2022 Fiscal Year Research-status Report
In-situ NMR studies of strongly correlated electron systems under light illumination
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21K18897
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
後藤 敦 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, グループリーダー (30354369)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 光物性 / 核磁気共鳴 / 強相関電子系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体物性に多様性をもたらしている強相関電子系の特異な電子状態を理解する上で、低エネルギー磁気励起の特徴を理解することは不可欠である。一方、光照射による状態変化はもととなる電子状態を反映しており、その機構解明に重要な手がかりを与えてくれるものと期待される。NMR（核磁気共鳴法）はこれまで強相関電子系の低エネルギー磁気励起の特徴の解明に多くの実績を残してきており、これを光照射下でのその場測定に活用すれば、特異な電子状態の解明に貢献できる。本研究では、低温環境下で稼働する光照射NMRその場測定システムを構築し、それを利用して光照射下でのNMR測定を行うことで、強相関電子系における特異な電子状態の特徴を明らかにすることを目標としている。
第２年度となる令和４年度は、前年度に設計した光照射NMRその場測定のための新規プローブの製作を進めた。まず、光照射時の安定的な温度制御を実現するための試料チャンバーを開発した。同チャンバーは、真空断熱状態のクライオスタット内で、試料の表面に励起光を照射した状態で試料温度を制御しつつNMR測定を行うためのもので、その内部に試料及び検出コイルを収めて、熱交換ガス（ヘリウムまたは窒素）で満たした後に、光学窓付きのICFフランジで封止する構造となっている。熱交換ガスを同チャンバーに封入するためのグローブボックスを新たに用意し、試料・コイル・温度計を内部に固定した状態で、チャンバー内にガスを封止することが可能であることを確認した。また、同試料チャンバーに適合する光照射NMRプローブについても新たに製作した。同プローブのベース部には石英ファイバー用の真空ファイバーアダプターを取り付けた。これにより、光学台上のレーザーから励起光をクライオスタット内に導光することが可能となった。
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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
本研究の要となる「光照射NMRその場測定」の実現に向けた測定プローブについて、各コンポーネントの開発が進展した。特に、試料の温度調整に不可欠であった試料チャンバーでは試料及びコイルの装着と熱交換ガスの封入までを確認しており、これにより、光照射化における安定的な温度調整を実現する上での課題が克服された。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる令和５年度は、まず、前年度に開発を進めた光照射NMRその場測定用プローブの完成を目指す。本装置の目的は、光照射下において安定した温度制御を実現することである。開発に必要なコンポーネントは前年度までにほぼ揃ったため、これらのコンポーネントを用いてシステムの組み立てを行う。その後、窒素ガスをチャンバー内に封入し、室温から100 K付近までにおいて、安定的な装置の稼働を確認する。
次に、励起光（紫外～青色域）の照射システムを完成させる。課題はクライオスタット内での導光システムの構築である。この波長域の光の導光には石英ガラスファイバーを用いるが、同ファイバーは剛性が高く、曲率半径を大きくとる必要があるため、プローブ底部にプローブ長調整用アダプターを設置し、クライオスタット内部におけるファイバー長を調整できるようにすることで、プローブ底部から試料チャンバー内の試料に向けて直線的に光を照射できるようにする。
プローブ完成後、直ちに高温超伝導体の常伝導相の光照射NMR測定を開始する。具体的には、励起光源のタイミング制御による励起光変調型NMR測定法を利用して、光照射下でのナイトシフト及びNMR緩和率の測定を進める。前者では光照射による一様帯磁率の変化を、後者では動的帯磁率の変化をとらえる。これらの測定により、磁気相関に関する全体像をとらえることが可能になると期待される。
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| Causes of Carryover |
令和４年度に新規測定プローブの実機製作が大きく進展したが、導光システムなど、一部を引き続き令和５年度に行う予定としており、令和４年度の予算において未使用だった額を令和５年度使用額に計上した。令和５年度の予算と合算の上、プローブ製作費に充当予定。
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