高エネルギー中性子を用いたスピンギャップの研究

2011 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21540348
• 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: 横尾 哲也 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, 研究機関講師 (10391707)
• 研究分担者: 伊藤 晋一 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 (00221771)
• キーワード: 低次元磁性 / 量子スピン / スピンギャップ / 量子ビーム / スピンパイエルス / 中性子散乱 / 物性実験

研究概要

本課題は量子効果を示す低次元スピン系の中で、特にスピンパイエルス転移を示す系における磁気励起を明らかにすることを目的としている。対象とする系はTiOBrである。本系はTiのt2g軌道の整列を通して磁気的な一次元性が生じ、その結果スピンパイエルス転移を示すと期待されている。しかしこれまでにスピンギャップの直接観測は未だなされていない。本研究で高エネルギーパルス中性子を用いた動的相関の測定を行うことにより、スピンギャップならびにブリルアンゾーン全域に亘る広い運動量エネルギー空間でスピン揺動を捉える。
候補物質のひとつであるTiOBrは大型単結晶を得ることが困難であり、多結晶試料における非弾性散乱測定を行った。以前ロスアラモス研究所で行った測定では、磁気ピークと考えられるシグナルは反強磁性のゾーン中心、エネルギーが10meV程度の領域で観測された。しかしその後、その領域が含まれる運動量空間での測定を再度行ったところ、明確なシグナルが観測されない。我々は最終年度にJ-PARCに完成した高分解能チョッパー分光器(HRC)を用いて更なる測定を行ったところ、E=6meV程度の低エネルギー領域に明瞭な新しいシグナルを観測した。この領域はこれまで測定分解能が十分でないため観測できなかった領域である。現在解析を進めているところではあるが、当初20meV(ロスアラモスの測定では10meV)に期待されたギャップエネルギーや交換相互作用は大きく見積もりすぎており、磁気分散のバンド幅が6meV程度を有する励起であることが明らかになった。さらに分解能を高めた実験を予定しており、そのギャップ構造の詳細を探る。

研究成果

• [雑誌論文] Magnetic Excitations in Possible Spin-Peierls System TiOBr (2012)
  • 著者名/発表者名: T.Yokoo, S.Itoh, F.Trouw, A.Llobet-Megias, J.Akimitsu
  • 雑誌名: J.Phys.Conf.Series 巻: (to be published)
  • 査読あり
• [雑誌論文] High Resolution Chopper Spectrometer (HRC) at J-PARC (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Itoh, T.Yokoo. S.Satoh, S.Yano, D.Kawana, J.Suzuki, T.J.Sato
  • 雑誌名: Nucl.Instr.and Meth.A 巻: 631 ページ: 90-97
  • DOI: 10.1016/j.nima.2010.11.107
  • 査読あり
• [雑誌論文] Examination of Gas Desorption by B_4C Resin for Use in Neutron Scattering Experiment (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yokoo, N.Kaneko S.Itoh, T.Otomo, K.Suzuya, Y.Suetsugu, M.Shirai
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 82 ページ: 095109
  • DOI: 10.1063/1.3635538
  • 査読あり
• [雑誌論文] Irradiation Properties of Components of T0 Chopper (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Itoh, K.Ueno, R.Ohkubo, H.Sagehashi, Y.Funahashi, T.Yokoo
  • 雑誌名: Nucl.Instr.and Meth.A 巻: 654 ページ: 527-531
  • DOI: 10.1016/j.nima.2011.07.028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Data Acquisition System for High Resolution Chopper Spectrometer (HRC) at J-PARC (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Yano, S.Itoh, S.Setsuo, T.Yokoo, D.Kawana, T.J.Sato
  • 雑誌名: Nucl.Instr.and Meth.A 巻: 654 ページ: 421-426
  • DOI: 10.1016/j.nima.2011.06.042
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Fermi Chopper Spectrometer 4SEASONS at J-PARC (2011)
  • 著者名/発表者名: R.Kajimoto, M.Nakamura, Y.Inamura, F.Mizuno, K.Nakajima, S.Ohira-Kawamura, T.Yokoo, T.Nakatani, R.Maruyama, K.Soyama, K.Shibata, K.Suzuya, S.Sato, K.Aizawa, M.Arai, S.Wakimoto, M.Ishikado, S.Shamoto, M Fujita, H.Hiraka, K.Ohoyama, K.Yamada, C.Lee
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 巻: 80 ページ: SB025(1)-(6)
  • DOI: 10.1143/JPSJS.80SB.SB025
  • 査読あり
• [学会発表] Singlet-Triplet Excitation of Possible Spin-Peierls TiOBr (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yokoo
  • 学会等名: 1st.Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering
  • 発表場所: Tsukuba(茨城県)
  • 年月日: 20111120-20111124
• [学会発表] Magnetic Dynamical Structures of Possible Spin-Peierls System TiOBr (2011)
  • 学会等名: XXII Congress and General Assembly IUCr2011
  • 発表場所: Madrid, Spain
  • 年月日: 20110822-30
• [学会発表] Magnetic Excitation of Possible Spin-Peierls System TiOBr (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yokoo
  • 学会等名: 26^<th> International Conference on Low Temperature Physics
  • 発表場所: Beijing, China(invited)
  • 年月日: 20110810-20110817
• [学会発表] HRCにおける多結晶試料TiOBrの測定 (2011)
  • 著者名/発表者名: 横尾哲也
  • 学会等名: 第28回PFシンポジウム
  • 発表場所: つくば国際会議場エポカル(茨城県)
  • 年月日: 20110712-20110713
• [学会発表] TiOBrにおける磁気励起 (2011)
  • 著者名/発表者名: 横尾哲也
  • 学会等名: 日本物理学会年次火会
  • 発表場所: 新潟大学(新潟)
  • 年月日: 20110325-20110328
• [学会発表] Magnetic Excitation of Possible Spin-Peierls System TiOBr (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yokoo
  • 学会等名: The 11^<th> JAPAN-KOREA Meeting on Neutron Science
  • 発表場所: Soul(韓国)
  • 年月日: 20110120-20110121
• [学会発表] HRCにおける多結晶試料TiOBrの測定 (2011)
  • 著者名/発表者名: 横尾哲也
  • 学会等名: 第二回MLFシンポジウム
  • 発表場所: つくば(茨城県)
  • 年月日: 20110117-20110118