2022 Fiscal Year Annual Research Report
Pioneering of neutron spin polarization material science
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21H04987
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
藤田 全基 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (20303894)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
猪野 隆 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, 講師 (10301722)
奥 隆之 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, リーダー (10301748)
大河原 学 東北大学, 金属材料研究所, 技術一般職員 (10750713)
金子 耕士 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (30370381)
森 道康 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (30396519)
池田 陽一 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40581773)
河村 聖子 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究副主幹 (70360518)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | 偏極中性子散乱 / 高温超伝導 / スピントロニクス / スピンダイナミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度は、3He用ガラスセルを内包したコンパクトなSEOPシステムを作成し、性能評価と高度化を進めた。透過率測定の結果、セル透過後の中性子の偏極度は、波長>2.5Åでほぼ100％であることが分かり、3Heの偏極度80%を達成した。これはSEOP法による3He偏極度として非常に高い値であり、中性子非弾性偏極実験に利用できる高性能なSEOPシステムが開発できたことを意味する。実際に、本研究で開発したSEOPシステムをMLFの複数の中性子ビームラインに導入して、偏極中性子の利用試験を行う事もできた。また、磁石の線材に高温超伝導体を採用し、軟鉄からなるヨークを組み合わせることで、コンパクト超伝導磁石の開発と3Heフィルター位置での漏洩磁場を5G以下に抑えることに成功した。本研究課題の難関と考えられたSEOPシステムと両立する超伝導磁石の導入を予定通り完遂することができた。同時に多重外場環境の実現に向けて、圧力デバイスの開発や低温測定環境の構築も進めた。さらに、複合励起に関する予備的測定と外場印加のテスト実験を、研究対象の物質について行った。具体的内容は、(i) 非偏極中性子でLa2-x(Sr, Ba)xCuO4のスピン・電荷秩序に対する圧力効果の調査、(ii) Tb3Fe5O12について、偏極中性子による30 meV以下のエネルギー領域のマグノン極性の調査、(ii) 非偏極中性子で低エネルギーマグノンに対する磁場効果の調査、(iii) 非偏極高エネルギー中性子でTb3Fe5O12のマグノン分散の全貌とその温度依存性の測定などである。非常に多くのデータを取得するとともに、インパクトのある学術的成果を得て論文にまとめた。また、「共鳴スピン分解法」を実施する上での経験値を高めることができ、本研究の専任教員や関係大学院生の教育に資する重要な機会を提供することもできた。
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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
2022年度までのフェーズ1で実施するべき事が、ほぼ達成できたと考えている。フェーズ1は小型SEOPシステムの実機の開発・導入、外場発生装置と偏極度解析システムの開発および広Q-ω領域での無外場非偏極測定が実施項目であった。これらについて、具体的に下記を達成した。
(I) 「小型SEOPシステムの実機の開発・導入」 3He用ガラスセルの開発に加え、SEOP装置用レーザー光学系の設計および製作、これを基幹にしたSEOPシステムの性能評価試験を中性子透過率測定実験により行った。その結果、SEOP法による3He偏極度として非常に高いことが確認できた。本研究で必要な高性能なSEOPシステムが開発できたと結論付けた。また、実機は、MLFの他のビームラインでの偏極中性子利用実験にも供するに至っており、MLFの施設価値を高めることに貢献している。
(II)「外場発生装置と偏極度解析システムの開発」 本研究で最大の難関と考えられた低漏洩磁場の横磁場磁石について、物価が高騰する中、研究に必要な性能を有する超伝導磁石を開発し、導入することができた。また、多重外場環境の実現に向けて、圧力デバイスの開発や低温測定環境の構築なども進めた。さらに、JRR-3の三軸分光器において、SEOPシステムの導入の検討を始め、安全対策や必要機器の検討および100 meVまでの中性子の偏極維持に必要な磁場環境の計算を始めるに至った。
(III) 「広Q-ω領域測定」 複合励起の予備的測定と外場印加のテスト実験を研究対象物質である高温超伝導体La2-x(Sr, Ba)xCuO4とスピン流・熱電変換物質Tb3(Fe, Ga)5O12について、国内外の実験施設で多数行った。偏極実験、圧力印可、磁場印可、広温度範囲での磁気励起測定を行い、共鳴スピン分解法を実施する上で経験値を高めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度までに開発したSEOPシステムを用いた、偏極中性子実験環境の高度化を進める。様々な実験条件に適用するため、3Heガス圧や形状の異なる3Heガラスセルを設計・製作するとともに、中性子ビームライン上でSEOP法により3Heガスを偏極するオンビーム型SEOPシステムを導入する。J-PARCの分光器を基盤として、「共鳴スピン分解法」の実施環境を構築するとともに、中性子ビームの有効利用と測定環境の構築を効率的に推進するため、JRR-3熱中性子分光器も活用する。既存のJRR-3装置にはない波長帯域の入射中性子ビームを利用するため、Cuモノクロメータの導入を検討する。多重外場下で偏極非弾性散乱に関しては、これまでに単独の外場印可環境の開発を進めてきたが、2023年からは、これらを組み合わせた最適環境を構築する。特に、2022年度に導入した超伝導磁石と合わせた試料環境の整備を進め、SEOPシステムとも組み合わせることで、目標である多重外場環境下での偏極実験を実施する。また、スピン流生成に必要な熱勾配/電場印加用装置の開発と圧力セルの改良を進める。後者については、ガスケット内外径比、厚み、封入試料のサイズ・形状と、圧力発生効率の相関解析を行い、より効率的で安全係数の高い形状を明らかにする。我々が提案する新測定法に更なる付加価値を与えるとともに、単独外場の印可が容易にできる中性子非弾性散乱の実験環境の構築を目指す。これらにより、中性子科学の発展に資する実験環境を一般の研究者にも提供する。複合励起については、代表者が研究をリードする対象物質について、予備的なデータを蓄積してきた。そのため、「共鳴スピン分解法」による狙い所は絞れている。開発状況に合わせた実験を引き続き行い、高温超伝導体とスピン流・熱電変換物質の物性発現の根幹となる複合スピン励起の素性を解明する。
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