ミュオニウム欠陥の電子軌道状態解明に向けた電子スピン共鳴ミュエスアール法の開拓

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K12484
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 伊藤 孝 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (10455280)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: ミュオニウム欠陥 / 水素関連欠陥 / ミュエスアール / 電子スピン共鳴

研究実績の概要

物質中にμ+粒子を打ち込むことで生成されるミュオニウム（Mu）欠陥は、孤立した水素欠陥の電子状態を高い精度で模擬する。このMu欠陥の電子状態はミュエスアール法により解析可能である。しかし、超微細結合が弱い常磁性Mu欠陥については、この標準的手法により得られる情報だけでは電子軌道状態の特定が困難な場合が多く存在する。本研究は、Mu欠陥の軌道状態を反映する電子のg値を直接求める手段として「電子スピン共鳴ミュエスアール法」を提案し、実証実験を通してMu欠陥研究における新たな標準手法としての確立を目指すものである。研究計画は(1)高周波ミュエスアールプローブの開発、(2)ミュオンビームを用いた実証実験とチタン酸化物中の常磁性Mu欠陥の研究への応用、という2段階から成る。(1)高周波ミュエスアールプローブの製作は初年度に完了し、使用を想定する帯域において良好な周波数特性が得られていることをS11反射係数の測定により確認した。令和3年度は、この高周波ミュエスアールプローブを用いて、(2)ルチルTiO2中の常磁性Mu欠陥に対する電子スピン共鳴ミュエスアール実験をJ-PARC物質・生命科学実験施設S1エリアにおいて実施した。共鳴周波数を60.0 MHzに設定し磁場掃引モードで実験を行ったところ、2.18 mT付近において明確な共鳴信号を観測し、gテンソルのc軸に垂直な成分が孤立電子に対する値から僅かではあるが確実に減少していることを明らかにした。最終年度はデータ解析をさらに進め、横磁場条件だけでなく縦磁場条件においても電子スピン共鳴が検出され得ることを新たに明らかにした。これにより、gテンソルのc軸に垂直な成分と平行な成分の両方が得られたことになり、異方性の観点からもMu欠陥とH欠陥の比較が可能になった。

研究成果

• [雑誌論文] SrTiO3 中の格子間水素に束縛されたTi3＋スモールポーラロンの安定性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 孝
  • 雑誌名: JAEA-Review 巻: 2022-035 ページ: 112～114
  • DOI: 10.11484/jaea-review-2022-035
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Local electronic structure of interstitial hydrogen in MgH2 inferred from muon study (2023)
  • 著者名/発表者名: Kadono Ryosuke、Hiraishi Masatoshi、Okabe Hirotaka、Koda Akihiro、Ito Takashi U.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 35 ページ: 285503-1～13
  • DOI: 10.1088/1361-648x/acccc7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen-Ti3+ Complex as a Possible Origin of Localized Electron Behavior in Hydrogen-Irradiated SrTiO3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Ito Takashi U.
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 20 ページ: 128～134
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2022-021
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 水素照射により金属化されたSrTiO3において観測される局在電子の起源について (2022)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 孝
  • 雑誌名: 日本中間子科学会誌「めそん」 巻: 56 ページ: 21～26
• [雑誌論文] Direct measurement of the evolution of magnetism and superconductivity toward the quantum critical point (2022)
  • 著者名/発表者名: Higemoto Wataru、Yokoyama Makoto、Ito Takashi U.、Suzuki Taiga、Raymond Stephane、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 ページ: e2209549119-1～6
  • DOI: 10.1073/pnas.2209549119
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Two-step Mott Transition in Ni(S,Se)2: μSR studies and charge-spin percolation model (2022)
  • 著者名/発表者名: Sheng Q.、Kaneko T.、Yamakawa K.、Guguchia Z.、Gong Z.、Zhao G.、Dai G.、Jin C.、Guo S.、Fu L.、Gu Y.、Ning F.、Cai Y.、Kojima K. M.、Beare J.、Luke G. M.、Miyasaka S.、Matsuura M.、Shamoto S.、Ito T.、Higemoto W.、Gauzzi A.、Klein Y.、Uemura Y. J.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: 033172-1～14
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033172
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum critical spin-liquid behavior in S = 1/2 quasi-Kagome lattice CeRh1-xPdxSn investigated using Muon Spin Relaxation and Neutron Scattering (2022)
  • 著者名/発表者名: Tripathi Rajesh、Adroja D. T.、Ritter C.、Sharma Shivani、Yang Chongli、Hillier A. D.、Koza M. M.、Demmel F.、Sundaresan A.、Langridge S.、Higemoto Wataru、Ito Takashi U.、Strydom A. M.、Stenning G. B. G.、Bhattacharyya A.、Keen David、Walker H. C.、Perry R. S.、Pratt Francis、Si Qimiao、Takabatake T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 064436-1～17
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.064436
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ペロブスカイト型酸化物中のミュオン拡散におけるゼロ点振動の影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 孝, 髭本 亘, 幸田 章宏, 下村 浩一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [図書] Hydrogenomics: The Science of Fully Utilizing Hydrogen (2023)
  • 著者名/発表者名: Orimo Shin-ichi, Fukutani Katsuyuki, Fujita Ken-ichi (Editors)
  • 総ページ数: 304
  • 出版者: Kyoritsu Shuppan Co., Ltd.
  • ISBN: 9784320952072