金属強磁性スピン相関の中性子散乱分光研究及び高輝度中性子モノクロメータの実用化

2011 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22340089
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 平賀 晴弘 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (90323097)
• 研究分担者: 遠藤 康夫 東北大学, 金属材料研究所, 名誉教授 (00013483)
• キーワード: 金属磁性 / 中性子散乱 / モノクロメータ結晶

研究概要

(i) 非偏極中性子非弾性散乱による金属（反）強磁性体の低～高エネルギー磁気励起の解明
東日本大震災の影響で、国内では中性子非弾性散乱実験を遂行できなかった。そこで、海外（米国のSNS施設）にてパルス中性子非弾性散乱実験を行い、金属反強磁性体(Mn,Fe)3Siの高エネルギー磁気励起を詳細に調査した。結果、結晶格子の周期性とは異なる、磁気相関の空間周期性を見出すに至った。
(ii) モザイク導入型湾曲結晶アナライザー：素子の製作と集光機構の設計
前年度に製作した「半導体結晶高温高圧加工システム」を用い、Ge半導体結晶の塑性変形を継続した。JRR-3の単色（定常）中性子、及び、北大の白色（パルス）中性子を併用し、中性子回折による結晶性評価を進めた。結果、設計通りの湾曲度と空間集光が実現していることを確認した。また、前年度までに中性子回折で行っていた塑性変形Si半導体結晶の性能評価を論文として発表した。
(iii) 単結晶試料の追加合成
Fe濃度依存性を調べるため、x = 0, 0.6, 1.0（反強磁性体）とx = 1.5（強磁性体）の大型単結晶合成に着手した。ブリッジマン法で合成した結果、結晶サイズ直径10 mm×長さ40 mm、バルク結晶性はモザイク幅で１°以下、仕込み組成からの組成ずれが５％以内の単結晶合成に成功した。次年度に行う中性子非弾性散乱実験には、十分な質と量である。

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

(i) 国内では中性子散乱実験を行えないが、海外施設の一般実験課題として採択され、マシンタイムを獲得することができた。これまでにない広いエネルギー・波数空間領域でスピン相関を観測することにより、新しい磁気励起の仕組みを考えるヒントを得ることができた。
(ii) 中性子モノクロメータ・アナライザーの製作については、素子となる結晶のホットプレス加工を順次進めてきた。結晶性の評価が遅れ気味だが、海外（韓国）の研究用原子炉にて実際に中性子ビームを使う道筋を作ることができた。
(iii) 中性子非弾性散乱用の大型単結晶育成については、その育成条件の最適化を終えているため、計画通り順調に結晶を合成できている。

今後の研究の推進方策

これまでに、中性子非弾性散乱用の大型単結晶合成をほぼ終え、中性子モノクロメータ結晶の合成・評価にもある程度道筋を作ることができた。今後は、本命である中性子非弾性散乱実験に重点を移す。
具体的には、二つの実験内容で進める。一つは、これまで通りの非偏極パルス中性子非弾性散乱。もう一つは、原子炉施設で定常中性子による偏極非弾性散乱。前者では、Fe濃度を変えた試料を測定することで、反強磁性から強磁性へ移り変わる際のスピンダイナミクスの変化を追う。後者では、我々が見出した高エネルギー域の中性子非弾性散乱が磁気的な起源であること、及び、低エネルギー域でフォノンの寄与がどれだけ混入しているかを定量的に決定する。これにより、新しい磁気励起の仕組みを論文等で発表する。
なお、国内の研究用原子炉JRR-3の再開の目処が立っていないため、偏極非弾性散乱実験については、フランスの研究用原子炉ILLにおいて実験を行う。マシンタイムは確保済みであり問題はない。

