






























































     




 









        









 
 










 



















 



 
 



ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴߇ਇቯᦼߦ⊒ⴕߔࠆᚑᨐႎ๔ᦠߢߔ‫ޕ‬ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߩ౉ᚻਗ߮ߦ⪺૞ᮭ೑↪ߦ㑐ߔࠆ߅໧޿วࠊߖߪ‫ޔ‬ਅ⸥޽ߡߦ߅໧޿วࠊߖਅߐ޿‫ޕ‬ߥ߅‫ోߩ࠻࡯ࡐ࡟ᧄޔ‬ᢥߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ࡎ࡯ࡓࡍ࡯ࠫ㧔http://www.jaea.go.jp/index.shtml㧕
ࠃࠅ⊒ାߐࠇߡ޿߹ߔ‫⽷߆߶ߩߎޕ‬࿅ᴺੱේሶജᒄᷣળ⾗ᢱ࠮ࡦ࠲࡯㧖ߢߪታ⾌ߦࠃࠆⶄ౮㗏Ꮣࠍⴕߞߡ߅ࠅ߹ߔ‫ޕ‬‫ޥ‬319-1195 ⨙ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ 2 ⇟࿾ 4ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎㇱ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎ⺖㔚⹤ 029-282-6387, Fax 029-282-5920
㧖‫ޥ‬319-1195 ⨙ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ 2 ⇟࿾ 4 ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ౝThis report is issued irregularly by Japan Atomic Energy Agency
Inquiries about availability and/or copyright of this report should be addressed toIntellectual Resources Section, Intellectual Resources Department,
Japan Atomic Energy Agency
2-4 Shirakata Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken 319-1195 Japan
Tel +81-29-282-6387, Fax +81-29-282-5920© Japan Atomic Energy Agency, 2007

JAEA-Review 2007-030

���������������������
����������������������������
�����������������������
������������� ������������
������ ������ ��������� ��� �� �����
�� ���� � � � �� ������������������������������� ���������������������������������� �� � �� � �� �����������������������������������������
�������������������������������
����������
������������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������
����������������������������������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
������������
����������� ������������� ����i

ii

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

�� ���� ������������������������������������������������ ������ ��� ��������
���� ���� ���������������������������������

����� ��� �������
���� ��������������� ����������������� � � � ������ ��� ����� ����� ��������������� ������������������ � � � ������ ��� ����� ����� SPring-8 ��������������� ���������������� � � ������ ���� ��������
���� ��������������������� ������������� � � ������� ��� ��������
���� ���������������������� ����������� �� ��� � � � ������ ��� �������
���� � � �������������������������������� � � ������� ��� �������
���� ��������������� ������������������ � � ������� ��� ������
������������������������� ��������������������� ��������� � ������� ��� ��������
��������������������� ��� ���� ���������� � � ������� ��� ���������
�

iii

JAEA-Review 2007-030

�������������������
������������������� ��������� � � ������� ��� �������
��������������������� ���������������� � � ����������� �����
��������� ���������������������������� � � ������� ��� ��������
���� ��������������������������������� � � ���������������������������������������������� � ������������� ������������������������������ � ����
�iv

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

Contents
��� Preface� …………………………………………………………………………………

1

Yasuhiko FUJII� �JAEA���� Introduction of Quantum Beam Center at NIMS and recent research activity
related to Complex Quantum Phenomena � …………………………………………

7

Hideaki KITAZAWA� �NIMS���� Electron Complex System Science Research at RIKEN ………………………………

24

Hidenori TAKAGI� �RIKEN��
��� Advanced Researches at SPring-8/RIKEN Harima Institute ……………………
Masaki TAKATA�

38

�RIKEN����� Activity at JAEA Beamline at SPring-8- X ray scattering and spectroscopy ………………………………

53� � � ………………………………………

63

Jun’ichiro MIZUKI� �JAEA�
��� Neutron science instruments of JAEA�
Kazuhisa KAKURAI� �JAEA�
��� Recent research activity at NIMS

- Na-Co-O superconductor and others –………………………………………

82………………………………………

110

Eiji MUROMACHI� �NIMS�
��� Hard X-ray photoemission spectroscopy
Keisuke KOBAYASHI� �NIMS���� Discovery and application of giant negative thermal expansion materials� ………………� 126
Koshi TAKENAKA� �RIKEN�et al.
���Study of spin frustration using CRYOPAD– Neutron scattering study of spinel magnets - ………………………………
Masaaki MATSUDA� �JAEA�

v

138

���Examples of PDF analysis on crystalline materials
by high resolution pulsed neutron diffraction …………………………………………

148

Katsuaki KODAMA� �JAEA�et al.
JAEA-Review 2007-030

���Recent Research on Diamond Superconductor
Superconductor
in a doped
semiconductor–A Nobel
���Examplesof PDFanalysis on crystalline
materials………………………

162

byhigh resolution
pulsed�NIMS�
neutron diffraction …………………………………………
Yoshihiko
TAKANO�

148

Katsuaki KODAMA� �JAEA�et al.
���Toward the material design of electron complex system materials ……………………�

178

Ryotaro
ARITA�on�RIKEN����RecentResearch
Diamond Superconductor–A Nobel Superconductor in a doped semiconductor-………………………

162

Yoshihiko
TAKANO�……………………………………………………………………�
�NIMS�
���Free
Discussion

191

Shin-ichi SHAMOTO� �JAEA�
���Toward the material design of electron complex system materials ……………………�

178……………………………………………………………………………�
Acknowledgment
Ryotaro ARITA��RIKEN�

194

Appendix Discussion
���Free……………………………………………………………………�

191

WorkshopprogramSHAMOTO�……………………………………………………………………………�
�JAEA�
Shin-ichi

195

Workshop photos ………………………………………………………………………………�
196……………………………………………………………………………�
194
Acknowledgment
Appendix
Workshop program……………………………………………………………………………�

195

Workshop photos ………………………………………………………………………………�

196

vi

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

�� �� �� �� ������������� �������������� ��� � ���������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
���������������������������������� � ������ ��� �� � �� ��������������������������������������
������������������������������������������
���������������������
����������� � ����������� ����������
�����������������������������������������
���� � �������������������� �� � � � �� ���� � ������
������������������������������������������
�������������������������������������������
����� � �������������������� � ���������������
����������� ������������������� � ��������������
������������������������������������������
��������� ������������
��������������������
���������������������� �� ������ ����������
�������������������
�������� ��������� � �������������
�������������������
�������������������
����������
��������������������
������������� 18 � 12 � 20 ��

�
�
�

－1－

JAEA-Review 2007-030－2－

JAEA-Review 2007-030

������ �������������������
������������������������� �������������������� ������������
����������

����������

����
��
�����

�

�������
����

�

�

�����
����

�����
���
����

����
�����

�������������

��������
���������

�������

��

��

���
���

���

���

���

����������
��������������
����������

�����

����

��������

*�������������������

��������������
���������
•
�� ��
•
�� ��
•
�� �

��
��������� �����
���������� �����

������
•
�� ��
•
�� ��
•
�� ��
•
��� ��•�� ���

��������� �����
����� ������������� RAL��������������
•
�� ��
•
�� ��
•
�� ��
•
�� ��
•
�� ��
•
�� ��

��
����������� �������������� ��������������� ��������������� ��������������� �������•������������������ (���������)•���������������� (������)•���������������� (�����������)
���

－3－

JAEA-Review 2007-030

����������������������
����������������������������������������

�����������
������ �����������
�����������
���������
���������
������ ����������
����������
�� �������
�������
���
(���)
�����
��

����

���
����
NMR

(���)
(��)

������
��������

��������
��������
�������� �(��)������
������ �������������
������������� ���������
��������������������
��������������������
��������������
��������������
������ ���������
���������
�����NMR�����NMR������
������ ��������
��������
�������������
�������������
������ ���������������
���������������
���������
���������

����������
�������������������������
���

���

�����
(��)

���

��������

����
����

������
������������
��������
��������

��������������
������������
�������

• �������
• �������
• �������������
• ������
����

�����
������������

������
�������

������
����������
����������

－4－

���

JAEA-Review 2007-030

�����������������������������
���������������������������������������

��������������������
���������������
������������
������������
������������
������������

������
��������

����������������
��������������
�����������
������������

��������������
����������
������������
������������
�������������
�������������� ������������������
�����������������
���������������
���������������
�����������
�����������

�������
�����������������

�������

������������

��������������������������������
��/���

����

��

���

������������

�����������

������������
�����

�����
�����������

���������������������

����������
��

MEA������

���������
�����������
���������
���������

����������
��
���

MEA�Membrane Electrode Assembly���������/�����

��/���

������[XAFS�RIXS]��������

�����������
����������������
�������

���[RBS]������������

��������������
��������

���[��������]�����/�����������

���������/�������������

－5－

JAEA-Review 2007-030

���������(WG)�������

��������������������������(WG)������
�WG��������������������������������
����������������������
��WG����������������������
�WG������������������������������
������������
�WG�������������������������������
����������������

���

WG�����
����WG
� ��
�� ��
�� ��
�� ���
�� ��
�� ��
�� ��
����
����

��������� ����������
��������� ����������
��������� ���������
������ �����
������ �����
������ �����
����������� �����������
����������� �����������
����������� �����������

������WG
�� ��
�� ��
�� ��
�� ��
�� ��
�� ��
�� ����� ����������� ���������
��������� ������
��������� ���������
������ �����
������ �����
������ �������������
����������� �����������
����������� �����������
���

－6－

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

������� ������������������������
��������
���������� ���������� ������������ ��

�������������������������������������
�����������������������������������������������
������������������������������������������
����������������������������������������������
����������������������������������������������������
�������������������������������������������
�������������������������
��������������������������������������������
������������������������������������������
�������������������������������������������
�����������������������������������������������
�������������������������������������������
��������������������������
������������ ��������������������������� ������� �������� ������� ������������������ ���� ������
������������������������ ����� ���������������
�������������������
��������� ����������������������������������������
��������������������������� ��� ����������������������
����� ��� �����������������������������������
�������������������������������� � � �������������
������������������ ������������ ��������������������
���������� �����������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
�������������
��������������� �������������������������������������
����������� �������������������������������������������
������� � � ���������������������������������������������
���� ����������������������������� ���������������
����������������������������������������������
������������������������������������� ��������� ���������������������������������
�
�

－7－

JAEA-Review 2007-030

�������������������� ������������������������

������������������
����������������
��������� ���������
���������
����

Outline������������������
������������������
�������������������
������� ����������������� ���������������
���������������

－8－

1

JAEA-Review 2007-030

������������������

Mission of Quantum Beam CenterTo
To develop
develop Quantum-beam
Quantum-beam technology
technology using
using SPring-8,
SPring-8, PF,
PF, J-PARC
J-PARC andand EPFEPF forfor advanced
advanced nanomaterial
nanomaterial fabrication
fabricationandand characterization,
characterization, developing
developing each
each beam
beam technology
technology andand complimentarily
complimentarily applying.
applying.
Development
Developmentof
ofuniqueuniqueandandcomplementarycomplementarytechnologies
technologies

Spin particle
High transmittance
Coherent photons
Microbeam

Synchrotron Radiation
Compact spectrometer withultra-high sensitivity forelemental analysis

Top-level
Top-levelKey
KeyTechTech forfor
Nanocharacterization
Nanocharacterization
Subnano buried structures
Electronic/atomic states
Spintronic/s.c. states
Photonic sates
Nanopatterning

Top-level
Top-levelKey
KeyTechTech forfor
Nanofabrication
Nanofabrication

Ultra-highresolution/sensitivity

Neutron Beams
Spin/3D nanoanalyses

J�PARC

Quantum
QuantumBeam
BeamTech
Tech
For
ForNanomaterials
Nanomaterials

Ion Beams
Nanomaterials
fabrication/3D control

Material
fabricationbasis
Facility
FacilityUtilization
Utilizationand
andAtom injection
Nonequilibrium

EPF (Extreme Particle
Field generator)

Materials modification,
Ion beam analyses

GlobalGlobalCollaboration
Collaboration

CommonCommonKey
KeyTechTechforfor
Nanomaterials
NanomaterialsResearch
Research

Towards
Towards creating
creating breakthroughs
breakthroughs inin materials
materials sciencescience andand technology.
technology.

－9－2

JAEA-Review 2007-030

�����������������
������������
�������������������� ��������������
�����
�����

����������������������
����������������������

����
����

�������������������������
�������������������������

����
����

�������������������������
�������������������������

����
����

����������������������
����������������������

��
�� �
�

���61�

���������������31��������25����4������������2���������31��������25����4������������2���������23��NIMS������2��NIMS��������10���������23��NIMS������2��NIMS��������10��������5��������2��NIMS���������4��������5��������2��NIMS���������4���������7�������2��������2��������2������1���������7�������2��������2��������2������1������������������������� ��������
����������������������������
������

������

���������������������
�����������
�������������
��������������������

��������������������� ��������������� �������
������������������
���������������������
�������������������� ������
�������������������� �����
���� ������

���������������
�������������������������
���������
�������������� ���� ������������ �������
���������

��������� ����������������
�������������������������
�������������������������
�������� ������������������

����������������������
����������������
������������ ���������������
�����������

������

�����������������
������������������������� ������ ������

���������������
���������������
���� ����

－ 10 －

3

JAEA-Review 2007-030

�������������������������� ����������������������������������������������

���
����

�������
�������������

�����������
����������������
�������������
����������
�����������
����� �������������������
�������������������
���������������

������������
��������� � �������������������� � ������ ������������
������������
�����������

�������q)����
��������������������
�����������������
���������������������
��������������������� �����������������������

������
��������������
����������������
�������������
������

�������������
�����������������

������������������������� ��������������������������������
�����
�����
����������
����������
�������A�
�������A�
�����������
�����������

���������
���������
������������
������������
��������������
��������������
������
������

������
������
�����
�����
����
����
����
����

���������
���������
��������������
��������������

�������������
�������������
�����������
�����������

�������
�������
�������
�������
���nm����
���nm����
�������
�������
�������
�������
����������������������
����������������
����nm�����������
����nm�����������
�������
�������

－ 11 －

�������������
�������������
������������
������������

4

JAEA-Review 2007-030

4. �������������������� ��/��18�����������������������������������������������

������������

���������

4He(23S )
1

�����

���
MJ = +1, 0, -1
EE = 19.8 eV
� ~ 10000 sec
� ~ 0.1 nm
Ek ~ 100 meV

Pd(111)����Fe�
1/200��
����������������
����������
�������AFM��� =0.25

(a)

(b)

(c)

(d)

(Å)

�

�

CO/
Fe(110)
����
���

��

��������
��������
��������
��������
��������
��������
����������������
������
������
�����
�����
�����
�����
�����
�����

[110]

���������������
������
�������
����������

��
�
�
[110]

� �

�

� �
(Å)

�

� �

�

�

��� 4� 5�/1� 2�*������������������

－ 12 －

5

JAEA-Review 2007-030

��������� ��������������������������
ResearcherGroup Leader�� �� ����������
����������������� ��� �������
����������������� �� �������
������������������ �� �������
��������������� �� �������
�������������
�������������� �� �������
��������

MUSASI�� �� �������
�������
�����������

���� �����
����������

������������������� �����������
��������������������� �� �������
���������������
�������� �������
����������������

������� �� �NIMS������������������
HRPD�MUSASI�

Tuerxun Wernish �NIMS�������)
��������HRPD�
MUSASI�MPF(MEM-based Pattern Fitting)�����
�����������

�����������
�����������
��������������
������� � ����������� ��� ���������

�������
�����������
���������
���������������

����������
������������
���������
����������
�����������
��������������
������
�������
��������

������������
���������
���������
������������

－ 13 －

6

JAEA-Review 2007-030

��������������������
La1 La1
La1 O1
La1-O1
La1
layer
O3
O3
A
4i site4i site O3
O3

Intensity (Counts)���������������������
�����������������������������
��������������������

