Local electronic structure of interstitial hydrogen in MgH inferred from muon study

門野 良典*; 平石 雅俊*; 岡部 博孝*; 幸田 章宏*; 伊藤 孝

Journal of Physics; Condensed Matter, 35(28), p.285503_1 - 285503_13, 2023/07

https://doi.org/10.1088/1361-648X/acccc7

Magnesium hydride has great potential as a solid hydrogen (H) storage material because of its high H storage capacity of 7.6 wt%. However, its slow hydrogenation and dehydrogenation kinetics and the high temperature of 300 C required for decomposition are major obstacles to small-scale applications such as automobiles. The local electronic structure of interstitial H in MgH is an important fundamental knowledge in solving this problem, which has been studied mainly based on density functional theory (DFT). However, few experimental studies have been performed to assess the results of DFT calculations. We have therefore introduced muon (Mu) as pseudo-H into MgH and investigated the corresponding interstitial H states by analyzing their electronic and dynamical properties in detail. As a result, we observed multiple Mu states similar to those observed in wide-gap oxides, and found that their electronic states can be attributed to relaxed-excited states associated with donor/acceptor levels predicted by the recently proposed ambipolarity model. This provides an indirect support for the DFT calculations on which the model is based via the donor/acceptor levels. An important implication of the muon results for improved hydrogen kinetics is that dehydrogenation, serving as a reduction for hydrides, stabilises the interstitial H state.

Quantum dynamics of hydrogen in the iron-based superconductor LaFeAsOD measured with inelastic neutron spectroscopy

山浦 淳一*; 平賀 晴弘*; 飯村 壮史*; 村場 善行*; Bang, J.*; 池内 和彦*; 中村 充孝; 稲村 泰弘; 本田 孝志*; 平石 雅俊*; et al.

Physical Review B, 99(22), p.220505_1 - 220505_6, 2019/06

AA2019-0126.pdf:0.9MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.220505

鉄系超伝導体LaFeAsODの非弾性中性子散乱実験により、超伝導転移温度26K以下において、5-15meVのエネルギー領域に新しい励起が生じることを見出した。なお、この励起は母物質であるLaFeAsOFでは現れない。14.5meVと11.1meVに現れる強い励起は水素の量子ラットリングまたはバンド運動に起因し、格子間サイトが2個以上のポテンシャル極小点を有する場合にのみ出現するものと結論付けた。

Bipartite magnetic parent phases in the iron oxypnictide superconductor

平石 雅俊*; 飯村 壮史*; 小嶋 健児*; 山浦 淳一*; 平賀 晴弘*; 池田 一貴*; Miao, P.*; 石川 喜久*; 鳥居 周輝*; 宮崎 正範*; et al.

Nature Physics, 10(4), p.300 - 303, 2014/04

https://doi.org/10.1038/nphys2906

High-temperature (high-) superconductivity appears as a consequence of the carrier-doping of an undoped parent compound exhibiting antiferromagnetic order; thereby, ground-state properties of the parent compound are closely relevant to the superconducting state. On the basis of the concept, a spin-fluctuation has been addressed as an origin of pairing of the superconducting electrons in cuprates. Whereas, there is growing interest in the pairing mechanism such as an unconventional spin-fluctuation or an advanced orbital-fluctuation due to the characteristic multi-orbital system in iron-pnictides. Here, we report the discovery of an antiferromagnetic order as well as a unique structural transition in electron-overdoped LaFeAsOH (), whereby another parent phase was uncovered, albeit heavily doped. The unprecedented two-dome superconducting phases observed in this material can be interpreted as a consequence of the carrier-doping starting from the original at and advanced at parent phases toward the intermediate region. The bipartite parent phases with distinct physical properties in the second magnetic phase provide us with an interesting example to illustrate the intimate interplay among the magnetic interaction, structural change and orbital degree of freedom in iron-pnictides.

