KENS 中性子科学研究系

KEK

月例研究報告 1月

1. 共同利用状況など

【2014 S型課題】

 J-PARCにおいて高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所が保有する中性子科学実験装置を用いて行うプロジェクト型研究課題(S型 課題)について、平成26年度の公募が行われ、中性子共同利用実験審査委員会(1/6)にて審査された。S型課題としては、とくに以下の点について明確な計画を有することが求められる。

  •  1. 装置の性能を最大限に引き出す先導的実験手法・解析手法の開拓及び機器開発
  •  2. 先導的プロジェクト研究

 BL12(高分解能チョッパー分光器)のS型課題の公募については、東京大学物性研究所中性子科学研究施設との共同公募である。

課題番号代表者実験課題名BL名
2015S01 伊藤晋一(KEK)
益田隆嗣(東大物性研)
高分解能チョッパー分光器による物質のダイナミクスの研究 BL12
2014S03 清水裕彦(名古屋大) パルス冷中性子を用いた中性子基礎物理研究 BL05
2014S05 神山崇(KEK) SuperHRPDによる高分解能粉末中性子構造解析法の開発と機能性物質の構造解析研究 BL08
2014S06 大友季哉(KEK) 全散乱法による水素化物の規則−不規則構造解析 BL21
2009S07 日野正裕(京大KUR) 中性子スピンエコー分光器群(VIN ROSE)の建設と高度化 BL06
2014S08 山田悟史(KEK) 中性子反射率法を用いたソフト界面の先進的ナノ構造解析法の開発と工業材料への応用 BL16
2014S09 大山研司(東北大金研) 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 BL23
2014S10 米村雅雄(KEK) 特殊環境中性子回折装置を使ったin situ測定による蓄電池材料の構造学的研究 BL09

 

2. 受賞

【2014 S型課題】

 中性子科学に関して優秀な研究を発表した若手研究者に授与される中性子科学会奨励賞を山田悟史氏が受賞した。山田氏の受賞対象となった研究は「J-PARCにおける試料水平型中性子反射率計SOFIAの開発」である。
 同氏は、学生の頃からリン脂質や界面活性剤などの両親媒性分子の自己組織化構造について中性子散乱実験を利用した研究に従事しており、物構研に着任した後は、J-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)への中性子反射率計ARISAの移設(KEKつくばキャンパスで運用)や装置のアップグレードに重要な役割を果たし、JST/ERATOの高原プロジェクトと共同で新しい中性子反射率計SOFIAの開発に成功した。特に、2次元検出器を利用した入射角分布補正、入射ビーム強度に対する最適化、ダブルフレームモードを利用した wide-Q領域測定、装置制御ソフトウエアなど、国際的に高い性能を有しながら利用しやすい装置を実現した。これらの中性子反射率計の開発における貢献が、中性子科学の発展に大きく寄与したと認められ、奨励賞が授与された。

 

3. 研究グループの活動状況

(1) 量子物性グループ

【研究成果】

HRC研究会

 層状ニッケル酸化物R2-xSrxNiO4 (R = La, Nd)におけるストライプ・チェッカーボード秩序の輸送・熱特性の研究

     東大物性研 池田陽一、鈴木將太、中林拓頌、吉澤英樹、 KEK 横尾哲也、伊藤晋一

 層状ニッケル酸化物R2-xSrxNiO4では、ストライプ状の電荷・スピン秩序が、広いホール濃度域に亘り、静的に安定化する事が知られている。特に x > 0.5 ではNiO2面内のNi2+とNi3+イオンが市松模様状に整列する、所謂、チェッカーボード(CB)秩序が形成される。この様な電荷秩序について、最近、打田らはX線吸収スペクトルのホール濃度依存性からNi電子状態の変化を調べた[1]。彼らは x < 0.5 ではホールがd(x2-y2)軌道に選択的に導入され、x > 0.5 ではd(x2-y2)軌道の占有率は50%に留まり、ホールは、もう一方のeg軌道であるd(3z2-r2)へ順次導入される事を提案した。これは x > 0.5のCB秩序は、d(x2-y2)軌道に残った電子により安定化されている事を示唆しており、また、中性子散乱実験で観測されているNiO2面内の変調構造が、x > 0.5 ではホール濃度に依存しないふるまいと矛盾しない[2]。即ち、x > 0.5 のCB相では、d(x2-y2)軌道がCB状に配列した上で、そのCBパターンを崩さないように過剰ホールがランダムに導入されている事が推察される。この打田らの結果を踏まえると、CB相はストライプ相の延長ではなく、むしろ定性的に全く異なる相である可能性も考えられる。
 彼らの研究に触発され、ストライプ・CB相の物性の違いを明らかにする為、両相の境界領域にある x = 0.33 - 0.70 までの単結晶試料を新たにフローティングゾーン法により育成し、電気抵抗、比熱、磁化測定と中性子非弾性散乱実験により詳しく調べた[3]。過去に報告されていたように[2]、電荷秩序転移温度のホール濃度依存性が、x ~ 0.5 を境に突然変化する様子を熱測定においても観測した。更に、ストライプ秩序を示す領域では、新たな比熱異常をTI*、TII*において観測した。これらの異常はCB相では消失している事から、ストライプ秩序に関係していると思われるものの、詳細な起源はまだわかっていない。他にも、電気抵抗率から見積もられた活性化エネルギーDeffや、比熱・非弾性中性子散乱測定から見積もられた Nd3+イオンの基底二重項の分裂幅DGS等においても、 ホール濃度依存性が x ~ 0.5 を境に明確に変化していることがわかった。これらの変化は、ストライプ相とCB相では、Niの電子状態が定性的に異なっている事を示唆している。これらの結果は、JPSJ に投稿し、vol. 84, 023706 (2015)に掲載された。  現在、J-PARC BL12に設置された高分解能チョッパー分光器 HRC を用いて、非弾性中性子散乱実験を行っている。興味深い事に、両相の励起スペクトルにも、定性的な違いが観測されており、これも両相におけるNiの電子状態の違いを反映している可能性があると考えている[4]。

