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2012 Fiscal Year Annual Research Report

Spin transport and catalytic reactions in the boundary regions

Planned Research

Project AreaFrontier of Materials, Life and Elementary Particle Science Explored by Ultra Slow Muon Microscope
Project/Area Number 23108003
Research InstitutionUniversity of Yamanashi

Principal Investigator

鳥養 映子  山梨大学, 医学工学総合研究部, 教授 (20188832)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 朝倉 清高  北海道大学, 触媒化学研究センター, 教授 (60175164)
杉山 純  株式会社豊田中央研究所, 分析研究部・ナノ解析研究室, 研究員 (40374087)
菅原 洋子  北里大学, 理学部, 教授 (10167455)
下村 浩一郎  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, 准教授 (60242103)
吉野 淳二  東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (90158486)
永嶺 謙忠  独立行政法人理化学研究所, 山崎原子物理研究室, 研究員 (50010947)
Project Period (FY) 2011-04-01 – 2016-03-31
Keywords超低速ミュオン / スピントロニクス / 触媒化学 / 電池材料 / 生体物質 / スピン伝導 / イオン伝導 / 電子伝達
Outline of Annual Research Achievements

本計画班は、伝導と反応を伴う諸現象の機構を、「動的過程を伴う相互作用のスピン選択性」という統一的な視点から解明する新しい融合分野の開拓を目指す。次の4つのモデルシステムについて、超低速ミュオン顕微鏡を用いて内在するスピンの時間発展を観測するための準備研究を進めた。
1、界面近傍におけるスピン伝導:Si中の直接励起伝導電子スピン偏極計測及びGaAs中の負ミュオニウムの伝導電子スピン偏極依存性に関する理論研究で新しい発見があった。普遍的スピン注入のための偏極加速電子銃の開発を進めた。走査トンネル顕微鏡により、磁性半導体界面の形成過程とその超格子構造の磁気特性の構造依存性から、低温で発現する強磁性の発現機構を明らかにした。
2、触媒化学反応:格子欠陥にトラップされた電子やホールの動的挙動を解明して触媒作用の機構を解明するために、予備研究として、光触媒材料TiO2について酸素欠陥を制御した試料について次の基礎データを蓄積した。アナトース粉末結晶におけるミュオン緩和率の粒径(表面積/体積比)依存性及びルチル単結晶の還元処理効果。
3、電気化学を担うイオン伝導:各種電池材料(正極・電解質・負極)について、ミュオンスピン緩和測定により拡散挙動を調べ、材料本来のLi拡散係数を求め、他の手段と比較してキャリア濃度と電極の反応面積を導く手法を定量的に示した。NaxCoO2系のNa拡散、磁石材料の内部磁気構造、水素貯蔵材料の水素脱離挙動の測定に道を拓いた。
4、生命反応を司る電子伝達:シトクロムc中の電子伝達の水和構造依存性を調べ、水分子による分子間伝達の促進を見出した。緩衝液やアルブミン蛋白質等の水溶液中において、ミュオニウムのスピン緩和が純粋中と同様に酸素の混入により敏感に変化することを示した。シトクロムcの中性子構造解析により、酸化還元反応を担うヘム近傍の水和構造の解明を進めた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

超低速ミュオン顕微鏡(USMM)開発によって初めて実験研究が可能となる4つのモデルシステム全てに関して、既存のミュオン施設や実験装置を用いた予備実験を行い、基礎データを蓄積することができた。USMM用の試料作成、USMMに連結する試料準備装置の概念設計が進展し、関連する研究が順調に進んでいる。理論研究者らの協力により、表面近傍や欠陥におけるミュオンの状態や挙動のシミュレーション、計測原理の解明を進めることができた。これまでミュオンの応用が進んでいない触媒、構造生命科学の2分野で、関心を持つ研究者や、研究協力者が倍増した。
1、界面近傍におけるスピン伝導:GaAsからより一般的なSiに進めることが出来ている。また超低速ミュオンが威力を発すると期待される偏極電子銃が整備されつつある。光、磁性体、熱勾配等を用いる各種スピン注入の方法も順調に準備が進んでいる。薄膜試料のSTMによる基礎研究も進んでいる。
2、触媒化学反応:超低速ミュオンが立ち上がるまで、対象であるTiO2やSnO2などのキャラクタリゼーションを行い、欠陥の構造情報をできるだけ取得した。
3、電気化学を担うイオン伝導:各種電池材料のバルクや薄膜について、ミュオンスピン緩和測定により、イオン拡散挙動を明らかにしている。
4、生命反応を司る電子伝達:既存のミュオンビームを用いた実験により、電子伝達に関わる蛋白質について電子の振る舞いに含水量依存性がみられることを確認、また、水中の溶存酸素の反応を水中ミュオニウムのスピン緩和により高感度に検出できることを見出すなど着実な成果を得ている。

