KENS 中性子科学研究系

KEK

月例研究報告 11-12月

1. 共同利用状況など

【 MLF2020A一般課題申請 】

 2020A期一般課題の公募が2019年10月17日~11月7日に行われ、MLF中性子利用課題として260件の申請があった。1課題あたり3名のレフェリーによる採点、専門分野別の分科会等の審査を経て、2月の中旬に採否が決定する。

【 MLF利用実験 】

 J-PARC物質・生命科学実験施設 (MLF) では、今年11月5日の利用運転開始を計画して夏期保守作業を進めてきたが、作業終盤において、安定運転を確保するために当初計画以上の作業工程が不可欠であることが判明し、12月12日に利用運転を開始した

【 受賞 】

 新井正敏 名誉教授が、パルス中性子散乱に関する装置開発、施設の建設、さらにその運営に尽力してきたことが高く評価され、第17回 日本中性子科学会 功績賞を受賞された。
(詳細:https://www2.kek.jp/imss/news/2019/topics/1120JSNSaward/



2. 研究グループの活動状況

(1) 量子物性グループ

【 BL12高分解能チョッパー分光器HRC 】

◆ 研究成果

 フラストレート磁性体CsFeCl3の量子臨界点近傍における集団励起

 自発的に対称性が破れた系では、秩序変数の位相揺らぎによる低エネルギー励起が長波長領域に一般的に存在することが南部・ゴールドストーン(NG)の定理により保証されている。したがって、磁性体の秩序相においても磁気Γ点でギャップレスな低エネルギー励起モード(いわゆるNGモード)が存在する。しかし、秩序変数の大きさの揺らぎは磁性体においては必ずしも自明ではない。たとえば古典スピンを仮定すると、秩序状態の0 Kにおけるスピン・モーメントは飽和しているため、大きさの揺らぎは存在しない。このため、磁性体の低エネルギー励起は横揺らぎのみを考慮する古典スピン波近似が良く成り立つケースが多い。しかし、量子臨界点近傍ではスピン・モーメントが強く抑制されているため、縦揺らぎがモードとして安定に存在するケースがある。Higgs粒子の発見と相まって、磁性体の縦揺らぎモード(Higgs amplitudeモード)の研究が数多くなされてきた[1-5]。しかし、これらの研究はいずれも格子にフラストレーションが存在しない系が対象とされてきた。我々は、量子臨界点近傍におけるフラストレート三角格子反強磁性体CsFeCl3の集団励起の研究に注目した。この物質は、擬スピンs = 1がFe2+イオンに局在しており、強い容易面タイプの異方性によりsz = 0の一重項基底状態を有している。大気圧下では低温でも秩序化しないが[6]、圧力により磁気秩序相が出現し[7]、Q=(1/3,1/3,0)を伝播ベクトルとする120°構造が実現する[8]。当該物質は磁気相互作用と単イオン異方性をパラメータとする系において、量子臨界点近傍に位置するフラストレート磁性体である。
 我々は、高分解能チョッパー分光器HRC(図1A-Cカラープロット)とオークリッジ国立研究所の三軸分光器CTAX(図1A-C黄色/赤色シンボル)を併用して、CsFeCl3の中性子スペクトルをさまざまな圧力下で測定した。臨界圧力以下の量子無秩序状態においては、波数が1/3や2/3において極小となるようなエネルギーギャップを有するスペクトルが観測された(図1A,B)。一方臨界圧力以上の非共線秩序状態においては、波数1/3や2/3においてエネルギーギャップが消失するようなスペクトルが観測された(図1C)。さらに、0.5 – 0.8 meVと0.8 – 1.3 meVの領域に特徴的なスペクトルが観測された。これらのスペクトルを検証するため、拡張スピン波理論[9]を用いて再現を試みた。非共線秩序の特徴を正しく考慮した場合は、位相モードと振幅モードが混成し、その効果は低エネルギーにある2つのスペクトル曲線と高エネルギー側にある2つのスペクトル曲線の反発として観測された(図1D)。意図的に混成効果を無視した場合は、2つのモードは交わり、実験結果を再現しなかった(図1E)。
 非共線秩序においてはモード混成、すなわち励起状態の譲り合いは自然に生じる。臨界点近傍でモードは強く混成し、臨界圧力を通じて磁気励起が連続的に変化することを保証している。このように、中性子散乱実験と理論計算を組み合わせることにより、スペクトル形状の圧力変化を正確に説明することができ、磁性体における位相モードと振幅モードの混成したハイブリッド励起モードが実証された。
 ハイブリッド励起は磁性体のみならず、電荷密度波系、スピン密度波系、冷却原子系など自発的対称性が破れた系一般に存在しうるものであり、今後さまざまな系での検証が期待される。さらにスペクトルの詳細形状を解析することにより、混成効果が励起の寿命に与える影響についても検証可能であり、興味がもたれる。 本研究成果は、Science Advancesに掲載された[10]。HRCでの中性子散乱実験はS型課題(2015S01,2016S01,2017S01)により実施された。