J-PARC decay muon channel construction status

Strasser, P.*; 下村 浩一郎*; 幸田 章宏*; 河村 成肇*; 藤森 寛*; 牧村 俊助*; 小林 庸男*; 中原 一隆*; 加藤 峯夫*; 竹下 聡史*; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 225, p.012050_1 - 012050_8, 2010/06

https://doi.org/10.1088/1742-6596/225/1/012050

The new Muon Science Facility (MUSE) that is now under construction at J-PARC in the Materials and Life Sciences Facility (MLF) building will comprise four types of muon channels. In the first stage, a conventional superconducting decay muon channel (D-Line) was constructed, which can extract surface (positive) muons with an expected muon yield of /s and decay positive/negative muon up to 120 MeV/c, with an expected muon yield of a few /s at 60 MeV/c for both positive and negative muons. This channel will be used for various kinds of muon experiments like SR, muon catalyzed fusion and nondestruction elements analysis.

Recent activity of the JAEA theory group towards a better understanding of the effects of flows and energetic particles on the stability of MHD modes

相羽 信行; 石井 康友; Bierwage, A.; 廣田 真; 白石 淳也; 矢木 雅敏

no journal, , 

プラズマ理論シミュレーショングループにおける近年のMHD安定性に関する研究では、特に"プラズマ流"及び"高エネルギー粒子"の効果について着目し、それぞれ成果を上げている。これらはそれぞれ現存の実験装置において観測されているMHDモードの安定性に大きな影響を与えていることが知られているのみならず、ITERにおいて発生が懸念されているMHDモードの駆動源・安定化機構としてその理解が求められている重要な課題である。今回のワークショップでは、プラズマ理論シミュレーショングループがこれらのテーマにかかわるこれまでに上げてきた研究成果、特に出張者の専門分野であるELMに関連した周辺MHD安定性に対するプラズマ回転の影響の解析結果とその結果に基づいたJT-60Uの実験解析について発表する。

Effect of poloidal rotation on ELM and RWM in tokamaks

相羽 信行; 白石 淳也; 徳田 伸二*; 矢木 雅敏

no journal, , 

Type-I ELMの原因である周辺MHDモード、及びディスラプションの原因の一つである抵抗性壁モード(RWM)の安定性に対するプラズマのポロイダル回転の影響について数値解析を行った。その結果、実験的に観測されている程度のポロイダル回転は、周辺MHDモードを不安定化する一方、RWMを安定化することを明らかにした。さらに、プラズマがトロイダル方向にも回転している場合、トロイダル回転の向きによってMHD安定性が変化することを示した。この傾向は、JT-60Uで観測されている「ELMの性質とトロイダル回転方向との依存性」を再現しうる結果であり、ポロイダル回転がELMの小振幅化を引き起こす重要な物理量である可能性を示したものである。また、RWMについてはこれまでトロイダル回転の向きに対する依存性については議論されていなかったが、今回の結果はRWMの安定化をしやすいトロイダル回転方向が存在することを意味するものである。そのため、今後実験などを行い、この結果の妥当性を確認し、確認された際にはJT-60SAやITERにおけるRWM安定化を検討するうえで重要な要因となるものである。

回転プラズマにおける抵抗性壁モード解析コードの開発及びJT-60SAへの応用

白石 淳也; 相羽 信行; 矢木 雅敏

no journal, , 

JT-60SAに代表される高定常トカマクの開発において、抵抗性壁モード(RWM, Resistive Wall Mode)の不安定化による値制限の改善が重要課題となっており、プラズマ回転によるRWMの安定化機構の解明が求められている。このため、本研究では、実形状のトカマクプラズマに対して、プラズマ回転を含むRWM解析コードの開発を行った。抵抗壁が存在する場合のプラズマの安定性は、プラズマ,真空領域及び抵抗壁におけるエネルギーバランスを解くことで求められる。トカマク配位において真空磁気エネルギー及び抵抗壁におけるエネルギー散逸を計算するモジュール"RWMaC"を開発し、回転を含む線形MHDコードMINERVA(プラズマの運動エネルギーとポテンシャルエネルギーを計算)に実装した。MINERVA/RWMaCは安定性を初期値問題として解析できるため、少ない計算時間でRWM成長率を計算できる等の特徴がある。コード検証のため、MINERVA/RWMaCと米国のRWM安定性コードMARS-Fコードのベンチマークを行い、幅広い壁位置及び時定数にわたって、RWM成長率が一致することを確認した。さらに、本コードをJT-60SA解析へと応用し、RWM成長率に対するプラズマ回転の効果を解析した。

