Intrinsic spin Nernst effect in topological Dirac and magnetic Weyl semimetals

松下 太樹*; 小沢 耀弘*; 荒木 康史; 藤本 純治*; 佐藤 昌利*

Physical Review B, 111(24), p.245131_1 - 245131_11, 2025/06

https://doi.org/10.1103/dlt5-zxm9

We investigate the intrinsic spin Nernst effect (SNE), a transverse spin current induced by temperature gradients, in topological Dirac semimetals (TDSMs) and magnetic Weyl semimetals (MWSMs) with Ising spin-orbit coupling. The intrinsic SNE is described by the spin Berry curvature, which reflects the geometric nature of TDSMs and MWSMs. We clarified that the intrinsic SNE becomes significant when the Fermi energy is near, but slightly deviates from, the energy of the point nodes. In this situation, Bloch electrons with strong spin Berry curvature contribute to the SNE while avoiding carrier compensation between electrons and holes. We found that in TDSMs with small Fermi surfaces, the spin Nernst angle, which measures the efficiency of the SNE, is larger than that observed in heavy metals. This suggests that TDSMs with small Fermi surfaces can achieve efficient heat-to-spin current conversion. In MWSMs, variation in the magnitude of the exchange coupling with magnetic moments significantly changes the SNE, affecting both the direction and magnitude of the spin Nernst current. This implies that ferromagnetic transitions can be used to reverse the spin Nernst current. These results provide the fundamentals for future topological spin caloritronics.

Mechanical multiplexer of nuclear spin states

中堂 博之; 横井 直人*; 松尾 衛; 針井 一哉*; 鈴木 淳*; 今井 正樹; 佐藤 正寛*; 前川 禎通*; 齊藤 英治*

Physical Review Letters, 134(13), p.130603_1 - 130603_5, 2025/04

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.130603

A spin 1/2 is the simplest system that has been believed to support a single two-level quantum system, represented by a single resonance. We experimentally demonstrate that a spin-1/2 nucleus of F in CF exhibits an extra resonance corresponding to the emergence of the states, by mechanically rotating a sample and a coil in nuclear magnetic resonance (NMR) measurements. On the basis of the Floquet formalism, we identify the emergence of the extra two-level state due to the temporal periodicity generated by the mechanical rotation (mechanical spin multiplexing) and derive an operator algebra analogous to the planar rotor algebra in an effective description of the system. The observed multiplexing allows a single spin 1/2 to carry more than two states and potentially enabling the processing of multiple quantum bits on a single spin.

MAAP code analysis for the in-vessel phase of Fukushima-Daiichi Nuclear Power Station Unit 1 and comparison of the results among Units 1 to 3

佐藤 一憲; 吉川 信治; 山下 拓哉; 下村 健太; Cibula, M.*; 溝上 伸也*

Nuclear Engineering and Design, 422, p.113088_1 - 113088_24, 2024/06

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2024.113088

The accident progression of the in-vessel phase of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station Unit 1 was analyzed using the MAAP code. Although there is a large uncertainty in the initial stage of accident progression behavior in Unit 1 with little measurement data, it is presumed to have similarities to that of Unit 3. As a result, in Unit 1, since there was almost no alternative water injection during the in-vessel phase, cooling of the debris transferred to the lower plenum was small. It was likely that a large molten pool of metals had formed, and that the steam supply to the high-temperature core materials was suppressed and metal oxidation was relatively small. The analysis results for Unit 1 were compared with those for Units 2 and 3, and differences between units such as the thermal conditions of the debris that relocated to the pedestal and the degree of metal oxidation were shown.

A Step-by-step simulation code for estimating yields of water radiolysis species based on electron track-structure mode in the PHITS code

