中性子科学研究施設
Neutron Science Laboratory
中性子は透過力に優れ、微小磁石の性質を持つので、原子の中心にある原子核やその周りにある電子のつくる磁場と力を及ぼし合う。この性質を利用して物質による中性子の散乱のされ方を測定し、物質内の原子や磁気モーメントの配列や運動の様子を知る実験方法を「中性子散乱」という。
物性研究所の中性子科学研究施設では主に日本原子力研究開発機構の研究用原子炉 JRR-3 に設置された分光器を用いて、中性子散乱実験による物性研究のための全国共同利用を推進してきた。
さらに、2009 年に本格稼働した大強度陽子加速器施設 J-PARC においては、最新のチョッパー型分光器 HRC を用いた共同利用の推進を行っている。当施設が実施する全国共同利用により、高温超伝導体の研究、フラストレートした磁性体や重い電子系、低次元磁性体等の様々な磁性体の研究をはじめとして、複雑凝縮系の化学物理、高分子やコロイドの構造や相転移、生体物質の高次構造と機能の研究、などハードマテリアルからソフトマテリアルまで含む幅広い物質や材料の基礎研
究が中性子散乱を用いて盛んに行われている。まSince 1961, the ISSP has been playing a central rolein neutron scattering activities in Japan not only by
performing its own research programs but also by
providing a general user program for the university
owned various neutron scattering spectrometers
installed at the research reactor of JAEA (Tokai). In
the JRR-3 reactor (20MW), the university group owns
14 spectrometers, and the Neutron Science Laboratory (NSL) is conducting the general user program.
Furthermore the NSL owns state-of-art inelastic
neutron scattering spectrometer HRC in J-PARC
which started its operation in 2009. Major researchareas supported by NSL user program are solid statephysics (strongly correlated electron systems, high-Tc
superconductors, heavy fermion systems, low dimensional magnetism, high-pressure physics, etc.), fundamental physics and neutron beam optics, structure
and phase transitions of polymers, gels, and colloidalsystems, physical chemistry of complex condensed
matter, structure and functions of biological systems,
and material sciences. The NSL also operates the U.S.Japan cooperative program on neutron scattering, andsupports the development of the neutron-beam-basedmaterial sciences in Japan.

た、当施設は日米協力事業「中性子散乱分野」の実施機関としても活動し、我が国の中性子散乱研究の発展に貢献している。
教授（施設長）

柴山充弘

助

教

リ教

授

山室修助

教

淺井准教授

益田隆嗣

技術専門職員Professor (Director)
Professor

Associate Professor

SHIBAYAMA, Mitsuhiro
YAMAMURO, Osamu
MASUDA, Takatsugu

長

木船聡

晋一郎

特任研究員

秋葉宙

浅見俊夫

学振特別研究員

呉羽

拓真

技術専門職員杉浦良介

技術専門職員川名大地

Research Associate
Research Associate
Technical Associate
Technical Associate
Technical Associate

シャン

LI, Xiang

ASAI, Shinichiro
ASAMI, Toshio

SUGIURA, Ryosuke
KAWANA, Daichi

大強度陽子加速器施設 J-PARC に設置された高分解能チョッパー分光器 (HRC)。50Hz で発生する白色のパルス中性子は、中性子光路を通りチョッパーで単色化された後、試料で散乱され、2 次元ディテクタで検出される。ディテクタでは全てのエネルギーの中性子をもれなく測定するため、効率的なデータ収集が可能となっている。

High resolution chopper spectrometer installed in J-PARC. A white pulsed neutron
beam generated with the frequency of 50 Hz propagates inside the neutron beam
guide. The beam is monochromated by the Fermi chopper, scattered by the sample,
and detected by 2-dimensional detectors. The detectors detect all the scattered neutrons with all the energy, which makes the data acquisition drastically efficient.

54THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018係Administrative Secretary KIFUNE, Satoshi
Project Researcher
JSPS Research Fellow

AKIBA, Hiroshi
KUREHA, Takuma

中性子科学研究施設

Neutron Science Laboratory
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/shibayama_group.html

柴山研究室

柴山充弘

リシャン

SHIBAYAMA, Mitsuhiro LI, Xiang

Shibayama Group教授

Professor

ソフトマターとは、我々の身の回りの物や生体物質を構成助教

Research AssociateSoft matter undergoes various transitions in response to aslight change of an environmental variable. We investigate therelationship of the structure and dynamics of soft matter, suchas polymer gels, nanoemulsion, and micelles. The aims of ourresearch are systematization of “molecular-bond correlatedsystems”. Concurrently, we explore various applications of soft
matter on the basis of the physics of soft matter.
Nano-order structure investigations and studies on dynamics
of soft matter are carried out with state-of-the-art equipment,
SANS-U, a small-angle neutron scattering instrument. Othertechniques, such as small angle X-ray scattering, dynamic/static
light scattering, thermal analyses, and rheological studies, arealso employed. Current interests cover (1) Sol-gel transition (2)inhomogeneities in polymer gels, (3) structural characterizationand studies on deformation mechanisms of high-performancepolymer gels, and (4) fabrication of uniform-polymer networks
and their structure/property characterization, (5) developmentof high-performance thermoset polymers by structure-designingand molecular dynamics simulations.

する「柔らかい」物質・材料のことである。磁性体や超伝導物質などのハードマターでは超高圧や極低温という極限環境において特異的な物性を示すのに対し、ソフトマターでは常温・常圧付近で興味深い物性を示し、多様な機能を果たす。我々の研究室ではソフトマターの本質である分子結合相関系の学問的体系化を目指して、ゾル・ゲル転移、ゲルの相分離・相転移、構造不均一性の研究などのほか、驚異的な力学物性をもつさまざまな高強度・高機能ゲルの開発と構造・物性解析を行なっている。小角中性子散乱を中心に、小角 X 線散乱、静的・動的光散乱、熱物性測定装置、力学測定などを用いて、ソフトマターのナノオーダーの構造・ナノ秒から数千秒までのダイナミクスを探求している。

新規合成された空間不均一性を全く含まない高分子ゲル

均一ゲル（左）と不均一ゲル（右）の二次元レーザースペックルパターンの顕微鏡像

Newly synthesized polymer gel without any spatial heterogeneity.

Optical images of laser speckles from homogeneous gel and heterogeneous gel.

研究テーマ Research Subjects
1.   エルゴードゲルの創製とその構造解析
Fabrication of ergodic gel and its structure analysis
2. 3 次元 DNA 構造体の開発と構造解析
Development of 3-dimensional DNA architecture and its structure analysis
3. 理想網目構造を持つ高分子電解質ゲルの構造解析
Structural analyses of polyelectrolyte gel with ideal polymer network
4. モジュール型温度応答性ゲルの相転移点付近でのダイナミックスと力学特性の評価
Investigation of dynamics and mechanical properties of module thermoresponsive gel near the phase transition point55
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018

中性子科学研究施設

Neutron Science Laboratory
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/yamamuro_group.html

山室研究室

山室修

YAMAMURO, Osamu

Yamamuro Group教授

Professor

本研究室では複雑凝縮系の化学物理を研究している。現

We are studying chemical physics of complex condensed
matters, especially glasses and supercooled liquids, water andrelated materials, ionic liquids, and nanoparticles of hydrogenstorage metals. Glass transition is a mysterious phenomenon inwhich liquids solidify without structural change. This is one of
big and long-standing issues in physics. Water, which is the mostfamiliar material for us, exhibits various unique phenomena
caused by hydrogen bonds. Ionic liquids have nanometer-size
domains and hierarchical dynamics generated by competing
electrostatic and van der Waals interactions. Hydrogen atoms
in metal nanoparticles give rise to unusual structure anddynamics caused by the surface effects and resultant distorted
potential energy surfaces. These substances are investigated byneutron scattering, x-ray diffraction, heat capacity, and dielectric measurements. Our aim is to find simple (?) rules involvedin complex systems from the three different points of view, i.e.,
structure, dynamics, and thermodynamic.

