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SnHuang, Z.*; Wang, W.*; Ye, H.*; Bao, S.*; Shangguan, Y.*; Liao, J.*; Cao, S.*; 梶本 亮一; 池内 和彦*; Deng, G.*; et al.
Physical Review B, 109(1), p.014434_1 - 014434_9, 2024/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Materials Science, Multidisciplinary)TbMnSn is a correlated topological magnet with a Mn-based kagome lattice, in which a Chern gap opens at the Dirac point at low temperatures. The magnetic moment direction of the ferrimagnetic order changes from in the kagome plane to the out-of-plane upon cooling, which is essential for generating the Chern gap, but the underlying mechanism for the spin reorientation remains elusive. Here, we investigate the spin-reorientation transition in TbMnSn using neutron scattering. We provide direct evidence for the spin-reorientation transition and unveil the coexistence of two Tb modes at 200 K. To account for these results, we put forward a model based on SU(N) spin-wave theory, in which there is a temperature evolution of the ground state Tb 
orbitals, driven by the crystalline electric field, single-ion anisotropy, and exchange interactions between Tb and Mn ions. Our findings shed light on the complex magnetism of TbMnSn, despite its relatively simple ground state magnetic structure, and provide insights into the mechanisms for tuning magnetic topological materials.
Bao, S.*; Gu, Z.-L.*; Shangguan, Y.*; Huang, Z.*; Liao, J.*; Zhao, X.*; Zhang, B.*; Dong, Z.-Y.*; Wang, W.*; 梶本 亮一; et al.
Nature Communications (Internet), 14, p.6093_1 - 6093_9, 2023/09
被引用回数：2 パーセンタイル：57.37(Multidisciplinary Sciences)Magnon polarons are novel elementary excitations possessing hybrid magnonic and phononic signatures, and are responsible for many exotic spintronic and magnonic phenomena. Despite long-term sustained experimental efforts in chasing for magnon polarons, direct spectroscopic evidence of their existence is hardly observed. Here, we report the direct observation of magnon polarons using neutron spectroscopy on a multiferroic Fe
Mo
O
possessing strong magnon-phonon coupling. Specifically, below the magnetic ordering temperature, a gap opens at the nominal intersection of the original magnon and phonon bands, leading to two separated magnon-polaron bands. Each of the bands undergoes mixing, interconverting and reversing between its magnonic and phononic components. We attribute the formation of magnon polarons to the strong magnon-phonon coupling induced by Dzyaloshinskii-Moriya interaction. Intriguingly, we find that the band-inverted magnon polarons are topologically nontrivial. These results uncover exotic elementary excitations arising from the magnon-phonon coupling, and offer a new route to topological states by considering hybridizations between different types of fundamental excitations.
GeTeBao, S.*; Wang, W.*; Shangguan, Y.*; Cai, Z.*; Dong, Z.-Y.*; Huang, Z.*; Si, W.*; Ma, Z.*; 梶本 亮一; 池内 和彦*; et al.
Physical Review X, 12(1), p.011022_1 - 011022_15, 2022/02
被引用回数：11 パーセンタイル：88.9(Physics, Multidisciplinary)In the local or itinerant extreme, magnetic excitations can be described by the Heisenberg model which treats electron spins as localized moments, or by the itinerant-electron model where the exchange interaction between electrons leads to unequal numbers of electrons with up and down spins. However, the nature of the magnetic excitations has been elusive when both local moments and itinerant electrons are present in the intermediate range. Using inelastic neutron scattering, we provide direct spectroscopic evidence on the coexistence of and interplay between local moments and itinerant electrons in a van der Waals metallic ferromagnet Fe
GeTe, which can sustain tunable room-temperature ferromagnetism down to the monolayer limit. We find that there exist ferromagnetic spin-wave excitations dispersing from the zone center at low energies resulting from local moments and a columnlike broad continuum at the zone boundary at high energies up to over 100 meV resulting from itinerant electrons. Unlike the two-dimensional crystal structure, the low-energy mode exhibits a three-dimensional nature, and the high-energy mode also has an out-of-plane dependence. Both modes persist well above the Curie temperature of 160 K. Our neutron spectroscopic data reveal that the low-energy spin waves at 100 K are more coherent than those at 4 K, which is evidence of the weakening of the Kondo screening at high temperatures. These results unambiguously demonstrate the coexistence of local moments and itinerant electrons and the Kondo effect between these two components in FeGeTe. Such behaviors are generally expected in heavy-fermion systems with heavy 
electrons but are rarely clearly observed in materials with light 
electrons. These findings shed light on the understanding of magnetism in transition-metal compounds.
CuTeOShangguan, Y.*; Bao, S.*; Dong, Z.-Y.*; Cai, Z.*; Wang, W.*; Huang, Z.*; Ma, Z.*; Liao, J.*; Zhao, X.*; 梶本 亮一; et al.
