X線磁気トモグラフィー法を用いた３次元ナノ磁区構造観察による磁性機能の解明

• Project/Area Number: 20H00349
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Kwansei Gakuin University (2021-2023); Japan Synchrotron Radiation Research Institute (2020)
• Principal Investigator: 鈴木 基寛 関西学院大学, 工学部, 教授 (60443553)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 関 真一郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70598599) ; 小野 輝男 京都大学, 化学研究所, 教授 (90296749)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥45,630,000 (Direct Cost: ¥35,100,000、Indirect Cost: ¥10,530,000); Fiscal Year 2023: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000); Fiscal Year 2022: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000); Fiscal Year 2021: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000); Fiscal Year 2020: ¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000)
• Keywords: ３次元磁区観察 / スキルミオン / 焼結永久磁石 / X線イメージング / 磁気イメージング / ３次元磁区構造 / 放射光 / Ｘ線イメージング / 磁区構造 / トポロジカル磁区構造 / トポロジカル磁気構造

Outline of Research at the Start

磁性体の物理的・工学的な性質は、内部に存在する「磁区」とよばれる構造によって支配される。そのため、磁区観察は磁性研究の有力な手段となっている。しかし従来の方法では試料表面の磁区観察しか行えなかった。本研究では、透過力の高い放射光Ｘ線を用いることで、試料内部の３次元的な磁区構造を直接観測可能とする磁気トモグラフィー法を開発し、立体的な３次元磁区構造と磁性との関係を解明することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究で開発を行ってきた強磁場印加条件での走査型X線磁気トモグラフィー法を、最先端のネオジム焼結磁石材料である磁石粒径 300 nm の熱間加工磁石試料に適用した。印加磁場強度を細かく制御することにより、磁化反転の起点となる反転核の形成過程、および核を起点とした磁化反転過程を3次元観察することに成功した。反転領域が磁石粒単位で拡張していく過程を実験的に直接に観察し、明らかにした点に大きな意義がある。現在、論文を準備している。
また、結像型X線磁気トモグラフィー法の開発を継続し、結像ミラー光学系を採用することで磁気トモグラフィーデータの精度向上を試みた。画像検出器には予定していた直接撮像型ではなくシンチレータを用いた間接撮像型を用いた。数種類のシンチレータ材料による画像データを比較検討し、最適な条件を決定した。その結果、フレネルゾーンプレート光学系によるデータと比べて統計精度の向上がみられた。一方で、XMCDによる磁気画像には試料周辺部にアーティファクトが重畳する問題が明らかになった。このアーティファクトの原因の究明と除去が今後の課題である。
さらに、焼結磁石材料の3次元微細構造・結晶方位と磁区構造の相関を明らかにするため、X線回折イメージング法の開発を行った。平均粒径5μmの商用焼結磁石材料について、結晶方位の3次元マップの予備的な結果を得ることができた。今後、EBSD像やSEM像との比較により、本手法の信頼性および精度を詳細に検討していく必要がある。本研究で開発したX線磁気トモグラフィー法による3次元磁区観察と相補的な情報が得られる、新たなX線マルチモーダル3次元解析法として、本科研費課題終了後も研究開発を継続して行っていく。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Intrinsic Magnetic Proximity Effect at the Atomically Sharp Interface of CoxFe3-xO4/Pt Grown by Molecular Beam Epitaxy (2023)
  • Author(s): Nodo Shoto、Yamane Ichiro、Suzuki Motohiro、Okabayashi Jun、Yokokura Seiya、Shimada Toshihiro、Nagahama Taro
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 8 Issue: 28 Pages: 24875-24882
  • DOI: 10.1021/acsomega.3c00935
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Unveiling the origin of the large coercivity in (Nd, Dy)-Fe-B sintered magnets (2023)
  • Author(s): Tang Xin、Li Jiangnan、Sepehri-Amin Hossein、Bolyachkin Anton、Martin-Cid Andres、Kobayashi Shintaro、Kotani Yoshinori、Suzuki Motohiro、Terasawa Asako、Gohda Yoshihiro、Ohkubo Tadakatsu、Nakamura Tetsuya、Hono Kazuhiro
  • Journal Title: NPG Asia Materials Volume: 15 Issue: 1 Pages: 20-20
  • DOI: 10.1038/s41427-023-00498-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Three-dimensional visualization of magnetization reversal behavior inside a high-performance Nd-Fe-B permanent magnet (2023)
  • Author(s): M. Suzuki, S. Okamoto
