Production of highly spin-polarized RI beams based on the atomic beam resonance method

• Project/Area Number: 18H03692
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 上野 秀樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (50281118)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山本 文子 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (50398898) ; 佐藤 渉 金沢大学, 物質化学系, 教授 (90333319)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥44,460,000 (Direct Cost: ¥34,200,000、Indirect Cost: ¥10,260,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2020: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000); Fiscal Year 2019: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2018: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
• Keywords: その他の量子ビーム / 小型量子ビーム発生技術 / 原子核（実験） / 磁気共鳴 / 原子・分子 / 加速器 / 実験核物理 / 加速器実験 / ＲＩビーム / 核スピン偏極 / 量子ビーム測定手法

Outline of Annual Research Achievements

本研究では高核スピン偏極RI ビームの実現と物質科学研究への応用に向け、適切な NMRプローブが存在しない酸素に着目した酸素プローブによるβ線検出型超高感度 NMR (β-NMR) 測定を通じた新たな物質科学研究の手法を開拓すると共に、その本格的な展開に必要となるRI ビーム用原子線共鳴法の原理実証及び装置のプロトタイプの開発を行うのが目標である。
2020年度は前者に関しては、通常、β-NMR分光測定には核スピン偏極RIの生成が必要となるが、これを核スピン整列RIビームを用いて行う開発研究で成果があった。データ点が少ないながら手法の成功を示すデータを2019年度初めて実験的に得ることに成功していたが、2020年度にQST放医研HIMAC加速器施設にて実験を行い、より精密にβ-NMRスペクトルを測定し、確実に開発の成功を示すデータを得た。高強度でRIビームを生成するにはビームエネルギーが高いことが必要となるが、その際逆に核スピン偏極は小さくなてしまう或いは生成されないという二律背反に陥る問題を抱えていたが、核スピン整列RIビームを利用することでこの問題は解消されることとなった。後者のRI原子線共鳴法の原理実証については、オフライン開発用のRbイオン源・及びそれをイオントラップの開発と動作試験を終え、50%以上の効率でイオントラップを確認した。次のステップとしてイオントラップしたRbに対する中性化の要素技術開発を行った。当初中性化したRbにレーザーを照射し蛍光観察から中性化を直接確認しようとしていたが、散乱光の処理に問題があり観察には至っていない。しかし中性化ガスの導入によるトラップイオン数の減少を計測する間接測定から20％程度の中性化効率を確認することができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

酸素RIのプローブ開発として行った実験で、核磁気モーメント及び核電気四重極モーメントの測定に成功しており、特に後者では理研RIPS装置を用いた2020年の実験で精密測定にも成功した。その後理論計算に基づく核構造の議論で進展があり、得られた両結果とも2021年の夏ごろには論文投稿を行う予定である。また、核スピン整列RIビームを用いた新たなβ-NMR法の開発でも確実な成果が得られ、今後、測定例の無いRIBF加速器施設での遠不安定RIの核電磁モーメント測定につなげることが可能となった。RI原子線共鳴法の原理実証では、COVID-19感染拡大防止措置による装置開発の制約があったため遅れが生じたが、イオントラップと中性化の確認には至ることができた。一部当初予定に比べやや遅れが生じているものの、計画全体としては予定に沿って開発が進められている。

Strategy for Future Research Activity

RI原子線共鳴装置の原理実証で生じた遅れを取り戻すべく、中性化効率の向上を図るとともに、線形ポールトラップの実装とレーザー共同冷却法によるトラップイオンの冷却に着手し、原理実証に向けた最も重要な要素技術開発に取り組む。並行し核プローブ開発、物質科学研究に関する関連研究も推し進め、ここまで得られている結果については論文発表を行う。加えて核スピン偏極RIプローブを用いたβ線検出型NMR原理実証に必要となる単結晶作製も行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CNRS/CEA/GANIL(フランス)
• [Int'l Joint Research] KU Leuven(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] Peking University(中国)
• [Int'l Joint Research] IFIN-HH(ルーマニア)
• [Int'l Joint Research] Kyungpook National University(韓国)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] CEA/DAM/CNRS/IN2P3/CNRS/CRISMAT(フランス)
• [Int'l Joint Research] Michigan State University/The Ohio State University/University of Maryland(米国)
• [Int'l Joint Research] Kyungpook National University/Korea Advanced Inst. of Sci. Tech.(韓国)
• [Int'l Joint Research] GSI(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Peking University(中国)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] Australian National University(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] 北京大学(中国)
