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時間分解共鳴軟X線散乱およびパルス電子線回折による反強磁性スピンダイナミクス研究

研究課題

研究課題/領域番号 21K03461
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13030:磁性、超伝導および強相関系関連
研究機関東京工業大学

研究代表者

田久保 耕  東京工業大学, 理学院, 特任助教 (30738365)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
キーワード光誘起相転移ダイナミクス / 電子回折 / 共鳴軟X線散乱 / スピンダイナミクス / 電子線回折 / 強相関電子系
研究開始時の研究の概要

強相関電子系物質の電子およびスピン構造のダイナミクスの研究を目的として、時間分解型の共鳴軟X線散乱測定および電子線回折測定を行う。光照射・光誘起相転移に伴う構造と電子・スピン状態変化のダイナミクスを観測する。特に反強磁性体のダイナミクスに着目し測定対象として、BaFe2S3等の揺らぎの大きな1次元系の超伝導体、及びBa3CuSb2O9やNiGa2S4等の2次元系のフラストレーション化合物を計画する。フェムト秒からピコ秒領域の超高速ダイナミクスの観測により、これらの物質の示す非従来型の超伝導やスピン液体状態などの量子現象と結合する軌道/磁性の秩序状態を時間軸で分離して観測する。

研究実績の概要

本研究の目的は、時間分解型のパルス電子回折および放射光X線を用いた共鳴軟X線散乱測定という世界的にも最先端の手法を用いることで、反強磁性体の結晶構造やスピン状態の超高速ダイナミクスを研究することである。特にフェムト秒領域の超短パルスレーザー照射下でこれらの物質の示す光誘起相転移に伴う構造と反強磁性状態変化に着目した研究を行う。
本年度はスピン偏極したパルス電子線源を導入し、主にマルチフェロイクス化合物BiFeO3/SrTiO3(111)薄膜のフェムト秒領域の時間分解型スピン偏極電子回折測定を行った。スピン偏極電子線を用いて反強磁性秩序に相当する回折ピークを観測し、その長周期的変調と対応するスピン偏極依存性を確認した。電子線ビームのスピン偏極方向に対する強度依存性はスピン偏極中性子回折と類似するものであった。
さらに200フェムト秒程度の時間分解能で時間分解測定を行い、フェムト秒レーザー光照射後、200フェムト秒以内にスピン偏極方向に対する強度差が消失することを確認した。すなわち、光照射によってスピンの長周期的秩序が超高速に回転し反強磁性が消失することを直接的に確認することに成功した。
また、ポンププローブの分光測定も行い、電子状態の変化もほぼ同じ時間スケールで起こることを明らかにした。

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

スピン偏極した電子線源の装置を導入し、フェムト秒領域の時間分解測定を実現した。 特に実際に強誘電-磁性材料として期待されるマルチフェロイクス化合物BiFeO3/SrTiO3(111)薄膜の光誘起ダイナミクス測定を行い、この材料の反強磁性の長周期的変調を消失させたと考えられる信号を観測した。また、光学測定も行い、電子状態の変化もほぼ同じスケールで起こることを明かにした。これらの変化は光誘起ダイナミクスにおいて電子線磁気回折の超高速変化、すなわちフェムト秒領域のスピンダイナミクスを捉えることに世界で初めて成功したと解釈できるものであり、研究の目的を達成しつつあると考えられる。

今後の研究の推進方策

出張制限などが不定期に起こる現在の状況では、当初の研究計画のように国内外の放射光光源のビームタイムを安定して確保することは難しくなっている。計画のように、国内外の放射光やXFEL施設を用いた測定を年に複数回行う形で、一連の光誘起の構造・スピンダイナミクスの全体像を確立していくのは非常に困難である。一方でフェムト秒領域の電子回折装置の開発はかなり順調である為、大学の実験室内のレーザー光源・装置を用いて、物質の測定を数多く行うことで、光誘起ダイナミクスを考察することを重視する形で研究を行っていく方針に切り替えた。その結果、強誘電-磁性材料として期待されるマルチフェロイクス化合物BiFeO3/SrTiO3(111)薄膜のスピン構造の光誘起ダイナミクス測定を実現した。しかし、得られたデータは世界初のものであり、論文にまとめるにあたり、少し時間をかけてさらなる解析をしていくことが不可欠であり、また測定・実験条件の確認なども必要である。状況に応じて実行可能な研究をその都度見定めて、さらに研究を推進していく計画である。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (8件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Appearance of a Photoinduced Hidden State in the Electron Donor-Acceptor Type Metal-Organic Framework (NPr4)2[Fe2(Cl2An)3]2023

    • 著者名/発表者名
      Banu Samiran、Kato Mone、Takubo Kou、Okimoto Yoichi、Koshihara Shinya、Iwano Kaoru、Kosaka Wataru、Miyasaka Hitoshi、Ishikawa Tadahiko
    • 雑誌名

      Advanced Optical Materials

      巻: 12 号: 4 ページ: 2301554-2301554

    • DOI

      10.1002/adom.202301554

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nonlinear Optical Properties in an Epitaxial YbFe2O4 Film Probed by Second Harmonic and Terahertz Generation2023

