質量勾配をもつ非一様系での偏在的原子振動モードであるグレードンの検証

2012 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 24654080
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 岩佐 和晃 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (00275009)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: フォノン / 質量勾配物質 / 中性子散乱 / X線回折

Research Abstract

本研究は、質量密度の勾配を持つ物質中に偏在する新しい格子振動状態として理論的に提唱された「グレードン」（J. J. Xiao, K. Yakubo and K. W. Yu: PRB 73 (2006) 054201, 224201）の中性子散乱による実験的検証に挑戦することを目的とする。Si-Ge 混晶系、浮遊帯域法合成によって元素置換した遷移金属酸化物、高電圧により原子拡散が起きるイオン伝導物質などが一方向に質量勾配が存在する物質と考えられる。反転対称性の破れにより格子振動の進行波異方性や偏在が期待できるグレードンを、物質内部まで到達してフォノン励起を観測できる中性子散乱によって検証したい。さらに勾配磁気系におけるスピンダイナミクスでのグレードンの検証に発展させる。
Si を濃度傾斜させてドープした Ge 単結晶を東北大学金属材料研究所グループより提供を受けており、本研究課題を本格開始する以前の試験研究を発展させたかったが、日本原子力研究開発機構の研究炉が再稼働せずに、研究代表者のグループが所有する中性子散乱装置で計画した実験ができなかった。そこで他の候補物質を含めた試料内部の質量勾配評価用X線回折装置の整備に重点を置いた。格子定数の決定に加えて、含有元素量の情報が得られる蛍光X線エネルギー分光が期待できるシリコンドリフト検出器を既存のX線回折装置に導入した。
また本課題に関連する結晶格子振動研究として、カゴ状物質DyB6における非調和フォノンの放射光X線非弾性散乱による研究成果を論文として取りまとめ、リエントラント金属－非金属転移を示すPr1-xCexRu4P12の結晶構造不安定性についての放射光X線回折研究を推進し、一部を日本物理学会にて口頭発表した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

上述のように研究炉中性子散乱施設の再稼働が遅れており、当初計画していた実験が実施できていないため、進捗状況は若干の遅れがある。一方、X線回折による試料評価や本研究課題の候補物質について関連研究者と協議し、典型例として最適な物質系を検討している。またJ-PARC加速器パルス中性子散乱施設での実験を行って経験を積み、本課題を研究炉でなく加速器中性子源で実施する可能性を検討している。これら平成25年度以降の準備を進めており、問題点の解消に努めている。

Strategy for Future Research Activity

研究炉中性子散乱施設の再稼働を期待しながら、J-PARCの加速器中性子源を用いた強相関電子系物質の磁気励起の測定を進めてきた。そこで装置の性能について情報を得たことにより、本課題の研究目的とのマッチングを検討することができた。これを踏まえて、次年度以降の研究対象候補物質に対する中性子散乱実験を平成25年度後半に実施する計画を立てる。並行してX線回折試料評価を進める。
また本課題に関連する結晶格子振動研究として、カゴ状物質TbB6における非調和フォノンの可能性に着想しており、H24年度までにまとめたGdB6とDyB6での研究成果の普遍性を検証する。こちらも大学内のX線回折装置によってソフトフォノンによる散漫散乱の研究を開始し、SPring-8での高輝度X線を用いた非弾性散乱実験への展開を計画する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

