白色中性子ホログラフィーでの高分解能多検出器系の実装による軽元素超秩序構造の観測

• Project Area: Progressive condensed matter physics inspired by hyper-ordered structures
• Project/Area Number: 23H04095
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 大山 研司 茨城大学, 応用理工学野, 教授 (60241569)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 局所構造 / 軽元素 / 中性子ホログラフィー / J-PARC / 原子分解能ホログラフィー / 中性子 / ドーパント / 半導体 / 超秩序構造 / 水素

Outline of Research at the Start

申請者が世界で初めて実用化した白色中性子ホログラフィーを用いて、ドーパント誘起超秩序構造での軽元素挙動や合金での超秩序構造の解明を目指す。そのためにすでに準備ずみの高分解能検出器を用いて高分解能多検出器測定系を大強度陽子加速器施設J-PARC（茨城県）に導入する。これにより観測可能なドーパントを拡大し、軽元素が関連する超秩序構造の可視化が可能になる。特にPd単結晶での水素挙動の観測とFeCo合金の超秩序構造の観測に挑戦する。本研究は世界的にも申請者のみが実現可能であり、軽元素が関連する超秩序構造を解明する最も直接的な手法であることから、世界的に見ても独自性をもつ。

Outline of Annual Research Achievements

申請者が世界で初めて実用化した白色中性子ホログラフィーを用いて、当該研究領域「超秩序構造科学」の主要テーマであるドーパント誘起超秩序構造での軽元素挙動や合金での超秩序構造の解明を目指す。そのためにこれまで準備してきた高分解能検出器とホログラフィー実験用冷凍機を組み合わせた高分解能多検出器測定系を実装した白色中性子ホログラフィー実験を大強度陽子加速器施設J-PARC（茨城県）で実現する。これにより観測可能なドーパントを拡大し、軽元素が関連する超秩序構造の可視化を可能とする。本公募期間内では特にPd単結晶での水素挙動の観測とFeCo合金の超秩序構造の観測に挑戦する。本研究は世界的にも申請者のみが実現可能であり、機能性材料で重要な軽元素が関連する超秩序構造を解明する最も直接的な手法であることから、当該研究領域に世界的に見ても独自性を加える。当該研究領域の技術的柱である蛍光X線ホログラフィーでは困難な領域を申請者が担うことで、蛍光X線ホログラフィーと中性子ホログラフィーの相補利用が実現できることから「超秩序構造科学」を加速できるうえ、当該研究領域が目指す「世界拠点形成」と「日本のプレゼンス向上」に独自の貢献ができる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

放射光での実験技術が急速に発展しており、構造物性でのほとんどの実験が放射光施設で可能になっている今、材料科学での中性子、あるいは本研究計画の重要な役割は水素とスピンの観測で、この２つは放射光施設であってもほぼ観測不可能である。令和５年度には、当初計画の目標であるPd単結晶中の水素の観測で大きな進展があった。これは、二つの意義があり、J-PARCでの中性子ホログラフィーではじめて水素を観測できたこと、信号強度が過去の成功例元素（B, Sm, Eu）などにくらべ1/100-1/1000程度に弱いPdでの観測に成功していることである。これは当初研究計画で想定された高分解能CeBr3検出器での多検出器系の構築に加え、大強度型検出器BGO型検出器での多検出器系の構築が重要であった。本研究計画は、対象となる元素を拡大することを重要な目標としており、それを達成できた。また、多検出器系の構築に関連して、スピンの観測でも進展があり、論文を出版した。それゆえ、順調に進捗していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

令和６年度には、大強度型多検出器系をさらに拡張し、計画前と比べて信号強度で６倍から１０倍の増強を図り、データの信頼度の大幅な向上を目指す。引き続きPdH単結晶での水素観測、および室温強磁性体FeCoでの合金系での実験を行う。平行して、当初計画には含まれていないが、これまでの本研究計画の進展の中で、磁気散乱ホログラフィーの実現の可能性も見えてきたことから、その実現、実用化にむけ、磁気デバイス開発を進め、秋以降に実機を作成、磁気ホログラフィー実験を行う。これまでの成功から、中性子ホログラフィーでのドーパント周りの局所構造研究を希望する共同研究者も増えており、安全安価な熱電材料Mg2Snや長残光蛍光体開発などのテーマにも取り組む。すでに令和６年度前期で実験に回文に相当する１０日のマシンタイムを確保しており、後期でも同程度の日数を申請中である。

