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2017 年度 実績報告書

オプトメカニカルに制御されたカンチレバーを用いた磁気共鳴分光法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 16K17749
研究機関神戸大学

研究代表者

高橋 英幸  神戸大学, 先端融合研究環, 助教 (10759989)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
キーワード電子スピン共鳴 / 磁気トルク / カンチレバー / 表面応力センサー / メンブレン共振器 / 磁気共鳴力顕微鏡
研究実績の概要

最終年度は、前年度改良した力検出型電子スピン共鳴(ESR)測定系に走査機構を組み込んだ、テラヘルツESR顕微鏡を試作した。マイクロカンチレバーの先端に、直径約40ミクロンの磁性体小球を接着し、試料表面上で動かすことで空間分解測定を試みた。しかし、磁性体小球から発せられる磁場勾配が想定よりも小さかったために、共鳴画像取得には至らなかった。一方で、ESRスペクトルとしては質の高いものが得られた。
磁性体を乗せたカンチレバーは磁場中で非線形なダイナミクスを示し、技術的に難しい面が多かったため、力センサーとして有望視されているメンブレン型デバイスを新たに導入した。まず、ガスセンシング用に市販されているシリコン製のピエゾ抵抗検出型メンブレンセンサー(厚み約5ミクロン)を用いた磁気トルク測定を行い、超伝導体の量子振動や、トルク検出型ESR測定に成功するなどの成果を得た。
続いて、窒化シリコンメンブレン(厚み100ナノメートル)をカンチレバーの代わりに用いる配置で力検出型ESR測定を行った。この効果は絶大で、カンチレバーを使う際に生じる、強磁場中での技術的困難が解消されたことで、非常に安定した測定が可能になった。特にゼロ磁場から15テスラまでシームレスなスペクトルを得られるようになり、電磁波透過法などの従来法と遜色ないレベルにまでスペクトルの質が改善した。また、力検出型測定では原理的に難しいと考えられる、磁性体試料の共鳴も非常に明瞭に観測された。これに関しては、詳細な解析から、共鳴に伴う発熱の効果が試料磁化変化として検出されるためであることが明らかになった。
研究期間全体を通して、当初狙っていたオプトメカニカルな効果を利用した検出原理の創出には至らなかった。しかし、結果的に他分野の知見が、実用的レベルで使える熱検出法の開発など、力検出型ESR技術のブレイクスルーにつながったといえる。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Force- and torque-detection of high-frequency electron spin resonance using a membrane-type surface-stress sensor2018

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Takahashi, Kento Ishimura, Tsubasa Okamoto, Eiji Ohmichi, Hitoshi Ohta
    • 雑誌名

      Review of Scientific Instruments

      巻: 89 ページ: 036108/1-3

    • DOI

      10.1063/1.5018831

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanically detected terahertz electron spin resonance using SOI-based thin piezoresistive microcantilevers2018

    • 著者名/発表者名
      Ohmichi Eiji、Miki Toshihiro、Horie Hidekazu、Okamoto Tsubasa、Takahashi Hideyuki、Higashi Yoshinori、Itoh Shoichi、Ohta Hitoshi
    • 雑誌名

      Journal of Magnetic Resonance

      巻: 287 ページ: 41-46

    • DOI

      10.1016/j.jmr.2017.12.013

    • 査読あり
  • [雑誌論文] New Method for Torque Magnetometry Using a Commercially Available Membrane-Type Surface Stress Sensor2017

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Takahashi, Kento Ishimura, Tsubasa Okamoto, Eiji Ohmichi, Hitoshi Ohta
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 86 ページ: 063002/1-4

    • DOI

      10.7566/JPSJ.86.063002

    • 査読あり
  • [学会発表] Torque magnetometry using a membrane-type surface-stress sensor2017

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Takahashi
    • 学会等名
      MANA International Symposium 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 窒化シリコンナノメンブレンを用いた力検出テラヘルツESR測定法の開発2017

    • 著者名/発表者名
      岡本翔,高橋英幸,石村謙斗,大道英二,太田仁
    • 学会等名
      日本物理学会 第73回年次大会
  • [学会発表] 凍結溶液試料の力検出型高周波ESR測定法の開発2017

    • 著者名/発表者名
      高橋英幸,岡本翔,石村謙斗,大道英二,太田仁
    • 学会等名
      日本物理学会 第73回年次大会
  • [学会発表] メンブレン型表面応力センサーを用いた力/トルク検出ESR2017

    • 著者名/発表者名
      高橋英幸,石村謙斗,岡本翔,大道英二,太田仁
    • 学会等名
      第56回電子スピンサイエンス学会年会
  • [学会発表] magnet-on-cantilever配置による力検出型テラヘルツESR測定2017

    • 著者名/発表者名
      高橋英幸,宮崎晃和,大道英二,太田仁
    • 学会等名
      日本物理学会2017 年秋季大会
  • [学会発表] メンブレン共振器を用いた磁気測定および磁気共鳴測定2017

    • 著者名/発表者名
      高橋英幸,石村謙斗,岡本翔,大道英二,太田仁
    • 学会等名
      第4回西日本強磁場研究会

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公開日: 2018-12-17  

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