まず、シリコンドリフト検出器によるX線回折を用いた試料評価法を実現する。質量勾配を反映した格子定数の物質内変化は既存の回折計により測定できるので、さらに蛍光X線測定によって複数の含有元素の相対濃度の物質内変化を知ることを目指す。具体的には、東北大学ラジオアイソトープセンターの協力により提供いただけるイオン濃度勾配をもつ TlBr 単結晶を対象とする。この物質は放射線用シンチレーター材料に適用されるイオン伝導体で、バイアス電圧のもとで Br- イオンと Tl+ イオンが両電極に移動し、一端の Tl 高濃度領域から他端の Br 高濃度領域まで勾配が生じると報告され（K. Hitomi et al.: IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE 58 (2011) 1987）、非一様勾配系の典型物質と期待できる。本研究でこの物質のX線散乱による評価と加速器源の中性子非弾性散乱による格子振動の観測に着手する。X線散乱での評価をより精度よく実施するため、試料の局所的な情報を得るために試料位置の微調整と細いビームを用いた実験を考えており、現有X線源から取り出す単波長X線強度を確保するためのモノクロメーターと試料用ゴニオメーターの導入を検討する。
なお次年度使用額は、試料位置調整機構を現有X線回折装置とより効果的に組み合わせることを次年度に実施するために生じたものであり、平成25年度請求額と合わせて使用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Well-Defined Crystal Field Splitting Schemes and Non-Kramers Doublet Ground States of f Electrons in PrT2Zn20 (T = Ir, Rh, and Ru) (2013)
  • Author(s): Kazuaki Iwasa, Hiroki Kobayashi, Takahiro Onimaru, Keisuke T. Matsumoto, Naohiro Nagasawa, Toshiro Takabatake, Seiko Ohira-Kawamura, Tatsuya Kikuchi, Yasuhiro Inamura, Kenji Nakajima
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 82 Pages: 043707-1-5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.043707
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Modified Cross-Correlation for Efficient White-Beam Inelastic Neutron Scattering Spectroscopy (2012)
  • Author(s): K. Tomiyasu, M. Matsuura, H. Kimura, K. Iwasa, K. Ohoyama, T. Yokoo, S. Itoh, E. Kudoh, T. Sato, and M. Fujita
  • Journal Title: Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 677 Pages: 89-93
  • DOI: 10.1016/j.nima.2012.03.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Non-Adiabatic Two-Coil Spin Flipper for a Polarised Thermal Neutron Diffractometer with a 3He Spin Filter (2012)
  • Author(s): Kenji Ohoyama, Kenji Tsutsumi, Takashi Ino, Haruhiro Hiraka, Yasuo Yamaguchi, Hiroshi Kira, Takayuki Oku, Yoshifumi Sakaguchi, Yasushi Arimoto, Wei Zhang, Hisamichi Kimura, Kazuaki Iwasa 他
  • Journal Title: Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 680 Pages: 75-81
  • DOI: 10.1016/j.nima.2012.04.018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Renormalized Motion of Dysprosium Atoms Filling Boron Cages of DyB6 (2012)
  • Author(s): Kazuaki Iwasa 他
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 81 Pages: 113601-1-4
  • DOI: 10.1143/JPSJ.81.113601
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neutron scattering study on magnetic ordering in a partially rare-earth filled skutterudite PrxFe4Sb12 (2012)
  • Author(s): K. Iwasa, T. Orihara, K. Saito, K. Tomiyasu, Y. Murakami, H. Sugawara, K. Kuwahara, H. Kimura, R. Kiyanagi, Y. Ishikawa, Y. Noda, Y. Aoki, H. Sato, M. Kohgi
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 391 Pages: 012025-1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/391/1/012025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Successive phase transitions induced by magnetic fields in a cubic system, NdPd3S4 (2012)
  • Author(s): M. Watahiki, E. Matsuoka, K. Iwasa, Y. Matsumoto, S. Nakamura, T. Nojima, K. Ohoyama, K. Tanigaki, H. Aoki, H. Onodera
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 391 Pages: 012076-1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/391/1/012076
  • Peer Reviewed
• [Presentation] PrT2Zn20(T = Ru, Rh, Ir)の結晶場準位 (2013)
  • Author(s): 小林拓希，岩佐和晃，富安啓輔，長澤直裕，松本圭介，鬼丸孝博，高畠敏郎
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス
  • Year and Date: 20130327-20130327
• [Presentation] J-PARC偏極中性子散乱装置POLANO計画の状況 (2013)
  • Author(s): 大山研司，横尾哲也，伊藤晋一，鈴木純一，佐藤卓，岩佐和晃 他
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス
  • Year and Date: 20130326-20130326
• [Presentation] リエントラント金属非金属転移を示すPr1-xCexRu4P12の超格子構造の研究 (2013)
