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）

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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放電加工機

金属ワイヤーに電気を通し、試料を溶かしながら正確に平面を出すことで、試料の整形を行うことができます。試料の切断は油の中で行われ、放電による過剰な発熱や、試料の切りくずが空気中に舞うことを防ぎます。よって、放射性物質でも安全に試料整形することができます。

図1 実際にスパークカッターで試料を加工する過程
(軸方向はX線ラウエ法などで決定している)

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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。

　　　図2　磁化の差し引きの様子　　　　　図3　試料と圧力セルの高温での電圧波形

そこで私たちの研究室では図4のように電圧波形の段階で差し引きを行い、それをフィットして磁化を求めています。この方法を用いれば電圧波形の乱れる高温でも上手くフィットでき磁化を正確に求めることが可能になります。

図4　電圧波形の差し引きの様子

　図5はMPMS用インデンターセルと電圧波形の差し引きを用いて測定したURu₂Si₂の高圧下における磁化率の温度依存性です。この試料に対しては報告例のない最大圧力1.87 GPaの精密磁化測定に成功しています。

図5 URu₂Si₂の高圧下における磁化率の温度依存性

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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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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。