Quantum Beam & Metal Physics Lab.
東北大学
理学研究科物理学専攻

スピン構造物性グループ
金属材料研究所

量子ビーム金属物理学研究部門

研究室の紹介
スピンの動きを実験的に調べ，物性発現との関係を論理的に考える基礎研究を行ってます．
← 座談会「博⼠進学とその先」と若⼿研究会を主催した学⽣と若⼿研究者

偏極中性⼦ビームで明らかになっ ⾼エネルギーのスピン偏極中性⼦利⽤
たY3Fe5O12のマグノン極性を⽬指すJ-PARCの中性⼦分光器

学部1年⽣向けに⾏った超伝導に関する実験とセミナー

⾃主ゼミ（上）と忘年会（下）研究内容
スピン構造物性グループには，スピンが絡む量子現象に興味を持つ者が集っています．高温超伝導体のスピン・電荷ダイナミクスの研究を中心に，重い電子系化合物，スピントロニクス基盤物
質，金属磁性体など，数多くのスピン関連質を対象に研究を展開しています．着目点は，量子現象の発現メカニズムを，スピンの特異な“構造”と“動き”を観ることにより解明することです．そのために，研究に適した高品質単結晶を自作し，中性子ビームや放射光X線，ミュオンビームを融合利用した手法で研究を進めています．研究は，教員や先輩学生と行いますが，多くの学生が主体的に進めています．本研究室は，中性子散乱に関する国内最大級の専門研究室です．日本が世界に誇る大強度陽子加速器研究施設J-PARCと研究用原子炉JRR-3に複数の中性子散乱装置を管理し，研究に活用しています．世界的に見ても，この様な研究環境を有する研究室はほとんどありません．
現在，我々が精力的に行っているテーマは以下の通りです．
(1) 高温超伝導体のスピン，電荷，格子の複合揺らぎ(2) 重い電子化合物の量子臨界現象(3) スピントロニクス技術の基盤となるガーネット型磁性体の動的磁性(4) 新規高エネルギー中性子偏極スピンフィルターの開発とビームラインへの実装
2

Exp.
Calc.

(a) AS LECO

スピン・電荷のダイナミクス観測のイメージ図．

RT

1
0
2

La/Eu, PrCu(b) OR LECO

O(1)

1

O(2)

0
0.5

O(3)
1.0

2.5

2.0

2.5

3.0

3.5

d (Å)
超伝導体La1.8Eu0.2CuO4の粉末回折パターン（左）と結晶構造（中）．構造の同定は物性解明への第一歩です．

研究対象の単結晶作成

結晶育成の様子．結晶の品質が研究を左右します．

測定を行うためには良質の試料が欠かせません．私たちの研究室では，単結晶作成を独自に行う環境を整えています．どこにも存在しない結晶を作ることは，科学の発展につながる新発見の原動力となります．従来育成が困難とされていた物質や，研究の付加価値の高い物質の結晶化を，独自のアイデアで行う事は楽しいです．これにより世界で初めて行われる実験を先導しています．また，実験結
果を次に必要な試料の作成にフィードバックできるため，柔軟で自由度の高い研究が可能です．

中性子粉末回折装置（HERMES）

三軸型中性子分光器（AKANE）

量⼦ビームの活⽤
私たちの研究室では，構造とダイナミクスの研究ツールとして中性子散乱法を活用しています．中性
子散乱は広い空間・時間スケールでの測定が可能
で，物質内に存在するスピンの情報を得る上で威力を発揮します．また，電子の複数自由度が絡み合った新規な相互作用の決定と物性発現の原因の解明には，それぞれの自由度を調べるのに適した，特性の異なる人工放射線（量子ビーム）を相補利用した研究が重要との立場から，マルチプローブ実験を行っています．中性子実験を基軸にミュオンや放射光X線などの量子ビームを幅広く利用することが本研究室の特徴のひとつで，研究対象を多角的に捉えて本質に迫っていきます．これら量子ビーム実験には国内外の多数の大型施設を利用しており，国内ではJPARC，JRR-3（東海村）やSPring-8（佐用町），PF（つくば市）などの先端実験施設で行っています．
左図：研究室スタッフが管理する中性子散乱装置．この他に2台の装置があります．これらを利用して原子とスピンの“構造”と“動き”を観測します．