Strategy for Future Research Activity

研究計画通り平成25年度の超低速ミュオン顕微鏡による実験開始に向けて、前半は各種試料の基礎物性測定とミュオン予備実験を進めるとともに、本顕微鏡に接続する触媒反応チャンバー・生命科学実験装置を概念設計に基づき完成させる。平成25年8月~26年1月の加速器停止期間後に、超低速ミュオンを用いた本格実験を開始する予定である。平成26年度~27年度にかけて、超低速ミュオン部の性能(強度、深さ方向分解能、周辺装置性能等)及びマイクロビーム部の開発状況に合わせて、ピークを出す研究と、新たな応用分野の開拓を目指す研究のバランスを領域全体で議論し、他の計画班とも連携しながら進める。4つのモデルシステムにおける平成25年度の主な研究目標は次のとおりである。
1、界面近傍におけるスピン伝導:Siの光励起スピン偏極伝導電子のミュオニウムスピン交換反応による研究、偏極電子銃本体及び専用ミュエスアール実験装置の開発・製作。薄膜スピントロニクス材料中のスピン流の研究。
2、触媒化学反応:通常のミュオン実験に加え、レーザー照射ミュオン実験による光触媒材料中の格子欠陥の予備的研究、及び第一原理計算結果との比較によるミュオンの電子状態の道程。触媒反応チャンバーを用いて欠陥を制御した材料のミュオンによるキャラクタリゼーションと触媒反応性の研究。
3、電気化学を担うイオン伝導:薄膜試料による低速ミュオン実験・β-NMR実験によるLiイオンの拡散挙動の研究、多層膜中のLi分布測定。
4、生命反応を司る電子伝達:蛋白質、DNA、生体物質中の電子伝達関連物質における、水和水の調整や水素をD化した試料についての実験研究。

  • Research Products

    (51 results)

All 2013 2012 Other

All Journal Article (11 results) (of which Peer Reviewed: 11 results) Presentation (35 results) (of which Invited: 15 results) Remarks (5 results)

  • [Journal Article] Au clusters on TiO2(110) (1 × 1) and (1 × 2) surfaces examined by polarization-dependent total reflection fluorescence XAFS.2013

    • Author(s)
      W.J. Chun, K. Asakura et al.
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 117 Pages: 252-257

    • DOI

      10.1021/jp308567e

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Antiferromagnetic spin structure and Li-ion diffusion in Li2MnO3 probed by μ+SR2013

    • Author(s)
      un Sugiyama et al.,
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 87 Pages: 024409-1-11

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.87.024409

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] STM observation of MnAs initial growth surface on GaAs(001)-c(4×4)α and 6×6 reconstructions2013

    • Author(s)
      Masahiro Hiraoka, Junji Yoshino et al.
    • Journal Title

      Journal of Crystal Growth

      Volume: in press Pages: tbd

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2012.12.084

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] State-Selected Reaction of Muonium with Vibrationally Excited H22012

    • Author(s)
      Pavel Bakule, Eiko Torikai et al.
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. Lett.,

      Volume: 3(19) Pages: 2755-2760

    • DOI

      10.1021/jz3011496

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A numerical study of spin-dependent organization of alkali-metal atomic clusters using density functional method2012

    • Author(s)
      Xuan Liu , Haruhiko Ito, Eiko Torikai
    • Journal Title

      Journal of Nanoparticle Research

      Volume: 14 Pages: 1-15

    • DOI

      10.1007/s11051-012-1050-y

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Detection of Conduction Electron Spin Polarization in n-GaAs by Negative Muonium2012

    • Author(s)
      K. Yokoyama, K. Nagamine, K. Shimomura, E. Torikai et al
    • Journal Title

      Physics Procedia

      Volume: 30 Pages: 231-234

    • DOI

      10.1016/j.phpro.2012.04.080

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Alkali-Metal-Promoted Catalysis with Platinum / Titanium Dioxide for Formaldehyde Oxidation at Ambient Temperatures2012

    • Author(s)
      C. Zhang, Asakura et al.
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition in English.

