2019 Fiscal Year Research-status Report
Spin-orbit interaction in s-electron nanocluster systems enhanced by Rashba effect
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19K03738
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
中野 岳仁 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 准教授 (50362611)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | アルカリ金属 / ナノクラスター / スピン軌道相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多孔質結晶であるゼオライトのナノ空間を用いて，原子が10 個程度集合したアルカリ金属ナノクラスターを作成できる．アルカリ金属のs 電子は1s, 1p などのクラスターとしての新しい量子準位を占有する．過去の研究において，A 型と呼ばれるゼオライト中にカリウムクラスターを形成した系では，1p 準位の軌道縮退の効果によりスピン軌道相互作用が顕著に増大した．クラスター表面での局所対称性の破れに起因するラシュバ機構を提案している．この研究を更に発展させ，本研究ではスピン軌道相互作用のアルカリ元素種依存性（重元素効果）と，空間反転対称性の有無の効果について実験を行い，s 電子系ナノクラスターにおけるスピン軌道相互作用発現機構の原理的な理解を深めることを目的としている．H３１/R１年度は以下の研究を進めた．
スピン軌道相互作用の重元素効果が期待されるため，カリウムよりも重いルビジウムをゼオライトAに吸蔵させた試料を大量に合成した．試料作成環境を整備した上で，吸蔵量を細かく変化させた試料を総計15本合成することに成功した．
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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
本研究の遂行には良質な試料を用いることが必須である．まず，試料合成のための真空排気系と電気炉（ハンドメイド）を整備した．試料作成には多くのプロセスを要する．イオン交換（１ヶ月），組成分析（２日），加熱脱水（３日），Rb金属の吸蔵と均質化処理（２ヶ月）を実施した．Rb吸蔵量を変化させると，ナノクラスターに含まれるs電子数を変化させられる．これはナノクラスターの量子準位（軌道）の電子による占有数の変化に対応するため，このことがスピン軌道相互作用に対する影響を調べることは非常に重要である．クラスター当たりの平均s電子数（吸蔵Rb原子数）が0から6（飽和吸蔵）までで，吸蔵量を細かく変化させた試料を総計15本合成することに成功した．
本研究の研究対象物質の成果に関して，国際会議で３件（うち１件は招待講演（基調講演））の研究成果発表を行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
R２年度は以下の研究を主として進める．
昨年度に合成したゼオライトA中のRbクラスターの電子濃度を細かく変化させた試料１５本全てについて，X-band（~10 GHz）での電子スピン共鳴測定を行う．現在，液体ヘリウムの入手が極めて困難な状況が続いているため，室温から液体窒素温度までの測定を自前の装置で行ったのちに，液体ヘリウム温度までの測定を共同利用施設を活用して実施する予定である．これにより，g因子やスペクトル幅（スピン格子緩和）の温度依存性と電子濃度依存性に関する相図が明らかとなる．これをカリウムクラスターの結果と比較し議論することで，s電子系ナノクラスターにおけるスピン軌道相互作用の増強効果と発現機構の定量的な理解を得る．
ゼオライトAのアルファケージはOhの対称性を有しており，ケージ中心に反転対称性がある．このため，パリティの異なる電子軌道（クラスターのs軌道やp軌道）は混成せずに，明瞭に区別される．一方，ゼオライトLSX（low-silica X）のスーパーケージ はTd の対称性を持っており，ケージ中心に空間反転対称性がない．このため，クラスターのs 準位とp 準位の間や，p 準位とd 準位の間に混成（パリティ混成）が起こるはずである．このような場合のナノクラスターでのスピン軌道相互作用が，反転対称性を有する場合と比べてどのように変化するかは興味深い．これを詳細に調べるために，ゼオライトLSX中にカリウム金属を吸蔵させてカリウムクラスターを作成する．ゼオライトAの場合と同様に，電子濃度を細かく変化させた試料を２０本程度作成する．これには３~４ヶ月程度の期間を要するが，試料が出来次第，分光測定と電子スピン共鳴測定を実施し，ゼオライトAの結果と比較を行う．
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| Causes of Carryover |
H３１/R１年度は液体ヘリウムの入手が極めて困難であったため，低温での電子スピン共鳴測定が実施できていない．従って，液体ヘリウムの購入予算が未使用であった．上述のように，R２年度は共同利用施設を活用して低温での実験を実施する予定である．従って，液体ヘリウム購入予算を共同利用施設への出張旅費として使用することを計画している．
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