低温センター研究交流会
2011 年 3 月 3 日(木)弥生講堂アネックス・セイホクギャラリー

東京大学低温センター

平成 22 年度

低温センター研究交流会・利用者懇談会■ 日

時 ： 平成 23 年 3 月 3 日（木）■ 会

場 ： 弥生講堂アネックス

アクセス

：

10：10～17：40

http://www.a.u-tokyo.ac.jp/yayoi/map.html■ 講演時間 ：20 分（質疑応答 5 分を含む）

10:10-10:20
セッション１
10:20-10:40

はじめに

朝光

敦

（低温センター准教授）（10：20-12：00）
長澤

寛道

座長：

足立

博之（農学生命科学研究科・准教授）

農学生命科学研究科・応用生命化学専攻・教授 (生物有機化学研究室)

円石藻におけるココリス形成の分子機構
10:40-11:00

横田知之

工学系研究科・物理工学専攻・D1 (染谷研究室)

有機トランジスタの物性評価と応用
11:00-11:20

PHAM NAM HAI

工学系研究科・電気系工学専攻・特任助教(田中研究室)

単一 MnAs 微粒子におけるスピン緩和時間
11:20-11:40

関宗俊

工学系研究科・電気系工学専攻・助教(田畑研究室)

スピネル型フェライト半導体薄膜のスピン偏極伝導と p 型化
11:40-12:00

所裕子

理学系研究科・化学専攻・特任助教(大越研究室)

ヘキサシアノ金属錯体における光磁性現象
12:00-13:30
セッション 2
13:30-13:50

昼食（13：30-15：30）
畠山

修一

座長：

藤森

淳（理学系研究科・教授）

工学系研究科・バイオエンジニアリング専攻・M1 (高橋研究室)

鉛吸収体との接続部を改良したγ線マイクロカロリメータの製作
13:50-14:10

平原徹

理学系研究科・物理学専攻・助教(長谷川研究室)

Bi2Se3 超薄膜の異常輸送
14:10-14:30

平田倫啓

工学系研究科・物理工学専攻・D2 (鹿野田研究室)

有機固体中に現れるゼロ質量ディラック・フェルミオン系の NMR 研究
14:30-14:50

松尾貞茂

理学系研究科・物理学専攻・M2 (福山研究室)

超伝導体で修飾した多層グラフェンの伝導特性
14:50-15:10

荻野

拓

工学系研究科・応用化学専攻・助教(岸尾研究室)

新規鉄系超伝導体の開発
15:10-15:30

松山敏也

理学系研究科・化学専攻・M2 (長谷川研究室)

Eu 置換した SrFeO2 薄膜の作製と輸送・磁気特性
15:30-15:50

休憩セッション 3
15:50-16:10（15：50-17：30）
金井

康

座長：

下山

淳一（工学系研究科・准教授）

工学系研究科・物理工学専攻・D1 (樽茶研究室)

自己形成 InAs 量子ドットジョセフソン接合における 近藤効果と超伝導電流の電気的制御
16:10-16:30

大間知

潤子

工学系研究科附属光量子科学研究センター・特任研究員

ダイヤモンドにおける低温電子正孔相の探索
16:30-16:50

高橋

聖典

工学系研究科・物理工学専攻(低温センター)・M2 (朝光研究室)

層状ペロブスカイト型マンガン酸化物における電荷・軌道ストライプ状態と電界誘起非線形伝導技術交流セッション
16:50-17:10

阿部美玲

低温センター・技術職員

低温センター寒剤供給
16:10-17:30

土屋

光

概要

物性研究所・低温液化室・技術専門職員

物性研究所低温液化室概要
17:30-17:40

おわりに

福山

寛

（低温センター長）

18:00-20:00

低温センター利用者懇談会■ 日

時 ： 平成 23 年 3 月 3 日（木）■ 会

場 ： レストラン「アブルボア」（東京大学向ヶ丘ファカルティハウス内）

アクセス

：

18：00～20：00

http://www.abreuvoir.co.jp/2009/UT/

円石藻におけるココリス形成の分子機構
1 大学院農学生命科学研究科生物有機化学研究室、2 大学院理学系研究科地球惑星科学専攻

長澤寛道 1、笠島大貴 1、遠藤博寿 1、長坂征治 1、猿渡和子 2、小暮敏博 2
下等な生物から高等な動植物まで幅広い生物が１．ココリスの形態観察

生体の内外に無機鉱物を主体とする硬組織を形成

ココリスの SEM 観察（図１）から、ココリス

する。その作用をバイオミネラリゼーションとよは R と V の２つのユニットが交互に繰り返して環ぶ。また、そのような硬組織をバイオミネラルと状構造を作っていることが示された[1]。また、こよぶ。脊椎動物の骨や歯はその代表である。ここの環状構造物の下には、楕円形のセルロースで作では、海洋に棲息する単細胞の藻類である円石藻られていると考えられる有機基盤（ベースプレー

類を材料として行った結果を報告する。

ト）があり、ココリスはその有機基盤の縁に形成

円石藻は、細胞内の小胞（ココリス小胞という）されると考えられている。高圧凍結法で作製したの中でココリスとよばれる炭酸カルシウムの微細円石藻の切片を注意深く観察すると、ココリスのかつ精巧な構造物を作る。ココリスが完成すると、環状構造の内側部分には電子密度の低い物質が存

開口分泌という方法で細胞外に放出し、細胞の表在しており、ココリスの結晶形成の場所を規程し面に配置する（図 1）。ココリスの形態は、種固有ている可能性が示唆された（図２）。

のものであることから、遺伝的に決められている。
すなわち、この形態は遺伝情報を反映したものであると考えられる。

V
5 ５m
m
図 1．

R

図２

円石藻 P. carteare の高圧凍結切片の電子顕微鏡写真．右図は左図の四角部分の拡大

円石藻（Pleurochrysis carterae）（左）とそのココリスの拡大図（右）２．ココリス形成を制御する有機基質

ココリスは R と V の２つのユニットから成る。

２－１

酸性多糖

炭酸カルシウム結晶と相互作用する能力を、過円石藻類は主に高緯度地域で、時として大発生

飽和炭酸カルシウムからの炭酸カルシウム沈殿形し、その様子は人工衛星から白いパッチとして捉成を阻害する活性としてとらえ、この活性を指標えられる。円石藻類はサンゴ類とともに海洋の主にココリスの有機基質を探索した。

要な二酸化炭素固定者として地球規模の炭素循環

まず、培養した円石藻を遠心分離で集め、超音に重要な役割を果たしている。本研究は、ココリ

波処理を行い、さらに遠心分離することによってスがどのようにして形成されるかを生化学的・分ココリスを分離した。これを EDTA 溶液によって

子生物学的・鉱物学的観点から明らかにすること

脱灰し、限外ろ過によって EDTA を除いた。得らを目的にしている。

れた限外濾過内液は強い石灰化阻害活性を示した。

この内液を DEAE-5PW を用いた陰イオン交換

名した。CSAP-1 は既知のタンパク質との類似性

HPLC に供し、NaCl の濃度勾配溶出を行ったとがないことから新規のタンパク質と考えられる。

ころ、約 0.2 M NaCl で溶出されたピークに活性現在、発現解析によって機能を探している。

が認められた。この化合物を Coccolith matrix

一方、CSAP-1 を抽出した残渣をそのままトリ

acidic polysaccharide (CMAP)と名付けた。

プシン消化し、消化断片を分離してそのうち２つ

CMAP は NMR 解析によって図３に示すような擬の断片からアミノ酸配列情報を得た。これらの配似２糖を１単位とするポリマーであることが明ら列を P. carterae と近縁の P. haptonemophera のかになった[2]。CMAP に対する抗体を作製し、こEST データベースで検索したところ、ココリス形

れを用いて免疫 SEM 観察を行ったところ、CMAP

成時期に特に多く発現している遺伝子の部分配列

はココリスを覆うように局在していることがわかに類似していた[3]。そこで、クローニングによっった。したがって、CMAP はココリスの形態を制てこの遺伝子の完全配列を得、コードしているタ御している可能性がある。

ンパク質を CSAP-2 と命名した。CSAP-2 のアミノ酸配列は円石藻で唯一ゲノム解析が完了している Emiliania huxleyi の機能未知タンパク質と相同性を示したが、それ以外のタンパク質との類似性は見出せなかった。CSAP-2 についても発現解析等から機能を類推することを試みている。
CSAP-1 については、天然から得られる量はきわめて微量であることから、また CSAP-2 につい

図３

CMAP の化学構造ては完全長のタンパク質が得られていないので、それぞれ組換え体の作製を試みているところであ

２－２基質タンパク質の探索る。今後は、組換えタンパク質を用いて機能を探

他のバイオミネラルでは基質タンパク質がバイる一方、それぞれの抗体を作製し、免疫 SEM に

オミネラリゼーションを制御している例がほとんより、有機基板上の局在を解析したいと考えていどである。そこで、有機基盤上にタンパク質が存る。局在解析から両タンパク質の機能を推定する

在し、それがココリス形成を制御しているということが可能になるかもしれない。円石藻類ではま仮説の基にタンパク質を探索した。すなわち、だ外来遺伝子導入法が確立されていない。両タン

CMAP を EDTA 溶液で抽出した後の、主に有機基パク質の機能を探る方法として、過剰発現、ノッ盤を含む残渣を SDS/DTT 溶液で熱抽出したとこ

クダウン、ノックアウトなどの方法が使えれば、ろ、SDS-PAGE 上で２本のタンパク質のバンドが機能解析が大きく前進する。現在、これらの方法観察された。それぞれのバンドについて、N 末端の確立も目指して、検討中である。

アミノ酸配列解析および内部アミノ酸配列解析を行ったところ、両者に明確な差は認められなかっ[1] K. Saruwatari et al., Amer. Mineral., 91 1937

た。これらの配列を基に cDNA をクローニングし(2006).

たところ、この cDNA は２つの類似したタンパク[2] N. Ozaki et al., Biophys. Biochem. Res.

質をコードしており、そのうち抽出して得られた

Commun., 357 1172 (2007).

タンパク質は 3’側にコードされていた。これを[3] S. Fujiwara et al., Mar. Biotechnol., 9 550

Coccolith scale associated protein (CSAP)-1 と命(2007).

