2014 Fiscal Year Annual Research Report
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26247063
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
前川 禎通 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, センター長 (60005973)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
針井 一哉 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究員 (00633900)
家田 淳一 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究員 (20463797)
中堂 博之 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究員 (30455282)
小野 正雄 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究員 (50370375)
松尾 衛 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究員 (80581090)
安立 裕人 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究員 (10397903)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | スピンベリー位相 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピン起電力の出力増大と応用を目的とした磁気バブル格子の理論・数値解析を行い、磁場勾配から電圧生成が可能であることをはじめて示すとともに、出力電圧が磁気バブルの配列数に比例して増大することを明らかにした。この成果はScientific Reportsに掲載されている。また、ラシュバ型スピン軌道相互作用による界面磁気異方性の理論を発展させるとともに、学会及び研究会において招待講演を行った。
スピンベリー位相の包括的理解のために、核磁気共鳴（NMR）を実験手法とし、核スピン系を対象に回転運動の効果を研究した。NMRの新手法であるコイル回転法を用いて、回転運動によって試料内部に生じる有効磁場（バーネット磁場）をNMRのシフトとして観測することに成功した成果がApplied Physics Expressに掲載された。この研究からの進展で、回転軸を磁場に対して角度を持たせることによって、核スピン系にスピンベリー位相が蓄積されるとの着想を得て、核スピン1/2の系に対して実験を行った。NMRの共鳴線は磁場と回転軸の成す角度によって複数に分裂し、角度に依存した信号強度が得られた。この結果に対して、回転系における厳密解と断熱近似を用いたベリー位相の両方の解析を行い、実験結果を説明することに成功した。この成果はJapanese Journal of Applied Physicsに掲載されている。試料そのものの回転運動と試料と検出器の間の相対運動といった回転の自由度に着目し、コイル回転法をさらに発展させ検出器のみを回転できる機構を開発することによって、相対運動の効果を検証し、NMR法による回転ドップラー効果の観測に成功した。この成果はJournal of the Physical Society of Japanに掲載されている。
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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
当初目的であった、磁気バブル格子における磁壁移動によってスピン起電力の生成が可能であることを理論・数値解析的手法を用いて示すことを達成できた。また、そのスピン起電力は磁気バブルの配列数に比例して増大することを明らかにすることができ、当初目的は十分に達成できた。この成果はScientific Reportsに掲載されている。さらに、ラシュバ型スピン軌道相互作用による界面磁気異方性の理論を発展させることで、垂直磁化の新規な発現機構を示すことができ、当初の予想以上の進歩が見られた。
実験においても、当初目的であった、力学的回転運動が核スピン系にもたらすスピンベリー位相の系統的測定を実施し、成果に結びつけることができた。NMRの新手法であるコイル回転法を用いることによって、バーネット磁場をNMRのシフトとして観測することに成功した。この成果はApplied Physics Expressに掲載され、注目論文にも選ばれた。この研究を進展させ、核スピン系にスピンベリー位相が蓄積され実験系を考案し、スピンベリー位相によるNMR共鳴線の分裂を観測した。この成果はJapanese Journal of Applied Physicsに掲載されている。また、回転運動を伴った実験系に付随する新たな自由度として相対運動の影響を検討した。コイル回転法をさらに発展させ検出器のみを回転できる機構を開発した。相対運動から生じるシフトを見出し、回転ドップラー効果の観測に成功した。この成果はJournal of the Physical Society of Japanに掲載されている。回転運動を包括的に理解するためにはスピンベリー位相、バーネット効果や回転ドップラー効果を考慮に入れる必要があるとういう指針を得た。また、これらを考慮することで、既存のよく知られた固体分析に用いられているマジックアングルスピニングNMRや溶液分析に用いられているスピニングNMRにおいて、NMR共鳴線にシフトが見られない理由を理解できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
スピン起電力の理論的アプローチとして、より具体的にTbFeCo系の磁性薄膜に現れる磁気バブル構造を対象として、数値計算を実施し、材質、試料形状、外部磁場の印加方法等の条件を考慮に入れ最適化を行い、より出力信号の増大が期待できる系を提案することを目指す。これを実施するため、数値計算ツールのソフトウェアとハードウェア両面の強化を並行して行う。また、磁気ナノ粒子や磁気トンネル接合系のスピン起電力の理論構築に取り組む。
実験面では、昨年度達成できたNMRにおけるスピンベリー位相の効果をより一般化するため、核スピンが1以上の核種に対して同様の実験を行い、核スピン系に作用するスピンベリー位相に対して理解を深める。また、核スピン系が格子に強く結合した系に対して回転効果を検証する実験を行う。ある種の結晶では核位置の電場勾配と核四重極モーメントが強く結合しており、この結晶を回転させたとき、核スピン系は電場勾配の回転に伴って回転し、核スピン系にはスピンベリー位相が蓄積される。また、強磁性体を回転させた場合でも磁化方向の回転に伴って核スピン系は回転し、スピンベリー位相が蓄積される。これらの実験を通して、核スピン系における力学的回転効果の理解をさらに深める。また、超高速回転装置を用いて、四重極相互作用や、ゼーマン相互作用のエネルギースケール程度まで回転数を増大し、非断熱的な量子位相の効果の観測を目指すことも並行して行う。核スピン系を舞台とした量子位相現象の探索を進めていく。
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[Journal Article] Observation of Barnett fields in solids by nuclear magnetic resonance2014
Author(s)
H. Chudo, M. Ono, K. Harii, M. Matsuo, J. Ieda, R. Haruki, S. Okayasu, S. Maekawa, H. Yasuoka, E. Saitoh
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Journal Title
Applied Physics Express
Volume: 7
Pages: 063004-1,4
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Direct observation of Barnett field by spinning nuclear magnetic resonance2014
Author(s)
H. Chudo, M. Ono, K. Harii, R. Haruki, S. Okayasu, M. Mastuo, J. Ieda, S. Maekawa, H. Yasuoka, and E. Saito
Organizer
ICC-IMR/20th REIMEI International Workshop on Spin Mechanics 2
Place of Presentation
Sendai, Japan
Year and Date
2014-06-21 – 2014-06-21
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