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論文

Sintering and microstructural behaviors of mechanically blended Nd/Sm-doped MOX

廣岡瞬; 堀井雄太; 砂押剛雄*; 宇野弘樹*; 山田忠久*; Vauchy, R.; 林崎康平; 中道晋哉; 村上龍敏; 加藤正人

Journal of Nuclear Science and Technology, 60(11), p.1313 - 1323, 2023/11

https://doi.org/10.1080/00223131.2023.2192725

被引用回数：3 パーセンタイル：94.27(Nuclear Science & Technology)

収率が高く燃料に固溶するFP(模擬FP)としてNd $_{2}$ O $_{3}$ 及びSm $_{2}$ O $_{3}$ を添加したMOXの焼結試験を行い、焼結後の微細組織を評価した。熱膨張計を用いて取得した焼結中の収縮曲線から、模擬FP含有MOXは通常のMOXよりも高温で焼結が進むことが分かった。焼結後の密度評価及び金相組織の観察から、模擬FP含有MOXは通常のMOXよりも粒成長と高密度化が進むことが分かった。これは、添加元素の影響を受けて一部のUが4価から5価に変化し、拡散速度が大きくなったことが原因と考えられる。また、XRDの結果から焼結後の試料は均質に固溶した結晶構造が示されたが、EPMAによる元素マッピングの結果からは模擬FPの濃度が一様でなく、完全には均質に分布していない微細組織が示された。不均質に分布したNd $_{2}$ O $_{3}$ 含有MOXを微粉砕し、再焼結を行う過程を繰り返すことで、均質性が向上し、密度も十分に高い模擬FP含有MOXペレットを作製することができた。

論文

Oxygen potential of neodymium-doped U $_{0.817}$ Pu $_{0.180}$ Am $_{0.003}$ O $_{2 pm x}$ uranium-plutonium-americium mixed oxides at 1573, 1773, and 1873 K

Vauchy, R.; 砂押剛雄*; 廣岡瞬; 中道晋哉; 村上龍敏; 加藤正人

Journal of Nuclear Materials, 580, p.154416_1 - 154416_11, 2023/07

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2023.154416

被引用回数：4 パーセンタイル：97.05(Materials Science, Multidisciplinary)

Oxygen potentials of U $_{0.817}$ Pu $_{0.180}$ Am $_{0.003}$ O $_{2 pm x}$ incorporating 10 and 20 mol% of neodymium (Nd/Metal) were investigated by thermogravimetry at 1573, 1773, and 1873 K. The presence of neodymium induced an increase in the oxygen potential of the U-Pu mixed oxide. The correlation between oxygen partial pressure pO $_{2}$ and deviation from stoichiometry x was analyzed, and a model of defect chemistry was proposed. Finally, the crystal structure of these mixed oxides was discussed at the light of the mechanisms of possible Nd(III)/U(V) charge compensation, and deviation from stoichiometry.

論文

Gyromagnetic bifurcation in a levitated ferromagnetic particle

佐藤哲也*; 加藤岳生*; 大上能悟*; 松尾衛

Physical Review B, 107(8), p.L180406_1 - L180406_6, 2023/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.L180406

被引用回数：1 パーセンタイル：49.29(Materials Science, Multidisciplinary)

We examine the mechanical rotation of a levitated magnetic particle that is induced by ferromagnetic resonance under microwave irradiation. We show that two stable solutions appear in a certain range of parameters by bifurcation when the rotation frequency is comparable to the microwave frequency. This phenomenon originates from the coexistence of the Barnett and the Einstein-de Haas effects. We also reveal that this measurement is sensitive to the strength of the spin-rotation coupling. Our work provides a platform for accessing a microscopic relaxation process from spin to macroscopic rotation.

論文

Effect of vertex corrections on the enhancement of Gilbert damping in spin pumping into a two-dimensional electron gas

山正樹*; 松尾衛; 加藤岳生*

Physical Review B, 107(17), p.174414_1 - 174414_15, 2023/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.174414

被引用回数：1 パーセンタイル：49.29(Materials Science, Multidisciplinary)

We theoretically consider the effect of vertex correction on spin pumping from a ferromagnetic insulator (FI) into a two-dimensional electron gas (2DEG) in which the Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions coexist. The Gilbert damping in the FI is enhanced by elastic spin-flipping or magnon absorption. We show that the Gilbert damping due to elastic spin-flipping is strongly enhanced by the vertex correction when the ratio of the two spin-orbit interactions is near a special value at which the spin relaxation time diverges while that due to magnon absorption shows only small modification. We also show that the shift in the resonant frequency due to elastic spin-flipping is strongly enhanced in a similar way as the Gilbert damping.