La2 La2-O2
La2 layer
La2
TiNb O3
O3
O3
O3
La1
La1 La1-O1
La1
O1 La1 layer
La2 O2

1,358 �C2� (deg.)��������������������������

����������������������������
��������
O1
B

B

B

A
O3

O3
La2

O2
TiNb

c

B

496 �CaBb

1,008 �C

La1

La1

La2
B
La1

1,358 �C

������������������������������
������

－ 14 －

7

JAEA-Review 2007-030

�������������������������

r = R1����� ��������� �����
�����������

�����������������

r = R2��������

������������

��

����
����

����

������� �������������������
�������
�������������
�����

X�/��
�

3rd
collimator

�����r = R10� ����

2�min
1st collimator
2nd collimatorr = R2��������������<3�

� ���� ��� �������� ���������� �� ������������ ���������

�����������������������������
����������
(�����)����

���������
������������

����������

����������

������
�������

����������

��������������

��������
��������
���

�����
�����

－ 15 －

8

JAEA-Review 2007-030

������������������H19.4����������������������������������
�������������������������
��������������������������
������������ �����������������
������������ �����������������
����������� �������������������
������������������

Crystal growth facilities

Single crystal of CeSb

Resistivity (�� cm)

16
14
12
10
8

Single crystal of MgB2

－ 16 －

2

H=0 T

H=0 T

1

H//c

0
0 10 20 30 40 50
T (K)

6
4
2
0

Single crystal of TbNiAl

3 H=9 T

Resistivity (�� cm)

� Infrared-image furnace for thefloating zone method� High-temperature furnace
for the Bridgman method

Resistivity (�� cm)

� Tetra-arc furnace for the
Czochralski pulling method

3

H=9 T

2
1

H=0 T

H//ab

0
0 10 20 30 40 50
T (K)

0

50

100

150

200

250

300

350

Temperature (K)9JAEA-Review 2007-030

����������������������
������������������
�������������������SAXS��( 0.07 nm-1 < q < 1.2 nm-1�

������SAXS��( 0.2 nm-1 < q < 4 nm1����������������
��������

��������

Magnetization and ultrasonic measurements
using the hybrid magnet at NIMS
37.9 T @ �32mm
35.5 T @ �50mm

Sample extract magnetometer

Ultrasonic measurement system－ 17 －

10

JAEA-Review 2007-030

�����������������������
��������������
���������������������������
������ ���������
�����������������������
Title

Spectrometer

PeriodPerticipants

1

Investigation of the crystal andmagnetic structures ofmultiferroic BiCrO3

HRPD

April 2-3
(1day)A. A. Belik(NIMS), S. Iikubo (JAEA),
K. Kodama (JAEA), N. Igawa (JAEA),
S. Syamoto(JAEA)

2

Inelastic neutron scattering
study of Cu3Mo2O9

TAS-2

April 1012
(2days)M. Hase (NIMS), M. Matsuda (JAEA),
K. Kakurai (JAEA)

3

Magnetic excitations from a new
spin-gap system Cu2PO4OH

TAS-2

July 3-6(3 days)A. A. Belik(NIMS), M.
Matsuda(JAEA)

4

Crystal structure study of(Cu0.5Cr0.5)Sr2Ca2Cu3O9.5

HRPD

Not
decidedA. Ubaldini (NIMS), E.
Muromachi(NIMS), A.
Matsushita(NIMS), S. Syamoto(JAEA)

����������������
���������

－ 18 －

11

JAEA-Review 2007-030

������������
��������������
�����������������
���������������

����������
�������������

���T»��

���T«��

�������������
������

������������
���������
������������������
������
�������
��������������������

���������

������������

Spin1/2 trimmer (J1-J2-J2) chain model���������������������
������������

Cu(1): weakly AF coupled free spins
Cu(2): spin-singlet pairs
M. Hase et al., PRB 73 (2006) 104419.

－ 19 －

12

JAEA-Review 2007-030

Constant-Q scan spectra of Cu3(P2O6OD)2
Cu (P O OD)
3

900

2

600

1.3 �-1
1.5 �-1300

2.5 �-1
3.5 �-1

5

10
� (meV)15(b)

Q = 1.3 �-1
Intensity (counts/540 k mon. ��5 min.)Intensity (counts/540 k mon. ��5 min.)

6

900

(a)

T = 5.1 K

0
0

2

600

5.1 K
45 K

300

102 K
286 K

0
0

20

5

10
� (meV)

15

20

Direct observation of gap formation of 10 meV for Cu(2) sites

Constant-� scan spectra and temperaturedependence of integrated intensity in Cu3(P2O6OD)2
Cu (P O OD)
3

2

6

2

340f(Q)2�1-sin(3.06Q)/(3.06Q)]+59

1.2

300

Intensity (arb. units)

Intensity (counts/540 k mon. ��5 min.)400

9.75 meV, 5.1 K

200

100

0
0

1

1

2

6

2

Integrated intensity
1/[1+3exp(-114/T)]

0.6
0.4
0.2

4 meV, 5.1 K

0
0

3

3

0.8

6 meV, 5.1 K

2Q (���)Cu (P O OD)

4

100
200
Temperature (K)300

Isoreted AF dimer model－ 20 －

13

JAEA-Review 2007-030

Reevaluation of exchange constants of J1 and J2
Cu (P O OH)
2

6

0.01

0.01

0.005
00

0.005
(a)

50
Temperature (K)

0.2
0.15

B

100 200 300
T (K)Collapse ofenergy gap:
H > 80 T

H = 0.1 T

00

M/g (� /Cu)

2

0.015

� (emu/Cu mol)

Susceptibility (emu/Cu mol)

3

0.015

100

T = 1.6 K

J1 = 111 K
J2 = 30 K

gap
Exp.
QMC J1 = 95 K & J2 = 28 K

0.1

0.05

QMC J1 = 111 K & J2 = 30 K

0
0

20

40
60
80
Magnetic field (T)J1 = 95 K
J2 = 28 K(b)100���������R3Pd20X6(X=Si,Ge)�����
Tb3Pd20Si6
Tb

Pd

Si

Tb(8c)

Tb(4a)

Tb(4a) sublattice� Tb ions inside a cage of
Pd2 and Si atoms
� Cubic site symmetry Oh

Tb3Pd20Si6, Neutron Peak Intensity

50

phase II

phase IIIphase ITb(4a): ordered, k2=[0,0,1]
Tb(8c): ordered, k1=[1,1,1]

k1=[001]

Neutron Intensity40(1,1,1)(1,1,0)30

Tb(4a): disordered

20

TN2=4.1 K

TN1=10.2 K

Tb(8c): ordered, k1=[1,1,1]

k1=[111]

10
0
1

2

3

4

5

6 7 8 9 10 11 12 13 14
Temperature [K]－ 21 －

Tb(8c) sublattice� Tb ions inside a cage of Pd1
and Pd2 atoms
� Cubic site symmetry Td

14

JAEA-Review 2007-030

Quadrupolar and Magnetic Phase
Transitions in Ce3Pd20Ge6��������

kBT<<E

E<<kBT������

������

� R3Pd20X6(X=Si,Ge)���������� ������������������������
���������������� �������������������������
����������������

���������R3Pd20X6(X=Si,Ge)�
�������� ����������������������������� ����������������������������������� �������������������������������
�������������������������
�������������������
H CEF � B4 O40 �5O44 � B6 O60 � 21O64 � W x�O4 F (4)�� 1� x �O6 F (6)�

�

� �

6
4

� �

� �

�

Nd3Pd20Si6

�3Energy ( a.u. )

2
0
-2

�4

�5

-4
-6

3+

Pr

�1

-8
-10x10

(J=4)
W>0

�8(1)

3

-1.0

-0.5

0

x

0.5

1.0

Ref. T.Herrmannsdörfer et al., J. Alloys
Comp. 323-324 (2001) 509－ 22 －

�8(2)�����������

15

JAEA-Review 2007-030

Pr3Pd20Si6���������

( 8c��������������� )TAS2, EA = 13.7 meV, Pr3Pd20Si6

Neutron Intensity [cts]800

W< 0, x ~ - 0.66

-1

T=4.5K, Q=1.33Å
-1
T=4.5K, Q=3.50Å

(8c): A600

10-11 eV��(8c): B

8x10

400Energy ( a.u. )

?
?

200
0

Neutron Intensity [cts / M12,000,000]

-3

0

3
6
9
Energy transfer [meV]1215

T=2.9K, Q=0.66Å
-1
T=20K, Q=0.66Å
-1
20K-2.9K, Q=0.66Å

(8c): A

0

1
2
Energy transfer [meV]

3

�4
�3

-0.5

0

0.5

x

�5

�4

�1

0

8

18.7

0

25

7

0

1

13.3

�4

(8c)�������
��

1.0

�3
�5

A

0

0
-2

�3

�3
100

�5

2

-1.0

1.45 eV��(8c):C

200

4

C

B

Pr ( J = 4 )
W<0

�1

-6

4.5 eV

��
-1

300

3+

-4

LTAS, EA = 3.50 meV, Pr3Pd20Si6

400

3

6

0

�1

11 eV����������������4a��������������
����������������������5
Model 1 (W <0, x ~ -0.8)
3Energy ( a.u. )

(4a)6

Pr
�1

(J=4)
W<0

4

�5

2
0

�4

-2
-4

(4a)
�3

2

(8c)

4

6

3+

Energy ( a.u. )8x10Model 2 ( W > 0, x ~ 0.76 or 0.93)

0
-2

�5

-4
-6

�3

�4

Pr

�1

-8
-6
-1.0

-0.5

0

x

0.5

1.0

-10x10

Ce3Pd20Si6 �(8c),(4a)�������

－ 23 －

3+

(J=4)
W>0

3

-1.0

-0.5

0

x

0.5

1.0

Ce3Pd20Si6�(8c)������
(4a)������

16

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

������������������
��������� ��
��������������������������������������
�������������������������������������
�������������������������������������
�������������������������� ��� ��� ���� ��� ��� ���� ��� ��� ���� ���������� ������������������� ������� ���������
����������� ��������������������������������
��������������� ������� ������������������
������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

－ 24 －

JAEA-Review 2007-030

�������

���17���22��)������������

�������

������

����������������

�����������

������

������

����������
����������

�������������
����������

�����
�����

�������

����������
�����������

�����������
����“�����”���

d��
���

����
�����
���

����
���
���

��������

�������
��������

������

��������������������������� ���������

－ 25 －

JAEA-Review 2007-030

������� – �������
��������������
��(����)��
(�������

�����������������
����� ������
�������������������

��
���
�����

��������������������
�����������������������

������������

������������������������
���������������
�������������(������)������ � ������� (�� ��������������������PES�PEEM��
������ ���� �����)� ����STM/STS�������������������������
��������������

－ 26 －

JAEA-Review 2007-030

����������

������������� � ���������
3

2
Sm (J/Kmol Ir) Cm/T (mJ/K mol Ir) � (mol Ir/cm )

2000
1500

Na4Ir3O8

1000

�1

Na4Ir3O8��������
�����������

500
0Na4Ir3O8

??

40
20

���������������
0���������
8 Na4Ir3O8
6
4
2
0
0

50

�������������������
������
�����

100 150 200
T (K)����������

��������(������ – �������
��������������

������������
���������������

���������� �������
(C2H5)(CH3)3P[Pd(dmit) 2] 2

LiRh2O4
Rh3+�Rh4+ ����2

10

LiRh2O41� (�cm)

10

0

10

-1

10

-2

10

-3

-4

� (10 emu/mol Rh)

10

�����

－ 27 －

LiRh2O4

3
2
1

�����

0
0

100

200

300

���
��

JAEA-Review 2007-030

���������������������
New type of conductor
1022

105

1021
�eff

104

1020

103
102

1019
������������ �

1018

101

1017

100

-3

106

��������������� neff (cm )2�������� �eff (cm /Vs)

�-(BEDT-TTF) 2I3

1016
neff

10-1
10-2 0
10

101

T (K)

Dirac Cone

1015
102

e2/h=25.8k�

1014

Quantization of conductance������

����������

Mn3(Cu,Ge)N: ��������
���������
�����������

������������………
��������

������� ���������

��������

�������� ��������������

���������

�����������������

���������

���������������

����������

���������������

����������

���������������

����������

isotropic , high thermal conductivity
Takenaka & Takagi, Applied Physics Letters 2005,－ 28 －

JAEA-Review 2007-030

�� multi-extreme STM �� �����
NbSe2
Tc = 7.1 K,
TCDW = 29 K

5 nm � 5 nm
+50mV/100pA• Very-low and variable temp. (400 mK – 60 K)• High field (11 T), UHV (~10-10 Torr)• In-situ tip/sample exchange (resonant freq. 5.5 kHz)• Long-term stability ~Å/day• Noise levels < 1 pm, 1 pA

atomic resolution
spectroscopic imaging!

������������������� NbSe2
T = 450 mKT
H = 0.10T
250�250 nm2Spectroscopy dI/dV“superconducting gap”

T ~ 400 mK
120

dI/dV (arb. units)

100
80

Vmod = 3 �V

60
40

Vmod = 50 �V

20
0
-4

-2

0

2

4

Sample bias (mV)Spectroscopic resolution better
than 3 �V－ 29 －V�0JAEA-Review 2007-030“Pseudo-gap” �� � ���������
����

Electronic evolution

����hole concentrationd-wavesuperconductivity?
�����?

Possible “hidden” orders – so many!
• Orbital-Current Phases- d-Density Wave :- broken time-reversal symmetry

S. Chakravarty, R. B. Laughlin, et al.,PRB 63, 094503 (2001).

- Intra Unit Cell Orbital Current :C. M. Varma, PRB 55, 14554 (1997).

- Staggered Flux Phase :I. Affleck & J. B. Marsdon, PRB 37, 3774 (1988).
J. Kishine, P. A. Lee & X. –G. Wen, PRL 86, 5365 (2000).

• Electronic Crystals- Stripes :- broken translational/rotational symmetry

J. Zaanen & O. Gunnarsson PRB 40, 7391 (1989).
K. Machida, Physica C 158, 192 (1989).
S. A. Kivelson, E. Fradkin & V. J. Emery, Nature 393, 550 (1999).
E. Demler, S. Sachdev, et al., PRL 87, 067202 (2002).

- Checkerboards / Wigner Crystals :M. Vojta, PRB 66, 104505 (2002).
J. Zaanen & O. Gunnarsson PRB 40, 7391 (1989).
H.-D. Chen et al., PRL 89 137004 (2002).
H. C. Fu, J. C. Davis and D.-H. Lee, cond-mat/0403001.

- Charge Order Embedded in an SC State:

P. W. Anderson, cond-mat/0406038.
A. Melikyan & Z. Tesanovic, cond-mat/0408344.
M. Takigawa, M. Ichioka & K. Machida, private commun.

－ 30 －

JAEA-Review 2007-030

Ca2-xNaxCuO2Cl2��������������
Hanaguri at al. Nature (2004)
Kohsaka et al Science (2007)
With Cornell group

topograph

Spectroscopic imaging (150 meV)a = 3.9 A����� �����4a��

24meV��������������
Hanaguri, H.T, Nature submitted

H=0T

Ca2-xNax CuO2Cl2

0.8

H=0T
H = 11 T
H = 0 T (re-zero)

0.1nS

0.2nS

0.4

Vs = 0 mV

dI/dV (nS)

0.6

0.2

0.0
-40

0.6nS

Vs = 20 mV

Tc ~ 28 K
Tmeas ~ 0.4 K

H = 11 T

-20

0

20

0.0nS

40

Sample bias (mV)�����������������

－ 31 －

JAEA-Review 2007-030

Hanaguri, H.T, Nature submitted�������������
dI/dV(-V)
10 nm

4a0/3

Lattice

dI/dV(+V)/dI/dV(-V)

-6 mV

6 mV

-6 mV

6 mV

dI/dV(+V)
10 nm

+6 mV

+6 mV

4a0

Checkerboard

Interference!

Checkerboard

Coherent QP’s in dSC state coexist with the CB!!

d���������(���)����������
Hanaguri, H.T, Nature submitted
ARPES: K. M. Shen et al.,Science 307, 901 (2005).

