核スピン偏極分子ビームによる表面水素NMR実験

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K21148
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 倉橋 光紀 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 主席研究員 (10354359)
• 研究分担者: 後藤 敦 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, グループリーダー (30354369)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2023-03-31
• キーワード: 水素 / 核スピン / 表面 / 核磁気共鳴

研究実績の概要

NMR信号強度は対象原子核の核スピン偏極度に比例するが、室温、数テスラの実験条件では核スピン偏極度が10-5程度と低く、通常法による１原子層相当試料のNMR分析は困難と考えられている。対象原子の核スピン偏極度を向上させNMR信号を増強させる超偏極NMR法が知られており、本研究では水素原子核をスピン偏極させた分子ビームを表面に照射して分子を吸着させ、吸着分子のプロトンNMR信号を検出する方式での超偏極NMR実験の実現を目指している。計画３年目の2022年度は、核スピン偏極分子ビーム装置に以下の改造を施した。水素原子核由来の微小な磁気モーメントの分子を六極磁子により収束させるのに必要な六極磁子長は分子の運動エネルギーの1/2乗に比例し、メタン分子の場合、1m程度の六極磁子に対し、20meVの低運動エネルギーの超音速ビームが必要である。質量数の大きい希ガスと対象分子の混合ガスを液体窒素で冷却したノズルから断熱膨張させる方式で低エネルギー分子線を生成する計画であったが、ビーム強度が低く、ノズル温度制御が難しい問題があった。そこでノズルを冷凍機により冷却し、重希ガスを用いることなく、低エネルギー超音速ビームを生成する方針に変更し、小型スターリング冷凍機でノズルを温度-100℃程度に冷却できるビーム源を作製し、純メタンガスの核スピン偏極ビームを生成できるようにした。開発したNMR実験専用の冷凍機冷却型ビーム源はNMR計測部に接続し、RFコイル間隙に位置調整した試料表面にビームを照射できる環境を整えた。

研究成果

• [雑誌論文] Spin-dependent metastable He atom scattering from ferromagnetic surfaces: Potential application to polarized-gas production (2023)
  • 著者名/発表者名: Maruyama Haruka、Kurahashi Mitsunori、Asakawa Kanta、Hatakeyama Atsushi
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 107 ページ: 022811-1～8
  • DOI: 10.1103/physreva.107.022811
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin and alignment effects in O2 chemisorption on Fe(110), Ni(111), and Co(0001) films grown on W(110) (2022)
  • 著者名/発表者名: Kurahashi Mitsunori
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 157 ページ: 124703～124703
  • DOI: 10.1063/5.0111934
  • 査読あり
• [雑誌論文] Probing Copper and Copper Gold Alloy Surfaces with Space-Quantized Oxygen Molecular Beam (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsuda Yasutaka、Gueriba Jessiel Siaron、Ueta Hirokazu、Dino Wilson Agerico、Kurahashi Mitsunori、Okada Michio
  • 雑誌名: JACS Au 巻: 2 ページ: 1839～1847
  • DOI: 10.1021/jacsau.2c00156
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Alignment and impact angular dependence to O2 sticking and dissociation on Pt(111) and close-packed steps (2022)
  • 著者名/発表者名: de Willigen Maatje J. E.、Kurahashi Mitsunori、Juurlink Ludo B. F.
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 24 ページ: 18227～18235
  • DOI: 10.1039/d2cp00934j
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 量子状態選別分子ビームによる白金ステップ表面でのO2吸着、CO酸化反応解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 倉橋 光紀
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] 強磁性薄膜表面で散乱された準安定ヘリウム原子のスピン偏極計測:固体表面を用いたスピン偏極ガス生成に向けて (2023)
  • 著者名/発表者名: 丸山遙香, 倉橋 光紀, 浅川寛太, 畠山温.
  • 学会等名: 第３回 新方式精密計測による物理・工学的変革を目指す回路技術調査専門委員会
  • 招待講演
• [学会発表] Application of hyperthermal spin and alignment-controlled O2 beam to surface reaction analysis. (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitsunori Kurahashi
  • 学会等名: The 11th International Conference on Reactive Plasmas / 2022 Gaseous Electronics Conference (ICRP-11 / GEC 2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Scattering of spin polarized metastable helium atoms on ferromagnetic surfaces. (2022)
  • 著者名/発表者名: 丸山遙香, 倉橋 光紀, 浅川寛太, 畠山温
  • 学会等名: The 15th Asia-Pacific Physics Conference (APPC15)
  • 国際学会
• [備考]
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/kurahashi_mitsunori