研究室からのメッセージ
物理が好きな学生，新しいことをやってみたいという学生を歓迎します．本研究室では，中性子，X線，ミュオンと言った量子ビームを使った物性研究を国内外で推進しており，学外の研究グループとの交流も盛んです．また，研究会や国際会議への参加，国内
外の他研究室への留学を通して，学生も世界中の研究者と最先端研究の議論を行っています．一方で，じっくりと腰を落ち着けて，結晶作成や自作した試料の評価も研究室内で行います．作成した高品質の結晶は自分たちの研究に使うだけでなく，共同研究グル
ープにも提供します．自分の研究をどのようなスタイルで進めるかは，教員ス
タッフと相談しながら決めていきますが，いずれの場合にも共通することは，基礎を大事にして論理的に物事を考える力を身につけ，物理や研究を楽しむということです．このような研究内容と活動に興味を持っていただいた方は，気軽にご連絡下さい．学生の生活は研究室のホームページでご覧頂けます．

量⼦ビーム実験を⾏う世界の施設
PSI (Swiss)
BNL (USA)ISIS (UK)

お問い合わせスピン構造物性グループ
量子ビーム金属物理学研究部門
藤田 全基 教授

ORNL (USA)LLB (France)

NIST (USA)ILL (France)

FRM-II (Germany)

KEK (Japan)

JAEA (Japan)〒980-8577
宮城県仙台市青葉区片平2-1-1
金属材料研究所・4号館1階111号室
TEL: 022(215)2035, 2037
FAX: 022(215)2036
E-mail: fujita@tohoku.ac.jp
URL: http://qblab.imr.tohoku.ac.jp/

量子ビーム実験に興味を持ったきっかけとこれまでの取り組み
梅本 好日古（博士後期課程学生 D3）
yoshihiko.umemoto.t6@dc.tohoku.ac.jp

学位論文のテーマとして，修士課程のころから「鉄マンガン基合金における恒弾性特性の起源解明」の研究に取り組んでいます．恒弾性とは，温度に対して物体の硬さの指標の一つであるヤング率が変化しないという特性です．鉄マンガン合金の結晶構造やマルテンサイト変態に対して、モリブデン
置換がどのような影響を与えるのかということに注目し，弾性率異常がなぜ起きるのかを明らかにすることを目標に活動しています．修士課程の時に，恒弾性が得られる組成では，Γ 3 モードのフォノンにソフト化と非線形異常があること，および，FCC と HCP の 2 相混合状態を取ることを明らかにしました．このことを手掛かりに博士課程では，フォノンの異常がどのような空間スケールや構造により生じるのかという観点から，複数の施設・ビー
ムラインを利用して研究を進めています．右に JRR-3 を利用して中性子回折実験を行った FeMnMo 合金の多結晶試料を示します．
私が量子ビーム実験に興味を持つきっかけになったのは，学部 3 年生の中性子回折実験のためにア時に，第 10 回 KEK サマーチャレンジ物性コースでµSR 法の基礎を学ぶ演
習を体験したことです．その後，大学院では試料合成から量子ビーム実験・ ー ク 溶 解 に よ り 作 製 し た
FeMnMo 多結晶合金．
解析の一連の流れすべてに参加して研究を進めることができる，現在の研究室に進学しました．進学してからは，修士 1 年生の時に第 3 回中性子・ミュオンスクール(µSR 演習班）に参加しました．学部生の時よりも専門度の高い講義を受け，hands-on 実験では MnSi の常磁性相-ヘリカル磁性相の磁気相転移を観測することができました．博士 2 年生の 1 年間は総合研究開発機構(CROSS)研究生として，中性子小角散乱のビームライン大観(J-PARC MLF)にて活動しました．自分が実験責任者として企画した実験の実施のほか，飛行時間法により MnSi における磁気準弾性散乱信号の観測を狙う CROSS 開発課題や，長周期の磁気構造が期待される物質の磁気ブラッグピークの観測を偏極解析により狙う実験に参加しました．これらの活動は毎回主催者や企画の主目的が異なっており，そT. Okudaira, T. Oku, T. Ino et al.
Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 977 (2020) 164301
れぞれ独立したものです．しかし，振り返ってみた時に，私の中にはひとまとまりのつながりがあります．このように意欲があれば 1 つの軸に沿って多彩な体験ができるということは貴重なことだと考えています．量子ビーム関係のコミュニティからは長期にわたり継続的に学ぶ機会を頂き，感謝しています．

