2017 Fiscal Year Research-status Report
量子計算モデルとなる希薄ドープ半導体の超低温・高磁場での磁気共鳴法による研究
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17K05514
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
藤井 裕 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 准教授 (40334809)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福田 昭 兵庫医科大学, 医学部, 准教授 (70360633)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電子スピン共鳴 / 核磁気共鳴 / 二重磁気共鳴 / 希薄ドープ半導体 / 平面型NMRコイル / シリコン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、希釈冷凍機を用いた超低温・高磁場での電子スピン共鳴(ESR)と核磁気共鳴(NMR)の二重磁気共鳴システムを用いて、動的核偏極(DNP)による核スピン「超偏極」状態を生みだすことが肝要である。そこで本年は、DNPのための装置開発を主として行った。
まず、希釈冷凍機システムに磁場掃引用の常伝導コイルを設置し、素早く磁場を変化させることができるようにした。これにより、リン希薄ドープシリコン試料を用いた超低温ミリ波ESR測定において最大50%の核偏極を得ることに成功した。並行して、NMR検出感度を既存の共振器よりも向上させるために新たなデザインの共振器を試作した。
（１）ファブリペロー型共振器に平面型NMRコイルを付加したタイプ：NMRコイルの形状を最適化するため、線の太さやクリアランスといったパラメータを変化させてNMR信号検出感度および最適パルス条件に必要なRF電力を見積もった。NMRコイルを入れた共振器を用いて、量子計算モデルとなる希薄ドープ半導体Si:Pを用いて希釈冷凍機においてESRおよびNMRの両方の信号検出に成功した。特に、ESR測定から、DNPによる核スピン超偏極状態が実現していることが確認された。
（２）円筒型共振器を金属薄膜で形成したタイプ：円筒側面にスリットを入れることで利用したいTEモードのみで共振するように工夫した。共振特性を評価し十分に鋭い共振（高いQ値）を持つことがわかった。また、母材である樹脂の熱収縮にともなう共振周波数の温度依存性を室温から2Kまで測定した。最終的に、実際にESRおよびNMRの測定に挑戦し、それぞれの信号検出に成功した。
また、抵抗検出型ESR測定(EDMR)を実現するための装置開発にも着手し、設計を開始した。
これらの成果を論文、学会発表などで公表した。
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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
当初計画通りにあらたな共振器デザインを試作し、実際にESRおよびNMR測定に成功した。EDMR測定装置開発は設計のみの進捗であったが、十分に進展していると考えている。しかしながら、下述の通り、希釈冷凍機の不具合が修理できるかまだわからないため、具体的な装置開発作業は中断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究の途中で希釈冷凍機に不具合が見つかったため、これを早急に修理しなくてはならないが、いわゆるコールドリークであるため、非常に困難な作業となっている。そのため、並行して、希釈冷凍機を使わない、液体ヘリウム4を用いた温度域で可能な実験および装置開発を先に行うことを検討する。共振器の製作評価と二重磁気共鳴測定装置としての評価、EDMR測定は可能であると考えている。
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| Causes of Carryover |
当該年度は、希釈冷凍機の不具合発生に伴って実験計画に変更が生じたため、費用のかかる液体ヘリウム等の寒剤を用いた実験を次年度に行うこととし、一部繰り越しが生じた。
使用計画：次年度には寒剤を用いた実験を多く行う計画である。それにともない、研究分担者が実験を集中的に行うための旅費を含めて、次年度に繰り越す。
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[Journal Article] Development of a Millimeter-Wave Electron-Spin-Resonance Measurement System for Ultralow Temperatures and Its Application to Measurements of Copper Pyrazine Dinitrate2018
Author(s)
Y. Ishikawa, K. Ohya, Y. Fujii, Y. Koizumi, S. Miura, S. Mitsudo, A. Fukuda, T. Asano, T. Mizusaki, A. Matsubara, H. Kikuchi, H. Yamamori
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Journal Title
Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
Volume: 39
Pages: 288～301
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] 希釈冷凍機温度におけるS=1/2反強磁性鎖Cu(C4H4N2)(NO3)2の高周波ESR2018
Author(s)
石川裕也, 藤井裕, 三浦俊亮, 大矢健太, 浅野貴行, 小泉優太, 大見謝恒宙, 光藤誠太郎, 福田昭, 水崎隆雄, 松原明, 菊池彦光
Organizer
日本物理学会第73回年次大会
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[Presentation] ENDOR測定に向けた平面型コイルを用いたミリ波帯共振器の開発2018
Author(s)
小泉優太, 石川裕也, 大矢健太, 三浦俊亮, 藤井裕, 福田昭, 松原明, 水崎隆雄, S. Lee, 小林英一, 菊池彦光, 光藤誠太郎
Organizer
日本物理学会第73回年次大会
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[Presentation] S=1/2擬一次元鎖反強磁性体Cu(C4H4N2)(NO3)2の超低温高周波ESR2017
Author(s)
石川裕也, 光藤誠太郎, 藤井裕, 三浦俊亮, 大矢健太, 浅野貴行, 小泉優太, 福田昭, 水崎隆雄, 菊池彦光, 松原明, 山森英智
Organizer
第56回電子スピンサイエンス学会年会
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[Presentation] S=1/2 擬一次元鎖反強磁性体 Cu(C4H4N2)(NO3)2 の超低温高周波ESR2017
Author(s)
石川裕也, 藤井裕, 三浦俊亮, 大矢健太, 浅野貴行, 小泉優太, 光藤誠太郎, 福田昭, 水崎隆雄, 菊池彦光, 松原明, 山森英智
Organizer
第四回西日本強磁場科学研究会
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[Presentation] 超低温領域におけるS=1/2擬一次元反強磁性体Cu(C4H4N2)(NO3)2の高周波ESR2017
Author(s)
石川裕也, 藤井裕, 三浦俊亮, 大矢健太, 浅野貴行, 小泉優太, 光藤誠太郎, 福田昭, 水崎隆雄, 菊池彦光, 松原明, 山森英智
Organizer
日本物理学会2017年秋季大会
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[Presentation] Development of mm-wave ESR/NMR double magnetic resonance system for measurements at very low temperatures2017
Author(s)
Yuya Ishikawa, Kenta Ohya, Shunsuke Miura, Yutaka Fujii, Seitaro Mitsudo, Takao Mizusaki, Akira Fukuda, Akira Matsubara, Hikomitsu Kikuchi, Takayuki Asano, Hidetomo Yamamori, Soonciil Lee, Sergey Vasiliev
Organizer
28th International Conference on Low Temperature Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Development of mm-wave ESR/NMR Double Magnetic Resonance Measurement System at Very Low Temperatures2017
Author(s)
Y. Ishikawa, Y. Fujii, K. Ohya, S. Miura, Y. Koizumi, S. Mitsudo, A. Fukuda, T. Mizusaki, H. Kikuchi, T. Asano, A. Matsubara, H. Yamamori, S. Lee, S. Vasiliev
Organizer
ISMAR2017 Jointed with Rocky Mountain Conference on Magnetic Resonance on EPR
Int'l Joint Research
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