月例研究報告 3月

1. 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

水素液化用磁気冷凍材料における重希土類イオンの結晶場準位

　近年、液体水素温度領域をターゲットとした磁気冷凍材料の研究が盛んに行われている。室温300 K付近や1 K以下の極低温度領域とは異なり、重希土類イオンの結晶場準位のエネルギースケールと、磁気熱量効果が期待されている温度領域とが一致する数10K をター ゲットした磁気冷凍材料開発には、重希土類イオンの結晶場準位の理解が非常に重要である。ところが、これまで結晶場準位の研究は、個々の物質を対象としたものは多くあったが、重希土類を系統的に探索した研究はほとんどなかった。
　今回我々は、最近発見された巨大磁気熱量効果を示す物質HoB₂ を例に取り、J-PARCMLFのHRC分光器を用いた中性子非弾性散乱によって結晶場準位を明らかにすることで、巨大な磁気熱量効果と結晶場準位の関係を探査した。また、重希土類Tb, Dy, Ho, Er, Tmに対してどのような結晶場準位を持った場合に最大の磁気熱量効果を示すのかを平均場近似計算によって系統的に調べた。
　中性子非弾性散乱実験によって得られたエネルギースペクトル(Fig. 1a)を解析することによってHoB₂の結晶場準位を決定した。(Fig. 1 b) この結晶場準位の特徴は、1 meV以下の低エネルギーに5つの準位が密集しており、20 K程度の温度では擬似的に縮退していると見なせる。中性子非弾性散乱から得られた結晶場パラメーターを用いて、平均場近似計算を行った。ゼロ磁場における擬似的5 重縮退が、磁場によって完全に解かれ巨大なエントロピー変化（~7.5 J/mol K）が生じていることが確認された。(Fig. 1c)このことは、巨大な磁気熱量効果を生み出すためには、ゼロ磁場中での結晶場基底状態の擬似的な縮退度が非常に大きな役割を担っていることを示している。実際に、重希土類Tb,Dy, Ho, Er, Tmイオンに対して系統的におこなった平均場近似計算でもその傾向は見られた。今回の計算によって、20 K – 80 Kにおける重希土類イオンが示す最大の磁気熱量効果の値、およびそれらを示す理想的な結晶場パラメータの値を算出した。(Ho³⁺ 立方晶の例Fig. 1d)
　本研究で導き出された磁気熱量効果と結晶場パラメータの関係は、今後の磁気冷凍材料探索において、重要なガイドラインを提供できると期待している。本研究成果に関する論文は、Communications Materialsに掲載された[1]。

[1] N. Terada et al., Communications Materials 4, 13 (2023).

 

 

◆　論文等

• Noriki Terada, Hiroaki Mamiya, Hiraku Saito, Taro Nakajima, Takafumi D. Yamamoto, Kensei Terashima, Hiroyuki Takeya, Osamu Sakai, Shinichi Itoh, Yoshihiko Takano, Masashi Hase, and Hideaki Kitazawa,
  "Crystal electric field level scheme leading to giant magnetocaloric effect for hydrogen liquefaction",
  Commun. Mater. 4, 13 (2023).

 

(2) ソフトマターグループ

【 BL16ソフト界面解析装置SOFIA 】

◆　受賞

• 川口大輔,
  "高分子薄膜の機能発現に及ぼす界面構造・物性の効果",
  社団法人 高分子学会, 高分子学会昭和電工マテリアルズ賞 (2022/9/6).

 

(3) 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

• Igor E. Golub, Michael Heere, Volodia Gounaris, Xiao Li, Timothy Steenhaut, Jian Wang, Koen Robeyns, Hai-Wen Li, Iurii Dovgaliuk, Kazutaka Ikeda, Geoffroy Hautiera and Yaroslav Filinchuk,
  "Structural insight into the magnesium borohydride ‒ ethylenediamine solid-state Mg-ion electrolyte system",
  Dalton Trans. 52, 2404-2411 (2023).
• Ayuko Kitajou, Satoshi Hiroi, Koji Ohara, Kazutaka Ikeda, Takuma Nanami, and Shunsuke Muto,
  "Cathode Properties of xLiF-LiCrO₂ Composites (x= 0~1.5) Prepared by Dry Ball-Milling Method for Lithium Ion Batteries",
  J. Phys. Chem. C 127, 2866-2874, (2023).
• M. Micoulaut, I. Pethes, P. Jóvári, L. Pusztai, M. Krbal, T. Wágner, V. Prokop, Š. Michalik, K. Ikeda, and I. Kaban,
  "Structural properties of chalcogenide glasses and the isocoordination rule: Disentangling effects from chemistry and network ",
  Phys. Rev. B, 106, 014206 (2022).

 

(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

• M. Fujihala, M. Hagihala, K. Morita, N. Murai, A. Koda, H. Okabe and S. Mitsuda,
  "Spin gap in the weakly interacting quantum spin chain antiferromagnet KCuPO₄·H₂O",
  Phys.Rev. B 107, 054435 (2023).

 

(5) 中性子光学研究グループ

【 BL05中性子光学基礎物理測定装置NOP 】

◆　論文等

• H. Akatsuka, T. Andalib, B. Bell, J. Berean-Dutcher, N. Bernier, C.P. Bidinosti, C. Cude-Woods, S.A. Currie, C.A. Davis, B. Franke, R. Gaur, P. Giampa, S. Hansen-Romu, M.T. Hassan, K. Hatanaka, T. Higuchi, C. Gibson, G. Ichikawa, I. Ide, S. Imajo, T.M. Ito, B. Jamieson, S. Kawasaki, M. Kitaguchi, W. Klassen, E. Korkmaz, F. Kuchler, M. Lang, M. Lavvaf, T. Lindner, M. Makela, J. Mammei, R. Mammei, J.W. Martin, R. Matsumiya, E. Miller, K. Mishima, T. Momose, S. Morawetz, C.L. Morris, H.J. Ong, C.M. O'Shaughnessy, M. Pereira-Wilson, R. Picker, F. Piermaier, E. Pierre, W. Schreyer, S. Sidhu, D. Stang, V. Tiepo, S. Vanbergen, R. Wang, D. Wong, N. Yamamoto,
  "Characterization of electroless nickel-phosphorus plating for ultracoldneutron storage",
  Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 1049, 168106 (2023).
• Abdul Muneem, Junya Yoshida, Hiroyuki Ekawa, Masahiro Hino, Katsuya Hirota, Go Ichikawa, Ayumi Kasagi, Masaaki Kitaguchi, Naoto Muto, Kenji Mishima, Jameel-Un Nabi, Manami Nakagawa, Naotaka Naganawa, Takehiko R. Saito,
  "Investigation of the neutron imaging applications using fine-grained nuclear emulsion",
  J. Appl. Phys. 133, 054902 (2023).
• Hiroaki Akatsuka, Takashi Higuchi, Sean Hansen-Romu, Kichiji Hatanaka, Tomohiro Hayamizu Masahiro Hino, Go Ichikawa, Sohei Imajo, Blair Jamieson, Shinsuke Kawasaki, Masaaki Kitaguchi, Ryohei Matsumiya, Kenji Mishima,
  "Study of Thin Iron Films for Polarization Analysis of Ultracold Neutrons",
  JPS Conf. Proc. 37, 020801 (2022).