国際超強磁場科学研究施設
International MegaGauss Science Laboratory
当施設では、パルスマグネットによって強力な磁場を発生し、様々な物質（半導体、磁性体、金属、絶縁体など）の性質を変化させてその電子状態を調べている。また、極限的な強磁場を用いた新物質相の探索も行っている。非破壊的に発生する磁場は 80 テスラ程度まで、破壊的な手法（一巻コイル法および電磁濃縮法）では 730 テスラまでが発生可能である。非破壊パルスマグネットは、精密な物性計測（電気伝導、光学、磁化測定など）、他の極限物理環境（高圧、低温）と組み合わせた実験、また国内外の強い磁場を必要とする物性科学の研究に幅広く利用されている。世界最大の直流発電機（210 メガジュール ) を用いた超ロングパルス（１〜 10 秒程度）や非破壊 100 テスラ磁場発生の開発も強力に推進している。他方、破壊型装置では、100 テスラ以上での超強磁場という量子極限状態での新しい物性を探索する研究を行っており、電磁濃縮法による 1000 テスラの発生に向けた開発も進行中である。

正二郎

助教

近藤晃弘

技術専門員

川口孝志

授（施設長）金道浩一

助教

中村大輔

技術専門職員

澤部博信

准教授

徳永将史

助教

三宅厚志

技術専門職員

松尾晶

准教授

松田康弘

助教

池田暁彦

Technical Staff

大矢孝一

准教授 *IKEDA, Akihiko

OYA, Kouichi

長田俊人

特任助教

小濱芳允

特任研究員

坂井義和

准教授（客員）

石渡晋太郎

特任研究員

佐藤由昌

教

授

教

Professor

嶽山

The aim of this laboratory is to study the physicalproperties of matter (such as semiconductors,
magnetic materials, metals, insulators) under ultrahigh magnetic field conditions. Such a high magneticfield is also used for realizing the new material phaseand functions. Our pulse magnets can generate up to80 Tesla by non-destructive way, and up to 730 Teslaby destructive (the single turn coil and the electromagnetic flux compression) methods. The former
serves for the physical precision measurements (theelectro-conductance, the optics, and the magnetization). The multiple extreme physical conditions
combining the strong magnetic field with ultra-low
temperature and ultra-high pressure are also available,and are open for domestic as well as for international
scientists. The magnet technologies are intensively
devoted to developments for the quasi-steady longpulse magnet (an order of 1-10 sec) energized by theworld largest DC generator (210 MJ), and also toa 100 Tesla class nondestructive magnet. Whereas,
the explosive pulse magnets capable of generatingover 100 T are oriented for new horizons in materialscience under such extreme quantum limit conditions. Development for 1000 T-generation by meansof the electro-magnetic flux compression method is
also our mission.

TAKEYAMA, Shojiro

Professor (Director) KINDO, Koichi

Research Associate
Research AssociateAssociate Professor TOKUNAGA, Masashi
Associate Professor MATSUDA, Yasuhiro
Associate Professor OSADA, Toshihito

Research Associate
Research Associate

KONDO, Akihiro
NAKAMURA, Daisuke
MIHYAKE, Atsushi

Project Research Associate KOHAMA, Yoshimitsu

Visiting Associate Professor ISHIWATA, Shintaro* 極限環境物性研究部門と併任 / concurrent with Division of Physics in Extreme Conditions

Technical Associate
Technical Associate
Technical Associate

技術補佐員

Project Researcher
Project Researcher

KAWAGUCHI, Koushi
SAWABE, Hironobu
MATSUO, Akira

SAKAI, Yoshikazu
SATO, Yoshiaki

電磁濃縮超強磁場発生装置が新規導入された。実験室中央に位置するのは 50 kV, 5MJ の主コンデンサバンクで、1000 T の超強磁場発生が可能な設計となっている。横に配置されたのは同じく 50 kV、2MJ のコンデンサバンクであり、簡易型の電磁濃縮装置に電流を供給する。
600 T 程度の超強磁場発生が可能な設計となっている。電磁濃縮の初期磁場発生コイル用として、20kV、2MJ 副コンデンサバンクが新規設置、より強い初期磁場が得られる。

Newly installed electro-magnetic flux compression (EMFC) system. The new EMFC
generator energized by the 10 modules of 50 kV condensers, all together 5 MJ, isdesigned to generate 1000 T ultra-high magnetic fields. Another 2 MJ main condenser
modules are used to inject an energy to the relatively light EMFC system for frequentuse, but capable of generating around 600 T. The seed field coils, generating the initial
magnetic field, which is compressed by the EMFC, are connected to the sub condenserbank modules of 20 kV, 2 MJ.

