強磁場領域での中性子回折・NMR・熱伝導測定手法の開発と磁場誘起量子相の開拓

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H00104
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小濱 芳允 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90447524)
• 研究分担者: 中島 多朗 東京大学, 物性研究所, 准教授 (30579785) ; 井原 慶彦 北海道大学, 理学研究院, 講師 (80598491)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• キーワード: 新奇量子相 / 準粒子励起 / 中性子回折 / 核磁気共鳴 / 熱伝導 / 強磁場

研究実績の概要

本研究の最終的な目標は，『強磁場領域における新奇量子相の発見とその機能性の解明』である．2022年度末までの成果として，１．世界初のパルス磁場下でのラウエ中性子回折に成功，２．パルス磁場下でのスピン・格子緩和時間およびスピン・スピン緩和時間測定の両方に成功，３．パルス磁場下で初めてとなる熱伝導測定に成功した．2024年度当初の研究目標は，開発した技術をさらに発展させ，これと並行して主に局在スピン系における研究成果を取得することであり，それを受けて2023年度は以下の開発および研究を進めてきた．
１．の中性子回折については１５Ｔまで拡張された磁場範囲を活用し，局在スピン系のCuFe1－xGaxO2においてラウエ中性子回折実験を進めた．その結果として掲載年は2024年度となるものの，Phys. Rev. Research誌に本成果を発表した．また目標未達成の実験ではあるが，異なる局在スピン系サンプルにおいて，パルス磁場下中性子回折実験を試みた．
２の核磁気共鳴については，興味あるサンプルについてパルス磁場下核磁気共鳴測定を進めた．この成果については，執筆準備段階まで研究を進めることができた．また核磁気共鳴測定用ロングパルス磁場の開発を進めた．
３の熱伝導測定については，世界初となるパルス磁場下の熱伝導測定を論文にまとめRev. Sci. Instrum.誌に発表した．実験に必要なパルス磁場発生装置の刷新も行い，より強磁場に到達できる安定化超ロングパルス磁場環境を整備した．
以上のように計画２年目の目標であった，中性子回折，核磁気共鳴，熱伝導測定の開発は問題なく進み，局在スピン系サンプルにおいて実験結果を取得するなど，並行して幾つかの研究を進めた．特に装置開発の成果は，小濱・中島・井原が参加する研究会も主催した．2024年度に向けて，装置開発およびその応用研究を進行できている．

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

2023年度は，技術開発と並行して局在スピン系の研究を進めることが研究課題であった．
中性子回折実験は技術開発の成果として，パルス磁場下における磁気ラウエパターンの測定について論文発表した(掲載年は2024年度)．さらに開発していた15Tまでの実験環境を拡張すべく中性子回折用の磁場発生装置を改良した．磁場発生における安全性の調査を進める必要はあるが，これにより既に20T以上の磁場発生に成功した．このような技術開発に並行して，局在スピン系の研究も進め，新奇サンプルにおける中性子回折実験もトライした．
パルス磁場下核磁気共鳴実験については，１秒程度の長時間パルス(ロングパルス)を使った核スピンの緩和現象の測定を試み，シグナル検出にも成功した．しかし通常のロングパルスでは，繰り返し磁場が発生できないため，シグナルの高精度化が困難であることが認識できた．この改善を目指し，新しいロングパルス磁石とクライオスタット組み立て始めた．このような技術開発を進めつつも，Pb(TiO)Cu4(PO4)4などの局在スピン系について実験を成功させ，論文執筆段階まで進むことができた．
パルス磁場下での熱伝導測定では，パルス磁場下で世界初となる熱伝導測定について論文発表した．これについては別に解説記事も執筆した．さらに次年度以降の測定環境の整備を目指し，４０テスラ以上発生できる新型電源の調整を行った．特に磁場強度を高度に安定化したロングパルス磁場発生に成功した．これらの新しいパルス磁場発生技術を用いた量子スピン系サンプルにおける熱伝導測定は現在進行中である．
このように2023年度はパルス磁場下中性子回折・核磁気共鳴・熱伝導測定の3つにおいて技術開発で大きな進展があり，さらに幾つかの局在スピン系の成果を取得している．このため2023年度の本課題は『おおむね順調に進展している』と評価した．