論文

Spin Hall magnetoresistance in quasi-two-dimensional antiferromagnetic-insulator/metal bilayer systems

石川卓門*; 松尾衛; 加藤岳生*

Physical Review B, 107(5), p.054426_1 - 054426_9, 2023/02

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.054426

被引用回数：0 パーセンタイル：0(Materials Science, Multidisciplinary)

We study the temperature dependence of spin-Hall magnetoresistance (SMR) in antiferromagnetic-insulator/metal bilayer systems. We calculate the amplitude of the SMR signal by using a quantum Monte Carlo simulation and examine how the SMR depends on the amplitude of the spin, thickness of the antiferromagnetic-insulator layer, and randomness of the exchange interactions. Our results for simple quantum spin models provide a useful starting point for understanding SMR measurements on atomic layers of magnetic compounds.

論文

Spin pumping into anisotropic Dirac electrons

船戸匠*; 加藤岳生*; 松尾衛

Physical Review B, 106(14), p.144418_1 - 144418_10, 2022/10

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.144418

被引用回数：3 パーセンタイル：45.85(Materials Science, Multidisciplinary)

We study spin pumping into an anisotropic Dirac electron system induced by microwave irradiation to an adjacent ferromagnetic insulator theoretically. We formulate the Gilbert damping enhancement due to the spin current flowing into the Dirac electron system using second-order perturbation with respect to the interfacial exchange coupling. As an illustration, we consider the anisotropic Dirac system realized in bismuth to show that the Gilbert damping varies according to the magnetization direction in the ferromagnetic insulator. Our results indicate that this setup can provide helpful information on the anisotropy of the Dirac electron system.

論文

Ferromagnetic resonance modulation in -wave superconductor/ferromagnetic insulator bilayer systems

大湊友也*; 山影相*; 加藤岳生*; 松尾衛

Physical Review B, 105(20), p.205406_1 - 205406_7, 2022/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.205406

被引用回数：9 パーセンタイル：79.16(Materials Science, Multidisciplinary)

We investigate ferromagnetic resonance (FMR) modulation in -wave superconductor (SC)/ferromagnetic insulator (FI) bilayer systems theoretically. The modulation of the Gilbert damping in these systems reflects the existence of nodes in the -wave SC and shows power-law decay characteristics within the low-temperature and low-frequency limit. Our results indicate the effectiveness of the use of spin pumping as a probe technique to determine the symmetry of unconventional SCs with high sensitivity for nanoscale thin films.

論文

Fluctuation theorem for spin transport at insulating ferromagnetic junctions

佐藤哲也*; 立野雅大*; 松尾衛; 加藤岳生*

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 546, p.168814_1 - 168814_6, 2022/03

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168814

被引用回数：0 パーセンタイル：0(Materials Science, Multidisciplinary)

General relations for nonequilibrium spin transport at a magnetic junction between a normal metal and a ferromagnetic insulator are derived from the quantum fluctuation theorem. They include the extended Onsager relations between the spin conductance and the spin-current noise that hold for nonequilibrium states driven by an external current. These relations are valid for a general setup of spin Hall magnetoresistance (SMR) when the main contribution is due to the interfacial spin conductance. Unidirectional spin Hall magnetoresistance (UMR) in insulating ferromagnetic junctions can be understood in a similar way. Therefore, our work can provide a comprehensive viewpoint for understanding of SMR and UMR in insulating ferromagnetic junctions. Our result also predicts relations for higher-order coefficients with respect to the external current in terms of higher-order cumulants in a unified framework.