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嶽山研究室

嶽山

正二郎

TAKEYAMA, Shojiro

Takeyama Group教授

Professor

１００テスラ以上の超強磁場発生技術開発とそのような極中村大輔

NAKAMURA, Daisuke

助教

Research Associate

We are engaged in development for generating ultra-highmagnetic fields above 100 T, and pursue the solid-state science
realized under such an extreme condition. We employ twomethods for the ultra-high magnetic field generation, one is theelectro-magnetic flux compression (EMFC) and the other is thesingle-turn coil (STC) method. We have established a new typeof coil for the EMFC, and currently the maximum magnetic field
is 730 T. This value is the highest achieved thus far in an indoor
setting in the world. Further development is underway forachieving much higher fields, more precise and reliable measurements for the solid-state physics. The horizontal and vertical(H- and V-) STCs are used for more precise measurements up to300 T, respectively, in accordance with their magnetic field axes.
The H-STC is mainly used for magneto-optical measurements
by use of laser optics, whilst the V-STC is more suitable for thestudy of low-temperature magnetization in a cryogenic bath. We
are conducting the studies on magneto-optics of carbon nanomaterials or of semiconductor nano-structures as well as on thecritical magnetic fields in superconducting materials and on thehigh-field magnetization processes of the magnetic materials
with highly frustrated quantum spin systems.

限環境下で発現する物性の探索的研究を行っている。磁場の発生方法として、電磁エネルギーを利用して磁束濃縮を行う「電磁濃縮法」と一巻き銅コイルに高速大電流を投入して超強磁場を発生する「一巻きコイル法」を採用している。
「電磁濃縮法」では、すでに室内世界最高磁場発生 730 テスラを実現しているが、更に高い磁場発生とより精度と信頼度を高めた物性計測を目指した研究開発を進めている。
「一巻きコイル法」では、発生磁場の方向により、横および縦型をそれぞれ有し、横型は主にレーザーを用いた磁気光学測定に、縦型では極低温容器と組み合わせた低温磁化測定、光ファイバーを利用した磁気光学測定に用いている。
「一巻きコイル法」では再現性と高い測定精度が得られ、およそ300 テスラまで物性実験を行っている。当研究室では、このような超強磁場量子極限環境下で、カーボンナノチューブ、グラフェンや半導体ナノ構造での超強磁場磁気光学による電子状態の解明、超伝導体の臨界磁場、フラストレート量子スピン磁性体などの超強磁場磁化過程の解明などを進めている。

銅酸化物高温超伝導体
La1.84Sr0.16CuO4 の温度－磁場相図。高周波電気伝導度から見積もられた上部臨界磁場の値が示されている( ○ : 一巻きコイル法、 □ :非破壊パルスマグネット )。
カラーマップは高周波プローブ信号の振幅の変化を示 す。 点 線 は WerthamerHelfand-Hohenberg(WHH) 理論による上部臨界磁場曲線のフィッティング結果であり、パウリ効果が上部臨界磁場を決める要因になっている。

新しく開発された電磁濃縮法の超強磁場発 生 装 置。5MJ の高速コンデンサバンクから送り出される大電流 (max 8 MA)が集電板を経由して主コイルに流れる。
最大充電電圧や残留インピーダンスなどの装置の性能が向上
し た こ と で , 1000
T の室内実験世界最高磁場発生途物性計測の確立を目指す。

Newly-developed ultra-high magnetic field generator of the electromagnetic flux compression method. The 5MJ fast condenser bank is capableof supplying maximum electrical current of amount to 8 mega-ampere,
which is injected to a primary coil through the collector plate. By upgrading
the performance such as the maximum charging voltage and the residual
impedance, ultra-high magnetic fields up to 1000 T are planned to generate.

The temperature-magnetic field phase diagram of the cuprate superconductor La1.84Sr0.16CuO4. The open symbols are the upper critical field evaluatedfrom the high-frequency electrical conductivity measurement ( ○ : singleturn coil, □ : non-destructive pulsed magnet). The intensity map shows theevolution of the high-frequency probe signal. The dashed curve is a fitting
curve of the upper critical field by the Werthamer-Helfand-Hohenberg(WHH) theory. The upper critical field is determined by the Pauli effect inthis material.

