Ferroelectric materials are widely used in modern electric devices such as memory elements, filtering devices and high-performance insulators. Ferroelectric crystals have a spontaneous electric polarization arising from the coherent arrangement of electric dipoles. First-principles calculations and electron density analysis of ferroelectric materials have revealed that the covalent bond between the anions and cations, or the orbital hybridization of electrons on both ions, plays a key role in establishing the dipolar arrangement. However, an alternative model—electronic ferroelectricity—has been proposed in which the electric dipole depends on electron correlations, rather than the covalency. This would offer the attractive possibility of ferroelectric materials that could be controlled by the charge, spin and orbital degrees of freedom of the electron. Here we report experimental evidence for ferroelectricity arising from electron correlations in the triangular mixed valence oxide, LuFe₂O₄. Using resonant X-ray scattering measurements, we determine the ordering of the Fe²⁺ and Fe³⁺ ions. They form a superstructure that supports an electric polarization consisting of distributed electrons of polar symmetry. The polar ordering arises from the repulsive property of electrons—electron correlations—acting on a frustrated geometry.

強誘電体は現在メモリやフィルタ素子、高い絶縁性材料のような電気デバイスとして広く使用されている。強誘電体結晶は電気双極子のコヒーレントな配置から生じる電気分極を持つ。第一原理計算や電子密度解析から、陰イオンと陽イオンの間の共有結合、または両イオンの電子軌道の混成が、双極子の配置を形成する重要な役割を担うことが分かってきた。しかし、今回報告する強誘電性のモデルは電気双極子が強誘電性よりも電子相関に大きく依存するタイプであると考えられる。このことは、強誘電体が電子の自由度である電荷、スピン、軌道によって制御できるという魅力的な可能性を示している。ここで、私どもは三角格子内に混合価数を有する酸化物LuFe₂O₄における、電子相関から生じる強誘電性の実験結果を報告する。共鳴Ｘ散乱実験から、Fe²⁺とFe³⁺の秩序化が分かった。それらは、対称性を持って分布した電子による電気分極を持つような超格子構造を形成する。このイオンの秩序化は、フラストレーション系の電子相関の反発特性から生じている。

Naoshi Ikeda, Hiroyuki Ohsumi, Kenji Ohwada, Kenji Ishii, Toshiya Inami, Kazuhisa Kakurai, Youichi Murakami, Kenji Yoshii, Shigeo Mori, Yoichi Horibe and Hijiri Kitô, Nature 436, 1136-1138