有機トランジスタの物性評価と応用
工学系研究科・物理工学専攻・染谷研究室
横田 知之, 関谷 毅, 染谷隆夫
有機トランジスタは、フレキシブル・軽量とい本研究では、サブフェムトリッターインクジェった特徴に加えて、低コストで大面積なエレクト

ット装置を用いて有機トランジスタのソース・ド

ロニクスを印刷技術で実現できる可能性があるた

レイン電極の微細化を行った。従来のインクジェ

めに、近年非常に研究が盛んに行われている。特ット装置では、液滴の大きさが 1 pl 程度と大きかに電子ペーパー、RFID タグ、大面積センサーとったために、基板上に液滴が着弾する際には、数いったフレキシブルな次世代デバイスの研究が盛十 µm まで広がってしまう。一方で、サブフェム

んに行われている。

トリッターインクジェット装置は、図 1 のように

しかしながら、従来のインクジェット技術では液滴のサイズを 1fl 以下に小さくすることで、基数十 µm 程度までしか微細化することができない

板上に着弾する際でも、1～2 µm と非常に微細なことや、インクの溶媒による半導体層へのダメー

ドットを描くことが可能である。そのため、本研ジの影響[1]のために、高性能な有機トランジスタ

究で作製した有機トランジスタは、最小のものでを作製することが非常に難しかった。また、多結

線幅が 1 µm、チャネル長が 1 µm と非常に微細な晶有機薄膜トランジスタの伝導機構などの物性面デバイスになっている(図 2)。さらに、作製した有に関しても、未解明なことが多く、デバイス応用

機トランジスタを集積化することで CMOS インを考えていく上でこれらの点を改善・解明するこ

バータとリングオシレータを作製することに成功とが非常に重要であると考えられる。

した。

図１ (上図) インクジェット装置の液滴の模式図 (下

図 2 (上図) 作製した有機トランジスタの模式図 (下図) 印刷された銀のライン。左側は従来のインクジェ

図) 作製した有機トランジスタのデバイス写真。線幅、ット装置により印刷したもので右側はサブフェムトチャネル長は共に 1 m と非常に微細な有機トランジ

リッターインクジェット装置を用いて印刷したスタが作製できた

また、伝導機構を解明するために、プラスティ
ックフィルム上に作製された多結晶ペンタセン薄膜トランジスタのホール測定を行った。まず、ホール電圧が磁場に対して線形に応答することを確認した(図 3)。これまでの過去の研究において、単結晶の有機物においてはホール電圧がきちんと確認されていた例があった[2, 3]。しかしながら、多結晶の有機物においてはこれまで報告が無く、世界で初めての報告となる(図 3)。
このホール測定の結果から求められる電荷密度は、ゲート電圧およびゲートキャパシタンスから見積もられる電荷密度の 2〜3 倍となった。このことから多結晶ペンタセンの伝導機構はバンド伝導に極めて近いホッピング伝導であることがわかった。

図 3 ホール測定の結果。磁場に対して対応したホール
電圧を測定できていることが分かる。また、ホール電圧の大きさが磁場の大きさに比例していることも見て取れる[1] Y. Noguchi, T. Sekitani, T. Yokota, and T.
Someya, Appl. Phys. Lett. 93, 043303 (2008).
[2] J. Takeya, K. Tsukagoshi, Y. Aoyagi, T.
Takenobu, and Y. Iwasa, Jpn. J. Appl. Phys.,
Part 2 44, L1393 (2005).
[3] V. Podzorov, E. Menard, J. A. Rogers, and M.
E. Gershenson, Phys. Rev. Lett. 95, 226601(2005).

単一 MnAs 微粒子におけるスピン緩和時間
東京大学大学院工学系研究科・電気系工学専攻・田中研究室
ファム ナム ハイ、大矢 忍、田中 雅明
１．はじめにであるため、一個の MnAs 微粒子を介する伝導で金属のナノ微粒子において、量子サイズ効果にあることを確認した。図 2 にゼロ磁場と 10 kG のよるエネルギーの離散化が生じるため、スピン緩磁場を印加した際の抵抗の変化率（トンネル磁気和が強く抑えられることが予測されている[1,2]。

抵抗比；TMR 比）のソース・ドレイン電圧依存性

そのため、金属ナノ微粒子においては、バルクやを示す。TMR 比が振動しているのは、クーロン・薄膜よりもはるかに長いスピン緩和時間が期待でブロッケード効果およびスピン蓄積現象による。

きる。粒子サイズが数ナノメトルと小さい時、量しかし、この TMR 振動の位相はクーロン階段と子サイズ効果によって伝導電子のエネルギー準位

一致せず、微粒子にスピン蓄積が起こっているこが離散化されている。そのため、スピンフリップとを示した。このスピン蓄積効果を取り入れて[4]、散乱が起こる確率がバルクと薄膜よりも減るため、スピン緩和時間S をパラメーターとして TMR 振

長いスピン緩和時間が得られる。この長いスピン動の計算を行い、実験結果と計算結果を比較する

緩和時間はスピンメモリやスピントランジスタ等ことによって、スピン緩和時間の見積もりを行っのデバイスへの応用が期待できる。本研究は単一た。図 3 に様々なS の値における TMR 振動の計

MnAs 微粒子を含む単電子スピントランジスタ

算結果を示す。S < 100 ns の場合、TMR 振動が（Single electron spin transistor; SEST）構造[3]ほとんど形を変えず、形と位相が実験結果を再現を作製し、単一 MnAs 微粒子における長いスピン

できなかった。それに対して、S > 100 ns の場合

緩和時間を測定し、量子サイズ効果理論を実験的には、TMR 振動の形と位相がより実験結果に近づに検証した。

く。S = 10 s のときに、計算した TMR 振動が実
験結果を完全に再現できた。この結果により、

２．実験結果MnAs

微粒子にスピン緩和時間が 10 s 以上で分子線エピタキシー法およびナノ微細加工技術あることがわかり、この値は金属微粒子で報告しにより、単結晶 MnAs ソース電極(5 nm) / GaAs(5たスピン緩和時間としては最も長い。この長いスnm) / GaAs:MnAs 微粒子(5 nm) / MnAs ドレイン

ピン緩和時間は、微粒子の量子サイズ効果と材料

電極(5 nm)からなる単電子スピントランジスタ構の観点からもよく説明できる[5]。この結果は、半造（図 1a）を作製した。ここで、GaAs:MnAs と導体結晶中に埋め込まれた強磁性グラニュラー材

は GaAs 格子中に直径 5 nm 程度の六方晶 MnAs

料が半導体スピントロニクスにおける有望な材料

ナノ微粒子が埋め込まれた構造である。図 1b に走であることを示している。

査電子線顕微鏡による SEST の像を示す。ソース・ドレインのギャップが 25 nm で、粒子間隔と謝辞ほぼ同じであるため、ギャップに１個の MnAs 微

本研究の一部は、科学研究費補助金、科学技術振興

粒子が形成されていることが期待できる。図 2 中

調整費、FIRST ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ、グローバル COE から援助の挿入図に示すように単電子伝導の測定ではクーを受けた。本研究の電気伝導測定は東京大学低温セロン階段のステップが注入した電子数の線形関数

ンターの 14TeslaTron 装置を用いて行った。

図 1. a) 単電子スピントランジスタの構造。b)
平面 SEM 像。

図3. スピン蓄積を考慮したモデルによるTMR
振動の計算結果。挿入図は振動幅のスピン緩和
時間依存性。S = 10 sとして計算したTMR振動が実験結果に良く一致する。

[1] A. Kawabata, J. Phys. Soc. Jpn. 29, 902(1970).
図 2. クーロン・ブロッケード効果による TMR[2] J. Buttet, R. Car and C. W. Myles, Phys. Rev.

比の振動現象。挿入図はクーロン階段の注入電

B 26, 2414 (1982).

子数依存性。

[3] P. N. Hai, S. Sugahara and M. Tanaka, Jpn.
J. Appl. Phys. 46, 6579 (2007).
[4] J. Barnas and A. Fert, Europhys. Lett. 44 ,
85 (1998).
[5] P. N. Hai, S. Ohya and M. Tanaka, Nature
Nanotech. 5, 593 (2010).

スピネル型フェライト半導体薄膜のスピン偏極伝導と p 型化工学系研究科関

電気系工学専攻/バイオエンジニアリング専攻

宗俊，岩本

藤行,松井

裕章, 横田紘子, 田畑仁

遷移金属酸化物は電子スピンが強く相互作

しまうことが指摘されている。また、その多大用する強相関電子系であり、高温超伝導や室温なキャリア密度(~1022cm3)の制御が困難であ強磁性あるいは巨大磁気抵抗などの多彩な物ることも Fe3O4 のデバイス応用を図る上で大性が発現する。われわれは、異なる複数の副格

きな障害となっている。さらに Fe3O4 は、低子からなる自然超格子構造を用いて、一つの材

温(～400℃)・還元雰囲気中(真空)でしか結晶成料の中で光・磁気・電子物性が融合した新しい長せず、一般的に高温・酸素雰囲気中で作製さ機能性酸化物材料の創出を目指し研究を行っれる他の酸化物層との組み合わせに不向きでている。本発表では、このような自然超格子型ありデバイス化には適さない。本研究では安定の結晶構造を有するスピネル型フェライトのな絶縁体スピネル型フェライトに遍歴電子系

薄膜形成およびその電気・磁気特性について述（4d 電子系）を持つ Ru イオンを導入するこべる。

とによって電気伝導性を付与し、母体材料の多彩な磁気特性を保持したまま、Fe3O4 のようなCo

高いスピン分極率を発現する新規材料の創製を狙うという新しい物質設計指針に基づき、研究を推進した。
図 2 はフェリ磁性絶縁体 CoFe2O4 の Co サ
イトを Ru で一部置換したときの電子状態密度である。A-site と B-site の Fe イオンのスピンが反平行となっており、一般的なスピネル型

図1. スピネル型結晶構造

フェライトの超交換相互作用によるフェリ磁性の描像と一致する。また、フェルミ準位上のスピネル型フェライト(AB2O4)は室温を超スピン偏極率は 82.5%という計算結果が得らえる強磁性転移温度を示すが、その殆どは絶縁れた。フェルミ準位の Ru イオンの DOS の寄性のフェリ磁性体でありスピントロニクス応

与により偏極率が若干下がっているが、一般的用に有望とは言えない。例外として、マグネタ

な強磁性金属(Fe:40％,Co:35%等)に比べて極イト(Fe3O4)は比較的高い電気伝導性を持つこ

めて高い値である。実験ではこのような Ru 置とが知られており、バンド計算によりキャリア

換スピネル型フェライト薄膜をパルスレーザ

が完全にスピン偏極しているハーフメタル（スー蒸着法(PLD 法)により作製した。図 3 はピン偏極率 100%）であることが示唆されていCo0.5Ru0.5Fe2O4 薄膜のホール効果および磁化る。しかしながら、Fe3O4 はその化学的不安定の測定結果である。CoFe2O4 特有の大きな保磁性によって、ヘテロ接合を形成した際に界面が力を有するヒステリシスが室温において現わ

化学反応を起こして不純物層が形成されるたれている。また、めに、スピン散乱が生じてスピン偏極率が減少

我々はまた、スピネル型フェライト半導体薄2 A-FeFe(A‐site)

膜の p 型化も試みている。スピネル型フェライ

Spin up

トの電気伝導においては、B サイトのDOS (states / atom)
DOS (states/atom)

0-2
4
2 B-Fe0-2Fe(B‐site)
-4
5
B-Co

Fe2+-Fe3+間の電子のホッピングが支配的にな

Spin down

る。この B サイトの Fe イオンの価数を制御し、Fe2+/Fe3+イオン比を大幅に増加させることが極めて困難であるため、これまで p 型化に成功したという報告例はほとんどない。我々は、
Mo4+および Ti4+イオンを同時に B サイトに導0入すると、Fe2+が安定して B サイトに配置し、Co(B‐site)-5
3
2 B-Ru1
0-1-2 Ru(B‐site)
-3
3
2 O
1
0
-1
-2
Oxygen-3-10p 型伝導が実現することを見出したので、詳細を報告する。
謝辞
本研究の実験では低温センターの共同利用装置(MPMS、PPMS)および 304B 号室の低温プ
ローバー装置（電気系グローバル COE 共通装
0Energy (eV)置）を使用させていただきました。ここに記し10て心より感謝の意を表します。

Energy (eV)
図2. 分子軌道法（DV-Xα）を用いて計算されたスピネル型フェライトCo0.5Ru0.5Fe2O4の各構
成元素のエネルギー状態密度(0VはFermiエ
ネルギー）

参考文献

図のように室温における異常ホール効果の曲[2] M. Seki, F. Iwamoto, Y. Ono, H. Tabata, J.

