| 研究課題/領域番号 |
22H00104
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分13:物性物理学およびその関連分野
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
小濱 芳允 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90447524)
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| 研究分担者 |
中島 多朗 東京大学, 物性研究所, 准教授 (30579785)
井原 慶彦 北海道大学, 理学研究院, 講師 (80598491)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
36,270千円 (直接経費: 27,900千円、間接経費: 8,370千円)
2024年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2023年度: 17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)
2022年度: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円)
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| キーワード | 新奇量子相 / 中性子 / NMR / 強磁場 / ロングパルス / 準粒子励起 / 中性子回折 / 熱伝導 / 核磁気共鳴 / 熱測定 / 量子相 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では『強磁場領域で既存の枠組みを超える新奇量子相の開拓』を目指す。この目標達成のため、安定化超ロングパルス磁場という最先端の技術を用い、ゼーマンエネルギーが支配的となりえる『50テスラ級強磁場』で中性子回折、核磁気共鳴そして熱伝導・熱ホール測定といった先端的測定技術を強磁場で利用可能とさせる。これによりSrCu2(BO3)2やSrFeO3そしてYbB12など多岐に渡る物質群で、強磁場量子相のミクロなスピン状態およびその準粒子励起を観測する。これらの研究を通して『強磁場極限近傍でどのような新奇量子相が生まれ、どのような機能性が発現するであろうか？』という学術的問いに挑む。
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| 研究実績の概要 |
本研究の最終目標は，『新たな量子相の開拓とその機能性の解明』である。既存の枠組みを超える新奇量子相の開拓のため，本研究では多くの物質において電子同士の相互作用エネルギーに比べゼーマンエネルギーが支配的となる『50テスラ級強磁場』での研究を進める．具体的には研究代表者らが保有する『安定化超ロングパルス磁場』という最先端の独自技術に、１．中性子回折，２．核磁気共鳴そして３．熱伝導・熱ホール測定といった先端的な測定技術を組み合わせる．特に後に続く物性実験に先立って，2022年度はこの３つの開発を主目的とした．
その結果，１の中性子回折実験についてはロングパルス磁場下でのラウエ中性子回折に世界で初めて成功した．これまで７Ｔであった日本でのラウエ中性子回折実験の最高磁場を１５Ｔまで拡張させることに成功した．
２の核磁気共鳴については、2021年度に報告したパルス磁場下での初めてのスピン・格子緩和時間測定を拡張させたスピン・スピン緩和時間測定に成功した．この手法についても論文化した．さらなる測定技術の拡大のために，核磁気共鳴測定のロングパルス磁場への応用実験も進んでいる．
３の熱伝導・熱ホール効果の開発については，世界で初めてパルス磁場下の熱伝導測定に成功した．これは熱測定およびパルス磁場の研究の歴史の中で重要な開発になったと思われるが，一方で熱ホール効果をパルス磁場下で測定する難しさも認識した．
以上のように計画初年度における目標であった，中性子回折，核磁気共鳴，熱伝導・熱ホール測定の３つについて実験技術の開発を進めた．パルス磁場下熱ホール測定が困難であること以外は，それ以外の開発は成功したと評価できる．
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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
2022年度はパルス強磁場における技術開発が主な研究課題であった．
その成果として，世界で初めてパルス磁場下での磁気ラウエパターンの測定に成功した．同時に日本で測定できる磁気ラウエパターンの最高磁場を７Tから１５Tまでに引き上げた．これは中性子回折に関わる研究者全てにおいて，大きな研究成果であると評価できる．
更に，パルス磁場下核磁気共鳴実験も大きな成果があった．本研究グループにより，２０２１年度に成功したスピン・格子緩和測定に加え，研究期間中にパルス磁場下スピン・スピン緩和時間測定に成功した．同時に本研究で進めていく課題である，ロングパルス磁場での実験開発も進め，シグナルの検出に成功した．このため，パルス磁場下核磁気共鳴実験についても，十分な進展があったと結論付けた．
最後に，パルス磁場下での熱伝導・熱ホール測定の開発を進めた．その結果，パルス磁場下で世界で初めての熱伝導測定に成功し，論文として発表した(出版日は2023年度)．これは大きな成功と評価できる．しかし一方で，パルス磁場下での熱ホール効果測定が困難であることが判明した．残念ではあるが，熱ホール効果の測定は定常磁場の助けを借りることで調査可能な磁場範囲を拡大することとし，次年度以降の開発事項に持ち込むことを決定した．少なくともパルス磁場下での熱伝導測定については，十分に進展したと考えられる．
これら3つの開発を総括し，2022年度の本課題は『おおむね順調に進展している』と評価した．
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度のパルス磁場下中性子実験は，到達した１５Tまでの測定により物性実験を進める．更には装置の開発を進め，到達磁場の更なる拡大を進める．到達磁場の拡大については，パルス磁石の大型化とパルス磁場電源の刷新を行う．ここでパルス磁石の大型化については，磁石周辺の形状を変え，新しい磁石を巻くだけの状況となっている．電源の刷新はかなりの予算がかかるが，これを完了せずとも，少しづつ進めることで，2023年度もしくは2024年度に２０Tまでのパルス磁場中性子を可能としたい．
パルス磁場下核磁気共鳴測定は，技術としてはかなり成熟した．あとはロングパルス磁場への導入だけであるが，ここでは測定プログラムの更なる改良が必要との状況になっている．物性実験を進め，これと並行してプログラムの改良を進める．そして得られる物性実験成果を纏めつつ，論文執筆を完了させることを2023年度における短期的な目標としたい．
パルス磁場下での熱伝導・熱ホール効果は，熱伝導測定の技術開発がひと段落したところである．熱ホール効果については定常磁場における開発指針を立て，2023年度後期もしくは2024年度における開発に向けて研究を進めていく．熱伝導測定については，YbB12などのサンプルについて物性実験を進めつつ，さらなる高精度化のために技術開発も進める．これにより，熱伝導測定により幾つかの成果を得ることを2023年度の目標としている。
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