Physical Review B, 104(22), p.224430_1 - 224430_8, 2021/12
被引用回数：1 パーセンタイル：7.51(Materials Science, Multidisciplinary)Dimerized magnets forming alternating Heisenberg chains exhibit quantum coherence and entanglement and thus can find potential applications in quantum information and computation. However, magnetic systems typically undergo thermal decoherence at finite temperatures. Here, we show inelastic neutron scattering results on an alternating antiferromagnetic-ferromagnetic chain compound NaCuTeO that the excited quasiparticles can counter thermal decoherence and maintain strong correlations at elevated temperatures. At low temperatures, we observe clear dispersive singlet-triplet excitations arising from the dimers formed along the crystalline 
-axis. The excitation gap is of 
18 meV and the bandwidth is about half of the gap. The band top energy has a weak modulation along the [100] direction, indicative of a small interchain coupling. The gap increases while the bandwidth decreases with increasing temperature, leading to a strong reduction in the available phase space for the triplons. As a result, the Lorentzian-type energy broadening becomes highly asymmetric as the temperature is raised. These results are associated with a strongly correlated state resulting from hard-core constraint and quasiparticle interactions. We consider these results to be not only evidence for strong correlations at finite temperatures in NaCuTeO, but also for the universality of the strongly correlated state in a broad range of quantum magnetic systems.
TeOBao, S.*; Cai, Z.*; Si, W.*; Wang, W.*; Wang, X.*; Shangguan, Y.*; Ma, Z.*; Dong, Z.-Y.*; 梶本 亮一; 池内 和彦*; et al.
Physical Review B, 101(21), p.214419_1 - 214419_8, 2020/06
被引用回数：18 パーセンタイル：74.02(Materials Science, Multidisciplinary)We perform thermodynamic and inelastic neutron scattering (INS) measurements to study the lattice dynamics (phonons) of a cubic collinear antiferromagnet CuTeO which hosts topological spin excitations (magnons). While the specific heat and thermal conductivity results show that the thermal transport is dominated by phonons, the deviation of the thermal conductivity from a pure phononic model indicates that there is a strong coupling between magnons and phonons. In the INS measurements, we find a mode in the excitation spectra at 4.5 K, which exhibits a slight downward dispersion around the Brillouin zone center. This mode disappears above the N
el temperature and thus cannot be a phonon. Furthermore, the dispersion is distinct from that of a magnon. Instead, it can be explained by the magnon-polaron mode, collective excitations resulting from the hybridization between magnons and phonons. We consider the suppression of the thermal conductivity and emergence of the magnon-polaron mode to be evidence for magnon-phonon coupling in CuTeO.
Mn
SbCai, Z.*; Bao, S.*; Wang, W.*; Ma, Z.*; Dong, Z.-Y.*; Shangguan, Y.*; Wang, J.*; Ran, K.*; Li, S.*; 蒲沢 和也*; et al.
Physical Review B, 101(13), p.134408_1 - 134408_10, 2020/04
