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
研究者の方 学生の方 中性子利用をご検討の方 卒業生・研究室関係の方 研究室内向け

ホーム > 研究概要

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.

 具体的な研究テーマはこちらから
 最近の成果の紹介ページもご覧下さい

科研費基盤研究(A) (H28.4 - H33.3)
 「中性子スピンプリズム法の確立と超伝導体の電子多自由度マルチダイナミクスの研究(代表者 藤田)
科研費基盤研究(B) (H28.4 - H31.3)
 「新しい偏極中性子散乱手法を用いた高次スピン及び軌道自由度の検出(代表者 南部)
科研費若手研究(B) (H28.4 - H30.3)
 「中性子散乱による重い電子系セリウム化合物における磁性と超伝導の共存競合問題の研究(代表者 池田)
科研費若手研究(B) (H27.4 - H30.3)
 「不純物置換効果を利用した電子ドープ型銅酸化物超伝導における磁気相関の起源の研究(代表者 鈴木)
新学術領域「複合アニオン化合物の創製と新機能」(公募研究) (H29.4 - H31.3)
 「中性子散乱を用いた複合アニオン化合物の構造解析(代表者 南部)
  を実施しています.

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.

KEK構造物性研究センターのプロジェクト (H27.10 - H33)
 「強相関電子系における局所構造誘起バルク現象の研究(プロジェクトリーダー 藤田)」に参画しています.

マルチプローブ共同利用実験課題 (H27.10 - H30.9)
 「T’構造銅酸化物における局所構造変化が誘起する量子相転移(実験責任者 藤田)
 「マルチプローブで視る鉄系梯子型物質の磁性と超伝導(実験責任者 南部)」を実施しています.

物質構造科学研究所量子ビーム研究支援事業に採択され,
 「
CuO5ピラミッド構造を持つT*構造銅酸化物超伝導体の基底状態とスピン相関(代表者 浅野)」を
 実施します.(H29.10 - H30.3)
終了課題
 「
複合的な量子ビーム利用によるT’構造銅酸化物超伝導体における局所構造の研究(代表者 鈴木)
 (H27.10 - H28.3)

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二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)

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.

研究部共同利用

 下記の先生方と,2017年度の金研研究部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.
 ご氏名(敬称略)    研究課題名
森 道康 (原研)   高効率なスピン流生成をめざした磁性体の理論研究
石井 賢司(量研機構) 過剰ドープ銅酸化物超伝導体における電荷秩序
足立 匡 (上智大)  T’構造を有する電子ドープ型銅酸化物における電子状態と新しい超伝導の
            メカニズムに関する研究
宮崎 正範(室蘭工大) 層状ペロブスカイト型酸化物の頂点酸素におけるスピン偏極に関する研究
池内 和彦(総科機構) 電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体のギャップ関数の研究
山瀬 博之(物材機構) 電子ドープ系銅酸化物高温超伝導体の電荷励起スペクトラム

2016年度の実施課題
 ご氏名(敬称略)    研究課題名
吉澤 英樹(東大)   フローティングゾーン法による反転対称性の破れた重い電子系化合物の大型単結晶育成
森 道康 (原研)   高効率なスピン流生成をめざした磁性体の理論研究
木村 宏之(東北大)  銅酸化物高温超伝導体における3d電子軌道状態の可視化
宮崎 正範(室蘭工大) 層状ペロブスカイト型酸化物の頂点酸素におけるスピン偏極に関する研究
山瀬 博之(物材機構) 電子ドープ系銅酸化物高温超伝導体の電荷励起スペクトラム
脇本 秀一(原研)   銅酸化物高温超伝導体の階層的磁気励起と電荷ースピン相関の研究
石井 賢司(量研機構) ホールドープ型銅酸化物超伝導体における電荷秩序に関連した電荷励起