[1] B. Lake et al., PRL 85, 832 (2000).
[2] Z. Zheludev et al., PRL 89, 197205 (2002).
[3] Ch. Rüegg et al., Phys. Rev. Lett. 100, 205701 (2008).
[4] T. Hong et al., Nature Phys. 13, 638 (2017).
[5] A. Jain et al., Nature Phys. 13, 633 (2017).
[6] H. Yoshizawa et al., J. Phys. Soc. Jpn. 49, 144 (1980).
[7] N. Kurita and H. Tanaka, Phys. Rev. B 94, 104409 (2016).
[8] S. Hayashida et al., Phys. Rev. B 97, 140405 (2018). [9] R. Shiina et al., J. Phys. Soc. Jpn. 72, 1216 (2003). [10] S. Hayashida, M. Matsumoto, M. Hagihala, N. Kurita, H. Tanaka, S. Itoh, T. Hong, M. Soda, Y. Uwatoko and T. Masuda, Sci. Adv. 5, eaaw5639(5 pages) (2019).



図1. (A)-(C) さまざまな圧力下で測定されたCsFeCl3の中性子スペクトル。大気圧下(A)と0.3GPa(B)では1本のスペクトルが観測されたが、量子臨界点近傍の1.4GPa(C)では複数の特徴的なスペクトルが観測された。(D),(E) 中性子スペクトルの計算結果。位相モードと振幅モードの混成を考慮した計算(D)は実験(C)を再現するが、考慮しない計算(E)は実験(C)を再現しない。



◆ 論文等

  • S. Itoh, Y. Endoh,
    "Neutron Brillouin Scattering and Low-Q Dynamics in Condensed Matter",
    J. Phys. Soc. Jpn. 88, 081004 (2019).
  • K. Iwasa,
    "Neutron Scattering Studies on 4f2-Electron Multipoles in Pr-based Systems",
    J. Phys. Soc. Jpn. 88, 081005 (2019).
  • S. Hayashida, M. Matsumoto, M. Hagihala, N. Kurita, H. Tanaka, S. Itoh, T. Hong, M. Soda, Y. Uwatoko, and T. Masuda,
    "Novel Excitations near Quantum Criticality in Geometrically Frustrated Antiferromagnet CsFeCl3",
    Science Advances 5, eaaw5639 (2019).
  • S. Itoh, T. Yokoo, T. Masuda, S. Asai, H. Saito, D. Kawana, R. Sugiura, T. Asami, Y. Ihata,
    "Progress in High Resolution Chopper Spectrometer HRC by improving collimator and Fermi chopper",
    Physica B 568, 76-80 (2019).



◆ その他成果

 【 学会発表 】

  • 金属強磁性体Nd2Mo2O7のスピン波、
    伊藤晋一、羽合孝文、斎藤開、横尾哲也、益田隆嗣、遠藤康夫、金子良夫、Max Hirschberger、永長直人、十倉好紀、
    日本物理学会、岐阜大学、9/10–13.
  • 金属反強磁性体CeRh2Si2の磁気励起II、
    齋藤開、羽合孝文、今布咲子、日高宏之、網塚浩、益田隆嗣、横尾哲也、伊藤晋一、
    日本物理学会、岐阜大学、9/10–13.
  • 量子臨界点近傍の三角格子反強磁性体RbFeClsub>3
    における準粒子励起、長谷川舜介、浅井晋一郎、松本正茂、伊藤晋一、益田隆嗣、
    日本物理学会、岐阜大学、9/10–13.
  • V10Ti35Cr55軽水素化物の中性子全散乱測定による構造解析、
    佐次田頌、池田一貴、大友季哉、大下英敏、伊藤晋一、横尾哲也、齋藤開、Kim Hyunjeong、榊浩司、中村優美子、町田晃彦、
    日本金属学会、岡山大学、9/11-13.
  • Magnon Excitations on a Metallic Antiferromagnet CeRh2Si2,
    H. Saito, T. Hawai, F. Kon, H. Hidaka, H. Amitsuka, T. Masuda, T. Yokoo, and S. Itoh,
    J-Physics 2019, Kobe, 9/18-21.
  • Berry Curvature Observed in Spin Waves in Nd2Mo2O7,
    S. Itoh, T. Hawai, H. Saito, T. Yokoo, T. Masuda, Y. Endoh, Y. Kaneko, M. Hirschberger, N. Nagaosa, Y. Tokura,
    SCES 2019, Okayama, 9/23-28.
  • Magnetic Excitation on a Metallic Antiferromagnet CeRh2Si2,
    H. Saito, T. Hawai, F. Kon, H. Hidaka, H. Amitsuka, T. Masuda, T. Yokoo, and S. Itoh,
    SCES 2019, Okayama, 9/23-28.
  • Inelastic Neutron Scattering in Kagome-Triangular Lattice CsCrF4,
    H. Kikuchi, M. Hagihala, H. Manaka, S. Asai, S. Itoh, and T. Masuda,
    SCES 2019, Okayama, 9/23-28.
  • Dynamical studies in condensed matters on High Resolution Chopper Spectrometer (HRC) – 2nd phase of HRC project –,
    S. Itoh, T. Masuda, T. Yokoo, H. Yoshizawa, M. Soda, S. Asai, Y. Ikeda, S. Ibuka, M. Yoshida, T. Hawai, H. Saito, D. Kawana, R. Sugiura, T. Asami, Y. Ihata,
    J-PARC Symposium, Tsukuba, 9/23-26.
  • Analysis of Structural Change of V10Ti35Cr55 Alloy Dependent on Hydrogen Absorption/Desorption Cycles by Neutron Scattering,
    S. Sashida, K. Ikeda, T. Otomo, H. Ohshita, S. Itoh, T. Yokoo, H. Saito, T. Hawai, H. Kim, K. Sakaki, Y. Nakamura, A. Machida,
    J-PARC Symposium, Tsukuba, 9/23-26.
  • Berry curvature observed in spin waves,
    S. Itoh,
    1st Workshop on Inelastic Neutron Scattering in Asia, 10/29, Seoul (invited).