Development of resistive wall mode analysis code for rotating plasmas

白石 淳也; 相羽 信行; 矢木 雅敏

no journal, , 

高ベータ・定常プラズマ閉じ込めを目指す高性能トカマクにおいては、不安定な抵抗性壁モード(RWM: Resistive Wall Mode)によって、到達ベータ値が制限される。したがって、RWMの安定化あるいは制御は重要な物理・工学的課題の一つである。近年の研究の進展により、プラズマ回転が有力なRWM安定化手法であると考えられている。そこで、本研究では、実形状トカマクにおいて、回転を含むRWM解析コードを開発した。RWM解析は、抵抗性壁-真空-プラズマの連成問題である。本研究では、真空及び抵抗性壁解析モジュールRWMaCを開発し、回転を含む線理想MHDコードMINERVAに実装した。本コードの特徴として、(1)トロイダル回転が磁気流体力学平衡を変化させる効果を取り込むことができる。(2)ポロイダル回転の効果を摂動的に取り入れることができる、等が挙げられる。コードの信頼性を確立するために、トロイダル回転がMHD平衡を変化させないとして、他コードとのベンチマークを行い、回転速度がアルフベン速度の数%の範囲まで、RWMの成長率が一致することを確かめた。

トロイダル回転による磁気流体力学平衡の変化がもたらす抵抗性壁モードの安定化

白石 淳也; 相羽 信行; 宮戸 直亮; 矢木 雅敏

no journal, , 

抵抗性壁モード(RWM)は、高性能トカマクにおいて到達可能なベータ値を制限する不安定性であるため、その安定化手法の確立は重要な課題である。RWMは、プラズマ回転により安定化されることが明らかになっており、安定化機構の解明が世界各国で活発に行われている。本研究では、実形状トカマク配位において、プラズマ回転の効果を含むRWM解析コードMINERVA/RWMaCを開発した。従来のコードでは、回転の効果は「摂動」として取り扱われてきた。すなわち、回転は線形ダイナミクスにのみ影響を与え、MHD平衡は静止平衡を仮定してきた。MINERVA/RWMaCでは、プラズマ回転に伴う遠心力によるMHD平衡の変化を考慮することができる。MINERVA/RWMaCを用いて、高ベータトカマクを対象にして、平衡分布が変化する効果の数値解析を行った。その結果、遠心力による平衡の変化を考慮することにより、幅広い壁位置において、遠心力を考慮しない場合に比べてRWMの成長率は小さくなることを明らかにした。

Status of the ITER plasma modeling activities in JAEA

白石 淳也; 本多 充; 林 伸彦; 相羽 信行; 藤間 光徳; 松山 顕之; 内藤 磨; 宮田 良明; 井上 静雄; 成田 絵美; et al.

no journal, , 

原子力機構はITERプラズマモデリングに関して様々な研究分野に貢献してきた。そのなかでも、原子力機構における最近の統合モデリング活動について報告する。統合モデリングは、ITERのような自律的で複雑な挙動を示すプラズマのシミュレーションには必要不可欠である。原子力機構では統合モデリングコードTOPICSを開発してきた。TOPICSは、その予測正確性を高めるために様々な物理モデルを導入し、ITERプラズマに対する知見を与えてきた。最近では、ITERにおけるトロイダル回転の予測シミュレーションに成功した。TOPICSを3次元平衡コードVMEC及び3次元ドリフト運動論方程式ソルバーFORTEC-3Dと結合することにより、NTV及び径方向電場を計算すうことに成功し、その結果回転を自己無撞着に計算した。もう一つの成果としてITERにおいてペレット入射によるELMペーシングの定量的評価に成功した。TOPICSに新しいペレットモデルを導入し、MHD安定性コードMARG2Dと結合することでELMペーシングのシミュレーションに成功した。