超流動ヘリウムを利用した中性子過剰In同位体の核電磁モーメント探索

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K14300
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 今村 慧 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特別研究員(PD) (70783158)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 超流動ヘリウム / スピン偏極 / レーザー分光 / 核構造

研究実績の概要

当該研究は超流動ヘリウム環境という低温媒質を加速器施設で生成される核子当たり数十MeVの高エネルギーイオンビームの停止媒質として利用し，レーザー分光法を用いた原子の磁気副準位構造の精密測定を行い，核構造を明らかにする研究の一環である．上述の手法を中性子過剰In同位体へ適用すべく，同環境中において，光ポンピング法を利用したスピン偏極生成へ向けて安定同位体Inの固体試料を使用し実験を進めている．
まず初めに昨年度開発を行ったレーザー光源を用いて，レーザーアブレーション法により超流動ヘリウム内に導入された蛍光観測を行った．次いで，偏極生成に着手したが原子導入法に由来する原子数の変動が想定よりも大きく優位な偏極生成の確認には至っていない．これを解決するために電気光学変調器を用いてレーザー偏光をms程度の周期で切り替えることで，観測領域内の原子数を補正する測定手法の開発を行った．先行研究において超流動ヘリウム環境下でのスピン偏極生成が確認されているRbを用いて測定手法の試験を行いその有効性を確認した．さらに，パルスレーザーを利用した超流動ヘリウム中でのスピン偏極生成，超微細構造間隔の測定精度検証を目的とした実験を，Inと同周期に属しておりエネルギー準位構造が比較的簡便な質量数A=117, 119のAgで行った．ともに100ppmの精度で超微細構造間隔を決定することに成功している．
また，高エネルギーイオンビームへの当手法の適用へ向けて，加速器実験で使用する装置における蛍光検出感度の評価を目的とし，核子当たり66 MeVに加速された31価のRbイオンビームを実際に用いて行った実験の結果をまとめ論文として発表を行った．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当該年度はInのスピン偏極生成を実証することを目的として研究遂行につとめた．まず初めにInの安定同位体を，レーザーアブレーション法を用いて超流動ヘリウム中に導入し，蛍光検出およびスピン偏極生成実験を行った．Inからの蛍光こそ観測はできたが優位なスピン偏極生成の検出は未だなされていない．スピン偏極の確認は偏極生成時に蛍光強度が弱くなることを利用するが，原子導入法に由来する蛍光強度の変化が想定よりも大きいことが問題となった．これを解決するために，スピン偏極状態がレーザーの偏光が円偏光の時にのみ生成されることを利用した原子数補正法の開発を行った．この測定法は，ms程度の間隔でレーザーの円/直線偏光を切り替えることにより，円偏光でスピン偏極に，直線偏光で観測領域の原子数に依存した蛍光を観測することで原子数補正を行うものである．Rbを用いて実際に測定手法の評価を行いその有効性を示した．また，超微細構造間隔の測定を視野にInと同周期でありエネルギー準位構造が比較的簡単で安定同位体が2つ存在するAgを対象として，超流動ヘリウム環境下での超微細構造間隔測定を行い双方の同位体でもって100ppmの測定精度が現在のシステムで到達可能であることを確認した．
さらに，これらと並行して加速器実験で使用する実験装置の性能評価を31価のRbイオンビームを用いて行った結果をまとめ，秒間200個程度のイオン数が得ることができれば蛍光観測が可能であることを示し論文としてまとめ発表した，

今後の研究の推進方策

これまでスピン偏極生成の検出に関して一番の問題であった，原子導入法に由来する蛍光強度の変化についてほぼ解決することで，検出可能なスピン偏極度の下限値は数%程度と見込まれる．実験条件の最適化を行いつつ，超流動ヘリウム中でのInのスピン偏極生成の確認を今後の第一の目的として研究を推進させていく予定である．統計量などから到達スピン偏極度が1%未満と見込まれる場合は，現在のパルスレーザー1つを利用したスピン偏極生成・確認の方法から，プローブレーザーを導入したポンププローブ法などこれまでとは異なるスピン偏極検出方法の検討を行う．

次年度使用額が生じた理由

当該年度までにInのスピン偏極生成を超流動ヘリウム環境中での確認し超微細構造間隔測定に移行するために必要なマイクロ波関連機器に予算を使用する予定であったが，スピン偏極生成の確認を行うあたり原子数補正が必要であることが判明した．新たな測定手法を試行するために必要となる物品の購入に優先的に予算を使用したため次年度使用額が生じた．
今後は，実験の進捗を鑑みつつ予定していたマイクロ波関連機器の購入などに予算を使用する予定である

研究成果

• [雑誌論文] Absolute optical absorption cross-section measurement of Rb atoms injected into superfluid helium using energetic ion beams (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Imamura, Y. Matsuo, W. Kobayashi, T. Egami, M. Sanjo, A.Takamine, T. Fujita, D. Tominaga, Y. Nakamura, T. Furukawa, T. Wakui, Y. Ichikawa, H. Nishibata, T. Sato, A. Gladkov, L. C. Tao, T. Kawaguchi, Y. Baba, M. Iijima, H. Gonda, Y. Takeuchi, R. Nakazato, H. Odashima, H. Ueno
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 12 ページ: 016502-1 - 5
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1882-0786/aaf0a9
  • 査読あり
• [学会発表] 超流動ヘリウム中Ag原子に対する二重共鳴分光実験 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小林航, 今村慧, 三條真, 藤田朋美, 高峰愛子, 古川武, 上野秀樹, 松尾由賀利
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回年次大会
• [学会発表] 超流動ヘリウム中Rb原子の超微細構造間隔測定のための観測原子数補正システム (2019)
  • 著者名/発表者名: 三條真, 今村慧, 小林航, 竹内由衣花, 高峰愛子, 古川武, 上野秀樹, 松尾由賀利
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回年次大会
• [学会発表] 超流動ヘリウム中In原子の偏極生成に向けたパルスTi:Saレーザーの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 矢田智昭，今村慧，富田英生，V. Sonnenschein，三條真，藤田朋美，小林航，戸塚克，土井一歩，小林徹，高峰愛子，涌井崇志，古川武，上野秀樹，松尾由賀利
  • 学会等名: 2018年度「物質階層原理研究」＆「ヘテロ界面研究」合同春合宿
• [学会発表] 超流動ヘリウム中In原子の偏極生成に向けたパルスTi:Sapphireレーザーの開発及び蛍光観測実験 (2018)
  • 著者名/発表者名: 矢田智昭，今村慧，富田英生，V. Sonnenschein，三條真，藤田朋美，小林航，戸塚克，土井一歩，小林徹，高峰愛子，涌井崇志，古川武，上野秀樹，松尾由賀利
  • 学会等名: 第15回原子・分子・光科学(AMO)討論会