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2019 年度 実施状況報告書

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

研究課題

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 – 2021-03-31
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、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。その結果、光渦の位相特異点が空間的に広がっているために、生成されたX線ビームが軌道角運動量を持つかどうかを判別することは出来ないことが分かった。ここまでの研究結果は、論文(AIP Conf. Proc. 2054 (2019) 060035)にまとめ発表した。一方、並行して行っていたスパイラルゾーンプレート(SZP)による光渦ビームの生成と評価をする過程で、新たなX線顕微鏡の可能性を見い出した。

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

挿入光源で生成された光渦ビームの評価に関しては、論文にまとめた。一方、SZPを利用した光渦ビームの生成に関しては、評価が遅れている。しかしながら、SZPを利用した光渦ビームの生成と評価から、新たなX線顕微鏡の可能性を見い出した。この顕微鏡は、メゾスコピック構造のイメージングに極めて有効と考えられるだけでなく、光渦ビームを組み合わせることでの新しいイメージングの可能性があり、この方向で研究を推進しているところである。

今後の研究の推進方策

平成30年度に見い出した新たなX線顕微鏡を建造し、立ち上げ、この装置を用いた光渦ビームの生成と評価を行う。
*新たなX線顕微鏡の立ち上げ:今回新らたに製作しているX線顕微鏡は、観測できる視野を広い空間スケールで変えられるだけでなく、試料走査なしにワンショットで2次元領域の画像が得られ、メゾスコピック構造の観測、さらにはその動的状態の観測に適した画期的な観測手法である。しかしながら、立ち上げてきた顕微鏡の筐体のnmスケールでの振動問題が明らかとなった。そこで、顕微鏡の組み直しを行ったうえで、本顕微鏡の実証実験を進める。
*SZPによる光渦ビームの生成と評価:新たに建造するX線顕微鏡システムでは、仮想光源からの良質なコヒーレントX線をSZPに入射でき、設計通りの光渦ビームの生成が期待できる。SZPでは、ビームが100nm以下に集光されるが、この焦点位置でのビーム形状を測定することで、軌道角運動量を持った光が生成されたのかを評価する。
*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、SZPからの光渦ビームの集光点と試料の位置関係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、新たなX線顕微鏡に光渦ビームを組み合わせた新たなイメージングの可能性も検討している。

次年度使用額が生じた理由

申請者らの光渦ビームの生成・評価試験で見出した新しい顕微鏡は、メゾスコピック構造のイメージングに極めて有効と考えられるだけでなく、光渦ビームを組み合わせることでの新しいイメージングの可能性があり、この方向で研究を推進してきた。しかしながら、顕微鏡の筐体のnmスケールでの振動問題が明らかとなった。そこで、顕微鏡の組み直しをしたうえで、SZPの評価試験を行うため。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 9件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Observation of Chiral Magnetic Soliton Lattice State in CrNb3S6 by Coherent Soft X-ray Diffraction Imaging2020

    • 著者名/発表者名
      Tabata Chihiro、Yamasaki Yuichi、Yokoyama Yuichi、Takagi Rina、Honda Takashi、Kousaka Yusuke、Akimitsu Jun、Nakao Hironori
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc.

      巻: 30 ページ: 011194: 1-6

    • DOI

      10.7566/JPSCP.30.011194

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Resonant X-ray Diffraction Study of Antiferromagnetic Transition in GdNiC22020

    • 著者名/発表者名
      Shimomura Susumu、Hanasaki Noriaki、Nakao Hironori、Onodera Hideya
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc.

      巻: 30 ページ: 011081:1~6

    • DOI

      10.7566/JPSCP.30.011081

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Successive Phase Transitions in R3Ir4Sn13 (R: La and Ce) Investigated Using Neutron and X-ray Diffraction2020

    • 著者名/発表者名
      Nakazato Seiya、Iwasa Kazuaki、Hashimoto Daisuke、Shiozawa Mami、Kuwahara Keitaro、Nakao Hironori、Sagayama Hajime、Ishikado Motoyuki、Ohhara Takashi、Nakao Akiko、Munakata Koji、Kiyanagi Ryoji
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc.

