新世代量子ビームによる100テスラ新結晶のミクロ構造観察

• 研究課題/領域番号: 23K25818
• 補助金の研究課題番号: 23H01121 (2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2023)
• 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: 電気通信大学
• 研究代表者: 池田 暁彦 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (90707663)
• 研究期間 (年度): 2024-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円); 2025年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2023年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
• キーワード: ポータブル100テスラ / PINK-02 / 超強磁場 / シングルショットX線回折 / X線自由電子レーザー / クライオスタット / シングルショット粉末X線回折 / 磁場誘起構造相転移 / コバルト酸化物 / スピン状態転移 / X線回折

研究開始時の研究の概要

マクロ物性の非自明な外場応答に対してミクロな理解を与えることは凝縮系物理の中心的課題である。近年、100 テスラ超強磁場中で発見された巨大格子変形の起源として構造相転移の可能性が議論されている。本研究では研究代表者が開発した 100 テスラ中 X 線プローブ法を駆使し、100テスラ新結晶の結晶構造を解明する。本研究により、結晶の構造安定性におけるスピン格子結合の役割が解明され、超強磁場におけるミクロプローブという物性実験の未踏領域が開拓される。

研究実績の概要

2023年度にSACLAに導入したPINK-02を利用して、SACLAにおける100テスラ発生に成功した。しかし、PINK-02は安定動作に問題を抱え、実験に投入が困難であった。2024年度にPINK-02の抜本的な改善のために分解・再組み立てを行い、さらに安定放電のための手順を発見した。これにより、2024年度に安定的に100テスラを発生し、これをSACLAのX線自由電子レーザーパルスと同期することにより、100テスラX線実験を世界に先駆けて実現した。また同時に利用可能なマイクロクライオスタットを改良し、固体サンプルに加えて、固体酸素サンプルにも応用可能とした。これらを用いて、実際に目標であるコバルト酸化物と固体酸素の超強磁場相転移のX線観察実験を開始することができた。

現在までの達成度

1: 当初の計画以上に進展している

理由

装置の不安定状況を解決し、世界に先駆けて100テスラX線実験を実現したことは計画全体の最も大きな峠を登頂したと考えて良い。また、1000テスラ物性実験に必要な超小型マイクロクライオスタットの開発にも同時に成功した。これらを用いて、コバルト酸化物、固体酸素の実験を開始できている。

今後の研究の推進方策

コバルト酸化物、および固体酸素の超強磁場相転移の完全な解明には至っていない。今後、利用できる最大磁場を10%ほど上昇させることにより、コバルト酸化物と固体酸素の超強磁場相転移の全貌を解明できると考えている。このためには、コイルの直径を4mmから3mmに変更することと、クライオスタットの直径を真空チューブ込みで、3.6mmから2.6mmへと縮小する必要がある。