在の主な対象は、ガラス・過冷却液体、水およびその関連物質、イオン液体、水素吸蔵金属ナノ粒子である。ガラス転移は液体が構造変化を起こさずに固化する不思議な現象であり、物性物理学の長年の大問題の一つである。水は最も身近な物質の一つであるが、水素結合が織りなす様々な特異物性を示す。イオン液体では、静電力とファンデルワールス力の競合から、ナノドメイン構造や階層的ダイナミクスが現れる。金属ナノ粒子中の水素原子は、表面効果によりポテンシャル面が歪められるため、バルクでは見られない特異な構造やダイナミクスを示す。これらの物質に対して、中性子散乱、Ｘ線回折、熱容量、誘電緩和などを測定し、構造・ダイナミクス・熱力学の３視点から、複雑な物質に内在する単純（？）な法則を明らかにすることを目指している。

蒸着 CO2 ガラス（赤線）と結晶（青線）のＸ線回折パターン。二体分布関数解析から、
CO2 分子はガラスと結晶の両方で図中のような最近接分子間配置をとることが分かった。

バルクおよびナノ粒子パラジウム水素化物のアレニウスプロット。これらの緩和時間は 4 台の分光器による中性子準弾性散乱により決定された。緩和の Q 依存性から、
τ1、τ2、τ3 は O サイト、τ4 は T サイトの H 原子の拡散によることが分かった。

X-ray diffraction patterns of the vapor-deposited glass (red curve) and crystal (blue curve) of CO2. The pair-distribution function analyses revealed
that the nearest-neighbor configuration of CO2 molecules is as shown in thefigure for both glassy and crystalline states.

Arrhenius plots of bulk and nanoparticles of palladium hydrides. Theserelaxation times were determined by the QENS experiments with 4 spectrometers. The Q dependence of the relaxation clarified that τ1, τ2 and τ3
correspond to the H atomic diffusion at the O-sites while τ4 at the T-sites.

研究テーマ Research Subjects
1.   ガラス転移、ボゾンピークなどの不規則凝縮系のダイナミクス
Dynamics of disordered condensed systems, such as glass transitions and boson peaks
2. 水および関連物質（含水多孔性結晶など）の構造とダイナミクス
Structure and dynamics of water and related materials such as hydrated porous crystals
3. イオン液体の熱力学的性質とダイナミクス
Thermal and dynamical properties of ionic liquids
4. 水素吸蔵金属ナノ粒子の構造とダイナミクス
Structural and dynamical properties of nanoparticles of hydrogen storage metals

56
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018

中性子科学研究施設

Neutron Science Laboratory
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/masuda_group.html

益田研究室

益田隆嗣

MASUDA, Takatsugu

Masuda Group准教授

Associate Professor

本研究室は、低次元スピン系やフラストレーション系など

浅井晋一郎

ASAI, Shinichiro助教

Research Associate

One of the research goals in our group is to find a novel
quantum phenomenon and to reveal its mechanism in
low-dimensional spin magnets and frustrated magnets. Strong
quantum fluctuation or geometrical frustration disturbs thedevelopment of trivial magnetic states and induces a non-trivial
quantum state. Furthermore such a state is sensitive to asmall perturbation and, thus, the area is frontier of quantum
phenomena. Our research topic includes spin liquid, RVB,
Cuboc structure, etc. Another goal is to observe a new magnetoelectric effect in multiferroic compounds and/or relaxor
magnets. Figures show the experiment and calculation of
the pressure variations of the spin dynamics in the frustrated
quantum magnet CsFeCl 3 . In the disordered phase at low
pressures single mode of singlet – doublet excitation is observed.
In contrast in the pressured induced ordered phase at 1.4 GPa,
it was discovered that the hybridized mode of longitudinal andtransverse fluctuations originated from noncollinearity of themagnetic structure as well as Nambu-Goldstone and Higgsamplitude modes.

