大型スポレーションパルス中性子源を用いた中性子散乱による物質の動的構造研究

• 研究課題/領域番号: 04044160
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 高エネルギー物理学研究所
• 研究代表者: 池田 宏信 高エネルギー物理学研究所, ブースター利用施設, 教授 (90013523)
• 研究分担者: 稲葉 章 大阪大学, 理学部, 講師 (30135652) ; STEIGENBERGE ユウ.イイ. ラザフォードアプルトン研究所, グループリーダー ; 金谷 利治 京都大学, 化学研究所, 助教授 (20152788) ; 松尾 隆祐 大阪大学, 理学部, 助教授 (00028185) ; 加倉井 和久 東京大学, 物性研究所, 助教授 (00204339) ; 梶 慶輔 京都大学, 化学研究所, 教授 (00026072) ; 伊藤 晋一 高エネルギー物理学研究所, ブースター利用施設, 助手 (00221771) ; 新井 正敏 神戸大学, 理学部, 助教授 (30175955) ; 古坂 道弘 高エネルギー物理学研究所, ブースター利用施設, 助教授 (60156966) ; 池田 進 高エネルギー物理学研究所, ブースター利用施設, 助教授 (80132679) ; 三沢 正勝 新潟大学, 理学部, 教授 (80005941) ; 神山 崇 筑波大学, 物質工学, 助手 (60194982) ; 浅野 肇 筑波大学, 物質工学, 教授 (90005934) ; 柴田 薫 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (60183836) ; 山田 和芳 東北大学, 理学部, 助教授 (70133923) ; 神木 正史 東北大学, 理学部, 助教授 (30004451) ; 遠藤 康夫 東北大学, 理学部, 教授 (00013483) ; 渡辺 昇 高エネルギー物理学研究所, ブースター利用施設, 教授 (40005286) ; FURUSAKA M. National Laboratory for High Energy Physics ; IKEDA S. National Laboratory for High Energy Physics ; MISAWA M. Niigata Univ. ; ASANO H. Univ.of Tsukuba ; SHIBATA K. Tohoku Univ. ; KOHGI M. Tohoku Univ. ; YAMADA K. Tohoku Univ. ; ENDOH Y. Tohoku Univ. ; MATSUO T. Osaka Univ. ; ARAI M. Kobe Univ. ; KAKURAI K. Univ.of Tokyo ; KAJI K. Kyoto Univ. ; KANAYA T. Kyoto Univ. ; ITOH S. National Laboratory for High Energy Physics ; 辛 埴 東京大学, 物性研究所, 助教授 (00162785) ; 加美山 隆 北海道大学, 工学部, 助手 (50233961) ; 増田 康博 高エネルギー物理学研究所, ブースター利用施設, 助手 (60150009) ; 鬼柳 善明 北海道大学, 工学部, 助教授 (80002202) ; 田島 圭介 慶應大学, 理工学部, 助教授 (70004439) ; 入江 吉郎 高エネルギー物理学研究所, ブースター利用施設, 助教授 (00124173) ; 鈴木 謙爾 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (10005861) ; 山口 敏男 福岡大学, 理学部, 助教授 (70158111) ; FINNEY J.L. ラザフォードアプルトン研究所, 研究主幹 ; 山室 修 大阪大学, 理学部, 助手 (20200777) ; 本河 光博 神戸大学, 理学部, 教授 (30028188) ; 新村 信雄 東北大学, 理学部, 助手 (50004453) ; J L Finney ラザフォードアプルトン研究所, 研究主幹
• 研究期間 (年度): 1992 – 1994
• 研究課題ステータス: 完了 (1994年度)
• 配分額: 29,400千円 (直接経費: 29,400千円); 1994年度: 9,800千円 (直接経費: 9,800千円); 1993年度: 9,800千円 (直接経費: 9,800千円); 1992年度: 9,800千円 (直接経費: 9,800千円)
• キーワード: 中性子散乱 / パルス中性子 / チョッパー型分光器 / 磁気励起 / 高温超伝導 / 非晶体構造 / チョッパー分光器 / 動的構造 / 高温超伝導体 / 非晶体

研究概要

本研究は、「連合王国科学工学会議(SERC)及び日本高エネルギー物理学研究所(KEK)間のラザフォード・アプルトン研究所(RAL)スポレーション中性子源(ISIS)を用いた中性子散乱研究に関する協定」(1986年12月締結)に基づく研究を実施することを目的としている。この協定に基づき、我々はわが国の予算により高性能チョッパー型分光器MARIをISISに設置し(平成元年度)、これまで既存の中性子源利用によっては達成できなかった新しい中性子散乱研究の開拓をめざして、1992年度から本格的な実験研究を開始した。本年度は、MARIを中心とした14課題の実験を実施したが、数多くの成果が得られた。顕著な成果は以下の通りである。
高温超伝導体La_<1.85>Sr_<0.15>CuO_4単結晶の磁気揺動の観測を行い300meVまでに及ぶシグナルの観測に成功した。このような大きなエネルギースケールの磁気揺動は、同じ銅酸化物超伝導体のYBa_2Cu_3O_7とは大きく異なっており、高温超伝導発現と磁気揺動の関連を研究する上での重要な発見となった。
一次元反強磁性体の磁気励起に及ぼす量子効果の研究は統計物理学の基本問題として重要な課題の一つである。スピン値が3/2の系CsVCl_3の一次元鎖方向の磁気励起を測定することによって、ゾーン境界の励起エネルギーが75meVをとることが分かったが、この値は古典的なスピン波論で予測される値の1.26倍である。また、励起の線幅は古典論で予測される値の2,4倍とう異常を示すことが判明された。線幅の温度変化の詳細を現在解析中であり、スピン値の増大に伴う量子論から古典論へのクロスオーバーについての理解が進みつつある。
水素結合物質KHCO_3の水素の波動関数とポテンシャルを求めるための実験が行なわれ、水素の励起状態(125meV,230meV、320meV)の運動量空間での強度分布の測定に成功した。これで得られた散乱関数のフーリエ変換から、水素の励起状態の波動関数の対称性、また、それを再現するポテンシャルの決定作業が進行している。
