物性プローブとしての偏極不安定核ビーム開発

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 23600007
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 三原 基嗣 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (60294154)
• 研究分担者: 松多 健策 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (50181722) ; 福田 光順 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (50218939)
• キーワード: 核物性 / 超微細相互作用 / 不安定核 / 核磁気共鳴

研究概要

β線検出を用いた超高感度核磁気共鳴法（ベータNMR法）による、固体中希薄不純物に関する物性研究を推進するためには、核スピン偏極した短寿命核（プローブ核）の生成が必要となる。飛躍的進展を遂げるため、プローブ核の元素種、偏極量、ビーム強度の劇的な増強を目指した開発研究を行った。平成23~25年度にかけて、重イオン核反応により生成した窒素同位体 12N(半減期 11 ms) およびリチウム同位体 8Li(半減期 0.85 s)、9Li(半減期 0.18 s) につて、高い偏極度が得られることを確認した。この結果をもとに、25年度から 12N ビームを用いた物性研究を開始し、液体試料中でのベータNMRを世界で初めて観測することに成功した。その他、58Cu(半減期 3.2 s)を用いて、磁性体による核スピン偏極生成法の開発、およびシリコン中58CuのベータNMR測定を行い、シリコン中銅不純物の振る舞いについて新たな知見が得られた。リン同位体 28P(半減期 0.27 s)、29P(半減期 4.1 s)およびシリコン同位体27Si(半減期 4.2 s)のスピン偏極生成実験を行い、偏極生成条件ならびに偏極機構についての新たな知見が得られた。

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

放射線医学総合研究所 HIMAC、理化学研究所リングサイクロトロンおよび大阪大学バンデグラフの３つの加速器施設を用いて精力的に実験を行い、 8,9Li、12N、27Si、28,29P、58Cu の核スピン偏極生成に成功し、偏極条件の最適化および偏極機構に関する重要な知見が得られた。また、58Cuの実験では、シリコン中の銅不純物について、物質科学の観点から興味深い振る舞いを示唆する結果が得られた。本研究により確立した高偏極 12N ビームを用いて、液体試料中での ベータNMR 観測に成功したのは、当初の計画には含まれていないが、今後の発展に繋がる特筆すべき成果である。一方、磁性体による58Cu核スピン偏極生成については、有意な偏極を確認するには至っていない。実験装置、方法に対して改良の必要性が示された。以上の成果から総合的に判断して経過はおおむね順調であるといえる。

今後の研究の推進方策

これまでの研究により様々なプローブ核開発については一定の成果が得られた。今後は、開発したプローブ核を用いて、ベータNMR による物性研究を進める。電池材料中のリチウムイオンの挙動、酸化チタン中の窒素不純物の電子状態、シリコン中の銅不純物の挙動、液体中に打ち込んだ不純物の振る舞いなどの研究を行う予定である。磁性体による 58Cu 偏極生成については、磁性体の表面処理法、Cuイオンの電子捕獲過程等について十分に検討しなから推進する。

次年度の研究費の使用計画

計画していたスピン偏極12Nおよび58Cuビームの生成法の開発について、前者については高い偏極度をもつ12Nが得られる核反応条件を新たに発見し、それを利用した物性研究を開始するに至ったことから、予想以上の成果が得られた。一方後者に関しては、磁性体薄膜通過による核スピン偏極58Cuの生成が未だ観測できていない。装置および実験方法を見直し、改めて実験を行う予定であり、そのための費用を必要としている状況にあるため。
平成26年度に、放射線医学総合研究所の HIMAC 施設において、磁性体薄膜による核スピン偏極生成方法開発のためのマシンタイムを計画しており、装置改良費、実験試料費および実験施設への出張旅費に使用する。

