軌道角運動量を持つX線ビーム生成と物性研究利用への展開

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05130
• 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: 中尾 裕則 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, 准教授 (70321536)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 光渦 / 放射光 / 軌道角運動量 / 共鳴Ｘ線散乱

研究実績の概要

第3世代の放射光施設では光の位相の揃ったコヒーレントＸ線を利用した研究が進んでいるが、この光の等位相面をらせん状に制御した光渦と呼ばれるＸ線ビームが、最近新たな光として注目されている。また、光の等位相面をらせん状に制御した結果としてＸ線が軌道角運動量を持ち、光渦ビームを用いた新たな光学遷移過程の観測の可能性としても注目されている。この光渦ビームの生成方法として、回折限界光源の条件のもとAPPLE-II型の挿入光源を利用することで、軌道角運動量を持った光子が生成できることが、理論・実験で報告された。この挿入光源より生成されるＸ線ビームは、理論的に純粋に軌道角運動量成分を持つと期待され、回折限界光源ではない光源においても光渦ビームの生成が期待できる。そこで、回折限界条件ではない光源となるPhoton Factory (PF) のBL-16A の挿入光源(APPLE-II 型) を用いた光渦ビームの生成を試みた。挿入光源からの1次光・2次光のビームプロファイルを、ナイフエッジスキャンにより測定した。観測されたビームプロファイルは、SPECTRAでシュミーレーションした結果とズレはあるものの大まかに再現されることがわかった。次に、生成されたＸ線ビームが軌道角運動量を持つことをピンホールからの回折パターンを測定することで評価した。光が軌道角運動量を持つ場合には、中心部が暗点となる特徴的な回折パターンとなることが期待されたものの、実験では暗点は観測できなかった。ただし、光渦ビームのビーム中心にバラツキがある場合に暗点が消失することが期待され、今後定量的な観測・解析を行う予定である。一方、並行してスパイラルゾーンプレート（SZP）による光渦の生成も目指し、SZPの設計・製作を行った。今後、SZPによる光渦ビームの生成と評価を進める。

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

上述のように、ほぼ、当初の予定通り順調に研究が進んでいる。挿入光源で生成された光渦ビームは、光の干渉効果等により軌道角運動量を消失する可能性もあり得え、コヒーレントＸ線にSZPを利用することによる光渦の生成も目指して、進めているところである。

今後の研究の推進方策

平成29 年度に引き続き、軌道角運動量を持つ光渦ビームの生成を試みるとともに、生成した光渦ビームを利用した吸収・回折実験を進める。
＊SZPによる光渦ビームの生成と評価：挿入光源で生成された光渦ビームは、光の干渉効果等により軌道角運動量を消失する可能性があるとともに、光渦ビームと物質との相互作用の大きさは、光渦ビームのサイズと関係する可能性が指摘されている。そこで、コヒーレントＸ線にSZPを利用することによる光渦の生成も目指す。SZPでは、光渦の生成とともに、ビーム集光が同時に可能であり、100nm以下のビームサイズでの光渦ビームと物質の相互作用の評価が可能となる。
＊光渦ビームと物質の相互作用の評価：軌道角運動量を持つ光渦ビームは偏光状態の空間分布をもち、これが軌道角運動量の起源と考えられている。この空間的な広がりと吸収などの散乱断面積との間には関係があると指摘されているものの、実証はされていない。そこで、BL-16Aのミラー集光点から試料位置を変化させることで、光渦ビームのサイズと吸収・回折実験の2p→ 3d 遷移の大きさとの関係を解明する。光渦ビームのサイズが小さい場合に、遷移確率が大きくなる効果が見いだせた場合には、上述のSZPにより生成された光渦ビームの利用に研究の重心を移す。
＊光渦ビームの新たな利用法：光渦ビームを利用した新たな光学遷移過程の観測は、実験的な報告はあるものの、その後続々と報告が出てきているわけでもない。そこで本課題では、光渦ビームの新たな利用方法として、イメージングの可能性も検討する。