研究テーマ Research Subjects

1. 破壊型超強磁場発生と物性計測技術開発
Technical developments for destructive ultra-high magnetic field magnets and for solid-state physics measurements
2. 超強磁場磁気光学効果
Magneto-optics in ultra-high magnetic fields
3. 超強磁場磁化過程、超伝導体の臨界磁場
Magnetization processes of magnetic materials and the critical magnetic field in superconducting materials in ultra-high magnetic fields

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金道研究室

金道浩一

KINDO, Koichi

教授

Kindo Group

Professor

当施 設に設 置されたコンデンサー電 源およびフライホ

近藤晃弘

KONDO, Akihiro

助教

Research Associate

小濱芳允

KOHAMA, Yoshimitsu

特任助教

Project Research Associate

We carry out precise measurements under non-destructive
pulsed high magnetic fields that are generated by capacitor
banks and flywheel DC generator installed at the facility. Variousmagnets have been developed at user’s requests. Up to now,available field conditions for users are as follows.
1. Short pulse magnet: Pulse duration 5 ms, maximum field 75 T
2. Mid pulse magnet: Pulse duration 30 ms, maximum field 65 T
3. Long pulse magnet: Pulse duration 1 sec, maximum field 36 T
Short pulse magnet is used mainly for magnetization measurements on insulating materials and Mid pulse magnet is used forvarious measurements on metallic materials. Our magnet has
been breaking the world record of non-destructive mono-coilfield and we continue to develop a new magnet aiming at thenew world record of 100 T. We have installed the flywheel DC
generator on May 2008. The generator enables us to generate
long pulsed field with the duration of 1 second. The Long pulsed
field is used for the heat capacity measurement under high field
and the ρ-T measurement can be done by use of flat-top field.
Higher long pulsed field are under development.

イール付き直流発電機を用いて、非破壊で強磁場を発生し、 その 磁 場下で 精 密な 物 性 測 定を行う。 様々な用途に応じて、特 殊なマグネットの開発を行っており、現 在、ユーザーが 利用可能な磁場 条件は以下の二 種 類である。
①ショートパルスマグネット：パルス幅 5 ミリ秒、最大磁場 75 テスラ②ミッドパルスマグネット：パルス幅 30 ミリ秒、最大磁場 65 テスラ③ロングパルスマグネット：パルス幅約 1 秒、最大磁場 36 テスラ
ショートパルスマグネットは主に絶縁体の磁化測定などに用いられ、ミッドパルスマグネットは金属的な試料の測定に用いられている。当研究室で製作されたマグネットは非破壊パルス強磁場（単パルス）の世界記録を更新しており、現在も100 テスラの発生を目指した開発を行っている。平成 20 年
5 月より世界最大のフライホイール付き直流発電機の運転が始まり、これを電源として用いることでパルス幅が 1 秒の磁場発生が可能となった。これを用いて磁場中比熱測定を行っている。またフラットトップ磁場を発生することにより強磁場下の ρ -T 測定も可能になった。もっと強磁場を発生出来るロングパルスマグネットの開発も進行中である。

ショートパルスマグネットの磁場波形。非破壊単パルスでの 85T は世界最高記録。
このマグネットを 75T の測定用としてユーザーに提供している。

ロングパルスマグネットの磁場波形。現在の最大磁場は 36T。このマグネットを磁場中比熱測定用としてユーザーに提供している。

Profile of magnetic field for Short pulse magnet. The maximum field of
85T is the highest record for mono-coil field. This magnet is used for the75T-measurements as a user’s coil.

Profiles of magnetic field for Long pulse magnet. The maximum field of36 T is used for the heat capacity-measurements under high field.

