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2017 年度 実績報告書

スピン操作分子立体配置制御と磁場誘起現象

研究課題

研究課題/領域番号 16H04009
研究機関東京大学

研究代表者

松田 康弘  東京大学, 物性研究所, 准教授 (10292757)

研究分担者 小林 達生  岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (80205468)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワードスピン格子結合 / 磁場誘起相転移 / 磁歪 / X線回折 / 固体酸素
研究実績の概要

平成29年度の研究計画に沿って、実績の概要を以下に示す。
(1)固体酸素の窒素置換効果と磁歪測定: 高速歪み測定が可能なファイバーブラッググレーティング(FBG)を用いて精密に固体酸素の磁歪を測定することに成功した。それにより従来報告のない特徴的な負の磁歪をα相に発見した。酸素分子は反強磁性的に結合しているために交換磁歪機構からは正の磁歪のみが期待されるため、負の磁歪の発現機構は興味深く、その解明が今後必要である。α相から温度を上げて現れるβ相では磁歪は正であることも確かめられた。さらに、125 TまでのFBG実験からαーθ相転移に起因する構造変化がはじめて検出された。これは、構造相転移を直接示す初めての成果である。窒素置換系では結晶性の窒素濃度依存性について検討した。
(2)固体酸素のX線回折: 24 Tまでのパルス強磁場中におけるα酸素のX線回折実験を行った。従来の報告が7.5 Tまでであることから3倍以上に磁場範囲を拡張した。FBG実験で確かめられた磁歪と整合する歪みが観測されたが、その大きさは過去の巨大磁歪の報告と比べて一桁小さい。定常磁場中でのX線回折実験も5 Tまで行い、今回の実験結果が信頼性の高いものであることを確かめた。
(3)有機分子磁性体BIP-TENOの精密温度制御下での磁気特性: BIP-TENOの磁化過程における精密な温度依存性を調べたが、高速磁場掃引でのみ観測される特徴的な磁化過程は温度の影響を大きく受けないことが明らかとなった。そのため、スピン系の温度が極端に下がったために新たな磁気構造が安定化するという機構は実験結果と整合しないことが分かった。磁歪測定からはスピンギャップの閉じる磁場以上で顕著な結晶の収縮がはじめて観測できた。これより、スピン格子結合が特異な磁化過程の理解に最も重要である。

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

・酸素のX線回折実験、及びファイバーブラッググレーティングによる磁歪実験をパルス強磁場で行う事に成功し、X線回折については従来の磁場範囲を3倍以上拡張した。その結果、過去の巨大磁歪の報告と整合しない新たな振る舞いを観測した。α酸素では低磁場領域で非自明な負の磁歪を示すことが明らかとなり、これは固体酸素のスピン格子結合の理解に重要な現象である。また、FBG実験では125 Tまでの磁場中ではじめてθ酸素への構造変化を直接的に捉えることに成功した。
・有機分子磁性体に関してもBIP-TENOではじめて強いスピン格子結合を示す磁歪の観測を強磁場中で発見し、分子性固体特有の分子立体配置の磁場による変化が生じていると期待できる。また、S=1のBIP-TENOと類縁物質であるS=1/2のBIPーBNOでは、スピンラダーとしての期待される磁化過程が起こることを確かめ、BIP-TENOが特異であることを間接的に検証できた。
以上の成果は本研究の研究目的に沿うものであり、研究を順調に遂行していると考えている。

今後の研究の推進方策

最終年度である本年度はこれまでの進捗状況を踏まえて以下の推進方法を計画する。
(1)酸素/窒素混合系の磁場誘起相転移の解明: FBGによる磁歪測定と磁化測定から酸素/窒素混合系の磁場誘起相転移の窒素濃度依存性を明らかにする。磁場誘起αーθ相転移の転移磁場及び転移の幅が窒素濃度で制御できる可能性が高く、相転移機構の解明に大きく寄与すると考えている。
(2)磁歪測定による酸素結晶の制御技術開発とαーθ相転移の解明: 磁歪測定を結晶の異方性の検証に用いて、低温磁場中での固体酸素のドメイン整列及び単結晶化に挑戦する。これは当初の計画にはない発展的試みであるが、単結晶の生成に成功すればこれまで測定の質が著しく向上すると期待されるため、その意義は高い。単結晶成長の技術を確立し、磁化及び磁歪測定からαーθ相転移を解明する。
(3)BIP-TENOのスピン格子分離現象の解明:  昨年度明らかになった強いスピン格子結合から、高速磁場中での特徴的な磁化過程は格子とスピンの分離によって実現している可能性が高いことが明らかになっている。本年度は磁場掃引速度を制御する技術を開発してスピン格子分離が起こる時間スケールを決定する。これは分子のダイナミクスと直接関連するため極めて重要である。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (5件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] H-T phase diagram of solid oxygen2017

    • 著者名/発表者名
      Nomura T.、Matsuda Y. H.、Kobayashi T. C.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 96 ページ: 054439 1-5

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.054439

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-speed 100 MHz strain monitor using fiber Bragg grating and optical filter for magnetostriction measurements under ultrahigh magnetic fields2017

    • 著者名/発表者名
      Ikeda Akihiko、Nomura Toshihiro、Matsuda Yasuhiro H.、Tani Shuntaro、Kobayashi Yohei、Watanabe Hiroshi、Sato Keisuke
    • 雑誌名

      Review of Scientific Instruments

      巻: 88 ページ: 083906 1-5

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4999452

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetization Process of the S = 1/2 Two-Leg Organic Spin-Ladder Compound BIP-BNO2017

    • 著者名/発表者名
      Nomura Kazuya、Matsuda Yasuhiro H.、Narumi Yasuo、Kindo Koichi、Takeyama Shojiro、Hosokoshi Yuko、Ono Toshio、Hasegawa Naoya、Suwa Hidemaro、Todo Synge
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 86 ページ: 104713 1-3

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.86.104713

    • 査読あり
  • [学会発表] S = 1 スピンラダー物質BIP-TENOの強磁場中の磁気歪み2018

    • 著者名/発表者名
      野村和哉, 池田暁彦, 松田康弘, 天谷直樹, 小野俊雄, 細越裕子
    • 学会等名
      日本物理学会2018年春季大会
  • [学会発表] Observation of spin gap and high-field phase up to 150 T in CaV4O9: A spin 1/2 Heisenberg antiferromagnet on 1/5 depleted square lattice2018

    • 著者名/発表者名
      池田暁彦, 野村和哉, 松田康弘, 山内徹, 礒部正彦
    • 学会等名
      日本物理学会2018年春季大会
  • [学会発表] 強磁場中X線回折による固体酸素の磁気歪みの観測2018

    • 著者名/発表者名
      清水歩実, 松田康弘, 稲見俊哉, 野村肇宏, 小林達生
    • 学会等名
      日本物理学会2018年春季大会
  • [学会発表] S = 1 スピンラダー物質BIP-TENOの強磁場過程の温度依存性2017

    • 著者名/発表者名
      野村和哉, 松田康弘, 嶽山正二郎, 天谷直樹, 小野俊雄, 細越裕子
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] High-speed 100 MHz strain monitor using fiber Bragg grating and optical filter for magnetostriction measurements under ultrahigh magnetic fields2017

    • 著者名/発表者名
      池田暁彦, 野村肇宏, 松田康弘, 谷峻太郎, 小林洋平, 渡邉浩, 佐藤桂輔
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [備考] 松田康弘研究室

    • URL

      http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/y._matsuda_group.html

URL: 

公開日: 2018-12-17  

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