線と M-H 曲線の形が一致していることから、

Cryst. Growth. 312

キャリアの高スピン偏極が示唆された。このよ[3] M. Kobayashi, M. Seki, H. Tabata, Y.

うに 4d 電子系の導入は、母体材料（絶縁体）

Watanabe, I. Yamashita, Nano Lett. 10の特徴的な磁気特性（室温フェリ磁性、保磁力、(2010) 773-776

磁気異方性、耐酸化性等）を活かした新しい磁[4] M. Seki et al., J. Cryst. Growth. in press[1] M. Seki, T. Konya, K. Inaba, H. Tabata,Appl. Phys. Express. 3 (2010) 105801

性半導体の創製に極めて有効な手段であると0.00002

x=0.5

100

0.00001
00-0.00001-100-0.00002-20000-10000

0

10000

20000

Magnetic field (Oe)

図３. Co0.5Ru0.5Fe2O4薄膜の300Kにおけるホール抵抗と磁化の磁場依存性

Magnetization (emu/cm3)-Hall resistivity (Ωcm)

考えられる。

(2010) 2273-2278

新規な磁気機能性を示すシアノ架橋型金属錯体の創製
東京大学大学院理学系研究科化学専攻・大越研究室
所 裕子、大越 慎一【緒言】

10.547(7) Å の立方晶系 (F4̄3m) 、100 K における

近年、強磁性金属錯体の研究が盛んに進められてい低温相は格子定数 a= b= 7.099(2) Å, c= 10.568(5) Åる。その中でも強磁性シアノ架橋型金属錯体は、合の正方晶系 (I4̄m2) である。また、可視光領域にお成および磁気特性の制御が容易であり、高い強磁性

ける分光エリプソメトリーによる誘電率 ()スペク

転移温度を示すことから注目を集めている [1-7]。

トルの測定では、高温相では 410 nm に[Fe(CN)6]3-

シアノ架橋型金属錯体の代表例としては、ヘキサシの配位子金属間電荷移動 (LMCT) 吸収帯と帰属さ

アノ金属酸イオンを構築素子としたプルシアンブ

れるピークが観測された。一方、低温相では金属間ルー類似体があげられる。プルシアンブルー類似体

電荷移動 (MM’CT) 吸収帯に帰属される強い吸収は金属イオンがシアノ基で交互に架橋した面心立型のピークが 470 nm を中心に観測された。

方構造をしており、金属イオンの種類に依存して、このように、低温相の MM’CT 吸収帯が 420 –フェロ磁性やフェリ磁性を示したりする。また、最540 nm で観測されたので、低温相への光照射には

近では、ヘキサシアノ金属酸イオン以外にも、ヘプ

CW グリーンレーザー光 (h1;  = 532 nm) を用

タシアノ金属酸イオンやオクタシアノ金属酸イオンを構築素子としたシアノ架橋型金属錯体も多く研究されている。このような強磁性金属錯体には、
光、電場、磁場、圧力といった種々の外場応答性が期待できるという特徴がある。本研究では、シアノ
架橋金属錯体磁性体を用いた外場応答性磁性体として、RbMnFe ヘキサシアノ錯体と CoWprm オク
タシアノ錯体における光磁性現象を報告する[5-7]。
【RbMnFe ヘキサシアノ錯体における光磁性】
プルシアンブルー類似体の一つである Rb0.88-いた。また、磁化測定には、超伝導量子干渉素子磁
力計(SQUID)を用いた。外部磁場 200 Oe における磁化‐温度曲線は、低温相がキュリー温度 (TC) 12
K のフェロ磁性体であることを示していた。温度 3
K で低温相に h1 光を照射すると、磁化は減少し、光誘起相に h2 光 (= 410 nm) を照射すると、磁化が増加した。h1 光と h2 光を照射した後の磁化曲線を図 1(上)に示す。このような光可逆性は h1
光と h2 光を交互に照射することにより繰り返し観測された 。

Mn[Fe(CN)6]0.96·0.5H2O 錯体は、強磁性を示す電この可逆光磁気効果は、図 1(下)に示すスキー

荷移動型の相転移錯体である。この錯体は、高温

ムで説明される。h1 光を照射すると MM’CT 吸

相[MnII(S= 5/2)−NC−FeIII(S= 1/2) ]から 低温相

収(FeII→MnIII)が励起され、低温相（MnIII–FeII）[MnIII(S= 2)−NC−FeII(S= 0)] への電荷移動相転は光励起状態 I を経て、高温相と同じ電子状態を移に伴い、MnIII のヤーン·テラー歪に起因する立持つ光誘起相（MnII–FeIII）となる。一方、h2 光方晶系から正方晶系への構造相転移が発現する。

照射では[Fe(CN)6]3-の LMCT 吸収（CN– → FeIII）

ヘリウムフロー型のクライオスタットを使った赤励起により、光励起状態 II を経て初期状態の低温

外吸収スペクトルの温度依存性の結果より、高温相へと転移する。中性子回折の結果より、低温相は相 と 低 温 相 の 電 荷 状 態 は そ れ ぞ れ

MnII のスピンが c 軸方向に整列したフェロ磁性体、

RbI0.88MnII[FeIII(CN)6]0.96·0.5H2O

RbI0.88-

光誘起相は層状反強磁性体であることが分かって

MnII0.04MnIII0.96[FeII(CN)6]0.96·0.5H2O であることいる。このような強磁性と反強磁性の間の可逆的にが分かった。300 K における高温相は格子定数 a=

光スイッチングを示す物質は、本例が初めてである。

とり返し観測された。この光磁性現象に関して赤外吸収スペクトルを測定し電子状態を検討した結果、
こ の 光 磁 性 現 象 は CoIII2(S= 0)−WIV2(S=0)−CoII(S= 3/2) [低温相] と CoII3(S= 3/2)−WV2(S=1/2) [光誘起相]の間の可逆的な電荷移動相転移に由来することが判明した。今回観測された TC = 40
K, Hc = 12000 Oe という値は、報告されている光磁性体の中で最高、最大の値である。

図 1. RbMnFe ヘキサシアノ錯体における可逆光磁
気効果.

【CoWprm オクタシアノ錯体における光磁性】
オクタシアノ金属錯体は多様な配位構造をとる
ため、その集積型金属錯体は外部刺激に敏感に応答する可能性を秘めている。その中でも、Pyrimidine(prm) を有機配位子とた 3 次元構造である Co3[W(CN)8]2(prm)4·6H2O (CoWprm 錯体) (図2(上))、温度誘起の電荷移動型相転移現象を示す[7,8]。これは、高温相[CoII3(S= 3/2)−WV2(S= 1/2)]

図 2. CoW オクタシアノ錯体における可視光可逆
光磁性現象. (h1; 785 nm, h2; 532 nm)と低温相[CoIII2(S= 0)−WIV2(S= 0)−CoII(S= 3/2)]間の電荷移動相転移に起因する。CoWprm 錯体におけ[1] S. Ohkoshi, K. Nakagawa, K. Tomono, K.

る高温相→低温相と低温相→高温相の相転移温度

Imoto, Y. Tsunobuchi, H. Tokoro, J. Am. Chem.

は、それぞれ 208 K と 298 K であった。ヘリウム

Soc., 132, 6620 (2010).

フロー型のクライオスタットを使った可視光吸収[2] T. Mahfoud, G. Molnar, S. Bonhommeau, S.

スペクトルの温度依存性の結果より、高温相では

Cobo, L. Salmon, P. Demont, H. Tokoro, S.

500 nm 付近に CoII→WV の MM’CT が存在し、低温相では 750 nm 付近に WIV → CoIII の MM’CTに帰属されるピークが観測されることが分かった。
次に、超伝導量子干渉素子磁力計(SQUID)を用い、光磁気効果の実験を行った。温度 3 K で常磁性を示す CoWprm 錯体の低温相に光照射（=785 nm）を行ったところ、自発磁化が発現した。
この光誘起相の TC および保磁力（Hc） は、TC =Ohkoshi, K. Boukheddaden, A. Bousseksou, J.
Am. Chem. Soc., 131, 15049 (2009).
[3] M. Arai, W. Kosaka, T. Matsuda, S. Ohkoshi,
Angew. Chem. Int. Ed., 47, 6885 (2008).
[4] S. Ohkoshi, K. Arai, Y. Sato, K.Hashimoto,
Nature Materials, 3, 857 (2004).
[5] H. Tokoro, and S. Ohkoshi, Appl. Phys. Lett.,
93, 021906 (2008).
[6] H. Tokoro, T. Matsuda, T. Nuida, Y. Moritomo,

40 K および Hc = 12000 Oe という値を示した(図K. Ohoyama, E. L. Dangui, K. Boukheddaden, S.

2(下))。また、785 nm 光照射直後に 532 nm 光を

Ohkoshi, Chem. Mater., 20, 423 (2008).

照射したところ、磁化が減少した。785 nm 光と[7] S. Ohkoshi, Y. Hamada, T. Matsuda, Y. Tsuno-

532 nm 光の交互の照射により、磁化の増減は繰buchi, H. Tokoro, Chem. Mater., 20, 3048 (2008).

鉛吸収体との接続部を改良したγ線マイクロカロリメータの製作
工学系研究科・バイオエンジニアリング専攻・高橋研究室
畠山修一、ダマヤンティトゥシャラ，大野雅史，伊予本直子，高橋浩之
1. はじめに体を載せたエポキシが基板上に流出した場合の熱超伝導転移端センサ (Transition Edge Sensor :経路の変化がエネルギー分解能の劣化に繋がってTES) 型マイクロカロリメータは、極低温におけいると考えられる。また、吸収体－TES 間の不十る超伝導体の急峻な温度－抵抗変化を用いたスペ分な熱接触が、約 140 ms と長い応答時定数を招

クトロメータであり、従来の半導体検出器と比較

い て い る可能 性 が ある。 一 方 、 NIST の R.D.

