平成31年度, 令和元年度
東北大学 金属材料研究所

中性子物質材料研究センター
共同利用研究報告書

Center of Neutron Science for Advanced Materials,
Institute for Materials Research,
Tohoku University 2019

平成 31 年度、令和元年度共同研究報告書発刊にあたって
東北大学金属材料研究所（金研）には、中性子利用研究に関する60年に及ぶ歴史があります。この長い歴史における研究、開発、人材育成などの成果を踏まえ、中性子科学の一層の発展を図るために、中性子物質材料研究センター（センター）が2010年4月に設立されました。その背景には、研究炉実験施設JRR-3と対をなす物質・生命科学実験施設(MLF)が始動し、日本の中性子科学研究の推進において重要な転換期を迎えたということがありました。日本の中性子科学コミュニティにおいて、本センターは、東北大学の強みである物質材料研究に対する中性子ビームの戦略的活用を通し、施設と利用者の連携の仲立ちとなることが期待されています。
センターでは、その理念である「中性子科学と物質・材料科学の継続的相互発展」にもとづき、共同利用・共同研究制度の運用を2019年度に開始致しました。本報告書は、その成果をまとめた第一号となります。この制度では、ビームを利用する実験だけでなく、装置や手法の開発、理論研究など中性子科学の推進に関する幅広い研究について、金研の装置および知財をご活用頂けます。施設ではフォローしきれない内容についても、我々が得意とする内容については共同研究として積極的に関与できるもので、大学が施設と関わるひとつの新しい形であると考えています。現在、海外の研究者にも本制度をご利用頂いています。
2021 年 2 月には、JRR-3 の再稼働が予定されています。装置を設置している金研では、再稼働後の速やかな装置利用と成果創出に向け、万全を期した準備を行っています。再稼働後には、金研の中性子装置群を、是非、ご活用下さい。
センターでは今後も利用者の皆様と連携して、中性子科学の発展に貢献して行きたいと考
えております。ご協力とご支援を宜しくお願い申し上げます。

2020 年 10 月
東北大学金属材料研究所
中性子物質材料研究センター
センター長

2

藤田

全基

【
平成 31 年度、令和元年度
1) 19N0001

目

次

】

共同利用研究報告書

高磁気異方性を有する正方晶 Mn 化合物の磁気構造解析

6

東北学院大工学部：岡田 宏成
東北大学金属材料研究所：南部 雄亮
2) 19N0002

希土類ガーネットにおける磁気弾性交差相関8

日本原子力研究開発機構：森 道康，大西 弘明
3) 19N0003

酸素吸着 CPL-1 における偏極中性子散乱研究10

東京大学物性研究所：益田 隆嗣，浅井 晋一郎，正岡 麻里奈
東北大学金属材料研究所：南部 雄亮，谷口 貴紀，藤田 全基
高エネルギー加速器研究機構：横尾 哲也
4) 19N0004

銅酸化物高温超伝導体におけるスピン揺らぎによる電荷相関12

物質・材料研究機構：山瀬 博之，Muhammad Zafur
東北大学金属材料研究所：藤田 全基
5) 19N0005

スピンパイエルス系 CuGeO3 にみられるガンマ点近傍励起の起源の解明

14

総合科学研究機構：池内 和彦
6) 19N0006

3He 中性子スピンフィルター用ガラスセルの開発

17

高エネルギー加速器研究機構：猪野 隆
日本原子力研究開発機構：奥平 琢也，奥 隆之
7) 19N0007

Pb/Bi 酸フッ化物の中性子回折による結晶・磁気構造解析

19

近畿大学理工学部・大学院総合理工学研究科：岡 研吾
東北大学金属材料研究所：南部 雄亮
8) 19N0008

幾何学的フラストレーション磁性体における多重 q 秩序状態の研究

21

大阪大学大学院理学研究科附属先端強磁場科学研究センター：鳴海 康雄
9) 19N0009

反強磁性トポロジカル絶縁体の磁気構造

24

京都大学工学研究科：陰山 洋，松本 勇輝
10) 19N0011

スピン密度分布測定による La2CuO4 の頂点酸素磁性スピンの研究
室蘭工業大学大学院工学研究科：宮崎 正範
32611) 19N0201

低熱伝導性を⽰す Na を内包したトンネル構造を有するジントル化合物の28

ダイナミクス
東北⼤学多元物質科学研究所：山田 高広
東北大学金属材料研究所：藤田 全基

12) 19N0501

Tohoku University/ANSTO collaboration on theoretical and neutron scatteringstudies of magnetic materials

30

Australian Nuclear Science and Technology Organisation, Australia,
School of Chemistry, The University of Sydney, Australia：Maxim Avdeev
Institute for Materials Research, Tohoku University：Yusuke Nambu
13) 19N0502

Towards an experimental realization of the S=½ frustrated chain antiferromagnet 32
ISIS Neutron and Muon Facility, United Kingdom：Gøran J. Nilsen
Institute for Materials Research, Tohoku University：Yusuke Nambu

14) 19N0503

Proposal on complementary uses of cold triple axis spectrometer SIKA andPolarized neutron spectrometer POLANO.

33

National Synchrotron Radiation Research Center：矢野 真一郎
淡江大学（台湾）：Chao-Hung Du，Chun-Hao Lai，Yu-Hui Liang
東北⼤学金属材料研究所：南部 雄亮
東北⼤学多元物質科学研究所：奥山 大輔，佐藤 卓

15) 19N0505

Studies on the development of large size perovskite-based lanthanum crystals
for a polarized lanthanum target

35

Paul Scherrer Institute，Switzerland：Patrick Hautle
Graduate school of Advanced Sciences of Matter，Hiroshima University：Masataka Iinuma
Kobayashi-Maskawa Institute，Nagoya University：Masaaki Kitaguchi
Graduate student, Graduate school of Science，Nagoya University：Kohei Ishizaki
Institute for Materials Research，Tohoku University：Masaki Fujita16) 19N0507

ヘリカル磁性体 CeNiC2 の磁気構造解析
Magnetic structure analysis of a helical magnet CeNiC237

オークリッジ国立研究所（USA）：松田 雅昌資料

中性子物質材料研究センター共同利用委員会名簿41

平成 31 年度 共同利用研究 採択一覧

42

東北大学中性子散乱装置群

46
4

共同利用研究報告書

5高磁気異方性を有する正方晶 Mn 化合物の磁気構造解析
研究代表者：東北学院大工 岡田宏成
研究分担者：東北大金研 南部雄亮

Magnetic structural analysis of tetragonal Mn-based compound with high magnetocrystalline anisotropy
Hironari Okada, Yusuke Nambu1
Faculty of Engineering, Tohoku Gakuin University, Tagajo 985-8537
1

Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577

Keywords: structural phase transition, magnetic structure, manganese alloy, magnetocrystalline anisotropy
We have performed neutron diffraction experiments for Mn3+xGe1-x at ECHIDNA in Australian Nuclear Science andTechnology Organization (ANSTO), to directly observe the structural phase transition and precisely analyze the crystal andmagnetic structures. Neutron diffraction patterns of Mn3.03Ge0.97 clearly changes in the vicinity of 858 K, indicating that the
tetragonal D022 structure transforms to the hexagonal D019 structure. In case of Mn3.09Ge0.91, the structural phase transition
occurs in the vicinity of 928 K, which is higher temperature than that in Mn3.03Ge0.97. These results directly prove that thermal
stability of D022 structure in Mn-Ge alloy is expanded by introducing small amount of excess Mn.
1. 緒言（Introduction,）
正方晶 D022 構造をとる Mn3Ga および Mn3Ge は強い一軸磁気異方性を示すことから希土類を含まない新規磁性材料として，スピントロニクス材料や永久磁石材料の分野で注目を集めている 1)．我々の Mn3Ge に関する研究において，過剰 Mn を有する D022 型 Mn3+xGe1-x は x = 0.03-0.09 の非常に狭い範囲に単相領域があり，このわずかな過剰 Mn の増加によって D022 型構造の熱的相安定性が大きく上昇することが明らかとなった．本研究では，D022
型 Mn3+xGe1-x に含まれる過剰 Mn の構造的/磁気的性質を明らかにすることを目的として，組成の異なる試料に対して中性子回折実験を行った．

2. 実験方法（Experimental procedure）
実験に用いた試料は Mn3.03Ge0.97, Mn3.06Ge0.94, Mn3.09Ge0.91 である．試料はアーク溶解法により作製され，適切な熱処理を施すことで D022 構造の単相粉末試料を準備した．中性子回折実験はオーストラリア原子力科学技術機構(ANSTO)の ECHIDNA にて，構造相転移温度の変化を直接観測するための 1000 K まで高温測定と，結晶/磁気構
造の精密化のための低温測定を行った．
6

24

26

中性子回折パターンは 890 K まで D022 構造が保たれており，低温で得られた中性子回折パターンを用いて精密構造解析を行った結果，いずれの組成においても過剰 Mn は Ge サイトをIntensity (arb. unit)

果とも一致する．また，Debye-Waller 因子が小さく抑えられる

30

28

32

(b) Mn3.09Ge0.91

192θ (deg.)

それ以上の温度で D019 構造へと転移することを示している．

966 K
947 K

002D022

することを示す直接的な結果であり，
我々のこれまでの実験結

19

820 K

22

これは少量の過剰 Mn によって構造相転移温度が大きく上昇

2113D0839 K

2113D0転移によるものである 2)．一方で，Fig.1(b)に示す Mn3.09Ge0.91 の

877 K
858 K

101D022である正方晶 D022 構造から高温相の六方晶 D019 構造への構造(a) Mn3.03Ge0.97

002D022

中性子回折パターンが変化しているのがわかる．
これは低温相Intensity (arb. unit)

Fig.1(a)に示すように，Mn3.03Ge0.97 では 839 K 以上の温度で101D022

3. 結果および考察（Results and discussion）

928 K
909 K
890 K

22

24

26

28

30

32

2θ (deg.)

Fig.1 Neutron diffraction patterns of (a)Mn3.03Ge0.97 and (b) Mn3.09Ge0.91.

占めていることがわかった．このことから，過剰 Mn が Ge サ
イトを占めることで D022 構造の熱的安定性が向上したものと推察される．

4. まとめ（Conclusion）
本研究では，高磁気異方性 Mn 合金である D022 型 Mn3+xGe1-x に対して中性子回折実験を行った．少量の過剰 Mnの導入によって，正方晶 D022 構造から六方晶 D019 構造への構造相転移温度が高温側に大きく上昇することが直接観測され，過剰 Mn の存在位置が Ge サイトであることが明らかとなった．これらの結果は Ge サイトを占有す
る Mn 原子が熱的な構造安定性に大きく影響していることを意味している．

謝辞（Acknowledgement）
中性子回折実験を行うにあたり ANSTO の Dr. Maxim Avdeev の支援を受けました．

引用文献（Reference）
1)

B. Balke et al, Appl. Phys. Lett. 90, 152504 (2007).

2)

T. Ohoyama et al, J. Phys. Soc. Jpn 16, 1995 (1961)7

希土類ガーネットにおける磁気弾性交差相関研究代表者：原子力機構 森 道康
研究分担者：原子力機構 大西 弘明

Magneto-elastic cross-correlation in rare-earth garnets
MORI, Michiyasu and ONISHI, Hiroaki
Advanced Science Research Center, Japan Atomic Energy Agency, Tokai 319-1195
Keywords: rare-earth garnet, phonon Hall effect, crystal field, skew scattering
Phonons and crystal field excitations (CFE) in Tb3Ga5O12 (TbGG) are studied by the inelastic neutron scattering. The
TbGG shows a phonon Hall effect. When a heat current is perpendicularly applied to a magnetic field, a temperature drop
appears in the third perpendicular direction. This is the phonon Hall effect found in TbGG. Although a phonon does not havecharge nor spin, a magnetic field can induce the skew scattering of phonons due to a resonant scattering by CFEs. Using the
crystal field Hamiltonian with D2 symmetry and the parameters previously obtained by other authors, we found that the lowest
CFE on one of Tb-sites in a unit cell is consistent with our data regarding a magnetic field dependences. The spectral weight of
CFEs are also estimated by the wave function, which is obtained by solving the above Hamiltonian. It is also consistent with
our data. Hence, we find the key factor of phonon Hall effect.

