東北⼤学

中性⼦散乱物性研究グループ

平成29年度活動報告

ACTIVITY REPORT
Tohoku University
Neutron Science Groups

#03
2018

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
佐藤研究室
……2
藤⽥研究室
……2
⽊村研究室
……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
多様性と挑戦性
職場における（⼈種や性別の）多様性は各⼈のストレスを増⼤させるが⽣産性は向上するとどこかで読みました。新しい発⾒は若い時期、もしくは研究テーマを⼤きく変えて5年以内に起こることが多いともどこかで読みました。多様性を許容し挑戦性（変化）を保ち続けることが⽇本の中性⼦科学発展に重要ではないかと思う今⽇この頃です。
佐藤 卓
表紙絵 J-PARC MLFのBL23（POLANO）における⼊射中性⼦のビームプロファイル．中性⼦⽤イメージングプレートにより，試料槽直上位置における⼊射ビーム強度の空間分布を調べました．

Neutron Science Groups | 01

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/u 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．
u メンバー構成
教授: 1名，助教: 2名，PD1名, 秘書: 1名，
D3: 1名, D2: 1名, D1: 1名, M1: 3名, B4: 1名
u 研究成果Ø 反転対称性の破れた磁性体においては準粒⼦（素励起）の⾮相反な運動が予想されます．
2016年には我々は強磁性体のマグノン伝搬の⾮相反性を報告しました．2017年には反強磁性体
a-Cu2V2O7のマグノン分散に線形交差を伴う興味深いマグノン分散分裂を⾒出しました．この分散分裂はマグノン偏光の空間的な回転，すなわちマグノン旋光性の存在を意味します(Fig.1)．

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

Ø カイラル磁性体に現れるスキルミオンと呼ばれる位相⽋陥的スピンテクスチャーが興味を集めています．
我々は絶縁体カイラル磁性体である Cu2OSeO3 の精密中性⼦⼩⾓散乱実験を⾏い，スキルミオン相の回転と温度・磁場履歴の関係を調べました(Fig.2)．この結果，Cu2OSeO3 では磁場中冷却、磁場中昇温の2過程で，30度だけ回転⾓の異なるスキルミオン相が安定化されることが判明しました．よく使⽤されるゼロ磁場冷却過程では両者が共存します．これらのスキルミオン相は⼀度安定化されると（30度回転した）もう⼀⽅のスキルミオン相に変化することはなく，熱的に（ほぼ）安定な状態であることも判明しました．

Fig. 2: Cu2OSeO3 の⼩⾓中性⼦散乱パターン．(左)磁場中冷却，(中)磁場中昇温，(右）ゼロ磁場冷却．T =56.5 K, m0H = 23 mT．Makino et al., Phys. Rev. B
95, 134412 (2017).
Fig. 1: (左) a-Cu2V2O7で観測された線形交差を伴うマグノン分散分裂．磁気構造は格⼦整合でありQ=(0,2,0)に磁気ブラッグ散乱が現れている．(右)観測されたマグノンの実空間模式図．直線偏光の位相が空間的に回転している（旋光性）．Gitgeatpong et al., Phys.
Rev. Lett. 119, 047201 (2017).

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u 概要
u 研究成果藤⽥研究室は磁性研究において永い歴史を持つ⾦ Ø 電⼦ドープ型銅酸化物超伝導体の電荷秩序
属材料研究所に属し，50年以上に渡る中性⼦散乱研
銅酸化物⾼温超伝導体では最近になって電荷秩序究を受け継いでいます．充実したスタッフ体制で，が普遍的に存在することが報告され，超伝導との関中性⼦の他にミュオンや放射光X線などの量⼦ビー連が盛んに議論されています．我々は電⼦ドープ型ムを相補的に利⽤し， 「”うごき”（ダイナミク
銅酸化物超伝導体Nd2-xCexCuO4 に対して報告されス）と”はたらき“（物性・機能）」をキーワードにていた，波数Q ~ 1/4の電荷秩序は超伝導とは相関研究を展開しています．特に，スピンや格⼦の揺らしていないことを放射光を使ったCu L3 端共鳴X線ぎの情報をもとに，⾼温超伝導体やフラストレート散乱で明らかにしました．また同じ結晶を⽤いた⾓磁性体、スピントロニクス物質で発現する量⼦現象
度分解⾼電⼦分光によってフェルミ⾯の不安定性はの起源の解明を⽬指しています．
Q ~ 1/4の秩序の起源ではないことを明らかにしま
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， した．これらはホールドープ型とは異なる性質で，銅酸化物系における単純な電荷秩序の普遍性に疑問
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． を投げかける結果です．
Fig. 5: (左)共鳴X線散乱プロファイル．超伝導試料(左)u メンバー構成
でも⾮超伝導試料(右)でも同じ波数位置にピークが観測
教授: 1名，准教授: 1名，助教: 2名，秘書: 1名，されました．H. Jang et al., Phys. Rev. X 7, 041066
技術補佐員: 1名，名誉教授: 1名，D1 : 1名
(2017).
Neutron Science Groups | 02⽊村 宏之 研究室