  • Journal Title: SPring-8/SACLA Research Frontiers 2022 Volume: 1 Pages: 60-61
• [Journal Article] Extremely Long Chains of Magnetic Particles via Large Plastic Beads Observed in Bimodal Magnetic Elastomers (2023)
  • Author(s): Urano Rio、Chen Kejun、Akama Shota、Takeda Yoshihiro、Maruyama Takayuki、Suzuki Motohiro、Takeuchi Akihisa、Uesugi Masayuki、Kawai Mika、Mitsumata Tetsu
  • Journal Title: Langmuir Volume: 39 Issue: 14 Pages: 5137-5144
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c00150
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 放射光X線を用いた磁気分光とイメージング (2023)
  • Author(s): 鈴木基寛
  • Journal Title: 日本磁気学会誌「まぐね」 Volume: 18 Pages: 87-97
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Real picture of magnetic domain dynamics along the magnetic hysteresis curve inside an advanced permanent magnet (2022)
  • Author(s): Takeuchi Makoto、Suzuki Motohiro、Kobayashi Shintaro、Kotani Yoshinori、Nakamura Tetsuya、Kikuchi Nobuaki、Bolyachkin Anton、Sepehri-Amin Hossein、Ohkubo Tadakatsu、Hono Kazuhiro、Une Yasuhiro、Okamoto Satoshi
  • Journal Title: NPG Asia Materials Volume: 14 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41427-022-00417-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Appearance of Ferromagnetism in Pt(100) Ultrathin Films Originated from Quantum-well States (2022)
  • Author(s): Yamada Tatsuru、Ochiai Keisuke、Kinoshita Hirofumi、Sakuragi Shunsuke、Suzuki Motohiro、Osawa Hitoshi、Kageshima Hiroyuki、Sato Tetsuya
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 12
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.124708
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In Situ Observation of the Movement of Magnetic Particles in Polyurethane Elastomer Densely Packed Magnetic Particles Using Synchrotron Radiation X-ray Computed Tomography (2022)
  • Author(s): Chen Kejun、Watanabe Mayuko、Takeda Yoshihiro、Maruyama Takayuki、Uesugi Masayuki、Takeuchi Akihisa、Suzuki Motohiro、Uesugi Kentaro、Yasutake Masahiro、Kawai Mika、Mitsumata Tetsu
  • Journal Title: Langmuir Volume: 38 Issue: 44 Pages: 13497-13505
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c02004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 放射光X線磁気トモグラフィーによる永久磁石材料内部の3次元磁区構造観察 (2022)
  • Author(s): 鈴木基寛、岡本聡
  • Journal Title: 日本磁気学会誌「まぐね」 Volume: 17 Pages: 187-193
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct visualization of the three-dimensional shape of skyrmion strings in a noncentrosymmetric magnet (2022)
  • Author(s): S. Seki, M. Suzuki, M. Ishibashi, R. Takagi, N. D. Khanh, Y. Shiota, K. Shibata, W. Koshibae, Y. Tokura & T. Ono
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 21 Issue: 2 Pages: 181-187
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01141-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ｘ線磁気トモグラフィーによる３次元磁区構造観察 (2022)
  • Author(s): 鈴木基寛
  • Journal Title: Ｘ線・EUV結像光学ニューズレター Volume: No. 54 Pages: 11-15
  • Open Access
• [Presentation] Magnetic tomography imaging using a scanning hard X-ray nanoprobe at BL39XU SPring-8 (2023)
  • Author(s): Motohiro Suzuki