論文

Einstein-de Haas nanorotor

泉田渉*; 奥山倫*; 佐藤健太郎*; 加藤岳生*; 松尾衛

Physical Review Letters, 128(1), p.017701_1 - 017701_6, 2022/01

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.017701

被引用回数：4 パーセンタイル：65.23(Physics, Multidisciplinary)

We propose a nanoscale rotor embedded between two ferromagnetic electrodes that is driven by spin injection. The spin-rotation coupling allows this nanorotor to continuously receive angular momentum from an injected spin under steady current flow between ferromagnetic electrodes in an antiparallel magnetization configuration. We develop a quantum theory of this angular-momentum transfer and show that a relaxation process from a precession state into a sleeping top state is crucial for the efficient driving of the nanorotor by solving the master equation. Our work clarifies a general strategy for efficient driving of a nanorotor.

論文

Spin current at a magnetic junction as a probe of the Kondo state

山本剛史*; 加藤岳生*; 松尾衛

Physical Review B, 104(12), p.L121401_1 - L121401_5, 2021/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.L121401

被引用回数：5 パーセンタイル：43.44(Materials Science, Multidisciplinary)

We investigate the spin Seebeck effect and spin pumping in a junction between a ferromagnetic insulator and a magnetic impurity deposited on a normal metal. By performing a numerical renormalization group calculation, we show that spin current is enhanced by the Kondo effect. This spin current is suppressed by an increase in temperature or a magnetic field comparable to the Kondo temperature. Our results indicate that spin transport can be a direct probe of spin excitation in strongly correlated systems.

論文

Spin pumping of two-dimensional electron gas with Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions

山正樹*; 立野雅大*; 加藤岳生*; 松尾衛

Physical Review B, 104(5), p.054410_1 - 054410_9, 2021/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.054410

被引用回数：7 パーセンタイル：55.98(Materials Science, Multidisciplinary)

We theoretically consider spin pumping in a junction between a ferromagnetic insulator (FI) and a two-dimensional electron gas (2DEG) in which the Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions coexist. Using second-order perturbation theory, we derive an increase in linewidth in the case of an interfacial exchange coupling in a ferromagnetic resonance (FMR) experiment. We clarify how the enhancement of Gilbert damping depends on the resonant frequency and spin orientation of the FI. We show that this setup of an FMR experiment can provide information on the spin texture of 2DEG at the Fermi surface.

論文

Oxygen potential measurement of (U,Pu,Am)O $_{2 pm x}$ and (U,Pu,Am,Np)O $_{2 pm x}$

廣岡瞬; 松本卓; 加藤正人; 砂押剛雄*; 宇野弘樹*; 山田忠久*

Journal of Nuclear Materials, 542, p.152424_1 - 152424_9, 2020/12

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152424

被引用回数：6 パーセンタイル：59.94(Materials Science, Multidisciplinary)

(U $_{0.623}$ Pu $_{0.350}$ Am $_{0.027}$ )O $_{2}$ に対しては1,673, 1,773, 1,873K、(U $_{0.553}$ Pu $_{0.285}$ Am $_{0.015}$ Np $_{0.147}$ )O $_{2}$ に対しては1,873, 1,973Kにおいて、酸素ポテンシャルの測定を実施した。測定は、熱天秤と酸素センサーを用いる気相平衡法により実施した。Uの代わりにAmを添加した場合、酸素ポテンシャルは大きく上昇した。同様に、Uの代わりにNpを添加した場合も酸素ポテンシャルは上昇したが、上昇の効果はPuやAmを添加した場合と比べても小さいものであった。酸素ポテンシャルの測定結果について、酸素分圧と定比組成からのずれをプロットし、欠陥化学により解析することで、欠陥反応の種類を推定した。推定した欠陥反応における平衡定数を評価し、AmとNpを平衡定数の中のエントロピーに組み込むことで、酸素ポテンシャルの測定結果を再現する評価式を導出した。

論文

Oxygen self-diffusion in near stoichiometric (U,Pu)O $_{2}$ at high temperatures of 1673-1873 K

渡部雅; 加藤正人; 砂押剛雄*

Journal of Nuclear Materials, 542, p.152472_1 - 152472_7, 2020/12

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152472

被引用回数：2 パーセンタイル：23.63(Materials Science, Multidisciplinary)