      Volume: 51 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1002/anie.201202034

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] μ+SR study on ferromagnetic hollandite, K2Cr8O16 and Rb2Cr8O162012

    • Author(s)
      Jun Sugiyama et al.,
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 85 Pages: 214407-1-8

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.85.214407

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] L-Leucylglycine 0.67-hydrate and [(4S)-2,2-dimethyl-4-(2-methylpropyl)-5-oxo- imidazolidin-3-ium-1-yl]acetate2012

    • Author(s)
      T. Kiyotani, Y. Sugawara et al.
    • Journal Title

      Acta Crystallogr.

      Volume: C68 Pages: o498-o501

    • DOI

      10.1107/S010827011204810X

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Photo Detachment of Negatively Charged Muonium in GaAs by Laser Irradiation2012

    • Author(s)
      K.Shimomura, K. Nagamine, E. Torikai et.al
    • Journal Title

      Pysics Procedia.

      Volume: 30 Pages: 224-226

    • DOI

      10.1016/j.phpro.2012.04.078

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Obtaining material identification with cosmic ray radiography2012

    • Author(s)
      C.L Morris, K. Nagamine et al.
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 2 Pages: 042128-1,-6

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] UHV-STMによるAu(111)基板上の自己組織化Crナノ構造の観察2013

    • Author(s)
      加来 滋、吉野淳二
    • Organizer
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学(神奈川県)
    • Year and Date
      2013-03-29
  • [Presentation] 超低速ミュオン顕微鏡の開発と界面研究への展望2013

    • Author(s)
      鳥養映子
    • Organizer
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学(神奈川県)
    • Year and Date
      2013-03-27
    • Invited
  • [Presentation] GaMnAs/InGaAs/GaMnAs MTJのトンネルスペクトルによるGaMnAsの電子構造の解明2013

    • Author(s)
      古川直寛、吉野淳二
    • Organizer
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学(神奈川県)
    • Year and Date
      2013-03-27
  • [Presentation] ミュオン科学における超伝導技術の応用とその成果2013

    • Author(s)
      下村浩一郎
    • Organizer
      第60回応用物理学会春季学術講演会シンポジウム「中性子/ミュオン加速器ビームが切り開く物質材料研究の新展開」
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学(神奈川県)
    • Year and Date
      2013-03-27
    • Invited
  • [Presentation] μ+SR で視るLi2MnO3の磁性とLi拡散2013

    • Author(s)
      杉山 純 他
    • Organizer
      日本物理学会, 2013 年年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学(広島県)
    • Year and Date
      2013-03-26 – 2013-03-29
  • [Presentation] 粉末中性子回折データに基づくグアノシン水和物結晶中の結晶水の水素位置の解析2013

    • Author(s)
      菅原洋子 他
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学(広島県)
    • Year and Date
      2013-03-26
  • [Presentation] 電池等の材料研究に必要なμSRチャンネル・分光系2013

    • Author(s)
      杉山 純
    • Organizer
      第 1 回 MSL シンポジウム「ミュオン新規ビームラインにおける研究検討会」
    • Place of Presentation
      筑波国際会議場(茨城県)
    • Year and Date
      2013-03-14 – 2013-03-15
    • Invited
  • [Presentation] Development of the Ultra Slow Muon Microscope for Real-Space Functional Imaging inside Materials and Spin Transport across Interfaces2013

    • Author(s)
      Eiko Torikai
    • Organizer
      "JAEA Synchrotron Radiation Research Symposium "Magnetism in Quantum Beam Science"
    • Place of Presentation
      Public Relations Center of the SPring-8, in Harima Science Garden City(兵庫県).
    • Year and Date
      2013-03-11
    • Invited
  • [Presentation] 超低速ミュオン顕微法の開発:生体物質の機能イメージングに向けて2013

    • Author(s)
      鳥養映子
    • Organizer
      日本学術振興会第169委員会第42回研究会
    • Place of Presentation
      ゆうぽうと(東京都)
    • Year and Date
      2013-02-21
    • Invited
  • [Presentation] 素粒子ミュオンの生命科学への応用;生体高分子中電子伝達の観測2013

