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論文

Origin of the large ferroelectric polarization enhancement under high pressure for multiferroic DyMnO$$_{3}$$ studied by polarized and unpolarized neutron diffraction

寺田 典樹*; Qureshi, N.*; Stunault, A.*; Enderle, M.*; Ouladdiaf, B.*; Colin, C. V.*; Khalyavin, D. D.*; Manuel, P.*; Orlandi, F.*; 宮原 慎*; et al.

Physical Review B, 102(8), p.085131_1 - 085131_7, 2020/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

We have determined the magnetic structures in high pressure phase with the giant ferroelectric polarization in DyMnO$$_{3}$$. For Mn spins, the E-type magnetic ordering is stabilized above 4.0 GPa, which induces the giant ferroelectric polarization through the exchange striction effect. Furthermore, we have elucidate that the lattice distortion generated through the exchange striction for the Dy and Mn bonds can give the significant magnetic field enhancement of ferroelectric polarization in this system.

論文

Spherical neutron polarimetry under high pressure for a multiferroic delafossite ferrite

寺田 典樹*; Qureshi, N.*; Chapon, L. C.*; 長壁 豊隆

Nature Communications (Internet), 9, p.4368_1 - 4368_9, 2018/10

 被引用回数:5 パーセンタイル:38.48(Multidisciplinary Sciences)

We have succeeded in carrying out the first spherical neutron polarimetry (SNP) experiments in conjunction with the application of pressure, working with the multiferroic delafossite CuFeO$$_{2}$$ and using the newly developed nonmagnetic hybrid anvil high pressure cell (HAC). This work determined the detailed magnetic structures in the pressure-induced ferroelectric phases of this material, as well as nonpolar phases at ambient pressure. The present study provides evidence that SNP measurements are viable even in combination with high pressure conditions.

論文

Magnetic Bragg dip and Bragg edge in neutron transmission spectra of typical spin superstructures

間宮 広明*; 大場 洋次郎; 寺田 典樹*; 渡邉 騎通*; 廣井 孝介; 篠原 武尚; 及川 健一

Scientific Reports (Internet), 7(1), p.15516_1 - 15516_8, 2017/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:8.15(Multidisciplinary Sciences)

結晶構造による中性子回折に由来する中性子透過率の減少であるブラッグディップとブラッグエッジが近年注目を集めているが、スピン配列による磁気回折に由来する磁気ブラッグディップと磁気ブラッグエッジを観測した報告はこれまでなかった。磁気ブラッグディップと磁気ブラッグエッジの観測ができると、スピン配列の解析に従来用いられてきた中性子回折法に比べ、試料環境機器の配置の自由度が格段に向上し、様々な極限環境での実験ができるようになると期待される。そこで本研究では、スピン超格子による磁気ブラッグディップと磁気ブラッグエッジの観測を目的として、典型的なスピン超格子を持つ反強磁性体であるニッケル酸化物の中性子透過率スペクトル測定を行った。その結果、単結晶では磁気ブラッグディップ、多結晶では磁気ブラッグエッジを世界で初めて観測することに成功した。

論文

Magnetic ordering in pressure-induced phases with giant spin-driven ferroelectricity in multiferroic TbMnO$$_{3}$$

寺田 典樹*; Khalyavin, D. D.*; Manuel, P.*; 長壁 豊隆; 吉川 明子*; 北澤 英明*

Physical Review B, 93(8), p.081104_1 - 081104_5, 2016/02

 被引用回数:17 パーセンタイル:70.52(Materials Science, Multidisciplinary)

マルチフェロイック物質TbMnO$$_{3}$$について、圧力/磁場誘起の巨大強誘電分極のメカニズムを解明するため、単結晶試料を用いた高圧および磁場下の中性子回折実験を行った。その結果、この物質のMnスピンの圧力誘起Eタイプ秩序が、交換磁気歪み機構を通して巨大強誘電分極をもたらしていることを明らかにした。さらに、ゼロ磁場でTb磁場モーメントの極性秩序により抑制されていた分極が、2Tで非極性秩序へと転移するため、抑制された分極が解放されて増大するというメカニズムを提案した。