研究成果

• [雑誌論文] Progress in Neutron Scattering Studies of Spin Excitations in High-Tc Cuprtates (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Fujita, H. Hiraka, M. Matsuda, M. Matsuura, J. M. Tranquada, S. Wakimoto, Guangyong Xu, K. Yamada
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 81 ページ: 1-19
  • DOI: 10.1143/JPSJ.81.011007
  • 査読あり
• [雑誌論文] A New Growth Mechanism of Polar Nanoregions by Phonon-Relaxation Mode-Coupling in a Relaxor Ferroelectric (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Matsuura, H. Hiraka, K. Yamada, K. Hirota
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 80
  • DOI: 10.1143/JPSJ.80.104601
  • 査読あり
• [雑誌論文] External cavity design of high-power diode laser for polarized helium-3 neutron spin filters based on spin-exchange optical pumping (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Arimoto, T. Ino, H.M. Shimizu, T. Kamiyama, H. Kira, T. Oku, Y. Sakaguchi, K. Kakurai, K. Sakai, J. Suzuki, S. Koizumi, M. Arai, Y. Endoh, M. Nakamura, T. Shinohara, M. Takeda, S. Wakimoto, D. Yamazaki, K. Ohoymama, H. Hiraka, K. Yamada, K. Tsutsumi, L.-J. Chang
  • 雑誌名: Physica 巻: B 406 ページ: 2439-2442
  • DOI: 10.1016/j.physb.2010.11.089
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development and test of SEOP neutron spin filter in Japan (2011)
  • 著者名/発表者名: H. Kira, Y. Sakaguchi, T. Oku, J. Suzuki, M. Nakamura, M. Arai, K. Kakurai, Y. Endoh, Y. Arimoto, T. Ino, H.M. Shimizu, T. Kamiyama, K. Tsutsumi, K. Ohoyama, H. Hiraka, K. Yamada, L.-J. Chang
  • 雑誌名: Physica 巻: B 406 ページ: 2433-2435
  • DOI: 10.1016/j.physb.2010.12.019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of glasses for 3He neutron spin filter cells (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakaguchi 他23名
  • 雑誌名: Inst. Meth. Phys. Res. A 巻: 634 ページ: S122-125
  • DOI: 10.1016/j.nima.2010.06.358
  • 査読あり
• [雑誌論文] Application of Hot-Pressed Ge-Crystal Monochromators for Reactor-Based Neutron Beam Experiments (2011)
  • 著者名/発表者名: H. Hiraka, Y. Miyake, S.-C. Che, N. Murakami, M. Ohkawara, K. Nemoto, K. Horigane, K. Ohoyama, Y. Yamaguchi, K. Yamada
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. suppl. 巻: 80 ページ: SB012 1-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Fermi Chopper Spectrometer 4SEASONS at J-PARC (2011)
  • 著者名/発表者名: Ryoichi Kajimoto 他22名
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. suppl. 巻: 80 ページ: SB025 1-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Research on glass cells for 3He neutron spin filters (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakaguchi 他25名
  • 雑誌名: Physica B 巻: 406 ページ: 2443-2447
  • DOI: 10.1016/j.physb.2010.12.020
  • 査読あり
• [雑誌論文] 中性子科学における学生教育 (2011)
  • 著者名/発表者名: 平賀晴弘，岩佐和晃，大山研司
  • 雑誌名: 日本中性子科学会誌「波紋」 巻: 21 ページ: 37-41
  • 査読あり
• [学会発表] 反強磁性体金属 (Mn,Fe)3Si における磁気励起 (2012)
  • 著者名/発表者名: (平賀晴弘)，崔純彰, 奈良壮, 三木寛之, 堀金和正, 大山研司，山口泰男, 山田和芳
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院
  • 年月日: 20120327-20120327
• [学会発表] 反強磁性金属(Mn,Fe)3Siにおける単結晶作製とその試料評価 (2012)
  • 著者名/発表者名: 奈良壮、崔純彰、(平賀晴弘)、大山研司、山口泰男、堀金和正、山田和芳
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院
  • 年月日: 20120324-20120324
• [学会発表] Dynamical switch of two types of magnetic fluctuations in antiferromagnetic metal (Mn,Fe)3Si (2012)
  • 著者名/発表者名: (H. Hiraka)
  • 学会等名: The 2nd ASRC International Workshop on Magnetic Materials and Nanostructures
  • 発表場所: Tokai, Ibaraki
  • 年月日: 20120110-20120113
• [学会発表] Neutron Monochromator Development at IMR Tohoku University (2011)
  • 著者名/発表者名: (H. Hiraka), S. Tozawa, T. Shishido, Y. Yamaguchi, Y. Miyake, N. Murakami, M. Matsuura, K. Yubuta, K. Ohoyama, K. Morishita, K. Nakajima, and K. Yamada
  • 学会等名: 1st Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering
  • 発表場所: Tsukuba, Ibaraki
  • 年月日: 20111122-20111122
• [学会発表] Anomalous spin susceptibility in antiferromagnetic metal (Mn,Fe)3Si (2011)
  • 著者名/発表者名: S.-C. Che, (H. Hiraka), K. Horigane, S. Nara, K. Ohoyama, H. Miki, Y. Yamaguchi, and K. Yamada
  • 学会等名: 1st Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering
  • 発表場所: Tsukuba, Ibaraki
  • 年月日: 20111121-20111121
• [学会発表] Complementary use of neutron and X-ray for study on Mott physics (2011)
  • 著者名/発表者名: (H. Hiraka)
  • 学会等名: 1st Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering
  • 発表場所: Tsukuba, Ibaraki
  • 年月日: 20111120-20111124
  • 招待講演
• [学会発表] 反強磁性金属(Mn,Fe)3Siにおける磁気励起 (2011)
  • 著者名/発表者名: 崔純彰、(平賀晴弘)、堀金和正、三木寛之、大山研司、山口泰男、山田和芳
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大
  • 年月日: 20110922-20110922
• [学会発表] 塑性変形したGe半導体結晶ウェーハの中性子反射率II (2011)
  • 著者名/発表者名: 平賀晴弘, 山田和芳, 大久保一馬, 古坂道弘, 鬼柳善明, 森下浩平, 中嶋一雄
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大
  • 年月日: 20110900