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論文

Excited configurations of hydrogen in the BaTiO$$_{3-x}$$H$$_x$$ perovskite lattice associated with hydrogen exchange and transport

伊藤 孝; 幸田 章宏*; 下村 浩一郎*; 髭本 亘; 松崎 禎市郎*; 小林 洋治*; 陰山 洋*

Physical Review B, 95(2), p.020301_1 - 020301_5, 2017/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:66.33(Materials Science, Multidisciplinary)

Excited configurations of hydrogen in the oxyhydride BaTiO$$_{3-x}$$H$$_x$$ ($$x=0.1-0.5$$), which are considered to be involved in its hydrogen transport and exchange processes, were investigated by $$mu^+$$SR spectroscopy using muonium (Mu) as a pseudoisotope of hydrogen. Muons implanted into BaTiO$$_{3-x}$$H$$_x$$ were mainly found in two metastable states. One was assigned to a highly mobile interstitial protonic state, which is commonly observed in perovskite oxides. The other was found to form an entangled two spin-$$frac{1}{2}$$ system with the nuclear spin of an H$$^-$$ ion at the anion site. The structure of the (H,Mu) complex agrees well with that of a neutralized center containing two H$$^-$$ ions at a doubly charged oxygen vacancy, which was predicted to form in SrTiO$$_{3-delta}$$ by a computational study. Above 100 K, interstitial Mu$$^+$$ diffusion and retrapping to a deep defect were observed, which could be a rate-limiting step of macroscopic Mu/H transport in BaTiO$$_{3-x}$$H$$_x$$.

論文

Volume-wise destruction of the antiferromagnetic Mott insulating state through quantum tuning

Frandsen, B. A.*; Liu, L.*; Cheung, S. C.*; Guguchia, Z.*; Khasanov, R.*; Morenzoni, E.*; Munsie, T. J. S.*; Hallas, A. M.*; Wilson, M. N.*; Cai, Y.*; et al.

Nature Communications (Internet), 7, p.12519_1 - 12519_8, 2016/08

 被引用回数:7 パーセンタイル:40.56(Multidisciplinary Sciences)

RENiO$$_3$$ (RE = rare-earth element) and V$$_2$$O$$_3$$ are archetypal Mott insulator systems. When tuned by chemical substitution (RENiO$$_3$$) or pressure (V$$_2$$O$$_3$$), they exhibit a quantum phase transition (QPT) between an antiferromagnetic Mott insulating state and a paramagnetic metallic state. Because novel physics often appears near a Mott QPT, the details of this transition, such as whether it is first or second order, are important. Here, we demonstrate through muon spin relaxation/rotation experiments that the QPT in RENiO$$_3$$ and V$$_2$$O$$_3$$ is first order: the magnetically ordered volume fraction decreases to zero at the QPT, resulting in a broad region of intrinsic phase separation, while the ordered magnetic moment retains its full value until it is suddenly destroyed at the QPT. These findings bring to light a surprising universality of the pressure-driven Mott transition, revealing the importance of phase separation and calling for further investigation into the nature of quantum fluctuations underlying the transition.

論文

Online monitoring of negative muon beam profiles at J-PARC MUSE using a gated image intensifier

伊藤 孝; 髭本 亘; 二宮 和彦*; 久保 謙哉*; 河村 成肇*; 下村 浩一郎*

JPS Conference Proceedings (Internet), 8, p.036014_1 - 036014_5, 2015/09

We report on negative muon beam imaging at J-PARC MUSE using a newly-developed online muon beam profile monitor. A beam spot of a 3.8-MeV pulsed negative muon beam was clearly visualized in a few minutes. Decay electron background was significantly reduced owing to high-speed gating capability of a gated image intensifier installed in the muon beam profile monitor. A 3D map of negative muon intensity distribution was obtained at around the beam exit in the D2 experimental area, using a movable feature of this instrument.