論文

Pressure-induced polar phases in multiferroic delafossite CuFeO$$_{2}$$

寺田 典樹*; Khalyavin, D. D.*; Manuel, P.*; 長壁 豊隆; Radaelli, P. G.*; 北澤 英明*

Physical Review B, 89(22), p.220403_1 - 220403_6, 2014/06

AA2014-0251.pdf:1.02MB

 被引用回数:28 パーセンタイル:79.13(Materials Science, Multidisciplinary)

強くフラストレートした反強磁性体CuFeO$$_{2}$$において、その磁気秩序に対する圧力効果を、静水圧力下中性子回折実験により研究した。主要な結果は、この物質の圧力-温度相図を明らかにしたことで、その相図は、4つの磁気秩序相で構成されており、そのうち2つは誘電相でもある。特に、3GPa$$<$$P$$<$$4GPaの圧力領域において、プロパースクリュー磁気秩序相(ICM2)が安定化するが、この構造は、磁場あるいはドーピングによって誘起される強誘電相のものと一致することが明らかとなった。さらに、4GPa以上では、新たな低対称のICM3相が現れる。この相は、デラフォサイト型のマルチフェロイック物質群の中でも特有のもので、サイクロイドとプロパースクリューのスピン構造が混合したものと考えられる。この物質で観測される圧力に対する連続した磁気秩序の変化は、大気下では単斜晶へのゆがみによって解消するスピンフラストレーションが、高圧力によって抑制されるためと考えられる。

論文

Magnetic and nonmagnetic impurity effect on magnetic orderings of the isosceles-triangular-lattice antiferromagnet CuMnO$$_2$$

寺田 典樹*; 土屋 佳則*; 北澤 英明*; 目時 直人

Journal of the Korean Physical Society, 62(12), p.1905 - 1909, 2013/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:22.1(Physics, Multidisciplinary)

フラストレート三角格子反強磁性体CuMnO$$_2$$の不純物効果を中性子回折によって研究した。磁性不純物の場合、Q = (-1/2 1/2 0)となるが、非磁性不純物の場合、Q = (-1/2 1/2 1/2)となり、これはCuMnO$$_2$$と同じである。両者の比較により,それぞれの不純物の役割について考察する。

論文

Uniaxial-pressure control of magnetic phase transitions in a frustrated magnet CuFe$$_{1-x}$$Ga$$_{x}$$O$$_{2}$$ (x =0, 0.018)

中島 多朗*; 満田 節生*; 高橋 慶一郎*; 吉冨 啓祐*; 増田 一也*; 金子 周史*; 本間 勇紀*; 小林 悟*; 北澤 英明*; 小坂 昌史*; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 81(9), p.094710_1 - 094710_8, 2012/09

We have investigated effects of applied uniaxial pressure ($$p$$) on magnetic phase transitions in a triangular lattice antiferromagnet CuFeO$$_{2}$$ (CFO) and a slightly Ga-substituted compound CuFe$$_{1-x}$$Ga$$_{x}$$O$$_{2}$$ (CFGO) with $$x$$ = 0.018. We have performed neutron diffraction, spherical neutron polarimetry, magnetic susceptibility and pyroelectric measurements under $$p$$ up to 100 MPa applied on the [1$$bar1$$0] surfaces of the single crystal samples.

論文

Uniaxial-pressure control of magnetic phase transitions in a frustrated magnet CuFe$$_{1-x}$$Ga$$_{x}$$O$$_{2}$$ ($$x$$ = 0, 0.018)

中島 多朗*; 満田 節生*; 高橋 慶一郎*; 吉冨 啓祐*; 増田 一也*; 金子 周史*; 本間 勇紀*; 小林 悟*; 北澤 英明*; 小坂 昌史*; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 81(9), p.094710_1 - 094710_8, 2012/09

 被引用回数:12 パーセンタイル:62.78(Physics, Multidisciplinary)

We have investigated effects of applied uniaxial pressure ($$p$$) on magnetic phase transitions in a triangular lattice antiferromagnet CuFeO$$_{2}$$ (CFO) and a slightly Ga-substituted compound CuFe$$_{1-x}$$Ga$$_{x}$$O$$_{2}$$ (CFGO) with $$x$$ = 0.018 by spherical neutron polarimetry. In both of CFO and CFGO ($$x$$ = 0.018), the application of $$p$$ significantly increases the transition temperature from the paramagnetic phase to a collinear incommensurate antiferromagnetic phase. This suggests that the application of $$p$$ breaks equilateral symmetry of the triangular lattice and partially relieves geometrical spin frustration, which generally suppresses long-range magnetic orderings. Thus we demonstrated that uniaxial pressure can be an effective tool to control magnetic phase transitions in frustrated magnets.

