磁気材料分析
１．はじめに中性子の性質として大きく５つが上げられます。一つに「物を通り抜ける能力」、二つに「元素の同位体を見分ける能力」、三つに「ミクロな磁石としての能力」、四つに「物質中の原子の並び方を見る能力」、五つに「物質中の原子の動きを見る能力」です。これらは、中性子の本来の二つの性質、即ち、電気的に中性であることと、磁性（磁気モーメント、スピン）を持つことに由来します。磁気材料分析では、特に、三つ目の「ミクロな磁石としての能力」が強力なツールとなります。
２．磁気材料分析の概要
中性子を資料物質に当てて試料としての磁気材料の構造や性質を調べることを磁気材料分析と言います。中性子は磁性（磁気モーメント、スピン）を持ち「ミクロな磁石としての性質」を有するため、試料の磁性材料にぶつかると磁気的に影響を受けます。この磁性材料から中性子が受けた影響を調べることで、元々の磁性材料の構造や性質を知ることができます。この技術により、超伝導材料、磁性多層膜、磁性薄膜、磁気抵抗材料、ハードディスク、磁気メモリなどの構造や機能発現のメカニズムなどを解析することができ、新しい材料の創成に応用することができます。
J-PARC と KEK では、中性子を使った磁性関連の測定分析に関する装置として、世界トップクラスの１１の測定装置の整備と建設が進められています。
３．磁気材料分析の原理
一般的に、物質に照射した波または粒子が物質の影響を受けて各方向に散らばって広がってゆく現象を散乱と言います。光やエックス線を含む電磁波や電子・イオン・中性子等の粒子からなる物質波は散乱現象を引き起こします。
一般的に、中性子が試料としての材料物質により散乱を受ける場合に、材料の原子核による散乱（核散乱）と材料の磁性による散乱（磁気散乱）とに分けられます。
前者は主として材料中の原子や分子の空間的な構造や性質、後者は材料の磁性に関する構造や情報を調べるために有用です。

試料試料

試料

（結晶）

（結晶）

（薄膜、多層構造体）

中性子弾性散乱

中性子非弾性散乱（中性子回折）（中性子分光）

中性子反射

中性子の散乱、回折、反射は、試料材料の原子核、磁気の影響を受ける（情報を反映する）

散乱および散乱に関連する中性子技術を分類すると以下のようになります。
散乱は、試料の結晶に照射した際に、試料とのエネルギーや運動量のやり取りが生じない弾性散乱とエネルギーや運動量のやり取りが生じる非弾性散乱とに大きく分類できます。
中性子を使った弾性散乱は中性子回折と呼ばれ、結晶中の原子の空間的な配置を調べることが出来ます。中性子回折の中には、多くの微結晶からなる粉末試料に対応した粉末中性子回折や小さい散乱角での測定を行う中性子小角散乱といったものもあります。中性子回折や粉末中性子回折では磁性材料の単結晶や微結晶での結晶構造に代表される構造や性質を調べることができます
中性子を使った非弾性散乱は中性子分光と呼ばれ、結晶中の原子や分子の動きを調べることができます。非弾性散乱では磁性の基本となるスピンの性質を調べる事ができます。
膜構造を有する薄膜や多層構造体等の表面や界面での散乱・回折は反射と言われます。反射を詳しく調べることで、それらの材料の構造や性質について知ることができます。中性子を使った反射率測定がこうした事柄を解析する技術となります。
中性子反射率測定により磁性薄膜やハードディスクのように多層構造を有する磁性材料の表面や界面の構造と性質を調べることができます。
以上、いずれの技術も磁性材料分析に応用できます。特に、中性子小角散乱と中性子反射率測定は磁性材料の内、微細粒子や多層構造を有る材料や材料の表面や界面の構造や性質を知る上で重要です。特に、中性子反射率測定ではソフトマターと言われる材料の分析に有効です。
表１

中性子を用いた散乱、回折、反射の分類

中性子散乱・回折・反射技術

分かること

弾性散乱（中性子回折）結晶の静的構造と性質（結晶構造）

非弾性散乱（中性子分光）

結晶の動的構造と性質（原子分子の動き）

粉末中性子回折粉末（多数の結晶）の構造と性質

中性子小角散乱微細粒子や界面の構造と性質

中性子反射（反射率測定）

膜、多層、表面、界面の構造と性質

４．技術解説J-PARC と KEK では、前述した中性子を使った磁性関連の測定分析に利用可能な装置として、4SEASONS（四季）、DNA 、SuperHRPD、SPICA、HRC、アマテラス、大観、
ARISA-II（SOFIA）、写楽、千手、iMATERIA、と呼ばれる世界トップクラスの１１の測定装置の整備と建設が進められています。表２