• [Int'l Joint Research] IFIN-HH(ルーマニア)
• [Int'l Joint Research] CNRS/IN2P3/IPHC/DRS(フランス)
• [Int'l Joint Research] 慶北大学(韓国)
• [Journal Article] Nuclear-moment measurements of exotic nuclei using spin-oriented RI beams at RIBF (2021)
  • Author(s): Y. Ichikawa
  • Journal Title: AIP Conf. Proc. Volume: 2319 Pages: 080021-080021
  • DOI: 10.1063/5.0039413
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In-beam Mossbauer spectra of 57Mn implanted into lithium aluminum hydride (2021)
  • Author(s): Sato Yukiko、Yamada Yasuhiro、Kobayashi Yoshio、Kubo M. Kenya、Mihara Mototsugu、Sato Wataru、Miyazaki Jun、Nagatomo Takashi、Ando Takatoshi、Takahama Noriko、Some Kanako、Sato Masami、Sato Shinji、Kitagawa Atsushi
  • Journal Title: Applied Radiation and Isotopes Volume: 170 Pages: 109582-109582
  • DOI: 10.1016/j.apradiso.2020.109582
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic Moment of the Isomeric State of 75Cu Measured with a Highly Spin-aligned Beam (2020)
  • Author(s): Y. Ichikawa, H. Ueno (43rd/45 authors), et al.
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 32 Pages: 010047-010047
  • DOI: 10.7566/jpscp.32.010047
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In-beam Mossbauer spectra for 57Mn implanted sulfur hexafluoride (2020)
  • Author(s): Y. Yamada, Y. Sato, Y. Kobayashi, T. Ando, N. Takahama, K. Some, M. Sato, M. Mihara, K.M. Kubo, W. Sato, J. Miyazaki, T. Nagatomo, J. Kobayashi, A. Okazawa, S. Sato, A. Kitagawa
  • Journal Title: Hyperfine Interactions Volume: 241 Pages: 15-15
  • DOI: 10.1007/s10751-019-1655-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Different bound states of impurity hydrogen atoms in hydrothermally grown ZnO detected with nuclear reaction analysis (2020)
  • Author(s): Shimizu H.、Wilde M.、Sato Wataru
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms Volume: 467 Pages: 13-16
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2020.01.026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] g Factor of the Zr99 (7/2+) Isomer: Monopole Evolution in the Shape-Coexisting Region (2020)
  • Author(s): Boulay F. 他 47 名
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Pages: 112501-112501
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.112501
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Growth of polycrystalline Pr4Ni3O10 thin films for intermediate temperature solid oxide fuel cell cathode by radio frequency magnetron co-sputtering (2020)
  • Author(s): Laffez Patrick、Simon Quentin、Kikuchi Yuhei、Retoux Richard、Giovannelli Fabien、Yamamoto Ayako
  • Journal Title: Thin Solid Films Volume: 693 Pages: 137705-137705
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2019.137705
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Negative Parity States in 39Cl Configured by Crossing Major Shell Orbits (2019)
  • Author(s): Tao Long-Chun、Ichikawa Y.、Yuan Cen-Xi、Ishibashi Y.、Takamine A.、Gladkov A.、Fujita T.、Asahi K.、Egami T.、Funayama C.、Imamura K.、Lou Jian-Ling、Kawaguchi T.、Nishizaka T.、Sato T.、Tominaga D.、Yang Xiao-Fei、Yamazaki H.、Ye Yan-Lin、Ueno H.