[1] M. Uchida et al., PRB 86, 165126 (2012),
[2] K. Ishizaka et al., PRB 67, 184418 (2003),
[3] Y. Ikeda et al., JPSJ 84, 023706 (2015),
[4] Y. Ikeda et al., in preparation

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図1. (a) Revised x-T phase diagram of Nd2-xSrxNiO4. (b) Sr concentration (x) dependence of the activation energy Δ eff and the size of the splitting of the ground state doublet ΔGS of the Nd3+ ions [3].

 

論文発表

研究集会発表

  • 1. γ-FeMn反強磁性体の高エネルギー領域におけるスピン波励起(O-35)、
      井深壮史、伊藤晋一 、横尾哲也、遠藤康夫
  • 2. 輸送及び熱測定から見た層状ニッケル酸化物R2-xSrxNiO4(R=La, Nd)におけるストライプ・チェッカーボード秩序相のNi電子状態の違い(O-30)、
      池田陽一、鈴木將太、中林拓頌、吉沢英樹、横尾哲也、伊藤晋一
  • 3. 量子ビームで観測する液体の集団ダイナミクス(O-22)、吉田亨次、山口敏男
  • 4. HRCの装置開発と中性子ブリルアン散乱実験(P-80)、
      伊藤晋一、横尾哲也、井深壮史、益田隆嗣、吉沢英樹、左右田稔、池田陽一、浅見俊夫、杉浦良介、川名大地、篠崎知子、井畑良明
  • 5. ブリージングパイロクロア磁性体Ba3Yb2Zn5O11の中性子非弾性散乱研究(P-44)、
      白椽大、左右田稔、木村健太、伊藤晋一、横尾哲也、益田隆嗣
  • 6. 偏極中性子散乱装置POLANOの建設状況 II(P-76)、
      横尾哲也、伊藤晋一、金子直勝、大山研司、岩佐和晃、大河原学、菅井征二
  • 7. 偏極中性子散乱装置POLANOでの磁場環境評価(P-58)、
      大山研司、南部光江、横尾哲也、大河原学、猪野隆、伊藤晋一、岩佐和晃、奥隆之、吉良弘
  • 8. SEOP法3He偏極スピンフィルター用ソレノイドコイルの設計(P-68)、
      大河原学、猪野隆、大山研司、横尾哲也、伊藤晋一、岩佐和晃、吉良弘、奥隆之、藤田全基

The 14th Korea-Japan Meeting on Neutron Science, 7 - 9 January 2015, IQBRC (Tokai)
・Software Development at HRC, D. Kawana, T. Asami, R. Sugiura, H. Yoshizawa, T. Masuda, T. Yokoo, and S. Itoh

北海道大学-高エネルギー加速器研究機構連携協力協定 第6回連携シンポジウム - 若手育成と連携研究 - 2015年1月28日、北海道大学
・遍歴電子反強磁性体の磁気励起、井深荘史

【BL23偏極中性子散乱装置POLANO】

 装置建設

  •  実験盤や分電盤の設置を行い、MLF電気室よりの配線を行った。
  •  これまで検討・製作を進めてきた真空槽がMLFに搬入され、設置された。
  •  真空槽内の内張であるB4Cライナープレートの作成及び取り付けを進めている。

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図2. BL23に設置されたPOLANOの真空散乱槽(2015年1月15日)

 

 S型課題研究会

 BL23のS型課題(2014S09、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)に関する研究会を、12月18日にKEKつくばキャンパスにて、以下の内容で開催した。

  •  装置の概要とサイエンス:大山研司(東北大)
  •  建設の状況と今後の計画:横尾哲也(KEK)
  •  3Heスピンフィルター偏極子の開発状況:猪野隆(KEK)
  •  POLANOでのサイエンス提案 I:岩佐和晃(東北大)
  •  POLANOでのサイエンス提案 II:南部雄亮(東北大)

 

