東北⼤学

中性⼦散乱物性研究グループ

平成30年度活動報告

ACTIVITY REPORT
Tohoku University
Neutron Science Groups

#04
2019

中性子で見る物質の 静 と 動

多元物質科学研究所
⽊村宏之研究室

⽬次
・研究組織紹介⽊村研究室 ……2
藤⽥研究室 ……2
佐藤研究室 ……3・グループ活動報告 ……4

⾦属材料研究所
藤⽥全基研究室

多元物質科学研究所
佐藤卓研究室巻頭⾔
グループ広報誌の第4号をお届けいたします．
2020年度に予定されている研究⽤原⼦炉JRR-3の再稼働に向けて着々と装置の準備を進めています．
仙台から東海まで頻繁に出張し，年に何度も⼊構作業を⾏っていると，原研の⽅々の再稼働に向けた 意 気 込 み が ⾼ ま っ て い く の が 感 じ ら れ ま す．
JRR-3とJ-PARC双⽅が利⽤できる時代が早く来れば良いなぁと思うこの頃です．
南部雄亮
表紙絵 J-PARC MLFのBL23（POLANO）で得られた中性⼦⾮弾性散乱スペクトル．⾮偏極中性⼦を⽤いた標準的な⾮弾性散乱実験が可能となりました．2019Aより⼀般利⽤が開始されます！

Neutron Science Groups | 01

多元物質科学研究所 構造材料物性研究分野
理学研究科物理学専攻 結晶構造物性グループ! 概要
⽊村研究室では，放射光・X線・中性⼦・ミュオンを⽤いて，固体中の原⼦核や電⼦，スピンの配列・分布、そしてそれらの運動を調べ，物質が⽰すマクロな現象のメカニズムを微視的に解き明かす研究をしています．「今まで⾒えなかったものを観る」をキーワードに，強相関電⼦系物質や強誘電体，超伝導体，有機導体などの超精密な構造解析を⾏い，諸物性の起源解明を⽬指しています．
量⼦ビームのより⾼度な相補利⽤，X線回折装置や中性⼦回折装置の開発・⾼度化，⾼精度・⾼確度測定⼿法，解析⼿法の確⽴を⽬指し，⽇々研究を進めています．

⽊村 宏之 研究室
⽊村研究室の⾒学や、共同研究をご希望の⽅は，気軽に下記までご連絡下さい。
mail: hiroyuki.kimura.b5@tohoku.ac.jp! 研究成果" マルチフェロイック物質SmMn2O5及びYMn2O5において，酸素K吸収端近傍の共鳴磁気散乱実験を⾏い，Mn⾏い，Mn-O（Sm-O）間の共有結合により，強誘電相において，酸素サイトに磁気モーメントが誘起されることを⾒いだしました（Y. Ishii et al., Phys.
Rev. B 98, 174428 (2018).）．更にこれらの物質についてμSR実験を⾏い，ミュオン捕獲サイトの同定に成功し，酸素サイトに誘起された磁気モーメントの配列を明らかにしました．放射光とミュオンの⾼度な相補利⽤により，酸素サイトの磁気モーメント検出が，マルチフェロイック系におけるイオン・電⼦分極を検出する良いプローブになることが⽰されました．

! メンバー構成
教授: 1名，助教: 2名，技術補佐員: 1名，名誉教授: 1名，D3: 2名，M2: 1名，M1: 1名，B4: 1名" Fig. 1: ⽊村研究室が管理運営している中性⼦単結晶構造解析装置FONDER（左）と，現在開発中の⼤⾯積中性⼦⼆次元検出器を⽤いた中性⼦カメラ（右）．

Fig. 2: μSR実験により決定された，SmMn2O5とYMn2O5のにおけるミュオン捕獲サイト（⻘丸）と，酸素サイトの誘起磁気モーメント（緑⽮印）

⾦属材料研究所 量⼦ビーム⾦属物理学研究部⾨
理学研究科物理学専攻 スピン構造物性グループ! 概要! 研究成果藤⽥研究室は物質科学研究に⻑い歴史を持つ⾦属 " Tʼ構造銅酸化物における電⼦状態の還元アニール効果
材料研究所に所属し，60年に渡る中性⼦散乱研究
Tʼ構造銅酸化物における超伝導発現は，Ce置換にを受け継いでいます．充実したスタッフ体制で，中よる電⼦ドーピングに加えて，還元アニールを施す性⼦の他にミュオンや放射光X線などの量⼦ビームことで発現します．しかし，アニールによる電⼦状を相補的に利⽤し， 「”うごき”（ダイナミクス）と”はたらき“（物性・機能）」をキーワードに研究を展開しています．特に，スピンや格⼦の揺らぎの情報をもとに，⾼温超伝導体やフラストレート磁性体、スピントロニクス物質で発現する量⼦現象の起源の解明を⽬指しています．
当研究室では単結晶合成にも精⼒的に取り組んでます．また試料合成の専⾨家からも純良試料を頂き，試料と量⼦ビーム実験を架け橋として国内外の多くの研究グループと共同研究をさせて頂いております．
! メンバー構成
教授: 1名，准教授: 1名，助教: 2名，秘書: 1名，
D2: 1名，M1: 3名，研究⽣: 1名
Neutron Science Groups | 02Fig. 4: (左)Tʼ構造Pr2-xCexCuO4+α-δにおける電⼦量のCe置換
量x依存性と(右)酸素⽋損量δ依存性．S. Asano et al.,J. Phys. Soc. Jpn. 87, 094710 (2018).

