ミュオニウム欠陥の電子軌道状態解明に向けた電子スピン共鳴ミュエスアール法の開拓

• 研究課題/領域番号: 20K12484
• 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: 伊藤 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 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (10455280)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 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); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2020年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: ミュオニウム欠陥 / ミュオンスピン回転緩和法 / 電子スピン共鳴法 / 水素欠陥 / 水素関連欠陥 / ミュエスアール / 電子スピン共鳴

研究開始時の研究の概要

物質中にμ+粒子を打ち込むことで生成されるミュオニウム（Mu）欠陥は、孤立した水素欠陥の電子状態を高い精度で模擬する。このMu欠陥の電子状態はミュエスアール法により解析可能である。しかし、μ+と電子の磁気的結合が弱い常磁性Mu欠陥に関しては、この標準的手法だけでは電子軌道状態について十分な情報が得られないことがある。本研究は、この軌道状態を反映する電子のg値を直接求める手段として「電子スピン共鳴ミュエスアール法」を提案し、浅いMu欠陥やMu+束縛ポーラロンの研究への応用を通して同手法の確立を図るものである。

研究成果の概要

電子スピン共鳴ミュエスアール法によるミュオニウム（Mu）欠陥研究を開拓するために、実験で必要となるRFプローブを開発し、J-PARC物質・生命科学実験施設での実証実験を通して同手法を確立した。これを用いてルチルTiO2中に生じた常磁性Mu欠陥のg値を測定することに成功し、常磁性H欠陥に対するg値との間に微小ながら差異が存在する可能性を示唆する結果を得た。今後、装置の改良によりg値の測定精度を向上させることで、Mu・H欠陥に関する同位体効果の研究へと発展することが期待される。

研究成果の学術的意義や社会的意義

常磁性Mu欠陥のg値を測定する手法を確立したことにより、その電子状態をより多角的に解析できるようになった。これは水素とMuのアナロジーに基づいた水素欠陥研究と、水素・Mu欠陥間の差異に関する同位体科学のさらなる発展につながる成果である。また、本研究を通してJ-PARCミュオン実験施設に初めて導入された4He温度におけるRFスピン共鳴技術は、Mu欠陥研究に限らず低温物性研究に広く応用できることから、磁性研究などの他分野への波及効果も期待される。

