新世代量子ビームによる100テスラ新結晶のミクロ構造観察

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23H01121
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 池田 暁彦 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (90707663)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• キーワード: ポータブル100テスラ / X線自由電子レーザー / コバルト酸化物 / スピン状態転移

研究実績の概要

本研究は100テスラ環境における物質の構造をミクロに解明するものである。このために世界で初めてのポータブル100テスラ装置PINK-02を稼働し、SACLAにおけるX線自由電子レーザー実験する。この技術を利用して100テスラにおいて超強磁場相を発現するコバルト酸化物LaCoO3（α相、β相）、固体酸素（θ相）の結晶構造を解明することが目的である。

初年度はPINK-02を完成させ、100テスラ発生、および100テスラ磁場中でのX線自由電子レーザー実験を立ち上げることが目標であった。実際にPINK-02を9月にSACLAに納入し、120テスラの発生を確認した。さらに1月には100テスラかつ低温10ケルビンにおけるLaCoO3のパウダー回折実験に成功した。これにより、本研究計画の基盤たる技術が達成された。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

実際にPINK-02による120テスラの発生は、ポータブル機として世界最高磁場を更新した。なおそれまでの最高記録はPINK-01による78テスラであった。さらに100テスラかつ低温10ケルビンにおけるLaCoO3のパウダー回折実験に成功した。これにより、ポータブル100テスラ装置が実現可能であるだけでなく、実際に物性実験に適用できることまで示された。これは世界に誇る先端的な実験技術である。本研究の今後の発展が非常に期待できる。

今後の研究の推進方策

今後は100テスラおよび、低温におけるX線構造解析を、LaCoO3に対して推進する。これにより磁場によって誘起されるスピン状態秩序相の起源をミクロに解明する。また、固体酸素のθ相に対しても同様の実験を行うことで、θ相の結晶構造を解明する。これにより、ファンデルワールス結晶の構造安定性におけるスピンの役割を解明する。

研究成果

• [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
  • 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] Magnetic-field-induced valence change in Eu(Co1-xNix)2P2 up to 60 T (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Raito、Ishita Azumi、Nakamura Jin、Ohta Hiroto、Haraguchi Yuya、Katori Hiroko Aruga、Ishikawa Hajime、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Nohara Minoru、Ikeda Akihiko
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 235110
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.235110
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Signature of spin-triplet exciton condensations in LaCoO3 at ultrahigh magnetic fields up to 600 T (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Akihiko、Matsuda Yasuhiro H.、Sato Keisuke、Ishii Yuto、Sawabe Hironobu、Nakamura Daisuke、Takeyama Shojiro、Nasu Joji
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 1744
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37125-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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
  • DOI: 10.1073/pnas.2302756120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Gradual Charge Order Melting in Bi0.5Ca0.5MnO3 induced by ultrahigh magnetic field (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishii Yuto、Ikeda Akihiko、Tokunaga Masashi、Kindo Koichi、Matsuo Akira、Matsuda Yasuhiro H.
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 ページ: 074702
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.074702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Breathing pyrochlore magnet CuGaCr4S8: Magnetic, thermodynamic, and dielectric properties (2023)
  • 著者名/発表者名: Gen Masaki、Ishikawa Hajime、Miyake Atsushi、Yajima Takeshi、Jeschke Harald O.、Sagayama Hajime、Ikeda Akihiko、Matsuda Yasuhiro H.、Kindo Koichi、Tokunaga Masashi、Kohama Yoshimitsu、Kurumaji Takashi、Tokunaga Yusuke、Arima Taka-hisa
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 ページ: 104404
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.7.104404
  • 査読あり
• [学会発表] Using mini-coil and mini-bank in plasma experiments, and the possibility of 100 T plasma experiment (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: Matter in Extreme Conditions for Magnetized PLAsmas
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 1000 テスラひずみ計測法の開発による LaCoO3の新規電子相の発見 (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] Road to XFEL experiments on condensed matters at above 100 Tesla (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] Magnetic field-induced melting of charge-ordered phase in Bi_0.5Ca_0.5MnO₃: Re-analysis of XRD results at 77 T (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda, Y. Ishii, X. Zhou, S. Peng, Y. H. Matsuda, T. Yajima, Y. Kubota, I. Inoue, Y. Inubushi, K. Tono, M. Yabashi
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Road to X-ray science at 100 T (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Ikeda
  • 学会等名: MagX: Frontiers of Synchrotron and XFEL Research at High Magnetic Fields
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] FBG magnetostriction studies up to 1000 T (2023)
  • 著者名/発表者名: 池田暁彦
  • 学会等名: 強磁場科学研究会
  • 招待講演