して、エネルギー分解能が 2 桁程向上する事が可Horansky らは、錫の吸収体に 8 つのポストを配能となる。数 100keV の領域における TES を適用

置し、常伝導金属 Cu を介して熱を TES へ伝搬さしたγ線検出器の開発は諸外国においても行われせる素子構造を用いて、5.3 MeV のα線に対してておらず、陽電子消滅法を用いた同時計測ドップ

1.06 keV FWHM のエネルギー分解能を得ている

ラ ー ブ ロ ー ド ニ ン グ (Coincidence Doppler[2]。この素子構造により、吸収体－TES 間の機械

Broadening : CDB)や単一光子の検出が可能なコ

的応力の減少、吸収体の機械的安定性の向上、放ンプトンイメージングへの応用が考えられる。

射線吸収点の位置依存性の減少が働く事が期待さ

2. TES マイクロカロリメータの動作原理れている。

TES は極低温において急峻な温度－抵抗変化を本研究では高い計数率を得ながら、吸収体の均有する超伝導体で構成され、超伝導転移温度領域

一性を維持しつつ優れたエネルギー分解能を実現に TES の温度を維持する事によって、放射線入射するため、図 1 に示すように複数のポストと常伝による温度上昇を非常に大きな温度感度で検出す

導金属 Au を使用した TES マイクロカロリメータ

ることが可能となる。また、TES にかけられた定を製作中である。今後は各素子を完成させ、それ電圧バイアスにより、温度変化は TES を流れる電ぞれの特性を評価する。

流変化として表れ、TES 部のジュール発熱量の変化によって再び元の温度に戻そうとする負のフィードバックが働く。これは電熱フィードバック(ElectroThermal Feedback : ETF)と呼ばれ、TESの温度を転移温度領域内に維持し、信号応答の高速化が可能となる。
3. 高計数率、高エネルギー分解能のための素子構造
これまでに我々は有感面積 200×200 μm2 のIr/Au TES に鉛の放射線吸収体をエポキシで結合

図１．製作中の TES マイクロカロリメータ概略させた素子を製作し、662 keV のγ線に対して 4.7
keV FWHM のエネルギー分解能を達成している[1] R.M. Thushara Damayanthi et al : IEEE Trans. Appl.

[1]。これらの検出器はエポキシを直接 TES 上に接Supercond., Vol. 19, No.3, (2009).

続する構造をしており、機械的応力の影響、吸収[2] R.D. Horansky et al : Appl. Phys. Lett., 93, 123504 (2008).

Bi2Se3 超薄膜の異常輸送
理学系研究科 物理学専攻 長谷川研究室
平原 徹、坂本裕介、長谷川修司
１．はじめにカル絶縁体を超薄膜に成長し、表面/バルクの比をトポロジカル絶縁体は量子スピンホール相とも大幅に向上させて電子状態及び輸送特性を研究し呼ばれ、最近“新しい物質状態(a new state ofている。本研究ではシリコン上に 80Åの厚さのmatter)”として量子伝導、場の理論、表面物理な

Bi2Se3 超薄膜を成長させそのバンド構造及び磁気どを中心に物性物理の研究分野全体に話題を提供

抵抗測定を行ったのでその結果を紹介する[3]。

している[1]。この相は２次元及び３次元系で実現されるもので、バルクが非磁性絶縁体であるのに対して、そのエッジ状態（２次元の場合）や表面状態（３次元の場合）はギャップレスである。こ

２．Bi2Se3 超薄膜の電子構造

EF(a) 80Åのエッジ/表面状態はスピン流を運び、しかもこの
エッジ/表面状態は非磁性不純物等による散乱からトポロジカルに保護されているなど新奇な物性

バルク

表面

0.4

が理論的に提唱されており、最近になってビスマ
ス系化合物でその実験的観測が報告された。
上記のようにトポロジカル絶縁体の興味深い性
質は表面状態が担っている。原理的にはバルクのバンド構造はギャップを持つために十分低温においてはその寄与をなくし、表面状態のみの特性を

0.8
-0.2

0

kΓ-k(Å-1)

0.2

計測することが可能なはずである。しかし現実的には高純度に作成した結晶であっても種々の欠陥によってドープされた絶縁体になっている。例えば代表的なトポロジカル絶縁体である Bi2Se3 や
Bi2Te3 においては占有状態しかバンド構造を測定できない角度分解光電子分光法によってバルクバ
ンドが明確に観察され、n 型にドープされていることが分かった。実際には価数の違う原子を結晶作成時に混ぜることでバルクの絶縁性を上げることが試みられている。しかし極低温・強磁場下で表面状態が測定された電気伝導度に寄与している
割合は最高でも 6%と報告されており[2]、まだまだ表面状態の輸送特性及びそこから予想されている新しい物理現象を観測するには至っていない。
このような状況を踏まえて、筆者らはトポロジ

図１に角度分解光電子分光法によって測定された 80Å厚さの Bi2Se3 超薄膜のバンド構造を示す。
フェルミ準位直下の強度が強い部分はバルクバン
ドを示していて、これは Se サイトでの欠損によりバルクが n 型にドープされていることを示している。このような n ドープの傾向はバルク半無限結
晶でも見られており、上述のように表面状態の性質を調べる上で障害となっている。その脇に見られるやや強度が小さい直線的なバンドが表面状態で、スピン分解測定によりスピン分裂していることも直接示されており、ヘリカルディラックフェ
ルミオンと呼ばれる。このように超高真空中で試料を作成し、その場で電子状態を測定することで単結晶試料同様なバルクと表面両方ともフェルミ

準位を横切る n ドープのトポロジカル絶縁体のBi2Se3 超薄膜が形成されることが明らかになった。

図２に超高真空下で作成した Bi2Se3 超薄膜を大気に出し、プローブを接着して電気抵抗率(a)及びホール係数(b)の温度依存性を測定したもの、さら３．Bi2Se3 超薄膜の磁気輸送測定に各温度で電気抵抗率の磁場依存性を測定したもの(c)を示す。抵抗率は温度の抵抗とともに増大し(i,ii)、30K 以下でほぼ一定になる(iii)絶縁体的な振る舞いを示す。一方ホール係数もこの変化に対応して増大しており、キャリア濃度が減少している
ことが分かる。これは図１に示した金属的なバンド構造と矛盾する結果であり、起源を説明することはできない。各温度領域でのキャリアの振る舞いをより詳細に調べるために磁気抵抗を測定したが、ここでも i、ii、iii それぞれの温度領域で磁場依存性に大きな違いが出た。比較的高温(i)では抵抗率が弱磁場で一度下がり、再び上昇する。温度領域 ii では 20%程度の大きな正の磁気抵抗が観測された。一方 30K 以下の低温(iii)ではゼロ磁場付
近でカスプが見られ、温度の低下とともに鋭くなっていく。このような傾向は二次元系の反局在効
果と定性的には一致するが、定量的には既存の理論からは説明できない。実はこのような鋭いカス
プ構造はバルク単結晶でも観測されている[4]。前
述の通り、バルクの金属性を完全に排除できていないのでこの特徴が表面状態由来のものであるか
は現時点でははっきりしない。将来的には磁気抵抗測定も大気に取り出さずにその場で行い表面状態の寄与を確かめる予定である。
謝辞：磁気輸送特性測定は低温センターの藤井武
則博士に行っていただきました。この場で厚く御礼申し上げます。
[1] 村上修一、平原徹、松田巌、日本物理学会誌
Vol. 65, No. 11, 840 (2010).

[2] Z. Ren et al.,Phys. Rev. B 82, 241306 (2010). [3] T. Hirahara

et al., Phys. Rev. B 82, 155309 (2010). [4] J. G.
Checkelsky et al., Phys. Rev. Lett. 103, 246601(2009).

加圧下・層状有機物質 -(ET)2I3 におけるゼロ質量 Dirac Fermion の 13C-NMR 研究
工学系研究科 物理工学専攻 鹿野田研究室
平田 倫啓, 石川 恭平, 宮川 和也, 田村 雅史, 鹿野田 一司【A. はじめに】 近年, 電子が実効的に質量ゼロの粒子のようにふるまう状態 － ゼロ質量
Dirac Fermion (DF) － が単層グラファイト(graphene）などで発見され, 量子状態の新規性や, 素粒子論とのアナロジーの観点から衆目をあつめる [1]. そんな中, 層状有機物質 -(ET)2I3（-I3）でも静水圧下で「DF」が出現することが,バンド計算[2] や電気抵抗率測定[3] から, 明らかになっている. 層状結晶・-I3 は, 磁化率などの熱力学量が測定できる数少ない「DF」の系であるため, いまだ解明されていない「DF」の ＜低温・高磁場下磁性 (スピン状態)＞ の理解に, 大きく貢献すると期待される. 今回, その第一歩として, -I3 に 2.3 GPa の静水圧を印加し行った
13C-核磁気共鳴（NMR）測定の結果を紹介する.

30 K 以下の低温で「DF」に特徴的な核磁気緩和率のふるまいを観測し, はじめて,「DF」の存在
-I3 の結晶構造.

をマクロな熱力学量測定から確認した. これに

図 1(上) 横からみた積層構造, (下)より, 今後, 「DF」の ＜スピン状態＞ を解明し上からみた伝導層内の分子配列 (: 独立分子 A, B, C).

ていく上での基盤が築かれたといえる.

NMR 測定のため, ET 分子中心の 12C 原子は 13C 同位体【B. -I3 の結晶構造】 -I3 は,ドナー: [ET+0.5]（核スピン I = 1/2）に置換してある.

分子と閉殻非磁性のアクセプター: [I3-] 分子が交互に積層した, 層状構造をもつ（図 1 上図）. ET

れ,[4]「DF」との関連性が指摘されるが[5] 詳細は分子 2 つあたり, I3 分子へ電子が１つ受けわたさ

まだよくわかっていない.

れることで, [ET+0.5] 分子層内には実効的な正電【C. 目的】 この先行研究をふまえ, 我々は「局荷（ホール）が生じ, また [I3-] 層は絶縁層とな所スピン磁化率」の不均一化 と「DF」の関係性

る. [ET+0.5] 分子層内に生じたホールは層内を自をより具体的にあきらかにすることを目指した.

由に動けるため, 二次元的な伝導層が形成されこのため, 先行研究よりも「DF」が確実に安定る. 伝導層内の単位胞中には, 独立分子が 3 つ化している 2.3GPa の静水圧のもと, より低温ま（A, B, C；図１下図）存在する. 先行する圧力下で 13C-NMR 測定をおこなった. 測定には ET 分

での NMR 研究から, A, B, C 分子の間で「局所ス

子中心に導入した 13C 核（図 1 上図）の磁気共鳴

ピン磁化率」が不均一に分布する現象が報告さを用い, 独立分子ごと「局所スピン磁化率」を評価した. 先行研究とは異なり, 我々は全温度点において外部磁場を伝導面内で回転し, 共鳴線シフトの角度依存性をしらべることで, 「局所スピン磁化率」の大きさを決定している.
【D. 核磁気共鳴 － NMR】 13C-核磁気共鳴で測定できるのは, 外部磁場中, 電子スピンが 13C 核
位置につくる微小な磁場の大きさ（:「局所スピン磁化率」）と, その搖動（:「局所スピンゆらぎ」）
だ. 「局所スピン磁化率」は Knight シフトから,
また「局所スピンゆらぎ」は核磁気緩和率から,それぞれ求めることができる. A, B, C 独立分子

図 2 A, B, C 分子における Knight シフトの温度依存性.