偏極 3He ガスを用いた次世代中性子スピン偏極デバイスの開発
髙田 秀佐（特任助教）
shusuke.takada.d7@tohoku.ac.jp

スピン偏極した中性子ビームは，水素化物などのエネルギー材料研究，スピンを対象とする物性研究，
素粒子・原子核物理研究など，幅広い分野で利用されています．偏極中性子ビームを得るための新しい
Fig. 5.3 He(a) Compact
pumping system which can be installed on a neutron beamline. The optical system has been constructed in the laser shield box. (b) 3Air
coolinglaser module.
手段として，
ガスを利用するスピンフィルター（右図）が最近注目されています．
He
スピンフィ
laser power is 30 W.
ルターは，The
ミラー偏極子では偏極できない
20 meV 以上のエネルギーの中性子に対しても適用できます．
また，スピン交換光ポンピング (SEOP) 法により 3He 核を偏極するため，従来の核偏極で必要とされる
高磁場や極低温を必要としないという利点があり，コンパ
3Heセル
偏極用コイル+ Heセル
クトな実験系を組むことができます．一方で，3He 核の偏極は外磁場の影響を受けて減偏極しやすいため，超電導磁石を用いて試料に高磁場を印加する実験や，中性子遮蔽体
として磁性体（鉄など）が豊富に使用されている中性子ビームライン環境には導入しづらいという欠点を持ちます．
φ60 mm × 60 mm
そこで，3He スピンフィルターの汎用化のために，超電導磁石との共存や中性子ビームラインへの導入を目的としレーザー光た研究を行っています．本研究によって，茨城県東海村の大強度陽子加速器施設（J-PARC）および研究用原子炉
JRR-3 の世界最先端の中性子ビーム実験施設において，3 He スピンフィルターによる高エネルギー偏極中性子の常時利用が可能な環境の構築を目指しています．
3 He スピンフィルターは，3 He が充填されたガラスセ
T. Okudaira, T. Oku, T. Ino et al.

Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 977 (2020) 164301

Fig. 2. The glassware used to fabricate a 3 He cell. The ampoules are put in the parts
labeled as K ampoule and Rb ampoule in the figure. The glass cell made of GE180 is
attached to the string made of Pyrex at the top of the glass cell. The string is connectedto the pumping station using a Swagelok connector at the metal tube.

3

50 cm

Fig. 1. The schematic diagram of the gas-filling station to fabricate 3 He cells.

measuring time at intense neutron beam facilities, those may be done
without re-polarizing the 3 He cell. In order to keep high 3 He polarization during the experiment, a long relaxation time of 3 He polarizationis required, which makes details of the fabrication process of the 3 He
cells important.
On the other hand, in the in-situ method, the 3 He cell is installed
along with a laser system onto a neutron beamline. This method issuitable for longer experiments because a stable 3 He polarization can be
maintained for weeks. However, a larger space compared to the spacerequired for the ex-situ method is needed, and the safety regulations
involving the use of high powered lasers on a neutron beamline must
be considered. For details of the technique for optically polarized 3 He
and its application, please see a reviewed paper Ref. [10].
At MLF of J-PARC, world class intense pulsed neutron beams areprovided to 23 neutron beamlines, and many neutron scattering experiments are conducted [11]. In Japan, the fundamental development of
3 He polarization technique based on SEOP began in the 1990s [12],and further development is still ongoing by Ino et al. at High Energy
Accelerator Research Organization [13–17]. An in-situ SEOP system
dedicated for a polarized neutron spectrometer POLANO [11,18] atbeamline No. 23 has been developed, and now under commissioning [15,16]. In order to promote user experiments using 3 He spin filterson the other beamlines at MLF, we are carrying out the development of
3 He spin filters with both in-situ and ex-situ methods for their versatile
uses on site at J-PARC. Experiments demonstrating their use have been
performed on several beamlines. User experiments and fabrication of
3 He cells have recently begun. In this paper, we report development
and utilization of 3 He spin filters at MLF of J-PARC.