Research Products

• [Journal Article] Development of instruments for imaging of local magnetic structure by magnetic neutron holography (2024)
  • Author(s): Kanno Tomoya、Ohoyama Kenji、Nakada Hajime、Fukui Yuto、Yamakawa Kota、Hoshi Shota、Takano Motoki、Kobayashi Yodai、Tomimatsu Yuka、Takahashi Shingo、Oku Takayuki、Okudaira Takuya、Kobayashi Ryuju、Takada Shusuke、Harada Masahide、Oikawa Kenichi、Inamura Yasuhiro、Shishido Toetsu、Sato Keisuke、Hayashi Kouichi
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: - Pages: 169349-169349
  • DOI: 10.1016/j.nima.2024.169349
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Local Structures of Fe_0.08Co_0.92 Studied by X-ray Fluorescence Holography (2023)
  • Author(s): Fukui Yuto、Kanno Tomoya、Yamakawa Kota、Nakada Hajime、Kobayashi Yodai、Widyanisa Keiko、Tomimatsu Yuka、Kimura Koji、Shishido Toetsu、Happo Naohisa、Ohoyama Kenji、Hayashi Koichi
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 21 Issue: 4 Pages: 305-309
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2023-054
  • ISSN: 1348-0391
  • Year and Date: 2023-07-13
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Study of Local A tomic Fluctuation in RB6 with Cage Type Structure by High Energy Resolution White N eutron Holography (2023)
  • Author(s): Yodai Kobayashi, Yuka Tomimatsu , Koki Aizawa , Shuta Kawakami, Kouki Abe, Tomoko Kuroume , Masakatsu Takita, Fumitoshi Iga, Kenic hi Oikawa, M a sahide Harada , Yasuhiro Inamura, Koichi Ha yashi, Kenji Ohoyama
  • Organizer: Materials Research Meeting (MRM2023)/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A challenge of observing hydrogen atoms in metals using white neutron holography (2023)
  • Author(s): Y. Tomimatsu, Y. Kobayashi, K. Aizawa, S. Kawakami, K. Abe, T. Kuroume, M. Takita, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, S. Ajito , E. Akiyama, S. Orimo, K. Hayashi , K. Ohoyama
  • Organizer: Materials Research Meeting (MRM2023)/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of the position and surrounding structure of dopants in phosphors using white neutron holography (2023)
  • Author(s): K. Aizawa, S. Kawakami, Y. Kobayashi, Y. Tomimatsu, K. Abe, T. Kuroume, M. Takita, Y. Inamura, K. Oikawa, M. Harada, K. Hayashi, M. Kitaura, S. Kodama, H. Takeda and K. Ohoyama
  • Organizer: Materials Research Meeting (MRM2023)/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutron scattering technique with element selectivity for study of hyper-ordered structures of light elements (2023)
  • Author(s): K. Ohoyama, Y. Kobayashi, Y. Tomimatsu, K. Aizawa1, S. Kawakami, K. Abe, T. Kuroume, M. Takita, M. Harada, Y. Inamura, K. Oikawa, N. Happo, K. Hayashi
  • Organizer: Materials Research Meeting (MRM2023)/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of Local Atomic Fluctuation in RB 6 with Cage Type Structure by High Energy Resolution Neutron Holography (2023)
  • Author(s): Y. Kobayashi, Y Tomimatsu, K Aizawa, S. Kawakami, K. Abe, T. Kuroume, M. Takita, F. Iga, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, K. Hayashi, K. Ohoyama
  • Organizer: 8th International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University (ISQBS2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A challenge of observing hydrogen atoms in metals using white neutron holography (2023)
  • Author(s): Y. Tomimatsu, Y. Kobayashi, K. Aizawa, S. Kawakami, K. Abe, T. Kuroume, M.Takita, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, S.Ajito, E.Akiyama, S.Orimo, K.Hayashi, K.Ohoyama