多元物質科学研究所 構造材料物性研究分野

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

理学研究科物理学専攻 結晶構造物性グループ

Mn LII,III

10

2B3(c)
Mn LII,III1B2A2A1A2A1A3

GdMn2O5(0.5, 0, 0)
T = 21 K
B2B3

Ø Fig. 1: ⽊村研究室が管理運営している中
0635 640 645 650 655 660 665
性⼦単結晶構造解析装置FONDER（左）と，Energy (eV)
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）．

OK20 K
31 K

322
1

10(c)

3(b)
E = 535.4 eV
40 (H, 0, 0)

S200

OK(0.5, 0, 0)

GdMn2O5

322Fluorescence10525

Intensity (arb. unit)

Intensity (arb. unit)

Fluorescence530535540

Energy (eV)1545

Intensity (arb. unit)

Intensity (arb. unit)2(0.5, 0, 0.333+δ)T = 31 K(a) SmMn2O5

Intensity (arb. unit)

Intensity(arb. unit)u メンバー構成
A2
1
B2 B3 1名，教授: 1名，助教:1名，技術補佐員:
A1
B1
名誉教授: 1名，D2: 2名，M2: 1名，M1: 1名，B4: 1名，留学⽣:
SmMn2O5(b) 1名 A3Intensity (arb. unit)

Intensity(arb. unit)

2u 研究成果Ø マルチフェロイック物質SmMn2O5 及びGdMn2O5 において，酸素K吸収端近傍の共鳴磁気散乱実験により，酸素スピンが偏極して磁気モーメントを持つ事を発⾒した．強誘電転移と同時に⽣じることから，電気分極発⽣の新しいメカニズムの可能性があり，現在詳細な研究を進めている．更にμSRを⽤いて，これらの系の酸素サイトの磁気モーメントの情報を直接的に引き出す実験も⾏なっており，量⼦ビームを相補的に利⽤した研究を推進している．
Intensity (arb. unit)u 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・⾼度化や，⾼精A3SmMn2O5(a)度・⾼確度測定⼿法，解析⼿法の確⽴を⽬指し，3(0.5, 0, 0)
Mn L
⽇々研究を進めています．
T = 20 K
II,III(d)E= 529.8 eV
0.18(H, 0, 0)

G

0.14
0.1
0.06
0.49

0.5

H (r. l. u.

Fig. 2: 放射光共鳴X線散乱実験による，(a) SmMn2O5 と(c)FIG. 4. (Color online) Energy spectra of resonant s
GdMn2O5の酸素K吸収端近傍の共鳴磁気散乱スペクトル．Smでintensity with qM = (0.5, 0, 0) (filled circles) and flu
は⾮共鳴磁気散乱が⾮常に強く，⼀⽅でGdは酸素2pとMn3d間の遷移に対応する共鳴シグナルが⾮常に強い．類似物質にもかかわ(dashed line) around O K edge (a) at T = 20 K (filleらず，このような⼤きな違いがスペクトルに現れることは⾮常にand T = 31 K (opened circles) in SmMn2 O5 and (c興味深く，現在その起源を明らかにするべく，研究を進めている．

19 K in GdMn2 O5 . The two dashed lines indicate EFIG. 3. Energy spectra around Mn LII,III edges (a) at Q =eV and E = 535 eV. Peak profile of H scan around Q
0.5, 0, 0) at T = 20 K in the CM phase, (b) at Q = (0.5,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。
0, 0) (b) at E = 535.4 eV and at T = 20 K in Sm, 0.333+δ) at T = 31 K in the mail:ICM1
phase in SmMn2 O5 ,qblab@imr.tohoku.ac.jp
藤⽥研究室and (d) at E = 529.8 eV and at T = 19 K in GdMnnd (c) at
Q 全基= (0.5,0, 0) at T = 21 K in GdMn2 O5 . The
http://qblab.imr.tohoku.ac.jp
incident x-ray was π-polarized.
ncident x-ray was π-polarized.

るBaFe2S3とCsFe2Se3の混晶系に圧⼒を印加し，その磁性と伝導性の変化を調べました．その結果，中間
strong. The
nonresonant scattering was also
濃度領域の物質に30GPaまで圧⼒印加をすることでment at Gd LIII edge have revealed that Gd momentsaround Mn K edge in our previous study18 .
絶縁体⾦属転移の誘起に成功しました．また，電気ligned qM = (1/2, 0, 0) in the CM phase.25 Our obser抵抗の温度依存性から圧⼒印加に応じて電⼦相関のWe measured energy spectrum at Q = (0.5, 0ation showed that Mn magnetic moments also aligned
次元性が変化することを突き⽌めました．
fluorescence spectrum around O K edge for Gd

