中性子散乱非弾性実験による実空間ダイナミクス解析手法の確立と物性研究への応用

• 研究課題/領域番号: 19K12648
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分80040:量子ビーム科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 中村 充孝 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究主幹 (00370445)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 実空間ダイナミクス解析 / 中性子非弾性散乱実験 / 非晶質 / ネットワークガラス

研究開始時の研究の概要

中性子非弾性散乱実験による実空間ダイナミクス解析手法の確立と物性研究への応用を本研究の主目的と定め、研究開発を進める。従来、実空間へのフーリエ変換に耐えうる動的構造因子S(Q,E)を得るためには、大量の試料量と膨大な測定時間が必要であったが、J-PARCの大強度中性子ビームと新規解析アルゴリズムの双方を活用することによってこれらの課題を克服する。本研究課題を通じて確立される実空間ダイナミクス解析手法を切り口として、中距離相関がキーとなるネットワークガラスの過剰低エネルギー励起の起源解明に挑む。

研究成果の概要

中性子による非弾性散乱実験では、「逆格子空間」にエネルギー軸を加えた動的構造因子が得られるが、このデータを「実空間」に変換することで有用な物性情報を取得するための解析手法（実空間ダイナミクス解析手法）の実現を目指して研究活動を進めた。具体的には、標準試料を用いた測定によるバックグラウンドの評価とその低減対策、高い位置分解能測定を目的としたT0チョッパー高速化、分子力学法を援用した逆モンテカルロ計算コードの改造等を行い、実空間ダイナミクス解析手法の実用化に向けた要素技術の確立に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

実空間において局所的な乱れが存在する場合、逆格子空間を通じて局所乱れに起因する構造やダイナミクスを議論することはほぼ不可能である。したがって、本研究計画が目指してきた実空間ダイナミクス解析手法の確立は、局所ダイナミクスが新奇物性の発現のキーとなる先端的研究において不可欠の研究ツールをもたらすものであり、従来にない新たな視点での物性研究を開拓しうる。

