負ミュオンスピン・インジェクションによる非磁性核における核スピン緩和測定法の実現

• Project/Area Number: 19K21859
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 竹下 聡史 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 研究機関講師 (40450366)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 負ミュオンスピンインジェクション / 負ミュオン化化合物 / ミュオニック炭素 / 局所磁場 / 分子ダイナミクス / 負ミュオンスピン緩和法 / スピン緩和測定 / 分子運動 / スピンインジェクション / 疑似核

Outline of Research at the Start

■ゴム弾性を示す高分子では、外場応答に重要なMHz帯の分子運動を明確にすることが、その弾性性能の理解と改革に重要である。しかし、重要な炭素鎖のMHz帯分子運動を直接観測する手段は乏しい。■本提案はスピン偏極した負ミュオンを試料に打ち込むことにより、本来核スピン緩和測定が不可能な12C核にスピンを付与（スピン・インジェクション）し、核スピン緩和測定を実現するものである。この画期的手法により炭素核位置でのMHz帯ダイナミクス観測を実現する。本手法が確立されれば、核スピンを持たない核でも核スピン緩和測定が可能となり、多様な材料のダイナミクスの理解も格段に進展させ、新たな材料の創生につながる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、負ミュオンによるスピン緩和法を応用することにより、核スピンを持たない12C核において核スピン緩和測定を可能とする極めて画期的な手法（負ミュオンスピンインジェクション法）を実現するものである。
これまでに、高分子材料であるポリブタジエン等に対して本手法を適用し、観測された局所磁場が、一つの水素原子核のスピンと負ミュオンのスピンの2スピン間の双極子相互作用で説明できる事を明らかにした。これにより、本手法の実現可能性が示された。さらにこの局所磁場の相互作用の詳細を理解するために、シンプルな構造であるエチレンでの実験を行った。その結果、ポリブタジエンの場合と同様、上述の2スピン間の双極子相互作用で説明できる事を明らかにした。
2023年度においては、ミュオニックエチレンについて詳細な構造計算を行い、負ミュオンが束縛された炭素が疑似的なホウ素としてふるまい、ホウ素水素（BH-）とメチル基（CH3-）の化合物で実験結果が説明できる事を明らかにした。
以上から、本研究課題により、負ミュオンスピンインジェクション法により、核スピンを持たない12C核における核スピン緩和測定を実現し、またミュオニック化合物の化学構造計算より、構造及びサイトを同定する技術が開発された。この手法は、核スピンをもたない他の原子種への応用可能性も有しており、他の測定手法では実現が測定が困難な系へのさらなる応用を期待するとができる。

Research Products

• [Journal Article] Negative muon beam status at the D-line of MUSE, J-PARC (2024)
  • Author(s): Takeshita Soshi、Umegaki Izumi、Tampo Motonobu、Strasser Patrick、Ikedo Yutaka、Koda Akihiro、Higemoto Wataru、Yuasa Takahiro、Kawamura Naritoshi、Miyake Yasuhiro、Shimomura Koichiro
  • Journal Title: Interactions Volume: 245 Issue: 1 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1007/s10751-024-01877-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 有機化合物における負ミュオンスピン緩和測定 (2024)
  • Author(s): 竹下聡史
  • Organizer: 第14回「Muon科学と加速器研究」
• [Presentation] 有機化合物における負ミュオンの局所磁場測定 (2024)
  • Author(s): 竹下聡史，友野大，清谷多美子，梅垣いづみ，下村浩一郎，幸田章宏，西村昇一郎，中村惇平，杉山純，平石雅俊，岡部博孝，門野良典
  • Organizer: 2023年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] 高分子における負ミュオンの超微細相互作用の測定 (2023)
  • Author(s): 竹下聡史，友野大，清谷多美子，梅垣いづみ，下村浩一郎，幸田章宏，西村昇一郎，中村惇平，杉山純，平石雅俊，岡部博孝，門野良典
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] HYPERFINE INTERACTION OF NEGATIVE MUON IN ORGANIC COMPOUND (2023)
  • Author(s): Soshi Takeshita, Dai Tomono, Tamiko Kiyotani, Izumi Umegaki, Koichiro Shimomura, Akihiro Koda, Shoichiro Nishimura, Jumpei G. Nakamura, Jun Sugiyama, Masatoshi Hiraishi, Hirotaka Okabe, Ryosuke Kadono
  • Organizer: International Conference on Hyperfine Interactions and their Applications (HYPERFINE2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Negative muon spin relaxation measurement in polymer (2023)
  • Author(s): Soshi Takeshita, Dai Tomono, Tamiko Kiyotani, Izumi Umegaki, Koichiro Shimomura, Akihiro Koda, Shoichiro Nishimura, Jumpei G. Nakamura, Jun Sugiyama, Masatoshi Hiraishi, Hirotaka Okabe, Ryosuke Kadono
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023 Grand Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polymer dynamics in polybutadiene probed by μSR (2023)
  • Author(s): Soshi Takeshita
  • Organizer: μSR workshop on Life Sciences and Organic Materials
• [Presentation] 高分子における負ミュオンスピン緩和測定 (2022)
  • Author(s): 竹下聡史，梅垣いづみ，幸田章宏，西村昇一郎，中村惇平，神田聡太郎，下村浩一郎，門野良典，瀬戸秀紀
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Polymer dynamics and chemical state in negative muon spin relaxation measurement (2021)
  • Author(s): Soshi Takeshita, Izumi Umegaki, Jun Sugiyama, Koichiro Shimomura, Akihiro Koda, Masatoshi Hiraishi, Shoichiro Nishimura, Jumpei Nakamura, Hirotaka Okabe, Ryosuke Kadono
  • Organizer: MATERIALS RESEARCH MEETING 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 負ミュオンスピン緩和法を用いた高分子ダイナミクス測定法の開発 (2020)
  • Author(s): 竹下聡史,平石雅俊,幸田章宏,岡部博孝,西村昇一郎,中村惇平,神田聡太郎,下村浩一郎,門野良典,瀬戸秀紀,梅垣いづみ,杉山純
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 正負ミュオンによる高分子のμSR (2020)
  • Author(s): 竹下聡史
  • Organizer: ミュオン科学研究会「ソフトマター・ミュオニウム・強相関電子系におけるミュオンサイエンスの進展」
• [Presentation] 負ミュオンスピン回転・緩和・共鳴法の展望 (2020)
  • Author(s): 竹下聡史
  • Organizer: 第10回「muon科学と加速器研究」
• [Funded Workshop] μSR workshop on Life Sciences and Organic Materials (2023)