は, NMR スペクトルから区別可能だ.
【E. 局所スピン磁化率】 図 2 には, 上記のように評価した Knight シフトの温度依存性を A, B,
C 独立分子ごとプロットしたものをしめす. 先行研究同様, 温度の低下とともに, 独立分子間で「局所スピン磁化率」の差が発達する現象が確認された. 特筆すべきは, (i) B 分子の「局所スピン磁化率」が温度の低下に対し急激に減少し, 60 K
以下で消失すること, そして,（ii）20 K 以下でA, B, C 分子間に「局所スピン磁化率」の差がほぼみられなくなることだ.
【F. 核磁気緩和率】 図 3 には, A, B, C 独立分子

図 3 A, B, C 分子における核磁気緩和率の温度依存性.

ごと測定した核磁気緩和率（ 1 / T1T ）の温度依
存性と, その平均値をしめす. 室温から 30 K ま性があること. また,（b） 3 K 以下で 1 / T1T にででは, 非単調な温度依存性がみられたが, 30 –

大きな増大が見られること. これらはいずれも,3 K の温度域で,「DF」に特徴的な核磁気緩和率

従来の一粒子描像にもとづく理論予測[5] とは異の温度依存性（ 1 / T 1T  T 2 ）が観測された. E.

なるふるまいであり, この系の「DF」に固有な,(ii) でのべたとおり, この温度域では A, B, C 分

何らかの多体効果が存在することを示している.

子間に「局所スピン磁化率」の差がほとんど見られない. これはつまり, 「局所スピン磁化率」
・不均化の消失 と 「DF」安定化 の間に, 密接な関【H. 参考文献】

連性が存在することを示している.

[1] http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureate【G. 今後の課題】 一方で, 新たななぞも浮かび

s/2010/#. [2] S. Katayama et. al., J. Phys. Soc. Jpn. 75,

上がっている. とくに, （a）30 K 以下で観測さ054705 (2006). [3] N. Tajima et al. J. Phys. Soc. Jpn.

れた 1 / T1T の絶対値は, バンド計算から期待

75, 051010 (2006). [4] S. Hirose et al., Phys. Rev. B 82,

される値より 100 倍大きく, 電子間クーロン相互

115114 (2010). [5] A. Kobayashi et al., Sci. Technol.

作用の非常に大きな「DF」が実現している可能Adv. Mater. 10, 024309 (2009).

超伝導体で修飾した多層グラフェンの伝導特性
大学院理学系研究科・物理学専攻・福山研究室
松尾貞茂、折池雄太、松井朋裕、福山 寛
2次元系の超伝導転移は純粋な物理学的興実験系となり、恐らく走査トンネル分光法を味の他、超伝導薄膜の応用などの観点からも使った超伝導ギャップの観測も可能になると興味をもたれ、長い研究の歴史がある。例え考えられる。

ば、互いにジョセフソン接合している微少超実験はまず、表面を285 nmの厚さで酸化さ

伝導体の2次元ネットワークでは、低温でせたシリコン基板上に10〜20 mの大きさのKosterlitz-Thouless 転移（KT転移）が観測される [1]。KT転移は、超流動4He薄膜などのよ
うに2次元 XY モデルで記述される系に特徴的な相転移で、そこでは渦と反渦が束縛した渦対の形成とその解離が重要な役割を果たしている [2]。一方、2004年にグラファイトの単原子層シートであるグラフェンを単離する方法が発見され [3]、それ以降この新しい2次元伝導物質の基礎物性や応用の研究が活発に行われている。この物質の2次元伝導を担うパイ電子系の性質は、表面に異物質を吸着あるいは蒸着させることで容易に変えることができる。また、グラフェン層数が数層程度までの試料では、電界効果で電子密度をコントロー
ルすることもできる。
最近、我々は2層から数十層に及ぶ多層グラ
フェン基板上に超伝導体であるスズ(Sn)の薄膜を蒸着した系を作成し、KT転移の有無など
その超伝導特性を詳細に調べる研究を開始した。今回は低温磁場下での電気伝導度の測定
結果を紹介する。Snはグラフェン表面を濡らさないので、表面でランダムな島(アイランド)状構造を自己形成することが知られている。T
≤ 4 Kで個々のSnアイランドが超伝導転移す
ると、直下のグラフェンへ近接効果でクーパー対が染み出して超伝導アイランド同士がジョセフソン接合することが期待できる。その場合、この系はKT転移を調べる上で理想的な多層グラフェン試料をmicro-cleavage法で作成した。次に、この試料にフォトリソグラフィーの手法で金/チタン(50 nmt/10 nmt)の微少電極を取り付け(図1挿入図)、その後、試料表面に平均膜厚を20〜65 nmの範囲で変えながらSnの薄膜を蒸着した。図１は3層グラフェンの上にSnを平均膜厚30 nmで蒸着した試料表面の走査型電子線顕微鏡(SEM)像である。予想通
り、直径500 nm程度の大きさの無数のSnアイ
ランドが互いに50 nm程度の間隔をあけてランダムに分布した島状構造を形成していることが分かる。
I+
V+
V-

I- 20 µm

図 1． 3 層グラフェン上に Sn を平均膜厚 30nm で蒸着した試料表面の SEM 像。挿入図は3 層グラフェン試料と電極の光学顕微鏡写真。

こうして作成した試料の電気抵抗を低温センターの物性評価システム(PPMS)を使ってT= 0.7 Kの極低温まで測定した。図１のようにSnが島状構造を形成している試料では、図２

granularな超伝導薄膜などにおいて観測される磁場誘起型の超伝導 - 絶縁体転移[5]がこの系でも生じていることを示唆している。
一方、Bcより低磁場での抵抗の温度依存性
はアレニウス型に近いことから、電気抵抗は
熱活性型の物理現象に起因しているようである。これはMoGe薄膜[6]で報告されている磁束のクリープ現象によるものである可能性が高い。その場合、B ≤ Bcの領域は磁束液体相と考
図 2．3 層グラフェン上に Sn を平均膜厚 30 nmで蒸着した試料の電気抵抗の温度依存性。

えることができる。
以上、多層グラフェン上にスズ薄膜を蒸着することでランダムに連結したジョセフソン

に示すように、抵抗はT = 3.8 K以下で一旦急接合の2次元ネットワークを作成し、電気伝導峻に減少し、その後最低温度まで比較的広い

測定からその超伝導転移がKosterlitz-Thouless

温度域に渡って緩やかに減少する2段階の転型であること、磁場誘起の超伝導-絶縁体転移が起こることなどが分かった。今後は、I-V
特性などさらに詳細な伝導度測定を行うと共に、走査トンネル分光測定も計画している。
本研究は科学研究費補助金基盤(A)(課題番号22244042)の援助の元で行われました。また、
PPMSを使った交流抵抗測定では、低温センターの藤井武則助教に大変お世話になりました。

移を示すことが分かった。ここで、高温側の転移はSnアイランド自身の超伝導転移を反映しており、低温側の転移は近接効果でグラフ
ェンを介してSnアイランド同士が連結した試料全体の超伝導転移に対応していると考えられる。後者がKT転移に由来するものであるかどうかを調べるため、(dlnR/dT)-2/3を温度に対してプロットしてみると(Rは電気抵抗)、図2の挿入図のように2.4 ≤ T ≤ 3.3 Kの範囲で直線的な振る舞いを示すことが分かる。これはKT[1] H.S.J. van der Zant et al., Phys. Rev. B 50, 340(1994).

転移から期待される温度依存性である。この[2] J.M. Kosterlitz and D.J. Thouless, J. of Phys. C6,

温度範囲では、渦対が熱解離して生じた自由

1181 (1973); V.L. Berezinskii, Soviet Phys.

渦によって電気抵抗が生じている。この直線–JETP 32, 493 (1970).

的な振る舞いが温度軸と交わる点から、試料[3] K.S. Novoselov et al., Science 306, 666 (2004).

のKT転移点は2.06 Kと評価される。以上の結[4] B.M. Kessler et al., Phys. Rev. Lett. 104, 047001

果は、他グループの報告[4]ともよく一致しており、この系でKT転移が実現していることはほぼ確実と思われる。
次に、外部磁場(B)を印加して超伝導が壊れる様子(磁気抵抗)を調べてみると、ある臨界磁場(Bc ≈ 85 mT)を境に磁気抵抗の温度依存性が正から負に変わり、高磁場域では絶縁体的に振る舞うことが初めて分かった。これは、(2010).
[5] A. Yazdani, and A. Kapitulnik, Phys. Rev. Lett. 74,
3037 (1995).
[6] D. Ephron et al., Phys. Rev. Lett. 76, 1529 (1996).

新規鉄系超伝導体の開発
東京大学・大学院工学系研究科・応用化学専攻・岸尾研究室
荻野拓、佐藤伸也、川口直登、清水保章、町田健次、山本明保、岸尾光二、下山淳一
東工大の細野グループによって発見された鉄系あるように FeAs 層の構造が共通でブロック層の超伝導体はいずれも Fe の正方格子を構造ユニッ構造と厚みが異なる一連の化合物の存在を見出しトとして持ち、ブロック層の構造により REFeAsO

た。岩塩ブロックの有無によって構造が二系統に（RE：希土類）系、AEFe2As2（AE：アルカリ土類）

分けられ、それぞれペロブスカイト層の積層枚数

系、AFeAs（A：アルカリ金属）系、FeCh（Ch：カが異なる構造が複数存在する。表 1 にあるように、

ルコゲン）系、AFe2Ch2 系などに分類される。よく

Fe-As-Ca-(Sc,Ti)-O,

知られているこれらの構造以外に、FeAs 層間がペFe-As-Ca-(Al,Ti)-O と三系統の組成系が存在し、いロブスカイト類縁構造となっている物質が報告されている[1,2]。最近我々はこのペロブスカイトブ
ロック層を持つ鉄ニクタイドにおいて、ペロブス
カイト層の厚みが異なる一連の化合物を発見したので、その詳細について報告する。
ペロブスカイト酸化物層とアンチフルオライト層が積層した化合物は、銅の酸硫化物などで数多く報告されている。我々は既知物質の傾向や過去