論文

Tuning of ultra-slow muon transport system

足立 泰平*; 池戸 豊*; 西山 樟生*; 薮内 敦*; 長友 傑*; Strasser, P.*; 伊藤 孝; 髭本 亘; 小嶋 健児*; 牧村 俊助*; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 8, p.036017_1 - 036017_4, 2015/09

We report on the tuning of the ultra-slow muon beam line at J-PARC MUSE using Li impurities in a tungsten muonium production target in place of positive muons. Li ions were evaporated from the tungsten target by heating it up to 2000K and were transported in the ultra-slow muon beam line. The Li ion beam was monitored by micro channel plates installed at several points in the beam line. The Li beam was successfully transported to the end of the beam line after optimization of beam line parameters.

論文

Perturbation on hyperfine-enhanced $$^{141}$$Pr nuclear spin dynamics associated with antiferroquadrupolar order in PrV$$_2$$Al$$_{20}$$

伊藤 孝; 髭本 亘; 酒井 明人*; 中辻 知*; 辻本 真規*

Physical Review B, 92(12), p.125151_1 - 125151_5, 2015/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:90.95(Materials Science, Multidisciplinary)

The nature of multipolar order and hyperfine-enhanced (HE) $$^{141}$$Pr nuclear spin dynamics in PrV$$_2$$Al$$_{20}$$ was investigated using the muon spin relaxation technique. No explicit sign of time-reversal symmetry breaking was found below the multipolar order temperature $$T_Qsim 0.6$$K in a zero applied field as anticipated on the basis of the antiferroquadrupolar (AFQ) order picture proposed by Sakai and Nakatsuji [J. Phys. Soc. Jpn. ${bf 80}$, 063701 (2011)]. Further evidence of the nonmagnetic ground state was obtained from the observation of HE $$^{141}$$Pr nuclear spin fluctuations in the MHz scale. A marked increase in the muon spin-lattice relaxation rate (1/$$T_{rm 1,mu}$$) was observed below 1K with decreasing temperature, which was attributed to the perturbation on the HE $$^{141}$$Pr nuclear spin dynamics associated with the development of AFQ correlations.

論文

Nondestructive elemental depth-profiling analysis by muonic X-ray measurement

二宮 和彦*; 久保 謙哉*; 長友 傑*; 髭本 亘; 伊藤 孝; 河村 成肇*; Strasser, P.*; 下村 浩一郎*; 三宅 康博*; 鈴木 栄男*; et al.

Analytical Chemistry, 87(9), p.4597 - 4600, 2015/05

 被引用回数:7 パーセンタイル:58.47(Chemistry, Analytical)

Elemental analysis of materials is fundamentally important to science and technology. Many elemental analysis methods have been developed, but three-dimensional nondestructive elemental analysis of bulk materials has remained elusive. Recently, we developed a nondestructive depth-profiling elemental analysis method after a decade of research. This new method utilizes a new type of probe; a negative muon particle and high-energy muonic X-rays emitted after the muon stops in a material. We performed elemental depth profiling on an old Japanese gold coin (Tempo-Koban) using a low-momentum negative muon beam and successfully determined that the Au concentration in the coin gradually decreased with depth over a micrometer length scale.

論文

超低速ミュオンによる非磁性金属薄膜における電流誘起スピン蓄積の深さ分解測定

伊藤 孝; 髭本 亘

KURRI-KR-202, p.42 - 45, 2015/03

J-PARC物質・生命科学実験施設における超低速ミュオンビームラインの開発状況について報告し、当該ビームラインの完成により初めて実現する実験について議論する。特に近年発展が著しいスピントロニクス分野への超低速ミュオンの応用として、非磁性金属薄膜における電流誘起スピン蓄積の深さ依存性を明らかにする実験を提案し、これについて詳しく議論する。

