東北大学 金属材料研究所 量子ビーム金属物理学研究部門

東北大学 金属材料研究所 量子ビーム金属物理学研究部門
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研究概要

研究内容と対象

中性子非弾性散乱により観測された二次元銅酸化物の磁気励起スペクトル.スピンダイナミクスを評価し,スピン間の相互作用,物性の発現機構を解明します.

 強相関電子系では,電子の持つ複数の自由度(電荷・スピン・軌道など)が絡み合って,思いも寄らない新機能,新物性を発現することがあります.その背後には,自由度の異なるエネルギースケールに起因した階層的ダイナミクスが存在します.そのため機構解明には骨格となる物質の基本構造の決定だけでなく,スピンや電荷などの複合ダイナミクスを調べ,相互作用に関する知見を得ることが重要になります.例えば,高い超伝導転移温度を示す銅酸化物では磁気秩序相の近くに超伝導相が存在し,超伝導の実現には電荷相関と結びついたスピン間の動的相関が深く関わっていることがわかっています.私たちの研究室では,強相関電子系の多彩な現象の背後にある相関関係を解き明かし,新しい物理の創成を目指しています.

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実施中の科研費補助金研究テーマ(代表者分のみ)
科研費基盤研究(A) (R3.4 - R8.3)
J-PARCを活用した三次元中性子スピン偏極度解析による複合励起の解明(代表者 藤田)
科研費基盤研究(B) (R3.4 - R6.3)
偏極中性子散乱を主軸とした従来型スピントロニクスの微視的理解と次世代型機構の確立(代表者 南部)
科研費基盤研究(C) (H31.4 - R3.3)
高圧力下中性子回折実験による超伝導と競合する重い電子反強磁性状態の研究(代表者 池田)
新学術領域研究「ハイエントロピー合金」(研究領域提案型) (R3.4 - R5.3)
量子ビームによるハイエントロピー合金の局所化学構造の可視化(代表者 池田)
若手研究 (R3.4 - R5.3)
Yb141系が持つ価数とスピンの量子臨界現象の研究(代表者 谷口)
  を実施しています.
日本学術振興会特別研究員(DC1) (R1.4 - R4.3)
アモルファス磁性体における磁気励起とスピン輸送メカニズムの解明(申請者 亀田)

終了した研究課題はこちらです.

新規研究対象の単結晶作成

単結晶作成の様子と中性子散乱実験に用いる単結晶群.

 測定を行うためには良質の試料が欠かせません.このために単結晶の作成を独自に行う環境を整えています.どこにも存在しない結晶を作ることは,科学の発展につながる新発見の原動力となります.私たちの研究室では,従来育成が困難とされていた物質や,研究の付加価値の高い物質の結晶化を,独自のアイデアを活かして行っています.これにより世界で初めて行われる実験を先導しています.また,実験結果を次に必要な試料の作成にフィードバックできるため,柔軟で自由度の高い研究の推進が可能です.

 Bi系銅酸化物超伝導体の結晶育成の様子
 組成傾斜フローティングゾーン法で,Bi2+xSr2-xCuO6+dの高品質単結晶を作っています.1ccを超える単結晶を作成できるグループは世界にもほとんどなく,そのため,作成した結晶は,国内外のグループで研究に使われます.

量子ビームの複合利用

銅酸化物高温超伝導の舞台となるCuO2面.この面のスピンと電荷の情報を中性子やX線を利用して取り出します.

 私たちの研究室では,構造とダイナミクスの研究ツールとして中性子散乱法を活用しています.中性子散乱は広い空間・時間スケールでの測定が可能で,物質内に存在するスピンの情報を得る上で威力を発揮します.また,電子の複数自由度が絡み合った新規な相互作用の決定と物性発現の原因の解明には,それぞれの自由度を調べるのに適した,特性の異なる人工放射線(量子ビーム)を相補利用した研究が重要との立場から,マルチプローブ実験を主導的に行っています.中性子実験を基軸にミュオンや放射光X線などの量子ビームを幅広く利用することが本研究室の特徴のひとつで,研究対象を多角的に捉えて本質に迫っていきます.これら量子ビーム実験には国内外の多数の大型施設を利用しており,国内ではJ-PARCSPring-8PFなどの先端量子ビーム施設で行っています.

中性子科学発展への取り組み

J-PARCに建設中の偏極中性子非弾性散乱装置(左),および,JRR-3に設置されている粉末回折装置(右上)と非弾性散乱装置(右下).