  • Organizer: The First Experiments Workshop for the 4-ID POLAR Beamline at the Argonne Photon Source (APS)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Three-dimensional observation of magnetic microstructures by scanning X-ray magnetic tomography (2023)
  • Author(s): Motohiro Suzuki
  • Organizer: 2023 KPS Fall Meeting, Pioneer Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Three-dimensional visualization of magnetic domain structures using X-ray magnetic micro-tomography (2022)
  • Author(s): Suzuki Motohiro
  • Organizer: XOPT2022 International Conference on X-ray Optics and Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Three-dimensional visualization of magnetic domain structures by X-ray magnetic tomography (2022)
  • Author(s): Suzuki Motohiro
  • Organizer: ICMFS-2022, 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Anomalous Hall effect and proximity induced magnetism in CoFe2O4/Pt interface (2022)
  • Author(s): S. Nodo, I. Yamane, M. Suzuki, S. Yokokura, T. Shimada, T. Nagahama
  • Organizer: ICMFS-2022, 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ｘ線磁気トモグラフィーによるスキルミオンひも構造の３次元形状の可視化 (2022)
  • Author(s): 鈴木基寛、関真一郎、石橋未央、高木里奈、Nguyen Duy Khanh、塩田陽一、柴田基洋、小椎八重航、十倉好紀、小野輝男
  • Organizer: 第35日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] XFEL照射によって誘起されるフェムト秒磁気ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 鈴木基寛、泉 瞭、岡部純、久保壮生、堀尾眞史、鷲見寿秀、和田哲弥、久保田雄也、宮西宏併、富樫 格、松田 巌、大河内拓雄、山田貴大、田中義人
  • Organizer: 第35日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 可視光プローブ時間分解磁気顕微鏡の開発とXFEL誘起高速磁気ダイナミクスの解析 (2022)
  • Author(s): 泉 瞭、岡部純幸、久保壮生、久保田雄也、宮西宏併、富樫 格、大河内拓雄、山田貴大、松田 巌、和田哲弥、鷲尾眞史、鷲見寿秀、田中義人、鈴木基寛
  • Organizer: 第35日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 磁気スキルミオンストリングの３次元形状の観察 (2022)
  • Author(s): 関真一郎、鈴木基寛、石橋未央、高木里奈、Nguyen Duy Khanh、塩田陽一、柴田基洋、小椎八重航、十倉好紀、小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Visualizing three-dimensional magnetic domain structures by synchrotron-based magnetic X-ray microtomography (2021)
  • Author(s): Motohiro Suzuki
  • Organizer: The 5th International Conference on Materials Engineering and The 6th International Conference on Nanotechnology and Nanomaterials in Energy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 放射光によるNd-Fe-B焼結磁石の二次・三次元磁区解析 (2020)
  • Author(s): 鈴木基寛
  • Organizer: 日本学術振興会 結晶成長の科学と技術 第161委員会第116回研究会
  • Invited
• [Book] International Tables for Crystallography Vol. I (X-ray Absorption Spectroscopy and Related Techniques) (2023)
  • Author(s): Motohiro Suzuki
  • Total Pages: 800
  • Publisher: International Union of Crystallograpy
• [Book] Nanomagnetic Materials, Fabrication, Characterization and Application (2021)
  • Author(s): Motohiro Suzuki, Eds. Akinobu Yamaguchi, Atsufumi Hirohata, Bethanie Stadler
  • Total Pages: 784
  • Publisher: Elsevier
  • ISBN: 9780128223499
• [Remarks] 共同発表）最先端の永久磁石材料内部の微小磁石の振舞いを３次元で透視
  • URL: https://www.kwansei.ac.jp/news/detail/4695
• [Remarks] 鈴木基寛・工学部教授ら研究グループが最先端の永久磁石材料内部の微小磁石の振舞いを３次元透視観察に成功
  • URL: https://www.kwansei.ac.jp/news/detail/4696
• [Remarks] 磁石の中の竜巻（スキルミオンひも）の三次元形状の可視化に成功～新しい磁気情報処理手法の開拓に期待
  • URL: https://www.kwansei.ac.jp/news/detail/4500