Fig. 3. 3 He cell (Sekichiku) fabricated at J-PARC.

Table 1
List of 3 He cells using rubidium and potassium with long relaxation times at J-PARC.
Name

Dimensions [mm]Chidori
Karigane
Sekichiku
Hanabishi

45 ù 7545 ù 75
60 ù 60
40 ù 90

He pressure [atm]T1 [h]

3.1
3.1
3.1
3.1

201
180
175
165

3

are also rinsed with acetone and alcohol. After connecting the string
to the gas-filling station, the ampoules are put in the string without

breaking the ampoules, and the string is sealed off with a gas torch. The
ampoules are broken in a nitrogen atmosphere by dropping hammers

made of an iron rod covered with glass. The string and the glass cellare baked out for a week at 200 ˝ C and 400 ˝ C, respectively. In the

2. Gas-filling stationnext step, rubidium and potassium are distilled to retorts at 200 ˝ C

and 220 ˝ C, respectively, by using the heaters. After that, the glass

As mentioned in the previous section, a clean gas-filling station andfabrication process without impurities are important for a 3 He cell withlong relaxation time. The first gas-filling station was constructed in2018 at J-PARC. The schematic diagram of the gas-filling station isshown in Fig. 1. All the gas lines are wrapped with heaters for vacuum
bake-out. An ultimate pressure of the gas-filling station was 5 ù 10*8 Pa
after baking at 150 ˝ C for a few days.
Boron-free aluminosilicate GE180 glass is widely used for the glass
cell of a 3 He spin filter due to a small wall relaxation effect and low
permeability of 3 He [4,19–21]. Our fabrication process of 3 He cells issimilar to those of NIST, JCNS, and ORNL [19–21]. A cylindrical-shaped
glass cell made of GE180 is attached to a glassware made of Pyrex glass,which is referred to as ‘‘string’’, (Fig. 2). The glass cell and the string are
rinsed with neutral detergent, pure water, acetone, and alcohol before
connecting to the gas-filling station. Rubidium and potassium ampoules

tube parts containing ampoules and hammers are pulled off with a gas
torch. The glass cell and the string are baked out again for one week,
and then the alkali metals in the retorts are distilled to the glass cell.

ルや偏極コイル，レーザーなどで構成されます．
Fig. 6. (a) Schematic diagram of the pumping system using a fiber laser. (b) Photograph of the pumping
system. The optical system was constructedin the laser shield box.
are filled to the glass cell, and the glass cell is sealed off by placing a gas

Finally, 3 He and N2 gases purified using GC50 getters (SAES Getters)
torch at the Pyrex part. When encapsulating the gases above 1 atm, theglass cell is submerged in liquid nitrogen to keep the pressure inside thethe thickness of 3 He gas,( ) is the absorption
crossofusingthe
fabricatedwith He section
pressures of 3.1 atm
the gas-filling station
at J-PARC, and four of them have found to have spin relaxation times
nucleus for unpolarized neutrons, and overis150thewavelengthof of Sekichiku
hours. A listof these He cells and a photographcell are presented in Table 1 and Fig. 3, respectively.
incident neutrons, which is calculated from the time of flight. The
3
ratio of transmitted neutrons for the polarized to unpolarized He cell
Npol _Nunpol is described as
3 He

glass cell below 1 atm while sealing. So far, nine 3 He cells have been
3

3

2

Npol
Nunpol= cosh(PHe ⇢d ( )).