今後の研究の推進方策

2024年度におけるパルス磁場下中性子実験では，20T以上まで拡張した実験環境をJ-PARCにインストールすることを目標とする．この達成を目指し，まずは磁場発生の安全性に関わる実験を推し進める．その後，安全性を高めた20~25TシステムをJ-PARCに輸送し，そこで局在スピン系および遍歴電子系の中性子回折実験を進める．
パルス磁場下核磁気共鳴測定は，ロングパルス磁場での実験を進める予定であった．しかしロングパルス磁場では，実験データ積算に有利な高繰り返し磁場が発生できないことが判っている．この技術的なボトルネックを解決すべく，2023年度から引き続き2024年度も幾つかのデザインで新型クライオスタットや新型パルス磁石の建造し，それをテストする．このような技術開発と同時に主に量子スピン系で物性実験を進め，論文発表に値するデータを取得することを2024年度における研究目標とする．
パルス磁場下での熱伝導測定は，パルス磁場発生の為の電源刷新に伴い2023年度の実験が飛躍的に進まなかった．しかし新型電源を使った安定化パルス磁場の発生をテストし，これに無事成功した．これはより超強磁場における熱伝導測定が可能な実験環境を整備できたことを意味するため，2024年度は局在スピン系のみならずYbB12などの遍歴電子を有するサンプルについて実験を進める．これにより，強磁場熱伝導データを用いた研究成果の取得を，2024年度の目標とする．
また代表の小濱，分担の中島と井原の間での共同研究を加速し，さらに多くの関連する研究者への情報発信を狙い，2023年度にならって本研究成果を発表する研究会の主催を2024年度も予定している．