高温における定比組成近傍の(U,Pu)O $_{2}$ の酸素自己拡散係数を熱重量法と酸素同位体交換法を組み合わせた手法によって測定することに成功した。(U,Pu)O $_{2}$ の定比組成における酸素拡散の活性化エネルギーを実験データから評価し、その値を248kJ/molと決定した。また、(U,Pu)O $_{2 pm x}$ の欠陥移動エネルギーを導出し、これらを用いて酸素自己拡散係数を評価した。その結果、実験データと評価結果は良く一致した。

論文

Microscopic theory of spin Hall magnetoresistance

加藤岳生*; 大沼悠一*; 松尾衛

Physical Review B, 102(9), p.094437_1 - 094437_10, 2020/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.094437

被引用回数：16 パーセンタイル：72.24(Materials Science, Multidisciplinary)

We consider a microscopic theory for the spin Hall magnetoresistance (SMR). We generally formulate a spin conductance at an interface between a normal metal and a magnetic insulator in terms of spin susceptibilities. We reveal that SMR is composed of static and dynamic parts. The static part, which is almost independent of the temperature, originates from spin flip caused by an interfacial exchange coupling. However, the dynamic part, which is induced by the creation or annihilation of magnons, has an opposite sign from the static part. By the spin-wave approximation, we predict that the latter results in a nontrivial sign change in the SMR signal at a finite temperature. In addition, we derive the Onsager relation between spin conductance and thermal spin-current noise.

論文

Effect of O/M ratio on sintering behavior of (Pu $_{0.3}$ U $_{0.7}$ )O $_{2-x}$

中道晋哉; 廣岡瞬; 加藤正人; 砂押剛雄*; Nelson, A. T.*; McClellan, K. J.*

Journal of Nuclear Materials, 535, p.152188_1 - 152188_8, 2020/07

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152188

被引用回数：9 パーセンタイル：75.12(Materials Science, Multidisciplinary)

ウランとプルトニウムの混合酸化物の酸素-金属比(O/M)は酸素分圧に依存する。望みの結晶組織及びO/M比を有する焼結ペレットを得るには、焼結挙動と焼結雰囲気の関係を調査することが重要である。本研究では、酸素分圧を制御した雰囲気中で、(Pu $_{0.3}$ U $_{0.7}$ )O $_{2}$ 及び(Pu $_{0.3}$ U $_{0.7}$ )O $_{1.99}$ の焼結挙動について調査した。試験の結果、(Pu $_{0.3}$ U $_{0.7}$ )O $_{1.99}$ の焼結の活性化エネルギーは(Pu $_{0.3}$ U $_{0.7}$ )O $_{2}$ よりも高いことが分かった。一方、(Pu $_{0.3}$ U $_{0.7}$ )O $_{1.99}$ の粒成長は(Pu $_{0.3}$ U $_{0.7}$ )O $_{2}$ に比べて抑制された。

論文

Thermal and mechanical properties of CeO $_{2}$

鈴木紀一; 加藤正人; 砂押剛雄*; 宇野弘樹*; Carvajal-Nunez, U.*; Nelson, A. T.*; McClellan, K. J.*

Journal of the American Ceramic Society, 102(4), p.1994 - 2008, 2019/04

https://doi.org/10.1111/jace.16055

被引用回数：36 パーセンタイル：90.55(Materials Science, Ceramics)

CeO $_{2}$ の熱物性及び機械物性を測定した。熱重量分析法により酸素ポテンシャルを測定し、欠陥化学モデルを用いてデータを解析した。音速測定, 共鳴超音波分光法及びナノインデンテーション法によりCeO $_{2}$ の弾性率を得た。得られた弾性率を用いてデバイ温度及びグリュナイゼン定数を評価するとともに、その評価結果を基に比熱及び熱伝導率を計算した。熱伝導率の計算結果は実験値をよく再現し、また、不純物依存性が大きいことが示された。

論文

Isotope-selective microscale imaging of radioactive Cs without isobaric interferences using sputtered neutral mass spectrometry with two-step resonant ionization employing newly-developed Ti:Sapphire lasers

坂本哲夫*; 森田真人*; 金成啓太*; 富田英生*; Sonnenschein, V.*; 齊藤洸介*; 大橋雅也*; 加藤弘太郎*; 井口哲夫*; 河合利秀*; et al.