(3)

The product of the 3 He gas pressure and thickness ⇢d was obtained

from the measurement of the ratio of transmitted neutrons for the希土類ガーネット物質系の 4f 電子磁性が寄与する動的物性とスピンカロリトロニクス
川本 陽（博士後期課程学生 D3）
You.kawamoto.t8@dc.tohoku.ac.jp

スピントロニクスの分野では，磁気・電気・熱の相互変換現象やそのデバイス開発が精力的に為されている．中でもスピン角運動量の流れであるスピン流は，電流を伴わない高効率なエネルギーや情報の輸送手段として当分野では注目されている．希土類ガーネット物質 RE3TM5O12 (RE = Gd, Dy, Tb, TM = Fe,
Ga) は 1900 年代に大きく注目されていた物質系だが，当分野では再び関心が集まってきた．特に
Y3Fe5O12 (YIG) は，当分野で最も有名なフェリ磁性絶縁体である[1]．特に磁気・熱変換現象を中心に扱うスピンカロリトロニクスでは，熱とスピン流の変換現象であるスピンゼーベック効果 (SSE)， 及びそれを金属薄膜によって電気的に検出した SSE 信号や，磁場中で熱流が曲がる熱ホール効果など，実用化の観点からスピン・熱流の巨視的な物性測定に基づいた研究が主流である[1, 2]．しかし巨視的物性の測定は物質内を伝播するスピン波(マグノン)や格子振動(フォノン)の寄与の総和を検出している．そのため，物質固有のスピン流・熱流輸送特性の仕組みを本質的に理解するためには，フォノンやマグノンの振動特性をより詳細に調査する必要がある．そのため中性子や X 線など，物質の振動特性を波数・エネルギ
ー空間上に分解することができる量子ビームは，本分野でも重要な役割を担うようになってきた．例えば最近では，
スピン偏極した中性子を利用し，YIG のスピン波における磁化の歳差運動の回転方向を観測した事が報告されている．この結果は，YIG のスピン流輸送特性の理解に大きく貢献した[3]．しかしこの研究は当分野における量子ビームの有用性を示すほんの一例であり，本物質系はこれまでフォノンやマグノン等の動的物性は殆ど観測例が無かった．
私の研究では，4f 電子磁性をもつ希土類ガーネット物質におけるスピン流・熱流輸送特性に着目し，量子ビームのメリットを活用してその機構解明を目指している(図)．
[1] K Uchida et al., Journal of Appl. Phys. 111, 103903 (2012).
図 本研究の代表的な成果の図．テルビウム鉄ガーネットのスピン波分散を中性子で測定し，デー[2] C. Strohm et al., Phys. Rev. Lett. 95, 155901 (2005). [3] Y
タ解析によって各モードの運動の様子を理解す
Nambu et al., Phys. Rev. Lett. 125, 027201 (2020).
る事が出来た．

手法によって性質が変わって見える電子．本性は何だろう？
谷口 貴紀（助教）takanori.taniguchi.d3@tohoku.ac.jp

物質の性質を決める主たる原因は電子である．例えば，ナトリウムと塩素はそのまま接種すると人体に対して毒物となるが，両者が合成された塩化ナトリウムは人体には欠かせな
い性質である．この大きな性質の違いも電子によって説明される．電子を制御できれば，有用な性質を引き出すことができる．そのためには，その電子の本性を理解して性質が現れる理由を解明し，その性質が生じる条件を持った物質の合成が必用である．
この一連を実現するには，時間スケールが異なる手法を組
み合わせて対象を観測するのがいい．例えば，電子の回転運動，すなわち磁性について考えてみよう．時間スケールが遅最近合成した単結晶試料
い手法ではスピンは並んで見える磁石が開発されたとする．
課題は，この磁石の磁性の強さを制御することである．早い
時間スケールの手法で観測したところ，スピンはバラバラであった．遅い時間スケールの手法では揃っていたので，本性はある揃った軸に対して回転運動をしていることが予想できる．そのため，軸とスピンの角度を変えるように物質の合成を行えば，磁石の磁性の強さを制御できる．物質を複数の実験手法を用いて観察することでその本性が分かる一例である．本性が分かると，この性質となった原因を考え，さらに欲しい性質を持つ物質開発にフィードバックできる．私たちの研究室は合成及び複数の量子ビー
ム実験を組み合わせて研究を進めることができるので，この一連を行うことができる環境が整っている．
最後に，最近合成に成功した単結晶試料の写真を紹介する．この物質は狙い通りの性質を示してくれるのか？それとも予想外の結果なのか？物質科学は楽しくて仕方がない．