      巻: 30 ページ: 011128:1~6

    • DOI

      10.7566/JPSCP.30.011128

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Current-induced Giant Lattice Deformation in the Mott Insulator Ca2RuO42020

    • 著者名/発表者名
      Okazaki Ryuji、Kobayashi Kensuke、Kumai Reiji、Nakao Hironori、Murakami Youichi、Nakamura Fumihiko、Taniguchi Hiroki、Terasaki Ichiro
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 89 ページ: 044710~044710

    • DOI

      10.7566/JPSJ.89.044710

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetic Field Induced Triple-q Magnetic Order in Trillium Lattice Antiferromagnet EuPtSi Studied by Resonant X-ray Scattering2019

    • 著者名/発表者名
      Tabata Chihiro、Matsumura Takeshi、Nakao Hironori、Michimura Shinji、Kakihana Masashi、Inami Toshiya、Kaneko Koji、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 88 ページ: 093704~093704

    • DOI

      10.7566/JPSJ.88.093704

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Skyrmion lattice with a giant topological Hall effect in a frustrated triangular-lattice magnet2019

    • 著者名/発表者名
      Kurumaji Takashi、Nakajima Taro、Hirschberger Max、Kikkawa Akiko、Yamasaki Yuichi、Sagayama Hajime、Nakao Hironori、Taguchi Yasujiro、Arima Taka-hisa、Tokura Yoshinori
    • 雑誌名

      Science

      巻: 365 ページ: 914~918

    • DOI

      10.1126/science.aau0968

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Isotropic magnetoelectric effect in Tb1?xGdxMn2O5 studied by resonant x-ray scattering2019

    • 著者名/発表者名
      Ishii Y.、Murakoshi Y.、Sato N.、Noda Y.、Honda T.、Nakao H.、Murakami Y.、Kimura H.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 100 ページ: 104416:1~7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.100.104416

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Semimetallic State in La3Ir3O11 with the KSbO3 Structure2019

    • 著者名/発表者名
      Aoyama Takuya、Emi Kazutoshi、Tabata Chihiro、Nambu Yusuke、Nakao Hironori、Yamauchi Touru、Ohgushi Kenya
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 88 ページ: 093706~093706

    • DOI

      10.7566/JPSJ.88.093706

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Skyrmion phase and competing magnetic orders on a breathing kagom? lattice2019

    • 著者名/発表者名
      Hirschberger Max、Nakajima Taro、Gao Shang、Peng Licong、Kikkawa Akiko、Kurumaji Takashi、Kriener Markus、Yamasaki Yuichi、Sagayama Hajime、Nakao Hironori、Ohishi Kazuki、Kakurai Kazuhisa、Taguchi Yasujiro、Yu Xiuzhen、Arima Taka-hisa、Tokura Yoshinori
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 10 ページ: 5831:1~9

    • DOI

      10.1038/s41467-019-13675-4

    • 査読あり
  • [学会発表] 放射光X線回折・散乱実験のための低温・磁場環境2020

    • 著者名/発表者名
      中尾裕則
    • 学会等名
      第23回 CROSSroads Workshop 「量子ビーム実験施設における試料環境」
    • 招待講演
  • [学会発表] Augmented magnetic octupole of Mn3Sn investigated by x-ray magnetic circular dichroism2020

    • 著者名/発表者名
      Hironori Nakao
    • 学会等名
      J-Physics Annual Meeting FY2019
  • [学会発表] マルチスケール軟 X 線回折顕微鏡を用いた磁気ドメイン観測2020

    • 著者名/発表者名
      石井祐太、山崎裕一、小塚裕介、中尾裕則
    • 学会等名
      第33回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • [学会発表] Observation of Chiral Magnetic Soliton Lattice State in CrNb3S6 by Coherent Diffraction Imaging2019

    • 著者名/発表者名
      C. Tabata, Y. Yamasaki, Y. Yokoyama, R. Takagi, T. Honda, Y. Kousaka, J. Akimitsu and H. Nakao
    • 学会等名
      International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Observation of Skyrmion and Chiral Soliton Lattice States by Coherent Soft X-ray Diffraction Imaging2019

    • 著者名/発表者名
      H. Nakao, C. Tabata, Y. Yamasaki
    • 学会等名
      J-Physics 2019, International Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] PFにおけるコヒーレント軟X線回折イメージングの現状とその可能性2019

    • 著者名/発表者名
      中尾裕則
    • 学会等名
      PF研究会「XAFS・X線顕微鏡分光分析分野でのIMSS, PF戦略的利用に関する研究会」
    • 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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