  • Journal Title: Chinese Physics Letters Volume: 36 Pages: 062101-062101
  • DOI: 10.1088/0256-307x/36/6/062101
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 変形しながら殻進化─磁気モーメントで探るエキゾチック核の「中身」─ (2019)
  • Author(s): 市川雄一
  • Journal Title: Isotope News Volume: 765 Pages: 26-29
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Diagonal nematicity in the pseudogap phase of HgBa2CuO4+δ (2019)
  • Author(s): Murayama H.、Sato Y.、Kurihara R.、Kasahara S.、Mizukami Y.、Kasahara Y.、Uchiyama H.、Yamamoto A.、Moon E.-G.、Cai J.、Freyermuth J.、Greven M.、Shibauchi T.、Matsuda Y.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Pages: 3282-3282
  • DOI: 10.1038/s41467-019-11200-1
  • NAID: 120006796399
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characteristics of Cuprate Superconductors Against Pressure and Carrier Doping～ How Can We Find a New Superconductor with the Highest <i>T</i>_c? ～ (2019)
  • Author(s): TAKESHITA Nao、YAMAMOTO Ayako、SASAKI Misaki
  • Journal Title: THE REVIEW OF HIGH PRESSURE SCIENCE AND TECHNOLOGY Volume: 29 Issue: 4 Pages: 254-261
  • DOI: 10.4131/jshpreview.29.254
  • NAID: 130007783862
  • ISSN: 0917-639X, 1348-1940
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamic motion and freezing of polaronic local structures in a colossal-magnetoresistive perovskite manganite La0.7Ca0.3MnO3 detected with radioactive nuclei (2019)
  • Author(s): Sato W.、Komatsuda S.、Shimizu H.、Moriichi R.、Abe S.、Watanabe S.、Komatsu S.、Terai T.、Kawata S.、Ohkubo Y.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 100 Pages: 1841111-7
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.184111
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 低エネルギースピン物理 (2021)
  • Author(s): 市川雄一
  • Organizer: 日本のスピン物理学の展望研究会
  • Invited
• [Presentation] 19O の偏極ビーム生成と固体燃料電池研究への応用 (2021)
  • Author(s): 大谷優里花, Aleksey Gladkov (19th) 他 23 名
  • Organizer: 日本物学会第 76 回年次大会
• [Presentation] 超高圧を用いた新規超伝導体の開発 (2021)
  • Author(s): 山本文子
  • Organizer: 低温工学超電導学会 高温超伝導バルク材の基礎と応用調査研究会
  • Invited
• [Presentation] SLOWRI rf gas catcher development toward symbiotic mass measurement at F11 (2020)
  • Author(s): A. Takamine
  • Organizer: RIBF User Meeting 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] In-gas-jet laser spectroscopy of 199-202Pt, 195-198Ir, 193-198Os (2020)
  • Author(s): M. Mukai
  • Organizer: SSRI-PNS Collaboration Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nuclear spectroscopy with spin-polarized RI beams (2020)
  • Author(s): H. Ueno
  • Organizer: The International School for Strangeness Nuclear Physics 2020 (SNP School 2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Estimation of phase-transition pressure of HgI2 using the color change of a pH indicator, phenol red, as a pseudo pressure scale (2020)
  • Author(s): A. Yamamoto
  • Organizer: 10th Asian Conference on High-Pressure Research (ACHPR-10)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高偏極 RI ビームの生成と核・物質科学研究への応用 (2020)
  • Author(s): 上野秀樹
  • Organizer: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」第 2 回領域全体会議
  • Invited
• [Presentation] RI 原子線磁気共鳴に向けた中性化装置開発 (2020)
  • Author(s): 今村慧
  • Organizer: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い．新たな応用への架け橋．」第 2 回領域全体会議
• [Presentation] 短寿命酸素NMRプローブ核 19O の物質科学利用 (2020)
  • Author(s): 三原基嗣, Aleksey Gladkov (14th) 他 13 名
  • Organizer: 日本物学会 2020 年秋季大会
• [Presentation] High-pressure synthesis and characterization of high-entropy disulfides MS2 with pyrite-type structure (2020)
  • Author(s): A. Zakiyatul, A. Yamamoto, et al.