備考

（３）のロングパルス磁場勉強会は本プロジェクトで得られた技術開発について情報発信した研究会である．小濱・中島・井原の３人のいずれも口頭発表した．

研究成果

• [国際共同研究] Institut Neel/Univ.Grenoble Alpes/CNRS, College de France(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Institut Neel/Univ.Grenoble Alpes/CNRS, College de France
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD-EMFL)/TU Dortmund University(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD-EMFL)/TU Dortmund University
• [国際共同研究] Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
• [国際共同研究] Cornell University/Los Alamos national Laboratory(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Cornell University/Los Alamos national Laboratory
• [国際共同研究] Centre of Low Temperature Physics(スロバキア)
  • 国名: スロバキア
  • 外国機関名: Centre of Low Temperature Physics
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 2
• [雑誌論文] 強磁場下の物性研究における＋αの研究技術 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小濱 芳允
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 92 ページ: 556～559
  • DOI: 10.11470/oubutsu.92.9_556
  • 査読あり
• [雑誌論文] フラットトップ磁場を用いたパルス磁場中NMR 測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井原慶彦、小濱芳允
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 58 ページ: 89~98
  • 査読あり
• [雑誌論文] パルス強磁場での熱測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小濱芳允、野本哲也
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 58 ページ: 556~559
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rhombic skyrmion lattice coupled with orthorhombic structural distortion in EuAl4 (2023)
  • 著者名/発表者名: Masaki Gen, Rina Takagi, Yoshito Watanabe, Shunsuke Kitou, Hajime Sagayama, Naofumi Matsuyama, Yoshimitsu Kohama, Akihiko Ikeda, Yoshichika Onuki, Takashi Kurumaji, Taka-hisa Arima, and Shinichiro Seki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: L020410-1~8
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.l020410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum oscillations in the centrosymmetric skyrmion-hosting magnet GdRu2Si2 (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Matsuyama, T. Nomura, S. Imajo, T. Nomoto, R. Arita, K. Sudo, M. Kimata, N. D. Khanh, R. Takagi, Y. Tokura, S. Seki, K. Kindo, and Y. Kohama
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 104421-1~10
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.104421
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonreciprocal Phonon Propagation in a Metallic Chiral Magnet (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Nomura, X.-X. Zhang, R. Takagi, K. Karube, A. Kikkawa, Y. Taguchi, Y. Tokura, S. Zherlitsyn, Y. Kohama, and S. Seki
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130 ページ: 176301-1~6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.176301
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Correlation-driven organic 3D topological insulator with relativistic fermions (2023)
  • 著者名/発表者名: Nomoto Tetsuya, Imajo Shusaku, Akutsu Hiroki, Nakazawa Yasuhiro, Kohama Yoshimitsu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 2130-1~7
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37293-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simultaneous measurement of specific heat and thermal conductivity in pulsed magnetic fields (2023)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Nomoto,Chengchao Zhong,Hiroshi Kageyama,Yoko Suzuki,Marcelo Jaime,Yoshiaki Hashimoto,Shingo Katsumoto,Naofumi Matsuyama,Chao Dong,Akira Matsuo,Koichi Kindo,Koichi, Izawa,Yoshimitsu Kohama
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 94 ページ: 54901-1~9
  • DOI: 10.1063/5.0143875
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unveiling new quantum phases in the Shastry-Sutherland compound SrCu2(BO3)2 up to the saturation magnetic field (2023)
  • 著者名/発表者名: Nomura T., Corboz P., Miyata A., Zherlitsyn S., Ishii Y., Kohama Y., Matsuda Y. H., Ikeda A., Zhong C., Kageyama H., Mila F.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 3769-1~7
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39502-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-field phase diagram of the chiral-lattice antiferromagnet Sr(TiO)Cu4(PO4)4 (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshihiro Nomura, Yasuyuki Kato, Yukitoshi Motome, Atsushi Miyake, Masashi Tokunaga, Yoshimitsu Kohama, Sergei Zherlitsyn, Joachim Wosnitza, Shojiro Kimura, Tsukasa Katsuyoshi, Tsuyoshi Kimura, and Kenta Kimura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 054434-1~11
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.054434
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Signatures of a magnetic superstructure phase induced by ultrahigh magnetic fields in a breathing pyrochlore antiferromagnet (2023)
  • 著者名/発表者名: Gen Masaki, Ikeda Akihiko, Aoyama Kazushi, Jeschke Harald O., Ishii Yuto, Ishikawa Hajime, Yajima Takeshi, Okamoto Yoshihiko, Zhou Xuguang, Nakamura Daisuke, Takeyama Shojiro, Kindo Koichi, Matsuda Yasuhiro H., Kohama Yoshimitsu
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 120 ページ: e2302756120-1~7
  • DOI: 10.1073/pnas.2302756120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Random singlets in the s=5/2 coupled frustrated cubic lattice Lu3Sb3Mn2O14 (2023)
  • 著者名/発表者名: Chanhyeon Lee,Suheon Lee,Heung-Sik Kim,Shunichiro Kittaka,Yoshimitsu Kohama,Toshiro Sakakibara,Ki Hoon Lee,J. van Tol,Denis I. Gorbunov,Seung-Hwan Do,Sungwon Yoon,Adam Berlie,Kwang-Yong Choi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 214404-1~8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.214404
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Liquid helium-cooled high-purity copper coil for generation of long pulsed magnetic fields (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshimitsu Kohama,Yoshihiko Ihara,Zhuo Yang,Kazuki Matsui,Koichi Kindo
