破れを伴う巨大磁気抵抗やマルチフェロイック効果などのMEとは対照的であり、輝コバルト鉱のMEは同一の結晶構造で起こる。われわれの発見は、MEとNTEを実現するための新しい方法を示しており、それは新しい技術に応用されるかもしれない。

The layered perovskite PrBaCo$$_{2}$$O$$_{5.5}$$ demonstrates a strong negative thermal expansion (NTE) which holds potential for being fabricated into composites with zero thermal expansion. The NTE was found to be intimately associated with the spontaneous magnetic ordering, known as magneto-volume effect (MVE). Here we report with compelling evidences that the continuous-like MVE in PrBaCo$$_{2}$$O$$_{5.5}$$ is intrinsically of discontinuous character, originating from an magnetoelectric transition from an antiferromagnetic insulating large-volume (AFILV) phase to a ferromagnetic less-insulating small-volume (FLISV) phase. Furthermore, the magnetoelectric effect (ME) shows high sensitivity to multiple external stimuli such as temperature, carrier doping, hydrostatic pressure, magnetic field etc. In contrast to the well-known ME such as colossal magnetoresistance and multi-ferroic effect which involve symmetry breaking of crystal structure, the ME in the cobaltite is purely isostructural. Our discovery provides a new path way to realizing the ME as well as the NTE, which may find applications in new techniques.

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