熱外中性子散乱を利用した電子励起への挑戦

• 研究課題/領域番号: 23K20407
• 補助金の研究課題番号: 20H04461 (2020-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2020-2023)
• 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: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 横尾 哲也 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (10391707)
• 研究分担者: 金子 直勝 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 技師 (10870222)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2021年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2020年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円)
• キーワード: 量子ビーム / 熱外中性子 / 電子励起

研究開始時の研究の概要

継続課題のため、記入しない。

研究実績の概要

本研究は以下の二つの目的としている。
1）固体物質中の電子エネルギーに迫る熱外中性子を積極利用し、中性子スピンと電子スピンとの相関による散乱断面積を観測することにより、これまでに成されなかった中性子による電子励起を捉える。熱外中性子など高エネルギー中性子発生に有利なパルス中性子を利用した「高エネルギー中性子による電子励起」の測定技術を確立する。
2）「高エネルギー中性子による電子励起」を用いて、物性を理解する上で大変重要な電子の運動を捉える。当該研究課題では特に強相関電子系におけるスピン-電荷分離に着目し、高温超伝導体や低次元磁性体で実現する朝永ラッティンジャー液体におけるスピノン-ホロンのバンド分散を捉える。
このように熱及び熱外高エネルギー中性子散乱を用いた実験をおこない、中性子散乱では初めてとなる電子励起の観測を試みるものである。令和4年度は、昨年度までに整備した純良単結晶試料作成環境を利用した結晶育成と低効率中性子モニターの整備に注力した。結晶育成については、結晶作成環境を活用した育成を開始した。現時点では大型ではないものの単結晶の育成に成功している。窒素モニターについては、昨年度までに開発・制作を完了したが、令和4年度はこれを用いてラジオアイソトープ線源およびMLFにおけるパルス中性子による照射試験と性能評価を実施した。検出器本体の設計については、当初計画した満足のゆくものであるが、読み出し制御回路系（プリアンプ、アンプ、モジュール等）については一部予想しない不具合があり、回路素子の一部改良などをおこなうことで比較低効率な窒素モニターを実現することに成功した。現在、実験実施予定のMLF中性子ビームラインである高分解能チョッパー分光器に設置を完了し、最終的な調整を行っている。

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

計画していた1）大型単結晶の育成については、まだ大型単結晶育成にまでは至っていないものの、微少単結晶育成には成功した。今後大型化を目指し、継続的に推進する。また、2）のモニターについては上述したように、これまでに開発を完了、実中性子ビームを用いた試験調整と性能評価を実施、実験実施ビームラインへの設置を完了し、完全に準備が整った。

今後の研究の推進方策

今後は結晶の大型化に注力する。また、併せて単結晶試料の評価と熱力学的諸量の物性測定をおこない、こちらも結晶の評価と諸物性の基礎的測定をおこなう。中性子散乱実験を行う場合、一般的にその強度は結晶の量に比例すると考えられる。予定している試料の中性子散乱断面積はさほど大きくないので極力良質かつ大量の結晶を用意する必要がある。得られた結晶については、効率よくアッセンブルする必要がある。
モニター整備については上述したようにその開発と設置、モニター値読み出しのためのソフトウェアの開発も終了した。他の実験での評価をまず行ってゆく予定である。