Fe-As-Ca-(Mg,Ti)-O,

ずれも 6 元系で Ti が入っていることが特徴である。
(Fe2As2)(Can+1(Sc,Ti)nO3n-1) [3]の組成では、これまでに n = 3 ~ 5 に相当する、22438, 225411, 226514の三種の構造を発見している。22438 は FeAs 層間に三層のペロブスカイト酸化物層が挟まれた形になっており、更に n = 4,5 の物質はこの物質からCa(Sc,Ti)O3 のペロブスカイトブロックが一層ずつ増えた構造となっている。このような関係は銅酸の物質探索の経験から、この系の相生成においては化物高温超伝導体における Bi2201-2212-2223 など構成元素のイオン半径・安定価数・カチオンアニオンと類似している。ただし銅酸化物ではペロブスカの選択性などが重要であることを見出し、これらの指イト層が超伝導層であるが、この物質では絶縁層針に基づいて物質探索を進めた。その結果、図 1 にであるため、この場合はペロブスカイト層が厚く

c
FeAs
a

Ca-M-O

略称

22438
c/2 ~ 18 Å

225411c/2 ~ 21 Å

226514c/2 ~ 25 Å

(Fe2 As2)(Can+1MnO3n-1)

22426
c ~ 16 Å22539
c ~ 19 Å

226412c ~ 23 Å(Fe2As2)(Can+2MnO3n)

図1 発見した新物質の結晶構造

表1 発見した新物質のTc

0Fe-As-Ca-M-O
M = (Mg,Ti)FC
M = (Al,Ti)

構造

Tc

構造

Tc

構造

Tc

22438
225411226514

33
41
42

22438
225411

47
42

22426
22539
226412~20~3039

なると相対的に超伝導層が薄くなり、超伝導層間距離が長くなることになる。また一般的なホモロガス相と異なり、(Sc,Ti)カチオンの形式上の価数が整数ではなく、またペロブスカイト層部分の厚みが変わると同時に価数も変化する。n = 3 の(Fe2As2)(Ca4(Sc,Ti)3O8) で は (Sc,Ti) の 形 式 価 数 が+3.3 で理論上の Sc:Ti 比が 2:1 なのに対し、(Fe2As2)(Ca4(Sc,Ti)3O8)では形式価数が+3.5 で Sc:Ti
比 が 1:1 と な る 。 今 回 発 見 し た 物 質 がCa-(Sc,Ti)-O・Ca-(Mg,Ti)-O・Ca-(Al,Ti)-O などのよ
うに、ペロブスカイトブロックの B サイトが複数のカチオンからなっているのはこのような理由による。厚いペロブスカイトブロックを反映して超伝導層間距離は n = 4 で約 20 Å、n = 5 で約 24 Å となっており、これは Bi 系・Hg 系などいずれの銅酸化物高温超伝導体よりも大きい値で、無機の超伝導体中では最も長い値である。また
Fe-As-Ca-(Mg,Ti)-O の 組 み 合 わ せ で も 22438,
225411 と(Sc,Ti)系と同一構造の化合物が二種類存在する[4,5]一方、Fe-As-Ca-(Al,Ti)-O の組み合わせでは 22426, 22539, 226412 と、ペロブスカイト層間に岩塩ブロックが挿入された三種類の構造が存在しており[6]、この違いはペロブスカイト層の A サ
イト・B サイトカチオンのイオン半径比に由来すると考えられる。
これらの新物質の磁化率及び抵抗率を測定した
ところ、いずれも意図的なキャリアドープなしにバルクの超伝導を発現した。超伝導転移温度(Tc)は 20 ~ 40K 前 後 、 う ち 最 も Tc の 高 い(Fe2As2)(Ca4(Mg,Ti)3O8)は磁化で 42 K、抵抗率で 47
K で超伝導転移した（図 2）。この Tc は REFeAsO-1

4M / HM = (Sc,Ti)

-2
-3
-4

ZFC
0

H = 1 Oe

10

20
30
40
50
T/K
図2 (Fe2As2 )(Ca4(Mg,Ti)3O 8)の磁化率の温度依存性[4]系に次ぐものである。不純物が存在するためまだ詳細な構造解析が行えていないが、この高い Tc はPnictogen height など従来提唱されている鉄系超伝導体の Tc 決定因子が最適値に近いためと考えている。新物質の Tc の違いは基本的には a 軸長で整理でき、最も a 軸長の短い(Al,Ti)-22426 から a 軸長が伸びるにつれて Tc が上昇し、(Mg,Ti)系で極大を取ったのち(Sc,Ti)-22438 の 33 K まで徐々に低下していく傾向にあった。また今回発見した新物質のTc とブロック層の厚みとの関係を調べたところ、Tc と Fe 面間距離との間に大きな相関は見いだせなかった。これは鉄系超伝導体において構造の次元性は Tc 決定の主要な因子ではないことを示唆する
結果で、さらなる Tc の向上には超伝導層自体の厚みの変更など、新たな方向性が必要と考えられる。
[1] H. Ogino et al., Supercond. Sci. Technol. 22075008.
[2] X. Zhu et al., Phys. Rev. B 79 220512(R).
[3] H. Ogino et al., Appl. Phys. Lett. 97 (2010)
072506.
[4] H. Ogino et al., Appl. Phys.Express 3 (2010)063103.
[5] Y. Shimizu et al., arXiv:1006.3769[6] H. Ogino et al., Supercond. Sci. Technol. 23 (2010)
115005.

Eu 置換した SrFeO2 薄膜の作製と輸送・磁気特性
東京大学大学院理学系研究科化学専攻 固体化学研究室
松山敏也、近松彰、廣瀬靖、福村知昭、長谷川哲也【緒言】近年 CaH2 を用いた低温還元により平面ることにより抵抗率が大幅に低下する様子が見て四角形構造を持った鉄酸化物 SrFeO2 が合成され取れる。抵抗率は置換量 x = 0.15 の試料で最小値た[1]。この構造は無限層構造と呼ばれ、高温超伝~0.15 Ωcm となり、置換していない SrFeO2 (~2導体銅酸化物の母構造 SrCuO2 と同じことから元×10-3 Ωcm)と比較して約 4 桁減少することが明

素置換等によるキャリア注入により特異な輸送特らかとなった。

性の発現が期待されている。しかしながら、次に、Sr1-xEuxFeO2 薄膜の抵抗率の温度依存性

SrFeO2 にキャリアを注入したという報告例はな(ρ-T)を評価した。図 2 にその結果を示す。いずれ

い。今回我々は Eu を少量置換することにより電の試料についても温度減少により抵抗率が上昇す

気伝導性の発現に成功したので報告する[2]。

る半導体的挙動を示した。また、作製した試料のキャリアは、ホール効果測定により電子であるこ【実験方法】パルスレーザー堆積法により SrTiO3とが明らかとなった。加えて、作製した試料中の(001)基板上に堆積した Sr1-xEuxFeO3-δ 薄膜を、24

Eu 価数は XAS 測定より 3 価と同定された。これ

時間 280 ºC で強還元剤 CaH2 により処理すること

らの結果は、Eu3+が Sr2+サイトを置換することでで Sr1-xEuxFeO2 薄膜を作製した。結晶構造は X

SrFeO2 に電子がドープされ、抵抗率が低下したこ

線回折により評価し、いずれの試料も c 軸配向しとを示している。

た無限層構造を有していることを確認した。これ
らの試料の評価はホール効果測定および X 線吸収【参考文献】

分光(XAS)により行った。

[1] Y. Tsujimoto et al., Nature 450, 1062 (2007).
[2] T. Matsuyama et al., Appl. Phys. Express 4,【結果と考察】図 1 に Sr1-xEuxFeO2 の、300 K に

013001 (2011).

10

4

10

3

10

2

10

1

10

0

10

-1

10

-2

0.00

100

Sr1-xEuxFeO2

0.05

0.10

0.15

Resistivity (cm)

Resistivity at 300 K (cm)

おける抵抗率の Eu 量依存性を示す。Eu を置換す

0.20

Eu content x
図 1. Sr1-xEuxFeO2 の 300 K における抵抗率のEu 量依存性

x=0.05 undoped
-3

(
10 )

10

x=0.201

0.1

x=0.100100

x=0.15200

300

Temperature (K)図 2. Sr1-xEuxFeO2 試料における ρ-T 曲線

自己形成 InAs 量子ドットジョセフソン接合における近藤効果と超伝導電流の電気的制御

氏名

所属 工学系研究科 物理工学専攻 樽茶・大岩研究室
金井康, R. S. Deacon, 大岩顕, 吉田勝治, 柴田憲治, 平川一彦, 樽茶清悟

近年の半導体微細加工技術の発展によって、半御を意味する点でも興味深い。また、量子ドット

導体中の数十ナノメートルスケールの領域に 0 次

ジョセフソン接合は超伝導磁束量子ビットやアン

元的に電子を閉じ込めることが可能になった。こドレーエフ束縛状態による量子ビットへの応用がのような領域は、一般に量子ドットと呼ばれ、そ可能であり、新しい量子計算デバイスとして期待の中の電子は、量子力学的な閉じ込めによる離散されている。

的な準位を持ち、また電子間にはクーロン相互作

上記のような超伝導電流の観測に関しては、以用が働く。特に量子ドットの閉じ込めポテンシャ

前は理論による研究のみであったが、 最近になっルが良い対称性を持つ場合には、ドット内の電子てカーボンナノチューブ[3,6]や InAs ナノ細線ジ

構造は原子に類似の基本則、即ち、殻構造やフンョセフソン接合[4]などにおいて、徐々に実験が報

ト則に従う[1]。量子ドットには、電子数や閉じ込告され始めている。我々のグループでは表面析出

めの強さ、外部環境（電極や他の量子ドットなど）型の自己形成 InAs ドットを用いた研究を行ってとの結合の強さなどを変調できるという特徴があおり、これまでの研究により、InAs-SAQD ジョ

り、これを利用して、極低温で発現する様々な量

セフソン接合において初めて超伝導電流を観測し、子力学的な性質が調べられている[1]。 その中でバックゲートによる制御を行った[5]。

興味深い現象として、電子相関やスピン効果に関現在、超伝導と近藤効果との競合に関して様々する性質で、パウリ効果、近藤効果などが代表的な研究報告[6]がなされているが、近藤温度の系統な例として挙げられる。近藤効果は磁性不純物を的な制御が困難であり、深い理解には至っていな含む金属で良く知られた現象で、磁性不純物、即い。自己形成 InAs ドットジョセフソン接合におち局在磁気モーメントと金属中の伝導電子の間のいて、近藤効果のパラメータである近藤温度の制

スピン１重項結合に起因する[2]。 量子ドットに御が実現されれば,近藤効果と超伝導の競合を深

奇数個の電子がある場合、不対の電子が存在する
ので、これを単一の磁性不純物とみなすと、外部電極中の伝導電子との間のスピン１重項結合により、やはり近藤効果が発現する。加えて、量子ドットでは、ドット中の電子状態や外部電極との結合をパラメータとして、通常の金属では観測されなかったような、様々な近藤効果が観測されている。 特に、最近では超伝導や強磁性といった異なる電子相関状態との競合（あるいは相互作用）現象が、新しい量子物理として注目されている。これらの現象は、半導体への超伝導電流やスピン電流の注入、及びこれらの電流の半導体を介した制図 1. 走査型電子線顕微鏡写真