����

����

d����

- ���������������������������
- ����������������������� ������

－ 32 －

JAEA-Review 2007-030

���� – ��������������
�������������
���������
����������������
�����������������

Sr3Ru2O7

Stoner Free Energy (GL)F(M)=AM2+BM4+CM6+…….. –�BHM
A= 1-��<0 :Stoner condition for FM

A>0, B<0, C>0:
meta-magnetism
B � (D’/D)2-D”/3D < 0
D’=dD/dE|EF D”=d2D/dE2|EF�10meV������
������S. A. Grigera,, et al., Science 294 329 (2001).

Sr3Ru2O7 - 8T�����
T ~ 5 K, 30��30�, It = 100 pA

Sr O

Vs = +50mV

Ru

Switching to:- Ferro-magnet with applying
magnetic field of 8T- Insulator with a few % Mn
dopimg

STM topographa =3.9 A－ 33 －

JAEA-Review 2007-030－ 34 －

JAEA-Review 2007-030

Mn ������������LDOS (E=eV, r )Topographic Image

Impurity satate
extends over at
least 1nm

STM/STS ��- ������������������
������������ �����������������)��������� (�����, CDW/SDW����������)- ��������� (�����)� �����������

��������� (���)�����������
- �������
�����STM－ 35 －

JAEA-Review 2007-030

��X���(�X�)������ f = f0 + f’ + if’’��������������
����������
f’, f’’ ����f0�������
f’ + if’’�����

��������(�����)���������
������
cf.) LaMnO � Mn ����� (Mn3+, Mn4+)
3

Y. Murakami et al., PRL 81 (1998) 581.

�X���������
���(C���): �����
3d ��� : 1s � 4p : indirect
4f ��� : 2p � 5d : indirect��������
��������
�X����

�X���
�X���������
���(C,N,O,…) : 1s � 2p : direct
3d ���
: 2p � 3d : direct
4f ���
: 3d � 4f : direct
Q

K-edge:
4px,z
4py
3d
~ 6.5 keVki

L-edge:3d ���
��������

E = E�

-

1s

kf

-

+

+
+

-

+

+

－ 36 －

�������
��������

-3d~ 650 eV2p

JAEA-Review 2007-030

�������� �������������������� ����

SiO2�100�����������
�������������FePd�����－ 37 －

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

�����������������

������������ ���������
����������������������� ��

��������������������� � ��� � ����������������
���������������������������� � �����������
������������������������������ ��������������
����������������������������� ���������������
����������������������������� � � �� �� �������� ������������������������������
����������������������������������������
��������������������� � ������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
���������������������������������������
����� �� � �� ��������������������������������
���������� �������� �������������������������
�����������������
��������������������������������������
���������������������������������������
���������������������������������������
���������������������������SPring-8 ��������
�������������������� X ������������������
���������������������������������������
���������������������������������������
���������������������������������������
�����������������
������������� ����������������������������
����������������
���－ 38 －

JAEA-Review 2007-030－ 39 －

JAEA-Review 2007-030－ 40 －

JAEA-Review 2007-030－ 41 －

JAEA-Review 2007-030－ 42 －

JAEA-Review 2007-030－ 43 －

JAEA-Review 2007-030－ 44 －

JAEA-Review 2007-030－ 45 －

JAEA-Review 2007-030－ 46 －

JAEA-Review 2007-030－ 47 －

JAEA-Review 2007-030－ 48 －

JAEA-Review 2007-030－ 49 －

JAEA-Review 2007-030－ 50 －

JAEA-Review 2007-030－ 51 －

JAEA-Review 2007-030－ 52 －

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

���SPring-8 ���������������
���������
����������� �����������
�������������� ���� � ��������������� �����������������������������
�������������������������������������������
������
�������������������������������������
��������������������
���������������������
���������������������������������������������
������������������������������������������
�������������������
���������������� ���������������������������������
�������������������������������������������
���� ���
�������������
��������������������������
������������������������� �� ������ ����������������
�����������������
��������������������������
������������� ���� �������������
���������������
����������������
�������������������������������������� ��������
������������������������������������������
���������������������������������
�������������������������� �����������������������
����������������������������������������� ���������������������������������������������
���������������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�

－ 53 －

JAEA-Review 2007-030

�����������
�������������������������
��������������������
�����������������

�������������

BL-23SU0.3keV~2.0keV

BL-14B1
4keV~100keV

BL-11XU
6keV~70keV

BL-22XU
3keV~70keV���������������������
mirrorResonant
Si 333undulator

2�A
2m

mirrorsample2�S

spherical
analyzer
Ge 531

Cu 4p

�����

diamond
111

���

Cu 3d

���
���� ���
��

slit
detector

���

EF

����
����

Cu 1s
����

�����V, Cu, Mn���20K<T<300K
���up to 7T
���DAC－ 54 －

1

JAEA-Review 2007-030

���������������������
YBa2Cu3O6

E

NdCuO4E

Nd1.85Ce0.15CuO4

���XAFS�������������

poly-crometer

sampleWhite X-rays

CCD���

���������
������
real time ��tE

reductionoxidation������

Detector

���

��

���

White Xrays

SampleBL-14B1
Pd-K edge
�����

���

1 ms

���

100 ms

���
���
���
���
���
����

����

����

����

����

����

����

��

����

�����������

－ 55 －

2

JAEA-Review 2007-030

��������������
���������
(a) LaFePdO3

12

8

in 10 ms time-resolution
Pd-Pd(metal)
Pd-O(perovskite)

6
4 H2 in
2
0

1

2

3

Time (s)M. Uenishi et al.,Catalysis Comm. (’07)(b)Pd / �-Al2O3

12Coordination Number

Coordination Number

10�������

4

10

in 10 ms time-resolution

8
6 Pd-O(PdO)

Pd-Pd(metal)

4
2 H2 in012Time (s)34������������

������ARPES, MCD
1s � np
2p � 3d
3d � 4f
�� � ���� � ���� � ��

U

4d � 5f
CO
Ti
Cu
La

MCD
Yb
Si

PLD

brilliance(ph/s/mm2/mrad2 in 0.1% b.w.)

0.20.5 1 1.5 2����������� �����

PES

4���������

2���������

19

10 8
6

MCD

���������

4�������

PLD2 ������� PES
18

10 8

�����

6

������

4�������

2100

2

3 4 5 6

������������
1000

2

3

New Undulator

4 5 6

photon energy (eV)－ 56 －

MCD:10K<T<300K
0T<H<10T
PES: 20K<T<300K
�E~ 50meV

3

JAEA-Review 2007-030

������ARPES, MCD

T. Okane et al.,J. Phys. Soc. Jpn. (’06)

ARPES of UPd2Al3Itinerant

1.0

Normalized Intensity (arb. units)

UGe2�U N4,5���
MCD

localized

0.8

UGe2

U N4,5 XAS

T = 25 K

γ+
γ−

0.6
0.4
0.2
0.0
0.00
-0.04

MCD
∆γ = γ+ − γ−

-0.08
-0.12
-0.16
700

750

800

Photon Energy (eV)

-1.0

1.0

MCD area
µtot

-0.5

0.5
*

T
0.0
10

S. Fujimori et al., Nature Phys. (’07)

1.5µtot [µB]

MCD area (arb. units)

-1.5

20

30

40

50

0.0

Temperature (K)���������� Press & DAC

BL22XU: Undulator beamline
E< 70keV
Angle-dispersive XRD

BL14B1: Bending beamline
Energy-dispersive XRD
XAFSRadiography－ 57 －BL22XUE<70keV
0 GPa<P<50 GPa
10 K<T<300 K

4JAEA-Review 2007-030

����������DAC
��������
������
���

Metal Hydride: YH3

Observation of Insulator-Metal Tran.
- “electron transition”YH3

7.5GPaH2

14GPaIns. to Metaltransition

Ins. To Metal
By light
irradiation

YH3

Ohmura et al., Phys. Rev. B 73 (’06) 104105,
Machida et al., Solid State Comm.138 (’06) 436

Watanuki et al., Phys. Rev. Lett. (’06)

���������������Press
X-Ray Radiography

CCD camera
Lens
MirrorWhite X-ray

Fluorescence screen����

1.01GPa

0.86GPa����������������

0.8GPa

�

�

��

���
����������

���

�

�

��

���
����������

���

����

���

���

�

���

Katayama et al.,

�

�

���

���������

����

���

�

�

�

���������
����������

������������������������
���������������������
������

�����������������Nature 403 (’00)170,
Science 306 (’02)848
�

�

��

���

���

����������

－ 58 －

5

JAEA-Review 2007-030

�������������������
�-������

5 keV<E<80 keV
10 K<T<800 �����������/�����

�������������������
LiCoO2��
(003)

Pd on Au(001),(111)(110)

T. Takahasi et al., Sur. Sci. (’00)

M. Hirayama et al., J. Power Sources (’07)－ 59 －

6

JAEA-Review 2007-030

��������

neV�������������

�����

SR����������

�����������
���

�����
��

Nuclear Resonant X-ray Scattering- From element-specific to site-specific phonons Tow Fe-sites in Fe3O4

Phonon DOS from ab-initio band cal.

Observation of partial DOS of Fe
Total Fe site
A siteB siteM. Seto, et al., Phys. Rev. Lett. 91 (’03)－ 60 －

7

JAEA-Review 2007-030

���������������
�����

�����

��������
cold headmagnetholdermagnet����
Eulerian�����
����������������

MCD����

�����33T�����50T

3K<T<300K
0T<H<6T���������������
Phase transition under high Mag.

Resonant X-ray diff. of UNiGa5

UNiGa5C

Intensity, I / cps @100 mA- Observation of strong hybridization
between Ga 4p and U 5f orbitals

U

Ga

A

Integrated IntensityO

200(5/2 5/2 5/2)
(3/2 5/2 5/2)
fluorescence010.34 10.36 10.38 10.40 10.42
Energy,E / keV

Energy dep. Near Ga
Ga K��������
K-edge
�����

Ni
B

600
400

80

�����'
�����'

6040
20
0-180 -90
090
180
Azimuthal Angle,� / deg.

Azimuthangle dep.
������
Y. H. Matsuda et al., J. Phys. Soc. Jpn 75 (‘06)

Kuzushita et al., Physica 1045 (’05) 359－ 61 －

8

JAEA-Review 2007-030

MBE �������
�������������
����������������
���������

X � ������ ���

�����������MBE��������GaAs,InAs,
�5-Knudsen cell�Ga, As, In, Sb, Mn, ����( 4 + 2 )�����
M. Takahasi, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41 (’02)

MBE�������
������������

�������GaAs���������
����������������!
�����
�����
������

�����
�����
�����
������
�t��sec

M. Takahasi, et al.,J. Cryst. Growth (’05),
Appl. Phys. Lett. 88 (’06)

5nm
0nm

�����
����

7%
0%

������
����
����

��

����

��

������
������
�����

�����
����

M. Takahasi, J. Mizuki, Phys. Rev. Lett. 96 (’06)－ 62 －

9

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

������������������������
Neutron Science Instruments of JAEA
����������� �����������
�������������
���� ��

���������������������������������������
���������������������������������������
������� ����� �����������������������������
����������������� ���� ��������������� ���� �����������������������������������������
�������������� ������ ����������������������
��������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

－ 63 －

JAEA-Review 2007-030

Neutron Science Instruments at JAEA

K. Kakurai
QuBS Directorate, JAEA

Neutron science groups in JAEA

Quantum
Beam
Science
Directorate

Director
GeneralY. Kato

DeputyDirector
GeneralNeutron Biology
Research Center
R. Kuroki

H. Kohno
M. Kataoka (NAIST)

Polarized Neutron Magnetism Group

Neutron Materials
Research Center

S.K. Sinha(UCSD)

R. Kuroki

Computational Biology Group
Neutron Biophysics GroupY. Fujii

InvitedResearcher

Molecular Structural Biology Group

K. Kakurai

K. Kakurai

Nanomaterials Synthesis GroupS. Shamoto

Advanced Energy Materials Group

K. Kakurai

Neutron Technology
R&D Center
Y. Morii

Neutron Imaging and Activation Analysis GroupM. Matsubayashi

Neutron Residual Stress Analysis GroupY. Akiniwa

Neutron Optics GroupJ. Suzuki

6 other Units (31 research groups/Office)Advanced
ScienceResearchCenterDirector
GeneralY. Hatano

Research Group of Neutron Scattering & Soft Matter

T. Hashimoto

S. Koizumi

Research Group of Actinides and Exotic Magnetism&Superconductivity Y. Haga

N. Metoki

7 other Groups/Office－ 64 －

1

JAEA-Review 2007-030

JRR-3 Neutron Scattering Facility

List of JAEA Instruments at JRR-3

Triple-Axis Spectrometer(TAS-1)

Triple-Axis Spectrometer(TAS-2)

Small Angle Neutron Scattering Instrument(SANS-J)

6 instruments in the reactor hall; 12 instruments in the neutron guide hall

－ 65 －

2

JAEA-Review 2007-030

Cold neutron triple axis instrument in the guide hall
LTAS on C2 guidewith dilution refrigerator

with 10T cryomagnet
By courtesy of Dr. N. Metoki (ASRC/JAEA)

T-Shape Collimator

Velocity Selector
Polarizing Mirror

Ni Guide Tube

1st Bank: 4.9 m

� Flipper
2nd Bank: 2.63 m

Solenoid Coil1.26 m2.57 m
0.94 m

3rd Bank: 1.84 m

4

1
2

3

Sextupole
Permanent
Magnetic Lens

MgF2 Lens

By courtesy of Dr. S. Koizumi (ASRC/JAEA)－ 66 －

3

JAEA-Review 2007-030

Focusing & Polarized Neutron SAS (SANS-J-II)
Focusing Lens &Ultra-Small Angle Detector

Wide-Angle Detector &Polarization Analysis

Polymer Gel(PNIPA)

Focusing
SANS
3x10-4

Simultaneous Observationfrom 0.0003 to 0.03 A-1
Cross-Wired
Position Sensitive
Photomultiplier
R3239
�HAMAMATSU
Meso-porous Silica Photonics Co. Ltd�(FSM-16)+
ZnS/ 6LiF
Scintillator (0.2mm
thickness)
5 inch Size
0.5 mm Resolution
By courtesy of Dr. S. Koizumi (ASRC/JAEA)

J-PARC Center in April of 2007
JAEA
A. Suzuki

New
Organizationin JFY2007

T. Okazaki���� �
������ ���
����������������� ���

S. Nagamiya
T. MiuraA)

Y. Yamazaki

Y. Oyama����� ������ �
M. Murasawa����� ����� ��

M. Takasaki

Y. Ikeda

Y. Yamazaki����� ������ ��

����� ������ ��

Particle Nuclear
K. Nishikawa

J-PARC Center: To operate the entire J-PARC by one responsible organization.
[Construction team: Two institutions carry full responsibilities for funded items.]����� ������ ��

The first Agreement was signed on August 8, 2005.
By courtesy of Dr. Y. Fujii (QuBS/JAEA)－ 67 －

4

JAEA-Review 2007-030

7 instruments are funded for Day-one.
The construction will start in early next year

Neutron Instruments�����������������
��������������� ����

11 coupled
6 decoupled
6 poisoned���������������������������
���������������� ������������������

����������������������
����������������������
��������� ��������������������
�������������������
�������� ����

�������������������
������������������������
���������� ��������������������
���������������������
�����
� ���

�����������������������
�����������������������
����������������������������
���������������������������

�����������
�������������������������
����������������������������� �����������������������
���������������������
�������� ����

������������������
������������������������ ������������������
������������������������
������� �������������������������������
��������������������������� �������������������������������
�������������� ���������������������

������������
��������������� ����

By courtesy of Dr. M. Arai (J-PARC))

Cold Neutron Disk-Chopper Spectrometer for J-PARC
CNDCS is Multi-Chopper Spectrometer @ Coupled H2 mod.
Dedicated to Quasi- & In-elastic Measurements@ Cold � Thermal Region
10

Energy Transfer (meV)Moderator: Coupled H2 (BL#14)
L1(moderator-sample) = 30 m
L2(sample-detector) = 4 m
L3(monochromating chopper-sample) = 1.6 m
Ei=1~80 meV (at its best @ 1~20 meV)
Energy Resolution �E/Ei>1% @ Ei=20meVQ Resolution �Q/ki ~ a few %Horizontal Scat. Ang. -90� < 2�S < 130�
Vertical Scat. Ang. -16� < 2�S < 22�

HRC

3

2

10

1

10

4SEASONS

VINS

0

10

-1

10

-2

10

-3

10

By courtesy of Dr. K. Nakajima (J-PARC))

-6

10

CNDCS

－ 68 －

0.001

Spin Echo
0.1
1
DIANA
10
100
Momentum Transfer (1/Å)

0.01

5

JAEA-Review 2007-030

������
����������
���

����
���

���

���

L1=26.5m

�����������
����������
����������
�
By courtesy of Dr. T. Ishigaki (J-PARC))

Relocation TO HB2C Beam

By courtesy of Dr. J. Fernandez-Baca (ORNL)－ 69 －

6

JAEA-Review 2007-030

Relocation of the WAND to
HB2C•Installation of the
WAND at the HB2C
completed in
September 2004•“Old” instrument.
•New shutter/control,beam stop, neutron
monitor.