における新しい量子現象・量子状態を実験的に発見することを目標としている。強い量子性や幾何学的フラストレーションは、自明な古典的秩序状態を阻害し量子状態が基底状態となる上に、小さな摂動に敏感なため、低次元スピン系やフラストレーション系は量子現象開拓のフロンティアとなっている。我々は、スピン液体、RVB、キューボック構造等、新しい磁気状態の研究と、マルチフェロイック系やリラクサー磁性体などにおける、新しい電気磁気効果の研究を行っている。最近の我々の研究例として、フラストレート量子磁性体 CsFeCl3 の圧力下スピン・ダイナミクスを、中性子非弾性散乱実験と拡張スピン波理論で調べた結果を図に示す。低圧力のスピン無秩序状態においては 1 本の一重項 - 二重項励起が観測されるのに対し、1.4 GPa の秩序相においては、南部・ゴールドストーンモードと Higgs モードのほかに、磁気構造の非共線性に起因する縦揺らぎ・横揺らぎ混成モードが存在していることが明らかにされた。
フラストレート量子磁性体 CsFeCl3 の圧力下でのスピン・ダイナミクス。(a)-(c) は中性子非弾性散乱分光器により測定された中性子スペクトルである。カラープロットは
J-PARC のチョッパー分光器 HRC による測定結果であり、シンボルは Oak Ridge 国立研研究用原子炉 HFIR の三軸分光器 CTAX による測定結果である。P = 0.0 GPa (a) お
よび 0.3 GPa (b) では、スピン無秩序相における一重項 - 二重項励起が観測されている。
これに対し、P = 1.4 GPa (c) では、圧力誘起秩序相におけるマグノン励起が観測されている。(d)-(f) は拡張スピン波による計算結果である。P = 1.4 GPa の圧力誘起秩序相(f) では、南部・ゴールドストーン (NG) モードとヒッグス (L) モードのほかに、縦揺らぎと横揺らぎの混成モード (h-TL) が存在することがわかる。混成モードは圧力誘起磁気秩序の非共線性に由来するものであり、(c) の中性子スペクトルでも観測されている。

Spin dynamics of the frustrated quantum magnet CsFeCl3 under pressure. Thepanels (a) – (c) show inelastic neutron spectra. The color plots are the data measured by a chopper spectrometer HRC in J-PARC, and the symbols are thosemeasured by a triple axis spectrometer CTAX in research reactor HFIR in OakRidge National Laboratory. In the spectra at P = 0.0 GPa (a) and P = 0.3 GPa(b) in the disordered phase, singlet-triplet excitations are observed. In contrast in the one at P = 1.4 GPa (c) in thepressure induced ordered phase, magnon excitations are observed. The panels (d) – (f) show the calculated result
by extended spin wave theory. At P = 1.4 GPa (f) the hybridized mode of transverse and longitudinal fluctuations(h-TL) does exist in addition to Nambu-Goldstone (NG) and Higgs-amplitude (L) modes. The h-TL mode isascribed to the noncollinearity of the magnetic structure, and it is observed in the neutron spectrum in the panel (c).

研究テーマ Research Subjects
1.   量子臨界点近傍におけるフラストレート磁性体の非自明な励起モード
Nontrivial excitation mode in frustrated magnet near quantum critical point
2. 中性子によるスピン波スピン流の検出Detection of spin wave spin current by neutron
3. マルチフェロイクス物質におけるスピンの局所的コントロール
Local control of spin moment in multiferroics
4. スピン液体状態の探索
Search of spin liquid
5. 磁場誘起非相反性マグノンの観測
Observation of field induced nonreciprocal magnon

57
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018