偉大な発見というものは、時としてそれがどれほど重要なものになるか、誰も気づかないうちになされることがあります。 たとえば、C V ラマンは、光が散乱するとエネルギーが変化することを発見して、1930年にノーベル物理学賞を受賞しましたが、ラマン分光法が貴重な研究ツールとなったのは、1960年にレーザーが発明されてかなり経ってからのことでした。 同様に、ポール・ディラックが 1933 年にノーベル賞を受賞した反粒子に関する奇想天外かつ大胆な提案が、半世紀後に陽電子放射断層撮影法につながるとは誰も想像していなかったことでしょう。 それは、今から 100 年前の 1920 年に、アメリカのミネアポリスにあるミネソタ大学の William Swann 教授のもとで、当時大学院生だった Joseph Valasek (1897-1993) によってなされたものです。 ヴァラセックは、地震の振動を測定する地震計を開発するために、圧電結晶を利用できないかと考えたのです。 ワインから抽出されたこの物質は、ロッシェル塩またはセニエ塩と呼ばれ、化学式は酒石酸ナトリウムカリウム四水和物（KNaC4H4O6・4H2O）である。 ヴァラセックはこの物質の試料を電場Eに置いたところ、その結果生じる電気分極Pが異常に変化することに気づいた

電場を高くすると分極は大きくなり、P対EのグラフはS字カーブを描くようになった。 しかし、再び電界を下げると、同じようなカーブを描きながらも、偏光は常に前より高くなった。 つまり、電界が上昇するか下降するかによって、偏光の正確な値が変わる、ヒステリシスを示していたのである（図1）。 あまりに珍しいので、スワンは1920年4月にメリーランド州ゲイサーズバーグで開かれたアメリカ物理学会の会合で、「ロッシェル塩の圧電現象および関連現象」と題する論文でこの観測結果を発表した。 (

SwannとValasekはヒステリシスの原因を知りませんでしたが、その30年前にスコットランドの物理学者James Alfred Ewingが発見したものと類似していました。 彼は、ある種の強磁性体において、磁場の変化に応じて磁気モーメントが変化することに着目し、同様の挙動を示すことを発見したのである。

安定した成功

現在「フェロエレクトリック」と呼ばれており、これらの材料は現代生活において驚くべき用途があります (「フェロエレクトリックスの応用：ベスト5」参照)。 1912年、エルヴィン・シュレーディンガーが、ある種の液体が固化するときに自発的に分極することを予言し、この言葉を作り出した。 しかも、ヴァラセックの発見は、ほとんど知られることなく終わった。 彼は、1921年から1924年にかけて、Physical Review誌に4つの論文を書き、1927年には、Science誌にも論文を書きましたが、1920年代を通して、この現象の理論的な根拠を確立しようとする試みはなされませんでした。 実際、1930 年代後半になるまで、「強誘電体」という言葉を文献で再び使用する人はいませんでした。 1946 年に後にノーベル賞を受賞する物理学者である Vitaly Ginzburg がこのテーマで古典的な論文を書いてから、研究が本格的に始まりました。 ロッシェル塩と違って水に溶けず、室温で化学的に安定で、電気的、機械的特性もはるかに優れている。 チタン酸バリウムは、高エネルギー密度コンデンサに最適な材料でしたが、研究者がその電気特性にヒステリシスを持つ強誘電体であることに気づいたのは、戦後になってからのことでした。

強誘電体の系統的な研究の結果、1968年に東京の日立中央研究所の会津啓一郎などの研究者が、材料の弾性ひずみと加えられた応力の間に同様のヒステリシス的関係が存在することを予測したのです。 フェロエラスティック」と呼ばれるこれらの材料のいくつかは、特定の温度以下に冷却して機械的に歪ませた後、再び加熱すると元の形状に戻るという珍しいものです

言い換えれば、これらのフェロエラスティックは、元の物理的・幾何的形状を「記憶」します。 ニッケルチタンのような「形状記憶合金」は作動装置や位置決め装置に広く使われているし、海底の電線から曲げられるメガネのフレームにまで使われているものもある。