By courtesy of Dr. J. Fernandez-Baca (ORNL)

Growth of ferroelectric ice observed bytime-resolved neutron diffraction
H. Fukazawa•Experiments at the WAND on deuterated
ice doped with KOD showed that themass fraction of ice XI grows with time in
the 60K-70K T-range and reaches unity in~28d.
•Undoped normal ice should fullytransform to ferroelectric ice XI in ~10,000 years at 60-70K.
•Ice XI may be the source of huge electricfields in planets like Pluto, Neptune,orUranus.

Time-resolved diffraction on deuterated ice at the
WAND showed the growth of ice XI at low T
By courtesy of Dr. H. Fukazawa (QuBS/JAEA)－ 70 －

7

JAEA-Review 2007-030

Neutron Materials
Research Center
K. Kakurai

Polarized Neutron Magnetism Group

K. Kakurai

Nanomaterials Synthesis GroupS. Shamoto

Advanced Energy Materials Group

K. Kakurai

Key words for the Neutron Materials Research Center groups

Advanced Energy Materials Groupsensibility to proton, statics and dynamics
of averaged structure, kinematics(Parameter: high pressure)ice, clathrate, hydrogen in materials

Nanomaterials Synthesis Groupstatic and dynamical PDF method,
probing local symmetry(Parameter: nanomaterials)

functional nano-materials, high-Tc

Polarized Neutron Magnetism Group magnetic scattering, polarized neutrons
frustrated systems, multiferroics, high-Tc
spin statics & dynamics(Parameter: magnetic & electric field, high pressure)Complementary use of steady state and pulsed neutron source instruments
TOF vs. TAS instruments
Overview of large Q-� space
Characterization of excitation at specific point of Q-� space－ 71 －

8

JAEA-Review 2007-030

Example:Neutron scattering study on
SrCu2(BO3)2
collaborators
N. Aso, K.Nukui, M. Nishi NSL, ISSP
H. Kadowaki
Tokyo Metropol. Univ.
H. Kageyama
Kyoto Univ.
Y. Ueda
MDCL, ISSP
L.P. Regnault, H.M. Ronnow CEA-Grenoble
J.P. Boucher
Univ. Grenoble
O. Cepas
Univ. Pierre et Marie Curie, Paris
T. ZimanILL
M. Nakamura, M. Takeda
QuBS, JAEA

SrCu2(BO3)2

Kageyama et al. PRL 82 (1999) 3168

tetragonal a=8.995Å, c=6.649Å

J
J’
2+
2+
3+
2-

－ 72 －

9

JAEA-Review 2007-030

Thermal neutron triple axis experiments on SrCu2(BO3)2

H. Kageyama et al. PRL 84(2000)5876

Detailed studies on first
triplet excitation withhigh energy resolution
The zero-field results andcomplicated field dependences
can be accounted for by the
Dzyaloshinski-Moriya typeinterdimer interactions
DCS (TOF) experiment
HER (TAS) experiment

B.D. Gaulin et al., PRL 93 (2004) 267202－ 73 －

10

JAEA-Review 2007-030

R & D for JSNS instrument
3
He spin filter

He spin filter

Collaboration with ISIS

Polarizer
Drabkin spin filter

Detector development

supermirror

Inst

rum

ent

�Qc mirror in KUR

software
Disk chopper
data acquisition data
analysis
Computing science
Collaboratory
Automation
Robotics

By courtesy of Dr. K. Nakajima (J-PARC)

350Hz

high flexibility

To chopper
100Hz

background killer

Upgrade of the polarized neutron options on JAEA TAS-1
Introduction of the polarized neutron option on LTAS in
future－ 74 －

11

JAEA-Review 2007-030

Vertical bent:optimized for 30.5meVHorizontal bent: variable

Heusler crystals supplied by P. Courtois, ILL

Takeda, Nakamura

QuickTimeý Ç²TIFFÅiLZWÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç �ÅBoverall gain factor of ~30 to the old system!!

－ 75 －

12

JAEA-Review 2007-030

TAS-1 in Longitudinal Polarization Analysis mode

Neutron Spin Polarimetry
Research Group for Neutron Scattering Study on Spin-Lattice Correlations
Takeda et al. in collab. with ILL and CENG

－ 76 －

13

JAEA-Review 2007-030

TAS-1

CRYOPAD on TAS-1 at JRR-3
Detailed polarimetric investigationof spin excitations in quantum
magnet is now feasible.

CRYOPADOne important aspect for thecomplementary use of the steadystate neutron source
Triplet excitation in SrCu2(BO3)2

Example:�������������
����������
�����������������������������
�������������
����������
����������������������������

－ 77 －

14

JAEA-Review 2007-030

Fe16N2 �����

��������

10nm

Gross�����Fe16N2���������������
�����������������

Use of polarized neutronsd� = (Fnucl +Fmag )2
I+= (Fnucl +Fmag )2
I– = (Fnucl –Fmag) 2

flipping ratio measurement
2(Fnucl +Fmag )
I+
=R =
=
I–
(F –F )2
nucl

mag

－ 78 －

Fmag 2(1 + F )nucl

Fmag 2
(1 –
)
Fnucl

15

JAEA-Review 2007-030

TAS-1 in half-polarizing operation mode

Electromagnet

Sample#1

Use of polarized neutrons
I + = (F nucl + Fmag ) 2
I – = (F nucl – F mag ) 2

14000

(a)

��������
��������

12000

1800

1600

6000

1400

4000
2000

��������
��������

2000

10000
8000

���������
���������.
( a ) (202) ���( b ) (004)���

2400
Sample#3(b)
2200(without laminate layer)

64

66

68

70

72

2�� (deg.)－ 79 －

74

76

1200
90

92

94

96

98

100

2�� (deg.)

16

JAEA-Review 2007-030

Polarized neutron diffraction pattern of Fe16N2
Ei=80meV����I+

Counts / 120 sec.

����

I�
����

����

����

����
�

��

��

��

��

���

�� (deg.)

Difference pattern I+ - I- for Fe16N2
I+ - I- = (Fnucl+Fmag)2 - (Fnucl-Fmag)2 = 4FnuclFmagn－ 80 －

17

JAEA-Review 2007-030

����������������������
����������������������
��������������������
��－ 81 －

18

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

���������������� ������� ������������
���������
��������� ��� �����������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
����������������������������������
�����������������������������������������
�������������������������������������� ���� ��������������������������������������������
������������������������������������������
����������������
�������������������������������������������
����������������������������������������������� ��������������������������������������������������������������
������������������������������������������
�����������������������������������������������
�������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
�������������������������
��������������� ����������� �����������������������������
����������� ������������������
������� �� ����������������
�������������������������
������������������������
������������
������������������������
�������������������������
�������������������������
�������������������������
������������������������
������������������
�－ 82 －

��� ������������ ���������������������������
������������������ �������

JAEA-Review 2007-030

�������������������

������������Na-Co-O������������� ����������� ������

������
Advanced Nano Materials
Laboratory������ ��
Director-general
E. Takayama-Muromachi－ 83 －

1

JAEA-Review 2007-030

����������� ������������������������������������������������
Materials Exploration �: New functional materials are being explored by means of a variety of synthesis techniques,
such as high pressure, high oxygen pressure, soft chemistry, etc.
������������������������������������������������������
�������������������������
Special Subjects �: For conducting exploratory research projects or projects conducted under cooperation withother organizations, several themes, which have been performed independently, are integrated into the special
subject's team.
�����������������������������������������������������
������������
Boride �: On refractory borides, large and high-quality single crystals are grown expecting new phenomena
regarding the bulk and surface properties and application as substrate for semiconductors.

�����������������������������������������������������
��������������������������
High Pressure Team: Advanced experimental system is developed for research of materials science under very
high pressures and high temperatures (HP-HT) and for exploration of new dense materials.
��������������: ����MEMS�������������������������������
�������������������������������������������������������
������
Interconnect Design �: Design and interconnect technology on materials interfaces are developed for
integration of semiconductor devices, MEMS, and high-density packaging of the next generation.

����������
���G�������

Chaos

Interdisciplinary approach
Original ideas

Exploratory research

New Materials
New Phenomena
New Functions－ 84 －

2

JAEA-Review 2007-030

��������
�Materials Exploration Team�������������������
��������������������
�������������������
�������������������
�������������������

Team Leader

Breakthroughs in the materials scienceand technology are often achieved bydiscoveries of new materials. In this team,
new functional materials are being
explored by means of a variety ofsynthesis techniques, such as highpressure, high oxygen pressure, soft
chemistry, etc.

Senior Researcher
�� ��

�� ��

�� ��

�����
Yoshishige
Uchida�����
Masaaki
Isobe

�����
Kazunari
Yamaura

�� ��

����
�����

�� ��

�����
Tetsuya
Kawashima�� ��
Eiji Takayama-Muromachi
TEL: 029-860-4507
FAX: 029-860-XXXX
MUROMACHI.Eiji@nims.go.jp

Postdoctoral Researcher�� ��
Mitsuyuki Shizuya

���HiroyaSakurai�����Alexei Belik����������������

�������������

Balamurugan Sarkarainadar

Alberto Ubaldini

Secretary�� ���Tomo Sato��������������
Material searching under high pressure.

LiMn2O4������������������
����������������������
�����������������������
���

Ambient-pressure and highpressure phases of LiMn2O4.
The latter was recently
discovered to have theanisotropic structure.

O1

O3

O2

��������������BiScO3�BiO3��Bi�������������������
������������������������������������������
�BiMnO3������������������� BiScO3������������
BiMO3 (M = Al, Gd, In)�����������������������������

Bi(Left) A BiO3 layer of BiScO3. It was proved that lone electron pairs (deep green)
couples with opposite directions, which gives a large impact on study of possible
multiferroic compounds such as BiMnO3. BiMO3 (M = Al, Gd, In) and others have been
discovered under a high pressure and their properties are being studied.

－ 85 －

3

JAEA-Review 2007-030

��������
Special Subjects TeamIn NIMS, research activities are mainly executed as
projects with several researchers. However,researches by fewer people are feasible in somecases, such as exploratory research themes or
researches conducted under cooperation with otherorganizations. Several themes, which have been
performed independently, are integrated into thespecial subject's team for administrative reasons.

�������������������������
�������������������������
�������������������������
������������������������
��������������������������
��������������������������
�������������������������
����������������

Team Leader
�� ��
�����

�� �
�����

�� ��
�����

�� ��
�����

Osamu Mishima

Masami Sekita

�� ��
�����

Yoshihiro Ando

�� ��
�����

Shuichi Shimomura

�� ��

Takashi Akahane
Tel: 029-860-4475
FAX: 029-855-3848
AKAHANE.Takashi@nims.go.jp

Mutsuo Wakakuwa

Sub theme

Hideo Hashizume

�� ��
�����
Kazuko Fujii

�� ��
���

Kazuo Kotani���������������������
Research on polyamorphism in water and aqueous solutions�������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
�����������������/�����������������������
�������������

According to the second-critical-point
hypothesis of water, pure liquid water
separates into low-density and highdensity liquid phases under lowtemperatureandhigh-pressure
conditions.
Accumulation of previous
experimental and theoretical results
seems to support this hypothesis. In thisstudy, we conduct further experiment onwater and aqueous solutions in order totest the validity of this hypothesis. If
correct, the hypothesis would provide aview that is different from the current
bound-water/free-water notion, and would
deepen understanding about water andaqueous solutions.

� ���������������
Figure High density ice (Upper) and low
density ice (lower)－ 86 －

4

JAEA-Review 2007-030

��������
Boride Team������������������������
������������������������� ��� ���� ��� ��� ��� �����
3000���������������������
�����������������������
������������������������
����������������������

�� ��

The boride team performs research on refractory
borides, which consist of two- or three-dimentionalboron-networks. The borides have high melting
points, 2000-3500�C, and characteristic bulk andsurface properties. Therefore, we develop
technology for growing the large crystals with highquality and search new phenomena regarding thebulk and surface properties. We also develop a
substrate for Group III nitride semiconductors.

�� �

� ��

��� ��

Takashi Aizawa

Yasumichi Mori

Masahiro Mieno

Shigeki Otani
TEL. 029-860-4320
FAX. 029-860-4680
OTANI.shigeki@nims.go.jp

�� �
Wataru Hayami������������
Crystal growth of refractory borides
���GaN�������������
������ZrB2�����������
�������������������
������������������

���FZ��������ZrB2����(left) ZrB2 crystal grown by the floating zone method,High quality GaN films are epitaxiallygrown on the (0001) plane of ZrB2 crystal
because of good matching lattice
constants
and thermal
expansioncoefficients. We develop technology forgrowing the large ZrB2 crystals with highquality

���GaN����������������
(right) Comparison of substrates for GaN－ 87 －

5

JAEA-Review 2007-030

�������
High Pressure Team����������������������
���������������������
����������������������
�������������

High Pressure Team: Advanced experimental
system is developed for research of materials
science under very high pressures and hightemperatures (HP-HT) and for exploration of newdense materials.

���� Leader
����
����
����
�����
�����
�����
Toshimori Sekine
Ken-ichi Takemura
Takamichi Kobayashi
TEL:029-860-4408
TEL:029-860-4411
TEL:029-860-4419
FAX:029-851-2768
FAX:029-860-4693
FAX:029-860-4693
SEKINE.Toshimori�nims.go.jp TAKEMURA.Kenichi�nims.go.jp KOBAYASJHI.Takamichi�nims.go.jp�� �������� ���������
TEL: 029-860-4413
FAX: 029-851-2768
���������.t������@nims.go.jp

�� �
�����
Yasushi Kanke
TEL:029-860-4406
FAX:029-860-4693
KANKE.Yasushi�nims.go.jp

����
�����
Satoshi Nakano
TEL:029-860-4315
FAX: 029-860-4693
NAKANO.Satoshi�nims.go.jp

�� �
�����
Hitoshi Yusa
TEL:029-860-4420
FAX:029-852-7449
YUSA.Hitoshi�nims.go.jp

Large volume Belt-type high pressure apparatus
Pressure & Temperature
10GPa, 2000� / FB30H
7.7GPa, 2300� / FB40H
5.5GPa, 2300� / FB60H
HP synthesis of high purity hBN single crystals
Energy(eV)� New DUV emitter

Intensity(a.u.)hBN single crystal

hBN single crystal

Fabry-perot etalon

Wavelength(nm)CL spectrum at RT

6.2 6.0 5.8 5.6 5.4

5.2

200

240

Intensity�a.u.�

Energy(eV)

210

220

230

Wavelength ����Lasing action by electron beam excitation at RT.
K.Watanabe, T.Taniguchi,H.Kanda, Nat.Mater.,(2005)－ 88 －

6

JAEA-Review 2007-030

Advanced Nano Materials Laboratory

Interconnect Design �����
Group Leader

Tatatomo Suga
Senior Researcher

Naoe Hosoda
Research AssistantKaoru Koitabashi
Visiting Researcher

Naoki Kuwayama
Reaserch student

Yuta Sonoda
Reaserch student

Akiyuki Miyajima
Leopard Gecko

Development of reversible
interconnection

Development of a new joining
technology for nano, micro contact.

