research


我々は実験系の研究グループです。
物性物理学は多様な物質現象の中から新たな物理の基本法則を見つけ出すことを目指す学問です。
通常は熱散乱のベールに隠されている量子力学的な基底状態を、
極低温環境下における物性測定で詳らかにするべく、日々研究を続けています。
ここでは現在進行中の研究テーマと、実験手法・技術についてご紹介します。


研究内容

 5f 電子系の磁性と超伝導
   URu2Si2における隠れた秩序と微弱反強磁性
   重い電子系超伝導体UPt3における極低温磁化測定
   重い電子系超伝導体UBe13の超伝導混合状態における磁気特性
   112希薄系における局所的非フェルミ液体異常
 4f 電子系の磁性と超伝導
   EuIn2P2における磁場中比熱測定
   磁場に鈍感な重い電子系スクッテルダイト化合物 SmOs4Sb12 のラットリング
   (ラットリングを示す充填スクッテルダイト化合物の磁性と超伝導)
   TmM2Si2(M: 遷移金属)系の磁性
   非フェルミ液体的振る舞いを示す YbRh2Si2 の極低温磁性


研究手法/実験装置(一覧)

極低温基礎物性測定
   キャパシタンス式極低温精密磁力計を用いた磁化測定(100μW希釈冷凍機)
   SQUID磁束計による磁化測定、交流磁化率測定
   緩和法比熱測定(HELIOX)
   電気抵抗測定(Handmade希釈冷凍機)
 高圧下物性測定
   インデンターセルによる高圧下電気抵抗・AC磁化測定
   MPMS用インデンター&ピストンシリンダセルによる静水圧下DC磁化測定
   ピストンシリンダセル断熱法比熱測定
 超音波物性測定
   位相比較法(ヘテロダイン検波)を用いた弾性定数測定
   蒸着装置&ネットワークアナライザ(超音波圧電素子制作)
微視的測定
   中性子散乱実験
   共鳴X線散乱実験
   ミュオンスピン回転・緩和・共鳴(muSR)実験
物質合成
   テトラアーク炉によるチョクラルスキー法単結晶試料育成
   プラズマジェット炉による多結晶試料育成
   フラックス法による単結晶試料育成
   放電加工機
   物質評価(X線構造解析・EPMA等)




ミュオンスピン回転・緩和・共鳴(muSR)実験

プラスの電荷とスピンを持った正ミュオンは、固体中に打ち込まれると、数ナノ秒のうちにスピンの向きをそろえて格子間位置に止まります。その位置に磁場があると、ミュオンはその回りを歳差運動し、2.2マイクロ秒の寿命でスピンの向きに陽電子を放出して死滅します。この陽電子の時間・空間分布を通じてミュオンの運動を調べることにより、物質内部の磁場の分布や変化に関する情報を得ることができます。私達のグループでは、年に1~2度、高エネルギー加速器研究機構(KEK)やポールシェラー研究所(PSI)でこの実験を行っています。


muon port 1

高エネルギー加速器研究機構(KEK)
にあるミュオンポート

muon port 2

汎スイス、ポールシェラー研究所
にあるミュオンポート

Performing the measurements 1

実験風景1

実験風景2

Performing the measurements

実験を終えて

スイスからドイツへ向かう寝台特急の朝


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中性子散乱実験

中性子は電荷を持たずにスピンを持つ粒子です。微小磁石としての性質があり、これを物質に打ち込むと、物質中の電子磁気モーメントや原子核と力を及ぼし合って散乱されます。中性子散乱実験では、中性子の波としての性質である回折現象を利用し、物質中の磁気モーメントの配列や運動を調べることができます。私達のグループでは、年に 3~4 回、東大物性研究所の共同利用として日本原子力研究所で実験を行っています。


Reactor

研究用原子炉JRR-3M

3-axes spectrometer

汎用三軸型中性子分光器

Performing the measurements

実験風景

実験終了後の反省会
(東大物性研究所中性子科学研究施設にて)


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[Method] キャパシタンス式磁力計を用いた極低温精密磁化測定

 低温で磁化を測定する方法としては、試料をピックアップコイルの中で動かして誘導起電力を測る誘導法と試料に交流磁場をかけて応答をみる交流法が、これまで主に用いられてきました。しかし、これらの方法では摩擦や誘導電流による発熱があるため、1 K以下の極低温下で精密な測定を行うことは非常に困難でした。私たちのグループでは、榊原教授(現、東大物性研教授)、卒業生の田山孝氏(現、東大物性研助手)らが中心となって独自の磁力計を開発し、希釈冷凍機温度領域(40 mK ~ 5 K)で9万エルステッド(参考までに、地磁気の大きさは0.1エルステッド以下)までの磁場掃引による高感度磁化測定を可能にしました。

キャパシタンス式磁力計の動作原理図

 この磁力計は、磁性体に働く力が磁化と磁場勾配に比例することを利用したものです。磁性体に働く力に比例して平行平板コンデンサー(電極間距離約 0.1 mm)の可動電極が動き、静電容量が変化するので、この静電容量を高精度キャパシタンスブリッジで正確に測ることによって磁化がわかるという仕組みです。つまり、下図のようなキャパシタンス式の「バネばかり」で磁性体に働く力を測定しているのです。試料をほとんど動かす必要が無いので発熱が無いことが、極低温領域での静的磁化測定を可能にした理由です。この装置の開発により、たとえば、重い電子系の異方的超伝導状態における熱平衡磁化の振る舞いを初めて明らかにすることができました。私達は現在、静水圧下および1軸応力下で磁化測定を可能にするため、さらに装置の機能を拡張しています。


Cramp Cell

キャパシタンスセル

Capacitance Cell with High Pressure Cell

圧力セル搭載型改良キャパシタンスセル

極低温磁化測定システムを組み込んだ
100マイクロワット3He-4He希釈冷凍機
( 0.04 K < T < 20 K, B < 9 T)

断熱セル内部


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物質合成

プラズマ炉、3極および4極アーク炉、アニール炉などを用い、金属間化合物の合成と単結晶化を行います。


   テトラアーク炉
   プラズマジェット炉
   放電加工機
   物質評価(X線構造解析・EPMA等)



Arc Furnace

4極(テトラ)アーク炉外観

Bell jar

ベルジャー部

単結晶が成長する様子

引き上げられた単結晶の例

高温大気炉

シリコニット炉


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テトラアーク炉

プラズマ炉、3極および4極アーク炉、アニール炉などを用い、金属間化合物の合成と単結晶化を行います。


   テトラアーク炉
   プラズマジェット炉
   放電加工機
   物質評価(X線構造解析・EPMA等)



Arc Furnace

4極(テトラ)アーク炉外観

Bell jar

ベルジャー部

単結晶が成長する様子

引き上げられた単結晶の例

高温大気炉

シリコニット炉


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