多元物質科学研究所

スピン量⼦物性研究分野

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/labo/tj_sato/

佐藤 卓 研究室

佐藤研究室の⾒学や共同研究をご希望の⽅は，下記までご連絡下さい。
mail: taku@tohoku.ac.jp" 概要
佐藤卓研究室では電⼦スピンの多体相関に基づく新奇な量⼦相の探索とその解明を⽬材しています。最近では反転対称性の⽋如の素励起への影響や特殊な対称性に起因する⾮⾃明な秩序変数の相関発達等にも興味を持って研究を進めています。
主な実験⼿段は中性⼦⾮弾性散乱です。他にも帯磁率，電気抵抗，X線構造解析等のバルク測定および構造評価⼿法を総合的に⽤いて研究を推進しています．
" メンバー構成
教授: 1名，助教: 2名，PD: 1名, 秘書: 1名，
D4: 1名, D3: 1名, D2: 1名, M2: 3名, M1: 1名
B4: 1名" 研究成果! 希⼟類元素であるPr3+イオンを含む⽴⽅晶化合物ではPr3+の結晶場基底状態が⾮磁性⼆重項G3状態を取ることがあります．この状態は磁気双極⼦⾃由度は持ちませんが電気四極⼦⾃由度を持つためその秩序化や伝導電⼦との多体効果に興味が持たれています．このような系の⼀つであるPrTr2Al20 (Tr = Ti, V)に対して精密X線構造解析を⾏いその結晶構造と結晶場分裂の関連を詳細に調べました．得られた結晶構造からPr周りおよびTr周りのAl元素の配置を描いたものを図に⽰します(Fig. 3)．Tr = Ti に対して Tr= V の系ではPr周りのAlが球対称からさらに歪むことがわかりました。この情報を元にPrV2Al20の結晶場解析を⾏うことで，これまで未解明であったPrV2Al20の中性⼦⾮弾性散乱スペクトルの理解が進むと期待しています．

藤⽥ 全基 研究室

Fig. 3: (a, b) PrTr2Al20 (Tr = Ti, V) の構造因⼦。(c)PrTr2Al20 の結晶構造 (d, e) 本研究で決定されたPr-Al 籠および Tr-Al 籠上のAl原⼦の異⽅的原⼦変位エリプソイドの模式図。(f-j) それぞれ、格⼦定数、Pr-Al(3)距離、Pr-Al(1)距離、Tr-Al(2)距離、Tr-Al(1)距離のTr依存性。これらは今回決定された構造パラメータから算出された．D. Okuyama etal., J. Phys. Soc. Jpn. 88, 015001 (2019).

! 中性⼦回折実験データを⽤いた磁気構造解析には⻑
い歴史がありますが，簡単に使⽤することができる解析ツールがない（少ない）こともまた事実です．
特に，既約表現を⽤いた磁気構造推定や磁気空間群等はどうも敷居が⾼いようです．そこで，既約表現や磁気空間群によって指定される磁気構造をWeb上で簡単に描画するツールを作成しました．磁気構造解析のための⼀助になれば幸いです．
http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/sato_tj/
magnetic-representations-and-magnetic-space-groups/

藤⽥研究室の⾒学や、研究に関するご相談は、下記までお問い合わせ下さい。
mail: qblab@imr.tohoku.ac.jp

http://qblab.imr.tohoku.ac.jp

態の変化と超伝導発現の関係性は未だ明らかになっていません．本研究では，Cu K端X線吸収
端近傍微細構造解析により，銅サイトの電⼦状態に対するCe置換と還元アニール効果を調べました． Ce置換，及び，還元アニールによる電⼦キャリアの増加量nCeとnANをCe置換量xとアニールによる酸素⽋損量δに対して詳細に評価した結果をFig. 4に⽰します．nCeはxと等しいと理解できる⼀⽅で， nANは2δと⼀致しませんでした．この結果から，アニールにより⾼酸素除去した試料では電⼦とホールの2キャリアが⽣成される可能性を⾒出しました．