  • Organizer: 第 61 回高圧討論会
• [Presentation] KSbO3 型派生構造を有する新規ストロンチウムイリジウム酸塩化物の合成、結晶構造、および物性 (2020)
  • Author(s): 山本文子 他
  • Organizer: 日本物理学会 2020 年秋季大会
• [Presentation] ナローギャップ半導体 M1-xPt3O6 (M = Cd, Hg, x = 0-0.2) の輸送特性における組成及び圧力依存性 (2020)
  • Author(s): 山本文子 他
  • Organizer: 日本セラミックス協会第 33 回秋季シンポジウム
• [Presentation] 超巨大磁気抵抗効果を示す La0.7Ca0.3MnO3 中ポーラロンの運動とその凍結 (2020)
  • Author(s): 佐藤渉 他 10 名
  • Organizer: 日本放射化学会第 64 回討論会
• [Presentation] 不純物核スピン緩和を利用したLa0.7Ca0.3MnO3中ポーラロンの状態観察 (2020)
  • Author(s): 佐藤渉, 小松田沙也加, 清水弘通, 盛一遼平, 阿部 聡, 渡辺祥太, 小松俊介, 寺井智之, 川田知, 大久保嘉高
  • Organizer: KUR専門研究会「短寿命RIを用いた核分光と核物性研究Ⅵ」
• [Presentation] Nuclear-physics research based on RI spin orientation technique (2019)
  • Author(s): H. Ueno
  • Organizer: XXXVI Mazurian Lakes Conference on Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetic-moment measurement of exotic nuclei using spin-oriented RI beams at RIBF (2019)
  • Author(s): Y. Ichikawa
  • Organizer: 14th Asia-Pacific Physics Conference (APPC 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-pressure synthesis of Hg containing complex oxides (2019)
  • Author(s): A. Yamamoto, M. Iida, N. Takeshita
  • Organizer: Aalto Symposium on New Functional Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Control of energy gap in semiconducting complex platinum oxides with extremely narrow-gap, A1-xPt3O6 (A = Cd and Hg, x = 0-0.2) (2019)
  • Author(s): A. Yamamoto, M. Iida, N. Takeshita
  • Organizer: 17th European Conference of Solid State Chemistry (17th ECSSC)
  • Invited
• [Presentation] Pr4Ni3O10±d thin films for IT-SOFC cathode: a two-step synthetic route by magnetron co-sputtering (2019)
  • Author(s): Y. Kikuchi, Q. Simon, A. Yamamoto, P. Laffez
  • Organizer: The 2019 Spring Meeting of the European Materials Research Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ナローギャップ半導性を有する複合白金酸化物の高圧合成と高圧下輸送特性 (2019)
  • Author(s): 山本文子, 飯田睦大, 竹下直
  • Organizer: 東京大学物性研究所短期研究会「高圧合成による新規材料開発と高圧下測定技術の集結」
  • Invited
• [Presentation] KSbO3 型新規酸塩化物 Sr10Ir12O37Cl の合成, 結晶構造および物性 (2019)
  • Author(s): 菊地優平, 杉山和正, 山本文子
  • Organizer: 第 60 回高圧討論会
• [Presentation] ナローギャップ半導体 MxPt3O6 (M = Cd, Hg, x = 0.8-1.0)の高圧合成および伝導特性 (2019)
  • Author(s): 飯田睦大, 竹下直, 山本文子
  • Organizer: 第 60 回高圧討論会
• [Presentation] KSbO3 型立方晶 SrIrO3 の高圧合成 (2019)
  • Author(s): 菊地優平, 杉山和正, 山本文子
  • Organizer: 第 4 回固体化学フォーラム
• [Presentation] ナローギャップ半導体 MxPt3O6 の高圧合成および伝導特性 (2019)
  • Author(s): 飯田睦大, 竹下直, 山本文子
  • Organizer: 第 4 回固体化学フォーラム
• [Presentation] 3 種のSrIrO3 多形の合成、結構構造および物性 (2019)
  • Author(s): 菊地優平, 杉山和正, 山本文子
  • Organizer: 東京大学物性研究所短期研究会「高圧合成による新規材料開発と高圧下測定技術の集結」
• [Presentation] ナローギャップ半導体 MxPt3O6 の高圧合成および伝導特性 (2019)
  • Author(s): 飯田睦大, 竹下直, 山本文子
  • Organizer: 東京大学物性研究所短期研究会「高圧合成による新規材料開発と高圧下測定技術の集結」
• [Presentation] 四酸化三鉄中に不純物として導入されたインジウムおよびガリウムの原子ジャンプ過程 (2019)
  • Author(s): 佐藤渉, 藤沢照功, 竹中聡汰, 杉本友亮, 高田真宏, 小松田沙也加, 大久保嘉高
  • Organizer: 日本放射化学会第 63 回討論会（2019）
• [Presentation] Nuclear magnetic dipole moments measured with spin-oriented RI beams at RIKEN RIBF (2019)