Ga

1)

�����

2)

����

3)

Ar
Ga

real surface

surface activation- Native Oxide- Contamination

Irradiation of fast
atom beam

bonding
Low Pressure�����Room Temperature

Ga- No Thermal Stress- Direct Bonding- High Applicability

Biomimetic joint����������������

�����
�����

�����

－ 89 －

7

JAEA-Review 2007-030

Nano Biodevice G: Development of
Nano Biodevices such as blood testing
devices.
Supermolecules G:

Supermolecules are created through non-covalentinteraction between two or more molecules andcan exhibit novel functions not available from theirindividual component molecules. Supramolecularchemistry covers a wide range of materials fromsmall molecular complexes to macroscaleassemblies. Our research creativity will realize
hitherto unknown materials with novel functions at
the molecule, nano-, micro-, and macroscales.

Fullerene Technology G: Application of
Fullerene

Serendipity
Collaboration between Physics and Chemistry

Physics

New Materials
New Phenomena
New Functions

Chemistry－ 90 －

8

JAEA-Review 2007-030

��������� ������������

���������
����

Coworkers
NIMS
K. Takada, H. Sakurai, T. Sasaki, F. Izumi, R. A. Dilanian,
S. Takenouchi, Y. Yajima, H. Komori, M. Osada
Outside NIMS
T. Waki, C. Michioka, M. Kato, K. Yoshimura,
K. Ishida, Y. Ihara, Y. Maeno (Kyoto Univ.),
W. Higemoto, K. Ohishi, A. Koda, R. Kadono (KEK),
H. D. Yang, C. P. Sun, Y. C. Kang (National Sun Yat Sen Univ.),
J.-Y. Lin (National Chiao Tung Univ.),
and so on.

－ 91 －

9

JAEA-Review 2007-030

������
����������� �������������������� �������� ������������� ����������������� ��������������� ���������������������
CoO2

�����

���������
Li+, Na+�
CoO2
CoO2

LiCoO2��� (1958)
4V����������
(1980)
�������������
(1991)

������
NaxCoO2��� (1973)
NaCo2O4�����������(Terasaki et al) (1997)－ 92 －

10

JAEA-Review 2007-030

���������������
C6Lix

Li1-xCoO2
Li+

LiCo3+O2 � �Co4+O2 + Li+ + e-

CoO2 layer
Interests for physicists
Magnetically frustrated system
Two-dimensional triangularsublattice of Co atoms
Electron-doped S=1/2 system
Low-spin state of Co4+ :S = 1/2

Co4+

Co4+

Co4+

Strongly correlated system－ 93 －

11

JAEA-Review 2007-030

Hexagonal

trigonal prismoctahedron

Monoclinic

�-Na0.74CoO2
P2
S.G.: P63/mmc

�-NaCoO2
O3
S.G.: R-3m

�-Na0.67CoO2
S.G.: C2/m

• A+ ions: mobile• Co ions: redox
couple• Exchanging,intercalation,
deintercalation of A+• Phase transformation

Phase diagram of �NaxCoO2

x=~0.7 by thenormal solidstate reaction

Maw Lin Foo, Yayu Wang, Satoshi Watauchi,H.W. Zandbergen, Tao
He, R. J. Cava,1,3 and N. P. Ong, PRL, 92, 247001 (2004).

－ 94 －

12

JAEA-Review 2007-030

Sample preparation and characterization

x~0.4

•

Samples•

Chemical analyses•

Structure investigation– Parent oxide:
Na0.7CoO2– Anhydrous NaxCoO2(As oxidized)– BLH-NaxCoO2(After H2O insertion)– Elemental analysis– Redox titration

NaxCoO2·yH2O(x ~ 0.35, y ~ 1.3)

– Powder X-ray
diffraction– Raman spectroscopy������������
�������������������
CoO2
H2O
CoO
Na 2
H2O
Na

5.5Å

9.8Å
5.5Å

��
CoO2

Na0.7CoO2 + (0.7-x)/2 Br2
�NaxCoO2 + (0.7-x) NaBr
�

Na
H2O
Na
CoO
H2O2

NaxCoO2 + y H2O
�NaxCoO2·yH2O

CoO2
����

���������������

• CoO2������������
• 2����������������������

－ 95 －

13

JAEA-Review 2007-030

Resistivity

Clear evidence for bulk superconductivity

Magnetic susceptibility

BLH-NaxCoO2 and MLH-NaxCoO2－ 96 －

14

JAEA-Review 2007-030

Chemical analysis

Na-content (x)0.695(5)0.406(1)0.337(1)Co valence (s)+3.30(2)+3.56(1)+3.43(1)Mystery in the hydration process:(i) Decrease of the Nacontent, x(ii) Decrease of the Co valence, n(iii) x+s � 4

Another mystery in the superconductor• Why is the Na content solow?
– Electrochemical data suggestthat the minimum Na content
will be ca. 0.4.

Br- / Br2
J. –J. Braconnier, C.
Delmas, C. Fouassier, P.
Hagenmuller, Mat. Res.
Bull., 15, 1797 (1980).

• The oxidative deintercalationof Na+ ions will be terminated,when the redox potential of
NaxCoO2 reaches E(Br-/Br).
– NaxCoO2·yH2O

Br- / Br2

S. Kikkawa, S. Miyazaki,
M. Koizumi, J. Power
Sources, 14, 231 (1985).

(x = 0.35, y = 1.3)

－ 97 －

15

JAEA-Review 2007-030

Much lower Na contents have been reported

R. E. Schaak, T. Klimczuk, M. L. Foo, R. J. Cava, Nature, 424, 527, (2003).

“Hydration process” is not so simple(1)Intercalation of the water molecules(2) Ion exchange(3) Reduction

Water is not inert.

Dissociation
H2O = H+ + OH2H2O=H3O+ + OH- (H3O+: Oxonium ion)
Reduction
2H2O = O2 + 4H+ + 4eE0=+1.229V[6H2O = O2 + 4H3O+ + 4e-]Br2+2e=2Br-E0=+1.065V－ 98 －

16

JAEA-Review 2007-030

Ion exchangeNa+ � H3O+
with formation of NaOH( increasing pH)

Reduction
6H2O = O2 + 4H3O+ + 4eCo4+ + e- � Co3+

Na0.343(H3O)0.237CoO2·1.19H2O.

nCo=+3.42

V(Co) = +3.48(1)M. Karppinen, I. Asako, T. Motohashi,
and H. Yamauchi, Chem. Mater. 16,
1693 (2004).

Charge balancing species in BLH-NaxCoO2••Band to H3O+ ions at 1700 cm-1
Several bands from 2300 cm-1 to 4000 cm-1

－ 99 －

17

JAEA-Review 2007-030

Position of H3O+ ions in BLH-NaxCoO2• Guests in the galleries are
only in Na and H2O sites in
the previous structure
model.
– Electron-density distribution
was calculated by amaximum-entropy method,which is model-free.

• Which site do H3O ionsoccupy?
• The species at Na sites
became lighter.
– E2g(Na) mode: shifted tohigher wavenumbers

Structure model and electron density distribution－ 100 －

18

JAEA-Review 2007-030

Structure parameters at room temperature
Chemical composition: Na0.343(H3O)0.237CoO2·1.19H2O
U / Å2

Atom

Site

Co

2a

0

0

0

1

0.0062(2)

O

4f

1/3

2/3

0.04578(12)10.0091(5)M1 (Na / H3O)

4e

0

0

0.2413(12)0.182(3)0.047(4)

M2

2d

2/3

1/3

1/4

0.216*

0.030(4)WO1 (H2O)

12k

0.137(2)=2x(WO1)

0.1700(5)0.111(5)0.026(5)WO2

12k

0.875(6)=x(WO2)/2

0.1757(6)0.088*

0.023(8)

x

y

z

g

Space group: P63/mmc (No. 194)
a = 2.82374(10) Å, c = 19.6576(8) Å
Rwp = 5.10% (S = 2.67), Rp = 3.28%, RB = 1.75%, and RF = 1.70%.
M: Na / H3O+ = 0.591 / 0.409.
*The total contents of M and WO were fixed at 0.580 and 1.12 determined by the chemical
analyses, respectively.

•

U�Co) < U(O) < U(Na), U(H3O+), U(H2O)

Side reactions during the hydration process(1) Ion exchange
NaaCoO2 + bH2O
�Naa-b/2(H3O)b/2CoO2 + b/2Na+ + b/2OH�
(2) Reduction
NaaCoO2 + bH2O �Naa(H3O)2b/3CoO2 + b/6O2

Nax(H3O)zCoO2·yH2Ox, z, yNa0.406CoO2 + (0.384+1.10) H2O �
Na0.337 (H3O)0.233CoO2·1.10H2O + 0.069 NaOH + 0.041 O2－ 101 －

19

JAEA-Review 2007-030

Magnetically ordered phase justnext to the superconducting phase
40

-1

-1

1 / T1T ( sec K )35

BLH non-SC
BLH High-TC
BLH Low-TC
MLH

30
25
20
15

Non-superconducting BLH phaseshows magnetic ordering as provenby anomaly in 1/T1T

10
5
0

1

10

T (K)

100

d
Y. Ihara, K. Ishida, C. Michioka,
M. Kato, K. Yoshimura, K.
Takada, T. Sasaki, H. Sakurai
and E.Takayama-Muromachi ,J. Phys. Soc. Jpn,
74 (2005) 867-870.

(NQR resonant frequency)

HCl-series of samples
Synthesis
experimentStarting Materials: Na0.7CoO2 1g(1) Deintercalation by Br2/CH3CN for 5 days (�Na0.41CoO2)(2) Immersion in 400 ml distilled water for 3 days (PH�~11)(3) Addition of vHCl ml of 0.1 M HCl aqueous solution

CoOOH

s=const. i.e., x+z=const.

－ 102 －

20

JAEA-Review 2007-030

Phase diagramx decreases
z increases－ 103 －

21

JAEA-Review 2007-030

Magnetic anomaly wasobserved in thenonsuperconducting
phase consistent with therecent NQR study.

For the x=0.35 (vHCl=0)
superconducting sample,
transition between magnetic
phase and superconducting
phase was observed withvariation of magnetic field
and temperature.

Phase diagram for the s=+3.40 section

vHCl increases－ 104 －

22

JAEA-Review 2007-030

Upper critical field Hc2

Two kinds of Hc2’s (~8T and 50~60 T)
have been reported.
Yang, H. D.; Lin, J.-Y.; Sun, C. P.; Kang, Y. C.; Huang, C. L.; Takada, K.; Sasaki, T.;
Sakurai, H.; Takayama-Muromachi, E. Phys. Rev. B 2005, 71. 020504.

NaOH-series of samples

NaOH
seriesHClseries－ 105 －v (ml)
0
10
20
30
40
100
500

Na content, x
0.332
0.346
0.354
0.357
0.358
0.368
0.380

Co valence, s
+3.48
+3.48
+3.49
+3.50
+3.47
+3.47
+3.49

0
2
4
6
8
10

0.350
0.346
0.346
0.336
0.322
0.302

+3.41
+3.40
+3.41
+3.40
+3.40
+3.36

23

JAEA-Review 2007-030

NaOH-series of samples

NaOH-series of samples
0.001T

1T－ 106 －

7T

24

JAEA-Review 2007-030

Phase Diagram

3 parametersx, z, yC. J. Milne et al. Phys. Rev. Lett. 93, 247007 ( 2004 ).

D. P. Chen et al. Phys. Rev. B 70 , 024506 (2004).

Sakurai et al., J. Phys. Soc. Jpn. in press ISS2005 PC-19

Pairing Mechanism

Ferromagnetic fluctuations play an important role?
K. Ishida, Y. Ihara, Y. Maeno, C. Michioka, M. Kato, K.
Yoshimura, K. Takada, T. Sasaki, H. Sakurai, and E.
Takayama-Muromachi, J. Phys. Soc. Jpn. 72 (2003) 3041.

- Absence of the coherence peak
- T3-dependence of 1/T1forTc ~ 1 K.
�unconventional non-s-wave symmetryof the gap function－ 107 －

Singh, D. J. Phys. Rev. B 2000, 61. 13397.

25

JAEA-Review 2007-030

Polymorphism

Polymorphism in NaxCoO2P

A B B A…
�-Na0.74CoO2
P2
S.G.: P63/mmc

O

O

ABCABCABBCCA�-Na0.6CoO2
P3
S.G.: R3m

�’-Na0.67CoO2
P3
S.G.: C2/m

��NaCoO2
O3
S.G.: R-3m

Another superconducting phase of cobalt oxide

P2
•

P3

P2

O3

A new superconductor with three-layer periodicity of CoO2 layers;
space group: R-3m

－ 108 －

26

JAEA-Review 2007-030

O3
P2

X-ray patterns of the O3 phasecompared with the P2 phase

O3
P2

Tc=4.6K

Magnetic susceptibilityof the O3 phase������ �������������������� ������������������ ���� ������������������������������������������������ ����� ��������������� � ������� ����������������������
������ ��������� ��� �� ��������������������������
����������������������������������������� ������������������������������������
�������������� ����������������������

－ 109 －

27

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

��������������
�������������� ��������������� ���
����������������������������������������������
�����������������������������������������������
�����������������������������������������������
�����������������������������������������������
�����������������������������������������������
�����������������������������������������������
����������������������������������������������
�����������������������������������������������
�������������������������� �������������� ������� ����������
����������������������������������������������������
����������������������������������� ����� �������� ������ ��������������� ������������������������������������
�������������������������������������������� ������
�������� ����� ����������������������������� ������ �� ������ ���������������������������������� ���� ����������
������������ �������������������� �����������������������
��������������������� �������� ���������������������
�������������������������1) K. Kobayashi, M. Yabashi, Y. Takata, T. Tokushima, S. Shin, K. Tamasaku, D. Miwa, T. Ishikawa, H.
Nohira, T. Hattori, Y. Sugita, O. Nakatsuka, S. Sakai, and S. Zaima, High resolution-high energy x-ray
photoelectron spectroscopy using third-generation synchrotron radiation source, and its application to
Si-high k insulator systems, Appl. Phys. Letters 83,1005(2003).
2) K. Kobayashi, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 547 (2005) 98-112
3)�������������� � ��������������� 60�624-631 (2005)�
4) K. Kobayashi, E. Ikenaga, J. J. Kim, M. Kobata, and S. Ueda, Proc. SRI2006
5) H. Tanaka et al., Phys Rev. B 73, 094403 (2006), and S. Ueda et al., unpublished.
6) J. J. Kim et al., under submission to PRB.
����

－ 110 －

JAEA-Review 2007-030

����������

������������ �����������(BL15XU@SPring-8)
����Basic Research, Materials Science,and Devices R&D
Solid State Physics
quantum well and dot,strong corr. materials,
etc,

Computational
Science

Materials Science

quantum Hall effect,quantum device simulation,etc.

Devices R&D

high k, spin electronics, etc

Nanoscale science and technology
thin films, multilayers, clusters, etc.

－ 111 －

1

JAEA-Review 2007-030

HX-PES Activities at SPring-8
SPring-8/RIKEN

SPring-8/JASRI
E. Ikenaga
J. J. Kim
M. KobataK. Kobayashi@BL47XU

Y. Takata andcoworkers
T. Ishikawa andcoworkers@ BL29XU

HiSOR/Hiroshima
Univ.

SPring-8/NIMS
S. UedaY. Yamashita
D. Nomoto
H. Yoshikawa
K. Kobayashi@BL15XU

K. Shimada
M. Arita
H. Namatame
M. Taniguchi

Musashi Instituteof Techinology
T. Hattori,
H. NohiraMany Users, including
industries.
in the present talk,

Nagoya University,
ISIR, Osaka University,
Tohoku University,
Tokyo Inst. Technol.

University of Tokyo
M. Oshima
K. Horiba

VG SCIENTA

SPring-8/JAEA

S. Sodergren
B. Wanberg

Y. Saitoh
Y. Takeda

Osaka Univ. GroupS. Suga et al. @ BL19LXU

Why HX-PES is necessary
Conventional PES is not applicable to nano materials research inmost cases because of its surface sensitivity.