1. 緒言（Introduction,）
フォノンホール効果を課題の中心に据えて、磁気と格子の結合から生まれる物性研究を進める。これは、磁気による熱流制御に繋がるものである。フォノンホール効果は、フォノンが運ぶ熱流に対して垂直方向に磁場を与えたとき、この両者に垂直な方向に温度勾配が現れる現象である。非磁性絶縁体の希土類ガーネット
Tb 3Ga 5O 12(TbGG)で報告された[1,2]。フォノンは、電荷もスピンも持たない。にもかかわらず、磁場下でフォノンによる横熱伝導が生じた。我々は、この現象が Tb イオンによるフォノンの共鳴散乱であることを示す理論を報告した[3]。この理論が正しいことを示すため、非偏極中性子の非弾性散乱を用いて、フォノンと結晶場励起の測定を行った。本課題は、TbGG を始めとした希土類ガーネットにおける磁気励起とフォノンとの混成状態の全貌を解明するものである。

2. 実験方法（Experimental procedure）
2019 年は実験が出来なかったため、2018 年に J-PARC の BL14(AMATERAS)[4]で測定したデータの解析を進めた。
この実験について、以下まとめておく。中性子の入射エネルギーは、Ei =4.68, 7.74, 15.16, 41.9 meV で、試料を－15°から 15°まで 0.5°刻みで回して測定した。角度 0°が、入射中性子の運動量 ki‖(110)を満たす設定にした。試料温度は 10K と 100K、磁場 B∥(110)は 1T 刻みで 4T まで印加した。得られたデータは、「空蝉」を用いて解析を行った[5]。温度 10K, B=4T のもとで、運動量 Qa∥(111), Qb∥(-1-12), Qc∥(1-10)に対し、Qa の[3.7,4.3]と Qc の[-0.3,0.3]の範囲を積分して得られたスペクトルには、フォノンの音響モードが明瞭に観測された。約 6 meV 周りの強度の強い結晶場励起に加えて、約 2 meV に弱い強度の結晶場励起が見られた。これら両方の結晶場励起は磁場と共に変化する。特に、2meV の弱い強度の結晶場励起は、磁場と共にエネルギーが直線的に増加し、フォノンホール効果の起源となっているものだと考えられる。

8

3. 結果および考察（Results and discussion）
Tb イオンは、酸素で構成される捻られた正四面体(D2)の中心に位置しており、磁場下においては、単位胞内に6 つの異なるサイトが存在する[7,8]。その結晶場と格子歪みとの結合について、超音波吸収を用いた実験による評価も行われている[8]。これら先行研究で与えられた結晶場パラメータを用いて、我々の実験配置に合わせて結晶場の計算を行い、低エネルギー領域の磁場依存する結晶場の波動関数を求めた。磁場下において異なる６つのTb サイトのうち、４つのサイトは図１に示したように、基底状態(赤)と第一励起状態(緑)が磁場と共に乖離していく。実験で観測された結晶場励起は、定量的にも定性的にもこれら状態間の遷移と一致することが分った[9]。
また、波動関数が求まっているので、磁気励起スペクトルの遷移振幅を見積もった。その結果、基底状態(赤)から第一励起状態(緑)への遷移振幅が、より高エネルギーの結晶場状態への遷移振幅に比べて小さいことが分った[9]。観測された低エネルギーの結晶場励起の強度が小さいことと符号する結果である。

図１： Tb における結晶場の磁場依存性。磁場下では、単位胞内に６つの異なるサイトがあり、そのうちの一つを示している。基底状態(赤)から第一励起状態(緑)への遷移が観測された。

4. まとめ（Conclusion）
フォノンホール効果の起源を実証すべく、非弾性中性子散乱を用いて観測した TbGG のフォノンと結晶場の解析を行った。その結果、フォノンホール効果に寄与している結晶場励起を見出し、共鳴散乱の素過程を決めることが出来た。今後、定量評価において必要となる結晶場励起と音響フォノンとの結合については、励起スペクト
ルから推定することを試みる。

謝辞（Acknowledgement）
量子ビーム金属物理学研究部門 藤田全基教授を始め、部門メンバーの方々との多くの有益な議論に感謝致します。
引用文献（Reference）[1] C. Strohm, G. L. J. A. Rikken, and P. Wyder, Phys. Rev. Lett. 95, 155901 (2005).
[2] A. V. Inyushkin and A. N. Taldenkov, JETP Lett. 86, 379 (2007).
[3] M. Mori, A. Spencer-Smith, O. P. Sushkov, and S. Maekawa, Phys. Rev. Lett. 113, 265901 (2014).
[4] K. Nakajima, S. Ohira-Kawamura, T. Kikuchi, M. Nakamura, R. Kajimoto, Y. Inamura, N. Takahashi,
K. Aizawa, K. Suzuya, K. Shibata, T. Nakatani, K. Soyama, R. Maruyama, H.Tanaka, W. Kambara, T.
Iwahashi, Y. Itoh, T. Osakabe, S. Wakimoto, K. Kakurai, F. Maekawa, M. Harada, K. Oikawa, R. E.
Lechner, F. Mezei, M. Arai, J. Phys. Soc. Jpn. 80, SB028 (2011).
[5] Y. Inamura, T. Nakatani, J. Suzuki, and T. Otomo, J. Phys. Soc. Jpn. 82, SA031 (2013)[7] U. Löw, S. Zherlitsyn, K. Araki, M. Akatsu, Y. Nemoto, T. Goto, U. Zeitler, and B. Lüthi. J. Phys.
Soc. Jpn., 83, 044603 (2014).
[8] R. Wawrzynczak, B. Tomasello, P. Manuel, D. Khalyavin, M. D. Le, T. Guidi, A. Cervellino, T.
Ziman, M. Boehm, G. J. Nilsen, and T. Fennell, Phys. Rev. B 100, 094442 (2019)[9] 森道康, 藤田全基, 南部雄亮, 河村聖子, 古府麻衣子, 中島健次. C. Urlich, O.P.Sushkov, 日本物理学会
第 74 回年次大会, 15pS-PS-68.
9

酸素吸着 CPL-1 における偏極中性子散乱研究研究代表者：東大物性研 益田隆嗣
研究分担者：東大物性研 浅井晋一郎、正岡麻里奈
東北大金研 南部雄亮、谷口貴紀、藤田全基 KEK 横尾哲也

Polarized neutron scattering study on O2 adsorbed CPL-1
Takatsugu Masuda, Shinichiro Asai, Marina Masaoka, Yusuke Nambu1, Takanori Taniguchi1, Masaki Fujita1, and Tetsuya Yokoo2
Institute for Solid State Physics, the University of Tokyo, Kashiwa, 277-8581
1

Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577
2

Institute of Materials Structure Science, KEK, Tsukuba 305-0801

Keywords: Oxygen molecule, Supercrystal, Neutron scattering
We performed neutron scattering experiment in a new field of science, O2 molecule supercrystal realized in nanoporous metal
complex CPL-1. In our previous work on protonated sample by using triple axis spectrometer we observed singlet-triplet
transition of S=1 dimer. At this time, we aimed to focus on an exotic triplet-quintet transition of the O2 dimer by combination of
deuterated sample and chopper-type spectrometer. The O2 gas, however, was not adsorbed in the experiment probably
because of special specification of a cryostat.

1. 緒言（Introduction,）
ナノポーラスを有する金属有機構造体は、酸素分子がファンデルワールス力により物理吸着し、ポーラス内で“柔らかい磁性体”が実現されため、注目を集めている 1)。そのダイナミクスは、スピンと格子が強く結合したものであることが予想されている。スピンと格子の結合状態を解明するために、両者の分離および干渉項の観測が可能な偏極中性子非弾性散乱実験が重要であるが、これまでに、非偏極中性子散乱による励起スペクトルの測定は行われてきたものの、偏極中性子を用いた測定は行われていない。そこで、POLANO による吸着酸素の偏極非弾性散乱実験により吸着酸素の励起スペクトルのモード解析を行い、スピンと格子の混成の存在を明らかにすることは有意義である。2019 年時点で POLANO の偏極中性子散乱デバイスが準備中であったため、テスト的に非偏極中性子散乱実験を行った。
2. 実験方法（Experimental procedure）
細孔性金属錯体は重水素化された CPL-11)の粉末試料 2g を用いた。冷凍機は、KEK 所有のトップローディング
タイプの無冷媒冷凍機を用いた。酸素の吸着に先立ち、CPL-1 をアルミニウム試料容器中において、摂氏 100 度
3 時間乾燥させることで、細孔内の水や窒素を排除した。その後試料容器を冷凍機に挿入し、図 1 のような酸素導入システムを用い、試料付近の温度計表示 100 K において酸素の吸着を行った。バルブ V1-V4 を開閉させて、
V2 より試料側の圧力が 80 kPa を維持することで、CPL-1 に酸素を吸着させることができる。酸素吸着は、圧力
ゲージの圧力値減少により確認される。減少分の酸素は V1-V4 バルブの開閉により、試料容器に供給される。通10常細孔内への酸素吸着が完了すると圧力減少は観測されなくなる。しかし今回の実験では、試料重量から見積もられる吸着酸素量を超えても圧力の減少は観測されなかった。そこで、予定吸着量の 2 倍を超えた時点で酸素吸着作業を終了し、中性子散乱実験を行った。一連の中性子実験の後、酸素を CPL-1 から脱離させ、酸素が吸着されていない CPL-1 のバックグラウンド測定を行った。分光器の条件はフェルミチョッパー周波数 300Hz、位相3238.4us であり、入射中性子エネルギー37 meV, 15 meV, 5.1 meV の中性子プロファイルが収集された。

図 2：T = 4 K, Ei = 15 meV における CPL-1 の中性
子スペクトル. (a)O2 吸着あり(b)O2 吸着なし.

図 1: 細孔性金属錯体の酸素導入システム概念図
3. 結果および考察（Results and discussion）

酸素吸着させた CPL-1 の中性子スペクトルを図 2(a)、酸素吸着させない場合のスペクトルを図 2(b)に示す。これらのスペクトルに変化がないことから、今回の実験では CPL-1 の細孔内に酸素は吸着されなかったと結論された。過去の我々の実験で用いた冷凍機は、試料容器周りの He ガスフローにより試料は冷却されており、試料部
分は冷凍機で最も冷えている部分となっていた。これに対し今回用いた無冷媒タイプの冷凍機では、試料容器よりも高い箇所が最も冷えるような構造となっていた。我々の酸素導入システムでは、酸素導入配管が最も冷える部分を通過してしまうため、その部分で酸素ガスが液体に凝縮してしまい、下部にある CPL-1 のところまで十分な酸素ガスが到達していなかった可能性が考えられた。
4. まとめ（Conclusion）
細孔性金属錯体内の酸素超結晶磁性体の磁気励起のテスト測定を試みたが、冷凍機の構造上の理由により、ホスト錯体への酸素の吸着がなされなかった。
謝辞（Acknowledgement）
中性子実験において、大河原学氏による技術的支援をいただいた。
引用文献（Reference）
1)

T. Masuda, S. Takamizawa, K. Hirota, M. Ohba, and S. Kitagawa, J. Phys. Soc. Jpn. 81, 083703 (2008).
11

【中性子物質科学研究センター】

銅酸化物高温超伝導体におけるスピン揺らぎによる電荷相関研究代表者：物質・材料研究機構 機能性材料研究拠点量子機能分野 山瀬博之
研究分担者：東北大学金属材料研究所 量子ビーム金属物理学研究部門 藤田全基
物質・材料研究機構 機能性材料研究拠点量子機能分野 Muhammad Zafur
Charge correlations from spin fluctuations in high-Tc cuprate superconductors
Hiroyuki Yamase1, Masaki Fujita2, Muhammad Zafur1
1National Institute for Materials Science, Tsukuba 305-0047
2Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577
Keywords: spin excitations, charge order, neutron scattering, x-ray scattering,
cuprate superconductors
We explore charge correlations induced by spin fluctuations via Aslamasov-Larkin (AL)-type
diagram. The AL diagram contains two bosonic propagators associated with spin fluctuations
and two triangular Fermionic loops. While the absolute value of the spin fluctuation spectrum isnecessary to a quantitative estimate of the AL diagram, it will be obtained near future by the
newly developed spectrometer POLANO in J-PARC. Prior to the full operation of POLANO, thepresent theoretical project aims to provide theoretical insights into the importance ofmeasurements of the precise magnetic excitation spectrum.
In this year, parameterizing the spin fluctuation propagator by mimicking the actual spectrum
in cuprate superconductors, we study the AL diagram in the static limit, namely the static
charge correlations from the spin fluctuations. We find that the triangular Fermionic loop
exhibits a strong momentum dependence, which leads to a strong parameter dependence of static
charge correlations via the AL diagram. Whereas it turns out that the spin fluctuations do notyield a new structure in the charge correlations for a parameter set appropriate toelectron-doped cuprates, they produce new charge correlations for parameter sets of hole-doped
cuprates. Electronic nematic correlations around momentum transfer (0,0) are substantiallyenhanced by the spin fluctuations for a parameter set of La-based cuprates. On the other hand, acharge order signature with momentum (qx,0) is expected to be generated for Y-based cuprates.
The absolute value of this momentum, however, seems too small compared with theexperimental observation, suggesting a possible role of the pseudogap in Y-based cuprates.
１．緒言
La系銅酸化物高温超伝導体ではストライプ秩序と言われる電荷秩序がよく知られている。ところが、近年、ストライプ秩序とは異なる電荷秩序がLa系以外の銅酸化物超伝導体で共通して観測され、その起源の解明は高温超伝導機構の解明に直結する問題として注目を集めている。申請者を含めた多くの理論研究者
が電荷秩序の起源の解明に取り組んできたが、ホールドープ系で観測された電荷相関の理解には未だに成功していない。得られた理論研究結果を整理すれば、RPAと言われる低次の電子散乱過程を考慮した計算を行う限り観測された電荷秩序の波数を再現することは難しく、高次の散乱過程が重要である可能性が高い、ということである。高次の散乱過程として考えられるのが、Aslamasov-Larkin（AL）項である。この項にはスピン揺らぎが含まれており、電荷秩序化現象に対してスピン揺らぎが直接的に関与している可能性を示している。銅酸化物高温超伝導体の電子物性の微視的理解は高温超伝導機構の解明に直結するので物性研究の悲願であるが、その一端が最近発見された電荷秩序に現れていると言える。そのため銅酸化物研究は今、大きく動き始めている。
AL項の大きさは磁気励起強度の二乗に比例するので、AL項が低次散乱過程に比べて本当に重要であるかを検証するためには、強度の絶対値を含めた磁気励起スペクトラムの情報がなくてはならない。申請者の予備的な計算結果によれば100 meV以下の磁気励起スペクトラムがAL項の評価に重要になるが、対応する磁気励起スペクトラムのデータがない。しかし、稼働しつつあるJ-PARCのPOLANOを用いれば、必要となるエネルギー領域での磁気励起スペクトラムを絶対強度を含めて取得可能である。金研中性子センタ
ーはPOLANOの開発・運営で中心的な役割を果たしており、藤田センター長はPOLANOを用いて100meV以下での銅酸化物の磁気励起スペクトラムの測定を計画している。研究対象が一致しており、金研での共同利用を活用することで本研究課題をより効果的かつ加速的に進める。特に、本申請課題は理論先行
12であるので、得られる理論的知見を活用しながら、POLANOでの磁気励起スペクトラムの測定にスムーズに繋げることを到達点とする。
２．研究方法AL 項は、２つのスピン揺らぎのプロパゲータと２つの三角形状のフェルミオンループから成る。スピン
揺らぎのプロパゲータは、磁気励起スペクトラムによって決定されるが、現状では 100 meV 以下の正確な磁気励起スペクトラムのデータがない。しかし、磁気励起スペクトラムの様子は定性的に分かっているので、それを再現するスペクトラムを用いる。その結果、電荷相関に関してスピン揺らぎの効果の重要性
を定性的な観点から議論できる。スピン揺らぎによって引き起こされる電荷相関には、静的な成分と動的な成分があるが、本年は静的な成分に着目して計算を行う。
３．結果および考察
AL 項を形式的に式で書き下すことは容易に出来るが、それを現実的な時間内で数値的に計算するためには、解析式をより単純な形にし、かつ数値的にも安定な振る舞いをするように式変形を行う必要がある。
この実現は大変に困難であったが、解析式の導出および安定な数値的コードの作成に成功した。
その結果、三角形状のフェルミオンループに非常に強い波数依存性があることが分かり、結果として AL
項から生じる電荷相関には強いパラメタ依存性が現れることが分かった。電子ドープ系銅酸化物に適当と思われるパラメタに対しては、AL 項によって新たな電荷相関が引き起こされることはない。つまり、電荷
相関は低次の RPA のレベルでよく再現できる。RPA の範囲で電子ドープ系での実験結果をよく理解できるという先行研究[1-3]とも整合する。一方、ホールドープ系のパラメタに対しては、AL 項は定性的に新しい構造を導く。La 系に適当と思われるパラメタに対しては、強い電子ネマチック相関が引き起こされ、電荷相関は波数(0,0)でシャープなピーク構造を持つようになる。近年、コンプトン散乱実験によって、La系で非常に強い電子ネマチック相関の存在が示唆されたが[4]、その実験結果とも整合する結果である。Y
系でのパラメタでは、電子ネマチック相関ではなく、波数(qx,0)で電荷相関が発達し、実験的に観測された電荷秩序の傾向と定性的に一致する。しかし、波数 qx の大きさは実験データよりもずっと小さく、実験結果を再現したとは言い難い。実験的には電荷秩序の傾向は擬ギャップ相の中で観測されているが、その擬ギャップの効果が定量的には重要なのかも知れない。
４．まとめ
本年は静的な電荷相関に焦点を当てて、AL項を介したスピン揺らぎの効果を理論的に追求した。その結果、ホールドープ系銅酸化物に適当と思われるパラメタにおいて、スピン揺らぎがAL項を介して定性的なレベルで電荷相関に強い影響を与えることが分かった。一方、電子ドープ系に対しては、スピン揺らぎ
によって本質的に新しい電荷相関が生じることはなかった。
文献[1] H. Yamase, M. Bejas and A. Greco, EPL (Europhysics Letters) 111, 57005 (2015).
[2] M. Bejas, H. Yamase, and A. Greco, Phys. Rev. B 96, 214513 (2017).
[3] H. Yamase, M. Bejas and A. Greco, Phys. Rev. B 99, 014513 (2019).
[4] H. Yamase, Y. Sakurai, M. Fujita, S. Wakimoto, and K. Yamada (submitted to Nature
Communications).