研究成果

• [雑誌論文] Magnon mode transition in real space (2022)
  • 著者名/発表者名: Iida Kazuki、Kodama Katsuaki、Inamura Yasuhiro、Nakamura Mitsutaka、Chang Lieh-Jeng、Shamoto Shin-ichi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 206631-7
  • DOI: 10.1038/s41598-022-22555-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrogen vibration excitations of ZrH1.8 and TiH1.84 up to 21 GPa by incoherent inelastic neutron scattering (2022)
  • 著者名/発表者名: Hattori T.、Nakamura M.、Iida K.、Machida A.、Sano-Furukawa A.、Machida S.、Arima H.、Ohshita H.、Honda T.、Ikeda K.、Otomo T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 13
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.134309
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Possible future upgrades of the direct-geometry chopper spectrometer 4SEASONS (2022)
  • 著者名/発表者名: Kajimoto Ryoichi、Nakamura Mitsutaka、Kamazawa Kazuya、Inamura Yasuhiro、Iida Kazuki、Ikeuchi Kazuhiko、Ishikado Motoyuki
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 272 ページ: 02007-02007
  • DOI: 10.1051/epjconf/202227202007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of Adsorbed Hydrogen Species on Supported Metal Catalysts by Inelastic Neutron Scattering (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Hisao、Yamamoto Akira、Hosokawa Saburo、Yamazoe Seiji、Kikkawa Soichi、Hara Kenji、Nakamura Mitsutaka、Kamazawa Kazuya、Tanaka Tsunehiro
  • 雑誌名: Topics in Catalysis 巻: 64 号: 9-12 ページ: 660-671
  • DOI: 10.1007/s11244-021-01448-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection of hydroxyl and hydride functional groups in a ceria crystal under hydrogen reduction (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsukawa Takeshi、Iida Kazuki、Nakamura Mitsutaka、Ishigaki Toru
  • 雑誌名: CrystEngComm 巻: 23 号: 12 ページ: 2355-2359
  • DOI: 10.1039/d1ce00130b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of hydrogen species on Pt/Al2O3 by in situ inelastic neutron scattering and their reactivity with ethylene (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamazoe Seiji、Yamamoto Akira、Hosokawa Saburo、Fukuda Ryoichi、Hara Kenji、Nakamura Mitsutaka、Kamazawa Kazuya、Tsukuda Tatsuya、Yoshida Hisao、Tanaka Tsunehiro
  • 雑誌名: Catalysis Science & Technology 巻: 11 号: 1 ページ: 116-123
  • DOI: 10.1039/d0cy01968b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Temporally decoherent and spatially coherent vibrations in metal halide perovskites (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhang Depei、Hu Xiao、Chen Tianran、Abernathy Douglas L.、Kajimoto Ryoichi、Nakamura Mitsutaka、Kofu Maiko、Foley Benjamin J.、Yoon Mina、Choi Joshua J.、Lee Seung-Hun
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.224310
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Energy resolution and neutron flux of the 4SEASONS spectrometer revisited (2020)
  • 著者名/発表者名: Kajimoto Ryoichi、Nakamura Mitsutaka、Iida Kazuki、Kamazawa Kazuya、Ikeuchi Kazuhiko、Inamura Yasuhiro、Ishikado Motoyuki
  • 雑誌名: Journal of Neutron Research 巻: - 号: 2-3 ページ: 1-9
  • DOI: 10.3233/jnr-200146
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Applicability and limitations of G(r, E) analysis transformed from the inelastic neutron scattering data (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Mitsutaka、Kikuchi Tatsuya、Kawakita Yukinobu
  • 雑誌名: Physica B: Condensed Matter 巻: 567 ページ: 61-64
  • DOI: 10.1016/j.physb.2019.01.002
  • NAID: 120007153037
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Status of neutron spectrometers at J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryoichi Kajimoto, Tetsuya Yokoo, Mitsutaka Nakamura, Yukinobu Kawakita, Masato Matsuura, Hitoshi Endo, Hideki Seto, Shinichi Itoh, Kenji Nakajima, Seiko Ohira-Kawamura
  • 雑誌名: Physica B 巻: 562 ページ: 148-152
  • DOI: 10.1016/j.physb.2018.11.061
  • NAID: 120007153036
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum dynamics of hydrogen in the iron-based superconductor LaFeAsO0.9D0.1 measured with inelastic neutron spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Jun-ichi Yamaura, Haruhiro Hiraka, Soshi Iimura, Yoshinori Muraba, Joonho Bang, Kazuhiko Ikeuchi, Mitsutaka Nakamura, Yasuhiro Inamura, Takashi Honda, Masatoshi Hiraishi, Kenji M. Kojima, Ryosuke Kadono, Yoshio Kuramoto, Youichi Murakami, Satoru Matsuishi, and Hideo Hosono