Meet the family

1960 年代後半までに、物理学者は強誘電体、強磁性体、強弾性体の 3 種類のヒステリシスを示す材料を知っていました。 強誘電体は電気双極子、強磁性体は磁気、強弾性体は歪みというように、隣り合う結晶領域が互いに反対方向を向く性質があり、外場によってそれらがすべて同じ方向を向くように「スイッチ」できることが共通点である。 実際、ギンズブルグと、後にノーベル賞を受賞するレフ・ランダウは、3つのタイプのすべての挙動を、単一の、単純な、現象論的理論で説明することができた。

一部の科学者は、これらの物質を「強磁性」という共通のバナーの下にグループ化し始め、多くの物質が実際には鉄分を含まないのに、この名前が文献に残っている。 実際、1970年代には「フェロトロイディクス」と呼ばれる、トロイド磁場（電場と磁場の積）にヒステリシスを持つ第4のフェロイック物質群が発見された。 リン酸コバルトリチウム(LiCo(PO4)3)などの材料は、隣接するドメインに磁気渦を持ち、それを並べることができる。 マルチフェロイックス」と呼ばれるこの物質には、電界で磁化を、磁界で分極を制御できる「磁電性」物質が含まれる（1894年にピエール・キュリーが提案したもの）。 強誘電体の最も興味深い点は、そのような材料が圧電性 (圧力をかけると電気を発生する) や焦電性 (温度の変化を受けると電気を発生する) でもあるということです。 これらの特性を活かして、強誘電体は高エネルギー密度コンデンサーやナイトビジョン、超音波医療機器、エネルギーハーベスティングのためのスマートテクノロジー、アクチュエーターやトランスレーターなど、さまざまな用途に利用されている。

The future is ferroelectric

強誘電体の発見から1世紀、ニッチな研究分野として始まったこのテーマは、ナノからマクロのスケールまで無数のアプリケーションに牽引されて、現在までに2万以上の研究論文を発表し、大きな成長を遂げています。 強誘電体の挙動は、アミノ酸やブタの大動脈血管の壁などで確認されており、生物学の分野にも広がってきている。 強誘電体は、多くの人間の「多機能感覚システム」を再現するセンサを作るために使用することもできます。

その他の興味深い開発には、「リラクサー」（誘電応答が印加磁場の周波数に依存する）や「量子常誘電体」（量子ゆらぎが強誘電体秩序の発生を抑制する）などのエキゾチックな材料があります。 研究者たちは、2次元強誘電体の研究にも着手しており、原子レベルでの蒸着や第一原理計算により、人体の研究に特に役立つ新しい種類のナノスケールデバイスやセンサーの実現が期待されている。 結局のところ、皮膚、髪、爪、および他の多くの生体組織は、電界にさらされると圧電体および強誘電体として動作し、圧電応答力顕微鏡はすでに人間の生体機能に関する定量的データを提供しています。 100年前に一人の大学院生が行った無害な実験的観察から始まったことは、今後100年以上にわたって、科学、技術、そして生命に恩恵を与え続けるものと信じています。

強誘電体の応用：ベスト5

高エネルギーキャパシタと高効率エネルギー貯蔵デバイス

Application of the Ferroelectrics: The Best of Five of the Best

High-energy capacitors and efficient energy storage devices

（「強誘電体の応用」）。 Ella Maru Studio/Science Photo Library）

強誘電体の大きな利点は、誘電率が非常に高く、多くのエネルギーを蓄えることができることです。 したがって、小型バッテリのような高エネルギー密度アプリケーションのほとんどのコンデンサは、強誘電体材料を使用しています。 また、強誘電体は電気抵抗が非常に高い絶縁体であるにもかかわらず、電気抵抗がゼロの新しい材料の発見にも重要な役割を果たした。 1980年代半ば、チューリッヒにあるIBMの研究所で、後にノーベル賞を受賞する物理学者アレックス・ミュラーは、強誘電体を含むペロブスカイトという物質群の研究を行っていた。 ミュラーは、基本構造を維持したまま組成を微調整することで、これらの材料が約40Kで抵抗なく電流を流すことを発見し、また、液体窒素の温度で同様の挙動を示す材料も発見した。