13

スピンパイエルス系 CuGeO3 にみられる
ガンマ点近傍励起の起源の解明
研究代表者：総合科学研究機構中性子科学センター 池内 和彦
Study of excitation observed at Gamma points in spin-Pierls CuGeO3
Kazuhiko Ikeuchi
Neutron Science and Technology Center, CROSS, Tokai, 319-1106
Keywords: BL 23 POLANO, Inelastic Scattering, Magnetic excitations, Phonons
We performed inelastic neutron scattering (INS) experiments to investigate anomalous critical behavior in
inorganic spin-Peierls material CuGeO3. The INS with chopper spectrometer BL23 POLANO effectively showedmagnetic excitations and phonons at once on an intensity distribution map in momentum space: the desCloizeaux-Pearson type magnetic excitations propagating from the magnetic  point L = 0.5 r.l.u., and phonons
in a higher momentum region. These results can be the setup for future experiments with polarization conditionat the chopper spectrometer to study the mechanism of the spin gap formation, which is the 25 years mystery of
the spin-Peierls transition in CuGeO3 from its discovery.
1. 緒言（Introduction）
本申請で研究対象とする CuGeO3 は、スピンパイエルス転移を示す無機系として知られる有名な物質である。基底状態におけるスピン相関は、一次元 1/2-Heisenberg スピン系に特徴的な des CloizeauxPearson 励起+連続励起を骨格とし、スピン一重項対形成に伴うスピンギャップ、および、パイエルス
歪みに由来する第二スピンギャップと超格子反射が秩序変数として観測されることが、これまでの中性子非弾性実験の結果、明らかにされてきた[1-4]。このように、基底状態であるパイエルス“状態”
については典型的な特徴がみられる一方で、パイエルス“転移”については、平均場を基には理解し得ず、全く特徴的ではない性質がみられることも知られている。例えば、磁化率の温度変化が BonnerFisher 型から大きく外れ[5]、さらに、本来パイエルス系の臨界現象であるソフトモードが、（超格子反射が発見されているにも関わらず）確認されていない。申請者は、本系におけるパイエルス転移の理解には、転移点以上の温度範囲における臨界現象の解明が本質的であると考えている。また、杉本らの理論計算[6]によるとスピンと格子が結合した特異な励起が、磁気 点の 40meV 程度に存在することが示されている。
これまで我々が行ってきた中性子非弾性散乱実験の結果、転移点(T = 14 K)よりかなり高い温度
領域(T < 150 K)から、磁気点(スピン鎖方向の L = 0.5 r.l.u.位置)近傍に強度が集結してくる様子が観測できており、磁気転移の前駆現象の理解において示唆的な結果を得ている。加えて、結晶系の 点(L = 0 r.l.u.)近傍に特徴的な構造が観測され、磁気点近傍のスペクトル強度の変化と連動した温度変化を示す様子も観測できている。ただし、結晶系点は、格子振動とともに磁気励起も観測できる位置であり、観測出来た励起が格子系なのかスピン系なのか識別できていない。
本研究では、スピンパイエルス状態の形成過程の理解に必須である磁気励起や格子振動の詳細な温度・組成変化を明らかにするため、CuGeO3 の中性子非弾性散乱実験を行う。
2. 実験方法（Experimental procedure）
本課題では、金属材料研究所量子ビーム金属物理学研究部門・藤田全基研究室の FZ 型単結晶育成装置を用い、CuGeO3 の大型単結晶試料を育成した。この際の滞在費や、研究打ち合わせのための出14

張費に、共同利用研究費は用いた。
実験は大型陽子加速器施設 J-PARC の中性子実験施設 MLF に設置された Fermi チョッパー型熱中性子非弾性散乱分光器 BL23 POLANO で行った。本分光器は稼働間もなく、特に単結晶試料による実験例がないため、まずは実用上の測定結果を得ることを目的に、実験を行った。
3. 結果および考察（Results and discussion）
BL23 POLANPO において、TOF 法により非弾性中性子散乱実験を行った。図 1. は、入射エネル
ギー Ei = 27.95 meV を用いて測定した、運動量空間(H, K, L) における非弾性散乱強度分布図である。
なお、一次元スピン鎖は、L 方向に走っている。H 方向はスピン鎖間相互作用が小さい方向であり、磁気励起がほとんど分散関係を持たない方向として知られているため、積分してある。また、図 1.の扇型分布図において、扇の要部分に近づくにつれてエネルギーは変化していく。要部分が、ちょうど入射エネルギーと同じ 27.95 meV に対応する。
1. 弾性散乱図 1. 中に赤いベルト状の強度分布が見られる。これが、エネルギー 0 meV の弾性散乱強度分布を表す。この赤いベルト部分以外は非弾性散乱領域であり、今回、有意に非弾性散乱強度が観測できることがわかった。
2. 格子振動K = 5 r.l.u. 以上の領域で、非弾性領域に有意な強度分布が見られる。これらは、系の格子振動に由来する強度分布と考えられる。格子振動の散乱強度は、振動の分極ベクトルと散乱ベクトルの相対配置関係に依存する、そのため、空間の原点 (K, L) = (0, 0) から遠い、高運動領域において強度が増加する。今回の実験において、格子振動の観測も十分可能であることがわかったため、スピン系と格子振動と結合を研究する上で、実用的であることが期待できる。
3. 磁気励起L = 0.5 r.l.u. に、明瞭な分散関係を持つ励起が観測できた。L = 0.5 位置は、スピン鎖上の反強磁性相関に由来する磁気点に対応する。励起はそこから一次元スピン鎖方向 L に伝搬しており、

一重項―三重項励起に対応する des Cloizeaux-Pearson モードと同定できる。
今回の実験で、スピンパイエルス系 CuGeO3 の磁気励起と格子振動の観測に成功した。POLANO での偏極中性子の利用は、1 年後以降の予定であるそうだが、偏極実験に先立ち実施した今回の非偏極
中性子非弾性散乱実験を起点に、スピンパイエルス系 CuGeO3 の磁気励起と格子振動を調べ、スピン
一重項ギャップの出現を導く準粒子励起の変化とスピン・格子結合励起を明らかにしていく。将来的に世界で始めて可能となる偏極高エネルギー非弾性散乱実験の足がかりとし、パイエルス転移の微視的理解に資する結果が得られたものと期待できる。
4. まとめ（Conclusion）
本研究課題において、BL23 POLANO を用いて、無機系スピンパイエルス物質 CuGeO3 の非偏極非弾性中性子散乱実験を行った。
その結果、広域運動量空間内の散乱強度分布が得られ、低運動量領域において磁気励起が、高運動量領域において格子振動が観測できた。これらの結果は、本スピン格子結合系にみられる特異な臨界現象の機構を解明する上で重要な起点であり、編極実験の足がかりとして重要である。

謝辞（Acknowledgement）

本研究の遂行にあたっては、金属材料研究所・量子ビーム金属物理学研究部門・藤田全基教授との共同研究により実施した。金研単結晶育成装置使用の快諾や、非弾性散乱実験による高温超伝導研究についての有益な議論などに、感謝申し上げる。
15

引用文献（Reference）[1] K. Ikeuchi et al., J. of Kor. Phys. Soc., 63 (2013) pp 333-336.
[2] M. Arai et al., Phys. Rev. Lett. 77, 3649 (1996).
[3] J. E. Lorenzo et al., Phys. Rev. B 50, 1278 (1994).
[4] K. Hirota et al., Phys. Rev. Lett. 73, 736 (1994).
[5] M. Hase et al., Phys. Rev. Lett. 70, 3651 (1993).
[6] T. Sugimoto et al., J. Phys. Soc. Jpn. 81, 034706 (2012).

図 1. 非弾性中性子散乱実験により得られた、CuGeO3 の非弾性散乱強度分布図。

16

3

He 中性子スピンフィルター用ガラスセルの開発

研究代表者：高エネルギー加速器研究機構 J-PARC センター 猪野 隆
研究分担者：日本原子力研究開発機構 J-PARC センター

奥平 琢也

奥 隆之

Development of glass cells for 3He neutron spin filters
Takashi Ino, Takuya Okudaira1, Takayuki Oku1
J-PARC Center, KEK, Tsukuba, Ibaraki 305-0801
1

J-PARC Center, JAEA, Tokai, Ibaraki 319-1195

Keywords: spin polarized 3He gas, neutron spin filter, polarized neutron, spin-exchange optical pumping
Polarized 3He neutron spin filters (NSF) are becoming an essential device in polarized neutron scattering at neutron facilities
around the world. Thermal to epithermal neutrons can be spin-polarized with 3He NSF, and a wide neutron-scattering angle canbe covered for spin analysis. Higher polarizations as well as longer spin-relaxation times of polarized 3He are appreciated for
accurate and efficient measurements. That is why quality containers of polarized 3He gas are crucial for high performance 3He
NSF. Containers or cells for this study were made of special aluminosilicate glass named GE-180 in the glass factory of IMRAM,
then cleaned, vacuum baked, and gas filled at KEK. Every step of the gas filling process is a key and to be studied/revised to
improve the performance. In the study, the cell preparation step, especially the cell cleaning recipe, was renewed. The result
has not yet determined but may show a better sign. Continuing studies are needed.

1. 緒言（Introduction）
スピン偏極した 3He ガスによる中性子スピンフィルター（3He NSF）は、各国の中性子施設で開発が進められており、またこれを利用した偏極中性子散乱研究も広がりつつある。十分に大きい 3He 偏極率、そして十分に長い
スピン緩和時間の実現は、高精度かつ高効率で中性子散乱測定を行うため必須の条件といえる。これらを実現するためには、3He ガスを閉じ込めておく容器（セル）によるスピン偏極緩和を最小に抑えることが必要であり、
3

He セル開発の重要な要素となっている。実際、3He セルのスピン緩和はセルそのもののクオリティによるところが大きく、その一方、セルによる緩和についての物理的理解は進んでいない[1]。各国の中性子施設では、3He NSF
用セルの材料として磁性不純物やホウ素をほとんど含有しない GE-180 と呼ばれるアルミノシリケートガラスが使われており、本研究でも GE-180 で 3He セルを試作している。3He セルは、管形で供給されるガラス材を円筒形等のセルに加工し、洗浄、真空ベーキングの後、3He ガス等が封入されて完成する。しかし、個々の工程には様々な自由度があり、現状これらは最適化できておらず、また、3He セルの性能も十分といえる状況にはない。本研
究では、セル製作における個々の工程を洗い直し、3He セルの高性能化を図ることが目的である。
17

2. 実験方法（Experimental procedure）
多元研ガラス工場で加工された GE-180 製セルは、KEK で洗浄を行い、超高真空装置に接続して十分にベーキングを行った後、ガス等を封入、封止して、3He セルとして完成する。スピン交換法による希ガス偏極では、3He
ガスの他に少量のアルカリ金属および窒素ガスも封入される[1]。アルカリ金属の封入では、ベーキングの途中に2 回の蒸留純化工程も加わる。これら複雑な 3He セル製作工程の中で、本研究では、主としてセルの洗浄方法について変更を加え、完成した 3He セル性能の違いを調べた。詳細は割愛するが、大きな変更点はセル洗浄で使用する洗浄液を中性洗剤（SCAT 20X-N）から酸性洗剤（Citranox）に変更したことである。洗浄工程を変更して試作した 3He セルに対して室温における偏極緩和時間を測定し、従来の方法で製作した 3He セルと比較を行った。

3. 結果および考察（Results and discussion）
セル洗浄時に SCAT 20X-N を使用して試作した 3He セル 4 個の平均緩和時間は 55 ± 33 時間、Citranox を使用して洗浄したセル 5 個は 142 ± 66 時間であった。ただし、±表示の誤差は二乗平均平方根である。偏極緩和時間の平均値に差はみられるものの、セルごとの緩和時間には大きなばらつきがあり、本研究の結果をもって確定的な結論を導くことは困難であるが、洗浄方法の変更による性能向上が示唆される状況にあるといえる。また、
これら 3He セルにおける緩和時間の理論限界はいずれも約 230 時間となっており[1]、これと比較しても、現在の3