図 3. 臨界電流(ISW)の近藤温度依存性
超伝導状態において、サイドゲートによって近藤
図 2. 近藤温度のサイドゲート依存性

温度を制御することにより、ドットを流れる超伝

く理解することが可能となる。それだけでなく、導電流の臨界電流(Isw)の制御を行った(図 3)。TK

近藤効果と他の現象の競合などを測定することもが超伝導ギャップエネルギー()よりも十分小さ可能となる。そのため、自己形成 InAs ドットにい領域では、超伝導電流が抑制されているが、あおいて近藤温度の制御の実現は量子ドット系におる近藤温度を境にドットを流れる超伝導電流が増ける物理現象の新しい理解に繋がる。しかし、一幅されていることがわかる。これは TK<<の領域

般に InAs ドットのような表面析出型の量子ドッ

では量子ドット内の不対電子により、接合が接合

トでは近藤温度の制御は難しく、量子ドットジョになっており、逆に TK>>の領域では不対電子のセフソン接合系では実現されておらず、その方法

電子スピンが近藤効果により遮蔽されることで接を確立する必要がある。

合が 0 になっていることを示唆している。この結近藤温度は量子ドットとリードとの結合の強さ

果からサイドゲートにより TK を制御することでに強く依存する。そのため、量子ドットとリード

超伝導電流(0-接合)の制御に成功した。また、その結合の強さを制御することができれば近藤温度の 0-転移点は TK/~1.1 であることがわかった。

の制御が可能となる。本研究ではこれまでのバックゲートを持つ InAs ドットジョセフソン接合に[1] S. Tarucha et al., Phys. Rev. Lett 77, 3613

新たにサイドゲートを付加したデバイスを考案し、(1996)

作製した（図 1）。サイドゲートによって量子ドッ[2] S. M. Cronenwett et al., Science, 540, 281

ト内の静電ポテンシャルを変調させることにより、(1998)

ドットとリードの結合を変化させ、近藤温度の制[3] M. R. Buitelaar et al., Phys. Rev. Lett 89,

御を試みた。希釈冷凍機を用いて試料を約 30mK

256801 (2002)まで冷却し、ロックインアンプにより試料の微分[4] Y. -J. Doh et al., Science 272, 309 (2005)

電気伝導度の測定を行った。その結果、量子ドッ[5] Y. Kanai et al., J. Phys.: Conf Ser., 150,

ト内の電子数を固定した状態で、リードの結合の022032 (2009)

強さ、帯電エネルギー、近藤温度(TK)をサイドゲ[6] H. Ingerslev et al., Nano letters 2441, 7ートにより制御することに成功した(図 2)。また、(2007)

ダイヤモンドにおける低温電子正孔相の探索
工学系研究科附属光量子科学研究センター
大間知 潤子半導体の光励起により生成される電子正孔系は、熱速度が小さくなる低温側では抑制されることが密度と温度によって多様な相を形成する。低密度

分かってきた[3]。低温領域では、液滴の有限サイ側では電子と正孔がクーロン力によって束縛されズ効果により、従来の発光形状解析法による密度た励起子が観測される。高密度側では励起子がイと温度の評価は困難になる。そこで、時間分解発オン化し、フェルミ粒子的な性質を顕した電子正光測定と同時に中赤外誘導吸収測定を組み合わせ孔プラズマが観測される。間接遷移型半導体では、ることで、液滴由来の金属応答を検出し、液滴サ

低温・中間密度領域で電子正孔液滴が観測される。

イズによらずに液滴密度を決定することに成功し

これは、励起子ガス中に高密度な電子正孔液体がた。また、液滴内部において強い電子正孔相関が空間凝縮したものである（図 1）。

効いていることを明らかにした。
本講演では上記の詳細を述べると共に、さらなEXる低温・低密度領域において観測された多励起子状態についても発表する予定である。
謝辞

EHD

本研究は科研費（20104002）及び科学技術振興機構（CREST）の助成を受けたものである。本研究
図１．電子正孔系の相図（概略図）と励起子（図成果は、鈴木理仁君、加藤宏平君、Nguyen Thanh

中 EX）と電子正孔液滴（EHD）の概念図。

Long 君、吉岡孝高助教、中暢子准教授（京大）、
五神真教授との共同研究によるものである。本研

ダイヤモンドは、シリコンと同様のバンド構造を持つワイドギャップな間接遷移型半導体である。

究で使用した試料は、角谷均氏（住友電気工業株式会社）に提供いただいた。

近年の高品質な単結晶の成長技術とレーザー技術の進歩により、紫外の強力なパルス光源による高参考文献

密度励起現象の探索が可能となった。紫外領域の[1] R. Shimano, M. Nagai, K. Horiuchi, and M.

フェムト秒光源でダイヤモンドを強く光励起する

Kuwata-Gonokami: Phys. Rev. Lett. 88と、温度 165 K 以下において液滴由来の発光が観(2001) 057404.

20測される[1]。液滴内部の電子正孔対密度は 10-3[2] M. Nagai, R. Shimano, K. Horiuchi, and M.

cm と極めて高く、低温高密度領域での多体相関

Kuwata-Gonokami: Phys. Rev. B 68 (2003)

現象を調べる舞台として注目されてきた。

081202 (R).

これまで、時間分解発光測定により液滴の形成[3] J. Omachi, N. Naka, K. Yoshioka, and M.

ダイナミクスが調べられてきた[2]。液滴形成は臨

Kuwata-Gonokami: J. Phys. Conf. Ser. 148

界温度以下の中間温度領域で促進され、励起子の(2009) 012051

層状ぺロブスカイト型マンガン酸化物における電荷・軌道ストライプ状態と電界誘起非線形伝導工学系研究科・物理工学専攻（低温センター）・朝光研究室
氏名 高橋聖典、西原林太郎、藤井武則、朝光敦
強相関電子系においては、通常の金属・半導体
えば、銅酸化物にける高温超伝導体やマンガン酸化物のおける巨大磁気抵抗効果(CMR)などが挙げられる。これらの物性は、電荷・軌道秩序・格子・スピンなどの自由度が複雑に絡み合うことにより、劇的な現象が発現すると考えられている。今回
我々が研究対象とした層状ぺロブスカイト型マン
ガン酸化物の結晶構造は、伝導層 MnO2 面が 2 枚

Resistivity(ohm-cm)などとは異なる様々な現象が観測されている。例

10

4

10

3

10

2

10

1

10

0

I//ab

R=Eu
Sm
Pr

Tco2
↓
Tco1
↓

-1

10

-2

10

150

200

と絶縁層 1 枚(AE,RE)O(AE:アルカリ土類元素、

250

300

350

400

Temperature(K)RE:希土類元素)が交互に積層した構造をとってお図 1．RCaMn2O7(R=Pr,Sm,Eu)におけるり、電子系は擬２次元的となり、通常の 3 次元ペab 面内の抵抗率の温度依存性

ロブスカイト型マンガン酸化物にはない物性の発現が期待できる。
最近になって Tokunaga らによりハーフドープ
系層状マンガン酸化物 Pr(Ca0.9Sr0.1)2Mn2O7(以下、PSCMO327 と略記)において電荷・軌道ストライ
プの回転現象と呼ばれる興味深い現象が観測された[1]。この物質は 295K(=Tco2),370K(=Tco1)において２つの異なる電荷・軌道秩序相を示す。高温相の CO1 相と低温相の CO2 相では、温度によりそれぞれの軌道ストライプの方向が 90 度だけ回転することが TEM 測定等の結果からわかっている。さらに興味深いことは、CO2 相では、格子と軌道が結合することにより強誘電性を示すことである。
このような結果を受けて以前に我々は、これよりもバンド幅の大きい領域について研究を行い、電荷秩序状態について調べた。そこで今回、バンド幅を小さくした系、(Eu,Pr)Ca2Mn2O7 を作成し基本物性を調べた。
図１に RCMO327(x=.50)(R=Pr,Sm,Eu)の電気抵抗率の温度依存性を示す。R=Pr では 2 つの転移温度が確認できるがバンド幅を小さくし、R=Eu
では１つしか確認できないことが分かった。その結果、最終的に EuCa2Mn2O7 では１つの CO 相に収束することが観測された。そこで、その CO 相がどのような電荷秩序状態、であるのか
SmCa2Mn2O7 に対して TEM 測定を行い、電荷・軌道ストライプに起因する超格子反射の観測を行った。図 2 にその結果を示す。転移温度以下では超格子反射が(010)方向に走り、これは CO2 相で観測されるパターンと一致する、また転移温度以上では超格子反射は観測されず、基本反射だけが観測された。
このような結果から、バンド幅を小さくすると
CO1,CO2 相は最終的に CO2 相に安定化することがわかった。(Eu,Pr)Ca2Mn2O7 の電子相図を図３に示す。今回作成した試料においては、Tco2 および TN はほぼ一定であり、一方 Tco1 はバンド幅を小さくすると急激に減少し、CO1 相が不安定化す
ることがわかる。

図４に典型的な I-V 測定の結果を示す。
電流掃引速度 5mA/sec という低速では、y 軸に対100

称な非線形伝導性が観測されるが、300mA/sec の020

高速にすると非対称な電気伝導が観測される。これらの振る舞いは、熱的効果（ジュール熱）によるものと考えて矛盾がなく、残念ながら電子的な(a)T<Tco
図 2.

相転移にともなう本質的なメモリ効果は観測でき(b)T>Tco

SCMO327(x=0.50)における TEM 測定
400

y=1.0

y=0

350

は試料全体として温度上昇してるのではなく、試料内部にフィラメント上の電流経路が形成され、

300

Temperature(K)100K 以上の温度上昇に相当する抵抗値変化が観測されたが、定量的な評価から、この抵抗値変化

CO1

それにより大きな抵抗値変化が生じたものと考え

250

CO2

200

なかった。また、400mA の電流ではバルクとしてられる。ジュール熱により電流の流れやすい CO1

150

相が局所的に成長し、試料全体でそれを結ぶよう

100にフィラメント上の電流経路が形成され、結果とCE-AFI50

してバルクとして 100K 以上に相当する抵抗値変

0
1.3

1.305

1.31

1.315

1.32

1.325

1.33

化が起こったと考えることができる。

Averaged radius, rA(Å)

図 3.