ナイトビジョン技術

夜に「見える」カメラには、温度の変化に反応して電荷を生成する材料が必要とされます。 熱したり冷やしたりすると電圧が発生する焦電体もありますが、硫酸トリグリシンのような強誘電体を使うのがよいでしょう。 人体から放射される赤外線を強誘電体のアレイに集光すると、強誘電体が光を吸収して電圧に変換し、人体の温度プロファイルに対応する画像を作成することができる。 このようなカメラは、医療、セキュリティ、ナイトビジョンなどにも利用されている。 動物学者たちは、ニューギニアの野犬など、以前は絶滅したと思われていた動物をナイトビジョン装置で確認したこともある。

医療用超音波と水中音響

すべての強誘電体は圧電体であり、物体から圧力を受けると電圧を発生させます。 その電圧を使って、物体の画像を作成することができます。 しかし、圧力は直接物理的な接触によるものでなくとも、物体に応力を加えて反射した音波でも受けることができる。 強誘電体は、母親の胎内で胎児がどのように成長し、発育しているかを確認するための画像として、医療の現場で広く使われている。 魚の群れなど、水中で跳ね返った音波を拾うハイドロフォンも同じ原理だ。 また、強誘電体は海底の地形図にも使われており、例えば2014年には、クアラルンプールから北京へのフライト中にインド洋南部のどこかで消息を絶ったマレーシア航空MH370便の位置を特定するのに使われた。

アクチュエーターとトランスレーター

すべての強誘電体が圧電性であると考えると、電場をかけると、その物質はその基本結晶構造によって決まる1つか複数の許容方向に沿って寸法が変更されます。 その大きさは1ボルトあたり数ピコメートルにしかなりませんが、それでも非常に貴重なものです。 例えば、チタン酸ジルコニウム鉛のような強誘電体は、物質中の個々の原子を見るための原子間力顕微鏡や、ゲルト・ビニッヒとハインリッヒ・ローラーが1986年にノーベル物理学賞を受賞した走査トンネル顕微鏡に使用されている。 また、ピエゾフォース顕微鏡や磁力顕微鏡にも同様の材料が使われている。 1991年にNASAがハッブル宇宙望遠鏡の鏡の欠陥を修正するために使用した装置にも、強誘電体であるニオブ酸マグネシウム・チタン酸鉛が使用されている。 銀河系M100の中心部のような、以前は白飛びしていた画像も、今ではずっと鮮明になりました（上の左右の画像を比較してください）。

エネルギーハーベスティング

強電気物質は入力推力の影響を受けて発電できますので、ポリマー中に埋め込まれたチタン酸ジルコニウム鉛などの一部を、熱や騒音として失われた自動車やローリーのエネルギーを採取するのに使うことができるかもしれないということを意味します。 このようなデバイスから発電できる電力は、現在のところ比較的小さく、通常は数ミリワットである。これは、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）シートとそのポリマー複合体をベースにしているためである。 しかし、デバイスの生産規模を拡大する安価な方法を見つけることができれば、勝者になることができるだろう。 エネルギーハーベスティングデバイスのもうひとつの有望な応用分野は、非常に小さなエネルギーしか必要としない医学や生物学の分野である。 心臓の動きを維持するために電池式のペースメーカーを装着している患者にとって、エネルギーハーベスティング・デバイスは大きな助けになるだろう。 電池が切れると、外科医が患者を手術して電池を交換するしかない。 しかし、もし電池が、心拍の推進力から直接強誘電体材料に発生する電圧によって充電されるなら、そのような手術は過去のものとなるでしょう」