論文

ミュオニウムで探る誘電材料中の不純物水素の電子状態

伊藤 孝; 髭本 亘; 幸田 章宏*; 下村 浩一郎*

四季, 26, P. 5, 2015/03

超小型・大容量の積層セラミックチップコンデンサ(MLCC)は電子機器の小型化・軽量化に欠かせない電子部品である。高誘電率系MLCCの誘電材料には主にBaTiO$$_3$$が用いられ、素子の性能はその品質に大きく依存する。ゆえに、BaTiO$$_3$$結晶中における特定の欠陥・不純物の電子状態を明かにしておくことは、その応用において大変重要である。本研究では最もありふれた不純物である水素に着目した。我々はBaTiO$$_3$$中の希薄な不純物水素の電子状態を調べるためにミュオニウム(水素の放射性同位体と見なせる)を用いた。BaTiO$$_3$$中のミュオニウムの電子状態を詳しく調べた結果、伝導帯下端から数十meVのところに浅い不純物準位を形成することが明らかになった。実際の不純物水素もこの疑似水素と同様に浅いドナーとして振る舞うと考えられる。

論文

Online full two-dimensional imaging of pulsed muon beams at J-PARC MUSE using a gated image intensifier

伊藤 孝; 豊田 晃久*; 髭本 亘; 田島 美典*; 松田 恭幸*; 下村 浩一郎*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 754, p.1 - 9, 2014/08

 被引用回数:4 パーセンタイル:51.53(Instruments & Instrumentation)

A new muon beam profile monitor (MBPM) was developed to diagnose pulsed muon beams in J-PARC MUSE, mainly composed of a scintillation screen, a gated image intensifier (II), and a cooled CCD camera. The MBPM was designed to be compact so that it could be inserted into the bore of the $$mu$$SR spectrometer in the D1 area and used concurrently. The spatial resolution of the MBPM was evaluated to be in the range from one to two line-pair/mm, depending on II gain. Such high-resolution muon beam profiles were obtained online for a positive muon beam with a kinetic energy of $$sim$$ 4 MeV. The contribution from decay positrons was significantly reduced owing to II gating. The linearity of the MBPM was evaluated on the bases of the number of decay positrons monitored by the $$mu$$SR spectrometer. A linear response within five percent deviations was confirmed over more than two orders of magnitude. In addition, 3D imaging capability, use in vacuum, and immunity against moderate magnetic fields were demonstrated.

論文

A New X-ray fluorescence spectroscopy for extraterrestrial materials using muon beam

寺田 健太郎*; 二宮 和彦*; 大澤 崇人; 橘 省吾*; 三宅 康博*; 久保 謙哉*; 河村 成肇*; 髭本 亘; 土山 明*; 海老原 充*; et al.

Scientific Reports (Internet), 4, p.5072_1 - 5072_6, 2014/05

 被引用回数:10 パーセンタイル:37.7(Multidisciplinary Sciences)

X線の発見以来、人類は物体を透視する新たな目を獲得した。物体内部の密度分布を知ることのできる、X線ラジオグラフィと呼ばれるこの透視検査法は広範な領域で応用されている。近年、J-PARCにおいて強力なバルスミュオンビームが生成可能となり、これは新たな分析化学の領域を切り開くことができるツールである。本論文で我々はミュオン捕獲を利用した非破壊分析を報告する。我々はミュオンの運動量を報告する制御することで、mmオーダーで物体の軽元素深さ分布分析に成功し、有機物を含む隕石の分析にも成功した。今、ミュオンラジオグラフィという新たな目の利用が始まった。

論文

Operation status of interlock system of Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) in J-PARC

酒井 健二; 甲斐 哲也; 大井 元貴; 渡辺 聡彦; 中谷 健; 髭本 亘; 明午 伸一郎; 坂元 眞一; 高田 弘; 二川 正敏

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 4, p.264 - 267, 2014/04

J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)は、陽子ビームをターゲットに入射し、大強度の中性子・ミュオンビームを発生させ、実験装置に供給する施設である。MLFでは、ビーム運転の他、機器保守、実験装置増強などの作業に対して安全を確保するために、MPS, TPS, PPSという3種類のインターロックシステムを運用している。これらのインターロックシステムは、J-PARCの中央制御室を通じて加速器や他実験施設と連動して運用される。MPSは想定外のビーム照射から機器を保護し、TPSは中性子ターゲットに特化して重大なトラブルを防ぐ役割を果たす。PPSは運転員を高放射線による被曝から保護する。さらに、PPSは、線源保守エリアへの入退室を制限したり、利用者の実験装置室への安全な入退室を管理する役割も持つ。MLFインターロックシステムは、2008年の5月にビーム運転を開始した後、ターゲット関連機器の増強や段階的な実験装置の増設に応じて対象を拡大しているが、これまでトラブルなく安定に運用されてきた。本発表では、MLFインターロックシステムの設計概念,構成,運転状況及びアップグレードなどについて報告する。

