2020 Fiscal Year Research-status Report
放射光赤外磁気円二色性分光による有機伝導体のスピン状態解明
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19K12639
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| Research Institution | Japan Synchrotron Radiation Research Institute |
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Principal Investigator |
池本 夕佳 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 分光・イメージング推進室, 主幹研究員 (70344398)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐々木 孝彦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (20241565)
井口 敏 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50431789)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 赤外磁気円二色性 / 放射光 / 分子伝導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、赤外顕微磁気円二色性装置を開発し、分子伝導体試料などの二色性スペクトルを通して、スピン状態を解明することを目的としている。実験は全て、大型放射光施設SPring-8の赤外物性ビームラインBL43IRで行う。赤外放射光の広帯域・高輝度特性を活かした顕微分光と強磁場円二色性測定を組み合わせた他に例のない装置である。BL43IRで稼働している磁気光学ステーションは最大±14Tまで印加可能な超伝導磁石と、赤外顕微鏡を組み合わせた装置である。光源に赤外線領域の放射光を利用し、広帯域の顕微分光を磁場下で行うことができる。本課題で測定対象とする分子伝導体は、強い電子相関によって磁性、伝導性が相関した多彩な物性を示す。それらの電子物性を担う分子軌道バンドはほとんど可視光以下のエネルギー領域にある。従って、赤外スペクトル測定は非常に重要である。一方、単結晶のサイズは1mm以下と小さいため、顕微分光が威力を発揮する。これに加え、本研究で開発する赤外顕微磁気二色性装置で分子導体試料の測定を行うことにより、スピン状態とそのエネルギーに関する情報も得られ、電荷、スピン状態を総合的に議論できるようになると期待される。 赤外線領域の放射光は偏向電磁石から得られているが、電子軌道面の上・下方向に放射される光が逆向きの円偏光特性を持っている。本課題代表者の池本は、過去にこの円偏光を利用した赤外円二色性分光の試験測定を行った経験があるが、試料上でのビーム位置変動などの影響により、赤外円二色性に必要な精度を達成することが難しいことがわかっている。微弱な二色性信号を測定するためには精度の高い測定が必須であり、本研究では、光弾性変調機 (PEM)を利用した装置を構築し、変調分光二色性スペクトルを測定して、物性を解明する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
大型放射光施設SPring-8の赤外物性ビームラインBL43IRで稼働している磁気光学ステーションを利用して装置を構築し実験を行う。2019年度は、導入した光弾性変調機 (PEM)を利用した基礎的な情報を獲得するために、超伝導磁石とは切り離された状態の顕微分光ステーションに設置して、PEMの基礎的なデータ取得と設定の確認、データ解析手法の確認などを行なった。2020年度は、PEM装置を磁気光学ステーションに設置して、調整を進めた。実験は全て分担者の佐々木・井口とともに行なった。
偏向電磁石から放射された赤外放射光は実験ステーションに導かれ、フーリエ変換分光光度計(FTIR、BRUKER社製IFS120HR)を経たのちに、顕微鏡（分光計器社製）に入射して、反射配置で測定する。顕微鏡の対物鏡の倍率は、8倍のシュバルツシルトミラーである。FTIRのビームスプリッターはKBr、検出器はMCT (HgCdTe)検出器を利用した。PEMは顕微鏡の上流で、ビーム径が小さく平行光となっている位置に設置した。BaF2基板のワイアーグリッド偏光子を、PEMの直前と、 顕微鏡下流の検出器前に設置した。PEMの偏光切り替えの速度は、ファンクションジェネレーターで得られる50kHzのサインカーブを使用した。これに対してFTIR の進行取り込み速度は20kHzとして、二重変調測定を行なった。周波数の差が十分あるため、PEMの左右円偏光の差分信号をロックインアンプで抽出し、ロックイ ンアンプからの出力をFTIR制御系に入れることで、スペクトルを得た。試料測定について、新型コロナウイルスの感染拡大の影響でやや遅れを生じたが、冷却の必要がないYIG系磁性体などから開始しており、次年度、本研究のターゲットである分子性固体へと進む計画である。
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| Strategy for Future Research Activity |
「進捗状況」の章で示したとおり、装置はすでに2020年度でほぼ完成しており、解析手法の確立も行った。磁場がPEM本体に及ぼす影響や、窓材・ミラーなどの光学素子が偏光度に及ぼす影響なども調査した。本年度も引き続き、試料測定を行いながら、上記の検証を行う。さらに低温に冷やした場合の測定系への影響なども検証しつ、試料本来の信号検出を目指す計画である。
測定対象としては、一つには、室温で二色性を示す可能性があるCeYIGやNd系磁石などの測定を試みる。さらに、本課題の中心テーマである分子伝導体のkappa-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Clの測定を低温で行う。成果は随時、国内外の会議で発表するほか、論文として公表する。
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| Causes of Carryover |
2020年度に実施予定だったSPring-8利用課題の消耗品費について、新型コロナウイルスの感染拡大の影響でビームタイムをキャンセルしたため、課題が実施できず繰り越した。202１年度においては、計画通りビームタイムを実施して消耗品費として使用する。
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