He セル製作工程には改良の余地が残されている。

4. まとめ（Conclusion）
3

He セル製作のプロセスを見直すことにより、3He 偏極性能の向上が示唆された。3He NSF の効率的な利用において 3He 偏極性能の向上は必須の要素であり、本研究の継続的な推進はきわめて重要である。

謝辞（Acknowledgement）
本研究では、藤田全基教授、池田陽一氏に多大なご協力を賜りました。また、本研究で試作した GE-180 セル
は、すべて多元物質科学研究所ガラス工場の工藤友美氏に加工して頂きました。ここに厚くお礼申し上げます。

引用文献（Reference）[1] T. R. Gentile, P. J. Nacher, B. Saam, T. G. Walker, “Optically polarized 3He”, Rev. Mod. Phys. 89, 045004 (2017).
18

Pb/Bi 酸フッ化物の中性子回折による結晶・磁気構造解析
研究代表者：近畿大理工 岡 研吾
研究分担者：東北大金研 南部 雄亮

Crystal and magnetic structures analysis in Pb/Bi containing oxyfluorides by neutron diffraction technique
Kengo Oka, Yusuke Nambu1
Department of Science and Technology, Kindai University, Higashiosaka 577-8502
1

Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577
Keywords: mixed anion compound, oxyfluoride, spin reorientation

The spin reorientation behavior in Pb3FeO5F2 was studied by neutron diffraction technique. Pb3FeO5F2 is the newly
synthesized oxyfluoride compound and adopts Ruddlesden-Popper type layered perovskite structure. Our X-ray diffraction
study revealed that Pb3FeO5F2 undergoes a first-order structural transition around 380 K. The magnetic property wasinvestigated by neutron powder diffraction (NPD) technique. Temperature dependence of the NPD patterns showed magnetictransition between 500 and 450 K, in consistent with the temperature dependence of magnetic susceptibility, and change in theintensity ratio of magnetic peaks was observed during the structural transition. Rietveld refinement performed on the hightemperature (HT) and low temperature (LT) phases revealed that spin reorientation transition from perpendicular (HT) to
parallel (LT) direction to the c axis occurs simultaneously with the structural transition. Consideration of the local coordination
around Fe ion proposed that altered magnetic HOMO-LUMO interaction is the origin of spin orientation.

1. 緒言（Introduction,）
鉄を含む酸化物は最も古典的な磁性材料の一つである。特に最も安定な Fe3+は 3d5 電子配置を持ち s = 5/2 のス
ピンとして振る舞う。近年、著者は鉄を含有する新物質として Pb3FeO5F2 が発見した。この物質は、RuddesdenPopper 型と呼ばれる層状ペロブスカイト（一般式 An+1BnO3n+1）構造をとっている。アニオンサイトを酸素とフッ素で複合化することによって、鉛は Pb2+、鉄は Fe3+の価数状態をとっている。粉末 X 線回折の研究から、この物質は 380 K 付近で一次の構造相転移を示す事がわかった。また、磁化率の温度変化から、ネール温度は 490 Kであり、そして構造相転移を起こす温度領域においても磁化の変化が見られた。この振る舞いから、構造相転移と磁性の間に何らか強い相関が存在していることが示唆される。本研究では、構造相転移に伴う磁性の変化を明らかにするために中性子回折を行い、その磁気秩序状態の変化を調べた。

2. 実験方法（Experimental procedure）
中性子回折測定には粉末試料を使用した。合成原料には PbO,PbF2,Fe2O3 粉末を用いた。これらを化学量論比で混合、ペレット成形し、パイレックス管に真空封入し、873 K, 12 時間熱処理することにより試料を得た。
中性子回折実験は、オークリッジ国立研究所の HFIR POWDER (HB-2A)ビームラインにて行った。測定には波長 1.5366, 2.4068 Å の中性子ビームを使用した。5 - 500 K の温度範囲で回折パターンを測定し、FullProf プロ
グラムを使用しリートベルト解析を行い、磁気秩序状態の変化について調べた。

3. 結果および考察（Results and discussion）
図に中性子回折パターンの温度変化と結晶構造およびスピン配列の図を示す。Pb3FeO5F2 は 490 K 以下で反強磁性秩序、380 K 付近で構造相転移を示す。X 線および電子回折の結果から、高温相は空間群 P4/nbc かつ 2a × 2a
19

× c の超格子、低温相は空間群 P21/m かつ a × a
× c の格子であることがわかっている。500 K と 400
K の回折パターンを比較したところ、図 a の 112 お
よび 113 の指数で表される磁気反射が 400 K では現れたことから、490 K での磁気転移が確認された。
また、X 線および電子回折から決定した構造解析の結果を元に、中性子回折パターンのリートベルト解析を行った。結果、高温相、低温相ともに G 型の反強磁性秩序が存在していることがわかった。さらに興味深いことに、磁気反射の現れる指数自体に変化はないものの、高温相と低温相で磁気反射の強度比が変化することがわかった。図 a,c に示すように、高温相と低温相で 112/113 の強度比が逆転している。これはスピン配向が変化したことを示している。
スピンが c 軸に垂直および c 軸に平行な方向に秩序配列しているパターンを比較すると、c 軸に垂直な状態では 113 の強度の方が大きく、一方 c 軸に平行となると、112 の強度の方が大きくなる。よって、
図 Pb3Fe2O5F2 における中性子回折磁気反射の変化。それ

Pb3FeO5F2 においては図 b,d に示すようなスピンの方向

ぞれ 2.4068 Å (400 K), 1.5366 Å (4 K)の波長の中性子線が 90 度変化する、スピン再配向が起こっていることがを用いて測定している。a, b は高温反強磁性相(400 K)、

実験的にわかった。

c,d は低温反強磁性相(5 K)の磁気反射と結晶構造およびス構造相転移とスピン再配向が同時におこっていることから、両者が密接に相関していることが推察される。

ピン秩序配列の図。

そこで、高温相と低温相の間における Fe3+周辺の局所配位構造の変化を調べたところ、面内超格子の消失を伴う酸化物イオン配列の変化によって、eg 軌道のエネルギー準位が大きく変化していることがわかった。このスピン再配向については、Whangbo らによって提案された磁気 Highest occupied molecular orbital (HOMO)-Lowest
unoccupied molecular orbital (LUMO)相互作用によるスピン配向モデルを用いて説明することができる。[1]第一原理計算を行い詳細に調べた結果、高温相では Fe3+の HOMO は dx2-y2 であったが、低温相では dx2-y2 が安定化された結果 HOMO が縮退した dx2-y2 と dz2 になることがわかった。Whangbo らのモデルでは、HOMO と LUMO の間の磁気量子数の差から推測できるスピン・軌道相互作用がスピン配向の支配的な要因となっており、Pb3FeO5F2 におけるスピン再配向は、構造相転移に伴う HOMO の変化で説明できることを見いだした。
4. まとめ（Conclusion）
Ruddlesden-Popper 型層状ペロブスカイト Pb3FeO5F2 は 380 K 付近において、構造相転移を起こす。その際、構造相転移に伴い、G 型の反強磁性秩序を保ったまま、スピンの配列が c 軸に平行な方向から垂直な方向へと変化
するスピン再配向が起こることが、中性子回折よりわかった。構造相転移とスピン再配向が密接に相関していることから、構造の変化がスピン再配向の起因となっていることがわかる。さらに詳細に Fe 周辺の配位構造の変化を調べたところ、構造相転移によって 3d 軌道のエネルギー準位が大きく変化していることがわかった。Fe3+において、構造相転移により HOMO に当たる準位が高温相では縮退の解けた dx2-y2 である一方、低温相では縮退した dx2y2 とdz2 となっている。そのため、スピン配向に影響を与えるスピン・軌道相互作用が変化し、構造相転移と同時にスピン再配向が起こっていることがわかった。
引用文献（Reference）
1)

Whangbo, M. H., Gordon, E. E., Xiang, H., Koo, H. J. & Lee, C., Acc. Chem. Res. 48, 3080-3087 (2015).

20幾何学的フラストレーション磁性体における多重 q 秩序状態の研究	
 研究代表者：阪大先端強磁場 鳴海康雄
Research on Multiple-q Ordered States in Geometrically Frustrated Magnets
Yasuo Narumi
Center for Advanced High Magnetic Field Science, Osaka University, Toyonaka 560-0043
Keywords: Geometrical Frustration, Multiple-q ordered state, Triangular lattice magnet)

The correlation between magnetic and dielectric properties has been investigated for the triangular latticemagnet Mn(OH)2 by means of dielectric characteristic measurements under magnetic fields. At approximately 10 K, whichcorresponds to the magnetic ordering temperature, a dielectric constant shows anomaly and it becomes a peak with increasing
magnetic field beyond 5 T. Furthermore, a spontaneous electric polarization appears below 10 K, indicating that bothmagnetic and ferroelectric orderings are realized in Mn(OH)2. A brief discussion is made on the magnetoelectric property bytaking account of the proposed magnetic structure.
1. 緒言（Introduction,）
近年、スカーミオン格子に代表される、トポロジーによる頑健性を有しあたかも粒子のように振る舞う特異なスピン構造が、新しいタイプのスピントロニクスデバイスへの応用への期待から、非常に注目されている。
互いに 120°の角度をなす 3 つの磁気波数ベクトルで規定された多重 q 秩序状態であるスカーミオン格子は、立方晶 B20 型結晶構造を持つ遍歴電子強磁性体 MnSi において、逆格子空間における 6 回対称のスポットとして磁場中中性子散乱実験実験によって初めて観測された[1]。その後、同じ結晶構造を持つ Fe0.5Co0.5Si や FeGe、また絶縁体である Cu2OSeO3 においても同様のスカーミオン観測の報告がなされている。この時、スカーミオン形成の元になるスピンのねじれ（キラリティ）を生み出しているのは、反転中心を持たない結晶において磁性イオン間に生じる Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用である。そのため、スカーミオンが持つキラリティは結晶の対称性によって一意に決まることになる。これに対して、最近、反転中心の破れを伴わない系においても、交換相互作用のフラストレーションを起源としたスカーミオンの発現可能性が理論的に指摘されている[2]。さらに、ハニカム磁性体においては、フラストレーションを起源とする波紋の様な多重 q 秩序の発現が理論的に提案されている[3]。しかしながら、実際の反転中心を有する物質においてスカーミオンが観測された例は無く、フラス
トレーション磁性体における多重 q 秩序の発見が切望されている。	
 このような背景のもと、我々はマクロ測定を通じて候補となる物質探索を行って、最終的には強磁場中の中性子や共鳴 X 線散乱による多重 q 秩序構造の直接観測を目指している。本稿では、物質探索の一環として研究を行った三角格子磁性体 Mn(OH)2 の誘電特性測定の結果に関して報告する。	
 
図 1 は Mn(OH)2 の結晶構造である[4]。磁性を担う
Mn2+(3d5)イオンはスピン量子数 S = 5/2 を持ち、c 面内で三角格子を形成している。粉末中性子回折の結果から、
約 10 K 以下の低温では ac 面内で 120°に近い Y 字構造に並んだスピンが、c 軸方向に Y 字および逆 Y 字と反強磁性的に配列した秩序状態になっていると考えられている[4]。最近我々は、パルス強磁場を用いた磁化測定を行い、反強磁性秩序状態の低温相において c 軸に平行に磁場を21印加すると、約 7.4	 T で磁化のジャンプを伴う磁場誘起相へ転移することを見出した[5]。さらに、磁化率測定と比熱測定により、約 10	
 K の反強磁性転移は 2 段転移になっていることも確認している。本研究では、磁場および温度誘起の磁気転移の起源を明らかにすることを目的として、Mn(OH)2 の磁場下における誘電特性の測定を行った。	
 2. 実験方法（Experimental procedure）
本実験で用いた試料は、中央大学において水熱合成法によって合成された単結晶試料である。As-grown の結晶は、概ね厚み約 100	
 µm で六角形平板の形状をしており、X 線構造解析により、磁場および電場印加方向の c
軸が平板に垂直であることを確認している。誘電率および分極測定は、As-grown の試料表面に塗布した銀ペー
ストを電極として、量子ビーム金属物理学研究部門に設置されている物理特性測定システム(PPMS, Quantum
Design 社製)に、LCR メータおよびエレクトロメーターを独自に組み込んだ実験装置を用いて行った。
3. 結果および考察（Results and discussion）
図 2 は c 軸に磁場および電場を印加した際の、誘電率に相当する静電容量の温度依存性である。印加電場は10 kHz で変調している。磁気転移が観測されている約 10 K における微小なショルダー状の異常を境にして、温度の低下とともに静電容量が顕著に増加し、低温で飽和する振る舞いが観測された。さらに磁場の印加によって、このショルダーはほぼ構造を保ちながらわずかに低温側にシフトし、5 T 以上の磁場では明確なピーク構造へと変化した。ピークが現れる温度は昇温・降温の過程で明確に異なっており、さらに最大印加磁場となる 9 T
においては 8 K 以下の低温域で顕著なヒステリシ
スも観測された。ただし、磁気転移と同様の 2 段
階の異常は本測定において見出す事ができなかった。
図３は焦電流の昇温過程における積分によって得られた磁場中電気分極の温度依存性である。この結果から、Mn(OH)2 の磁気秩序相が強誘電性を有することが明らかとなった。分極の大きさは磁場誘起相において顕著に増強されているが、低磁場相でも有限の値が残っている。この低磁場相において、線形の電気分極を示すのか、それとも異なる方位に分極が反転しているのかは今後解明すべき課題である。	
 ᅗ㻞㻌㻹㼚㻔㻻㻴㻕㻞䛾☢ሙ୰㟼㟁ᐜ㔞䛾 ᗘ౫Ꮡᛶ䚹どㄆᛶ䛾䛯䜑䚸䜸䝣䝉䝑䝖ཬ䜃ᅗ୰䛾ᩘ್䛰䛡䝇䜿䞊䝹䛥䜜䛶䛔䜛䚹

4. まとめ（Conclusion）
三角格子磁性体 Mn(OH)2 の磁場中誘電特性測定
対して平行な自発電気分極を示すマルチフェロイμによって、Mn(OH)2 は磁気秩序相において磁場にック物質である事が明らかになった。中性子回折実験によって提唱されている磁気構造を仮定すると、本研究で観測された分極の発現は、これまでに提唱されている電気磁気効果のモデルでは説明する事はできない。今後は、異なる磁場･電場配置
や磁場領域を拡大しての測定を行い、系統的な誘電特性を明らかにした上で、各秩序相における磁ᅗ㻟㻌㻹㼚㻔㻻㻴㻕㻞䛾☢ሙ୰㟁Ẽศᴟ䛾

気構造を再検証するための回折実験を行う予定で
ある。

22

ᗘ౫Ꮡᛶ䚹

謝辞（Acknowledgement）
本実験の実施に際して支援頂いた、量子ビーム金属物理学研究部門の南部雄亮准教授、東北大学大学院理学研究科の青山拓也助教に感謝いたします。測定に用いた Mn(OH)2 単結晶試料を提供頂いた中央大学の佐藤博彦教授、大寺翔也さんに感謝いたします。
引用文献（Reference）
1) S. Mühlbauer, et al, Science, 323, 915 (2009).
2) T. Okubo, et al., Phys. Rev. Lett., 108, 017206 (2012).
3) T. Shimokawa, et al., Phys. Rev. Lett., 123, 057202 (2019).
4) A. Nørlund Chiristensen et al., Solid State Commun. 10, 609 (1972).