������������������������

HX-PES gives opportunity for detecting “bulk“ electronic
structures and chemical bonding states of nano materials andthin solid films.
140Å
�SiO2)

���
���

30Å
�SiO2)

���210Å
�SiO2)
����
��� �

����
��

���
��
�
�

����
����
����
����
����������������������������

－ 112 －

�����

Data taken fromNIST tables

2

JAEA-Review 2007-030

1.4keV

��

���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���

�
���
����
����
����
����
����
����

Drastic decrease!
about 1/100

����
�

��

��

��

��

��

��

��

�������������

Cal. by Yeh and Lindau������������������������������

��������������������������

Atomic Subshell Photoionization Cross Sections

��

���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���

8keV

�
���
����
����
����
����
����
����

� �� � �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� ��

����
�

��

��

��

��

��

��

��

��

��

�������������

Experimental Configuration of HX-PES
at BL47XU

Vacuum hamber
32

� value

90
120

60

150

���
�����
��
����
��
����
��

30

1
0

180

0

1
2
3

210

330
240

270

electric vector300－ 113 －

3

JAEA-Review 2007-030

BL-47XU
Focusing mirrors

SR

Channel Cut: Si 333

Monochromator: Si 111

Vertical Mirror������������
+Demagnification 30:1

Horizontal Mirror�����������������������K-B���
Horizontal:
����
FWHM=34.8�m

Vertical:
FWHM=51.0�m

1m

Extension towards Lower Energy
For detection of light elements such as N, and B

BL15XU (NIMS Beamline): Revolver Undulstor Beamline
Circular Undulator: lower than 1 keV to 4 keV
Planer Undulator: higher than 4 keV to 20 keV
Beamline Mono
Si 111 ----- 2.2 ~20 keV
Si 311 ----- 4 ~ 36 keV
Post Mono
Si 220 Channel Cut Post Mono------3.1 keV
Si 311-------3.9 keV
Si 333-------6 keV
Beamline Mono: Water cooled
Liq. N2 Cooled
Focusing Mirrors－ 114 －

4

JAEA-Review 2007-030－ 115 －

JAEA-Review 2007-030

Stability of High Voltage supply E. Ikenaga et al. at BL47XU�Intensity (arb. unit)

4f5/2

4f7/2

Binding energy (/eV)

hv =8 keV

84.2

�

After
235 hour�

Au4f7/2 peak position

84.1
84.0

�

Au4f

Drift: �3 meVduring 10 days!!

83.9
83.8

0

50

100
150
Time (hour)

200

250

90

88 86 84 82
Binding Energy (eV)5
4
3 Au4f7/2 peak area
2
1
0
-1
-2
-3
Deviation: �1% !!
-4
-5
0
50
100
150
200
Time (hour)��Peak Area Deviation (%)

�

250

�

high stabilities of the power supply and beam line!!

GaAs: DOS and EDC at 5.95 keV
GaAs DOS

GaAs EDC
As4s

As4s

cal

Total DOS

Ga4s

Ga4s
As4s

ex p

As4p
As4p
Ga4p
Ga4p

12
8
4
Binding Energy (eV)

0

12
8
4
0
Binding Energy (eV)K. Kobayashi, Nucl. Instrum. Methods A 547, 98 (2005).
Jpn. J. appl. Phys. 43, L 1029 (2004).

－ 116 －

6

JAEA-Review 2007-030

Probing Depth of H�-PES

NiGe
SiO2
Si sub.

intensity (arb. units)

Photoelectrons

Hard X-rayh� = 7935 eV

Si 1s
TOA=80º

Si-O

Si-Si

NiGe layer
thickness:
7 nm
12 nm
15nm

1850

1846

1842

1838

1834

Binding energy (eV)

Si 1s core spectra of NiGe/SiO2/Si gate stacks at 8 keV X-ray excitations.
Photoemission signals from interface and substrate regions aredetectable through thick NiGe(15nm)/SiO2(12nm)overlayers.
H. Kondo et al. (Nagoya Univ.) unpublished.

���
1. ������������������LBMO/STO��
�������
2. DVD����������������������
3. ��������������Fe3O4�������
4. (CaO)12(Al2O3)7:e�cage conduction band
5. Zn-polar����O-polar�����ZnO����NIMS: �������������������JASRI: ��������������
������������ ���������
���������������
������������������ �� ���������������
������������������� ����������� ����－ 117 －

7

JAEA-Review 2007-030

�������Mn���
Colossal magnetoresistance (CMR)
Half-metallic ferromagnetism
charge and/or orbital ordering

Curie temperature (K)La1-xBaxMnO3/ SrTiO3 showsroom temperature ferromagnetism,
while TC of a unstrained film is ~260K.

La or Ba
O

R.T.
R.T.

300

Mn

Perovskite structure(La, Ba)MnO3

280

TC bulk

260
5

10

50 100Thickness (nm)d3z2-r2
dx2-y2500

For ultra-thin films,
strain from substrates modulates
Curie temperature (TC) of samples.

H. Tanaka et al. Osaka University GroupA Cluster Model Calculation (by Taguchi, RIKEN)
Final state, 3d 5C
�=4.5 eVV*�*

U= 5.1 eV
Vpd = 2.94 eV

Udc = 5.4 eV

10Dq = 1.5 eVV * � D(EF )Table I Fitting parameters obtained by cluster calculations for Mn 2p3/2 HX-PES spectra for(La,Ba)MnO3 thin film (20nm) at various the temperature.
Temperature [K]
28
100
160
180
200
220

V* [eV]
0.4
0.38
0.37
0.35
0.34
0.34

�*[eV]
0.8
0.8
0.8
0.8
0.8
0.8

Temperature [K]
240
260
280
300
320

－ 118 －

V*[eV]
0.33
0.32
0.29
0.25
0.24

�*[eV]
0.8
0.8
1.0
1.1
1.2

8

JAEA-Review 2007-030

Mn 2p Spectra of
20nm Thick La0.85Ba0.15MnO3 (LBMO) Film

TC ~ 300K

Collaboration between Osaka Univ. and JASRI @ BL47XU.
Tanaka et al., Phys. Rev. B 73 (2006) 94403.

Mn 2p Spectra of
5nm Thick La0.85Ba0.15MnO3 (LBMO) Film
Satellite structure�������TC�����������������������
S. Ueda et al. 2007 ����������

－ 119 －

9

JAEA-Review 2007-030

Calculation of magnetization M(T)
Idea
When double exchange model issimplified, this model is equivalent to
t-J model.
V* : strength of hybridization between
Mn 3d states and DOS at EFt : transfer integral in the t-J modelV*transfer: tHund coupling
: JH

e g1
t2g3

Mn3+ : 3d4
Double exchange model

Assuming t � V* , Exchange interaction (J) between magnetic ions isgiven as,
2
* 2
* 2

J = 4t /Udd � (V ) /Udd � (V )Bloch T3/2 law( below TC )We get the relation;

M (0) � M (T ) � k BT �
��
�
M (0)
� J �
� k T �M (T ) � 1 � A�� B* 2 ��� (V ) �

3/ 2

� k T �� �� B* 2 ��� (V ) �

3/ 2

3/ 2

A � const .

S. Ueda et al. 2007 ����������

Magnetization of 20nm thick La1-xBaxMnO3 (LBMO) film

Magnetization curve is well reproduced by Bloch law assuming the relation of J � (V*)2 .
To confirm this argument, we also checked LBMO with TC ~230K.
S. Ueda et al. 2007 ����������

－ 120 －

10

JAEA-Review 2007-030

Magnetization of 5nm thick La1-xBaxMnO3 (LBMO) film

Magnetization curve is well reproduced in this case again by
Bloch law with the relation of J � (V*)2 .
S. Ueda et al. 2007 ����������

Summary on LBMO
Using theories based on the t-J model and the Bloch T3/2 law,
the relation between the bulk sensitive Mn2p PES intensity
and magnetization was clarified.

The electronic structure parameter, V*governs ferromagnetic
interaction.
This interpretation is consistent with the double exchange
model.
S. Ueda et al. 2007 ����������

－ 121 －

11

JAEA-Review 2007-030

Observation of MCD Effect by HX-PES
Fe3+
Fe2+

PC=0.95

S

S

S

S

[Fe3+(�:5�B)]AO[Fe3+(�:5�B)Fe2+(�:4�B)]BO3
S. Ueda et al. 2007 ����������

Comparison of the valence-band between the
crystalline and amorphous phases
c-Si
a-Si

8 keV

�

Intensity(arb.units)

�

15

10

5

0

Binding Energy (eV)

sp3 bonds is too rigid to form amorphous
structure without broken bonds.
This causes drastic difference between
amorphous and crystarine valence band
structure in Si.

Peak A : Ge 4p, Sb 5p, Te 5p
Peak B : Ge 4s and Sb 5s
Peak C : Te 5s

Similarity of amorphous and crystaline
spectra in GST case is a key of the fast
reversible crystalline- amorphous transition.
J. J. Kim et al, under submission to PRB.

－ 122 －

12

JAEA-Review 2007-030

��������������������
s2 form lone pair bands.
p3 sustain the fcc structure.

Resonance bonding
Inherent instability in the lattice
structure(GeTe)1-x(Sb2Te3)x(GeTe)1-x(SbTe)2x(�Te)x-Ge Te-Ge Te-Sb+ Te-�2-Te-Sb+ Te- GeTe- Ge
Ge-Te Ge-Te Sb+-Te �2--Te Sb+-Te Ge-Te Ge-

Observation of Cage Conduction Bandin (CaO) 12(Al2O3)7
Electrideb

Ionic material withelectron as anion

X-ray energy 8 keVaIntensity (a.u.)

12K
300K

EF

��

�

5.5 eV

�

�

�

EF

�

��

�

5.5 eV

��

12 K
300 K

Intensity (a.u.)

Can be replaced by e-�������������������

��������������������

�������������� ������������
Y. Toda et al. MSL, Tokyo Inst. Tech., to be published in Advanced Materials－ 123 －

13

JAEA-Review 2007-030

�������������������������������
����������������������������
����������
���������������������������
���������������������������
������������������������NIMS�����
���BL15XU��������������������
����������������������������
�����������������������������
���������������������������
�����

Fundings
MEXT
Nanotechnology Support Project
The Program for Strategic Use of Advanced Large-scale Research Facilities
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)(No. 15206006, Principal Investigator: Takeo Hattori)JST
Sentan Progect

Hyogo Prefecture
Collaboration of Regional Entities for the Advancement of Technological
Excellence－ 124 －

14

JAEA-Review 2007-030

END－ 125 －

15

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

�����������������
������������� �������� ������ ������ ��� �����������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
���������������������� ����� ������������������
���������������� ����������������
�������������������������
��������������������������
�������������������������
�������������������������
�������������������������

�������������������� ���������������������������
��������
�����������

�
����
��

���
�������
�������

����������
��������
����������

��������������

����������������������������

�����������

������ ������� �� ��������������
���� �����������������������������������������
������������������������������������������
�������������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
��������������� ���� �������������������������
������������������������������������������
������������ ��������������������������� ��������
����������������������������������
�����������������������������������������
������������������������� ��������������������
������������������������������������������
��������������������������������������������� ������� �������������������������
��

－ 126 －

JAEA-Review 2007-030

��������� �������������������

��������������

������������

�� ��

��
����������
����������������� � ����������������
�����������
����������
��������� �������/��� ������� �������� ��������
����� �����/��� �������� ��������
���� �������� ���� ������������
����� ���� ���� ���� �������
���� ��������� �������� �������/����� ���������� ��������� �������� �����������

－ 127 －

1

JAEA-Review 2007-030

������������������������������
���������

�����������
����������
��������
���������������

������������

������������

������������ ��

��
��

��
���

������
����

����
�����

�������������� �������

������� �������

����������������
�����

���

����

�

�

��

������

����������������
������������

���������������������� ���������� �������������

����������

��������������
��������

�������

－ 128 －

�������������
����
�

���

��
�

�
��
��

���������

��cf � = ��Cv /3

��
�

���
���
���
��������

���

2

JAEA-Review 2007-030

�������
���������������������������������

����� ����������������������������
���������
���������
�������������
�������������������

����������������������
����������������������

��������������������������������
����������������������������������� �����������

�������

�������

���������
����
����

�

�������
������

������� ����

��������

������

��������� ������

��

�����

�����

��

������

�������������� �

���
���

������

������ ���� ����� ��������� ����

��������������

���

�����

��������������

������

�������

�������������� �����������

����������� �������������

������������ �������������

������������ �������������

����������

－ 129 －

��������

3

JAEA-Review 2007-030

������������
�������������
���������
����������
�����������
������
����������

����������������
������������������
������
������
������������� ��������
�����������
�������������������������

H. Nakamura et al., J. Phys. F:
Met. Phys. 18 (1988) 981.

������������������������
����������
����������
Mn����� ����� ������������������� �����

X������������������

������������������������
������������

��������������

��������������������������
J. P. Bouchaud, Anm. Chim.
3 (1968) 81.

－ 130 －

4

JAEA-Review 2007-030

�����������������
������������

��������
�����������
�������

�������

�����������
��������

��������������

��������������

��
���

���
��������

�������������

����

���

���

�������������������� ����������������������������

�������
�������

���������
����
�

���

����������������������������
����������

����������

������������

��
��
�

���������������������
���������������������������

�������

���
���
���
��������

���

K. Takenaka and H. Takagi, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 261902
K. Takenaka and H. Takagi, Mater. Trans. 47 (2006) 471

��PCT/JP2005/13914 �������WO/2006/011590A1�

�������������
�������

�������

���������������
���������������

������������
���������������������� ������������������

������ ����������
������

�����������

������������
������������
���������

������������������
������������������
����� ������������

������������

���� ����������������

������������� ����������

�������������

������������
������������

�������
�������������

－ 131 －

5

JAEA-Review 2007-030

��������
�������������� �����������
������
������������������������

������������

� �

��

�

��

�

��

��
��

��

�

�������������

�

��
���
�������

�������

�������
������

�����������

���� ��� �������

����������

����������

���������������������
�������

��

�
�

���
���
���
���������������

���������������������������
�������������� � � �����������
��������
�����������

������������

���������������������

�����������������
���������

�����
�����
�����
�����
�����
����
����
����
����

���

�

���������������������

���������
�����
�����
�����
�����
�����
����
����
����

��

－ 132 －

������������������

����������

��

6

JAEA-Review 2007-030

�����������������������
���������������������� � � ���������������

������
��������
�����������

������������

�������

�����������������

�������� ����������

���

���
����

���

��

�������������������������

���

���

���
���
�����
����
����
�

�
�

����������������������

������ ��� ������������������

�������������

������������� ��� �� �� ��

0

20

80

101

211

200
MnO
210

111
MnO

200
MnO
210

101

10

MnO

MnO

MnO

100

T=7K
T=300K

15

0

20

MnO

0

111

5

�������

0.20

211��������������

3

100

200
MnO
210

60

20x10

MnO

Intensity (counts/400 MON)

211
211

200
MnO
210

MnO
111

40
2� (deg.)

MnO

MnO

MnO

5
0

40
2� (deg.)��������

60

80��������

4g

F_�

4g

AF_�
5g
AF_�

2

0.15
|Fmag|

111

101
101

10

MnO

MnO

T=7K
T=300K

100

3

15x10

100

Intensity (counts/400 MON)����������������

0.10
0.05
0.00

������������
0

20

40
2� (deg.)60

80－ 133 －

7

JAEA-Review 2007-030

���������������������

��������������

������������

����������������

����������������
���������
���������������

���

���
���������������

����������������

�������

����������

����
��

������������

�������
�����
�����
�����
�����
����

����
��
����
�������

������������ ������������

������������������

����

3.92

(1,0,0)Intensity (a.u.)