論文

Local magnetic field and positive muon diffusion in yttrium iron garnet

伊藤 孝; 髭本 亘; Luetkens, H.*

JPS Conference Proceedings (Internet), 2, p.010209_1 - 010209_5, 2014/03

イットリウム鉄ガーネット(YIG)に温度勾配を印加すると、スピンゼーベック効果によりスピン流が生じる。YIGは磁性絶縁体であるため、このスピン流を担うのはスピン波であると考えられている。我々は、このスピン波スピン流の生成を微視的な観点から検証するため、ミュオンスピン緩和法による測定をJ-PARC及びPSIにおいて行った。予備実験として、YIG単結晶試料に温度勾配を加えずに測定を行ったところ、150ケルビン以下においてミュオンはYIGの格子間隙位置に静止していることがわかった。この格子間ミュオンは、磁気秩序に伴う静的内部磁場とともにスピン波励起に伴う揺動磁場を感じてスピン緩和することが明らかになった。我々は、このスピン緩和に対する温度勾配の影響を調べる実験を計画しており、専用の実験装置を組み上げた。装置の詳細と実験計画について議論する。

論文

チタン酸バリウム中の不純物水素・ミュオンの電子状態

伊藤 孝; 髭本 亘

めそん, (39), p.15 - 17, 2014/00

BaTiO$$_3$$は積層セラミックコンデンサの誘電材料等として我々の生活に広く役立てられている。BaTiO$$_3$$は本来優れた誘電体であるが、その絶縁性能は微量の欠陥や不純物の存在により著しく劣化し得る。ゆえに、結晶中における特定の欠陥・不純物の電子状態を明かにすることは、その応用において大変重要である。本研究では、最もありふれた不純物である水素に着目し、BaTiO$$_3$$における不純物水素の電子状態の解明を試みた。希薄な不純物水素の電子状態を実験的に明らかにすることは、測定対象が微量であるがゆえに大変難しい。そこで我々は、水素原子核と同じ+1価の正電荷を持つ正ミュオンを純良単結晶に打ち込み、格子間水素をシミュレートした上で、その電子状態を$$mu$$SR法により高感度に測定した。BaTiO$$_3$$純良単結晶に対する$$mu$$SR測定の結果、極低温でミュオニウム(正ミュオンと電子の束縛状態)の形成を示す信号が観測された。そのイオン化の様子から、伝導帯下端から数十meVのところにミュオニウムが浅い不純物準位を形成しているとことが明らかになった。格子間水素もミュオニウムと同様に浅い不純物準位を形成し、室温付近では電子を放出して絶縁劣化を引き起こすと考えられる。

論文

Shallow donor level associated with hydrogen impurities in undoped BaTiO$$_3$$

伊藤 孝; 髭本 亘; 松田 達磨*; 幸田 章宏*; 下村 浩一郎*

Applied Physics Letters, 103(4), p.042905_1 - 042905_4, 2013/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:73.07(Physics, Applied)

The influence of hydrogen impurities on electronic properties of undoped BaTiO$$_3$$ was studied from a microscopic point of view using the muon spin rotation and relaxation technique. Electron localization around an implanted positive muon, by analogy an hydrogen impurity, was observed below $$sim$$80 K. The effective electron binding energy was estimated to be $$sim10^{-2}$$ eV, indicating that the hydrogen-induced defect forms a shallow donor level. At room temperature, the weakly bound electron is excited into a conduction band and behaves as a free carrier, which causes insulation degradation undesirable for capacitor application.