  • Author(s): 佐藤貴宏，岩佐和晃，斉藤耕太郎，中尾裕則，村上洋一，伊藤晋一，横尾哲也，川名大地
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス
  • Year and Date: 20130326-20130326
• [Presentation] 偏極中性子散乱装置POLANOプロジェクト (2012)
  • Author(s): 横尾哲也，伊藤晋一，鈴木純一，猪野隆，武藤豪，大山研司，岩佐和晃 他
  • Organizer: 日本中性子科学会第12回年会
  • Place of Presentation: 京都大学百周年時計台記念館
  • Year and Date: 20121211-20121211
• [Presentation] Newly Proposed Inelastic Neutron Spectrometer POLANO (2012)
  • Author(s): T. Yokoo, K. Ohoyama, S. Itoh, J. Suzuki, K. Iwasa 他
  • Organizer: QENS2012/WINS2012, Nikko Joint Conference between 10th International Conference on Quasielastic Neutron Scattering and 5th Workshop on Inelastic Neutron Spectrometers
  • Place of Presentation: Nikko Sogo Kaikan, Tochigi, Japan
  • Year and Date: 20121002-20121002
• [Presentation] Basic Concepts of Polarisation Analysis of Neutron Chopper Spectrometer, POLANO, at J-PARC (2012)
  • Author(s): K. Ohoyama, T. Yokoo, S. Itoh, J. Suzuki, K. Iwasa 他
  • Organizer: QENS2012/WINS2012, Nikko Joint Conference between 10th International Conference on Quasielastic Neutron Scattering and 5th Workshop on Inelastic Neutron Spectrometers
  • Place of Presentation: Nikko Sogo Kaikan, Tochigi, Japan
  • Year and Date: 20121002-20121002
• [Presentation] 電子ドープLaCoO3系の探索と磁化・抵抗測定による評価 (2012)
  • Author(s): 小山俊一，綿引正倫，岩佐和晃，中尾裕則，富安啓輔
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学常盤台キャンパス
  • Year and Date: 20120921-20120921
• [Presentation] Fe1+δSbの磁気的性質について (2012)
  • Author(s): 崔純彰，平賀晴弘，大山研司，山口泰男，奈良壮，岩佐和晃，山田和芳
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学常盤台キャンパス
  • Year and Date: 20120918-20120918
• [Presentation] Neutron scattering study on f-electron states of PrCu4Au (2012)
  • Author(s): Hiroki Kobayashi, Kazuaki Iwasa 他
  • Organizer: The 19th International Conference on Magnetism
  • Place of Presentation: BEXCO, Busan, Korea
  • Year and Date: 20120712-20120712
• [Presentation] Neutron magnetic scattering study in manganite thin film system (2012)
  • Author(s): H. Nakao, H. Yamada, K. Iwasa, J. Okamoto, Y. Yamasaki, Y. Murakami, A. Sawa
  • Organizer: The 19th International Conference on Magnetism
  • Place of Presentation: BEXCO, Busan, Korea
  • Year and Date: 20120709-20120709
• [Presentation] Detection of orbital wave in YVO3 using inelastic neutron scattering (2012)
  • Author(s): Daichi Kawana, Youichi Murakami, Tetsuya Yokoo, Shinichi Itoh, Andrei T. Savici, Garrett E. Granroth, Kazuhiko Ikeuchi, Hironori Nakao, Kazuaki Iwasa 他
  • Organizer: Detection of orbital wave in YVO3 using inelastic neutron scattering The 19th International Conference on Magnetism
  • Place of Presentation: BEXCO, Busan, Korea
  • Year and Date: 20120708-20120709
• [Presentation] Polarisation Analysis Neuron Chopper Spectrometer, POLANO, at J-PARC (2012)
  • Author(s): K. Ohoyama, Y. Yokoo, S. Itoh, J. Suzuki, K. Iwasa 他
  • Organizer: PNCMI'2012 (9th International workshop on Polarised Neutrons in Condensed Matter Investigations)
  • Place of Presentation: Jean Monnet center, Paris, France
  • Year and Date: 20120704-20120704
• [Presentation] Development of a Polarised Neutron Diffraction System with a 3He Spin Filter on a Powder Diffractometer in JRR-3 (2012)
  • Author(s): K. Ohoyama, K. Tsutsumi, T. Ino, H. Hiraka, Y. Yamaguchi, H. Kira, T. Oku, Y. Sakaguchi, Y. Arimoto, W. Zhang, H. Kimura, K. Iwasa, M. Takeda, J. Suzuki, K. Yamada, K. Kakurai
  • Organizer: PNCMI'2012 (9th International workshop on Polarised Neutrons in Condensed Matter Investigations)
  • Place of Presentation: Jean Monnet center, Paris, France
  • Year and Date: 20120704-20120704
• [Remarks] 東北大学大学院 理学研究科 物理学専攻 物質構造物理研究室
  • URL: http://calaf.phys.tohoku.ac.jp/