はミュオンスピン回転法から電⼦ドープ型銅酸化物
超伝導体の⺟物質Eu2CuO4とNd2CuO4において，低いエネルギーの磁気揺らぎによって特徴づけられる磁気状態が270 K以下の広い温度範囲に存在し，完全に静的な磁気秩序が形成されるのは110 K以下という逐次的な転移を⽰すことを⾒出しました（Fig. 5） ．

! 銅酸化物超伝導体の⺟物質での異常磁性
銅酸化物⾼温超伝導は⺟物質の反強磁性モット絶縁体に電⼦またはホールをドープすることで発現します．⺟物質の物性は⾼温超伝導を理解するうえで基盤となるものです．最近、我々

Fig. 5: Eu2CuO4における (a)ミュオンスピン偏極の緩和率と(b) 歳差運動の周波数の温度依存性. ⽮印は定義した磁気転移温度. K. M. Suzuki et al., arXiv:1901.11233.

Neutron Science Groups | 03

グループ活動報告
中性⼦セミナー

東北⼤学中性⼦散乱物性研究グループでは定期的に合同セミナーを⾏い，研究室間の研究の理解を深めています．今年度は3回のセミナーを開きました．
2018年5⽉28⽇
⼭本孟（⽊村研 助教）「正⽅晶ペロブスカイト型バナジウム酸化物の化学と物理，その応⽤」#10 2018年7⽉20⽇
中島多朗（理研 研究員）
「中性⼦散乱を⽤いた磁気スキルミオン研究」#11 2019年2⽉5⽇
寺⽥典樹（NIMS 研究員）
「ハイブリッドアンビル⾼圧⼒セルを⽤いた偏極・⾮偏極中性⼦回折によるマルチフェロイクス研究」#9

東北⼤中性⼦物性グループ談話会(みちのく中性⼦談話会)

物理学のフロンティア‘19, Mar. 4-7

ワークショップ

2018年7⽉20⽇に「中性⼦回折装置の現状と将来」と題する討論会を開催しました．また、2018年12⽉11⽇に「東北⼤中性⼦物性グループ談話会（みちのく中性⼦談話会）」、2019年3⽉5⽇-6⽇に藤⽥研D2の浅野君が主催する若⼿研究会「超伝導体とその周辺物質に対する量⼦ビーム研究の新展開」を開催しました．
POLANOの外観
談話会では我々の活動と今後の活動⽅針案，およびサイエンスの発表がなされ，今後グループが⽬指すべき内容を議論しました．
参加者からは様々な提⾔，激励がなされ，談話会を継続的に発展させていくことを確認しました．

物理学のフロンティア

JRR-3⾦研装置群の外観

2019年3⽉4-7⽇に東北⼤学理学部主催の「物理学のフロンティ
ア＠藤⽥研」を開催しました．本年度は学部⼀年⽣（3名）が参加し，⾦属材料研究所の施設⾒学会と合わせて，銅酸化物⾼温超伝導体の試料の作成と低温実験を⾏い，物性物理学研究の⼀端を体験して頂きました．

⾼エネルギー加速器研究機構と共同で建設開発中の偏極中性⼦散乱装置POLANOは，検出器やソフトウェアの不具合の解消や，各種機器の性能評価を進め，標準的な⾮弾性散乱実験が可能になりました．それを受けて，⾮偏極中性⼦実験に限られてはいますが，2019Aから⼀般利⽤が開始される予定です．来年度以降は，機器調整を進めながら、試料環境機器（冷凍機）や，偏極実験に必要となるSEOP型偏極デバイスと磁場環境機器の導⼊を進め，偏極実験のコミッショニングを進めます．

JRR-3中性⼦散乱装置群

東北⼤学はJRR-3に複数の装置を設置しています．2018年度も引き続き各装置の駆動試験を⾏い，健全性確認を⾏いました．教育⽤装置HERMES-Eについては⼤型部品がほぼ完成し，各パーツ間の配線および制御ソフトウェアとの接続を⾏いました．今後は，全体制御ソフトウェアの作成や周辺機器の整備など，各装置の利便性の向上を推進し，2020年度の研究炉再稼働に備えていきます．
Neutron Science Groups | 04

JRR-3装置群の駆動試験と⾒学会
東北⼤学中性⼦散乱物性研究グループ 活動報告 第4号
2019年4⽉1⽇ 発⾏
編集：南部雄亮、池⽥陽⼀
発⾏：東北⼤学中性⼦散乱物性研究グループ〒980-8577 宮城県仙台市⻘葉区⽚平2-1-1
東北⼤学 ⾦属材料研究所
TEL/FAX：022-215-2039/2036