研究成果

• [雑誌論文] In-beam Mossbauer study of 57Mn implanted into a low-temperature xenon (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamada, Y. Kobayashi, M.K. Kubo, M. Mihara, T. Nagatomo, W. Sato, J. Miyazaki, S. Sato, A. Kitagawa
  • 雑誌名: Hyperfine Interactions 巻: 226 ページ: 35-40
  • DOI: 10.1007/s10751-013-0913-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time-resolved Mossbauer spectra obtained after 57Mnimplantation in Si (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Kobayashi, M. Mihara, T. Nagatomo, Y. Yamada, M.K. Kubo, J. Miyazaki, W. Sato, S. Sato, A. Kitagawa
  • 雑誌名: Hyperfine Interactions 巻: 226 ページ: 679-685
  • DOI: 10.1007/s10751-013-0949-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-polarized radioactive isotope beam produced by tilted-foil technique (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Hirayama, M. Mihara, Y. Watanabe, S.C. Jeong, H. Miyatake, S. Momota, T. Hashimoto, N. Imai, K. Matsuta, H. Ishiyama, S. Ichikawa, T. Ishii, T. Izumikawa, I. Katayama, H. Kawakami, H. Kawamura, I. Nishinaka, K. Nishio, H. Makii, S. Mitsuoka, A. Osa, Y. Otokawa, T.K. Sato, Y. Wakabayashi
  • 雑誌名: Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 巻: 317 ページ: 693-696
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2013.07.051
  • 査読あり
• [雑誌論文] Probing effect of tensor interactions in 16O via (p,d) reaction (2013)
  • 著者名/発表者名: H.J. Ong, I. Tanihata, A.Tamii, T.Myo, K.Ogata, M. Fukuda, K. Hirota, K. Ikeda, D. Ishikawa, T. Kawabata, H.Matsubara, K.Matsuta, M. Mihara, T. Naito, D.Nishimura, Y.Ogawa, H.Okamura, A.Ozawa, D.Y.Pang, H. Sakaguchi, K. Sekiguchi, M. Taniguchi, M. Takashina, H.Toki, Y. Yasuda, M. Yosoi, J. Zenihiro
  • 雑誌名: Phys. Lett. B 巻: 725 ページ: 277-281
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2013.07.038
  • 査読あり
• [雑誌論文] An EDM measurement with a new comagnetometer and a high density UCN source (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Matsuta, Y. Masuda, K. Hatanaka, S. Kawasaki, R. Matsumiya, M. Mihara, S. C. Jeong, Y. Watanabe, T. Adachi, D. Nishimura, K. Asahi, J. W. Martin, A. Konaka, A. Miller, C. Bidinosti, T. Dawson, L. Lee, C. A. Davis, W. D. Ramsay, W. T. H. van Oers, E. Korkmaz and L. Buckman
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 1560 ページ: 152-154
  • DOI: 10.1063/1.4826742
  • 査読あり
• [学会発表] 低エネルギー核反応による27Siの偏極生成 (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Ohno, M. Mihara, Y. Kamisho, M. Tanaka, S. Yamaoka, K. Watanabe, M. Fukuda, K. Matsuta
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] シリコン中58Cuのβ-NMR測定 (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Mihara, Y. Ishibashi, Y. Abe, Y. Kamisho, Y. Morita, J. Ohno, 他28名
  • 学会等名: 平成25年KUR専門研究会「不安定原子核の理工学と物性応用研究 III」
  • 発表場所: 京大原子炉
  • 年月日: 20131219-20131220
• [学会発表] 低エネルギー核反応によるスピン偏極27Siの生成 (2013)
  • 著者名/発表者名: J. Ohno, M. Mihara, Y. Kamisho, M. Tanaka, S. Yamaoka, K. Watanabe, M. Fukuda, K. Matsuta
  • 学会等名: 平成25年KUR専門研究会「不安定原子核の理工学と物性応用研究 III」
  • 発表場所: 京大原子炉
  • 年月日: 20131219-20131220
• [学会発表] ベータNMRによる固体中不純物の挙動観測 (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Mihara
  • 学会等名: 第23回格子欠陥フォーラム「電池材料中の格子欠陥」
  • 発表場所: 淡路夢舞台国際会議場
  • 年月日: 20130923-20130924
  • 招待講演
• [学会発表] 58Cuのβ-NMR測定 (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Kamisho, M. Mihara, K. Matsuta, M. Fukuda, Y. Morita, J. Ohno, 他25名
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 高知大学
  • 年月日: 20130920-20130923
• [図書] 放射化学の事典 (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Mihara（共著）
  • 総ページ数: 未定
  • 出版者: 朝倉書店
• [備考] 大阪大学理学研究科物理学専攻核物質学グループ
  • URL: http://vdg.phys.sci.osaka-u.ac.jp/index.html