J-Material Lab. Hokkaido Univ.

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

拡張多極子による動的応答
　　　UNi₄Bのトロイダル秩序状態における新しい電流誘起磁化現象
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
　　　 c-f混成によって誘発されるURu₂Si₂の格子不安定性（パルス強磁場下超音波測定）
　　　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
　　　単サイト四極子近藤効果の検証: Y_1-xPr_xIr₂Zn₂₀ の弾性応答に観る対数的温度変化
　　　重い電子系超伝導体UPt₃における極低温磁化測定
　　　 EuIn₂P₂における磁場中比熱測定
　　　 SmOs₄Sb₁₂ の静水圧力下超音波測定
　　　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）

SQUID磁束計による磁化測定

図1　Quantum Design社製MPMS

Quantum Design社製のMPMS(Magnetic property Measurement System) (図1) は取り扱いが簡便で測定感度が高い磁化測定装置です。　この装置は引き抜き法と呼ばれる方法を用いて磁化を求めています。引き抜き法とは図2のようなコイルの中で磁化した試料を引き抜きコイルに発生した誘導起電力を測定、フィッティングすることで磁化を求める方法です。コイルが上下と中心で逆向きになっていることで外部の磁場の干渉やノイズを除去することができます。 MPMSで測定できる温度は2~400 K、印加できる磁場は-5.5 T~5.5 Tです。また圧力セルを用いることで高圧下での磁化測定、回転機構を用いることで角度分解磁化測定といった測定も可能になります。

図2　引き抜き法の概念図

図3　試料の位置に対する誘導起電力とフィッティング関数

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X線を用いた物質評価

アーク炉やプラズマジェット炉で作製した試料をX線を用いて評価します。評価の手法はラウエ法、粉末ディフラクトメーター法、EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)です。・ラウエ法図1のようにX線を単結晶試料に当てて、散乱したX線でフィルムを感光させます。このときブラッグの反射条件を満たしてX線が強めあうと図2のように黒い斑点がフィルムに現れます。この斑点の対称性(4回対称、鏡映面等)は結晶の対称性を反映しているので結晶面の対称性、軸方向が分かります。

図1　ラウエ法の概念図(背面反射法)

図2　ラウエ写真の例

・粉末ディフラクトメーター法図4のように入射X線に対して試料、計数管を回転させ、X線と試料のなす角度がθのときに散乱されるX線の強度を調べます。θ がブラッグの反射条件を満たしたときにX線は強めあい、ピークとなって観測できます。得られたディフラクトパターンは物質の結晶構造や構成元素によって異なるのでシミュレーションと比較することで試料を同定することができます。

図3　粉末ディフラクトメーター法の概念図

・EPMA 試料に電子線を照射すると図5のような反応がおこります。この中の特性X線いうものは波長が原子によって決まっているX線です。電子線を照射したときに飛び出してくる特性X線の波長のスペクトルを調べることで電子線の当たった領域の構成元素と割合が分かります。

図4　電子線を試料に照射したときの反応

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MPMS用ピストンシリンダーによる高圧下DC磁化測定

ドイツ・Braunschbeing工科大学Stefan Su(ウムラウト)llow 教授らによって開発されたDC磁化測定用の単層式ピストンシリンダーセル（Cu-Be合金製）です。市販のSQUID磁力計（MPMS, Quantum Design社）に取り付け可能となっており，理想的なSQUID電圧波形が得られるように非常に細長い構造になっています（全長～150 mm）。温度は2 K、圧力は約1 GPa（10000気圧）までの測定が可能です。

図1　MPMS用ピストンシリンダーセル概観

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緩和法比熱測定

熱緩和法とは、試料に与えていた熱を切った際の試料温度の緩和現象から比熱を求める実験手法です。具体的には、試料の回りに精密に温度コントロール可能な熱浴T0を作り、試料と熱浴との間を比較的弱い熱伝導パス（熱伝導度KW）で結びます。（図1）試料部には小型の温度計とヒーターを装着し、このヒーターに通電する事で試料温度を熱浴よりΔT だけ高い定常状態で保持しておきます。その後、一気にヒーターを切ると熱伝導パスを通じて試料から熱浴に熱が逃げて行きます。この温度緩和過程は通常指数関数型になり、その時定数を解析する事により試料部の比熱を求めます。この実験手法により、わずか数mg程度の小さな試料の比熱を広い温度範囲かつ強磁場中で測る事が出来ます。比熱からは物質のエントロピーを見積もる事ができて、系のもつ微視的自由度の振る舞いを予想できます。比熱は物質の性質を理解する上で最も重要な物理量のひとつです。我々の研究室では、
Heliox　：0.36 [K] < T < 200 [K] 、 B < 12 [T]　（図2）
PPMS ：2 [K] < T < 380 [K] 、 B < 9 [T]　　　（図3）
これらの装置により比熱測定を行っています。図4にPPMSでの実際の測定結果を示します。

図1

図2

図3

図4

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MPMS用インデンターセルによる静水圧下DC磁化測定

図1のMPMS用インデンターセルを用いることで高圧下(~3 GPa)DC磁化測定を行うことができます。

図1　 MPMS用インデンターセル

試料を圧力セルに入れて測定すると、試料の磁化とBack Ground である圧力セルの磁化を足した磁化が測定されます。そこで試料のみの磁化を得るためには一般的に図2のようにBack Groundの磁化を差し引く方法が用いられます。
MPMSは電圧波形をフィットして磁化を求めていますが圧力セルを測定した時の電圧波形は図3のように高温で乱れてしまいます。フィットして磁化を正確に求めることがでないので、図2の方法では高温における試料の磁化を求めることができません。