    • Author(s)
      永嶺謙忠
    • Organizer
      日本学術振興会第169委員会第42回研究会
    • Place of Presentation
      ゆうぽうと(東京都)
    • Year and Date
      2013-02-21
    • Invited
  • [Presentation] Muonium as an isolated hydrogen analog for condensed matter science2013

    • Author(s)
      下村浩一郎
    • Organizer
      International Symposium on Computational Science
    • Place of Presentation
      金沢大学(石川県)
    • Year and Date
      2013-02-19
    • Invited
  • [Presentation] 分子動力学計算を併用した水和物結晶にみられる水和水の揺らぎと構造転移へのアプローチ2013

    • Author(s)
      菅原洋子
    • Organizer
      情報計算化学生物学会研究講演会
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都)
    • Year and Date
      2013-02-15
    • Invited
  • [Presentation] 中性子とミュオンを利用した材料解析2013

    • Author(s)
      杉山 純 他
    • Organizer
      先端加速器科学協議会シンポジウム
    • Place of Presentation
      神谷町セントラルプレイス(東京都)
    • Year and Date
      2013-01-30
    • Invited
  • [Presentation] 自動車とミュオン-電池材料や磁性材料の解析2013

    • Author(s)
      杉山 純
    • Organizer
      5回「Muon 科学と加速器研究」研究会
    • Place of Presentation
      高エネルギー加速器研究機構(茨城県)
    • Year and Date
      2013-01-06 – 2013-01-08
    • Invited
  • [Presentation] Neutron analysis of hydrated compounds -Suspicion from proton coordinates in hydrate waters2012

    • Author(s)
      菅原洋子
    • Organizer
      プロトンイオン研究会
    • Place of Presentation
      いばらき量子ビーム研究センター(茨城県)
    • Year and Date
      2012-11-29
  • [Presentation] グアノシン二水和物の中性子粉末構造解析2012

    • Author(s)
      保住厚兵、菅原洋子 他
    • Organizer
      日本結晶学会平成24年度年会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県)
    • Year and Date
      2012-10-25
  • [Presentation] 正方晶タウマチンの含水量に依存した結晶構造転移における相互作用解析2012

    • Author(s)
      佐藤淳美、菅原洋子 他
    • Organizer
      日本結晶学会平成24年度年会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県)
    • Year and Date
      2012-10-25
  • [Presentation] リチウムイオン電池材料の構造とダイナミクス2012

    • Author(s)
      野崎 洋、杉山 純 他
    • Organizer
      第 4 回 MLF シンポジウム
    • Place of Presentation
      日本科学未来舘(東京都)
    • Year and Date
      2012-10-10 – 2012-10-11
  • [Presentation] 水素貯蔵材料MgH2のμ+SR2012

    • Author(s)
      杉山 純他
    • Organizer
      第 4 回 MLF シンポジウム
    • Place of Presentation
      日本科学未来舘(東京都)
    • Year and Date
      2012-10-10 – 2012-10-11
  • [Presentation] 構造から機能へ:超低速ミュオン顕微鏡が開く物質・生命科学2012

    • Author(s)
      鳥養映子
    • Organizer
      第4回J-PARC/MLFシンポジウム
    • Place of Presentation
      日本科学未来舘(東京都)
    • Year and Date
      2012-10-10
    • Invited
  • [Presentation] Ion diffusion in solids probed by muon-spin spectroscopy2012

    • Author(s)
      Jun Sugiyama
    • Organizer
      10th International Conference on Quasielastic Neutron Scattering
    • Place of Presentation
      日光総合会館(栃木県)
    • Year and Date
      2012-09-30 – 2012-10-04
    • Invited
  • [Presentation] Diffusive behavior of Li Ions in garnet Li7#8722;xLa3Zr2#8722;xNbxO122012

    • Author(s)
      Hiroshi Nozaki, Jun Sugiyama et al.
    • Organizer
      10th International Conference on Quasielastic Neutron Scattering
    • Place of Presentation
      日光総合会館(栃木県)
    • Year and Date
      2012-09-30 – 2012-10-04
  • [Presentation] Novel self-assembled nanostructures observed on Cr-deposited Au(111)2012