5) 大寺翔也,2019 年度中央大学修士論文

23反強磁性トポロジカル絶縁体の磁気構造研究代表者：京都大工 陰山 洋
研究分担者：京都大工 松本 勇輝

Magnetic structure of antiferromagnetic topological insulator
Hiroshi Kageyama, Yuki Matsumoto
Department of Energy and Hydrocarbon Chemistry, Graduate school of Engineering, Kyoto University, Nishikyo-ku, Kyoto
615-8510, Japan
Keywords: oxychalcogenide, magnetic structure, antiferromagnetism
Using high-pressure method, we prepared the layered oxychalcogenide Ba2CoO2Ag2Te2 (space group: I4/mmm) withalternate stack of CoO2 and Ag2Te2 layers separated by Ba atoms. The CoO2 plane is greatly extended (Co–O = 2.19 Å on
average) due to a tensile strain from adjacent Ag2Te2 layers, causing a displacement of oxide anions. Layered cobaltates withtrans-CoO4X2 (X = chalcogen, halogen) coordination have been featured by large spin-orbit coupling, which is linearly scaled
by a tetrahedral factor. However, applying this relation to Ba2CoO2Ag2Te2 yields a magnetic moment of ~4 B, which is nearly
the twice of the experimentally observed value of 1.87(17) B. This result, along with a reduced Néel temperature (TN = 60 K),
is originating from the off-centered position of otherwise under bonded oxide anions, which effectively reduces the crystal field
splitting of Co d orbitals, leading to a magnetic moment with quenched orbital degree of freedom.

1. 緒言（Introduction,）
近年、オキシカルコゲナイドの磁性は注目を集めている。1Ni 系オキシカルコゲナイド Ba2NiO2Ag2Se2 においては、NiO2 平面において初めて高スピン状態の Ni2+が観測された。2 我々は高圧合成法を適用し、得られた新規オ
キシカルコゲナイド Ba2CoO2Ag2Te2 に対して中性子線回折測定を行い、CoO2 平面の磁気構造の解析を行った。

2. 実験方法（Experimental procedure）
試料は BaO, Co, Ag, Te を原料とし、5 GPa, 850 °C の条件下で合成した。中性子線回折測定には、J-PARC の
BL21：NOVA を利用した。結晶構造及び磁気構造の解析には、RIETAN-FP program 及び Fullprof suite を用いた。

3. 結果および考察（Results and discussion）
構造解析の結果、CoO2 平面では、Co が酸素方向に変位した結晶構造をとっていることが分かった。磁気構造解析の結果、図 1 の3 に示す磁気構造をとることが分かった。また、図 2 に示すように、Ba2CoO2Ag2Te2 の磁気
24

モーメントは、他の CoO2 平面を有する物質と比べてずっと小さい
ことが明らかにされた。これは、Co の変位により、コバルト-酸素間のスピン軌道相互作用が弱められたためであると考えられる。磁気転移する温度も他の Co 物質と比べて低く、Co の変位はネール温度にも影響を与えていることが分かった。

図 1：Ba2CoO2Ag2Te2 の磁気構造

4. まとめ（Conclusion）
高圧合成法を用いて得られた新規オキシカルコゲナイド Ba2CoO2Ag2Te2
は、Co が酸素方向に変位した結晶構造をとっており、従来の CoO2 平面を有する物質と比べて、異常に低い磁気モーメント及びネール温度を持つことが明らかになった。
図 2： CoO2 平面の磁気モーメント

謝辞（Acknowledgement）
東北大学金属材料研究所の南部准教授には、中性子線回折測定の実験及び解析において大変お世話になりました。ここに篤くお礼申し上げます。

引用文献（Reference）(1)

Hayward, M. A. Synthesis and Magnetism of Extended Solids Containing Transition- Metal Cations in SquarePlanar, MO4 Coordination Sites. Inorg. Chem. 2019, 58, 11961–11970.

(2)

Matsumoto, Y.; Yamamoto, T.; Nakano, K.; Takatsu, H.; Murakami, T.; Hongo, K.; Maezono, R.; Ogino, H.; Song,D.; Brown, C. M.; et al. High-Pressure Synthesis of A2NiO2Ag2Se2 (A = Sr, Ba) with a High-Spin Ni2+ in SquarePlanar Coordination. Angew. Chemie - Int. Ed. 2019, 58, 756–759.

25

スピン密度分布測定による La2CuO4 の頂点酸素磁性スピンの研究研究代表者：室蘭工業大学大学院工学研究科 宮崎 正範
Study for apical oxygen spin with magnetoelectric effect in layered perovskite cobalt oxide
Masanori Miyazaki
Graduate School of Engineering, Muroran Institute of Technology, Muroran 050-8585
Keywords: multiferroic, magneto-electric effects, oxygen polarization, perovskite
Some Ruddlesden-Popper type perovskite oxide An+1BnO(3n+1) (A=La, Sr, Ca, ...、B=transition metal、n=1, 2,…∞) exhibit

multiferroics. For example, in n=∞,Kimura et. al., reported that the ferroelectricity induced by cycloidal

helimagnetic order in TbMnO3, which is nowadays referred to as magneto-electric (ME) multiferroic, or often only as
multiferroic. There are theoretical supported by Katsura et. al. . On the one hand, there are only few materials show ME
effect in single layered perovskite oxide (n=1). Sr2IrO4 and La2CuO4 exhibit dielectric anomaly, and shows magneto-electriceffect at low temperature. In addition, spin polarization around apical oxygen are observed by µSR. This is possible link between
the oxygen polarization and ferroelectric (multiferroic) behavior in Sr2IrO4. We focus on La2CuO4 which has K2NiF4 typestructure, to understand this phenomenon from microscopic point of view by using particle beam such as muon and neutrons.
In this study, we tried to analyze neutron diffraction data measure by Oak Ridge HB-3A beam line, with magnetic structure
and magnetic moments on Cu spin consist with muon data.
1. 緒言（Introduction,）
ペロブスカイト構造を持つRuddlesden-Popper(RP) 型酸化物An+1BnO(3n+1) (A=La, Sr, Ca, ...、B=遷移金属、n=1,2,…∞)のうち、GdMnO3型構造の無限層型(n=∞)では、TbMnO3 に代表されるように電気磁気効果を含む多くのマルチフェロイック物質が発見されている1)。これら物質の多くで発現している磁気構造由来の強誘電性は、逆Dzyaloshinsky - Moriya相互作用や逆Goodenough - Kanamori則からその起源が明らかにされている2,3)。
一方、K2NiF4 型構造である単層型(n=1)では、電気磁気効果を示す例は少ない。その様な中でも、Sr2IrO4では
Tm=70-90 K付近で大きな誘電率のピークを示し、さらにTmより低温で、誘電率に大きな磁場依存性が見られ電気磁気効果がG.Caoらのグループによって示されている4)。一方、局所プローブであるμSRからは頂点酸素スピンに由来する磁性がTm 以下から観測され、この電気磁気効果との関係が注目されている5)。また、同様の構造を持つLa2CuO4でも250 K付近で誘電率の異常が観測され6)、さらに低温での40 K以下で誘電率から電荷揺らぎ、4.5 K
以下で強誘電性による電気分極が観測されている7)。

本研究の目的は、すでにOak Ridge研究所で行った La2CuO4の単結晶試料に対する中性子回折実験
データから、詳細な磁気構造の解析及びMEM解析を行うことであり、最終的には、µSRで観測されている酸素スピンの観測及び、低温で観測されている電気磁気効果の起源について知見を得ることを目指している。
2. 実験方法（Experimental procedure）

Oak Ridge 研究所の HB-3A 4 軸分光器を用いて、幅広い q 範囲(6 0 -8~8)から(0 2 -16~16)までの磁気反射の測定を行ったデータについて磁気構造解析を行う。まずは、Cu スピンについて、結晶構造から許される既約表現から c 軸方向の傾きも含めた磁気構造とモーメントサイズについて求める。
3. 結果および考察（Results and discussion）

La2CuO4 の結晶構造は、Bmab（または、Cmca）で、Cu のワイコフ位置は、4a の(0 0 0)になる。群論
で結晶構造から許される磁気構造の既約表現は、Γ5 かΓ7 である。これまで b 軸方向は反強磁性であることが知られている。残るは、c 軸方向が強磁性的か反強磁性的かということになるが、これは、
26

fitting 結果が良い方のモデルで決めていく。なお過去の修論では、(0 0.5 0.5)としている。
今回、測定された磁気反射のデータには、大きく２ピーク見えており、試料が双晶（２ドメイン）であった可能性があることと、測定温度が 4.2 K で誘電分極（部分分極？）が観測される 4.5 K 以下である為に２相分離している可能性がある為、解析を困難にさせている。単純にピーク強度で解析ができず、データを解析ツールに持っていく段階で、現在解析が止まっている。共同研究者と今後も検討を重ね解析を行っていきたいと考えている。
4. まとめ（Conclusion）
今回、La2CuO4 の磁気構造解析を試みた。共同研究者とは、結晶構造から許される磁気構造について検討を行った。また、磁気構造解析について初めてで不慣れであるため、データの取り扱いから解析までの大まかな流れについて教えていただいた。引き続き、アドバイスをいただき解析を行っていきた
いと考えている。
謝辞（Acknowledgement）

東北大学金属材料研究所の共同利用・共同研究制度に深く感謝するとともに、受け入れてくださった研究室の藤田全基教授、南部雄亮准教授はじめスタッフの方々に心よりお礼を申し上げます。
引用文献（Reference）

1) T. Kimura et. al ., Nature 426 , 55 (2003).
2) H. Katsura et. al ., Phys. Rev. Lett. 95, 057205 (2005).
3) T. Arima et. al ., J. Phys. Soc. Jpn 80 , 052001 (2011).
4) S. Chikara et al., Phys. Rev. B 80, 140407(R) (2009).
5) M. Miyazaki et al., Phys. Rev. B 91, 155113 (2015).
6) G. Cao et. al .,Phys. Rev. B 47 , 11510 (1993).
7) Z. Viskadourakis et. al ., Phys. Rev. B 85, 214502 (2012).

27低熱伝導性を⽰す Na を内包したトンネル構造を有する
ジントル化合物のダイナミクス
研究代表者：東北⼤多元研 ⼭⽥ ⾼広
研究分担者：東北⼤⾦研 藤⽥ 全基
Role of disorders in the reduction of thermal conductivity for the intermetallic compoundswith disordered Na atoms in helical tunnels
Takahiro Yamada and Motoki Fujita1
Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, Sendai 980-8577,
1

Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577
Keywords: Zintl phase, rattling, crystal structure, phonon dispersion

Time-of-flight (TOF) neutron inelastic scattering data of Zintl compounds in Na-Tr-Sn systems (Tr = Al, In, Zn) which havetunnel framework structures and low thermal conductivities were collected and analyzed. Localized vibrational mode of Na
atoms in tunnel spaces of the Zintl compounds were observed as broaden flat bands around E = 5 meV for each compound.
The energy of the optical phonons is identical with the Einstein temperatures estimated from the heat capacities assuming thatthe host atoms construct the frameworks and guest Na atoms in the tunnel space behave as a Debye lattice and Einstein
oscillators, respectively. Comparing the phonon density of states obtained experimentally with those calculated theoreticallywill provide significant information to understand the origin of the low thermal conductivity and to predict preferable crystal
structure for thermoelectric materials. More detailed analysis and calculation of phonon density are now in progress.
1. 緒⾔
近年，我々は Na 原子を内包したトンネル構造を有するジントル化合物 Na2+xTr2+xSn4-x (Tr = Al, Ga, In)および多型である hP‐と tI‐Na2ZnSn5 の結晶構造と高い熱電特性に着目している[1–3]．
これらの化合物の結晶構造では，
Sn，
Tr，および Zn 原子が四面体配位することで３次元骨格構造を形成し，その中の螺旋状のトンネル空間に大きな原子変位パラメータを有した占有率 1/3~1/2 の Na サイトが位置する（図１）．hP-および tI-Na2ZnSn5 の室温における格子熱伝導率は，それぞれ 1.1 および 0.61 Wm−1K−1 で，一般的なガラスの熱伝導率（〜1 W m−1K−1）と同等かそれ以下の低い値であることが明らかになっている[3]．これらの化合物の低い熱伝導性には，トンネル中のラットリングと呼ばれる Na 原子の大きな動的なディスオーダが重要な役割を果たしていることが考えられる[1–5]．
本課題では，Na 原子を内包したトンネル構造を有するジントル化合物の Na のダイナミクス（Na 原子のラット
リングの有無やその状態）と，これら化合物群の著しく低い熱伝導率との関係性を明らかにすることを目指し，申請者らが⼤強度陽⼦加速器施設（J-PARC）で行なった粉末中性子非弾性散乱測定のデータ解析を行った．
2. 実験⽅法
融解法と固相反応によって Na‒Tr‒Sn 系(Tr =Al, Ga, Zn)の Zintl 化合物である Na2+xAl2+xSn4−x (x = −0.18)，
Na2+xGa2+xSn4−x (x = 0.19)，および tI-と hP-Na2ZnSn5 の多結晶試料を合成した．各試料をヘリウム雰囲気で満たしたグローブボックス内でアルミニウム円筒セルに密封し，中性⼦⾶⾏時間法による⾮弾性散乱データを J‒PARC
施設のビームライン BL01(4SEASONS)に設置した⾼効率チョッパ分光計により 10−293 K の温度範囲で収集した．得られたデータはソフトウェア UTUSEMI [6]を⽤いて分析した．
3. 結果および考察
Na2+xAl2+xSn4−x (x = −0.18), hP-Na2ZnSn5, および tI-Na2ZnSn5 の 10 K における散乱強度とエネルギースペクトルのカウンターマップを図 2 に⽰す．弾性散乱の尾部を除いた E = 0 meV からの急峻な分散は，⾳響フォノンに起因するものと考えられた．E = 5 meV 付近に観測されるブロードで平坦な分散がいずれの化合物においても観測28