論文

Magnons and electromagnons in a spin-lattice-coupled frustrated magnet CuFeO$$2$$ as seen via inelastic neutron scattering

中島 多朗*; 須能 梓*; 満田 節生*; 寺田 典樹*; 木村 尚次郎*; 金子 耕士; 山内 宏樹

Physical Review B, 84(18), p.184401_1 - 184401_7, 2011/11

 被引用回数:32 パーセンタイル:79.37(Materials Science, Multidisciplinary)

We have investigated spin-wave excitations in a four-sublattice (4SL) magnetic ground state of a frustrated magnet CuFeO$$_2$$, in which "electromagnon" excitation has been discovered by recent terahertz time-domain spectroscopy. We have performed high-energy-resolution inelastic neutron scattering measurements in the 4SL phase, resolving fine structures of the lower-energy spin-wave branch near the zone center. We have developed a model Hamiltonian to describe the spin-wave excitations. The determined Hamiltonian parameters have successfully reproduced the spin-wave dispersion relations and intensity maps obtained in the inelastic neutron scattering measurements. The results of the spin-wave analysis have also revealed physical pictures of the magnon and electromagnon modes in the 4SL phase, suggesting that collinear and noncollinear characters of the two spin-wave modes are the keys to understand the dynamical coupling between the spins and electric dipole moments in this system.

論文

Magnetic correlations and the influence of atomic disorder in frustrated isosceles triangular lattice antiferromagnet CuMnO$$_2$$

寺田 典樹*; 土屋 佳則*; 北澤 英明*; 長壁 豊隆; 目時 直人; 井川 直樹; 大山 研司*

Physical Review B, 84(6), p.064432_1 - 064432_8, 2011/08

 被引用回数:15 パーセンタイル:57.53(Materials Science, Multidisciplinary)

三角格子反強磁性体CuMnO$$_2$$の磁気相関を研究した。$$T$$$$_{rm N}$$以上で磁気励起は2次元(2D)短距離相関によって特徴づけられる。$$T$$$$_{rm N}$$以下で$$d_{z^ 2}$$軌道にほぼ平行なコリニアー構造に磁気秩序することを確認した。$$c$$軸方向の積層構造は原子の乱れを導入することで反強磁性から強磁性体に変化する。われわれは第二最近接の層間相互作用が積層構造に重要な役割をすることを発見した。$$T$$$$_{rm N}$$以下の磁気励起は三次元長距離磁気秩序に伴う集団励起によって特徴付けられる6meVのエネルギーギャップを持つスピン波励起と、比熱で示されるスピン液体のような二次元励起が観察された。

論文

High-pressure suppression of long-range magnetic order in the triangular-lattice antiferromagnet CuFeO$$_{2}$$

寺田 典樹*; 長壁 豊隆; 北澤 英明*

Physical Review B, 83(2), p.020403_1 - 020403_4, 2011/01

 被引用回数:11 パーセンタイル:48.1(Materials Science, Multidisciplinary)

三角格子反強磁性体CuFe$$_{2}$$について、静水圧下の中性子回折により、長距離磁気秩序(LRMO)が圧力により抑制されることを観測した。大気圧下の4格子のLRMO基底状態は7.9GPaでほぼ消失し、q=(0.192, 0.192, 1.5)という温度非依存の格子非整合の秩序に置き換わる。この7.9GPaで観測された格子非整合の波数は、大気圧下で格子歪みとともにLRMOが発達し始める直上の温度で観測されると予測される波数と一致する。したがって、圧力によって長距離秩序が消失するのは、磁気フラストレーションを解消して基底状態を長距離秩序へと導く格子歪みが、圧力によって抑制されたためと結論できる。

論文

Field-induced incommensurate-to-commensurate transition in the triangular lattice antiferromagnet GdPd$$_2$$Al$$_3$$

稲見 俊哉; 寺田 典樹*; 北澤 英明*; 酒井 治*

Journal of Physics; Conference Series, 200, p.032022_1 - 032022_4, 2010/02

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.04

We have carried out resonant magnetic X-ray diffraction experiments under magnetic fields up to 0.15 T at 4 K on the stacked triangular lattice antiferromagnet GdPd$$_2$$Al$$_3$$, which exhibits a helical magnetic structure of extremely long incommensurate modulation below $$T_{rm N2}$$ (= 13.3 K). A helical-to-fan transition is expected when a magnetic field is applied in the spin plane, while we observed a first-order incommensurate-to-commensurate transition around 0.04 T. This result indicates that the free energy has a double-well structure around the K-point.

