2013 Fiscal Year Research-status Report
強磁場下における電子スピン緩和時間測定法の確立とスピンネマチック相の観測
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25400341
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
櫻井 敬博 神戸大学, 研究基盤センター, 助教 (60379477)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | スピン格子緩和時間 / ESR / 縦磁化検出 / SQUID / スピンネマチック |
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| Research Abstract |
電子スピンのスピン－格子緩和時間T1はそのダイナミクスを記述する上で、最も基本的かつ重要なパラメーターであるが、量子スピン系に対してはその緩和時間はナノ秒以下に及ぶため、特に強磁場下ではその観測手法がほとんどない。本研究では、電子スピン共鳴（ESR）に伴う縦磁化と横磁化の変化の比がスピン－格子緩和時間に比例することを利用し、申請者がこれまでに開発した超伝導量子干渉素子（SQUID）磁束計を用いた縦磁化検出型ESRを利用して、横磁化のESRが同時観測出来るよう改良することで、強磁場下、ナノ秒以下の緩和時間まで測定できる手法を確立する。そして本手法を一次元フラストレート強磁性体に応用し、現在その実証が課題となっているスピンネマチック相をスピンダイナミクスの観点から明らかにすることを目的とする。初年度は装置開発に注力した。SQUID磁束計としては本学所有の最大磁場5Tのもの（米Quantum Design社製、MPMS）を用いた。まずは現有システムの感度の向上を図るため、以下の2つを行った。一つはライトパイプの径を現状6φであるのをMPMSに取り付け可能な最大径（8.4φ）にした点、もう一つは電磁波を経路途中の45度反射ミラーの中心孔に効率的に集中させるために取り付ける誘電体を探索した点である。前者のライトパイプの径の増加は、入射する電磁波の反射に伴う強度の減衰を抑制し、一方後者の誘電体の配置は、パイプ径よりも小さな径の中心孔に効率よく電磁波を集中させるために行う。前者は比較的高い効果があることが分かった。後者については、酸化ジルコニウム（比誘電率～30）やこれらの類縁化合物等いくつか試したが、いずれも電磁波の透過度そのものが低いため、十分な効果は得られなかった。しかし酸化アルミニウム（～10）は良好な透過度を示し、十分に利用可能であることが分かった。
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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
初年度は計画通り装置開発に注力した。同装置ではSQUID磁束計での磁化検出による縦磁化のESRのみならず、横磁化のESRも観測するが、後者は試料の透過電磁波強度により観測する。具体的には、ライトパイプの底部に180度反射用ミラーを、経路途中に45度反射用ミラーを取り付けることによって電磁波を外部に取り出し検出する。45度反射用ミラーは中心孔によってライトパイプの一部も担うが、その中心孔の大きさが電磁波の透過、反射の相反する二つの因子に影響を及ぼす。例えば、中心孔を大きくすれば透過は大きくなり試料に照射される電磁波強度は大きくなるが、一方でミラーの面積は小さくなるため検出器に向かう反射強度は小さくなる。本研究では縦磁化、横磁化のESRをともに観測して初めてスピン格子緩和時間が評価出来るので、装置の感度向上がその成否の鍵である。従って、現有の縦磁化検出型のESR装置の感度を最大限にするためにパイプ径を増大した点と、同時に横磁化ESRの高い感度を達成するために45度反射ミラーの中心孔に取り付ける誘電体の候補が見つかった点は大きい。これは概ね計画通りであり、今後は誘電体の具体的な形状等を決め、また感度評価等も行っていく。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後行うべき主な事は、１）45度反射ミラーの中心孔の大きさの決定とそれに合わせた誘電体形状の決定、２）縦磁化及び横磁化ESRのテスト及び感度評価、３）既知スピン格子緩和時間T1物質のT1測定による装置定数等の決定、４）一次元フラストレート強磁性体への応用とそのスピンネマチック相の観測、である。今年度、パイプ径の増大による縦磁化検出ESRの感度の向上と横磁化検出のESRの感度向上に向けた誘電体物質の決定が出来たので、今後はまず１）、２）を集中的に進め装置の感度評価、テストを可能な限り早期に行う予定である。縦磁化、横磁化のESRの強度をそれぞれI、I’とするとその比はI/I’=c･T1（cは装置定数）であるが、T1が既に知られている物質を用いてこの装置定数cを決め、一次元フラストレート強磁性体へ応用していく。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
誘電体材料の探索のためこれらのテストピースの購入に当初予定より費用がかさみ、予定していたロックインアンプの購入費用にまで割り込んだ。このためロックインアンプの購入をやめ残額を次年度にまわした。
次年度はまず装置の感度評価を行うが、当初の想定を上回る感度向上が実現出来るかもしれない。場合によっては、装置の組み立て、評価、実際の測定等と平行して、更に良好な誘電体材料の探索を行う。感触としては誘電体材料にはなお探索すべき余地がある。当初は誘電体材料の利用による感度の向上はそれほど期待していなかったため、ロックインアンプの使用を含め、感度向上に最も効果的な方法を見極め、必要な部分に予算を充てていく。
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