2017 Fiscal Year Annual Research Report
Spin transfer from atomic vapor to condensed materials: development of hyperpolarized separator
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16H04030
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
石川 潔 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 准教授 (00212837)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子エレクトロニクス / スピン偏極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウム（Li）金属と銀（Ag）金属の熱い原子蒸気の光ポンピング，気体中のスピン流，合金のNMR計測を中心に実験的に研究した。
［Li原子の光ポンピング］ 気体のLi原子による電子スピン流と核スピン流は結合して流れる。 緩衝ガス中で拡散運動するLi原子の電子と核によって運ばれる角運動量を評価するため，昨年度Li原子の拡散係数を計測し，今年度は緩衝ガスの種類や圧力など変えて測定できるように複数のガラス容器を製作した。 電子スピンと核スピン流の結合については，Li-緩衝ガス衝突のうち超微細シフト衝突，電子スピン緩和衝突の断面積の緩衝ガス圧力や温度依存性を調べるため，量子干渉効果を利用したプッシュプル光ポンピングと，従来の円偏光による光ポンピングを組み合わせて副準位ごとの衝突断面積を測定実験装置を準備した。 実験では，原子密度の低いLi原子でも，量子干渉効果による吸収率変化を観測できた。
［Ag原子の光ポンピング］ これまで，Ag原子のD1線に共鳴する波長338nm，パワー60mWの紫外レーザー光を発生させた。 今年度は，銀ウールをレーザー加熱しAg原子密度を熱的に増やすこと，ランダム光散乱媒質である銀ウール空隙の原子の光ポンピングについて検討した。 また，高温に加熱できる非磁性容器として，ガラスとサファイア基板を使った容器の特性を調べた（論文発表）。
［合金のNMR計測］ ガラス容器中でアルカリ金属原子の分光をする際，ガラス容器の性質が経年変化し，精密分光の妨げとなっている。 経年変化にはさまざまな要因があるが，今年度は，金属の成分と原子の蒸気密度の関係について，熱力学的パラメータを用いて調べた（論文発表）。
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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
Li原子の超微細分裂は，質量数6の同位体が228MHz，質量数7の同位体が803MHzである。 この周波数帯は，マイクロ波に対する導波管にとっては周波数が低く，ラジオ波に対するコイルにとっては周波数が高く，不可能では全くないが振動磁場を発生させるには中途半端な周波数である。 そこで，周波数変調した光を使った量子干渉効果により，Li原子の超微細分裂の周波数を高精度に測定した。 昨年度開発し製作したガラス容器を引き続き使用しているので，Li金属蒸気の分光にガラス容器を長時間使用できることも併せて示すことができた。 緩衝ガスは圧力8.3kPaのヘリウムガスである。
従来の代表的な実験方法では，振動磁場を加えながらレーザーで原子を励起し，振動磁場が超微細分裂に共鳴すると発光強度が変化する。 しかし，Li原子の超微細分裂がドップラー幅より小さいので，発光強度の変化は期待できず，一方，量子干渉は適している。 緩衝ガス圧力が１気圧程度でも量子干渉効果を観測できると期待している。
銀ウールを使用すると，Ag原子の蒸気密度を高めること，銀蒸気と銀化合物の接触面積を増やすことが容易になる。 一方，レーザー光を散乱するので，散乱媒質中の光ポンピングについて検討した。
以上のように研究は，おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
緩衝ガス中の熱いLi蒸気で量子干渉効果を観測できるようになったので、今後、レーザーの周波数と強度の安定化、磁気シールドによる磁場の安定化をおこない、Li原子の真に精密な分光を遂行する。 それにより、緩衝ガスとの衝突断面積を正確に測定する。 緩衝ガスとの衝突はスピン緩和につながるだけでなく，逆に，スピン偏極を誘起することもある。 核スピン偏極を誘起する衝突の断面積など，気体中のスピン流に関わる物理量を測定する。
緩衝ガスとの衝突だけでなく、蒸気温度を400℃まで上げ，Li-Li原子衝突によるスピン交換も調べる。
Ag原子については，蒸気圧の低い原子の光ポンピングが可能になるように，銀ウールのようなランダム散乱媒質中の光ポンピングをおこなう。
Li原子やAg原子のレーザー分光実験に加え，LiCl や AgI などの化合物の核磁気共鳴信号を観測し，レーザー分光（蒸気圧が低いので高温にする必要があるLi原子とAg原子）とNMR計測（比較的イオン伝導体への転移温度が低いLi化合物とAg化合物）の融合の条件を探る。
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