論文

Exchange-striction associated with the elliptical proper helical magnetic structure in the ferroelectric phase of CuFe$$_{1-y}$$Ga$$_{y}$$O$$_{2}$$

寺田 典樹*; 中島 多朗*; 満田 節生*; 松田 雅昌; 加倉井 和久; 田中 義人*; 北澤 英明*

Journal of Physics; Conference Series, 211(1), p.012005_1 - 012005_6, 2010/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:69.52

Detailed magnetic structure in the ferroelectric phase of CuFe$$_{1-y}$$Ga$$_{y}$$O$$_{2}$$ has been recently determined to be proper helical structure with the ellipcity of $$sim$$ 0.9 by the comprehensive neutron diffraction study. In the present study, we have investigated the lattice modulation associated with the elliptical magnetic structure, using resonant X-ray diffraction measurements on CuFe$$_{0.965}$$Ga$$_{0.035}$$O$$_{2}$$. We observed the superlattice reflection indexed as (0, 1+2$$q$$$$_{rm m}$$, 0), where $$q$$$$_{rm m}$$ is the wave number of the magnetic modulation. The energy spectrum near the Fe-$$K$$ absorption edge for the superlattice peak intensity conforms with that for the fundamental (0, 2, 0) intensity, suggesting that the superlattice modulation is at least associated with the displacements of the Fe ions, The origin of the superlattice modulation is discussed within the exchange-striction model.

論文

Resonant magnetic X-ray diffraction study on the triangular lattice antiferromagnet GdPd$$_2$$Al$$_3$$

稲見 俊哉; 寺田 典樹*; 北澤 英明*; 酒井 治*

Journal of the Physical Society of Japan, 78(8), p.084713_1 - 084713_5, 2009/08

 被引用回数:10 パーセンタイル:56.76(Physics, Multidisciplinary)

Resonant magnetic X-ray diffraction experiments were carried out on the stacked triangular lattice antiferromagnet GdPd$$_2$$Al$$_3$$. The experiments revealed an expected initial collinear $$c$$-axis order at $$T_{rm N1}$$ followed by an additional in-plane order at $$T_{rm N2}$$, while at the same time we found that the ground state is a helically ordered state of a very long incommensurate period of approximately 700 ${AA}$. The distribution of K-domains was highly anisotropic, and the domain with the modulation vector normal to the surface of the crystal was ascendant. Low-field magnetization is discussed on the basis of the observed incommensurate magnetic structure.

論文

Oscillation photography applied to resonant X-ray diffraction

稲見 俊哉; 豊川 秀訓*; 寺田 典樹*; 北澤 英明*

Journal of Physics; Conference Series, 150, p.042069_1 - 042069_4, 2009/03

 被引用回数:1 パーセンタイル:62.72

Recently resonant X-ray diffraction has been used for detecting charge, magnetic and multipole orders. However, this technique practically surveys only a small portion of the reciprocal space. In this paper, we applied oscillation photography to resonant X-ray diffraction. For a test sample, we explored nearly a whole Brillouin zone and successfully observed resonant peaks. This feasibility study indicates that oscillation photography is useful for expanding observable areas and enhances capability of resonant X-ray diffraction.