松谷 悠佑; 吉井 勇治*; 楠本 多聞*; 赤松 憲*; 平田 悠歩; 佐藤 達彦; 甲斐 健師

Physics in Medicine & Biology, 69(3), p.035005_1 - 035005_12, 2024/02

https://doi.org/10.1088/1361-6560/ad199b

水の放射線分解における化学生成物の時間依存性は、電離放射線へ被ばくした後のDNA損傷応答を評価する際に重要な役割を果たす。粒子および重イオン輸送コードシステム(PHITS)は、放射線輸送のための汎用モンテカルロシミュレーションコードであり、物理過程であるイオン化や電子励起などの原子相互作用を計算することができる。しかし、水の放射線分解生成物をシミュレートするための化学コードはPHITSパッケージには存在しない。本研究では、電子線による水の放射線分解生成物(OHラジカル、e、H、HOなど)のG値を計算できるPHITS専用の化学シミュレーションコード(PHITS-Chemコード)を開発した。その結果、開発したPHITS-Chemコードは1 sまでのG値の測定値や他のシミュレーション値と一致することが確認できた。また、このコードは、OHラジカルスカベンジャー存在下での様々な化学生成物のシミュレーションや、DNA損傷誘発に対する直接的および間接的な影響の寄与を分析にも役立つ。このコードは原子力機構が主となり開発を進めるPHITSパッケージに内包され、8000名以上のユーザーに提供される予定である。

MAAP code analysis focusing on the fuel debris conditions in the lower head of the pressure vessel in Fukushima-Daiichi Nuclear Power Station Unit 3

佐藤 一憲; 吉川 信治; 山下 拓哉; 下村 健太; Cibula, M.*; 溝上 伸也*

Nuclear Engineering and Design, 414, p.112574_1 - 112574_20, 2023/12

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2023.112574

Based on the updated knowledge from plant-internal investigations, experiments and computer-model simulations until now, the in-vessel phase of Fukushima-Daiichi Nuclear Power Station Unit 3 was analyzed using the MAAP code. In Unit 3, it is considered that ca. 40 percent of UO fuel was molten when core materials relocated to the lower plenum of the reactor pressure vessel. Initially relocated molten materials would have been fragmented by mixing with liquid water, while solid materials would have relocated later on. With this two-step relocation, debris in the lower plenum seems to have been permeable for coolant, thus debris seems to have been once cooled down effectively. Although the present MAAP analysis seems to slightly underestimate core-material oxidation during the relocation period, this probable underestimation was compensated for by an existing study that was considered more reliable, so that more realistic debris conditions in the lower plenum could be obtained. Probable debris reheat-up behavior was evaluated based on interpretation of the pressure data. This evaluation predicted that the fuel debris in the lower plenum was basically in solid-phase at the time when it relocated to the pedestal. With this study, basic validity of the former prediction of the Unit 3 accident progression behavior was confirmed, and detailed boundary conditions for future studies addressing the later phases were provided.

燃料研究棟における実験済核燃料物質の安定化処理

佐藤 匠; 音部 治幹; 森下 一喜; 丸藤 崇人; 石川 高史; 藤島 雅継; 中野 朋之

JAEA-Technology 2023-016, 41 Pages, 2023/09

JAEA-Technology-2023-016.pdf:2.74MB

本報告書は、2018年8月から2021年3月までに実施した、燃料研究棟における実験済核燃料物質の安定化処理の結果をまとめたものである。2017年6月6日に燃料研究棟において発生した汚染事故後に制定された核燃料物質の取扱いに関する管理基準に基づいて、燃料研究棟内のプルトニウム(Pu)を含む実験済核燃料物質のうち、放射線分解による内圧上昇の原因となる有機物を含有した試料(汚染事故の原因となったエポキシ樹脂とPu粉末を混合したX線回折試料を含む)、空気中で活性な炭化物及び窒化物試料、貯蔵容器の腐食の原因となる塩化物試料を対象として安定化処理を実施した。有機物を含有した試料、炭化物及び窒化物試料については空気気流中で650C及び950Cでそれぞれ2時間加熱することで有機物を除去してPu及びウラン(U)を酸化物に転換し、塩化物試料は500C以上の溶融状態でリチウム(Li)-カドミウム(Cd)合金との反応によりPu及びUをCd金属中に還元抽出してU-Pu-Cd合金に転換した。対象とした全ての試料の安定化処理を実施し、燃料研究棟の貯蔵設備に貯蔵することで作業を完了した。他の核燃料物質取扱施設における同種の実験済試料の安定化処理についても、本報告書の内容が活用されることを期待する。

One-dimensional band structure in quasi-two-dimensional -MoO revealed by angle-resolved photoelectron spectroscopy and first-principles calculation

角田 一樹; 檜垣 聡太*; 佐藤 仁*; 水流 大地*; 宮本 幸治*; 奥田 太一*; 黒岩 芳弘*; 森吉 千佳子*; 高瀬 浩一*; 小口 多美夫*; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 92(8), p.084706_1 - 084706_6, 2023/08

https://doi.org/10.7566/JPSJ.92.084706

We investigated the electronic structure of -MoO bulk crystal in the whole Brillouin zone at a normal metallic state by utilizing resonant and angle-resolved photoelectron spectroscopies and first-principles calculations. Mo 4-4 resonant photoelectron experiment revealed that the Mo 4 electrons of MoO octahedra mainly contributed to the electrical conductivity. We also demonstrated that the free electron-like band dispersions along axis, consisting of Mo 4 electrons, do not show clear and dependences and formed a one-dimensional Fermi surface even at the normal state. The observed low-dimensional and anisotropic band structures are expected to induce exotic physical properties such as quantized bulk Hall effect, charge density wave transitions, and Luttinger liquid behavior.