され，これらはある種の光学フォノンに帰属するものと考えられた．これらの光学フォノンのエネルギーは，結晶構造の⾻格を構成する原⼦とその中のトンネル空間に位置する Na 原⼦が，それぞれ，デバイ格⼦とアインシ
ュタイン振動⼦として振舞うと仮定して⽐熱の温度変化から推定されるアインシュタイン温度（Na2+xAl2+xSn4−x:
37 K, hP-Na2ZnSn5: 48 K, tI-Na2ZnSn5: 58 K）とよく⼀致した．これらのことより，各試料で観測されたフラットバ
ンドは Na 原⼦の局所振動モードに関連していることが強く⽰唆される．
tI-Na2ZnSn5 のエネルギースペクトルには，Na 原⼦のローカルモードとは別の光学フォノンに起因するフラットバンドが 9.5 meV に観測された．Na2+xAl2+xSn4−x と hP-Na2ZnSn5 では，同様なエネルギー帯のスペクトルはブロードで不明瞭であった．最近，研究代表者等は，Na サイトと⾻格構造の両⽅が無秩序配列した結晶構造である
Na2+xAl2+xSn4−x と hP-Na2ZnSn5 とは対照的に，tI-Na2ZnSn5 ではトンネル⾻格内にスプリットサイトとして存在する
Na サイトが 220K 以下で秩序化する構造相転移を⾒出している．観測された⾼エネルギー域の光学フォノンスペ
クトルは⾻格またはゲスト原⼦の配列構造に敏感であると考えられる．
4. まとめ中性⼦⾶⾏時間法による⾮弾性散乱により，Na 原子を内包したトンネル構造を有するジントル化合物のトンネル空間における Na 原⼦の局在振動モードが観測された．今後，実験的に得られたフォノン状態密度を理論計
算のそれらと⽐較するなどの詳細な解析を進めることで，本研究で対象としたジントル化合物の低い熱伝導率の起源を理解し，熱電材料に適した結晶構造について重要な情報が得られると考える．
謝辞

本課題で解析を⾏った測定結果は，⼤強度陽⼦加速器施設 J-PARC にて，⽇本原⼦⼒研究開発機構 J-PARC セン
ター梶本 亮⼀博⼠および中村 充孝博⼠との共同研究（課題番号 2017B0126）によって得られたものである．
引⽤⽂献[1] T. Yamada, H. Yamane, H. Nagai, Adv. Mater. 27, 4708 (2015).
[2] M. Kanno, T. Yamada, H. Yamane, H. Nagai, Chem. Mater. 28, 601 (2016).
[3] M. Kanno, T. Yamada, H. Yamane, H. Nagai, Chem. Mater. 29, 869 (2017).
[4] G. A. Slack, in Thermoelectric Handbook (ed. M. Rowe) 407 (CRC, Boca Raton, 1995).
[5] T. Takabatake, K. Suekuni, T. Nakayama, E. Kaneshita, Rev. Mod. Phys. 86, 669 (2014).
[6] Y. Inamura, T. Nakatani, J. Suzuki, T. Otomo, J. Phys. Soc. Jpn., 82, SA031-1 (2013).

Fig. 1. Schematic drawing of crystal
structures of Na2+xTr2+xSn4-x,(Tr = Al,Ga) and hP-Na2ZnSn5 (a) and hPNa2ZnSn5 (b).

Fig. 2. Counter maps of scattering intensity and the energy spectra of Na2+xAl2+xSn4-x (x=−0.18) (a, d), hP-Na2ZnSn5 (b, d), and tI-Na2ZnSn5 (c, e) at 10 K. Background intensity
estimated from an empty run was subtracted.

29

Tohoku University/ANSTO collaboration on theoretical and neutron scatteringstudies of magnetic materials
Maxim Avdeev1,2and Yusuke Nambu3
1

Australian Nuclear Science and Technology Organisation, New Illawarra Road, Lucas Heights, New South Wales 2234,
Australia
2
3

School of Chemistry, The University of Sydney, Sydney 2006, Australia

Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai, Miyagi 980-8577, Japan

Keywords: neutron diffraction, magnetic materials, magnetic structure, superconductivity
Abstract
We performed a comprehensive study on structural, electrical, magnetic, and optical properties for iron-based laddermaterials BaFe2(S1-xSex)3(0 ≤ x ≤ 1), which shows pressure-induced superconductivity in the vicinity of the Mott transition
at x = 0 and 1. We obtain a complete electronic phase diagram in a temperature composition plane, which reveals that themagnetic ground state switches from the stripe-type to the block-type phase without any intermediate phase at x = 0.23 withincreasing x. This behavior is in sharp contrast to the filling controlled system Ba1-xCsxFe2Se3, in which a paramagnetic state
down to the lowest temperature is realized between two magnetic ordered states. The structural transition, which isconsidered to be relevant to the orbital order, occurs far above the magnetic transition temperature. The magnetic andstructural transition temperatures exhibit a similar composition dependence, indicating a close relationship between
magnetic and orbital degrees of freedom. In addition, we found that charge dynamics are considerably influenced not onlyby the magnetic order but also by the structural change (orbital order) from the detailed measurements of electricalresistivity and optical conductivity spectra.
1. Introduction
In this decade, iron-based superconductors have been actively studied as superconductors with a high superconducting
transition temperature, Tc . Up to now, a large number of iron-based superconducting families have been reported; theexamples include 1-1-1-1, 1-2-2, 1-1-1, 2-4-5, and 1-1 series, which respectively have a representative material of LaFeAsO,
BaFe2As2, LiFeAs, K2Fe4Se5, and FeSe [1–5]. In all of these materials, the crystal structure has a square lattice of Fe atoms
as a common structural motif, which is considered to be the necessary ingredient of iron-based superconductors. On theother hand, several years ago, the superconductivity was found in iron-based ladder materials BaFe2X3 (X = S and Se), in
which Fe atoms form a quasi-one-dimensional ladder lattice [6,7]. In this study, we synthesized single crystals of
BaFe2(S1-xSex)3 in a full composition range of x and investigated their structural, electric, magnetic, and optical properties bycombining various experimental techniques including powder x-ray diffraction, electrical resistivity, reflectivity, and powder
neutron diffraction experiments. As a result, we fully clarified the electronic phase diagram, which is summarized in Fig. 1.

30

Figure 1. Electronic phase diagram for BaFe2(S1-xSex)3 obtained in this study.
2. Experimental procedure
Single crystals of BaFe2(S1-xSex)3 (0 ≤ x ≤ 1) were synthesized by the slow-cooling method. A total amount of 1 g of thestarting materials Ba, Fe, S, and Se with the molar ratio of Ba : Fe : S : Se = 1 : 2.1 : 3(1 - x) : 3x was weighed and mixed
under the Ar atmosphere inside a glove box. The mixture was placed in a carbon crucible and sealed in an evacuated quartz
tube. Then, the quartz tube was heated in a furnace. The heating sequence was varied for each composition; the temperature
was raised to 1100–1150◦C for 5 h from the room temperature, held for 24 h, and then cooled down to 750◦C for 24–70 h.
The crystal has a typical size of 1 × 1 × 5 mm3 with the needle axis along the leg direction.
3. Results and discussion
Based on the powder x-ray diffraction, electrical resistivity, optical reflectivity, and powder neutron diffraction
experiments for single crystalline iron-based ladder compounds BaFe2(S1-xSex)3 in a wide composition range, x. The
structural and magnetic properties change dramatically at the critical concentration of x = 0.23: the stipe-type magnetic orderand the ferroic orbital order are realized at 0 ≤ x ≤ 0.23; the block-type magnetic order and the propeller-type orbital order
are realized at 0.23 ≤ x ≤ 1. At the composition phase boundary, the magnetic transition temperature was suppressed owing
to the frustration effect of magnetic anisotropy. The charge dynamics characterized by the electrical resistivity and opticalconductivity change continuously as a function of the composition. However, there is a qualitative difference across themagnetic phase boundary: the fairly coherent state even in an insulating state at 0 ≤ x ≤ 0.23, and the incoherent state at 0.23
≤ x ≤ 1. This feature is well explained by the difference in the orbital ordering patterns between two regions.
4. Conclusion
Using a wide variety of experimental techniques applied to a series of single-crystal samples in the BaFe2(S1-xSex)3system,
the composition-temperature phase diagram was constructed in the full range of compositions (0 ≤ x ≤ 1) (Figure 1). The
formation of the phases observed in the diagram is rationalized as a result of interplay between crystal structure evolution
and charge dynamics and the magnetic/orbital degrees of freedom. The results are presented in detail in Ref. 9.
Acknowledgement
We gratefully acknowledge supports from GIMRT CN (Center of Neutron Science for Advanced Materials) grant. The
research was performed under collaboration with Dr. T. Aoyama and Prof. K. Ohgushi.
Reference
1)

Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008).

2)

J. Paglione and R. L. Greene, Nat. Phys. 6, 645 (2010).

3)

G. R. Stewart, Rev. Mod. Phys. 83, 1589 (2011).

4)

P. Dai, J. Hu, and E. Dagotto, Nat. Phys. 8, 709 (2012).

5)

E. Dagotto, Rev. Mod. Phys. 85, 849 (2013).

6)

H. Takahashi, A. Sugimoto, Y. Nambu, T. Yamauchi, Y. Hirata, T. Kawakami, M. Avdeev, K. Matsubayashi, F. Du, C.
Kawashima, H. Soeda, S. Nakano, Y. Uwatoko, Y. Ueda, T. J. Sato, and K. Ohgushi, Nat. Mater. 14, 1008 (2015).

7)

J. Ying, H. Lei, C. Petrovic, Y. Xiao, and V. V. Struzhkin, Phys. Rev. B 95, 241109(R) (2017).

8)

V. Svitlyk, D. Chernyshov, E. Pomjakushina, A. Krzton-Maziopa, K. Conder, V. Pomjakushin, R. Pöttgen, and V.
Dmitriev, J. Phys.: Condens. Matter 25, 315403 (2013).

9)

S. Imaizumi, T. Aoyama, R. Kimura, K. Sasaki, Y. Nambu, M. Avdeev, Y. Hirata, Y. Ikemoto, T. Moriwaki, Y. Imai, K.
Ohgushi, Physical Review B, 102, 035104 (2020).

31

Towards an experimental realization of the S=½ frustrated chain
antiferromagnet
Gøran J. Nilsen1 and Yusuke Nambu2
ISIS Neutron and Muon Facility, Didcot OX11 0QX, United Kingdom
2
Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577

1

Keywords: Frustrated magnetism, low-dimensional magnetism, hydrothermal synthesis, neutron scattering
Despite decades of effort, the long-standing theoretical prediction that the S = ½ Heisenberg frustrated (J 1-J2) chain
should possess a dimerized ground state for J 2/J1 > 0.24 has not yet been verified experimentally. A promising material
to finally achieve this is KTi(SO4)2.H2O, where the ratio of exchanges J2/J1 ~ 1.5 implies a large enough spin gap in the
dimerized phase to be measurable by inelastic neutron scattering. On the other hand, it has proven difficult to produce asufficient quality and quantity of sample for these experiments. We here describe our initial (and unsuccessful) attempts
towards resolving this situation.
1. 緒言（Introduction,）
In 1982, F. D. M. Haldane (Nobel Prize 2016) predicted that a 1D Heisenberg antiferromagnet with frustrated further
neighbor couplings - the so-called J1-J2 chain model - should host a spontaneously dimerized singlet ground state with aspin gap to the first excited triplet excited state [1]. In the intervening decades, several attempts have been made at
preparing materials that realize this model, but most exhibit either a ferromagnetic J1 or a J2 below the critical value J2/J1> 0.24 to stabilize the dimerized state. This changed in 2008, when KTi(SO4)2.H2O was discovered and initially proposed
to combine an antiferromagnetic J1 with a substantial J2/J1 = 0.29 [2]. Following more detailed investigations using highfield magnetization and density functional theory, the ratio J2/J1 was revised to 1.5 [3], which implies not only a dimerized
ground state, but a sizable spin gap Δ/J1 ~ 0.2 = 0.1 meV that is measurable on modern neutron inelastic scattering
instruments. If confirmed experimentally, a decades-long quest would thus be brought to an end. On the other hand,KTi(SO4)2.H2O is a metastable state, and hence has proven difficult to prepare in sufficient amounts for neutron inelastic
scattering. The main purpose for the research visit of GN to Tohoku University was to produce a ~5g sample ofKTi(SO4)2.H2O for future scattering experiments.
2. 実験方法（Experimental procedure）
The reagents and procedure given in [2] were used as a starting point for the synthesis, except that the source of Ti 3+
was changed from aqueous to anhydrous Ti2(SO4)3 due to the unavailability of the former. The reactions were carried out
under hydrothermal conditions in Ace glass (R) pressure tubes. Given the initial lack of success, the proportions of thereagents and the reaction conditions were varied over broad ranges to more widely explore the phase diagram of the K+ Ti3+ - (SO4)2- aqueous system.
3. 結果および考察（Results and discussion）
Although in excess of ten attempts at the synthesis were made, it was not possible to obtain a pure sample ofKTi(SO4)2.H2O. Rather, all of the reactions produced the anhydrous material KTi(SO4)2, which is thought to be thethermodynamic product of the reaction. The likeliest explanation for why lies in the substitution of the Ti 3+ source, which
has implications on the pH and reagent concentrations in solution. The synthesis procedure has been revised in light of
this, and the new procedure be attempted again during an upcoming research visit.
4. まとめ（Conclusion）
The goal of preparing a 5g sample of KTi(SO4)2.H2O during the research visit was not achieved. The visit was
nonetheless successful, in that expertise on (hydrothermal) synthesis techniques was exchanged between the host andvisitor, and several other collaborative projects initiated. One of these, on the layered magnet Pb 3Fe2O5F2, did eventuallylead to a successful neutron scattering experiment at the ISIS facility in the UK.
謝辞（Acknowledgement）
GJN would like to thank the GIMRT program and IMR, Tohoku University for hosting the research visit..
引用文献（Reference）
1) F. D. M. Haldane: Applied Physics Letters 25 (1982) 4925.
2) G. J. Nilsen et. al.: Chem. Mater 20 (2008) 8.
3) D. Kasinathan et al.: Phys. Rev. B 88 (2013) 224410.

