2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of advanced measurement system with a portable high-field pulsed magnet
| Project/Area Number |
19H01832
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
井原 慶彦 北海道大学, 理学研究院, 講師 (80598491)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柳澤 達也 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (10456353)
松井 一樹 東京大学, 物性研究所, 特別研究員 (20826226)
吉田 紘行 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (30566758)
福岡 脩平 北海道大学, 理学研究院, 助教 (80746561)
小濱 芳允 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90447524)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | パルス強磁場 / 強磁場物性 / 核磁気共鳴 / 超音波測定 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
研究計画3年目となる2021年度は、小型汎用パルス磁場発生装置開発を継続的に行うと共に、研究の重心を強磁場物性開拓へと移し、強磁場により引き起こされる新奇電子相の探索を行った。
まず、パルス磁場中核磁気共鳴装置開発の実績として、これまでに開発してきたデジタル無線技術を応用した核磁気共鳴分光装置の詳細と、この新しい核磁気共鳴分光装置を用いたパルス磁場中NMR測定技術に関する論文を公表し、この先進測定技術を確立した。また、パルス電流源の拡充、ヘリウムフロークライオスタットの開発を行い、測定可能な磁場範囲、温度範囲を拡張した。これによりこれまで大型施設を利用していた多くの実験が研究室内で実現可能となった。
強磁場物性開拓に関しては、これまでも研究を続けてきたマルチフェロイック物質についてNMRスペクトルの磁場印可方向依存性など詳細な実験を行い、強磁場中で新たに発見した磁気異常を確固たるものとした。この成果は現在投稿準備中である。また、セリウム系重い電子物質CeRh2Si2についてはこれまでは大型研究施設でしか到達することができなかった強磁場領域で実現するメタ磁性転移を超音波測定から観測することに成功した。このモデル物質における実験に成功したことで、近年隠れた秩序を示すことで注目を集めている他のセリウム系重い電子系物質や、ウラン系超伝導物質についても本研究で開発してきた研究手法が応用可能であることを明らかにした。
また、新物質開発にも進展があり、小型汎用パルス磁場発生装置で到達可能な30テスラ級までの磁場領域で磁気異常を示す新たな量子磁性体を得ることに成功した。これらの物質で実現する新奇磁場誘起相を本研究で開発してきた多角的な研究手法により明らかにすることで、強磁場物性研究のさらなる進展が期待できる。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2021年度はパルス磁場発生装置の開発、および強磁場物性開拓の両方の面で研究計画開始当初の予想を上回る進展があった。
まず、装置開発として前年度まではパルスマグネットの改良を行ってきたが、今年度はマグネットに電流を供給するパルス電流源の拡充を行い、到達可能な磁場強度を27テスラまで引き上げた。これに加えて、磁場発生時間の大幅な拡張を目指す試みとして2020年にパルス磁場用電源として応用可能であることが明らかになった電気二重層コンデンサを導入した。これにより測定対象となる試料の範囲が大幅に広がった。また、これまでは液体ヘリウムクライオスタットを用いて1.5 K, 4.2 Kそして77 Kといった固定温度での測定しか行うことができなかったが、本年度はパルス磁場中で使えるヘリウムフロー型のクライオスタットを開発し、幅広い温度領域での測定を可能にした。特に、NMR測定を行うためには同じ磁場・温度条件下での測定を繰り返す必要があるため、温度を長時間一定に保つことができるヘリウムフロークライオスタットは非常に有用である。
強磁場物性開拓としては、研究計画開始当初から研究を継続してきた量子磁性体、および重い電子系物質についてのパルス磁場中先端測定実験を推進した。装置開発の進展に伴い、研究室内で測定可能な温度、磁場範囲が拡張され、磁場方向依存性などの詳細な実験を行った。これに加えて、30テスラ級の磁場領域で磁気異常を示す新たな量子磁性体を得ることに成功し、これらの新奇量子磁性体に対する研究を開始した。新奇物質の登場は強磁場物性の多様性、普遍性を解明する上で非常に重要であり、これらの物質について定常低磁場を用いた予備測定を開始している。
|
| Strategy for Future Research Activity |
研究計画の最終年度となる2022年度は、まずこれまでの3年間の研究により得られた成果を学会発表、学術論文の形で公表し、確立した研究実績とすることを目指す。一方で、2021年度の研究で新展開を迎えたパルス磁場発生装置の整備、および新奇量子磁性体についての強磁場測定を推進し、さらに強磁場物性研究を加速させる。
具体的には、装置開発の面からは電気二重層コンデンサを用いたパルス磁場発生法により、従来の磁場発生時間と比べて2桁以上長い時間磁場を発生することができるようになったため、従来の短いパルスを念頭に開発してきた核磁気共鳴分光器の制御系に改良が必要であることがわかってきた。この改良を行うことで、新しいパルス磁場発生法に対応できるようになると共に、大型パルス磁場施設において利用されている長時間パルス磁場への応用も可能となる。
強磁場物性開拓の面からは、これまでに研究を進めてきた物質群に加えて、量子磁性体ではCdカペラサイトやMn系遍歴カゴメ磁性体、重い電子系物質ではCeCoSiやUTe2など、強磁場により興味深い磁気状態が誘起される物質の報告が相次いでいる。これらの物質について、小型汎用パルス磁場の機動性を活かした先進測定を推進し、詳細な強磁場物性の解明を目指す。
|