with qM = (1/2, 0, 0) as well as Gd moments, which is
as a reference (shown in Fig. 4 (c)). In theame as the CM phase in SmMn2 O5 .
GdMn2 O5 , resonant scattering occurred mainly
Energy spectrum around Mn LII,III edges in GdMn2 O5
E = 530 eV where the intensity of fluorescence is almost same as that in ICM1 phase in SmMn2 O5 .
first, which is in sharp contrast to the energy s
These energy spectra are composed of several peaks, laof SmMn2 O5 . Figure 4 (d) shows H scan arou
Ø 鉄系梯⼦型物質混晶系Ba CsxFe2Se3の圧⼒効果
beled A1 (640.6 eV), A2 (642.11-xeV),
A3 (644.5 eV), B2(0.5, 0, 0) at E = 529.8 eV in GdMn2 O5 . A wel
⼆次元⾯上で発現する鉄系超伝導の機構の解653.2 eV),and
B3(655.8eV)
inFig.
3(b)(c).
Howpeak showed that spin polarization of oxygen ion
明を⽬指し，次元性の異なる物質に注⽬し，⼀ver, in theCM
phaseofSmMnO,
anotherpeakla2
5with qM = (1/2, 0, 0) in also GdMn2 O5 . Ener
次元梯⼦型物質における超伝導機構の研究を推
beled B1 (651.6eV)
appearedaroundMn
Ledge,and進しています．最近，BaFe2S3に圧⼒を印加する
IIFig. 6:
traダイアモンドアンビルセルを⽤いて測定した
similar to that in GdMn2 O5 were observed
xFe2Se3 の電気抵抗の温度依存性．T. Hawai
ことで超伝導誘起に成功しました．鉄系梯⼦型
he intensityof the peak A2 increased and the peak B2Ba1-xCs
RMn2 OSoc.
= Tb, Y, Er) and RMnO3 (R =5 (Ret al., J. Phys.
Jpn. 86, 024701 (2017).
11–14
decreased の⺟物質は常圧では絶縁体で，磁気構造が異な
as shown in Fig. 3 (a). It is possible that thesecompounds. WhenScience
it comes
to nonresonant
NeutronGroups| 03
diﬀerences of the energy spectra reflect the unique maging, the intensity below E = 530 eV is week com
netic structure of Mn ions in the CM phase of SmMn2 O5 .
that in SmMn O . We also observed nonreson

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．2017年度は2回のセミナーを開きました．KEKの本⽥さんをお招きし，研究およびMLFのNOVAの紹介を⾏っていただきました．
#7 2017年4⽉25⽇
本⽥孝志（KEK 助教）「強相関系物質における中性⼦回折と局所構造解析」#8 2018年1⽉5⽇
那波和宏（佐藤研 助教）「低次元フラストレート磁性体及びダイマー磁性体の磁気励起」

ワークショップ
2017年11⽉21-22⽇に，ワークショップ「中性⼦科学研究におけるJ-PARCとJRR-3の相補利⽤」を開催し，成果創出期を迎えたJPARCと再稼働が視野に⼊ったJRR-3の双⽅を基盤とする中性⼦科学研究の将来について議論しました．
また、ワークショップシリーズ第7回，第8回として「結晶対称性の破れによる種々の物性と電⼦状態 -理論と実験の協⼒を⽬指して-」を12⽉19⽇-20⽇に，「⾼温超伝導体とその関連物質における新奇な物理」を2018年1⽉31-2⽉1⽇にそれぞれ⾏いました．⾦研と秋保温泉のホテルで⾏った第8回⽬のワークショップでは，学⽣，若⼿研究者による活発な議論が夜遅く(明け⽅)まで続きました．

第8回中性⼦セミナー '18, 1/5

WS「中性⼦科学研究におけるJ-PARCとJRR-3の相補利⽤」
ʻ17, 11/21-22

物理学のフロンティア
2018年2⽉から3⽉にかけて，東北⼤学理学部主催の「物理学のフロンティア」の⼀環として，学部⼀年⽣（4名）に対して，⾦属材料研究所施設⾒学会を開催しました．合わせて、⾼温超伝導体試料の作成と物性評価を⾏い，物性物理学研究の⼀端を体験して頂きました．

J-PARC・MLFに，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，2017年に本格的なコミッショニングを開始しました．6⽉からはビームを⽤いた機器調整作業を開 始 し ， T0 （ ⾼ 速 中 性 ⼦ に よ る バ ッ ク グ ラ ウ ン ド を 低 減 す るチョッパー），ディスクおよびフェルミ各種チョッパーの試運
転・性能評価や，位置敏感型検出器の較正作業を⾏いました．来
年度以降は，共⽤実験開始に向けて、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ます．

物理学のフロンティア
ʻ18, 3/7

BL23ビームシャッター

Now the commissioning issteadily under way!
位置敏感型検出器の較正中性⼦信号の逆空間表⽰

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．2017年度は，各装置の駆動試験を⾏い，健全性を確認しました．また，教育⽤装置HERMES-Eを新たに⽴ち上げています．今後は，制御ソフトウェアの更新や周辺機器の整備など，装置群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

SEOP⽤GE180セル

東北⼤学中性⼦散乱物性研究グループ 活動報告 第2号
2018年4⽉1⽇ 発⾏
編集：南部雄亮、池⽥陽⼀、鈴⽊謙介
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