32

Proposal on complementary uses of cold triple axis spectrometer SIKA andPolarized neutron spectrometer POLANO.
研究代表者：NSRRC 矢野 真一郎
研究分担者：淡江大学（台湾）Chao-Hung Du, Chun-Hao Lai, Yu-Hui Liang, 東北大金研 南部 雄亮
東北大多元研 奥山 大輔 佐藤 卓
Keywords: incommensurate magnetic structure, magnetic excitation
We have used GIMRT to support visiting facilities in Japan to start collaboration between Taiwanese and Japanese scientists.
We have initiated several experiments after the meeting with Profs. Nambu and Sato. We have performed magnetic X-ray
scattering under magnetic field at KEK-PF and neutron inelastic scattering experiment at 4SEASONS J-PARC for YBaCuFeO5.
We also performed neutron inelastic experiments on SIKA and PELICAN at ACNS, ANSTO for CuB2O4. We also justsubmitted a proposal to J-PARC for applying the experimental beamtime of SENJU to determine the magnetic structure of
CuB2O4 at low temperatures. These experiments are supported by Prof. Nambu and Sato’s research groups of Tohoku
University.
1. 緒言（Introduction,）On this research program, we aimed to strengthen collaborations between Taiwanese and Japanese scientists, particularly in thefield of neutron scattering. NSRRC (National Synchrotron Research Center, Taiwan) has built a cold triple-axis spectrometer
SIKA in Australia, ACNS, ANSTO, and the users-program has been run for about 5 years. However, the neutron scatteringcommunity in Taiwan is still rather small, especially for inelastic neutron scattering. GIMRT is a good opportunity for
Taiwanese researchers to collaborate with the researchers of Tohoku University and also helps to increase the number of users
for Tohoku University in Asia-Oceania neutron scattering community. We focused on two projects YBaCuFeO5 (Project for
Ph.D. student: Yu-Hui Liang) and CuB2O4 (Project for Ph.D. student: Chun-Hao Lai,). YBaCuFeO5 consists of cornersharing CuO5/FeO5 bipyramids, and the bipyramids form a square lattice. Cu2+ and Fe3+ ions have spin S =1/2 and 5/2, respectively. YBaCuFeO5 shows two magnetic transitions at TN1 = 475 K and TN2 = 175 K.
YBaCuFeO5 exhibits a conventional collinear antiferromagnetic structure [k = (0.5, 0.5, 0.5) below TN1 andeventually undergoes a helical spin structure [k = (0.5, 0.5, 0.5±δ) with δ ~ 0.085 upon further cooling below

TN2[1]. The copper metaborate CuB2O4 displays a continuous phase transition from chiral helimagnet structure (CHM) intochiral magnetic soliton lattice (CSL) by the application of magnetic field, and the spin ordering can be described as a XY model.
The phenomena in CuB2O4 arise from the competition between DM interaction and the isotropic FM coupling[2]. The tunability
as well as topological nature of the CSL brings about significant magnetic properties that could be used for the modern
spintronic devices and the playground for the study of quantum magnetism.
2. 実験方法（Experimental procedure）
After visiting to Tohoku University through the GIMRT program, 4 experiments using Japanese and Australian facilities havebeen initiated under the collaboration with the research groups of Tohoku University.
1.

Study of the electric structures of a double-helical spin ordering in YBaCuFeO5 (BL-3A KEK-PF)

2.

High energy magnetic excitations in double helical magnet YBaCuFeO5 (2020A0003 J-PARC: 4SEASONS)

3.

Study of the magnon excitations of the multiferroic CuB2O4 (P8260 ANSTO: PELICAN, P8505 ANSTO: PELICAN)

4.

Determination of the magnetic helical structure and the soliton lattice in CuB2O4 (2020B0007 J-PARC SENJU)

3. 結果および考察（Results and discussion）
Using resonant x-ray scattering on the beamline BL03 of KEK-PF with the application of field of 4T, we observed a resonant33

effect resulting from spin ordering at the pre-edge of Fe K-edge as temperature reduced from about 170 K to T= 110 K as
shown in figure 1. For 4SESONS experiment on coaligned crystals YBaCuFeO5, we failed to get the full dispersion
spectrum of the magnetic excitation because of the poor crystal quality, but we have confirmed a gap opening
which is consistent with our PELICAN data (Figure 1). The growth of high-quality single crystal of YBCFO
is still undergoing. As for CuB2O4, we have determined the dispersion of CuB2O4 (Figure 2) while we realize solving theaccurate magnetic structure of CuB2O4 at low temperatures is needed. We have just submitted a new proposal to J-PARC for
applying the beamtime of SENJU with the collaboration with Prof. Nambu to determine the magnetic structure of CuB2O4 at

0.0008Neurton Data

Tr = 110 K, H = 4 T
E= 7.1155 KeV
E= 7.1 KeV

10000

0.00061000

0.0004

Intensity

Normalized Intensity

low temperatures.

0.00020.0000
0.3

100
0.4

0.5

0.6

0.7

(1.5 1.5 L)
Figure 1. (Left) Reflections of YBaCuFeO5 observed in TAIPAN and BL-3A, (Right) Magnetic excitation of YBaCuFeO5.

T= 12 K
Model
Exp.
Exp.

De (meV)

8
6
4
2
0
1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

(0 0 L)
Figure 2. (left) Magnetic excitation of CuB2O4 observed in PELICAN at T = 1.5 K (right) observed in SIKA at T = 12 K
4. まとめ（Conclusion）
After the meeting supported by GIMRT, we have performed a couple of experiments and got promising data.
謝辞（Acknowledgement）
S. Y. (矢野真一郎) thanks to the OIST Okinawa (Host: Prof. Yejun Feng) for the support of travel grant. CHD also
acknowledges the research grant (MOST 108-2112-M-032-007) from the MoST (the Ministry of Science and Technology,
Taiwan).
引用文献（Reference）
1)

B. Kundys et al., Appl. Phys. Lett. 94, 072506 (2009). Y. Kawamura et al., J. Phys. Soc. Jpn. 79, 073705 (2010). M.
Morin et al., Phys. Rev. B 91, 064408 (2015). Y.-C. Lai et al., J. Phys.: Condens. Matter 29, 145801 (2017).

2)

Y. Kousaka et al., J. Phys. Chem. Solids, 68, 2170-2173 (2007). Y. Kousaka et al., J. Phys. Soc. Jpn., 76, 123709 (2007)34

Studies on the development of large size perovskite-based lanthanum crystals
for a polarized lanthanum target
Principle investigator : Patrick Hautle
Co-investigators : Masataka Iinuma1, Masaaki Kitaguchi2, Kohei Ishizaki3, and Masaki Fujita4
Paul Scherrer Institute, CH 5232 Villigen PSI, Switzerland
1

Graduate school of Advanced Sciences of Matter, Hiroshima University, Higashi-Hiroshima 739-8530
2

Kobayashi-Maskawa Institute, Nagoya University, Nagoya 464-8602

3

Graduate student, Graduate school of Science, Nagoya University, Nagoya 464-8602
4

Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577

Keywords: polarized target, lanthanum aluminate, DNP, neutron transmission, crystal growth
Towards the development of a polarized lanthanum target used for the exploration of a violation of the time reversal symmetry
with a polarized neutron beam, a comprehensive study of the properties and the growth of large-size LaAlO3 crystals is essential.
The study is composed of a test of dynamic nuclear polarization (DNP) and a simple structure analysis to detect an eventual
formation of twin domains in the crystal. We have performed a neutron transmission measurement at a small neutron facility
and discussed the applicability of the method for a structure analysis at MLF. Several technical issues concerning a test bench
in preparation for the DNP experiments have been addressed. Furthermore, important in the context of T-violation searches, we
discussed a new method for generating a polarized neutron beam and possible experiments to use it.
1. Introduction
A polarized neutron beam is very useful for various research fields, not only for material sciences, but also for particle andnuclear physics. Specifically, the interaction between polarized nuclear spins of lanthanum and polarized epithermal neutrons
is highly interesting, because we can expect a large enhancement (~106) of the effect of violation of time reversal symmetry (Tviolating effects), which is caused by the weak interaction at a fundamental level [1]. The exploration of such an ultra-highly
sensitive system is potentially connected to a discovery of new physics beyond the standard model of particle physics. Although
it is not easy to polarize the nuclear spins of lanthanum, we have already achieved about 50% polarization in a single crystal of
LaAlO3 doped with neodymium ions at PSI [2].
However, the crystal used at PSI was not suited to be used as polarized target, because its size was too small and its structure
had twin domains. In the fabrication of the LaAlO3 crystal, the twin domains spontaneously form due to a structural phasetransition in the process of cooling down from a high temperature through the transition temperature at 730K. A suitable
polarized target requires crystals with larger size (4cm × 4cm × 5cm), high crystalline quality, and without a twin-domain

structure. Unfortunately, such crystals are not commercially available.

At the IMR we have already established the method of crystal growth on small size using the floating-zone method and started
the studies on how to control and prevent the formation of twin domains. For large size crystals, the structure analysis as wellas the fabrication at the CRDAM is a big issue, because the apparatuses used for these purposes are typically only suited forsmall piece of crystals and are not available for larger sizes. To overcome the problem, we are focusing our efforts on thedevelopment of a method that uses neutron transmission, where the size is not critical. Since we only want to check whether
the crystal has twin domains or not, a sophisticated analysis of the whole crystal structure is unnecessary. If such a simple
analysis method is feasible, the results are applicable for fabrication of large size crystals. The feedback from the simple analysis
method allows us to efficiently establish the optimum method to grow large size crystals. Additionally, a DNP test to select the
crystals with the best properties is also necessary, which will be performed on a test bench at the Research Center of Nuclear
Physics (RCNP), Osaka University. The comprehensive evaluations based on the structural analysis and the DNP test are
essential for the fabrication of the large crystals.
35

2. Experimental procedure
The experimental procedure consists of the following four steps.
1) Before neutron experiments, we first check the structure of small fabricated crystals ( less than 1cm3 ) by other methods.
2) Next, we measure the neutron transmission for small crystals at MLF, where their structure is already known. As for theneutron measurements at MLF, the in-house beamtime at beamline (BL) BL4 and BL23 will be available.
3) From the data, we try to identify appropriate parameters, which show a signature for choosing the optimal crystals.
4) The neutron experiments will give the feedback to the crystal growth at the CRDAM. By repeating the cycle of crystal
growth and neutron measurements, we develop the most efficient method for growing high quality large crystals with a single
domain.
3. Results and discussion
Before measuring the neutron transmission at MLF, we tested the measurement with the small crystals at the small pulsed
neutron facility of the Hokkaido university. The result is shown in the Figure. Since the Bragg conditions in neutron scattering
are different depending on each domain structure in the crystal and the initial
neutron energy [3], the transmission spectrum measured by the pulsed
neutron beam can become a suitable indicator for giving the information on
the domain. The obtained spectrum of the neutron transmission shows the
Bragg dip corresponding to the domain structure of LaAlO3. Although asignature of the twin domains has not appeared due to low intensity of theneutron beam, this result encouraged us to promote the neutron transmission
measurements at MLF.
Since the growth of large size crystals at the CRDAM has not been ready, we have focused on discussions for the observationof the twin domains with the researchers at J-PARC and the technical issues of the test bench for the DNP tests with the RCNP
researchers. Moreover, a new method for generating the polarized neutron beam which is necessary for the T-violation searches
and possible experiments using it have been discussed at RIKEN and IMR.
4. Conclusion
In conclusion, we found that the neutron transmission measurement could provide the necessary information on the domain
structure. With researchers at JAERI/J-PARC, RCNP, RIKEN and IMR, we have had in-depth discussions on the applicabilityof the neutron transmission measurement, the technical issues of the test bench for the DNP test, the new method for generating
the polarized neutron beam and the possible experiments using it.
Acknowledgement
We are grateful to Prof. T. Kumada and Dr. T. Okudaira (JAERI), Prof. T. Uesaka and Dr. K. Tateishi (RIKEN), Prof. H. Kohri
and Prof. M. Yosoi (RCNP), and Prof. H. M. Shimizu (Nagoya University) for useful discussions on all aspects of the Tviolation search project. We express our acknowledgement to Prof. H. Sato (Hokkaido University), Prof. K. Hirota, and Prof.
Y. Kiyanagi (Nagoya University) for experimental support. We also thank Prof. Y. Nambu, Prof. Y. Ikeda, and Prof. T. Taniguchi(IMR) for fruitful discussion on future experiments with polarized neutron beams.
Reference
1)

T. Okudaira, et al. : Physics Review C 97 (2018) 034622.

2)

P. Hautle and M. Iinuma : Nucl. Instr. Meth. A 440 (2000) 638-642.

3)

H. Sato, et al. : Physica B : Condensed Matter 551 (2018) 452-459.

36

ヘリカル磁性体 CeNiC2 の磁気構造解析
研究代表者：オークリッジ国立研究所 松田 雅昌

Magnetic structure analysis of a helical magnet CeNiC2
Masaaki Matsuda
Neutron Scattering Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 38931, USA
Keywords: superconductor, antiferromagnet, high pressure, neutron scattering
The Ce-based non-centrosymmetric strongly correlated electron system, CeNiC2, shows a rich variety of novel electronic andmagnetic properties. A previous neutron powder diffraction measurement on a powder sample revealed multiple magnetic
phase transitions at ambient pressure: from paramagnetic to incommensurate antiferromagnetic at 20 K, then to commensurate
antiferromagnetic below 10 K, and further to weak ferromagnetic at 2 K [1, 2]. Most importantly, a pressure-induced heavyfermion superconductivity was reported at 3.5 K under 10.7 and 11 GPa [1]. However, the magnetic structures of CeNiC2 havenot been well studied. In order to understand how the magnetic fluctuations are coupled to the superconducting pairing
mechanism, it is necessary to characterize the magnetic structures in the incommensurate antiferromagnetic phase. We have
performed neutron diffraction experiments in single crystals of CeNiC2 at ambient and high pressures (<3 GPa). Our results
clearly show that the magnetic structure in the incommensurate antiferromagnetic phase is a helical structure. The
incommensurate magnetic vector depends on the applied pressure. We plan to extend our study to the higher pressure region
close to the superconducting phase.