Analytical Sciences, 34(11), p.1265 - 1270, 2018/11

https://doi.org/10.2116/analsci.18P249

被引用回数：8 パーセンタイル：31.52(Chemistry, Analytical)

Characterization of radionuclides in Fukushima is important to determine their origins and current state in the environment. Radionuclides exist as fine particles and are mixed with other constituents. A measurement method with both micro-imaging capability and highly selective element detection is necessary to analyze these particles. We developed such an imaging technique using a time-of-flight secondary ion mass spectrometry and wavelength tunable Ti:Sapphire lasers for resonance ionization of target elements without mass interference. This is called resonant laser ionization sputtered neutral mass spectrometry. The instrument has high lateral resolution and higher ionization selectivity using two-step resonance excitation of Cs with two lasers at different wavelengths. Optimization of the wavelength for resonance ionization using a Cs compound was performed, and a real environmental particle containing radioactive Cs was analyzed. Isotope images of three kinds of Cs were successfully obtained without interfere from Ba isotopes for the first time.

論文

Spin current noise of the spin Seebeck effect and spin pumping

松尾衛*; 大沼悠一; 加藤岳生*; 前川禎通

Physical Review Letters, 120(3), p.037201_1 - 037201_5, 2018/01

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.037201

被引用回数：45 パーセンタイル：89.89(Physics, Multidisciplinary)

常磁性金属と強磁性体の二層系におけるスピンゼーベック効果及びスピンポンピングによって生成された純スピン流の揺らぎを理論的に調べた。スピンの保存と非保存の過程を考慮した強磁性体/金属の単純な界面のモデルから出発し、強磁性体/金属の結合強度について2次の摂動の範囲で、界面におけるスピン流とスピン流ノイズの一般的な式を導出した。また、イットリウム鉄ガーネットと白金の二層系を想定し、スピン流とスピン流ノイズを見積もった。その結果、界面におけるスピン非保存過程によって変調された、マグノンが運ぶ有効スピンを、スピン流ノイズを用いて決定できることを示した。加えて、スピン流ノイズによって、マグノンの有効スピン、スピンポンピングにおいて発生する界面での発熱量、常磁性金属のスピンホール角に関する情報が得られることを示した。

論文

Oxygen chemical diffusion coefficients of (U, Pu)O $_{2-x}$

渡部雅; 砂押剛雄*; 加藤正人

Defect and Diffusion Forum, 375, p.84 - 90, 2017/05

http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.375.84

(U, Pu)O $_{2-x}$ の酸素化学拡散係数を熱重量測定法を用いて決定した。また、酸素化学拡散係数の算出においては試料の表面反応も考慮した。その結果、酸素化学拡散係数の活性化エネルギーは、(U $_{0.8}$ Pu $_{0.2}$ )O $_{2-x}$ 及び(U $_{0.7}$ Pu $_{0.3}$ )O $_{2-x}$ についてそれぞれ60kJ/mol, 65kJ/molとなった。

論文

Electrical conductivity through a single atomic step measured with the proximity-induced superconducting pair correlation

Kim, H.*; Lin, S.-Z.*; Graf, M.*; 宮田佳典*; 永井佑紀; 加藤岳生*; 長谷川幸雄*

Physical Review Letters, 117(11), p.116802_1 - 116802_5, 2016/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.116802

被引用回数：21 パーセンタイル：75.37(Physics, Multidisciplinary)

近年、物質の表面や界面に原子層数層程度の金属的電子伝導領域を作成しコントロールすることが可能となり、それらを用いた革新的デバイス作製へ向けて世界中で盛んに研究が行われている。特に、Si基盤上に再構成されたSi(111)表面(SiC)は、様々な原子層を載せることで電気抵抗ゼロを示すなど多彩な物性を示す。本論文では、このSiCの原子層のステップ状構造における電気伝導率を測定するための手法を開発したことを報告する。その際、PbのナノアイランドをSiC上に載せ低温で超伝導化させてその超伝導近接効果を走査型トンネル顕微鏡を用いて調べた。なお、上記課題の解決にあたり、走査型トンネル顕微鏡によって得られた測定データと超伝導近接効果を記述する理論計算を比較することで、原子層のステップ状構造の電気伝導率を決めることができた。これらの結果は、界面や表面を利用したデバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野の材料開発のためのシミュレーション基盤開発にも資する成果である。