研究成果

• [雑誌論文] Experimental and Numerical Studies of the Collapse of Dense Clouds Induced by Herbig－Haro Stellar Jets (2025)
  • 著者名/発表者名: M. Fontaine, C. Busschaert, Y. Benkadoum, I. A. Bertrix, M. Koenig, F. Lefevre, J.-R. Marques, D. Oportus, A. Ikeda, Y. H. Matsuda, E. Falize, B. Albertazzi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 981 号: 2 ページ: 172-172
  • DOI: 10.3847/1538-4357/adb715
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal-field magnetostriction of the spin ice under ultrahigh magnetic fields (2024)
  • 著者名/発表者名: N. Tang, M. Gen, M. Rotter, H. Man, K. Matsuhira, A. Matsuo, K. Kindo, A. Ikeda, Y. H. Matsuda, P. Gegenwart, S. Nakatsuji, Y. Kohama
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 110 号: 21 ページ: 214414-214414
  • DOI: 10.1103/physrevb.110.214414
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A review on magnetic field induced spin crossover in LaCoO3 up to 600 T (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda, Y. H. Matsuda, K. Sato, J. Nasu
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 93 号: 12 ページ: 121005-121005
  • DOI: 10.7566/jpsj.93.121005
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A concise 40 T pulse magnet for condensed matter experiments (2024)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Akihiko、Noda Kosuke、Shimbori Kotomi、Seki Kenta、Bhoi Dilip、Ishita Azumi、Nakamura Jin、Matsubayashi Kazuyuki、Akiba Kazuto
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 136 号: 17 ページ: 175902-175902
  • DOI: 10.1063/5.0231640
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] パルス強磁場を作っちゃおう！ 50 kg の軽量コンデンサーバンクによる汎用 40 テスラパルス磁場発生装置の製作 ∼ (2024)
  • 著者名/発表者名: 池田暁彦
  • 雑誌名: アグネ 固体物理 巻: 59 ページ: 303-303
• [雑誌論文] Unveiling new quantum phases in the Shastry-Sutherland compound SrCu2(BO3)2 up to the saturation magnetic field (2023)
  • 著者名/発表者名: Nomura T., Corboz P., Miyata A., Zherlitsyn S., Ishii Y., Kohama Y., Matsuda Y. H., Ikeda A., Zhong C., Kageyama H., Mila F.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39502-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic field induced valence change in Eu(Co1-xNix)2P2 up to 60 T (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Raito、Ishita Azumi、Nakamura Jin、Ohta Hiroto、Haraguchi Yuya、Katori Hiroko Aruga、Ishikawa Hajime、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Nohara Minoru、Ikeda Akihiko
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 23 ページ: 235110-235110
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.235110
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Signature of spin-triplet exciton condensations in LaCoO3 at ultrahigh magnetic fields up to 600 T (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Akihiko、Matsuda Yasuhiro H.、Sato Keisuke、Ishii Yuto、Sawabe Hironobu、Nakamura Daisuke、Takeyama Shojiro、Nasu Joji
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 1744-1744
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37125-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Signatures of a magnetic superstructure phase induced by ultrahigh magnetic fields in a breathing pyrochlore antiferromagnet (2023)
  • 著者名/発表者名: Gen Masaki, Ikeda Akihiko, Aoyama Kazushi, Jeschke Harald O., Ishii Yuto, Ishikawa Hajime, Yajima Takeshi, Okamoto Yoshihiko, Zhou Xuguang, Nakamura Daisuke, Takeyama Shojiro, Kindo Koichi, Matsuda Yasuhiro H., Kohama Yoshimitsu
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 120 号: 33
  • DOI: 10.1073/pnas.2302756120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Gradual Charge Order Melting in Bi0.5Ca0.5MnO3 induced by ultrahigh magnetic field (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishii Yuto、Ikeda Akihiko、Tokunaga Masashi、Kindo Koichi、Matsuo Akira、Matsuda Yasuhiro H.
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 号: 7 ページ: 074702-074702
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.074702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Breathing pyrochlore magnet CuGaCr4S8: Magnetic, thermodynamic, and dielectric properties (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Gen, H. Ishikawa, A. Miyake, T. Yajima, H. O. Jeschke, H. Sagayama, A. Ikeda, Y. H. Matsuda, K. Kindo, M. Tokunaga, Y. Kohama, T. Kurumaji, Y. Tokunaga, T. Arima