研究テーマ Research Subjects1. 量子スピン系物質の磁性研究
Study on magnetism of quantum spin systems
2. 強相関伝導物質の磁性と伝導の研究
Study on magnetism and conductivity of strongly correlated electron systems
3. 非破壊 100 テスラマグネットの開発
Development of non-destructive 100 T-magnet
4. 超ロングパルスマグネットの開発
Development of ultra-long pulse magnet

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徳永研究室

徳永

将史

TOKUNAGA, Masashi

Tokunaga Group

准教授

Associate Professor

磁場は電子のスピン、軌道および位相に直接作用する外三宅厚志

MIYAKE, Atsushi

助教

Research Associate

Magnetic fields have been extensively used in broad research
fields of solid state physics because they can directly tune thespins, orbitals and phases of the electrons. We study various
kinds of phase transitions in high magnetic fields with using
non-destructive pulse magnets and various experimentaltechniques; e.g. magnetization, magnetoresistance, electric
polarization, polarizing optical microscopy, and so on.
As one of our recent projects, we focus on the phase transitions of semimetals in the quantum limit state. Owing to thesmall carrier density, some semimetals can go into the quantum
limit state, in which all the carriers occupy only the lowest
Landau level, in the field range accessible by pulse magnets.
Our magnetic and transport measurements on graphite, which
is known as a typical semimetal, suggest the emergence of thequantum limit state above about 53 T. The non-monotonic
increase in the resistance at the higher field indicates theemergence of a novel electronic phase above 53 T. We arecarrying out various experiments on graphite to make clear thenature of this novel phase.

場であり、物性物理学の幅広い研究分野で不可欠な外場である。我々は瞬間的にのみ発生可能な強磁場環境下において、磁化、磁気抵抗、電気分極、偏光顕微鏡観察など多岐にわたる測定手段を駆使して、強磁場下で起こる様々な相転移の研究を行っている。
最近我々が注目しているテーマの一つに量子極限状態にある半金属の相転移がある。キャリア数の少ない半金属では、パルスマグネットで発生可能な磁場範囲で、すべてのキャリアが最低ランダウ準位のみを占有する量子極限状態が実現できる。我々は代表的半金属として知られているグラファ
イトに対して最大 75 T までのパルス強磁場下における磁気抵抗、ホール抵抗および磁化測定を行った。その結果は53 T 付近で量子極限状態が実現していることを示唆しており、より強磁場では量子極限状態における新たな電子相の出現を示す電気抵抗の非単調な増大が観測されている。この新たな相の解明に向けて現在多方面からの実験を遂行している。

パルス強磁場下で測定した単結晶グラファイトの（上図）面内（ρxx）および面間（ρzz）
磁気抵抗と（下図）面内のホール効果（ρxy）。磁場は c 軸方向に印加した。下図の挿入図は約 53 T でフェルミ面と交差していると考えられる２本のランダウサブバンドの分散関係。53 T 以上の量子極限状態で観測された ρzz の非単調な増大は新たな電子相の出現を示唆している。

(top) in-plane (ρ xx ) and out-of-plane (ρ zz ) magnetoresisitance and(bottom) in-plane Hall resistance (ρ xy ) of single crystals of graphite
measured in pulsed high magnetic fields applied along the c-axis. The inset
in the lower figure schematically shows the expected dispersion relation of
the two Landau subbands crossing the Fermi energy. Anomalous increaseof the ρ zz in this quantum limit state suggests the emergence of novel
electronic state above 53 T.

研究テーマ Research Subjects
1. マルチフェロイック物質の磁場誘起相転移
Field-induced transitions in multiferroic materials
2. 量子極限状態における電子相転移
Electronic phase transitions in the quantum limit state
3. パルス強磁場下における高速偏光顕微鏡観察
High-speed polarizing microscope imaging in pulsed-high magnetic fields
4. 高温超伝導体の強磁場物性
High-field studies on high temperature superconductors

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松田康弘研究室

松田康弘

MATSUDA, Yasuhiro

Y. Matsuda Group

准教授

Associate Professor

本研究室では嶽山研究室と連携し、磁場誘起相転移や池田暁彦

IKEDA, Akihiko

助教

Research AssociateWe have been studying the electronic and magnetic properties of matter in ultrahigh magnetic fields exceeding 100 T in
collaboration with Takeyama Group. Magnetic-field-induced
phase transitions and crossover phenomena in strongly correlated systems are the main subjects.
Magnetic field can precisely control the electronic states
through the Zeeman effect and Landau quantization. In ISSP, a700-Tesla magnetic field is generated by the electromagnetic flux
compression technique. Since the Zeeman energy in such a highfield is larger than the energy corresponding to a room temperature, significant field effects are expected. Specifically, thefollowing subjects are studied: (1) Novel magnetic-field-induced
phase of solid oxygen, (2) Magnetic-field-induced insulator–
metal transition, (3) Magnetization process of quantum spin
systems, and (4) Electronic states of heavy fermions in highmagnetic fields. We also carry out the X-ray magneto-spectroscopy in pulsed high magnetic fields using synchrotron X-rays
at the SPring-8 and KEK-PF. Element- and shell-selective X-ray
magneto-spectroscopy is expected to uncover the microscopic
mechanism of magnetic-field-induced phenomena.