5000

a(A)
a(� )

3.91

3.90

100

200

300

400

4000
3000

(1,0,0)2000(1/2,1/2,0)x=0x=0.15x=0.2
x=0.5(1,0,0)1000

x=0 (average)x=0.15
x=0.2
x=0.5
0

���

�� ��� �� �� ��

����

3.89

���

�������

������������������

��������

����������������������

������
������

�

�

�

��

������� ������������������

������

0

0

100

200

300

400

500

T(K)

500

T(K)

x

0

0.15

0.5

0.5

TN

~150K

~110K

~150K

~360K

－ 134 －

8

JAEA-Review 2007-030

�����������
����������������������������
����������������������������������
�����������������������

������������������ ����

�

�

��

������

��

��

���
���
���
���������������

�
���

�

���

��

���
���

���������������
��
�

�

��

���

��������������

�

�

���
���
���
���������������

���������������������������������������������
�����������������������

����������������
���������������������������
K. Takenaka and H. Takagi, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 261902

������������������

��������������

����������

�������

�����������

������������

���������������

2005�12�13��������
������������� ����－ 135 －

9

JAEA-Review 2007-030

��������������
�����������
�����������
���������������������������
�������������

������

�����������������

�����������

����������������������

������������
������������
�������������������
������������

��������

����
�����
�����

�������
������������

��������

������������
����������������������
����������������������

�����������
�����������

����������������
������������������

�������������

�������������������

��������������
���������������

���������������

��������������
�������������

���������

������������
������������
cf�������������

��������������
�����®� ������

－ 136 －

10

JAEA-Review 2007-030

������������������������
������������������
������������������������������

������������
������������������
���������������������������
�������������� � ������ �����������������
���������������������������

��������� ��� �� �� ��
width (deg.) Intensity(counts/30sec)

width (deg.)

Intensity(counts/100sec)

���������������
10000

8000
6000
4000
2000
0
0.80

100

0.75

100

0.70
0.65
0.60

0

100

200 300
T (K)

9000
8000

110

7000
0.64
0.62
0.60
0.58
0.56

400 500110
0

200 300
T (K)

400 500�����������
����������������
�����������

100�����������

cf－ 137 －

�����11

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

������������������������
��������������������
����������� �����������
������������� ���������������� ��

�����������������������������������������
�������������������������������������������
������������������������������������������
�������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
��������� �� ����������� �������������������������
������������������������������������������
�����������������
������ ������� ����������������������������������� ��������� ������������~������������������������������ ���������������������������������������������
��������������������������������������������
������������������������������������� ��������
�������� � ����� �������������������������� � ��������������� � �����������������������������
���������������
���������� ������������������������������������
��������������������������������������������
�����������������������������������������
����� �������������������������������������� � ��������������������������������������� ����� ��������������������������������������������
�������������������������������������������
��������������������������
����������������������������������
���������
������������������
������������������
�����������������������
��������
�������������������������������������������
�����������������������
������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
���������������������������������������������������
���

－ 138 －

JAEA-Review 2007-030

��������
������������
������������������
��������������
�����������������������
�������������
���������������

�����������
������� (CRYOPAD)• ��������
�������CRYOPAD
TAS-1• ������
Si X Sj���������
10 T, 13.5 T �����
13.5T magnet• �������
• ���������

TAS-2－ 139 －

1

JAEA-Review 2007-030

�����
CdCr2O4

���, ����, ����, ����� (�����)E. Lelièvre-Berna (ILL)
����,���� (�����)J.-H. Chung (NIST)
S.-H. Lee (Univ. of Virginia)

HgCr2O4
����, ����������
S.-H. Lee (Univ. of Virginia)����, ����, ��������SPring-8�
�����������
�����������

Cubic Spinel
ACr2O4 (A=Mg, Zn, Cd and Hg)

Cr3+ (S=3/2)
pyrochlore latticeA
O
Cr

Heisenberg systemdominant NN AF direct exchange
no orbital degree of freedom
Geometrical frustration－ 140 －

spin Jahn-Teller
3D spin-Peierls

?

?

2

JAEA-Review 2007-030

J.-H. Chung et al., Phys. Rev. Lett. 95, 0944420 (2005)

Spin structure

QM= (0, �, 1) with �~0.09, TN=Tst=7.8 K (c>a)
easy-plane (ac) perpendicular to modulation vector

CdCr2O4

collinearorthogonalSc

Jc~ 1meVSa

c

Jab~ 1.2meV

偏極中性子

a

ノンコリニアー構造

Pi

コリニアー構造S�
Pi

円形スパイラルPf

磁気モーメントのまわりに180度の歳差運動
核散乱では変化なし

Pi

Pf
Pf

Pi
Pf

楕円スパイラルPf
Pi－ 141 －Pf
Pi

3

JAEA-Review 2007-030

三次元中性子偏極解析

T. Roberts, PhD thesis.

Pif : Pxx, Pxy, Pxz, Pyx, Pyy, Pyz, Pzx, Pzy, Pzz
Pif =I(+i,+f) - I(+i,-f)
I(+i,+f) + I(+i,-f)

Pif

f

x

s

y

+

h

=

x // Qy � Q (in-plane)z � Q (vertical)

h

s+h

z

i x

0
0
-1
2h(h+s)s(2h+s)s(2h+s)
y
cos2�
sin2�
A
A
A
2h(h+s)s(2h+s)s(2h+s)z
sin2� cos2�
A
AA
chirality term
2

Pf

Pi

Pi

Pf

z y
x

A=s +2h(h+s)

�

h=0 (collinear)

Pyy2+Pyz2 = Pzy2+Pzz2 = 1

s=0 (spiral)

Pyy2+Pyz2 = Pzy2+Pzz2 = 0

CRYOPAD on TAS-1 at JRR-3 M. Takeda, A. Oosawa, M. Nakamura, K. Kakurai,
E. Lelièvre-Berna and F. Tasset

CRYOPAD
TAS-1－ 142 －

4

JAEA-Review 2007-030

CdCr2O4

P0=0.92(1)Sc/Sa= 1.24(1)chirality domain ratio ~1.2

M. Matsuda et al., Phys. Rev. B75, 104415 (2006)

Pif: Pxx, Pxy, Pxz, Pyx, Pyy, Pyz, Pzx, Pzy, Pzz
1.0

Exp.
Cal. (Sc/Sa=1.00)
Cal. (Sc/Sa=1.24)

Polarization

0.5
0.0

-1

0

0

2h(h+s)s(2h+s)s(2h+s)A
2h(h+s)As(2h+s)

A

A

-0.5

cos2�
sin2� -As(2h+s)
A

sin2�
cos2�

-1.0
(0, 2.1, 1)(0, 1.9, 1)

Pxx~ -0.92
Pyz=Pzy~ 0(0, 2.1, -1)(0, 2.1, 3)(1, 1.1, 0)

Sa

s~0

Pyy, Pzz (diagonal) <<1

Sc

a

�=0

Pyx, Pzx (chirality)

circularc elliptical

QM= (0, �, 1) (�~0.09)

Half-magnetization plateau
ACr2O4 (A=Hg and Cd)
Magnetization

H. Ueda et al., Phys. Rev. B73, 094415 (2006)

Cr3+ (S=3/2)
Phase diagram

3 up and 1 down

－ 143 －

5

JAEA-Review 2007-030

Theoryplateau state in a wide range of magnetic field
K. Penc, N. Shannon and H. Shiba, PRL 93, 197203 (2004)

Strong spin-lattice interaction

�: spin-lattice coupling
�: change of the bond-length
�: elastic constantbiquadratic-bilinear termb= J�2/K

Neutron diffraction measurements
JRR-3 at JAEA
Triple-axis spectrometer
TAS-2 (thermal neutrons)
E=14.7 meV (�=2.36Å)

13.5 Tesla SC magnet(cryogen free)+
4 K closed-cycle refrigerator
Monochrometer
Analyzer
Neutron source
�� M
�� A
�� S
Sample (powder)
Detector－ 144 －

6

JAEA-Review 2007-030

powder neutron diffraction M. Matsuda et al., Nature Phys. 3, 397 (2007)

HgCr2O4

magnetic diffraction pattern
H=0 T, I(2 K)-I(10 K)
H=13.5 T, I(3.2 K)-I(10 K)
3+

0
1.5

2

2.5
Q / a*

3

H=0 T QM=(0,0,1) and (0,1,1/2)(1,1,0), (2,0,1), .....
(1,0,1/2), (0,1,3/2), (1,2,1/2), ......
H>10 T(1,1,0), (2,0,1), .....
(1,1,1), (3,1,1), (2,2,2), .....

1
0.5
0

3.5
Peak Intensity (counts/5min.)

1

1.5

B

50
-50

Magnetization ( � /Cr )(2,0,3)(2,2,2)(3,1,1)(1,3,0)(1,1,2)(2,2,0)100(1,1,1)(1,0,1/2)

150

T=1.8 K

(1,2,1/2)

200(0,1,3/2)(1,1,0)250(1,0,5/2)

300
Intensity (arb. units)magnetic field dependence2(2,0,1)350(0, 1, 3/2)
(1, 1, 0)(1, 1, 1)

800
600
400
200
0
0

5

H (T)

10

15

Magnetic structure
2 spin-up
2 spin-down

H=0 T

S//ab plane
QM=(0,1,1/2)c

S//c axis
QM=(0,0,1)+++--++--++-- along chain

H>10 T+-+-+- +-+-+- along chain

3 spin-up
1 spin-down

H

S//H

P4332
+++-++ +-+++- along chain

R3m+-+-+-+-+- along <111>－ 145 －

7

JAEA-Review 2007-030

Magnetic structure in the plateau state
T<TN

H=0 T: Cubic � Orthormbic(Fd3m)(Fddd)
H>Hc

T< TN: Orthormbic � Cubic(Fddd)(P4332)Phase diagram

ferri P4332
AF Fddd

para Fd3m

Observable in P4332 symmetry��������
Bond length

J’1
b++
J1
b+-

b++ - b+~ 2%bb++ > b+J’1 < J1

P4332

－ 146 －

8

JAEA-Review 2007-030

�������CRYOPAD• ��������
�������

TAS-1• ������ Si X Sj
CdCr2O4 (TbMnO3)���������
• �������
HgCr2O4 GeNi2O4

13.5T magnet• ���������
CdCr2O4 GeNi2O4

TAS-2－ 147 －

9

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

��������������������� PDF �������������� �����������
������������� ��������������� ������� ����� ��

PDF �������������������PDF�G(r)����������������
��������G(r)���������������������������������
������������������������structure function�S(Q)��������
������������������������������������������
������������������������������������������
�������� � ���������������������������������
������������������������������������������
PDF ���������������������� G(r)����������������
���� ���������������������������������������
������������������������������������������
���� � ����������� G(r)������������������������
������������������������������������������
������������ NPDF ����� G(r)� PDF �����������������
��������
(1) ����������� BiMnO3 ��������������������������
����������������������������� �������� Mn3Cu1-xGexN ������������ G(r)������������
��������������������������� 14N �������������
�������5g ������������������������ ����������������������� Mn ����������������
������� ������������� G(r)����������������� PDF ������
������� TiO2 ������������ G(r)�������������������
���������
����� G(r)� 1.6<r<100 A �������������������������������
��������������� � �������� G(r)���������������������
��������� G(r)�������������������������������
�������������������������� � �������������� PDF
��������������������������
�－ 148 －

JAEA-Review 2007-030

�����������������������
����� �� ��
��� �
�� ��
• ��������
• ������
�����������
�����������

���� �������������������� ������������ ���������

����
�����

�� �������� �������������
��������������������������������������������������������������
�������������

����������������������
��������������������������������������� ����� : G(r)�������������������������

�����������R(r)r dr

R(r)dr : �� r ��dr���������������

�������

g �r � � R �r � 4�r 2 � 0

�0 : �����

R(r)����������������

G �r � � 4� r� 0 �g �r � � 1�

－ 149 －

�����

1

JAEA-Review 2007-030

����������G(r)���
�����������

�sin(Qr) �
dr � N : ���� b : ������� I (Q) � Nb2 �1 � � 4�r 2 �0 g �r �
Qr
�
�

�
sin(Qr)sin(Qr) �
dr � � 4�r 2 �0
� Nb2 �1 � � 4�r 2 �0 �g �r � �1�
dr �
Qr
Qr
�
�
���
S (Q) �����������
�������� :I (Q)sin(Qr)� 1 � � 4�r 2 �0 �g �r � � 1�
dr
2
Nb
Qr

G �r � � 4�r� 0 �g �r � � 1�G(r ) �2
Q�S (Q) �1�sin(Qr)dQ������� G(r)��������

���������������������
��

�
�

����

��

G( r ) ���

2Q�S (Q) � 1�sin(Qr)dQ������������

������

��

�

�
�
��
��

�
�

��

�������

��

��

��

��

��

�. r �����������

�����

��

��

���

�. r �����������������������
������������������� ������������������������

1 �Q � rmax��������
cf. NPDF at Los Alamos � �Q�0.15%�rmax� 100A

－ 150 －

2

JAEA-Review 2007-030

��������� ��������������
�������

��������������������

a � a p � c p � 2bp
b � a p � cp
c � a p � c p � 2bp

Yokosawa et al.

T (K)

����

Pbnm ������������
�������

���������
Kimura et al.

C2 ����������
�������
��������

Belik et al.

�����

����
����������

Santos et al.

���Santos et al.

���������� Belik et al.
�������� ������������������������������������

(h0l) (l=2n+1)��������
�C2�����������

C2/c���������C2/c���������

����������������������������
������������������������
����������������

－ 151 －

�����3

JAEA-Review 2007-030

����������� Yokosawa et al.
(h0l) (l=2n+1)�������������C2���(h0l) (h=2n+1)���������C-�����
�����P21 or P2�������
P21 or P2������������
C-���������������������
�������C2��������

�����C2��� ��

����������

���������� ��
�
�
�
�
��
��
��
��

> Tc

120K

��

��

�����

��

��

���

20 A ������������
�����10A������������
������������������
C2/c, C2, P21, P2������������

－ 152 －

4

JAEA-Review 2007-030

box-car refinements���
rmax=20A

rmax=100A���������

�

R-factor������������

������������

�����
���
����
���

�

�

�

������
�����������

����������

����������

�

�

��

�

�

��
��

�
���

�

�������

����������

�

�

��

��

��

��������

�����

rmax=100A��

�
��
��

�
���

��

RC2/c� RC2>> RP21� RP2

��������

�����������

������������
�

���

�

�

������

�������

1. P21 or P2 �������
����������

�����������

����������

������

����������

����������

�

�

��
�

���

�

��

��

��

�
��
��
��

�
��

��

��

2. ������ ����� 100A��

���

�����

�����

Domain�����������
P21
P2�����������������

-2

G(r) (A )50

RP21=15.2%

-5

-10

deviation
20

40

r (A)

60

80

0

RP2=15.1%

100�����������

P21

P2

－ 153 －

5

JAEA-Review 2007-030

����C-����������������

P21
P2

-2

G(r) (A )

5

0

-5

deviation

-10

20

40

r (A)

60

80

0

100

RP21=15.2%
RP2=15.1%
������������������
P21���P2����������A��������������
C-����������������C2���������
������� �������� ����� Atou et al.

���������������������������������������

������������

���

�
��

�

��

��

��
��

���
���

����
����

���

�
��

��

������� �

�

����
����

���

�

������� ������������
�

�

��

�����

��

��

��

�����

��

���

����������
���������������������������

－ 154 －

6

JAEA-Review 2007-030

������������������ ������R-������
60

new
old

40

Rw���rmax����������

Rw (%)

rmax���������Rw �����
Rw�����

20

0

20

40

60

rmax (A)80100����������������������
���������������������

����������������

���������� ��������

����������������������
�������������������

���������

�������������������

Cf. ������(CuCl)LaNb2O7 ��� ���������������
����

��

��

��

��

��

���������������

������������

Kodenkandath et al.

Takigawa et al.

�����������������������

��������������������
����������

x�0.5����������
�������������������
���
Takenaka & Takagi

3���������������� Iikubo et al.

����������5g��������������
��������������������
�������5g���������������������

－ 155 －

7

JAEA-Review 2007-030

������������������������
�������������
��������������5g�������������
������������������������������
��������������������
�����������

���

�����
�����
�����

�

��������������
���������������

������������

�������������
�������������������

����

����

�����
����������

����

���

���

���

���

���

���

���

���

�����

����������������������
�����������
��������
�����������������

����
����

��������������

����

����
����

��������

����
����
����

����
����
����

����

��������

����

���

���

���

���

���

�����

���

���

���

���

���

���

�����

�5g���������������
����������������������

－ 156 －

8

JAEA-Review 2007-030

�����������������������
Iikubo et al.

