2017 Fiscal Year Research-status Report
Experimental study of magnetic properties of multi-layered Dirac fermion system
| Project/Area Number |
17K05557
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Materials Science |
|---|
Principal Investigator |
鴻池 貴子 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 独立研究者 (70447316)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | ディラック電子 / 有機導体 / 分子性固体 / 強相関電子系 / 物性実験 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，バルク結晶でありながら圧力下でグラフェンと同様の線形分散を持つことが知られている有機導体を対象として圧力下磁化率測定を行い，ディラック電子系特有の磁気物性，特にバンド間磁場効果による巨大軌道反磁性を実験的に明らかにすることを目的とする．本研究は，グラフェンでは正確な測定が困難な磁気物性を，有機導体のバルク結晶としての利点を活かして初めて実験的に解明しようとするものであり，圧力下有機導体の高感度磁化率測定技術を確立するという点においても大きな意義がある．
圧力下有機導体の磁化率測定にはSQUID磁束計などが用いられてきたが，この手法は試料のシグナルが圧力セルや媒体の大きなバックグラウンドに埋もれるという問題がある．そのため本研究では磁場変調のための補助コイルを併せ持つ超伝導マグネットを内蔵した冷凍機を使用し，磁場変調法による交流磁化率測定法を採用することにした．
H29年度は，高圧下での測定に備えて試料は圧力セル中にセットし，まずは常圧下での交流磁化率測定を行った．測定法の確認のため，試料には文献値のあるグラファイトを選び，有機導体単結晶と同等の体積のものを使用した．まずは圧力セル内部に搭載可能な小型のピックアップコイル用のボビンを作製し，巻腺機を用いてこれに銅線を巻きつけた．この際，測定感度を上げるためにコイルの巻数を増やすため，銅線には14マイクロメートルの極細線を使用した．作製したボビンに，まずは内コイルとして2000回程度銅線を巻き付け，この外側に逆向きの外コイルを巻く．二つのコイルは，印加磁場の変動による誘導起電力を除去するために，巻き数を１以下の極限までバランスをとるよう調整し，高感度の磁化率測定を実現した．本手法によりグラファイトの交流磁化率を測定し，明瞭な量子振動（ドハース・ファンアルフェン効果）が観測され，磁化率の高感度測定を確立することができた．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
交付申請書に記載した平成29年度の研究実施計画の内容をすべて終え，常圧下において磁場変調法による高感度の交流磁化率測定技術を確立することができた．
実験に取り組んだ当初は，コイルに巻いた銅線を「はんだ」で接続しており，極低温の測定で「はんだ」の超伝導による反磁性のシグナルを拾ってしまうという，研究計画時には想定していなかった問題に直面したが，はんだを「銀ペースト」で代用することで，この問題を回避することができた．しかしながら銀ペーストははんだと比較して強度が弱いため，エポキシ樹脂で補強する必要があり，試料のセッティングには予想以上に手間が掛かることが分かった．
また，加圧時に圧抜けの事故が何度か起こり，そのたびにコイルや試料のセッティングを初めからやり直す必要があり，加圧実験には細心の注意を払う必要がある．
|
| Strategy for Future Research Activity |
H29年度に確立した常圧下での磁場変調法による交流磁化率測定を圧力下に適用する．試料の加圧には超硬度材料MP35Nを使用したクランプ型の圧力セルを用い，圧力媒体にはダフニオイル7373を使用する．試料はピックアップコイル中にセットし，ダフニオイルで満たしたテフロンセル(内径4mm)に封入して室温で加圧した後，クランプネジを閉めることによって内部の圧力を保持する．圧力セルをプローブに取り付けて希釈冷凍機に挿入し，極低温・磁場中での圧力下交流磁化率測定を行う．
H29年度に行った予備測定により，高圧力下の測定では圧力セル内部のタングステンカーバイド製ピストンがピックアップコイルに接近し，ピストンからのシグナルが無視できないことが分かった．これを回避するため，ピストン材料を非磁性のジルコニアに変更する．ジルコニアはタングステンカーバイドと比べて強度が弱いため，この変更に伴い圧力セル本体の材質もMP35NからNiCrAl製に変え，より高圧力を安全に保持できるよう2層構造にし，圧抜け事故の原因となっていた電流導入プラグや，クランプネジの形状等のデザインをすべて変更する．
H30年度はこの新しい圧力セルを用いてまずは耐圧テストを行い，ジルコニアピストンからの影響がないことを確認したのちに，有機ディラック系物質の高圧下磁化率測定を実施し，ディラック電子系特有の巨大な軌道反磁性の検出を目指す．
測定感度が不足する場合は，コイルボビンのサイズを変更してピックアップコイルの巻き数を極力増やして感度を向上させ，伝導面方向を揃えた複数の試料を封入して試料からのシグナル強度を稼ぐ，などの改良を試みる．
|
| Causes of Carryover |
H29年度は参加した国際会議が2つとも日本での開催であったため旅費があまりかからなかったため．差額分はH30年度に精密計測装置の購入や，海外での国際会議の旅費に充てる．
|
| Remarks |
NIMS内プロジェクト 超伝導機能材料・強相関機能材料 合同セミナー発表
題目「Giant diamagnetism in Dirac fermion system」鴻池貴子
|
Research Products
(5 results)