クロスオーバー現象を中心に、100 テスラを超える超強磁場領域での固体の電子・磁気物性の研究を行っている。物性研究所の電磁濃縮法は 700 テスラ級の超強磁場発生が可能であり、その際のゼーマンエネルギーは温度換算で室温を大きく超えるため、多くの物質で顕著な磁場効果が期待できる。 具体的には、(1) 固体酸素の磁場誘起新規相の解明、(2) 磁場誘起絶縁体 - 金属転移、(3) 低次元量子スピン系の強磁場磁化過程、(4) 重い電子系の磁場中電子状態、などの研究を行っている。また、SPring-8 や KEK-PF において非破壊型パルス強磁場を用いた 40 T 程度での X 線吸収分光や X 線磁気円二色性分光の研究も行っており、そこからは微視的な視点から磁場誘起現象の理解が得られると期待できる。

固体酸素 α 相から強磁場新規相への磁気光吸収スペクトルの変化。上図は磁場波形。

価数揺動物質 α-YbAlB4 の超強磁場磁化過程。挿入図は磁化の磁場微分の磁場依存性

Magnetotransmission spectra image at the field-induced phase transition
from the α phase to novel phase of solid oxygen. The upper panel shows thewaveform of the magnetic field.

Ultrahigh magnetic field magnetization process in a valence fluctuating
compound α-YbAlB4. The field derivative of the magnetization is plotted asa function of magnetic field in the inset.

研究テーマ Research Subjects1. 固体酸素の磁場誘起新規相の解明
Study of the magnetic-field-induced novel phase of solid oxygen
2. 磁場誘起絶縁体 - 金属転移
Magnetic field-induced insulator–metal transition
3. 低次元量子スピン系の強磁場磁化過程
Magnetization process of quantum spin systems
4. 重い電子系の磁場中電子状態
Electronic states of heavy fermions in high magnetic fields

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石渡研究室

石渡晋太郎

ISHIWATA, Shintaro

Ishiwata Group

客員准教授

Visiting Associate Professor

無数の電子が織りなす不可思議な量子現象の発見とそのWe are studying condensed matter physics to discover andunderstand mysterious quantum phenomena of countlesselectrons as solid state chemists. So far, we have mainly synthesized and studied inorganic compounds showing unusual
phenomena such as giant magnetoelectric effect, anomalous
magnetotransport, high-temperature superconductivity, andgiant thermoelectric effect, which can not be fully described by
the conventional solid state electronics.
Generally, it is rather difficult to design a new bulk material
showing interesting physical properties. Thus, the search forsuch materials is typically starting from the related compoundsof the known interesting system, followed by synthesizingisoelectronic compounds. However, such compounds obtainedby conventional solid state reactions are limited. To overcome
this situation, we adopt special synthetic methods such as ahigh-pressure technique and a soft chemistry process. Furthermore, we put our efforts on the measurements of physicalproperties under high pressures and/or high magnetic fields tosearch for novel quantum phenomena. For the measurements athigh magnetic fields, we collaborate with Tokunaga laboratory.

理解を目指し、我々は固体化学を出発点とした物性研究を行っている。これまで、巨大電気磁気効果、異常磁気輸送現象、高温超伝導、巨大熱電効果など、従来の固体電子論による記述が困難な現象を示す無機化合物の開拓を進めてきた。
一般に、望みの物性を示すバルク物質を設計開発することは困難である。従って合成のターゲットは通常、望みの物性を示す既知の系の周辺物質から始まり、それらと同様な特異なスピン構造・バンド構造をもつ系へと広げられるが、常圧の固相反応法による物質開発は、ほどなく頭打ちになってしまう。我々はその先に進むべく、超高圧合成やソフトケミストリーなどの特殊な合成手法を積極的に活用している。
また、新奇な量子現象の戦略的な発掘を目指した、超高圧・強磁場などの極限環境下における物性測定にも力を入れている。徳永准教授とは、強磁場下における新奇な磁気輸送現象の探索を進めている。

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