磁性材料の分析に関連する中性子を使った散乱、回折、反射率測定装置

ﾋﾞｰﾑﾗｲﾝ

装置名

原理

BL1

４次元空間中性子探査装置（四季）

非弾性散乱

BL2

ダイナミクス解析装置（ＤＮＡ）

非弾性散乱

BL8

超高分解能粉末中性子回折装置（SuperＨＲＰＤ）

粉末中性子回折BL9

特殊環境中性子回折装置（ＳＰＩＡ）（建設中）

弾性散乱（回折）BL12高分解能チョッパー分光器（ＨＲＣ）

非弾性散乱

BL14

冷中性子ディスクチョッパー型分光器（アマテラス）

非弾性散乱

BL15

大強度型中性子小中角散乱装置（大観）

小角散乱

BL16

高性能試料水平型中性子反射率計（ＡＲＩＳＡ－ＩＩ）

反射率測定

BL17

試料垂直型偏極中性子反射率計（写楽）

反射率測定

BL18

特殊環境微小単結晶中性子構造解析装置（千手）（建設中） 弾性散乱（回折）BL20茨城県材料構造解析装置（ｉＭＡＴＥＲＩＡ）

弾性散乱（回折）

この内、BL17 の試料垂直型偏極中性子反射率計（写楽）は偏極中性子を用いた反射率測定と偏極解析が可能な中性子反射率計です。偏極中性子を用いた中性子反射率測定は磁気メモリやハードディスクといった多層構造を有する磁気材料分析に特に有用です。
中性子は磁気モーメント（スピン）を持ちます。磁石のＮ極とＳ極のようなもので、磁石の向きとも言えます。通常、中性子のスピンはバラバラな方向を向いていますが、偏極子というデバイスを使うことで、この向きを揃える事ができます。スピンの向きが揃った中性子を偏極中性子と言います。この偏極中性子をハードディ
スク等の多層構造を有する磁気材料に斜めに照射すると、磁気材料の多層構造の中で中性子は反射・干渉されます。また、材料の磁性の影響を受けて偏極中性子のスピンの向きが反転します。反射干渉の様子を解析し、さらに、スピンの反転の度合いを調べる事で、ハードディスク等の磁気材料の内部構造や磁気構造の情報を非破壊で得ることが出来ます。

中性子

反射ビーム

中性子

スピン反転→

反磁性体

深さ

強磁性体
強磁性体

浅

←

深さ →

深深反磁性体大 ← 中性子反射率 → 小

中性子ビームの磁気材料界面での反射◆資料提供 中性子産業応用事例集２０１０(茨城県)◆５．産業応用の事例
超伝導体の開発と評価、磁性薄膜の開発と評価、ハードディスク・磁気メモリの設計開発と評価、巨大磁気抵抗の解析、磁性体の構造解析と性能評価、など
６．今後開発が必要な周辺機器・技術
集光装置、集光デバイス、スピンンフィルター、磁気コイル、ガラスセル（ガス用容器）、自動測定用サンプル交換装置、超高真空装置、超低温装置、等
７．まとめ
中性子を使った磁気材料分析について、原理および J-PARC で整備されている測定装置、産業応用について、技術的な説明を行いました。中性子を使った磁気材料分析は材料の結晶構造から薄膜構造のものまで多岐に渡ります。目的に応じて、それぞれの特徴を活かした装置の利活用が重要です。特に、偏極中性子を使った中性子反射率計は、ハードディスクや磁気メモリの開発や評価に力を発揮します。
J-PARC のいずれの装置も世界最先端ですので、これらの装置を磁気材料分析に積極的に利活用されることが期待されます。
参考文献
・ 中性子産業応用事例集２０１０、平成２２年３月

茨城県
物質・生命科学実験施設カタログ、J-PARC セン

・ 大強度陽子加速器施設 J-PARC
ター・ 「中性子利用技術移転推進プログラム」における中性子利用の事例集
財団法人放射線利用振興協会（平成２１年３月）
・ 中性子回折 ( 星埜禎男責任編集、星埜禎男，国富信彦，浜口由和，渋谷 巌 分
担執筆)、共立出版、実験物理学講座 22 (1976)
以上