2020 Fiscal Year Annual Research Report
Neutron spin echo and small angle neutron scattering studies on dynamical properties of topological spin orders
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19H01856
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
中島 多朗 東京大学, 物性研究所, 准教授 (30579785)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
遠藤 仁 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 准教授 (40447313)
大石 一城 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 副主任研究員 (60414611)
小田 達郎 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (70782308)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 磁性 / 中性子小角散乱 / 中性子スピンエコー分光 / 磁気スキルミオン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はJ-PARC物質生命科学実験施設 BL06(VIN ROSE)における低温・磁場中での中性子共鳴スピンエコー実験を実現するため、試料に磁場を加えるための電磁石の導入を進めた。本来であれば2019年度内に導入予定であったが、ビームライン(BL06)の都合上導入が遅れ、2020年度の導入となった。
その間、永久磁石を用いて大きさ固定の外部磁場を加える試料環境を用意し、カイラル磁性体MnSiの磁場中のスピンエコー実験を行なった。MnSiはゼロ磁場ではTc=29 K程度でスクリュー型のらせん磁気秩序を示し、このTc近傍で0.2 T程度の磁場を加えることでスピンがトポロジカルな渦型の配置をとる磁気スキルミオン三角格子相が現れることが知られていた。このスキルミオン格子相と高温の常磁性相の相境界においてBL06において中性子共鳴スピンエコー測定を行なったところ、円環状の散漫散乱とスポット状のBragg散乱が共存しており、散漫散乱成分がおよそ1 ns程度の緩和時間で揺らいでいるのに対して、スポット状の散乱は測定の範囲内でほぼ緩和が見られないことがわかった。これは、相境界において(カイラル)スピン揺らぎと静的なスキルミオン格子が相共存していることを示唆している。この結果は、BL06における非常に平行度の高い中性子ビームとパルス中性子の飛行時間法を組み合わせることで、波数分解能の非常に高い中性子スピンエコー測定ができることを実証するものとなった。
また、J-PARC MLF BL15(TAIKAN)においては、散乱中性子のスピン偏極解析を行うことができるセットアップを構築し、希土類磁性イオンを含むトポロジカル磁性体候補物質の磁気構造解析にこれを適用した。
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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
BL06における中性子共鳴スピンエコー実験は、MnSiにおける磁気スキルミオン相近傍の磁気揺らぎの緩和時間を観測することに成功し、装置開発の段階から先端研究へと移行しつつある。本科研費で導入した電磁石は現在コミッショニング中であるが、R3年度には本格稼働する予定であり、これを用いてBL06を用いた先端研究がより推進されることが期待される。
BL15においても散乱中性子の偏極解析装置が導入され、過去に国外の施設で偏極解析実験が行われたらせん磁性体を用いて検証実験を行なった。その結果、過去の例と同様にSpin-flip, non-spin flip散乱を区別して測定できることが実証された。この偏極解析装置は、最近活発に研究されている希土類磁性イオンを含むらせん磁性体の研究にも使用され、長周期磁気構造を精密に解析するための有効なツールとして確立しつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画の段階で掲げた、BL06への低温・磁場環境の導入、BL15における散乱中性子の偏極解析装置の導入が完了した。BL06のマグネットについてはまだコミッショニング段階ではあるが、今後はこれらを本格的に活用し先端研究を進めていくことを予定している。
具体的には、BL06における中性子共鳴スピンエコー実験では、スピンヘッジホッグ格子を示すMnGeおよびその置換系試料の磁気揺らぎの測定や、乱れた磁気スキルミオン相を示すCoZnMn合金などの測定を行うことを計画している。
BL15については、すでに新物質の磁気構造解析にこの偏極解析装置が使われる例が増えてきており、今後は測定対象をより広げて、バルクの磁性体だけではなく薄膜磁性体の測定などにも用いる計画である。また、現在の偏極解析装置は水平面内にあるBragg反射に対してのみスピン解析が可能であるが、実際の実験では試料の貼り付けの精度によって水平面から反射がずれる場合もある。また物質によっては磁気相転移によって磁気反射のでる位置が異なり、すべての磁気相のBragg反射を水平面内に配置することが不可能な場合も考えられる。これに対応するために、試料をアジマス角方向に回転することができる特別な試料スティックも製作中であり、これを組み合わせることで偏極解析装置の応用の幅がさらに広がることが期待される。
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