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）

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

Category: Research | Static URL: /research/MPMS_piston.htm|

[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。

Category: Research | Static URL: /research/High_Pressure.htm|

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

Category: Research | Static URL: /research/MPMS_indenter.htm|

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。