2016 Fiscal Year Research-status Report
周波数掃引型ESRによるスピンギャップ系におけるエレクトロマグノン励起の検証
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16K05416
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
櫻井 敬博 神戸大学, 研究基盤センター, 助教 (60379477)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 周波数掃引型ESR / スピンギャップ / エレクトロマグノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、S =1/2の反強磁性ダイマーを基本構造とするスピンギャップ系において、近年その存在が示唆されるエレクトロマグノン励起を、周波数掃引型ESRにより検証することを目的とする。ESRではしばしば、これらの系で、禁制遷移である基底一重項（S = 0）から励起三重項（S = 1）への直接遷移が観測されていた。最近その起源の一つとして、通常のESRの励起である磁気双極子遷移ではなく、系に内包する電気分極と入射電磁波の電場成分との結合によるエレクトロマグノン励起である可能性が示唆されている。周波数掃引型のESRでは一般に行われる磁場掃引型のESRでは観測できないS = 0からS = 1のSz = 0への励起モード（平行モード）が観測可能であるが、このモードに対しエレクトロマグノン励起は特有の選択則を有する。このことを利用して系のエレクトロマグノン励起の存在の検証を行う。
初年度は装置開発に注力した。周波数可変の光源としては後進行波管（BWO）を用いる。BWOは出力が周波数に強く依存するため、試料の有無での透過強度の比を観測する必要がある。まずテスト測定として、従来用いてきたESR装置により、試料の有無での透過強度の比を調べた。その結果、有意に共鳴の存在が確認され、周波数掃引でのESR測定が可能であることが分かった。そこで試料の有無を光軸等をずらすことなく、かつ簡便に変更可能な回転試料ステージを有するインサーションを作製することとした。そしてこの新しいインサーションにより十分な感度で周波数掃引によるESRスペクトルを得ることが出来るようになった。
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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
初年度は当初の予定通り、周波数掃引型ESRのためのインサーション開発に注力した。周波数掃引によるESRスペクトルは、試料の有無での透過強度の比より求めるため、テスト測定ではインサーション全体をクライオスタットから引き抜いて試料交換を行っており、光軸がずれてS/N 比に大きく影響していた。そこでクライオスタット外部より回転可能な試料ステージを作製し、参照側、試料側での透過強度を光軸を変えることなく測定できるようにした。これにより大幅にS/N 比が改善した。透過強度は光変調方式によりロックイン検出し、磁場は最大磁場10 T までの超伝導磁石により印加する。光源には所有するBWO を用いた。0.1～1 THzの周波数範囲が複数の発振管によりカバーされている。作製されたインサーションを用いSrCu2(BO3)2という試料について測定を行った。本試料は本研究で対象とするS =1/2の反強磁性ダイマーを基本構造とするスピンギャップ系物質の一つであるが、既に他の測定によりS = 0からS = 1への直接遷移に起因するESRが観測可能であることが確認されており、更に平行モードの存在が示唆されている。即ち、本インサーションのチェックに好都合である。測定を行った結果、存在が示唆される周波数において平行モードを観測することが出来た。またその磁場依存性についても確認することが出来た。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は実際に作製したインサーションを、エレクトロマグノン励起の存在が示唆されるKCuCl3に適用し、周波数掃引によるESR測定を行っていく。本系のスピンギャップは630 GHz 程度と見積もられている。まずは様々な配置でESR 測定を行い、観測されるS = 0からS = 1への直接遷移について、磁場依存性の有無をチェックする。磁場依存性が無ければエレクトロマグノン励起の存在の可能性が高い。本系の構造の特徴は、2 種類のダイマーがある点、ダイマーをなす二つのCu2+イオンを結ぶ結合の方向がほとんど同一平面（1, 0, -1.53）内に有る点、2種類のダイマーでその結合ベクトルのなす角は47度程度である点、等である。まずはこの面を切り出した試料を作成する。そしてこの様な構造的特徴を念頭に、系のエレクトロマグノン励起の選択則を計算し、その結果が選択則と矛盾無いかチェックする。
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| Causes of Carryover |
配分額が申請金額（備品費65万円、消耗品費110万円、旅費15万円、計190万円）に比べ減額されていたため（配分額は130万円）、設備備品として計画していたプリンアンプ（65万円）の購入を取りやめ、配分額をほぼ予定通り使用した。その結果、2万円程度の次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成29年度も申請額（180万円）に対し配分額は減額されているので（130万円）、予定している設備備品（45万円）は購入しない。前年度からの繰越金2万円を消耗品として加え、予定通り使用していく。
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Research Products
(9 results)
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[Presentation] High pressure THz ESR measurements of spin-gap system KCuCl32016
Author(s)
Y. Hirao, E. Ohki, T. Sakurai, H. Ohta, S. Okubo, Y. Uwatoko, and H. Tanaka
Organizer
International Workshop “Novel Magnetic Resonance Techniques in Millimeter and Terahertz Waves and their Applications to Bioscience" (MR-THz2016)
Place of Presentation
神戸大学（兵庫県・神戸市）
Year and Date
2016-11-08 – 2016-11-09
Int'l Joint Research
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[Presentation] Development of high pressure and high field ESR system and its application to quantum spin system2016
Author(s)
E. Ohki, T. Sakurai, Y. Hirao, S. Okubo, H. Ohta, Y. Uwatoko, H. Tanaka, A. Sera, Y. Kosaka, J. Akimitsu, M. Sera, and K. Inoue
Organizer
International Workshop “Novel Magnetic Resonance Techniques in Millimeter and Terahertz Waves and their Applications to Bioscience" (MR-THz2016)
Place of Presentation
神戸大学（兵庫県・神戸市）
Year and Date
2016-11-08 – 2016-11-09
Int'l Joint Research
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