    • Author(s)
      Shigeru Kaku, Junji Yoshino
    • Organizer
      The 17th International Conference on Molecular
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂(奈良県)
    • Year and Date
      2012-09-24
  • [Presentation] STM observation of initial growth surface of MnAs on GaAs(001)2012

    • Author(s)
      Masahiro Hiraoka, Junji Yoshino
    • Organizer
      The 17th International Conference on Molecular
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂(奈良県)
    • Year and Date
      2012-09-24
  • [Presentation] μSRで視るα-NaFeO2の基底状態2012

    • Author(s)
      杉山 純他
    • Organizer
      日本物理学会, 2012 年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学(神奈川県)
    • Year and Date
      2012-09-18 – 2012-09-21
  • [Presentation] ホランダイト構造の強磁性体K2Cr8O16とRb2Cr8O16のμSR2012

    • Author(s)
      杉山 純他
    • Organizer
      日本物理学会, 2012 年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学(神奈川県)
    • Year and Date
      2012-09-18 – 2012-09-21
  • [Presentation] Muon-spin relaxation study on Li- and Na-diffusion in solids2012

    • Author(s)
      Jun Sugiyama
    • Organizer
      Frontiers in Muon Spectroscopy
    • Place of Presentation
      St Hugh’s College, Oxford(UK)
    • Year and Date
      2012-09-17 – 2012-09-18
    • Invited
  • [Presentation] UHV-STMによるAu(111)基板上の自己組織化Crナノ構造の観察2012

    • Author(s)
      加来 滋, 吉野淳二
    • Organizer
      第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学(愛媛県)
    • Year and Date
      2012-09-14
  • [Presentation] GaMnAsの異方性磁気抵抗の膜厚依存性2012

    • Author(s)
      野崎大樹, 吉野淳二
    • Organizer
      第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学(愛媛県)
    • Year and Date
      2012-09-14
  • [Presentation] MnAs初期成長のGaAs(001)基板表面再構成依存性2012

    • Author(s)
      平岡聖啓, 吉野淳二
    • Organizer
      第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学(愛媛県)
    • Year and Date
      2012-09-12
  • [Presentation] ミュオン素粒子を用いたリチウム電池材料研究2012

    • Author(s)
      杉山 純
    • Organizer
      応用物理学会, 2012 年秋季講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学(愛媛県)
    • Year and Date
      2012-09-11 – 2012-09-14
    • Invited
  • [Presentation] マイクロガスセンサに用いる PtドープSnO2 触媒の XAFS解析2012

    • Author(s)
      村田尚義、朝倉清高 他
    • Organizer
      XAFS討論会
    • Place of Presentation
      白兎会館(鳥取県)
    • Year and Date
      2012-09-10
  • [Presentation] μSRによる生体分子における電子伝達の解明2012

    • Author(s)
      菅原洋子、永嶺兼忠、鳥養映子、下村浩一郎 他
    • Organizer
      新学術領域超低速ミュオン領域会議
    • Place of Presentation
      北海道大学理学部(北海道)
    • Year and Date
      2012-09-01
  • [Presentation] Behavior of Defect in Sensor and Fuel Cell Oxide2012

    • Author(s)
      朝倉清高
    • Organizer
      超低速ミュオンンシンポジウム
    • Place of Presentation
      北海道大学理学部(北海道)
    • Year and Date
      2012-08-30
  • [Presentation] 超低速ミュオン顕微鏡による界面研究の可能性:電池の電極界面を例に2012

    • Author(s)
      杉山 純
    • Organizer
      新世代研究所, 界面ナノ科学研究会
    • Place of Presentation
      新世代研究所,(東京都)
    • Year and Date
      2012-06-25
    • Invited
  • [Remarks] http://slowmuon.jp

    • URL

      http://slowmuon.jp

  • [Remarks] http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~q16691/index.html

    • URL

      http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~q16691/index.html

  • [Remarks]

    • URL

      http://www.kitasato-u.ac.jp/sci/resea/buturi/bussei/index.html

  • [Remarks] http://msl.kek.jp/

    • URL

      http://msl.kek.jp/

  • [Remarks] http://www.ss.phys.titech.ac.jp/

    • URL

      http://www.ss.phys.titech.ac.jp/

URL: 

Published: 2018-02-02  

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