典型的非質晶合金(例えばNi_<40>V_<60>)では、非晶化に伴い、局所的な四面体基本構造ユニットが互いに、結晶相での面共有型から頂点共有型に変化するものと予想されている。このような変化は原子振動の相違を伴うので、MARIでの動的構造因子の測定が決め手となる。この測定によって、非晶質合金において初めて、分散の無い励起状態(12meV)が発見された。このことから、四面体を基本とした二十面体構造の存在が示唆されており、原子振動のダイナミクスの情報から原子配列の詳細が決定されつつある。
以上はMARIを用いた実験成果の一部であるが、他の分光器を使用した共同研究によって以下のような興味深い成果が得られている。
高エネルギー分解能分光器IRISで、4μeVという高い分解能の実験条件のもとで、フラクタル構造をもつパーコレーションネットワーク上を拡散するスピンの運動を支配する異常拡散則の観測に初めて成功した。一様な系での粒子の拡散則はすでに確立されているが、フラクタル格子上を拡散する粒子の運動を明らかにした最初の実験である。
典型的遍歴磁性体Mn_<3-x>Si_x(x=0-1.2)の低温での磁気秩序状態は、x=0では横波正弦波、x=0.2-1.2では反強磁性構造である。局所的にはMnがBCC構造をとることから、スピン密度波が観測される例として有名なBCC-Crとの比較に大きな興味がもたれている。高エネルギー励起用チョッパー分光器HETを用いたMn_<2.8>Si_<0.2>単結晶の実験によって、スピン波はエネルギーが30-40meVの付近で急速にダンピングするという現象が見いだされた。磁気転移以上の温度で観測された異常に強い常磁性散乱とともに、この系の磁性が明らかにされようとしている。

研究成果

• [文献書誌] S.Itoh: "Spin Dynamics on Two-Dimensional Heisenberg Anitiferromagnetis-High Energy Neutron Inelastic Scatteiong from La_2CuO_4La_2NiO_<4->" J.Phys.Soc.Jpn.63. 4542-4549 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] P.Allenspach: "Magnetic properites of Nd^<3+> in Nd-Ba-Cu-O Compounds" Z.Phys.B. 95. 301-310 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Structure and Dynamics of Condensed Matter Studied by Neutron Scattering" IONICS. 20. 11-20 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Lattice Anomaries in High-Tc Superconductors" Proc.ETL Workshop on High Temperature Superconductors. 58. 22-24 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Lattice Anomaly of La_<1.85>Sr_<0.15>CuO_4 Studied by Neutron Scattering" Physica C. 235-240. 1253-1254 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Neutron Scattering studies on a Spin-Peirels Material CuGeO_3" J.Phys.Soc.Jpn.63. 1161-1165 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Local Structural Instability of High-Tc Oxide Superconductors Studied by Inelastic Neutron Scattering" J.Superconductivity. 7. 415-418 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Dynamical Labelling Method to Extract Partial Structure Factors" Proc.Int.Coll.on Advanced Neutron Sources XII. I. I238-I290 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Inaba: "Calorimetric Studied of Tunneling Phenomana" Physica B. 202. 325-331 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] C.J.Carlile: "Less Background,Better Contrast by Cooling Analyser Crystals" Nucl.Instr.Meth.Phys.Res.A338. 78-82 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] O.Yamamuro: "Phase Transitions and Structures of Methylammonium Compounds" Proc.5th Int.Symp.on Advanced Nuclear Energy Research. 604 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Itoh: "Spin Dynamics in an Ising-Like Quantum Spin Chain with Nonmagnetic Impurities" J.Phys.Soc.Jpn.64(印刷中). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Itoh: "Quantum Spin Dynamics of an S=3/2 Heisenberg Antiferromagnetic Chain" Phys.Rev.Lett.(印刷中). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Itoh: "Inelastic Pulsed Neutron Scattering of CsVCl_3" Physica B. (印刷中). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Inaba: "Rotational Tunneling and Spin Conversion in Methane Monolayers Adsorbed on the Surface of Graphite" Physica B. (印刷中). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] O.Yamamuro: "Neutron Diffraction Study of Tetrahydrofuran and Aceton Clathrate Hydrates" Physica B. (印刷中). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] O.Yamamuro: "Critical Phenomenon in Molecular-Ionic Crystal(CD_3ND_3)_2[SnCl_6]" Physica B. (印刷中). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] O.Yamamuro: "Phase Transitions of Scandium Triacetate" Physica B. (印刷中). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Ikeda and U.Steigenberger: "Report of Japan-UK Collaboration on Neutron Scattering" 216 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Itoh: "Spin Dynamics on Two-Dimensional Heisenberg Antiferromagnetis-High Energy Neutron Inelastic Scattering from La_2CuO_4 and La_2NiO_4-" J.Phys.Soc.Jpn.63. 4542-4549 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] P.Allenspach: "Magnetic Properties of Nd^<3+> in Nd-Ba-Cu-O Compounds" Z.Phys.B. 95. 301-310 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Structure and Dynamics of Condensed Matter Studied by Neutron Scattering" IONICS. 20. 11-20 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Lattice Anomaries in High-Tc Superconductors" Proc.ETL Workshop on High Temperature Superconductors. 58. 22-24 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Lattice Anomaly of La_<1.85>Sr_<0.15>CuO_4 Studied by Neutron Scattering" Physica C. 235-240. 1253-1254 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Neutron Scattering studies on a Spin-Peirels Material CuGeO_3" J.Phys.Soc.Jpn.63. 1161-1165 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Local Structural Instability of High-Tc Oxide Superconductors Studied by Inelastic Neutron Scattering" J.Superconductivity. 7. 415-418 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Arai: "Dynamical Labelling Method to Extract Partial Structure Factors" Proc.Int.Coll.on Advanced Neutron Sources XII. I. I238-I290 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A.Inaba: "Calorimetric Studied of Tunneling Phenomena" Physica B. 202. 325-331 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] C.J.Carlile: "Less Background, Better Contrast by Cooling Analyzer Crystals" Nucl.Instr.Meth.Phys.Res.A338. 78-82 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] O.Yamamuro: "Phase Transitions and Structures of Methylammonium Compounds" Proc.5th Int.Symp.on Advanced Nuclear Energy Research. 604- (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Itoh: "Spin Dynamics in an Ising-Like Quantum Spin Chain with Nonmagnetic Impurities" J.Phys.Soc.Jpn.64(in press). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Itoh: "Quantum Spin Dynamics of an S=3/2 Heisenberg Antiferromagnetic Chain" Phys.Rev.Lett.(in press). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Itoh: "Inelastic Pulsed Neutron Scattering of CsVCl_3" Physica B. (in press). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A.Inaba: "Rotational Tunneling and Spin Conversion in Methane Monolayrs Adsorbed on the Surface of Graphite" Physica B. (in press). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] O.Yamamuro: "Neutron Diffraction Study of Tetrahydrofuran and Aceton Clathrate Hydrates" Physica B. (in press). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] O.Yamamuro: "Critical Phenomenon in Molecular-Ionic Crystal (CD_3ND_3)_2[SnCl_6]" Physica B. (in press). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] O.Yamamuro: "Phase Transitions of Scandium Triacetate" Physica B. (in press). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Ikeda and U.Steigenberger: Report of Japan-UK Collaboration on Neutron Scattering, 1-216 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Matsuo: "Denterium-induced phase transition in some ammonium and hydrogen-bonded acidic salts" Order and Disorder in Solids. 9. 6-10 (1993)
• [文献書誌] M.Kohgi: "Neutron magnetic scattering studies on rare earth compounds with highly correlated electrons" Jap.J.Appl.Phys.8. 244-253 (1993)
• [文献書誌] M.Calvo: "Collective excitations in amorphous Fe_<85>B_<15>" J.Non-Cryst.Solids. 156-158. 53 (1993)
• [文献書誌] W.I.F.David: "High resolution neutron powder diffraction:a case study of the structure of C_<60>" Proc.Roy.Soc.London. A442. 129 (1993)
• [文献書誌] J.A.Fernandez-Baca: "High-energy magnetic excitations in Mn_<90>Cu_<10>" J.App.Phys.73. 6548 (1993)
• [文献書誌] S.Itoh: "Spin dynamics along the chain direction in an S=3/2,quasi one-dimensional Heisenberg antiferromagnet CsVCl_3" J.Phys.:Condens.Matter. 5. 6767 (1993)
• [文献書誌] O.Yamamuro: "Phase transitions and structures of methylammonium compounds" Proc.5th Int.Symp.on Advanced Nuclear Eneregy Research. 2. 604-611 (1993)
• [文献書誌] K.Suzuki: "The medium-and short-range collective atomic motion in Pd-Si(Ge)amorphous alloys" J.Non-Cryst.Solids. 156-158. 58-62 (1993)
• [文献書誌] K.Nakajima: "Spin-wave excitations in two-dimensional antiferromagnet of stoichiometric La_2NiO_4" J.Phys.Soc.Jpn.62. 4438-4448 (1993)
• [文献書誌] 山口 敏男: "金属イオンの水和構造" 化学工業. 374 (1993)
• [文献書誌] M.Yamagami: "Pulsed neutron diffraction study on lithium(I)hydration in supercooled aqueous chloride solutions" J.Chem.Phys.100. 3132 (1994)
• [文献書誌] S.Takeda: "Quantum precession of HCl molecules in hydroquinon clathrate" Physica B. (発表予定).
• [文献書誌] M.A.Adams: "The effectiveness of low temperatures in reducing background from thermal diffuse scattering of pylorytic graphite filter" ICANS XII proceedings. (発表予定).
• [文献書誌] M.Arai: "Dynamical labelling method to extract partial structure factors" ICANS XII proceedings. (発表予定).
• [文献書誌] M.Arai: "Neutron scattering studies on a spin-Peierls material CuGeO_3" J.Phys.Soc.Jpn.(発表予定).
• [文献書誌] C.J.Carlile: "Less background,better contrast by cooling analyser crystals" Nucl.Instr.Methods. (発表予定).
• [文献書誌] T.Yamaguchi: "Li^+ and Cl^- hydration in aqueous solutions near the critical point" ISSP Report(Univ.Tokyo). (発表予定).