次年度使用額が生じた理由

当初計画では、SZPを初年度に2組作成する予定であったが、1枚目を評価した上で、次の展開を考えつつ、2枚目の設計・制作を行うこととしたため。

研究成果

• [雑誌論文] Thickness dependence and dimensionality effects on charge and magnetic orderings in La1/3Sr2/3FeO3 thin films (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Yamamoto, Y. Hirata, M. Horio, Y. Yokoyama, K. Takubo, M. Minohara, H. Kumigashira, Y. Yamasaki, H. Nakao, Y. Murakami, A. Fujimori, and H. Wadati
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 97 ページ: 075134:1-6
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.075134
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coherent Resonant Soft X-ray Scattering Study of Magnetic Textures in FeGe (2018)
  • 著者名/発表者名: V. Ukleev, Y. Yamasaki, D. Morikawa, N. Kanazawa, Y. Okamura, H. Nakao, Y. Tokura, and T. Arima
  • 雑誌名: Quantum Beam Sci. 巻: 2 ページ: 3:1-12
  • DOI: https://doi.org/10.3390/qubs2010003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spin State of Co3+ in LaCo1-xRhxO3 Studied Using X-ray Absorption Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Sudayama, H. Nakao, Y. Yamasaki, Y. Murakami, S. Asai, R. Okazaki, Y. Yasui, and I. Terasaki
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 86 ページ: 094701:1-6
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.86.094701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Directional electric-field induced transformation from skyrmion lattice to distinct helices in multiferroic Cu2OSeO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamura, Y. Yamasaki, D. Morikawa, T. Honda, V. Ukleev, H. Nakao, Y. Murakami, K. Shibata, F. Kagawa, S. Seki, T. Arima, and Y. Tokura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 184411:1-6
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.184411
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence and magnetic-field variation of chiral-soliton lattice and skyrmion lattice in the strained helimagnet Cu2OSeO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamura, Y. Yamasaki, D. Morikawa, T. Honda, V. Ukleev, H. Nakao, Y. Murakami, K. Shibata, F. Kagawa, S. Seki, T. Arima, and Y. Tokura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 96 ページ: 174417:1-7
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.174417
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three superconducting phases with different categories of pairing in hole- and electron-doped LaFeAs1-xPxO (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Miyasaka, M. Uekubo, H. Tsuji, M. Nakajima, S. Tajima, T. Shiota, H. Mukuda, H. Sagayama, H. Nakao, R. Kumai, and Y. Murakami
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 214515:1-8
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.214515
  • 査読あり
• [学会発表] Topological spin textures probed by coherent resonant soft X-ray scattering (2017)
  • 著者名/発表者名: V. Ukleev, Y. Yamasaki, D. Morikawa, Y. Okamura, N. Kanazawa, K. Karube, Y. Tokunaga, H. Nakao, Y. Taguchi, T. Arima, Y. Tokura
  • 学会等名: IV International Workshop Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and Exotic Spin Structures, Peterhof (Russia)
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic Structure Analysis of EuMn2O5 at qM = (1/2,0,1/3) Ferroelectric Phase based on Magnetic Space Group (2017)
  • 著者名/発表者名: Yukio Noda, Hiroyuki Kimura, Satoru Horio, J. Lin, Sei Fujiyama, Mamoru Fukunaga, Haruhiro Hiraka, Hironori Nakao, ChangHee Lee, ShinAe Kim, and Myungkook Moon
  • 学会等名: International Conference on Neutron Scattering 2017, Daejeon (Korea)
  • 国際学会
• [学会発表] Dirac fermion transport coupled with magnetic order in a layered antiferromagnet EuMnBi2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Hidetoshi MASUDA, Hideaki SAKAI, Masashi TOKUNAGA, Yuichi YAMASAKI, Atsushi MIYAKE, Junichi SHIOGAI, Shintaro NAKAMURA, Satoshi AWAJI, Atsushi TSUKAZAKI, Hironori NAKAO, Youichi MURAKAMI, Taka-hisa ARIMA, Yoshinori TOKURA, and Shintaro ISHIWATA
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems, PRAGUE(チェコ）
  • 国際学会
• [学会発表] Thickness dependence of charge and magnetic orderings in La1/3Sr2/3FeO3 thin films studied by hard and soft x-ray scattering (2017)
  • 著者名/発表者名: Kohei YAMAMOTO, Yasuyuki HIRATA, Masafumi HORIO, Yuichi YOKOYAMA, Kou TAKUBO, Makoto MINOHARA, Hiroshi KUMIGASHIRA, Yuichi YAMASAKI, Hironori NAKAO, Youichi MURAKAMI, Atsushi FUJIMORI, Hiroki WADATI
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems, PRAGUE(チェコ）
  • 国際学会
• [学会発表] Resonant x-ray scattering study on electronic hybridization in unconventional ordered phase of PrRu4P12 (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nakao, C. Tabata, K. Iwasa
  • 学会等名: 28th International Conference on Low Temperature Physics, Gothenburg (Sweden)
  • 国際学会
• [学会発表] Resonant x-ray scattering study on hybridized orbital states in f-electron system (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nakao, C. Tabata, K. Iwasa and H. Amitsuka
  • 学会等名: International Workshop on Multipole Physics and Related Phenomena, Hachimantai Royal Hotel (Iwate)
  • 国際学会