論文

Identification of microscopic spin-polarization coupling in the ferroelectric phase of magnetoelectric multiferroic CuFe$$_{1-x}$$Al$$_x$$O$$_2$$

中島 多朗*; 満田 節生*; 稲見 俊哉; 寺田 典樹*; 大隅 寛幸*; Prokes, K.*; Podlesnyak, A.*

Physical Review B, 78(2), p.024106_1 - 024106_10, 2008/07

 被引用回数:35 パーセンタイル:79.39(Materials Science, Multidisciplinary)

We have performed synchrotron X-ray and neutron diffraction measurements on magnetoelectric multiferroic CuFe$$_{1-x}$$Al$$_x$$O$$_2$$ (x=0.0155), which has a proper helical magnetic structure with incommensurate propagation wave vector in the ferroelectric phase. The present measurements revealed that the ferroelectric phase is accompanied by lattice modulation with a wave number 2$$q$$, where $$q$$ is the magnetic modulation wave number. We have calculated the Fourier spectrum of the spatial modulations in the local electric polarization using a microscopic model proposed by T. Arima. Comparing the experimental results with the calculation results, we found that the origin of the 2$$q$$-lattice modulation is the variation in the metal-ligand hybridization between the Fe$$^{3+}$$ ions and O$$^{2-}$$ ions. Combining the present results with the results of a previous polarized neutron diffraction study, we conclude that the microscopic origin of the ferroelectricity in CuFe$$_{1-x}$$Al$$_x$$O$$_2$$ is the variation in the metal-ligand hybridization with spin-orbit coupling.

口頭

GdPd$$_2$$Al$$_3$$の共鳴磁気X線回折実験

稲見 俊哉; 寺田 典樹*; 北澤 英明*

no journal, , 

GdPd$$_2$$Al$$_3$$ではGdが三角格子を組んでおり、磁化過程に1/3プラトーが現れることから、典型的な弱いIsing異方性を持つHeisenberg型三角格子反強磁性体と考えられている。しかし、Gdを含むため中性子回折実験が行われておらず、詳しい磁気構造は不明のままであった。これを明らかにするために、共鳴磁気X線回折実験を行い、確かに二つの転移点が縦成分と横成分の逐次秩序になっていること、基底状態は三倍周期からわずかにずれた非整合秩序であることを明らかにした。

口頭

回転結晶法を用いた共鳴X線回折実験

稲見 俊哉; 寺田 典樹*; 北澤 英明*; 豊川 秀訓*

no journal, , 

共鳴X線回折実験は4f, 5fの多極子秩序の検出手段として非常に強力な手法であるが、現実的には逆空間の極一部しか走査できないという問題がある。一般的なX線回折実験では回転結晶法を用いることにより広く逆空間を探査することができる。そこでこの回転結晶法を共鳴X線回折実験に適用し、その実用可能性を検討したので報告する。

口頭

PrPd$$_3$$の低温物性

吉川 明子*; 鈴木 博之*; 寺田 典樹*; 河村 幸彦*; 北澤 英明*; 松田 雅昌; 目時 直人

no journal, , 

PrPd$$_3$$の相転移への多極子の効果を調べるために、$$^3$$He領域において、単結晶を用いた比熱の測定,多結晶を用いた中性子散乱実験を行った。比熱は、ゼロ磁場において0.88K($$T_1$$)及び0.77K($$T_2$$)に2つのピークを持ち、その温度は磁場を印加するに従い、$$T_1$$はほとんど変化せず、$$T_2$$は磁場により減少した。この磁場中比熱測定結果は、最近のZhangらによる多結晶の結果と定性的に同じ振舞いであり、彼らはこれらのピークの原因を四極子相転移及び四極子相互作用であると推測している。中性子散乱実験を行ったところ、相転移点以下で磁気的な秩序状態の存在を示唆する超格子反射が観測された。

口頭

Study of complex magnetic structures in frustrated magnets by means of polarized neutrons

加倉井 和久; 脇本 秀一; 松田 雅昌*; 石渡 晋太郎*; 奥山 大輔*; 田口 康二郎*; 十倉 好紀*; 西 正和*; 中島 多朗*; 満田 節生*; et al.

no journal, , 

In studying modern functional materials, one is often confronted with complex spin configurations, for example, non-collinear, incommensurate magnetic structure such as helimagnetic structure as a result of frustrated magnetic interactions. Since the giant functional responses in these materials are direct consequences of these complicated magnetic structures, the detailed knowledge of the structure is mandatory to understand the essence of the magnetic functional materials. In this presentation some recent results on complex magnetic materials such as frustrated and multiferroic systems are reported, where the polarized neutron investigations provided important insight into the complex behavior of these functional materials.

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