  • Author(s): Y. Ichikawa
  • Organizer: The International Conference on HYPERFINE Interactions and Applications (HYPERFINE 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of offline ion source for collinear laser spectroscopy of RI beams (2019)
  • Author(s): 田島美典
  • Organizer: 第10回停止・低速RIビームを用いた核分光研究会
• [Presentation] 不安定核の核スピン偏極・整列生成について (2019)
  • Author(s): 市川雄一
  • Organizer: 第10回停止・低速RIビームを用いた核分光研究会
• [Presentation] スピン整列ビームを用いた核モーメント測定と核分光研究への応用 (2019)
  • Author(s): 西畑洸希
  • Organizer: 第10回停止・低速RIビームを用いた核分光研究会
• [Presentation] β-NMR measurements of the ground-state nuclear moments for 21O (2018)
  • Author(s): A. Gladkov
  • Organizer: Fifth Joint Meeting of the Nuclear Physics Divisions of the APS and the JPS (HAWAII2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure of neutron-rich 31Mg by β-decay spectroscopy of spin-polarized 31Na (2018)
  • Author(s): H. Nishibata
  • Organizer: Fifth Joint Meeting of the Nuclear Physics Divisions of the APS and the JPS (HAWAII2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Prospects for laser spectroscopy project at the SLOWRI facility in RIKEN RIBF (2018)
  • Author(s): A. Takamine
  • Organizer: 2018 KPS Fall Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] R&D of spin-controlled RI beams (2018)
  • Author(s): H. Ueno
  • Organizer: The 10th China-Japan Joint Nuclear Physics Symposium (CJNP2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Laser spectroscopy of RI beams at the SLOWRI facility of RIKEN (2018)
  • Author(s): M. Tajima
  • Organizer: The 10th China-Japan Joint Nuclear Physics Symposium (CJNP2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] β-NMR/NQR spectroscopy as a local probe of condensed matter (2018)
  • Author(s): H. Yamazaki
  • Organizer: Technical Meeting on Novel Multidisciplinary Applications with Unstable Ion Beams and Complementary Techniques
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 理化学研究所 開拓研究本部 上野核分光研究室
  • URL: https://www.riken.jp/research/labs/chief/nucl_spectro/
• [Remarks] 理化学研究所 仁科加速器科学研究センター 核分光研究室
  • URL: https://www.riken.jp/research/labs/rnc/nucl_spectro/index.html
• [Remarks] 理化学研究所 「フジサンケイビジネスアイ」連載企画、第87弾掲載
  • URL: https://www.riken.jp/pr/news/2020/20200522_1/index.html
• [Remarks] 理化学研究所 ジルコニウム同位体は励起状態でも突然変形する
  • URL: https://www.riken.jp/press/2020/20200317_2/index.html
• [Remarks] 主任研究員研究室 上野核分光研究室
  • URL: https://www.riken.jp/research/labs/chief/nucl_spectro/index.html
• [Remarks] 仁科加速器科学研究センター 核分光研究室
  • URL: https://www.nishina.riken.jp/labo/nuclear_spectroscopy.html
• [Remarks] ジルコニウム同位体は励起状態でも突然変形する
  • URL: https://www.riken.jp/press/2020/20200317_2/index.html
• [Remarks] B03 高偏極RIビームの生成と核・物質科学研究への応用
  • URL: https://member.ipmu.jp/SpaceTech_to_QuantumBeam/planned-research/b03/index.html
• [Remarks] 上野核分光研究室
  • URL: http://www.riken.jp/research/labs/chief/nucl_spectro/
• [Remarks] 核分光研究室
  • URL: http://www.riken.jp/research/labs/rnc/nucl_spectro/