 私たちは,中性子散乱の専門グループとして,中性子技術の開発と新しい技術を駆使した研究を進めています.例えば,スピン偏極デバイスの開発や非弾性散乱強度の絶対値導出のルーチン化などを行い,国内外の研究者との連携を通じて実用化につなげています.また,金研が東海村の研究用原子炉施設JRR-3に管理する中性子装置群では,結晶構造・磁気構造と格子振動・磁気揺らぎの研究を包括的に行える環境を整えており,その高度利用化にも取り組んでいます.さらには,高エネルギー加速器研究機構と東北大学が連携して進めている,J-PARCでの偏極中性子非弾性散乱装置の建設と運営にも主体的に参画しています.定常中性子源と核破砕パルス中性子源の両方に装置を持つ大学は世界を見渡しても大変まれで,他にはない独自の横断利用で中性子科学の発展に貢献していきます.

JRR-3には我々グループが管理する三台の中性子散乱実験装置があります.
 三軸型中性子分光器(T1-2 AKANE)(装置責任者 藤田)
 中性子粉末回折装置(T1-3 HERMES)(装置責任者 南部)
 三軸型中性子分光器(6G TOPAN)(装置責任者 藤田)

KEK物質構造科学研究所の中性子共同利用S1型実験課題
 「偏極中性子散乱装置POLANOによる静的・動的スピン構造物性の研究(代表者 横尾)
  を実施しています.

金研共同利用共同研究

 下記の先生方と,2021年度の金研研究部,中性子物質材料研究センターおよび附属新素材共同研究開発センターの共同利用を通じた共同研究をさせて頂いております.その他にも多くの方々と共同研究を進めています.

2021年度の研究課題
 ご氏名(敬称略)    研究課題名
足立 匡 (上智大)  電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体における電子状態に対する酸化/還元処理の効果
            に関する研究
飯久保 智(九大)   フッ化物シャトル電池の電極構造の最適化に関する相安定性の研究
飯沼 昌隆(広島大)  中性子照射によるペロブスカイト系La標的結晶の簡易構造解析法の研究
池内 和彦(総科機構) スピンパイエルス系CuGeO3にみられるガンマ点近傍励起の起源の解明
石井 賢司(量研機構) X線発光分光による銅酸化物超伝導体のホール濃度評価
猪野 隆 (高エネ研) 3He中性子スピンフィルター用ガラスセルの開発
榎木 勝徳(東北大)  中性子・XAFS 実験および電子論計算を併用したミディアムエントロピー合金中の
            短範囲規則状態の解析
岡 研吾(近大)    温度誘起スピン再配向転移を示すPb3Fe2O5F2への元素置換効果の解明
岡田 宏成(東北学院大)規則度を考慮したホイスラー型Fe2MnGaの精密構造解析
黒澤 徹 (北大)   中性子非弾性散乱実験による過剰ドープ領域におけるLSCOのスピン構造の研究
小林 理気(琉球大学) 中性子非弾性散乱実験用大型単結晶試料の育成
鈴木 慎太郎(東理大)  Tsai型近似結晶の巨大単結晶合成
鳴海 康雄(阪大)   幾何学的フラストレーション磁性体における多重q秩序状態の研究
新居 陽一(東北大)  中性子を用いた遍歴磁性体MnPにおけるスピンヘイリシティの電流制御に関する研究
増田 英俊(東北大)  新奇な電流応答を示すらせん磁性金属の単結晶育成・評価
宮崎 正範(室蘭工大) Sr2TiO4の単結晶育成とキャリアドープによる輸送特性
宮崎 正範(室蘭工大) スピン密度分布測定によるLa2MO4(M=Cu,Ni)の頂点酸素磁性スピンの研究
森 道康(原研機構)  希土類ガーネットにおける磁気弾性交差相関
山瀬 博之(物材機構) 銅酸化物高温超伝導体におけるスピン揺らぎによる電荷相関
山田 高広(東北大)  低熱伝導性を示すNaを内包したトンネル構造を有するジントル化合物のダイナミクス
Tohru Kurosawa(Hokkaido Univ.)
  Study on electronic strucutre of overdoped LSCO by high-resolution AREPS   
Du ChaoHung(Tamkang Univ., Taiwan)
  Study of the field-driven magnetic phase transitions in functional materials YBaCuFeO5 and CuB2O4
Nilsen Goeran(ISIS Neutron and Muon Facility, UK)
  Preparation of low-dimensional quantum magnets with gapped quantum ground states
Campo Javier(Aragon Materials Science Instituteh, Spain)
  Deeper exploration of the reciprocal space of MnSi at low temperatures to search for
  new magnetic textures
Avdeev Max(Australian Nuclear Science and Technology Organisation, Australia)
  Tohoku U/ANSTO collaboration on theoretical and neutron scattering studies of magnetic materials
   and neutron diffraction instrumentation