1. 緒言（Introduction）
CeNiC2 は中心対称性を持たない金属物質であり、11 GPa 付近の高圧下で超伝導を発現する[1]。常圧では、低温で複数の長距離磁気秩序を有することが知られており、20 K 以下で非整合磁気秩序、10 K 以下で整合反強磁性秩序、2 K 以下で弱強磁性を示す。圧力を加えるとともに非整合磁気秩序が安定化され、2 GPa 以上ではこの磁気構造が低温まで安定になる。この非整合磁気構造は、超伝導相近傍の圧力まで存在すると報告されている[1]。このような量子臨界的な振る舞いから、この物質の超伝導には磁気的な発現機構が関係している可能性が高い。
CeNiC2 では、常圧における粉末中性子回折実験が以前に行われている[2]。しかし、それぞれの磁気相において、磁気構造解析に利用可能な磁気ブラッグピークが２つしか観測できなかったために、詳細な磁気構造は明らかにされなかった。特に、非整合磁気相では、磁気伝搬ベクトルが単純ではないために特定することが出来なかった。
そこで、我々はこの物質の常圧での磁気構造の決定とその圧力依存性を明らかにするために、単結晶を用いた中性子回折実験を行なった。この研究は東大物性研の上床研究室のメンバーと共同で行われている。

37

2. 実験方法（Experimental procedure）
中性子散乱実験は、オークリッジ国立研究所のパルス中性子施設 SNS に設置してある単結晶中性子回折計
CORELLI と研究用原子炉 HFIR に設置してある三軸型中性子分光器 HB-1 を用いて行なった。常圧において詳細な磁気構造を明らかにすることが本研究の第一の目的である。静水圧中での実験は、2GPa までは CuBe ピストン
シリンダーセルを用い、2 GPa 以上ではダイアモンドアンビルセルを用いて行なった。これらの常圧および高圧下での中性子回折実験は、GM 冷凍機を用いて最低温度 5 K 程度まで試料を冷却して行なった。

3. 結果および考察（Results and discussion）
最初に常圧で行った HB-1 での実験[散乱面は(H, K, 0)面]では、整合反強磁性相で(H, K, 0) (H, K ともに半整数)に磁気ブラッグピークを観測した。これは、磁気伝搬ベクトル(1/2, 1/2, 0)でコリニアな反強磁性構造であることを示唆しており、以前報告された磁気伝搬ベクトルと一致する。一方、非整合相では、(0.43, 0.5, 0) にのみ磁気ピークが観測され、他の等価な反射である(0.43, 1.5, 0)や(1.43, 0.5, 0) などは観測されなかった。 その後の、
CORELLI での実験の結果、HB-1 で観測された非整合相での磁気ブラッグピークは別の結晶グレインからの反射であり、実際に(H, K, 0)面には磁気ブラッグピークが存在しないことがわかった。明らかになった非整合相での磁気伝搬ベクトルは(0.5, 0.38, 0.24)である。
（この結果は以前の粉末中性子回折実験の結果と一致するが、粉末の結果からは磁気伝搬ベクトルの絶対値のみが判別可能で、ベクトルの方向の決定は単結晶の測定で初めて可能になった。
）また、単結晶を用いた実験で非等価な磁気ブラッグピークが 25 個以上観測できたため、詳細な磁気構
造解析が可能になった。予備的に行った磁気構造解析の結果、磁気構造はヘリカル構造で、磁気モーメントは bc
面内で回転している。さらに、偏極中性子を用いてカイラリティの解析も行い、カイラリティのドメイン（時計回りと反時計回り）が均等にはなっていないことがわかった。これは、結晶構造の非中心対称性を反映したものであると考えられる。これらの実験と解析はまだ始まったばかりであり、今後の進展が期待される。
圧力中での実験は約 3GPa まで行ったところであるが、それ以上の圧力での実験は COVID-19 の影響で延期になっている。1 GPa で行った実験では、常圧で観測された非整合相が 7 K まで安定に存在しており、文献 1 の相図と若干異なっている。また、2 GPa 以上では磁気伝搬ベクトルが 1 GPa までで観測されたものと比べて異なっている。今後、5 GPa 以上での実験を行い、磁気構造を明らかにしていく予定である。
38

以上に述べた測定の際に判明したことであるが、CeNiC2 の単結晶育成は非常に困難で、同様の大きさの多くの結晶グレインが出来やすいようである。最初の実験で、 非整合相において(1/2, 1/2, 0)の近くの非整合位置に偶然に磁気ブラッグピークが観測されたのはこのためである。より信頼性のある磁気構造解析を行うために、現在、共同研究者によって、単一グレインで良質な単結晶の育成が進んでいる。

4. まとめ（Conclusion）
高圧下で超伝導を示す CeNiC2 の磁気構造の圧力依存性を明らかにするために、中性子回折実験を行っており、ようやく常圧における非整合相と整合反強磁性相での詳細な磁気構造が解けようとしている。圧力中での実験はまだ始まったばかりであるが、今後良質な単結晶を用いて早期に実験を再開させることにより、磁気相関と超伝導発現機構との関係を明らかにしたい。
また、偏極中性子を用いた測定で明らかになったことであるが、CeNiC2 の磁気構造ではカイラリティが存在する。将来的に、東北大金研が J-PARC MLF で運営している偏極中性子分光器 POLANO を用いて偏極非弾性中性子散乱実験を行うことにより、この物質のカイラリティを有する磁気構造に由来した磁気励起の研究を行いたいと考えている。

謝辞（Acknowledgement）
本研究では、受入研究部門である量子ビーム金属物理学研究部門・藤田研究室の方々と有益な議論をしていた
だきました。ここに感謝いたします。

引用文献（Reference）
1)

S. Katano, M. Ito, K. Shibata, J. Gouchi, Y. Uwatoko, K. Matsubayashi, H. Soeda, and H. Takahashi: Phys. Rev. B 99
(2019) 100501(R).

2)

K. Motoya, K. Nakaguchi, N. Koyama, K. Inari, J. Akimitsu, K. Izawa, and T. Fujita: J. Phys. Soc. Jpn. 66 (1997) 1124.

39

資料

中性子物質材料研究センター共同利用委員会名簿

平成 31 年度

共同利用研究採択一覧

東北大学中性子散乱装置群40

平成31年度、令和元年度 中性子物質材料研究センター共同利用委員会（兼採択専門委員会）
1. 構成員名簿
組織（中性子物質材料研究センター設置内規第６条）
委員長（センター長）（中性子物質材料研究センター共同利用委員会兼採択専門委員会内規第４条）
次の各号に掲げる委員（中性子物質材料研究センター共同利用委員会兼採択専門委員会内規第３条）（１）研究所の教授又は准教授 若干人（２）東北大学（金属材料研究所を除く。）の教授又は准教授 若干人（３）東北大学以外の有識者 若干人
任期：第３条第１項第１号以外の委員 ２年第３条第２項：前項第３号の委員の数は、委員総数の２分の１以上

所属

職名

氏名

任期

備考

金属材料研究所

教

授

藤田 全基

委員長

金属材料研究所

教

授

今野 豊彦

３条１項１号

金属材料研究所

教

授

野尻 浩之

３条１項１号

金属材料研究所

准 教 授

南部 雄亮

３条１項１号

東北大学多元物質科学研究所

教

授

木村 宏之

2018.11.1 - 2020.3.31

３条１項２号

高エネルギー加速器研究機構
物質構造科学研究所

教

授

大友 季哉

2018.12.1 - 2020.3.31

３条１項３号

日本原子力研究開発機構
物質科学研究センター

センター長

武田 全康

2018.12.1 - 2020.3.31

３条１項３号

総合科学研究機構

主任研究員

鈴木 淳市

2018.12.1 - 2020.3.31

３条１項３号

物質・材料研究機構
中性子散乱グループ

グループリーダー

長谷 正司

2018.12.1 - 2020.3.31

３条１項３号

理化学研究所

研 究 員

中島 多朗

2018.12.1 - 2020.3.31

３条１項３号教授

足立 匡

2018.12.1 - 2020.3.31

３条１項３号

事務部長

髙橋 嘉典

上智大学

金属材料研究所

２. 委員会開催日
第 １ 回

令 和 １ 年 ７ 月 １１日

第 ２ 回

令 和 ２ 年 １ 月 ２０日

41

幹事平成31年度 中性子物質材料研究センター
共同利用研究 採択一覧
List of FY 2019 user proposals
学外 (Domestic)
学内 (Tohoku Univ.)
所内 (IMR)
海外 (Oversea)

11 件
1件
0件
7件

合計 (Total)

19 件

42

2019年度 中性子物質材料学センター採択一覧 【学外】
課題番号

新規/継続

19N0001

新規

19N0002

新規

19N0003

新規

19N0004

新規

19N0005

新規

19N0006

新規

19N0007

新規

19N0008

新規

19N0009

新規

19N0010

新規

19N0011

新規

研究区分

課題名

氏名

構造解析・データ 高磁気異方性を有する正方晶Mn化合物の磁気構解析
構造解析・データ解析
MLF中性子散乱実
験

造解析

益田

東京大学

准教授

藤田 全基

物質・材料研究機構

主幹研究員

藤田 全基

研究員

藤田 全基

よる電荷相関3

験

構造解析
幾何学的フラストレーション磁性体における多

山瀬 博之

池内

和彦

岡

研吾

一般財団法人総合科学研究機構
高エネルギー加速器研究
機構

講師

池田

陽一

藤田

全基

中央大学

助教

南部

雄亮

鳴海

康雄

大阪大学

准教授

南部

雄亮

反強磁性トポロジカル絶縁体の磁気構造解析

陰山

洋

京都大学

教授

南部

雄亮

Tm6Tr4Al43の磁気構造（Tr=Mo, Ta, W）

松本

裕司

富山大学

助教

池田

陽一

藤田

全基

宮崎

正範

室蘭工業大学

助教

藤田

全基

南部

雄亮

重q秩序状態の研究

構造解析・データ スピン密度分布測定によるLa2CuO4の頂点酸素
解析

隆嗣

He中性子スピンフィルター用ガラスセルの開発 猪野 隆

構造解析・データ Pb/Bi酸フッ化物の中性子回折による結晶・磁気

MLF中性子散乱実

雄亮

酸素吸着CPL1における偏極中性子散乱研究

装置開発

解析

南部

藤田 全基

近傍励起の起源の解明

構造解析・データ准教授

日本原子力研究開発機構 研究主幹

験

その他

東北学院大学

共同研究対応教員

森 道康

MLF中性子散乱実 スピンパイエルス系CuGeO3にみられるガンマ点

解析

宏成

職名

希土類ガーネットにおける磁気弾性交差相関構造解析・データ 銅酸化物高温超伝導体におけるスピン揺らぎに
解析

岡田

所属

磁性スピンの研究
43

2019年度 中性子物質材料学センター採択一覧 【学内】
課題番号
19N0201

新規/継続
新規

研究区分

課題名

氏名

MLF中性子散乱実 低熱伝導性を示すNaを内包したトンネル構造を験

有するジントル化合物のダイナミクス

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山田

高広

所属
東北大学多元物質科学
研究所

職名
准教授

共同研究対応教員
藤田 全基

2019年度 中性子物質材料学センター採択一覧 【海外】
課題番号

新規/継続

研究区分

課題名

氏名

19N0501

継続

structure
analysis, data
handling

Tohoku U/ANSTO collaboration on theoreticaland neutron scattering studies of magnetic
Maxim Avdeev
materials

19N0502継続

Instrument
development

Collaborative development of polarized
neutron techniques for time-of-flight
spectrometers

19N0503継続

development inanalysis method

19N0504

継続

19N0505所属
オーストラリア中性子散

職名

共同研究対応教員

博士研究員

Yusuke Nambu

ISIS Neutron &amp;
Muon Facility, Scienceand Tech

博士研究員

Yusuke Nambu

Proposal on complementary uses of cold triple
axis spectrometer SIKA and Polarized neutron 矢野 真一郎
spectrometer POLANO.

同歩輻射研究中心

Instrument
scientist

Yusuke Nambu

Instrument
development

Coupling structural and magnetic orders
through orbital degeneracy? the case of
Fe2TiO4

Stock Christopher

University of Edinburgh,
博士研究員
School of Physics and Ast

Yusuke Nambu

継続

Neutronexperiment at
MLF

Studies on the development of large size
perovskite-based lanthanum crystals for apolarized lanthanum target

Hautle Patrick

Paul Scherrer InstituteSenior Scientist Masaki Fujita

19N0506

新規

Neutronexperiment at
MLF

Study of the spin-wave dynamics using
TAIKAN at J-PARC through Russia-Japan
collaboration

Altynbaev Evgenii

Neutron Research
Department, National
Research Cen

博士研究員

Masaki Fujita

19N0507

新規

structure
analysis, data
handling

Magnetic structure analysis of a helicalmagnet CeNiC2

Masaaki Matsuda

Neutron Scattering
DivisionDr.

Masaki Fujita

Gøran Nilsen

45

乱センター

46

47

平成 31 年度、令和元年度 東北大学 金属材料研究所
中性子物質材料研究センター

発行日
発行者

共同利用研究報告書

令和 2 年 11 月発行
東北大学 金属材料研究所
中性子物質材料研究センター〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平 2-1-1
TEL 022-215-2035
FAX 022-215-2036
E-mail: nc-imr@imr.tohoku.ac.jp
http://nc-imr.imr.tohoku.ac.jp/

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