研究成果

• [雑誌論文] SrTiO3 中の格子間水素に束縛されたTi3＋スモールポーラロンの安定性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 孝
  • 雑誌名: JAEA-Review 巻: 2022-035 ページ: 112-114
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Local electronic structure of interstitial hydrogen in MgH2 inferred from muon study (2023)
  • 著者名/発表者名: Kadono Ryosuke、Hiraishi Masatoshi、Okabe Hirotaka、Koda Akihiro、Ito Takashi U.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 35 号: 28 ページ: 285503-285503
  • DOI: 10.1088/1361-648x/acccc7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen-Ti³⁺ Complex as a Possible Origin of Localized Electron Behavior in Hydrogen-Irradiated SrTiO₃ (2022)
  • 著者名/発表者名: Ito Takashi U.
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 20 号: 3 ページ: 128-134
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2022-021
  • ISSN: 1348-0391
  • 年月日: 2022-05-28
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 水素照射により金属化されたSrTiO3において観測される局在電子の起源について (2022)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 孝
  • 雑誌名: 日本中間子科学会誌「めそん」 巻: 56 ページ: 21-26
• [雑誌論文] Direct measurement of the evolution of magnetism and superconductivity toward the quantum critical point (2022)
  • 著者名/発表者名: Higemoto Wataru、Yokoyama Makoto、Ito Takashi U.、Suzuki Taiga、Raymond Stephane、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 号: 49
  • DOI: 10.1073/pnas.2209549119
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Two-step Mott transition in Ni(S,Se)2: μSR studies and charge-spin percolation model (2022)
  • 著者名/発表者名: Q. Sheng, T. Kaneko, K. Yamakawa, Z. Guguchia, Z. Gong, G. Zhao, G. Dai, C. Jin, S. Guo, L. Fu, Y. Gu, F. Ning, Y. Cai, K. M. Kojima, J. Beare, G. M. Luke, S. Miyasaka, M. Matsuura, S.-i. Shamoto, T. U. Ito, W. Higemoto, A. Gauzzi, Y. Klein, Y. J. Uemura
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 号: 3
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033172
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum critical spin-liquid-like behavior in S = 1/2 quasikagome lattice compound CeRh1-xPdxSn investigated using muon spin relaxation and neutron scattering (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Tripathi, D. T. Adroja, C. Ritter, S. Sharma, C. Yang, A. D. Hiller, M. M. Koza, F. Demmel, A. Sundaresan, S. Langridge, W. Higemoto, T. U. Ito, A. M. Strydom, G. B. G. Stenning, A. Battacharyya, D. Keen, H. C. Walker, R. S. Perry, R. Pratt, Q. Si, T. Takabatake
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 106 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.064436
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrogen-Ti3+ Complex as a Possible Origin of Localized Electron Behavior in Hydrogen-Irradiated SrTiO3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi U. Ito
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: －
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic Bragg peak enhancement under ultrasound injection (2022)
  • 著者名/発表者名: Shamoto Shin-ichi、Akatsu Mitsuhiro、Matsuura Masato、Ohira-Kawamura Seiko、Harii Kazuya、Ono Masao、Chang Lieh-Jeng、Ito Takashi U.、Nemoto Yuichi、Ieda Jun'ichi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 号: 1 ページ: 013245-013245
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.013245
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Critical slowing-down and field-dependent paramagnetic fluctuations in the skyrmion host EuPtSi: μSR and NMR studies (2021)
  • 著者名/発表者名: Higa N.、Ito T. U.、Yogi M.、Hattori T.、Sakai H.、Kambe S.、Guguchia Z.、Higemoto W.、Nakashima M.、Homma Y.、Nakamura A.、Honda F.、Shimizu Y.、Aoki D.、Kakihana M.、Hedo M.、Nakama T.、Onuki Y.、Tokunaga Y.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 4 ページ: 045145-045145
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.045145
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Rabi-oscillation spectroscopy of the hyperfine structure of muonium atoms (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Nishimura, H. A. Torii, Y. Fukao, T. U. Ito, and K. Shimomura et al. (MuSEUM Collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 104 号: 2 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1103/physreva.104.l020801
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-temperature antiferromagnetism in Yb based heavy fermion systems proximate to a Kondo insulator (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Suzuki, K. Takubo, K. Kuga, W. Higemoto, T. U. Ito, T. Tomita, Y. Shimura, Y. Matsumoto, C. Bareille, H. Wadati, S. Shin, and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 号: 2 ページ: 023140-023140
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.3.023140
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sm valence determination of Sm-based Intermetallics using 149Sm Mossbauer and Sm LIII-edge X-ray absorption spectroscopies (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsutsui Satoshi、Higashinaka Ryuji、Nakamura Raito、Fujiwara Kosuke、Nakamura Jin、Kobayashi Yoshio、Ito Takashi U.、Yoda Yoshitaka、Kato Kazuo、Nitta Kiyofumi、Kawamura Naomi、Mizumaki Masaichiro、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji
  • 雑誌名: Hyperfine Interactions 巻: 242 号: 1 ページ: 32-32
  • DOI: 10.1007/s10751-021-01759-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-temperature short-range order in Mn3RhSi (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Yamauchi, Dita Puspita Sari, Isao Watanabe, Yukio Yasui, Lieh-Jeng Chang, Keietsu Kondo, Takashi U. Ito, Motoyuki Ishikado, Masato Hagihara, Matthias D. Frontzek, Songxue Chi, Jaime A. Fernandez-Baca, James S. Lord, Adam Berlie, Atsuhiro Kotani, Shigeo Mori, Shin-ichi Shamoto
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 1 号: 1
  • DOI: 10.1038/s43246-020-0042-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ペロブスカイト型酸化物中のミュオン拡散におけるゼロ点振動の影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 孝, 髭本 亘, 幸田 章宏, 下村 浩一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] μ+SR as a Potential Tool for Depth-resolved Detection of Oxygen Vacancies in Perovskite Oxides (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi U. Ito
  • 学会等名: Material Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Positive Muons in SrTiO3: Electronic Structure of the Hydrogen-Like Defects and Their Potential Use in Depth-Resolved Detection of Oxygen Vacancies (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi U. Ito
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ルチルTiO2中のミュオニウム関連常磁性欠陥に対する電子スピン共鳴 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 孝
  • 学会等名: CIQuS研究会「無機材料中の水素の存在状態と機能発現 II」
  • 招待講演
• [学会発表] SrTiO3中の微量水素/ミュオニウムの電子状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊藤孝
  • 学会等名: 量子ビーム連携研究センター研究会「無機材料中の水素の存在状態と機能発現」
  • 招待講演
• [図書] Hydrogenomics: The Science of Fully Utilizing Hydrogen (2023)
  • 著者名/発表者名: Orimo Shin-ichi, Fukutani Katsuyuki, Fujita Ken-ichi (Editors)
  • 総ページ数: 304
  • 出版者: Kyoritsu Shuppan Co., Ltd.
  • ISBN: 9784320952072