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 号: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.220505
  • NAID: 120007168972
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 実空間でのマグノンモード転移 (2023)
  • 著者名/発表者名: 飯田一樹，樹神克明，稲村泰弘，中村充孝，張烈錚，社本真一
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] Current status and issues in the direct geometry time-of-flight spectrometer 4SEASONS (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryoichi Kajimoto, Mitsutaka Nakamura, Kazuya Kamazawa, Yasuhiro Inamura, Kazuki Iida, Kazuhiko Ikeuchi, and Motoyuki Ishikado
  • 学会等名: Conference on Quasielastic Neutron Scattering and Workshop on Inelastic Neutron Spectrometers (QENS/WINS 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 非弾性中性子散乱装置「四季」の高度化の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 梶本亮一、中村充孝、蒲沢和也、稲村泰弘、飯田一樹、池内和彦、石角元志
  • 学会等名: 日本中性子科学会 第22回年会
• [学会発表] Observation of strong four-phonon interaction in α-GeTe at high temperature (2022)
  • 著者名/発表者名: Yongheng Li, Bin Wei, Jiawang Hong, Xinyue Zhang , Yanzhong Pei, Qi Ren, Chao Yang, Ziyan Gao, Kazuya Kamazawa, Mitsutaka Nakamura, Feihao Pan, and Jinchen Wang
  • 学会等名: The 12th International Conference on Neutron Scattering (ICNS 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 非弾性中性子散乱装置「四季」の整備と利用状況 (2022)
  • 著者名/発表者名: 梶本 亮一、中村 充孝、蒲沢 和也、稲村 泰弘、飯田 一樹、池内 和彦、石角 元志
  • 学会等名: 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] High-Pressure Neutron Experiments in J-PARC (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Hattori, A. Sano-Furukawa, S. Machida, J. Abe, K. Funakoshi, H. Arima, M. Nakamura, K. Iida, T. Yamada, K. Ohishi, S. Ohira-Kawamura, T. Kikuchi
  • 学会等名: 10th Asian Conference on High Pressure Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 中性子非弾性散乱によるPdナノ薄膜中水素の振動状態の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小澤 孝拓、古府 麻衣子、中村 充孝、飯田 一樹、大友 季哉、山室 修、清水 亮太、一杉 太郎、福谷 克之
  • 学会等名: 表面真空学会2021年度学術講演会
• [学会発表] フォノン散乱断面積の第一原理的評価とそのベンチマーク (2021)
  • 著者名/発表者名: 村井 直樹、Peng Wu、古府 麻衣子、中島 健次、中村 充孝、梶本 亮一
  • 学会等名: 第21回 日本中性子科学会年会
• [学会発表] 非弾性中性子散乱装置「四季」の現状 (2020)
  • 著者名/発表者名: 梶本 亮一、中村 充孝、蒲沢 和也、稲村 泰弘、 飯田 一樹、 池内 和彦、石角 元志
  • 学会等名: 日本中性子科学会第20回年会
• [学会発表] 鉄系超伝導体Fe(Te0.5Se0.5)のレゾナンスモードのQ依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石角 元志、樹神 克明、梶本 亮一、中村 充孝、稲村 泰弘、池内 和彦、新井 正敏、社本 真一
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] 非弾性中性子散乱装置「四季」の利用と整備状況 (2020)
  • 著者名/発表者名: 梶本 亮一、中村 充孝、蒲沢 和也、稲村 泰弘、飯田 一樹、池内 和彦、石角 元志
  • 学会等名: 2020年度 量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] Investigations of the cause of unexpected elastic tail observed in the Fermi chopper spectrometer 4SEASONS (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Nakamura, R. Kajimoto, K. Oikawa, T. Shinohara, K. Aizawa, S. Harjo, T. Iwahashi, K. Kamazawa, K. Ikeuchi, K. Iida, Y. Inamura, M. Ishikado
  • 学会等名: The 23rd meeting of the International Collaboration on Advanced Neutron Sources (ICANS XXIII)
  • 国際学会
• [学会発表] Elastic and Dynamical Structural Properties of La and Mn-Doped SrTiO3 Studied by Neutron Scattering and Their Relation with Thermal Conductivities (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Kajimoto, M. Nakamura, N. Murai, S. Shamoto, T. Honda, K. Ikeda, T. Otomo, H. Hata, T. Eto, M. Noda, H. Kuwahara, T. Okuda
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2019 (MRM 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Time-of-Flight Direct-Geometry Neutron Spectrometer 4SEASONS at J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Kajimoto, M. Nakamura, K. Kamazawa, Y. Inamura, K. Ikeuchi, K. Iida, and M. Ishikado
  • 学会等名: The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Structural instability-assisted Li-migration in solid-state electrolyte (La,Li)TiO3 (2019)
  • 著者名/発表者名: Masato Matsuura, Hiroki Moriwake, Yasuyuki Fujiwara, Ryoichi Kajimoto, Mitsutaka Nakamura, Koji Ohara, and Yukinobu Kawakita
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2019 (MRM 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 鉄系超伝導体Fe(Te0.5Se0.5)の磁気共鳴のQ依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石角元志，樹神克明，梶本亮一，中村充孝，稲村泰弘，池内和彦，新井正敏，社本真一
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [備考] スピンの揺らぎの直接観測に世界で初めて成功
  • URL: https://j-parc.jp/c/press-release/2022/12/07001084.html