 

 【学位論文】

  • 鏡田奈央, 修士, お茶の水女子大学, 2019/3
    "中性子散乱実験によるトポロジカル超伝導体β-PdBi2の研究"
  • Tao Xie, 博士, The University of Chinese Academy of Sciences, 2019/6
    "Spin Excitations and Neutron Spin Resonance Studies in New-type Iron-based Superconductors"
  • Kim Eric Andreas SANDVIK, 博士, 東北大学, 2019/9
    "Control of stoichiometry and observation of spin excitation in the S = 1/2 bilayer triangular lattice antiferromagnet LiZn2Mo3O8"



(2) 水素貯蔵基盤研究グループ

【 BL21高強度全散乱装置NOVA 】

◆ 論文等

  • Takeshi Matsukawa, Takashi Honda, Hidetoshi Ohshita, Toshiya Otomo and Toru Ishigaki,
    "Average and local structures of κ-phase CeZrO4 crystals by neutron powder diffraction",
    CrystEngComm 21, 6335-6339 (2019).
  • Riki Kataoka, Toru Kimura, Kouji Sakaki, Masashi Nozaki, Toshikatsu Kojima, Kazutaka Ikeda, Toshiya Otomo, Nobuhiko Takeichi, Atsunori Kamegawa,
    "Facile Synthesis of LiH-Stabilized Face-Centered-Cubic YH3 High-Pressure Phase by Ball Milling Process",
    Inorg. Chem. 58, 13102-13107 (2019).
  • Sho Goto, Hiroaki Kura, Hideto Yanagihara, Eiji Kita, Masato Tsujikawa, Ryusei Sasaki, Masafumi Shirai, Yasuhiro Kobayashi, Takashi Honda, and Kanta Ono,
    "Positive Weiss Temperature in Layered Antiferromagnetic FeNiN for High-Performance Permanent Magnets",
    ACS Appl. Nano Mater. 2, 6909-6917 (2019).
  • Jinyu Hu, Kun Lin, Yili Cao, Rongjin Huang, Takeshi Matsukawa, Toru Ishigaki, Henry Fischer, Kenichi Kato, Takashi Honda, Kazutaka Ikeda, Toshiya Otomo, Kenji Ohoyama, Jinxia Deng, Jun Chen, Xianran Xing,
    "A case of multifunctional intermetallic compounds: negative thermal expansion coupling with magnetocaloric effect in (Gd,Ho)(Co,Fe)2",
    Inorg. Chem. Front. 6, 3146 -3151 (2019).
  • Kazuhiro Mori, Kenji Iwase, Yojiro Oba, Kazutaka Ikeda, Toshiya Otomo, Toshiharu Fukunaga,
    "Structural and electrochemical features of (Li2S)x(SiS2)100–x superionic glasses",
    Solid State Ionics 344, 115141 (2019).

 

◆ 受賞

  • 福井慧賀, “新規酸水素化ランタンLaH3-2xOxの合成と高ヒドリドイオン伝導”,
    第47回(2019年秋季)応用物理学会講演奨励賞
    (2019/11/13)



(3) ソフトマターグループ

【 BL16ソフト界面解析装置SOFIA 】

◆ 論文等

  • N. Itagaki, D. Kawaguchi, Y. Oda, N. L. Yamada, T. Yamaguchi, and K. Tanaka,
    "A Surface Effect on Frictional Properties for Thin Hydrogel Films of Poly(vinyl ether)",
    in press.

◆ 受賞

  • 高橋浩之, 藤原健, "中性子フラットパネルディテクタの開発",
    日本中性子科学会 技術賞
    (2019/11/20)



(4) 構造科学グループ

【 BL08超高分解能粉末中性子回折装置 SuperHRPD 】

◆ 論文等

  • Ryoichi Kajimoto, Kenji Nakajima, Masaki Fujita, Motoyuki Ishikado, Shuki Torii, Yoshihisa Ishikawa, Ping Miao, and Takashi Kamiyama,
    "Crystal Structures of Highly Hole-Doped Layered Perovskite Nickelate Pr2−xSrxNiO4 Studied by Neutron Diffraction",
    Journal of the Physical Society of Japan 88, 114602 (2019).