������������������
����������
Koyanaka et al.

������������������
�������

�����������������������������

�������������)�������
��������������

����������������������������
���������������������
����������������

������ ���������
�����������������

����

����
����������

������

������

R�����

－ 157 －

������

9

JAEA-Review 2007-030

�����������
R�����

������

������

������

�������R-��������

�������������������
������������������� �� ����� � � � � � � ��� ��

����

����

� � � � � � ���� ��� � ������ ��� � � ���� � ��

2
G (r ) � � Q�S (Q) � 1�sin(Qr )dQ�� ��� �������� �� �������
����������������
���������

�

�� ��
��

－ 158 －

������ �

����

10

JAEA-Review 2007-030

�������������������������R(r)����
����������
>>r�������������r��������

�����R(r)������������������
R(r)���������
sheet

belt

����� f (r ) � Rnano (r ) R� (r )spheretube

������������������

������ �0�������

����������� �0’�����������
����������
2��������� R(r ) � f (r ) R� (r ) � 4�r �0 ' �1 � f (r )�

��� G(r) � f (r)G� (r) � 4�r��0 � �0 '� f (r)�������������
�����－ 159 －

��������������
�����������

11

JAEA-Review 2007-030

������������������ S(Q)��� S (Q) � 1 � � 4�r 2 �0 �g �r � � 1����� Snano �Q� � 1 �sin(Qr)
dr
Qr

1
1
f �r �G� �r � sin(Qr)dr � � 4�r ��0 � �0 '� f �r � sin(Qr)dr
�
Q
Q
����

������������������������
�������������
S L (Q) � 1 �1
f �r �G� �r �sin(Qr)drQ�f �r �G� �r � �

2Q�S L �Q� � 1�sin(Qr)dQ��G �r � � f �r �G� �r � �����������

�����������
����������
��������� f(r) ��������������
�����������
� f(r)G�(r)���������

��

G�(r)

����������

����������� �

��

�

�
���

���

���
��

���

��

��

��

��

��

��

��

�����

�����

���������f(r)G(r)�����
�������������

－ 160 －

12

JAEA-Review 2007-030

�������������G(r) ���������
�� r ��������������
���������������
���������

��������������������������
�������������

������������������
������������ ����������

�����������������������

－ 161 －

13

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

�������������������
������������������
���������� ������������
����������������� ��
������������������������������������������
�����������������������������������������
�������� ���������������������������������������
������������������������������������������
����������������������������� ������������������������������ �������������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������ �������� ��������������������������
������������������������������������������
�������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������� ������ � ������������������������������������
������������������������������������������
����������������������������������������
�������
�����������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������
���������������������������������������������
��������������������������������������������������������������
�
�
�
�
�

－ 162 －

JAEA-Review 2007-030－ 163 －

JAEA-Review 2007-030－ 164 －

JAEA-Review 2007-030－ 165 －

JAEA-Review 2007-030－ 166 －

JAEA-Review 2007-030－ 167 －

JAEA-Review 2007-030－ 168 －

JAEA-Review 2007-030－ 169 －

JAEA-Review 2007-030－ 170 －

JAEA-Review 2007-030－ 171 －

JAEA-Review 2007-030－ 172 －

JAEA-Review 2007-030－ 173 －

JAEA-Review 2007-030－ 174 －

JAEA-Review 2007-030－ 175 －

JAEA-Review 2007-030－ 176 －

JAEA-Review 2007-030－ 177 －

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

��������������������
������ ������������ ���
�������������������������������������������
������������������������������������
�����������������������
������� � ���� ��� ����� ��������
������������������������������������������
������������������ �� � �� ��������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
����������� �����������������������������������
��������� �����������������������������������
����������� ������� ������������������������������������������
����������������������������������������� ������ ������� �������������������������
������������������ �� �����������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
��������� ����������������������������������
�������������������������������������������
������������������������������������������
�������������������� �������� ������������������
���������� � ���������� ���������������� ������ �����������
����� ��� ������������� �� ��������������������
������������������������ ������������������������ ����������������� ��� ������������������������������������������ ���������
�������������������� �����������������������
����������� � �� ��������������������� �����������������
������������ ������ �� ��� ����������������� ����� ����������������������������������������������
����

－ 178 －

JAEA-Review 2007-030

����������������

������
�������
�����

OutlineOutline������(���������)�������

����������
�������������������������
� NaxCoO2 (Kuroki-RA, arXiv:0705.3088)
� LiRh2O4 (RA-Kuroki-Lukoyanov-Held-Anisimov, unpublished)��������� (RA et al, PRB75 174521(2007))�������������������������� �����������2���������Mott���������

���������������������������������� ��������������

� 4d9-analog ? : Cu2+ � Ag2+ ? Cs2AgF4
� 3d1-analog ? : Cu2+ � V4+ ? Sr2VO4－ 179 －

1

JAEA-Review 2007-030

����������

Introduction
Introduction (1)(1)

NaxCoO2�������� S ~ 100�V/K even for T ~ 50K
x
1: 0.71
2: 0.75
3: 0.80
4: 0.85
5: 0.88
6: 0.89
7: 0.96
8: 0.97
9: 0.99
10: ~1.0

CoO2

M. Lee et al, Nature Materials 5 537 (2006)

T�����

Koshibae et al. PRB 62 6869 (2000)

Co3+ Co4+ Co3+ Co3+ Co3+

t2g
Entropy=kBln6

Charge of e flows
with an entropy of kBln6

S�
Entropy=0－ 180 －

kB 6
ln � 150 �V / K
|e| 1

2

JAEA-Review 2007-030

Introduction
Introduction (2)(2)

T���������

a1g
eg’

t2g
S=kBln6

Na0.35CoO2~0.1eVa1g

eg’

Yang et al, PRL 95, 146401 (2005)
also Hasan et al.,PRL 92, 246402 (2004)
for BLH samples:
Shimojima et al,
PRL 97, 267003 (2006)

eg’ bands lie 100meV�200meV below EF

Only a1g is relevant?

BoltzmannBoltzmann eqeq����������
���������� (1)(1)
a1g����tight-binding�����

�����������������(ARPES������
�������k������

－ 181 －

3

JAEA-Review 2007-030

BoltzmannBoltzmann eqeq����������
���������� (2)(2)
NaxCoO2
T=300K

Kuroki-RA, arXiv:0705.3088

������������������
������������������
Realistic����Realistic����

����
����

Kuroki-RA, arXiv:0705.3088－ 182 －

4

JAEA-Review 2007-030

Discussion:
Discussion:Na
NaxxCoO
CoO22��������
��������

K1��

EF����vk�����������������

LiRh
LiRh22O
O44��������
��������

������
���S
Rh+3.5cubic~15�V/K

tetra

xy
zx
yz

Okamoto et al, 2006

－ 183 －

5

JAEA-Review 2007-030

LiRh
LiRh22O
O44�������
�������

vk2

Energy(Ry)

LDA�12���tight-binding model �vA > vB�BZ��������

BoltzmannBoltzmann eqeq����������
����������

���

���

Cubic��S�������
��������������LDA+DMFT�����

－ 184 －

6

JAEA-Review 2007-030

vk

Discussion:���������������
Discussion:��������������� (1)(1)

������vB�K1������K����������

��2�����������

��1������

Discussion:���������������
Discussion:��������������� (2)(2)
��������
Rh valence = +3.08

S2/�

S (�V/K)vk2

Rh valence = +3.5

－ 185 －

3.08

7

JAEA-Review 2007-030

Conclusions
Conclusions
Na
NaxxCoO
CoO22�����
�����
BoltzmannBoltzmanneq.����������������������
eq.����������������������
���������v
���������vkk������������������
������������������
LiRh
LiRh2OO4�����
�����
2

4

Cubic�����������������
Cubic�����������������Na
NaxCoO
CoO2������������������
������������������
x2

Dispersive����������������2���������Dispersive����������������2���������
� 2����������
� 2����������� ������ �����

����������

��������������:�����d1 analog���－ 186 －

8

JAEA-Review 2007-030

Motivation
Motivation������������������������������
� Sr2RuO4� NaxCoO2�yH2O�����Tc
� ���������������� �������������������������������� ���������������������� �����key word����������������������

� 2���������Mott�����������������etc.
� 4d9-analog ? : Cu2+ � Ag2+ ? Cs2AgF4
� 3d1-analog ? : Cu2+ � V4+ ? Sr2VO4
� ��������������� LDA, LDA+DMFT�����������

1
3d
3d1analog:
analog: Sr
Sr22VO
VO44

����: 2�� 3d1�V, Cu
O
Sr, La?

Sr2VO4

cf. LDA by

Pickett et al, 1989

La2CuO4

������������ � �������, TN~45K
Rey et al, J. Solid State Chem 86 101 (1990)
Nozaki et al, PRB 43 181 (1991)
Giannakapopoulou et al, Solid State Commun. 93 579 (1995)
Matsuno et al, APL 82 194 (2003); PRL 95 176404 (2005)

Beyond LDA�����

GGA+U (Wenig et al., cond-mat/0512718)
LDA+PIRG (Imai et al, PRL 95 176405 (2005))���������
Non-trivial�����(4x2)－ 187 －

9

JAEA-Review 2007-030

Basic
Basicidea
idea&&Purpose
Purpose

dxz
dyz

dxy
t2g

dxy

dxz
dyz

LDA+DMFT�����
�������������
�����d1 analog�����������������+��������
����������������������
������ � �������NMTO downfolding
Effective low energy Hamiltonian���DMFT (QMC)
Maximum Entropy Method � Spectral function－ 188 －

10

JAEA-Review 2007-030

a=1.05a0

1/2 filling single band system � ���������
����������d1 analog

dxz
dyz
[eV]
3dx2-y2 in La2CuO4

3dxy in Sr2VO4
t=0.26t=0.26eV
eVt’=0.06t’=0.06eV
eV
U=U
U=U��+2J=4.2+2J=4.2eV
eV

t=0.4
t=0.4eVeV
t’=-0.07t’=-0.07eV
eV
U=5
U=5eV
eV

ChemicalChemicalpressure���pressure���Hybertsen et al.
PRB 41 11068 (1990)

Sr�Ba

Sr

c/2

dxy

Ba

dc
dab

a
dab=a/2�������dc�c�����
�Sr��������������������������
dab�������dc������������������
���������������������
��������

Sr2VO4

dab=1.92�, dc=2.01�

Ba2VO4 dab=2.02�, dc= 2.01�

－ 189 －

11

JAEA-Review 2007-030

LDA+DMFTLDA+DMFT(Ba(Ba22VO
VO44))
a=a0

a/a0=1.025cf) lattice const.
of MgO=4.21�

LDA
�����

LDA
DOS

����
�����
����

LDA+DMFT
A(�)Conclusion
Conclusion����orbital
����orbitalswitch�����LDA+DMFT�����
switch�����LDA+DMFT�����
1
dd1analog
analogof
ofcuprates���cuprates���
1�� 3d
3d1:Sr:Sr22VO
VO44�Sr�Ba����MgO��������
�Sr�Ba����MgO��������

－ 190 －

12

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-030

��������
����������� �����������
������������� ��������������� ��

�����������������������������������������
������������������������������������������
�������������������������� ����� �������������
������� ������� �����������������������������
���������������������� �� ���������� �� ��������� � ��������������������������������������� ���������������������������������������������
�������������������������������������������� � �������������������������������������������
������������������������������������������
��������������������������������������������
���������������������� �������������������������
������������������������ � ���� �������������������
����������
������� �������������������������� �������
�������������������������������������� ������
���� ���������������������������������
��������
������������������������������������������
������������������������������������������
�������������������������������������������
������������������������������������������
�������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
����������������������������������������� ��������������������������������������������
����������������������
�
�
�
�
�
�
�

－ 191 －

JAEA-Review 2007-030

����������������������

���� �����������
�����������������
�������� ����� ������
��������
������� ������������
���������� ������
�������������������������
������������������������
������� ������������

�������
������������������������

�����������������������
��������������������������������
����������������������������

���������� ��/��/�����������
����
����

������������������

�����������������
�������������
�������������������

���������
���������
���������

������������������
�������������������

－ 192 －

����������
����������

1

JAEA-Review 2007-030

������������������
�������J-PARC����������J-PARC�������JRR-3������
SPring-8�������������������TIARA����������������
��������������������������������������������
��������������������������������������������
��������������������������������������������
������������������������������������������
������������

������������
Cooperation
Cooperation with
with Other
OtherOrganizations
Organizations��������
http://www.mext.g����
Cooperation Organizationso.jp/b_menu/houdSatellite Research
J-PARC
Facilities �JAEA�
����
ou/19/05/07053007.
MLF facility
RAL (UK)
ORNL (USA)Columbia Univ (USA)Univ. of Florida (USA)
Princeton Univ. (USA)Univ. of Tennessee (USA)BNL(USA)BNC (Hungary)
CNRS (France)
RIKEN
NIMS
Kyoto Univ.
Tohoku Univ.
Hokkaido Univ.
Univ. of TokyoNAISTInternational Center
for Interdisciplinary
Quantum Beam
Science
JRR-3 Reactor
Quantum Beam
Science
Directorate

Advanced
Science ResearchCenterSPring-8(Harima)

htm

TIARA
(Takasaki)

Center for
Computational
Science and eSystems (Tokyo)(JAEA, Tokai)

Figure 1 The International Center and collaborated organizations.

－ 193 －

2

JAEA-Review 2007-030

JAEA-Review 2007-000���������������������������������� � ���������
������������������������������������������
������������������������������������������
�������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
���������������
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�

－ 194 －

JAEA-Review 2007-030

����������������������
����������� ����������������� ��������� ������������������
������������������������ ��������������� �������������
������������ ����������������������
���������� ����� ���� ��� ���������
��������������������������������� ��� � �������
������������������������������� ��� � ����� ������������� � ������������� � ��� ��� � ����� ���������������������������� ��� ���� ��������
������������������� �� � � � � ����� ����������� �������������� ���������������� ����������� ��������������
������������������� ������������ ��� ��� �������� � ������������� � ��� ��� �������
��������������� �� ��� � ��� ��� �����
��������������������� � �� � ��� ��� ��������
������������� ���������������� ����������� �����������������
����������������� ��� ���� �� � ��� ��� ��������
���������������� � � � ��� � ��� ��� �������
����������������� ��� � ������������
������������� ������������������������
�����������������������������������������
����������������� ��������� ��������

－ 195 －

JAEA-Review 2007-030－ 196 －

ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴߇ਇቯᦼߦ⊒ⴕߔࠆᚑᨐႎ๔ᦠߢߔ‫ޕ‬ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߩ౉ᚻਗ߮ߦ⪺૞ᮭ೑↪ߦ㑐ߔࠆ߅໧޿วࠊߖߪ‫ޔ‬ਅ⸥޽ߡߦ߅໧޿วࠊߖਅߐ޿‫ޕ‬ߥ߅‫ోߩ࠻࡯ࡐ࡟ᧄޔ‬ᢥߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ࡎ࡯ࡓࡍ࡯ࠫ㧔http://www.jaea.go.jp/index.shtml㧕
ࠃࠅ⊒ାߐࠇߡ޿߹ߔ‫⽷߆߶ߩߎޕ‬࿅ᴺੱේሶജᒄᷣળ⾗ᢱ࠮ࡦ࠲࡯㧖ߢߪታ⾌ߦࠃࠆⶄ౮㗏Ꮣࠍⴕߞߡ߅ࠅ߹ߔ‫ޕ‬‫ޥ‬319-1195 ⨙ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ 2 ⇟࿾ 4ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎㇱ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎ⺖㔚⹤ 029-282-6387, Fax 029-282-5920
㧖‫ޥ‬319-1195 ⨙ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ 2 ⇟࿾ 4 ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ౝThis report is issued irregularly by Japan Atomic Energy Agency
Inquiries about availability and/or copyright of this report should be addressed toIntellectual Resources Section, Intellectual Resources Department,
Japan Atomic Energy Agency
2-4 Shirakata Shirane, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken 319-1195 Japan
Tel +81-29-282-6387, Fax +81-29-282-5920© Japan Atomic Energy Agency, 2007

































































     




 









        









 
 










 



















 



 
 