(Eu,Pr)Ca2Mn2O7 における電子相図

2.0

さらに、室温において結晶構造解析を行い、今ことがわかった。また、c 軸が a,b 軸と比較してどの程度収縮しているかをみるために c/(a+b)とい|V|(V)

回作成した試料はすべて orthorhombic 相である

1.5

290K
5(mA/sec)
16(mA/sec)
80(mA/sec)
300(mA/sec)

1.0
0.5

うパラメータを平均イオン半径に対しプロットし、その結果、バンド幅減少に伴い CO1 相が不安定化
すると同時に、その c 軸が a,b 軸と比べて大きく

0.0
-400

-200

0
I(mA)

200

400

収縮しているということを観測した。過去の図 4．RCaMn2O7(R=Pr,Sm,Eu)におけるOkuyama らによる各電荷秩序相の軌道の形状にab 面内の I-V 測定関する研究結果[2]を考え合わせると、格子系の変化に伴い軌道の形状が選択され、またその chain
方向は Mn の eg 電子間の 2 重交換関係により短軸方向の b 軸方向に選択され CO2 相の安定化されるという結論に達した。
PrCa2Mn2O7 は、ちょうど室温付近に電荷整列
転移（１次相転移）にともなうヒステリシスが電気伝導に現れることから、それを利用したメモリ効果の可能性を検討するために I-V 測定を行った。

[1]Y. Tokunaga et al, Nat. Mat. 5, 937(2006)[2]D. Okuyama et al, Phys. Rev. B, 80,
064402(2009)低温センター寒剤供給概要

低温センター
阿部 美玲、市原 博、加茂 由貴、早坂 洋、佐藤 幸一
低温センターは極低温実験の研究活動を支援す

一晩がかりで数十 cc 程度の液体ヘリウムを手にしる部局として 1967 年に設立されて以来、業務とた、という[2]。現在では、2 つの膨張タービンを備して低温寒剤である液体窒素・液体ヘリウム供給

えた液化システムが主流となっている。

やこれに伴う高圧ガス施設の管理などを行っている。この発表では寒剤供給業務と液体ヘリウムリ
サイクルシステムを紹介する。
【液体窒素供給】
液体窒素は、工業的には空気を原料として製造されている。低温センターではガス会社から購入した液体窒素をコールドエバポレータ(CE)に貯蔵して小分け容器に汲み出し、学内に 45 ヶ所ある集配場所へトラックで配達している。本数は 1 日に平均すると約 110 本以上になる[1]。

図２．初代ヘリウム液化システム[3]1965 年度導入、液化能力 25 L/hour

図１．液体窒素コールドエバポレータ(CE)
学内供給用 17,000 L【ヘリウム液化システム】
液体ヘリウムは地球上でもっとも沸点の低い液体で、初めて液化されたのは 1908 年のことだった。空気液化・水素液化により原料ガスの温度を段階的に冷やしていく大掛かりな設備を用意し、

図３．ヘリウム液化機 Linde 社製 L280
2008 年度導入、液化能力 200 L/hour
初代～現在の四代目は全て膨張タービン方式

【ヘリウムリサイクルシステム】

ればならないが、これには数日の液化運転停止がヘリウムは日本では産出されず輸入に頼らざる必要なためいつでも行えるわけではない。なるべを得ない貴重な資源である。本郷キャンパスでは、

く長い期間液化能力を維持するためには、日頃か研究室で使用され蒸発したヘリウムガスを、共同

ら純度を良好に保つことが最も重要である。

溝内にはりめぐらされた配管で低温センターに回

なお、低温センターでは純度が 80％を下回ると収して液化し、小分け容器に汲み出して再び研究

ガス回収を停止する。液化システムに極端に純度室に配達している(図４)。

の悪いガスが入り氷の塊ができると、液化機内部を傷つける原因となり、場合によっては長期間の修理・供給休止につながりかねないためである。
さらに、近年の配達量急増に伴い、小分け容器のやりくりにも苦心している。低温センターでも毎年 2～3 本ずつ所有台数を増やしているが、特に学会前や長期休業前のように極端に申込が集中するピーク期にはやむなく配達延期をお願いすることもある。使用が終わった容器の速やかな返却にご協力をお願いしたい。
このように、小さな油断が不純物混入やガス漏失の原因になり、本郷キャンパスの研究活動全体図４．本郷キャンパス
ヘリウムリサイクルシステム
このリサイクルが円滑に回るためにはをストップさせてしまう可能性すらあることを、研究室内でときどき思い起こしていただければ幸いである。

・回収率が良いこと
・回収ガスのヘリウム純度が良いこと
・小分け容器の回転が良いことなどが必要である。

【最後に】低温センターの寒剤供給業務で最大の特徴は、
本郷キャンパスで行われている基礎から応用研究

本郷キャンパスで年間 20 万リットル以上[4]ものに至る実に幅広い分野に配達していることである。

ヘリウムを配達できるのは、貴重なヘリウムをリ

最近は液体窒素・液体ヘリウムとも供給量が増えサイクルしているからである。もし大気に逃がしており、今後も安定した寒剤供給を継続していけてしまうと保有量が減ってしまい、供給に悪影響るよう、現在、種々の業務システムの見直しを図を及ぼす。ヘリウム使用料金を回収率に応じて変っている途上でもある。日頃からご理解とご協力動するルールとしている目的は回収率向上にある。

をいただいている利用研究室各位にこの場を借りまた、回収ガスに含まれる不純物は主に水分やて感謝申し上げます。

空気と考えられ、ガス回収や再液化のプロセスで除去してはいるものの、とりきれなかった不純物[1]2010 年度 4 月～1 月の実績が少しずつ液化機内部に蓄積して液化能力を損ね[2]K.メンデルスゾーン、大島恵一訳 絶対零度へてしまう。低温センターのシステムはヘリウム純の挑戦 講談社 ブルーバックス 181 (1971 年)

度 99％のガスで運転すると液化能力は 1 割以上悪[3]低温センターだより 第 1 号より抜粋

くなり、メンテナンスを行って汚れを除去しなけ[4]2009 年度実績

物性研究所低温液化室概要
物性研究所低温液化室
土屋 光、鷺山 玲子
検討していたが、運良く 2009 年度の補正予算で１．はじめに物性研究所低温液化室(以下、液化室)は、研究者

液化機を中心とした設備更新の予算が認められ、への寒剤の安定供給を主業務としてきた。柏キャ2009 年度から 2010 年度に掛けて大幅な更新を行ンパス移転後はキャンパスの特異性や時代の変化ったので、ヘリウム液化設備更新から述べる。

から、高圧ガス関連業務が増加している。以下、液化設備等主要機器は表 1 に示す。更新時のユ

現在の業務内容を主に液化室の概要を紹介する。

ーザーの一番の懸念事項は「供給停止期間」だが、また、開発した装置やソフトウェアついても、簡通常は 2 ヶ月程度の供給停止期間が発生する。し単に紹介させて頂く。

かし、今回の更新では既存の液化機(1 号機)を残しかつ更新する設備の順番を工夫する事で長期供給停止を回避した。具体的には、供給停止期間が最

２．柏キャンパスでの仕事
液化室の主な業務は、①ヘリウム液化機設備等も長くなる液体ヘリウム貯槽の更新を、工期を 13の保守管理及び研究者への寒剤供給、②柏キャン日間に短縮した上で、例年供給停止する年末年始

パス内の高圧ガス設備管理、③柏キャンパス内の休暇中に行い、通常停止期間＋3 日で更新をすま

高圧ガスボンベ(以下、ボンベ)管理、④ソフトウェ

せ、研究活動にほぼ支障なく更新する事が出来た。

ア・装置等の開発・製作、⑤研究室所有液体窒素
容器検査、⑥寒剤・高圧ガス関連の研究室支援、と実に様々である[1]。これらの業務を常勤職員 2名、技術補佐員 2 名、事務補佐員 2 名、計 6 名の体制で行っている。特に液体ヘリウムは供給量が多く、柏キャンパスに移転後、供給量が更に増加
し 2007 年度には年間 22.8 万リットルもの供給[2]があった。液化能力不足が懸念され、設備更新を
表 1 ヘリウム液化設備等主要機器一覧表
装

置

名

能

力

備

考

図 1 10,000L 貯槽 搬入の様子
近年の液化機は自動制御運転の為、起動後、安He 液化機 1 号機

200L/h1999.3 設置

定すればほぼ全自動で液化運転するが、貯槽からHe 液化機 2 号機

233L/h2011.3 設置

小分けする作業は人が行う必要がある。1998 年度

20,000L

A：汲出用の設備更新時に遠心式ポンプと工夫されたトラン

20,000L

C：汲出用

スファーチューブを使用した汲出しシステムを導20,000L

D：専用

入したが、従来に比べ移送時間は大幅に短縮し、10,000L

E：専用

かつ供給業務も格段に楽になり、装置開発の時間

研究室供給用ＣＥ

液体 He 容器

10,000L

He ガス貯蔵量

11,250m3を確保できるようになった。
長尺ｶｰﾄﾞﾙ

液化関連以外の業務では、最近は高圧ガス関連業務が増加している。一つは柏キャンパス全体の高圧ガス管理で、具体的には研究室の高圧ガス製

液面の検知には慣れが必要で、その点、カーボン

造・貯蔵設備の許認可申請や、研究室内での使用

抵抗を利用した電子式液面計(図 2 右)であれば、ボンベの管理業務である。もう一つは、ボンベ管

誰でも簡単に測定可能である。

理を始めてから増加した研究室内でのトラブル対応である。例えば、ボンベのバルブが閉まらない。
レギュレータの繋ぎ目からガスが漏れている。といった些細な事であるが、放っておくと大きな災害に繋がるので、液化室員が都度、研究室まで出向き、対応・指導をしている。
３．ソフトウェア・装置の製作
表 2 作成した主なソフトウェア(一部)
名

称

気柱振動式

図 2 液体ヘリウム液面計

開発言語

液体ヘリウム供給申込システム

ASP

在庫量調査システム

ASP

高圧ガスボンベ管理システム

ASP

He 持出・返却システム

VB

He 管理システム

VB

電子式

表 3 製作・開発した装置(一部)
名

称

製作年

逆止弁(膜式・ボール式)

随時

簡易純度計(ピラニ式)

2000 年

ｲｰｻﾈｯﾄｼﾘｱﾙ変換マルチプレクサ

2002 年

我々が常に念頭に置いている事は「利用者にとLHe 汲出制御システム

2005 年って簡単で便利なサービスを提供し、液化室員にシステム改善で確保できた時間を活用し、液とっても簡単で便利なシステムを構築する」。とて化・供給業務の合間に様々な装置やソフトウェア

も単純で簡単な事だが、時として忘れてしまいがを開発・製作してきたので簡単に紹介する。

ちで、業務を遂行する上で我々が忘れないよう、

主なソフトウェアは表 2 に示す。柏キャンパス

(a)前面

(b)背面

図 3 シリアル変換マルチプレクサ
４．おわりに大事にしている事である。

移転時に液体ヘリウム供給申込システム等を構築

今後も東大内の機関や全国の機関と技術交流をしたのをはじめ、柏キャンパス内の研究室で使用行い、技術発表会等へ積極的に参加し、新しい知するボンベを管理するシステム等を構築した。

識や技術を修得し、業務に役立てていきたいと考

最近は、ソフトウェアの開発が多いが、便利なえている。

装置の作成や開発も行っているので紹介する。表3 に製作・開発した装置を示す。非常に便利なのが、スウェジロックを使った気柱振動式ヘリウム[1]液化室ホームページ
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/labs/cryogenic/

液面計[3](図 2 左)である。外径 3mm のパイプとス[2]供給量＝液持出量－液回収量

ウェジロックがあれば簡単に作成できる。但し、[3]平成 21 年度 高エネ研 技術研究会報告