論文

Microscopic evidence for long-range magnetic ordering in the $$Gamma$$$$_{8}$$ ground quartet systems Sm$$Tr$$$$_{2}$$Al$$_{20}$$ ($$Tr$$: Ti, V, Cr)

伊藤 孝; 髭本 亘; 二宮 和彦; 酒井 明人*; 中辻 知*

Journal of the Physical Society of Japan, 81(Suppl.B), p.SB050_1 - SB050_4, 2012/12

f電子系化合物$$RT_2$$Al$$_{20}$$ ($$R$$: Pr, Sm, $$T$$: Ti, V, Cr)は特異な籠状構造に起因する興味深い物性を示す。$$R$$イオンは16個ものAl原子からなる「籠」に内包されており、$$R$$サイトには対称性の高い結晶場が生じる。これにより多極子自由度が活性な結晶場基底が形成され、低温において多極子秩序が生じる。一方、多数のAl原子が$$R$$イオンに配位することにより、顕著な$$cf$$混成が生じる。$$cf$$混成の度合いは$$T$$元素の置換によってチューン可能であることから、多極子秩序に関する量子臨界性の系統的研究が可能な系として注目を集めている。本研究では、上述の議論の前提となっている多極子秩序を微視的な観点から検証するために、PrTi$$_2$$Al$$_{20}$$及びSm$$T_2$$Al$$_{20}$$($$T$$: Ti, V, Cr)に対して$$mu$$SR測定を行った。その結果、PrTi$$_2$$Al$$_{20}$$及びSm$$T_2$$Al$$_{20}$$($$T$$: Ti, V, Cr)の秩序変数が、それぞれ電気四極子と磁気多極子であることが明らかになった。

論文

Multipole and superconducting state in PrIr$$_2$$Zn$$_{20}$$ probed by muon spin relaxation

髭本 亘; 伊藤 孝; 二宮 和彦; 鬼丸 孝博*; 松本 圭介*; 高畠 敏郎*

Physical Review B, 85(23), p.235152_1 - 235152_4, 2012/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:86.37(Materials Science, Multidisciplinary)

ミュオンスピン回転緩和法を用いてカゴ状構造を持つ重い電子系物質PrIr$$_2$$Zn$$_{20}$$の磁性と超伝導特性の研究を行った。1K以下で温度に依存しない$$mu$$SR信号が観測され、0.11Kで観測されていた相転移は純粋な四極子転移である可能性が最も高いものと考える。0.05K以下の超伝導相では、時間反転対称性の破れた状態など非通常型を示す結果は得られなかった。また零磁場の$$mu$$SR実験では15K以下の常磁性状態において自発的なミュオンスピンの回転が観測され、$$^{141}$$Prとミュオンの間に特異な結合状態が形成されていることを提案する。

論文

Spin-orbital short-range order on a honeycomb-based lattice

中辻 知*; 久我 健太郎*; 木村 健太*; 佐竹 隆太*; 片山 尚幸*; 西堀 英治*; 澤 博*; 石井 梨恵子*; 萩原 政幸*; Bridges, F.*; et al.

Science, 336(6081), p.559 - 563, 2012/05

 被引用回数:89 パーセンタイル:3.49(Multidisciplinary Sciences)

フラストレートした磁性体においても最低温度まで乱れが残る場合がある。その一例がBa$$_3$$CuSb$$_2$$O$$_9$$であり、微視的に見ると磁気的に非対称である一方、長さ,時間スケールともに平均的に見ると対称な状態にある。われわれは、この物質において静的なヤーンテラー歪を示すことなくCu$$^{2+}$$イオンのハニカム格子が、フラストレートした状態にあることを見いだした。このハニカム格子においては、スピン1/2同士が2次元的にランダムに結合しており、スピンダイマー的なブロードな励起があり、また低エネルギーのスピン自由度が残ることが見られた。

論文

Development of nondestructive and quantitative elemental analysis method using calibration curve between muonic X-ray intensity and elemental composition in bronze

二宮 和彦; 長友 傑*; 久保 謙哉*; 伊藤 孝; 髭本 亘; 喜多 真琴*; 篠原 厚*; Strasser, P.*; 河村 成肇*; 下村 浩一郎*; et al.