被引用回数：6 パーセンタイル：38.16(Materials Science, Multidisciplinary)ディラック物質は量子現象と共にキャリアの役割を探索するのに良い系で、磁気ワイル半金属のSrMnSbはワイルフェルミオンとマグノンの関係を研究する良い舞台である。本研究では、SrMnSbの単結晶の中性子非弾性散乱実験を行い、磁性Mn層の分散は約76meVまで広がり、層間の分散は6meVの狭いバンド幅を持つことを見出した。また、これらの実験結果はハイゼンベルグ・スピンハミルトニアンを用いた線形スピン波理論によって再現可能である。本研究では、ワイルフェルミオンとマグノンが共存しているにもかかわらず、SrMnSb中のワイルフェルミオンが磁気ダイナミクスに影響を与えているという明確な証拠は得られなかった。これは、ワイルフェルミオンとマグノンがSb層とMn層に別々に存在し、この擬二次元性による層間結合の弱さに起因するもの考えられる。
Guan, W.; 若井 栄一; 粉川 広行; 直江 崇; 涌井 隆; 羽賀 勝洋; 高田 弘; 二川 正敏
no journal, ,
J-PARCの大強度核破砕中性子源で使用する水銀ターゲット容器は、水銀容器及び冷却水層を有する保護容器から成るSUS316L製薄肉多重容器構造であり、1MW(3GeV, 25Hz)での安定運転を目標としている。パルス陽子ビーム入射によって生じる水銀の発熱により、容器間を接続するリブ構造部に高い熱応力が生じる。また、熱応力は陽子ビームのトリップによって繰返し負荷される。1MW大強度運転を安定的に実施するためにも、熱疲労に対する耐久性向上の観点から発生応力を低減する必要がある。本研究では、将来的な出力増強を視野に入れて、既存のターゲット容器の構造モデルを基にして、ロバストな設計や大幅に解析ケースを減らす等の特徴を有するタグチメソッドを適用し、水銀ターゲット容器に発生する熱応力を低減するための構造モデルの最適化検討を新しいアプローチによって実施した。結論として、タグチメソッドによって評価した構造モデルでは、従来構造に比べて、応力分布をさらに低減できる条件を示すことができた。今後のターゲット容器の構造設計に対し、このような新しい解析法を用いることによって、より高出力に耐える設計の最適化を短期間に進めていくことが期待される。
若井 栄一; 粉川 広行; 涌井 隆; 直江 崇; 羽賀 勝洋; Guan, W.; 高田 弘; 二川 正敏
no journal, ,
J-PARCセンターの物質・生命科学施設(MLF)の中性子源の水銀標的システムはこれまで約100kWから約400kWまでの陽子ビーム強度下で安定運転を実施してきた実績を持ち、1MWでの大強度運転が期待されている。核破砕パルス中性子源の大強度化のため、運転時に水銀ターゲットに高い応力が負荷される領域に対し、水銀容器と保護容器の間の拘束部を取り除いた半無拘束型ターゲット容器構造の設計検討と製作技術の実証試験を行った。その結果、応力を低減できる半無拘束型ターゲットの構造と製作の成立性の目途を得た。
Guan, W.; 若井 栄一; 直江 崇; Wan, T.; 高田 弘; 二川 正敏
no journal, ,
J-PARCセンターの核破砕中性子源で使用する水銀標的容器は、SUS316L製の薄肉多重溶接構造体であり、1MWでの安定運転を目標としている。陽子及び中性子照射環境において、パルス陽子ビームの入射に伴う圧力波や熱荷重等の繰返し応力を受けるため、機器の構造健全性評価のために照射環境下での疲労特性、及び繰返し負荷に伴う力学特性変化を把握する必要がある。本研究では、実機の疲労特性評価を視野に入れて、標的容器構造材であるSUS316L鋼について、実機の溶接条件を再現した溶接材、及び照射硬化による転位導入を模擬した冷間圧延材を用いて、微細組織の変化に関連すると考えられる電気抵抗率と非線形超音波法による減衰係数の測定を通じて、疲労及び力学的特性と転位密度との相関について調査した。結論として、電気抵抗率と減衰係数の測定を通じて、疲労過程における転位密度の変化を定量的に評価することが確認した。一方、引張特性と組織観察の結果によるサイクル数の増加に伴い、材料の強度と延性が低下することが分かり、疲労寿命の更なる低減の懸念があると考えられる。今後、実機の力学特性変化を定量的に監視することが期待される。
若井 栄一; 粉川 広行; 涌井 隆; 直江 崇; Guan, W.; 花野 耕平*; 木下 秀孝; 成井 紀男*; 羽賀 勝洋; 勅使河原 誠; et al.
no journal, ,
J-PARCの核破砕中性子源施設は大強度(1MW(3GeV, 25Hz))での安定運転を目標としている。核破砕中性子源の水銀ターゲット容器は、水銀容器及び冷却水層を有する保護容器から成る薄肉多重容器構造を持ち、耐食性が良いSUS316L鋼で製作している。本研究では運転時に発生する応力をより低減させるため、従来と構造を大きく変更した半無拘束型ターゲット構造モデルの成立性を検討した。有限要素法などによって解析を進めた結果、設計要件を十分に満足させることができた。一方、その製作技術の評価では水銀容器と保護容器を繋ぐ部分(リブ)を容器後方の一部のみとし、溶接時に生じる熱変形や残留応力を低下させるため、電子ビーム溶接法による技術実証試験を行った。また、保護容器の構造強度を高めるとともに製作時間を短職化させるため、水路の体積を減少させる構造を採用し、その水路の加工をガンドリル法によって製作技術の実証試験を行った。その結果、応力などの解析評価と技術実証によりその成立性に関する良好な結果を得た。また、本評価を基にした実機ターゲット容器の製作も進んでおり、その近況も報告する。
若井 栄一; 直江 崇; 涌井 隆; 原田 正英; 粉川 広行; Guan, W.; 羽賀 勝洋; 高田 弘
no journal, ,
J-PARCの核破砕中性子源では、物質・生命科学や産業の発展のためには、国内外の研究者や民間企業のユーザーによって中性子線を利用した様々な解析が行われていて、パルス陽子ビーム(3GeV, 25Hz)の1MW安定運転を目標としている。J-PARCの核破砕中性子源の水銀ターゲット容器は高エネルギー粒子の通過や反応によってもたらされる損傷の蓄積により、材料強度特性等が徐々に劣化していくため、今後、出力を上げていくためには損傷挙動の予測精度を高めていく必要がある。核破砕中性子源施設において、原子炉の照射環境と最も異なる点は中性子エネルギースペクトルと高エネルギーパルス陽子ビームであり、それの影響を考慮した次のような特性評価((1)疲労、(2)照射損傷やガス元素生成の影響(PHITSコード含む)、(3)水銀中の損傷(キャビテーション損傷と対策)など)が不可欠である。本報告では水銀ターゲット容器に対する損傷挙動評価の現状を報告するとともに、パルス状の高い熱負荷や高い照射量の耐久性能を持つ水銀ターゲット容器の設計と製作技術の高度化の現状について併せて報告する。