  • Organizer: 8th International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University (ISQBS2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local structure analysis around rare earth ions in long persistent phosphors by complementary use of neutron and synchrotron radiation (2023)
  • Author(s): K. Aizawa, S. Kawakami, Y. Kobayashi, Y. Tomimatsu, K. Abe, T. Kuroume, M. Takita, Y. Inamura, K. Oikawa, M. Harada, K. Hayashi, M. Kitaura, S. Kodama, H. Takeda and K. Ohoyama
  • Organizer: 8th International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University (ISQBS2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single crystal growth for observation of B fluctuations around Er in Er-doped YbB6 (2023)
  • Author(s): Masakatsu Takita, Koki Abe, Tomoko Kuroume, Yodai Kobayashi, Yuka Tomimatsu, Koki Aizawa, Shuta Kawakami, Riki Kamijou, Fumitoshi Iga, Kouichi Hayashi, Kenji Ohoyama
  • Organizer: 8th International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University (ISQBS2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Toward Hydrogen Observation by White Neutron Holography Optimization of Analysis Conditions (2023)
  • Author(s): K. Abe, M. Takita, T. Kuroume, K. Aizawa, S. Kawakami, Y. Kobayashi, Y. Tomimatsu, S. Ajito, E. Akiyama, M. Harada, S. Orimo, K. Oikawa, Y. Inamura, K. Hayashi, K. Ohoyama
  • Organizer: 8th International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University (ISQBS2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高分解能化白色中性子ホログラフィーによる希土類ホウ化物RB6の局所原子揺らぎの研究 (2023)
  • Author(s): 小林洋大, 富松優花, 會澤幸希, 川上修汰, 阿部幸樹, 黒梅智子, 滝田正勝, 伊賀文俊, 原田正英B, 及川健一, 稲村泰弘, 林好一, 大山研司
  • Organizer: 日本物理学会２０２３年秋季大会
• [Presentation] 白色中性子ホログラフィーを用いたPd中の水素観測への挑戦 (2023)
  • Author(s): 富松優花, 小林洋大, 會澤幸希, 川上修汰, 阿部幸樹A, 黒梅智子A, 滝田正勝A, 原田正英B, 及川健一B, 稲村泰弘B, 味戸沙耶C, 秋山英二C, 折茂慎一C, D, 林好一E, 大山研司
  • Organizer: 日本物理学会２０２３年秋季大会
• [Presentation] 白色中性子ホログラフィーを用いた長残光蛍光体Ca2Al2SiO7：SmのSm周りの局所構造研究 (2023)
  • Author(s): 會澤幸希, 川上修汰, 小林洋大, 富松優花, 阿部幸樹, 黒梅智子, 滝田正勝, 稲村泰弘, 及川健一, 原田正英, 林好一, 北浦守, 小玉翔平, 武田博明, 大山研司
  • Organizer: 日本物理学会２０２３年秋季大会
• [Presentation] 高分解能化中性子ホログラフィーによる希土類ホウ化物 RB6 の局所原子揺らぎの研究 (2023)
  • Author(s): 小林 洋大, 富松 優花, 會澤 幸希, 川上 修汰, 阿部 幸樹, 黒梅 智子, 滝田 正勝, 大山 研司, 伊賀 文俊, 原田 正英, 及川 健一, 稲村 泰弘, 林 好一
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] 長残光蛍光体中の希土類イオンの局所構造解析 (2023)
  • Author(s): 會澤 幸希, 川上 修汰, 小林 洋大, 富松 優花, 阿部 幸樹, 黒梅 智子, 滝田 正勝, 大山 研司, 原田 正英, 及川 健一, 稲村 泰弘, 林 好一, 北浦 守, 小玉 翔平, 武田 博明
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] 白色中性子ホログラフィーによる Li,B 共ドープ Mg2Sn 熱電材料の研究 (2023)
  • Author(s): 黒梅 智子, 阿部 幸樹, 滝田 正勝, 小林 洋大, 富松 優花, 會澤 幸希, 川上 修汰, 原田 正英, 及川 健一, 稲村 泰弘, 林 慶, 黄 志成, 宮_ 讓, 林 好一, 大山 研司
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] Er ドープ YbB6 における Er まわりの B ゆらぎ観測のための単結晶育成 (2023)
  • Author(s): 滝田 正勝, 阿部 幸樹, 黒梅 智子, 小林 洋大, 富松 優花, 會澤 幸希, 川上 修汰, 伊賀 文俊, 林 好一, 大山 研司
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] 白色中性子ホログラフィーを用いた水素位置決定への挑戦 (2023)
  • Author(s): 富松 優花, 小林 洋大, 曾澤 幸希, 川上 修汰, 阿部 幸樹, 黒梅 智子, 滝田 正勝, 原田 正英, 及川 健一, 稲村 泰弘, 味戸 沙耶, 秋山 英二, 折茂 慎一, 林 好一, 大山 研司
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] 白色中性子ホログラフィーによる原子像再生の最適条件の探査 (2023)
  • Author(s): 阿部 幸樹, 滝田 正勝, 黒梅 智子, 會澤 幸希, 川上 修汰, 小林 洋大, 富松 優花, 原田 正英, 及川 健一, 稲村 泰弘, 林 好一, 大山 研司
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Book] Hyperordered Structures in Materials (2023)
  • Author(s): K. Hayashi K. Ohoyama 他29人
  • Total Pages: 373
  • Publisher: Springer Singapore
  • ISBN: 9789819952373