周波数掃引型ESRによるスピンギャップ系におけるエレクトロマグノン励起の検証

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K05416
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 櫻井 敬博 神戸大学, 研究基盤センター, 助教 (60379477)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 周波数掃引型ESR / スピンギャップ / エレクトロマグノン

研究実績の概要

本研究は、周波数掃引によるESR測定手法を確立し、スピンギャップ系物質として知られるKCuCl3において期待されるエレクトロマグノンの励起の有無を、本手法とその特有のESR選択則により検証するものである。
周波数掃引型のESR装置の開発が本研究のキーとなる。光源としては準連続的に周波数変化が可能な後進行波管（BWO）を用いた。BWOは周波数によって出力強度が大きく変化するため、試料のない状態での参照スペクトルを得ることが必要になる。そこで試料の有無での透過電磁波強度の比からスペクトルを得ることが出来る、回転試料ステージを有するESRプローブを作製した。これにより、直接遷移のESR強度が比較的強いダイマー系物質SrCu2(BO3)2を用いて評価、改良を進め、ある程度のS/N比で周波数掃引によるESRスペクトルを得ることが出来るようになった。しかしKCuCl3の測定に対しては感度は十分ではないことが分かった。そこでメンブレンを用いたESR測定を試みた。同手法は、ESRの遷移に伴う微小な磁化の変化をメンブレンによって精度良く検出する高感度なESR測定手法である。この方法では、共鳴は電磁波強度をON、OFF変調し、その変調周波数を参照信号にロックイン検出する。光源としては同じくBWOを用いるが、共鳴の無い場合は基本的には入射電磁波の強度にかかわらず信号は観測されないため、試料のない状態での参照スペクトルを必要とせず、精度良くかつ効率的に周波数掃引によるESR測定が可能になる。本手法をKCuCl3に適用し、種々条件を検討して、平行モードを観測することに成功した。観測されたスペクトルは、磁場依存性が小さいというエレクトロマグノン励起に特徴的な選択則を有しており、これにより、周波数掃引型ESR測定手法の確立と共に、エレクトロマグノン励起の存在を強く支持する結果を得ることが出来た。

研究成果

• [雑誌論文] Spectroscopic and magnetic properties of Fe2+ (3d6; S= 2) ions in Fe(NH4)2(SO4)2・6H2O ? Modeling zero-field splitting and Zeeman electronic parameters by microscopic spin Hamiltonian approach (2018)
  • 著者名/発表者名: Zajac Magdalena、Rudowicz Czeslaw、Ohta Hitoshi、Sakurai Takahiro
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 巻: 449 ページ: 94～104
  • DOI: doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.09.027
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct Observation of the Quantum Phase Transition of SrCu2(BO3)2 by High-Pressure and Terahertz Electron Spin Resonance (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakurai Takahiro、Hirao Yuki、Hijii Keigo、Okubo Susumu、Ohta Hitoshi、Uwatoko Yoshiya、Kudo Kazutaka、Koike Yoji
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 033701～033701
  • DOI: doi.org/10.7566/JPSJ.87.033701
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pressure Effect on Zero-Field Splitting Parameter of Hemin: Model Case of Hemoproteins under Pressure (2018)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Tsubasa、Ohmichi Eiji、Saito Yu、Sakurai Takahiro、Ohta Hitoshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 122 ページ: 6880～6887
  • DOI: DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b03128
  • 査読あり
• [雑誌論文] Paramagnetic organometallic ionic liquids exhibiting thermochromism based on monomer?dimer equilibrium of cationic half-sandwich complexes (2018)
  • 著者名/発表者名: Inagaki Takashi、Mochida Tomoyuki、Takahashi Kazuyuki、Sakurai Takahiro、Ohta Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Molecular Liquids 巻: 269 ページ: 882～885
  • DOI: doi.org/10.1016/j.molliq.2018.08.119
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development and application of 2.5?GPa?25?T high-pressure high-field electron spin resonance system using a cryogen-free superconducting magnet (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakurai T.、Kimura S.、Kimata M.、Nojiri H.、Awaji S.、Okubo S.、Ohta H.、Uwatoko Y.、Kudo K.、Koike Y.
  • 雑誌名: Journal of Magnetic Resonance 巻: 296 ページ: 1～4
  • DOI: doi.org/10.1016/j.jmr.2018.08.005
  • 査読あり
• [学会発表] Shastry-Sutherland物質SrCu2(BO3)2の高圧下ESRによる量子相転移の観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 櫻井敬博
  • 学会等名: 第2回スピン系物理研究会、神戸大学（兵庫県）
• [学会発表] 25T無冷媒型超伝導磁石を用いた直交ダイマー系SrCu2(BO3)2の高圧下ESR (2019)
  • 著者名/発表者名: 櫻井敬博・奥藤涼介・木村尚次郎・木俣基・野尻浩之・太田仁・大久保晋・上床美也・工藤一貴・小池洋二
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会、九州大学（福岡県）
• [学会発表] Development and application of high-field high-pressure ESR system in THz region (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Sakurai, K. Hijii, S. Okubo, H. Ohta, S. Kimura, H. Nojiri, Y. Uwatoko, K. Kudo, Y. Koike
  • 学会等名: International Conference on Coordination Chemistry, Sendai, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Development of high-pressure high-field ESR system and application to orthogonal dimer spin system SrCu2(BO3)2 (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Sakurai, K. Hijii, R. Okuto, S. Kimura, H. Nojiri, S. Okubo, H. Ohta, Y. Uwatoko, K. Kudo, Y. Koike
  • 学会等名: The 16th international conference on megagauss magnetic field generation and related topics, Kashiwa, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] 直交ダイマー系SrCu2(BO3)2の圧力下THz ESRによる量子相転移の観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 櫻井敬博
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会、同志社大学（京都府）
  • 招待講演
• [学会発表] 圧力下ESRによる直交ダイマー系SrCu2(BO3)2の圧力誘起量子相転移の観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 櫻井敬博
  • 学会等名: 基研研究会「スピン系物理の最前線」、京都大学（京都府）
  • 招待講演
• [学会発表] 高圧強磁場ESRの開発と応用-直交ダイマー系SrCu2(BO3)2の結果を中心に- (2018)
  • 著者名/発表者名: 櫻井敬博
  • 学会等名: 第五回西日本強磁場科学研究会、神戸大学（兵庫県）
• [学会発表] 25 T無冷媒型超伝導磁石を用いた高圧下ESR装置の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 櫻井敬博・木村尚次郎・木俣基・野尻浩之・大久保晋・太田仁・工藤一貴・小池洋二
  • 学会等名: 第59回高圧討論会、岡山理科大学（岡山県）