| 研究課題/領域番号 |
20K03810
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
森 道康 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 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (30396519)
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| 研究分担者 |
小椎八重 航 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 上級研究員 (20273253)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2020年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
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| キーワード | フォノンホール効果 / 希土類ガーネット / 中性子散乱 / 結晶場 / 共鳴散乱 / 中性子 / X線 / 熱ホール効果 / クラスター / 多極子 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
主にフォノン伝導に焦点をあて、複数の電子で構成された量子クラスターによる磁気熱輸送現象を研究する。フォノンは電荷もスピンも持たないが、複数の電子により構成された量子クラスターが、磁場下においてフォノン伝導を変える可能性がある。そのような量子クラスターによる磁気熱輸送現象を研究することで、磁気による熱流制御とエネルギーの効率的利用を目指す。
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| 研究実績の概要 |
電子系の角運動量変化とフォノンの運動量変化の両方を伴った共鳴散乱振幅がフォノンホール効果の起源である。そのため、偏極非弾性中性子散乱実験により、フォノンと磁気励起(結晶場励起)の磁場依存性の観測を試みた。これまで、磁場と共にエネルギーが増加する結晶場励起を観測しており、この結晶場励起がTbGGにおけるフォノンホール効果の鍵だと考えられる。日本原子力研究開発機構のJRR-3で、偏極非弾性中性子散乱実験を行い、磁気散乱と核散乱の寄与を分離して観測することができた。そして、僅かではあるが、spin-flip channelとnon-spin-flip channelの散乱強度に有意な差を観測した。これは、フォノンと結晶場励起の相互作用によるものだと考えられる。結果をより確実なものとするためには、入射波と散乱波の両方にspin flipを入れた測定が必要である。また、今回の測定では磁場を用いることができなかったため、フォノンホール効果に関係する最低励起の結晶場とフォノンとの相互作用については観測できなかった。
TbGGの研究が、希土類鉄ガーネットTb3Ga5O12（TbIG）の研究へと発展した。TbIGのスピンゼーベック効果の詳細な測定が行われ、他の希土類鉄ガーネットとは異なり、低温でスピンゼーベック効果による電圧が生じないことが分かった。低温で磁場を増やすと電圧が生じ、温度を上げるとスピンゼーベック効果による電圧の符号反転が生じることも報告された。この磁場・温度依存性には、TbIGの結晶場励起が寄与している。非磁性絶縁体のTbGGの結晶場に関する知見が、同相の磁性希土類ガーネットの研究へと発展し、スピン熱電発電の可能性を広げることになると期待できる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初計画のとおりに、偏極中性子で磁気散乱と核散乱の寄与を分離して観測することができた。そして、僅かではあるが、spin-flip channelとnon-spin-flip channelの散乱強度に有意な差が観測された。これは、フォノンと結晶場励起の相互作用によるものだと考えられる。また、実際の結晶場励起を取り入れたフォノンの共鳴散乱振幅の解析式を導出した。そして、電子クラスターへの一般化を行った。以上のことからおおむね順調に進展していると判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
入射波と散乱波の両方にspin flipを入れた測定を行い、フォノンと結晶場励起の結合を実証する。また、磁場を用いた測定を行い、フォノンホール効果に関係する最低励起の結晶場とフォノンとの相互作用を定量的に評価する。また、実際の結晶場励起を取り入れたフォノンの共鳴散乱振幅の解析式を用いて、TbGGのフォノンホール効果の磁場方向依存性を評価して、実験データと比較検討を行う。そして、電子クラスターへ一般化した結果を適用する物質系を検討する。
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