物質を探る素粒子の目岡部

博孝（特別助教）

hirotaka.okabe.b4@tohoku.ac.jp

近年，構造物性学の分野では「不均一性」という言葉が重要視されています．結晶は「均一」，液体は「不均一」ですが，その中間ではガラス（アモルファス）というどちらとも異なる性質が現れます．この性質を利用したものが，太陽電池や薄膜トランジスタで有名なアモルファスシリコンなどです．実はこのようなガラス的性質は電子系，すなわちスピン構造物性にも現れます．スピンとスピンの間に働く相互作用が複雑になると，各スピンはどちらを向いたら良いか分からなくなり，フラストレーションを感じます．こうしたフラストレーションがスピンに纏わるガラスや液体のような新奇物性を生み出す源になります．
ガラスのような複雑な物性を理解するには，マクロとミクロ，平均構造と微視的構造を注意深く観察する必要があります．この微視的構造を見るために利用するものが，素粒子の一種「ミュオン」です．
物質にミュオンを撃ち込むと，重い電子または軽い陽子のように振舞い，化学的に安定な位置に停止します．ミュオン自身もスピンを持っているため，周囲にある原子や電子のスピンと相互作用し，それらがどのような大きさでどちらを向いているのかを素粒子の視点から教えてくれます．ミュオンから得られた微視的構造と中性子から得られた平均構造を比較することで，不均一性の本
質を理解しようという試みです．
ミュオンは自然界にもありますが，実験に使える程の密度ではありません．そこで私たちは高エネルギー加速器によって人工的に作られたミュオンを使っています．日本では茨城県東海村にある J-PARC（右図）という大型施設でミュオン実験を行うことができます．興味を持たれた方は，ぜひ一度見学にいらして下さい． J-PARC ミュオン実験エリアでの一幕（物構研 News より転載）

量子ビームを用いて金属の研究をしています池田陽一（助教）

yoichi.ikeda.d2@tohoku.ac.jp

池田陽一と申します．生まれは滋賀の湖北地方ですが，その後，富山，札幌，岡山，千葉の柏と点々とし，現在は東北大学金属材料研究所で研究をさせて頂いております．仙台に来るまでは，主に希土類金
属間化合物における電子相関を調べておりました．粗略な表現ではありますが，金属中には比較的自由に動くことのできる電子と，原子の近くに束縛された電子を考えることが出来，前者は伝導特性を担い，後者は磁性を担うと言えます．私は，そのような「自由な電子」と「束縛された電子」が相互作用することで起こる現象（例えば，重い電子状態）に興味を持っております．実験による研究手法を基盤として，
特に，試料合成，5 万気圧程度までの圧力下実験，中性子回折・散乱実験等を得意として，それらを組み合わせた実験手法の開発も進めております．仙台に来てからは，これまでの研究に加えて，異なる分野との連携研究も進めており，現在はハイエントロピー合金の研究プロジェクトに参加させて頂いております．ハイ
エントロピー合金は，これまでの金属材料にはない高い強度を有する合金として注目を集めておりますが，その特異な材料特性の起源は十分には解明されていません．取り分け当該合金中で発達する短距離秩序に興味を持ち，これまでに行った中性子実験によって，合金中で発達する規則相の空間相関の大きさ等を評
合金中の短距離秩序は散漫散乱として観測されます．そ
価することに成功しました．中性子を利用した研究の一例を上図に示しました．散漫散乱の現れる波数や，等，小職の研究にご興味のある方は，お気軽に，ご相その広がりから短距離秩序の特徴を明らかに出来ます．
談頂ければと思います．