Bulletin of the Chemical Society of Japan, 85(2), p.228 - 230, 2012/02

 被引用回数:7 パーセンタイル:66.74(Chemistry, Multidisciplinary)

負ミュオンが物質中に停止しミュオン原子が形成すると、高エネルギーで透過力の強いミュオン特性エックス線が放出される。本研究ではミュオン特性エックス線測定による非破壊元素分析技術の開発を行った。元素の構成比が既知の青銅の標準試料に対して負ミュオンの照射を行い、ミュオン原子が形成した後に放出されるミュオン特性エックス線の強度から、青銅に含まれる元素構成を決定するための検量線を作成した。この関係を用いて成分が未知の中国の古銭について負ミュオンの照射を行い、得られたミュオン特性エックス線スペクトルから古銭の元素の構成比を非破壊で決定した。

論文

$$mu$$SR evidence of nonmagnetic order and $$^{141}$$Pr hyperfine-enhanced nuclear magnetism in the cubic $$Gamma_3$$ ground doublet system PrTi$$_2$$Al$$_{20}$$

伊藤 孝; 髭本 亘; 二宮 和彦; Luetkens, H.*; Baines, C.*; 酒井 明人*; 中辻 知*

Journal of the Physical Society of Japan, 80(11), p.113703_1 - 113703_4, 2011/11

 被引用回数:21 パーセンタイル:21.73(Physics, Multidisciplinary)

A muon spin relaxation ($$mu$$SR) study of the cubic $$Gamma_3$$ ground doublet system PrTi$$_2$$Al$$_{20}$$ is presented. The zero-field $$mu$$SR rate shows no significant change while passing through the phase transition temperature $$T_{rm O}$$ = 2.0 K, indicating that a nonmagnetic order parameter lies behind the ordered state. This is consistent with a ferroquadrupole ordering scenario standing on quadrupole degrees of freedom active in the $$Gamma_3$$ subspace. We also found that slow spin fluctuations remain even at 0.1 K well below $$T_{rm O}$$, ascribed to $$^{141}$$Pr hyperfine-enhanced nuclear magnetism in the nonmagnetic ground state. The $$4f$$ electronic exchange constant and $$^{141}$$Pr nuclear order temperature were estimated to be 0.64 K in the temperature unit and 0.13 mK, respectively, from the $$^{141}$$Pr nuclear spin fluctuation frequency 5.8(2) MHz at 0.1 K.

論文

Li(Zn,Mn)As as a new generation ferromagnet based on a I-II-V semiconductor

Deng, Z.*; Jin, C. Q.*; Liu, Q. Q.*; Wang, X. C.*; Zhu, J. L.*; Feng, S. M.*; Chen, L. C.*; Yu, R. C.*; Arguello, C.*; 後神 達郎*; et al.

Nature Communications (Internet), 2, p.1425_1 - 1425_5, 2011/08

 被引用回数:98 パーセンタイル:6.28(Multidisciplinary Sciences)

(Ga,Mn)Asは典型的な強磁性III-V族半導体として知られている。これは3価のGa原子を2価のMnで置き換えたものであるが、化学的溶解度が限られているため準安定であり、薄膜でしか製作できないものであった。また電子ドープも行うことができなかった。この困難な条件を超えるため、Masekらは理論的にI-II-V族半導体LiZnAsを提案した。この物質では原子価が等しい(Zn,Mn)の置き換えによる磁性の発現とLi濃度を過剰あるいは不足させることによるキャリアードープを独立に制御可能である。本研究では世界で初めてバルクな状態でのLi$$_{1+y}$$(Zn$$_{1-x}$$Mn$$_x$$)Asの合成に成功した。わずかにLiを過剰にすることで、50Kまでの温度で強磁性が現れること、またp型のキャリアーを持つことが観測され、これらの結果を報告した。

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