Intruder configurations in Ne at the transition into the island of inversion; Detailed structure study of Ne

Wang, H.*; 安田 昌弘*; 近藤 洋介*; 中村 隆司*; Tostevin, J. A.*; 緒方 一介*; 大塚 孝治*; Poves, A.*; 清水 則孝*; 吉田 数貴; et al.

Physics Letters B, 843, p.138038_1 - 138038_9, 2023/08

https://doi.org/10.1016/j.physletb.2023.138038

Neからの1中性子除去反応を用いて、Neの詳細な線分光を行った。平行運動量分布の解析に基づき、Neの準位構造とスピンパリティを決定し、初めて負のパリティ状態を同定した。測定された断面積と運動量分布から、N=20とN=28のシェルギャップの消失の証拠となる有意なintruder p-wave強度が明らかになった。束縛状態については、弱いf-waveの可能性のある強度が観測された。いくつかの有効相互作用を用いた大規模殻模型計算では、実験的に観測された大きなp-wave強度と小さなf-wave強度は再現されず、Ne同位体に沿った反転の島への遷移の完全な理論的記述への挑戦が続いていることを示している。

Investigation of the electronic structure of the MgZnY alloy using X-ray photoelectron spectroscopy

宮崎 秀俊*; 赤塚 達吉*; 木村 耕治*; 江草 大佑*; 佐藤 庸平*; 板倉 充洋; 高木 康多*; 保井 晃*; 小澤 健一*; 間瀬 一彦*; et al.

Materials Transactions, 64(6), p.1194 - 1198, 2023/06

https://doi.org/10.2320/matertrans.MT-MD2022019

硬X線およびソフトX線光電子分光法、およびバンド構造計算を用いて、MgZnY合金の電子構造を調査し、この材料の相安定性のメカニズムを調べた。MgZnY合金の電子構造は、フェルミエネルギー近傍に疑ギャップを持つ半金属的な電子構造を示した。MgZnY合金の観察された電子構造は、疑ギャップ構造が相安定性に寄与していることを示唆する。

Measurement of double-differential neutron yields for iron, lead, and bismuth induced by 107-MeV protons for research and development of accelerator-driven systems

岩元 大樹; 中野 敬太; 明午 伸一郎; 佐藤 大樹; 岩元 洋介; 杉原 健太*; 西尾 勝久; 石 禎浩*; 上杉 智教*; 栗山 靖敏*; et al.

EPJ Web of Conferences, 284, p.01023_1 - 01023_4, 2023/05

https://doi.org/10.1051/epjconf/202328401023

加速器駆動システム(ADS)の核特性予測精度の向上と京都大学臨界集合体実験装置(KUCA)におけるADS炉物理実験で用いる中性子源情報の取得を目的として、京都大学の固定磁場強集束(FFAG)加速器を用いた核データ測定実験プログラムを開始した。このプログラムの一環として、鉄,鉛及びビスマスに対する陽子入射二重微分中性子収量(TTNY)及び断面積(DDX)を測定した。測定では、真空チェンバ内に設置された標的試料に107MeVの陽子ビームを照射し、核反応によって標的から発生した粒子の信号を、小型の中性子検出器を用いて検出した。検出信号とFFAGキッカー電磁石の信号の時間差から飛行時間(TOF)を求め、ガンマ線の事象を波形弁別法によって除去して中性子事象をカウントすることで中性子のTOFスペクトルを求めた。得られた中性子のTOFスペクトルから、相対論的運動学によりTTNY及びDDXを求めた。実験で得られたTTNY及びDDXを、モンテカルロ輸送計算コードPHITSによる計算と比較し、PHITSに組み込まれた核反応モデル及び評価済み核データライブラリJENDL-4.0/HEの妥当性を検証するとともに、PHITSによる計算の予測精度を評価した。