2015 Fiscal Year Research-status Report
プラスチック製高圧力装置を用いた高圧力・パルス磁場中量子振動測定法の開発
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15K17700
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
三宅 厚志 東京大学, 物性研究所, 助教 (10397763)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | プラスチック製高圧力装置 / 磁場角度分解 / 磁気抵抗測定 / パルス強磁場 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、低温、パルス磁場中でも使用可能な高強度プラスチックを用いたダイヤモンドアンビルセル（DAC）、ブリッジマンアンビルセル（BAC）圧力装置、パルス磁場中での回転機構の開発を行った。DACでは今までのデザインを見直すことで、従来のDACより効率よく圧力発生することが出来、直径0.6 mmのアンビルを用いて10 GPaを発生することが出来た。試料空間は直径0.3 mm、高さ0.1 mmである。また、直径2.5 mmのキュレット面を持つジルコニアアンビルを用いて直径1 mm、高さ0.2 mm程度の試料空間を持つプラスチック製BACを作製した。室温での油圧プレスを用いた加圧実験を行い、荷重をクランプしない状況では3 GPa程度の圧力発生に耐えることが分かった。しかし、荷重を保持することが困難で、現状のデザインでは0.5 GPa程度の圧力保持が限界のようである。一方で、これらの試行錯誤の過程で、試料に最も近いガスケット部分を非金属材料に置き換えることに成功した。さらに、パルス磁石中で圧力セルごと一軸回転できるプーリー型回転機構を作製した。
ピストンシリンダー型圧力装置、超電導磁石を用いて黒燐の圧力下電気抵抗測定を行い、1.5 GPa以上で半金属化を意味する量子振動を観測した。黒燐の圧力誘起半金属相は代表的な半金属であるグラファイト、ビスマスに匹敵する小さなフェルミ面、少数キャリア、軽い有効質量を持つことを明らかにした。
上記BAC、27 Tまで発生できる大きな口径を持つパルス磁石を用いて予備的な実験として0.5 GPaでの黒燐の磁場角度分解磁気抵抗測定を行った。磁場角度に比例する系統的な磁気抵抗を観測することができ、一軸回転機構もうまく動作することが分かった。さらに、磁場発生による試料の発熱は見られず、渦電流の影響を激減させることができた。本年度の開発により、圧力下磁場角度依存性の測定の準備ができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
いろいろな材料を用いて外径20 mm、高さ30 mmのBACを作って加圧実験を行ったが、圧力をクランプできず、低温では0.5 GPa程度の圧力発生が限界であることが分かった。その材料選定、デザインの見直し、セルの作製に時間を費やし、遅れが生じたが、その過程で試料に最も近いガスケット部分を非金属に置き換えることに成功した。さらに、直径20 mm、高さ35 mm以内のものを回転させることが可能な一軸回転機構の作製に成功し、圧力下磁場角度依存性の測定も可能にした。
研究対象としている黒燐の圧力下電気抵抗・磁気抵抗測定を行い、圧力誘起半金属相は小さなフェルミ面、キャリア数を持つことを明らかにできた。圧力誘起半金属相には至らなかったが、プラスチック製BAC、パルス磁石を用いて0.5 GPa、27 Tまでの黒燐の磁気抵抗の磁場角度依存性を行い、系統的な磁場角度変化を捉えることができた。
現状のプラスチック製BACでは必要とする圧力発生は困難であるが、DAC型圧力装置の改良により10 GPa程度の圧力発生に成功した。本年度の開発により、高圧力・低温・強磁場の複合極限環境下での測定の準備が整ったので、概ね順調に研究を遂行できている。
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| Strategy for Future Research Activity |
試料空間は小さいもののプラスチック製DACでは10 GPa程度の圧力発生が可能である。また、パルス磁場中で問題であった渦電流に伴う発熱問題は今年度の開発により解決できた。今後はパルス磁石、一軸回転機構を組み合わせて高圧力・磁場下での磁気抵抗測定を行い、フェルミオロジーを展開する。
試料空間の小さなDACでの磁気抵抗測定方法はほぼ確立しているが、今年度開発したDACでは作業性が悪いことも分かってきた。DACの改良を進めて、なるべく簡便に使用できるようにしていく。また、この実験で最も困難な微小試料への電極付けの簡便化を図りたい。0.2 mm程度の微小試料への電極付けは手作業に頼っており、実験者の技量による。マニュピレーター、XYZステージなどを駆使して簡便に行えるようにする。
また、トンネルダイオード共振回路を用いた圧力下量子振動測定法も確立する。常圧下での測定は可能であるが、圧力中では試料の信号が小さくなるために、回路をなるべく試料に近くに設置するなどの共振回路の最適化を行う。電気抵抗測定より定量性に欠けるが、高感度で電極取り付けが不要であるために微小単結晶の量子振動測定が可能となり、研究対象の幅が拡がることが期待できる。
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| Causes of Carryover |
BAC圧力セル開発、材料選定に時間を要したために当初計画していた機器導入が遅れたこと、旅費が想定額を下回ったことが要因である。また、BAC圧力セルは所属研究所工作室で、一軸回転機構は自ら作製することができたことにより、出費を抑えることができた。BACでの加圧テストの際に材料の問題が明らかになったので、予定していたその材料を用いたDACの発注ができなかったことも理由である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
現状のDACでは、試料空間へアクセスしづらい、視野が狭いなどの圧力装置のデザインで改良すべき点が明らかになってきた。また、現状の材料より適したプラスチック材料も見つかった。デザインの改良、材料を変更して新たにDACを発注する。また、電気抵抗測定のための微小試料への端子付けは手作業に頼っており、それが実験を困難にしている。より確実、簡便に端子付けを行える技術の確立を目指す。XYZステージを用いた装置、研究室が所有するエポキシダイボンダーの改良を行っていく。
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[Journal Article] Quantum Hall effect in a bulk antiferromagnet EuMnBi2 with magnetically confined two-dimensional Dirac fermions2016
Author(s)
H. Masuda, H. Sakai, M. Tokunaga, Y. Yamasaki, A. Miyake, J. Shiogai, S. Nakamura, S. Awaji, A. Tsukazaki, H. Nakao, Y. Murakami, T. Arima, Y. Tokura, S. Ishiwata
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Journal Title
Science Advance
Volume: 2
Pages: e1501117-1-6
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Pressure cells for using in a pulsed-field2015
Author(s)
A. Miyake, K. Akiba, R. Settai, Y. Akahama, K. Matsubayashi, Y. Uwatoko, K. Kindo, M. Tokunaga
Organizer
11th International Conference "Research in High Magnetic Fields" RHMF 2015
Place of Presentation
フランス・グルノーブル、Maison MINATEC
Year and Date
2015-07-01 – 2015-07-04
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