(2) ソフトマターグループ

【研究成果】

 論文等

  • 1. Y. Oda, D. Kawaguchi, T. Hirata, N. L. Yamada, S. Kanaoka, S. Aoshima, K. Tanaka,
      "Density Profiles of Well-defined Poly(methyl 2-propenyl ether) (PMPE) near Water Interface", Macromol. Symp. accepted.
  • 2. D. Payra, M. Naito, Y. Fujii, N. L. Yamada, S. Hiromoto, and A. Singh,
      "Bioinspired adhesive polymer coatings for efficient and versatile corrosion resistance", RSC Advances 5 (2015) 15977.
  • 3. N. L. Yamada, K. Mitamura, H. Sagehashi, N. Torikai, S. Sato, H. Seto, M. Furusaka, T. Oda, M. Hino, T. Fujiwara, M. Kobayashi, and A. Takahara,
      "Development of Sample Environments for the SOFIA Reflectometer for Seconds-Order Time-Slicing Measurements", Proceedings of the J-PARC Symposium 2014, accepted.
  • 4. K. Azuma, N. Hariyama, Y. Kamata, N. L. Yamada, N. Torikai, and M. Kawaguchi,
      "Depth Distribution of Component for the Thin Films of Binary Polystyrene Blends with Different Molecular Weights", Proceedings of the J-PARC Symposium 2014, accepted.

【BL16ソフト界面解析装置SOFIA】

 時分割測定用リモートバルブ

 中性子は透過率が高いため、物質内部の構造を観察するのに適している。これを中性子反射率法に適用するとシリコン等の基板上に作成した試料と液体との界面を観察することが可能で、高分子が溶媒中で膨潤する挙動や電極と電解液との界面が電位で変化する様子などが観測されている。この際、液体と接触させた際の構造変化についてそのkineticsに興味を持たれているが、試料をステージに設置してから測定開始までに少なくとも数分を要するため、その初期過程を観察することは困難であった。
 我々は以前、電磁バルブによってビームラインの外からリモートで液体を注入できるセルの開発を行った。図3はこのセルを用いて得られたkinetics測定の結果で、乾燥させたリン脂質の積層膜が重水と接触させた際に剥離していく様子を秒オーダーで測定することに成功した(この成果はJ-PARCシンポジウムのproceedingsとして受理された)。ただし、このセルは液体を注入する際に手動で電磁バルブをオンにする必要があったため、複数のサンプルを並べて深夜のロングスキャンを行うことができなかった。そこで今回、USB制御でバルブを開閉させるためのリレー回路の整備を行い、期待通りに動作することを確認した(図4)。現在、自動測定に組み込むためのプログラム変更を行っており、これによってJ-PARCの大強度ビームを生かした短時間時分割測定の研究が促進されると期待できる。

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図3. リン脂質積層膜の剥離過程のkinetics測定結果。左が60秒刻み、右が5秒刻みで解析した結果で、イベントレコーディングを利用して同じデータを異なる時間刻みで解析することができる。

 

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図4. 新しく導入したUSB制御のリレー回路。右側の電磁バルブをPCから開閉できる。

 

(3) 水素貯蔵基盤研究グループ

【 BL21高強度全散乱装置NOVA 】

 絶対値補正プログラム改良

 全散乱装置は、測定値から各種補正を行なった上で、静的構造因子S(Q)を絶対値として導出する必要がある。中性子ビーム中の原子数や試料組成などの入力値が正しくない場合には、絶対値補正を完了することができない。とくに軽水素が混入している場合、もしくは軽水素組成の入力が正しくない場合には、絶対値が大きくずれてしまうことになる。補正状況をより把握しやすくするため、補正プログラム内部での補正項の出力を変更し、グラフとして出力するよう変更した。
 図5の各グラフは、(a) 入射モニターカウントで規格化した測定値、(b) 自己吸収係数、(c) 標準試料(バナジウム)から計算される入射中性子波長分布・立体角・検出器効率(I0(λ)・ΔΩ・η(λ))、(d) バックグランド、自己吸収係数、I0(λ)・ΔΩ・η(λ)、原子数で補正された散乱強度と多重散乱および非干渉性散乱断面、(e) 多重散乱や非干渉性散乱断面積を引いて得られた干渉性散乱断面積(図中の数値は、干渉性散乱長自乗< bcoh>2)、(f) 干渉性散乱断面積から求めた静的構造因子S(Q)、を表す

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図5. NOVA標準補正ソフトウエアによる補正状況を確認するための出力

 それぞれのグラフでは、(a)S/Nが十分大きいか、(b)自己吸収の計算が妥当か、(c)標準試料の測定に問題はないか、(d)多重散乱や非干渉性散乱の計算に問題は無いか、(e)入力パラメータから計算される干渉性散乱長自乗に近い値になっているか、(f)S(Q)=1に収束しているか、などを確認できる。軽水素組成が実際よりも少なく入力されている場合には、(e)において干渉性散乱断面積が、赤線よりも上にずれる。
上記の補正は、入力パラーメータリストを作成すれば、一行の簡単なコマンドで実行できる。今後、絶対値化をより効率よく行なえるよう補正方法の高度化を進める。