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 94 ページ: 74701-1~8
  • DOI: 10.1063/5.0147438
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unveiling phase diagram of the lightly doped high-Tc cuprate superconductors with disorder removed (2023)
  • 著者名/発表者名: Kifu Kurokawa,Shunsuke Isono,Yoshimitsu Kohama,So Kunisada,Shiro Sakai,Ryotaro Sekine,Makoto Okubo,Matthew D. Watson,Timur K. Kim,Cephise Cacho,Shik Shin,Takami Tohyama,Kazuyasu Tokiwa,Takeshi Kondo
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 4064-1~9
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39457-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Radio frequency electrical resistance measurement under destructive pulsed magnetic fields (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Shitaokoshi,S. Kawachi,T. Nomura,F. F. Balakirev,Y. Kohama
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 94 ページ: 94706-1~7
  • DOI: 10.1063/5.0165680
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Distinctive doping dependence of upper critical field in iron-based superconductor LaFeAsO1-xHx (2023)
  • 著者名/発表者名: Shiro Kawachi,Jun-ichi Yamaura,Yoshio Kuramoto,Soshi Iimura,Toshihiro Nomura,Yoshimitsu Kohama,Takashi Sasaki,Masashi Tokunaga,Youichi Murakami,Hideo Hosono
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: L100503-1~5
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.l100503
  • 査読あり
• [雑誌論文] Band structure, g -factor, and spin relaxation in n -type InAsP alloys (2023)
  • 著者名/発表者名: Sunil K. Thapa,Rathsara R. H. H. Mudiyanselage,Thalya Paleologu,Sukgeun Choi,Zhuo Yang,Y. Kohama,Y. H. Matsuda,Joseph Spencer,Brenden A. Magill,Chris J. Palmstrom,Christopher J. Stanton,Giti A. Khodaparast
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 115202-1~12
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.115202
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unveiling the double-peak structure of quantum oscillations in the specific heat (2023)
  • 著者名/発表者名: Yang Zhuo, Fauque Benoit, Nomura Toshihiro, Shitaokoshi Takashi, Kim Sunghoon, Chowdhury Debanjan, Pribulova Zuzana, Kacmarcik Jozef, Pourret Alexandre, Knebel Georg, Aoki Dai, Klein Thierry, Maude Duncan K., Marcenat Christophe, Kohama Yoshimitsu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 7006-1~8
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42730-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of In-field Critical Currents in REBCO Tapes over Wide Temperature Range by Pulsed Current Source with Supercapacitor (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Tsuchiya,K. Mizuno,Y. Kohama,A. Zampa,T. Okada,S. Awaji
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 34 ページ: 9500207-1~7
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3343670
  • 査読あり
• [雑誌論文] Critical Current Measurements of HTS Tapes Using Pulsed Current in High Fields at Low Temperatures (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Tsuchiya,I. Sakai,K. Mizuno,Y. Kohama,Y. Yoshida,S. Awaji
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 33 ページ: 8001105-1~5
  • DOI: 10.1109/TASC.2023.3261265
  • 査読あり
• [学会発表] 新規実験手法によるパルス強磁場下での時間分解測定 (2024)
  • 著者名/発表者名: 小濱芳允
  • 学会等名: 応用物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] Design of next-generation high magnetic field generators for pulsed-field neutron Laue diffractometry (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshimitsu Kohama
  • 学会等名: Condensed Matter Seminar, Technische Universitat Braunschweig
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Design and development of next-generation high magnetic field generators for pulsed-field neutron Laue diffractometry (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshimitsu Kohama
  • 学会等名: CNRS, Quantum Material Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of a Discrete Fermionic Excitation with Low-Temperature Specific Heat (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshimitsu Kohama
  • 学会等名: ICCT-2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] パルス強磁場の発生手法とその特徴 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小濱芳允、松田康弘、金道浩一
  • 学会等名: 強磁場科学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Stroboscopic Neutron Scattering Under Pulsed Excitation: Applications to Magnetic Skyrmions and Frustrated Magnets (2023)
  • 著者名/発表者名: Taro Nakajima
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Neutron scattering
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] NMR spectrum measurement in pulsed field to probe the field-induced magnetic structure in Pb(TiO)Cu4(PO4)4 (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiko IHARA
  • 学会等名: HZDR seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 強磁場による均質な磁気異方性制御がもたらす磁場誘起磁気転移 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井原慶彦, 日吉竜冴、Ramender Sharma Kumar、平田倫啓、佐々木孝彦、荒木勇介、徳永祐介、有馬孝尚
  • 学会等名: 強磁場科学研究会「強磁場研究における次世代ネットワーク形成とサイエンスの新展開」
• [学会発表] パルス磁場NMR測定による正四角台塔型反強磁性体の磁場誘起磁気構造変化の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井原慶彦
  • 学会等名: 材料科学国際共同利用・共同研究拠点ワークショップ「強磁場NMR研究会：20T超定常強磁場を用いたNMRによる物性研究」
• [備考] 物性研究所・小濱研HP
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/kohama_group.html
• [備考] 小濱研HP
  • URL: https://ykohama.issp.u-tokyo.ac.jp/publication.html
• [備考] ロングパルス磁場勉強会HP
  • URL: https://ykohama.issp.u-tokyo.ac.jp/scmeeting/
• [備考] プレスリリース記事１
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=20493
• [備考] プレスリリース記事２
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=18375
• [産業財産権] ロングパルス磁場発生装置 (2023)
  • 発明者名: 小濱芳允、横山真 一、殷越
  • 権利者名: 小濱芳允、横山真 一、殷越
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2023-056645