• [文献書誌] S.Itoh: "Spin dynamics in two-dimensional Heisenberg antiferromagnets-High energy neutron inelastic scattering from La_2CuO_4 and La_2NiO_4" J.Phys.Soc.Jpn.(発表予定).
• [文献書誌] S.Itoh: "Quantum spin dynamics of an S=3/2 Heisenberg antiferromagnetic chain-Inelastic pulsed neutron scatttering from CsVCl_3" J.Phys.Soc.Jpn.(発表予定).
• [文献書誌] K.Suzuki: "Current Topics in Amorphous Materials:Physics and Technology" Elesevier Science Pub., 7 (1993)
• [文献書誌] M.Kohgi: "Neutron Magnetic Scattering Studies on Rare Earth Compounds with Highly Correlated Electrons" JJAP. シリーズ8. 244-253 (1993)
• [文献書誌] M.Arai: "Phonon Anomaly of YBa_2Cu_3O_7 Studied by Inelastic Neutron Scattering" Proc.Int.Conf.on Phonon Scattering,Cornell,NY. 印刷中. (1992)
• [文献書誌] S.Ikeda: "Hydrogen Wave Functions and the Potential" Phys.Rev.
• [文献書誌] S.Ikeda: "Quasi-Elastic Scattering in KDP" J.Phys.Soc.Jpn.
• [文献書誌] T.Matsuo: "Low Temperature Structures of Thiourea Carbon-Tetrachloride Clathrate Compound" J.Incl.Phenom.
• [文献書誌] T.Matsuo: "Calorimetric and Structural Properties of Thiourea Bromo-Trichloromethane" J.Incl.Phenom.
• [文献書誌] T.Matuso: "The Heat Capacity of Solid C_<60>" Solid State Comm.83. 711-715 (1992)
• [文献書誌] M.Arai: "New Pulsed Neutron Spectrometer MARI" Kotai-butsuri(in Japanese). 27. 41-50 (1992)
• [文献書誌] M.Arai: "Neutron Scattering Study of Quantum Excitations in a S=1/2 Heisemberg Antiferromagnetic Chain" J.Magn.Magn.Mater.104. 847 (1992)
• [文献書誌] M.Arai: "MARI-A New Spectrometer for Liquid and Amorphous Materials" Proc.International Conf.on “RecentDevelopment in Physics of Fluids",Eds.W.S.Howells and A.K.Soper,Adam Hilger. P.321 (1992)
• [文献書誌] M.Arai: "Neutron Scattering Law Measurements on Vitreous Silica" Proc.International Conf.on“The Physics of Non-Crystalline Solids",Eds.L.David,W.C.Lacourse and H.J.Stevens,Taylor and Francis,London. P.479 (1992)
• [文献書誌] M.Arai: "Anomaly of Phonon State of Superconducting YBa_2Cu_3O_7 Studied by Inelastic Nuetron Scattering" Phys.Rev.Lett.69. 359-362 (1992)
• [文献書誌] 渡辺 昇: "大型スポレーション中性子源による中性子散乱" 学術月報. 45. 1001-1006 (1992)
• [文献書誌] M.Arai: "Phonon Density of States on La_<1.85>Sr_<0.15>Cu_<1-x>ZnxO_4 (x=0,0.02) in Super and Non-Superconducting States" Physica B. 180&181. 432-434 (1992)
• [文献書誌] M.Arai: "High Resolution S(Q,E) Measurement on g-SiO_2" Physica B. 180&181. 779-781 (1992)
• [文献書誌] N.Watanabe: "Towards a High-Efficiency Pulsed Spallation Nuetron Source" Physica B. 180&181. 893-895 (1992)
• [文献書誌] K.Shibata: "Correlated Atomic Motions in Pd_<79>Si_<21> Alloy Glass Observed by Inelastic Pulsed Neutron Scattering" J.Non-Cryst.Solids. 150. 251-254 (1992)
• [文献書誌] O.Yamamuro: "Neutron Diffraction and Calorimetric Studies on Methylammonium Iodide" Acta Cryst.B48. 329-336 (1992)