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 号: 10 ページ: 104404-104404
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.104404
  • 査読あり
• [学会発表] Exploration of non-perturbative magnetic field effects on solid states by ultrahigh fields of 1000 T (2024)
  • 著者名/発表者名: Y. H. Matsuda, Y. Ishii, A. Ikeda, X-G. Zhou, P. Chiu, S. Peng
  • 学会等名: 13th International Conference on Research in High Magnetic Fields
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrahigh magnetic field induced insulator-metal transition in V2O3+δ (δ=0.03) (2024)
  • 著者名/発表者名: S. Peng, X.-G. Zhou, K. Shimbori, A. Ikeda, Y. H. Matsuda
  • 学会等名: 13th International Conference on Research in High Magnetic Fields
  • 国際学会
• [学会発表] Non-perturbative magnetic field effects on solid states by ultrahigh fields of 1000 T (2024)
  • 著者名/発表者名: Y. H. Matsuda, Y. Ishii, A. Ikeda, X.-G. Zhou, P. Chiu, S. Peng
  • 学会等名: Conference of Condensed Matter Physics 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fe3O4の超強磁場相転移の探索 (2024)
  • 著者名/発表者名: 新堀琴美, 石井裕人, Dilip Bhoi, 野田孝祐, 関健汰, 松田康弘, 池田暁彦
  • 学会等名: 日本物理学会 第79回年次大会（2024年）
• [学会発表] V2O3+d単結晶における超強磁場誘起新規金属相の可能性 (2024)
  • 著者名/発表者名: 石井裕人, 彭誌悦, 周旭光, 林浩章, 新堀琴美, 池田暁彦, 松田康弘
  • 学会等名: 日本物理学会 第79回年次大会
• [学会発表] V6O13における超強磁場による分子軌道の崩壊 (2024)
  • 著者名/発表者名: 池田暁彦, 松田康弘
  • 学会等名: 1000テスラ科学 第4回領域会議
• [学会発表] Powder X-ray diffraction at low temperature and 120 T generated using a portable pulse magnet PINK-02 (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda，K. Noda, K. Shimbori, T. Tanaka, K. Seki, H. Kobayashi, D. Bhoi, Y. Ishii, H. Hayashi, T. Yajima, X. Zhou, S. Peng, Y. H. Matsuda, Y. Kubota, I. Inoue, Y. Inubushi, K. Tono, M. Yabashi , M. Gen, G. Kamini, K. Sato, M. Akaki, S. Kawachi
  • 学会等名: 日本物理学会 第79回年次大会（2024年）
• [学会発表] Road to x-ray science at 100 T (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: Magnetics and Optics Research International Symposium 2024 (MORIS2024)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A review on magnetic field induced spin crossover in LaCoO3 up to 600 T (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: 70 years of the Tanabe-Sugano diagram
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 100 テスラ超え:超強磁場における X 線自由電子レーザー実験の開拓 (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: 公益社団法人日本セラミックス協会 第37回秋季シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] ポータブル 100 テスラ発生装置 PINK-02 とX線自由電子レーザーを用いた100テスラX線実験の開拓 (2024)
  • 著者名/発表者名: 池田暁彦
  • 学会等名: 第18回 物性科学領域横断研究会
• [学会発表] 超100テスラ強磁場におけるXFEL実験の開拓 (2024)
  • 著者名/発表者名: 池田暁彦
  • 学会等名: 第38回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] X-ray diffraction above 100 T (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: 14th Ringberg Workshop: Science with FELs
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] X-ray experiment beyond 100 T (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: SACLA Users' meeting 2025
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Using mini-coil and mini-bank in plasma experiments, and the possibility of 100 T plasma experiment (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: Matter in Extreme Conditions for Magnetized PLAsmas
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 1000 テスラひずみ計測法の開発による LaCoO3の新規電子相の発見 (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] Road to XFEL experiments on condensed matters at above 100 Tesla (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] Magnetic field-induced melting of charge-ordered phase in Bi_0.5Ca_0.5MnO₃: Re-analysis of XRD results at 77 T (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda, Y. Ishii, X. Zhou, S. Peng, Y. H. Matsuda, T. Yajima, Y. Kubota, I. Inoue, Y. Inubushi, K. Tono, M. Yabashi
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Road to X-ray science at 100 T (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: MagX: Frontiers of Synchrotron and XFEL Research at High Magnetic Fields
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] FBG magnetostriction studies up to 1000 T (2023)
  • 著者名/発表者名: 池田暁彦
  • 学会等名: 強磁場科学研究会
  • 招待講演