    • 著者名/発表者名
      Yu Hongwu、Okimoto Yoichi、Morita Atsuya、Shimanuki Shuhei、Takubo Kou、Ishikawa Tadahiko、Koshihara Shin-ya、Minakami Ryusei、Itoh Hirotake、Iwai Shinichiro、Ikeda Naoshi、Sakagami Takumi、Nozaki Mayu、Fujii Tatsuo
    • 雑誌名

      Materials

      巻: 16 号: 5 ページ: 1989-1989

    • DOI

      10.3390/ma16051989

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Photoinduced transient states of antiferromagnetic orderings in La<sub>1/3</sub>Sr<sub>2/3</sub>FeO<sub>3</sub> and SrFeO<sub>3-δ</sub> thin films observed through time-resolved resonant soft x-ray scattering2022

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Kohei、Tsuyama Tomoyuki、Ito Suguru、Takubo Kou、Matsuda Iwao、Pontius Niko、Schussler-Langeheine Christian、Minohara Makoto、Kumigashira Hiroshi、Yamasaki Yuichi、Nakao Hironori、Murakami Youichi、Katase Takayoshi、Kamiya Toshio、Wadati Hiroki
    • 雑誌名

      New Journal of Physics

      巻: 24 号: 4 ページ: 043012-043012

    • DOI

      10.1088/1367-2630/ac5f31

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Generation of sub-100?fs electron pulses for time-resolved electron diffraction using a direct synchronization method2022

    • 著者名/発表者名
      Takubo Kou、Banu Samiran、Jin Sichen、Kaneko Misaki、Yajima Wataru、Kuwahara Makoto、Hayashi Yasuhiko、Ishikawa Tadahiko、Okimoto Yoichi、Hada Masaki、Koshihara Shinya
    • 雑誌名

      Review of Scientific Instruments

      巻: 93 号: 5 ページ: 053005-053005

    • DOI

      10.1063/5.0086008

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photo-induced antiferromagnetic-ferromagnetic and spin-state transition in a double-perovskite cobalt oxide thin film2022

    • 著者名/発表者名
      Zhang Yujun、Katayama Tsukasa、Chikamatsu Akira、Schussler-Langeheine Christian、Pontius Niko、Hirata Yasuyuki、Takubo Kou、Yamagami Kohei、Ikeda Keisuke、Yamamoto Kohei、Hasegawa Tetsuya、Wadati Hiroki
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 5 号: 1 ページ: 50-50

    • DOI

      10.1038/s42005-022-00823-4

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] スピン偏極パルス電子回折によるBiFeO3/SrTiO3(111)薄膜の磁気構造観測と光誘起ダイナミクス測定2023

    • 著者名/発表者名
      田久保耕, 上野俊輔, Samiran Banu, 于洪武, 石川忠彦, 沖本洋一, 腰原伸也, 小野淳, 西森亮太, 羽田真毅, 桑原真人, 浅香透, 小野大樹, 小澤慶太, 伊藤拓真, 重松圭, 東正樹
    • 学会等名
      日本物理学会 第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 光学ポンププローブ測定から見たBiFeO3薄膜の光誘起ダイナミクス2023

    • 著者名/発表者名
      上野俊輔, 石川忠彦, 田久保耕, 沖本洋一, 腰原伸也, 伊藤拓真, 小野大樹, 重松圭, 東正樹
    • 学会等名
      第33回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] スピン偏極したフェムト秒パルス電子線回折装置の開発2022

    • 著者名/発表者名
      金子水咲,Samiran Banu,田久保耕,矢嶋渉,羽田真毅,林靖彦,桑原真人,石川忠彦,沖本洋一,腰原伸也
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] BiFeO3/SrTiO3(111) 薄膜のポンププローブ電子線回折測定2022

    • 著者名/発表者名
      田久保耕,金子水咲,于洪武,石川忠彦,沖本洋一,腰原伸也,矢嶋渉,羽田真毅 ,桑原真人,小澤慶太,伊藤拓真,重松圭 ,東正樹
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] フェムト秒電子線回折によるBiFeO3/SrTiO3(111)薄膜の光誘起構造ダイナミクス測定2022

    • 著者名/発表者名
      田久保耕, 上野俊輔, 金子水咲, 于洪武, 石川忠彦, 沖本洋一, 腰原伸也, 小野淳, 西森亮太, 矢嶋渉, 羽田真毅, 桑原真人, 浅香透, 小澤慶太, 伊藤拓真, 重松圭, 東正樹
    • 学会等名
      2022日本第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] テーブルトップフェムト秒電子線回折装置の開発2022

    • 著者名/発表者名
      田久保耕,Samiran Banu,金子水咲,矢嶋渉,羽田真毅,林靖彦,桑原真人,石川忠彦,沖本洋一,腰原伸也
    • 学会等名
      2021日本第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 数十フェムト秒電子線回折装置の開発:シリコン薄膜の光誘起ダイナミクス2021

    • 著者名/発表者名
      田久保耕,Jin Sichen, Samiran Banu,金子水咲,石川忠彦,沖本洋一,腰原伸也,矢嶋渉,羽田真毅, 林靖彦
    • 学会等名
      2021日本物理学会秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Probing ultrafast structural and magnetic dynamics by time-resolved soft x-ray scattering and electron diffraction2021

    • 著者名/発表者名
      K. Takubo, K. Yamamoto, Y. Yokoyama, K. Yamagami, Y. Hirata, H. Wadati, M. Hada, T. Ishikawa, Y. Okimoto, and S. Koshihara
    • 学会等名
      PIPT7
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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