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: Y1-xPrxIr2Zn20 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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ピストンシリンダーによる高圧下電気抵抗・AC磁化率測定

ハイブリッド型ピストンシリンダーセル(Ni-Cr-Al合金とCu-Be合金の二層構造)を用いて、最大2.5 GPa(25000気圧)までの電気抵抗率・交流帯磁率などのバルク測定が可能です。試料空間が大きいため感度のよい測定が行えるのが特徴です。コンパクトなサイズのため、PPMSや希釈冷凍機などに取り付け可能です。

図1 ピストンシリンダーセル概観


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インデンターセルを用いた高圧下電気抵抗・交流帯磁率測定

図1 インデンターセル概観

インデンターセルの簡単な模式図を図2に示しています。中心に穴の開いたNi-Cr-Al合金製ブロック(hole piece)にあけた穴に液体の圧力媒体を満たし、先端部分に試料を取り付けたインデンター(NMWC:非磁性タングステン鋼)を差し込みます。この状態からプレス機で加圧することによって、hole pieceの穴を変形させて圧力を発生させる仕組みです。圧力はロックナットを締めることで保持しています。

図2 インデンター型圧力セルの模式図

電気抵抗測定には4端子法を用いています。端子付にはスポット溶接や銀ぺーストなどをもちいています。(図3)
非常に細かい作業のため写真のように顕微鏡を見ながらの作業となるため学生たちもはじめは苦労しますが 、一か月ほどで誰でもセッティングができるようになります。(図4)

図3 スポット溶接をしているところ

図4 

交流帯磁率測定のためには微小なコイルが必要となります。(図5)
図6は私たちの研究室の学生が手作りした「巻き線機」です。手作り感たっぷりですが、1mm以下のコイルを非常に美しく巻くことができる優れモノです。

図5 インデンターセルに内蔵する微小コイル
(提供:島根大・藤原先生)

図6 ホームメイド「巻き線機」


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[Method] 超高圧における物性研究



関連項目
   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


極限科学には歴史的、思想的な背景がある。それは人間性の本質そのものに根源を持っている。一言でいえば、未知なものに一歩踏み込んでそれを知ろうとする好奇心である。(伊達宗行:極限の科学(講談社))


モノを極限環境においたとき、普段の常識では考えられない変化をすることがあります。例えば、酸素が金属になりその果てには超伝導を起こしたり、シリコンのような良く知られた絶縁体が金属になったりします。ここで極限環境とは極低温・強磁場・超高圧、もしくはこれらを組み合わせた複合状態のことを指します。私たちの研究グループでは、強相関電子系と呼ばれる物質群を極限環境下におくことで、新奇な相転移現象(例えば圧力誘起超伝導)の探索などを行っています。

図1

ここでは簡単に高圧発生装置について紹介します。図 2 にいくつかの高圧セルの特徴をまとめています。一般に高い圧力を発生させるには試料空間の大きさが犠牲となり、目的に応じて装置を使い分けることになります。最も広く使われているのは「ピストンシリンダーセル」であり、最大発生圧力は約2.5 GPa(25000気圧)です。この装置は、試料空間が大きいためほとんどの物性測定が可能なことがメリットです。私たちの研究グループでも様々な測定に使用しています。(下記参照)一方で、最大発生圧力の観点では他の追随を許さないのが「ダイヤモンドアンビルセル」です。この装置は試料空間が極端に狭いためバルク測定が困難であるし、取り扱いも非常に難しいのですが、その達成圧力は100 GPa(百万気圧!)を超えます。現在では地球の中心の圧力(360 GPa)に近い高圧力が研究室単位でも実現できるようになり、地球科学の分野でも応用されたりしています。残念ながら現在、我々の研究グループでは使用しておりませんが、将来的な導入を検討しています。

図2



私たちの研究グループで行っている高圧実験の最大の特徴は「インデンターセル」と呼ばれている高圧セルを用いていることです。これは岡山大学小林教授のグループで開発された特殊な圧力セルで、特徴としては

1. ピストンシリンダー以上の高圧発生可能 (最大5 GPa(50000気圧))
2. 精密磁気測定に可能な試料空間を確保
3. 小型であるために希釈冷凍機やPPMSに取り付け可能

などが挙げられます。現在、インデンターセルを用いた研究が可能なのは私たちのグループを含めても世界で数グループしかありません。


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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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