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論文

The Role of silicon on solute clustering and embrittlement in highly neutron-irradiated pressurized water reactor surveillance test specimens

高見澤 悠; 端 邦樹; 西山 裕孝; 外山 健*; 永井 康介*

Journal of Nuclear Materials, 556, p.153203_1 - 153203_10, 2021/12

原子炉圧力容器鋼における中性子照射脆化に及ぼすシリコンの影響を明らかにするため、三次元アトムプローブにより、高照射量領域まで中性子照射された監視試験片中の溶質原子クラスタを分析した。高Cu含有材では、Ni, Mn, Siがクラスタ中心のCu原子を囲むように凝集し、コアシェル構造を形成するのに対して、低Cu含有材ではNi, Mn, Siがクラスタ中を均一に分布していた。クラスタ内のCu原子の数はCu含有量の減少と共に減少したが、それを補うようにSi原子数が増加した。材料中の公称のSi含有量の増加とともに、クラスタのギニエ半径は減少し、数密度が増加した。結果として、クラスタの体積率は一定であった。延性脆性遷移温度移行量とクラスタの体積率とギニエ半径の積の平方根が良い相関関係を示すことから、脆化の主要因は、溶質原子クラスタを転位が切断するメカニズムによる硬化であることが示された。また、Si含有量の増加により、クラスタの体積率は一定のままギニエ半径が減少することで脆化の程度を減少させることが示された。

論文

Atomistic modeling of hardening in spinodally-decomposed Fe-Cr binary alloys

鈴土 知明; 高見澤 悠; 西山 裕孝; Caro, A.*; 外山 健*; 永井 康介*

Journal of Nuclear Materials, 540, p.152306_1 - 152306_10, 2020/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:39.17(Materials Science, Multidisciplinary)

熱時効したFe-Cr合金はスピノーダル分解によって硬化を引き起こし、これはいわゆる475C脆性の直接的な原因である。スピノーダル分解が原子的相互作用によってどのように硬化を引き起こすのかを示すため、数値シミュレーションと実験を実施した。数値的な結果では、硬さが短距離秩序(SRO)パラメーターと比例することを示され、実験でもこの関係を統計誤差内で再現した。どちらの結果も、隣接するCr-Cr原子ペアが本質的に硬化を引き起こすことを示唆した。なぜなら、SROがそのようなペアの出現確率に一意的に依存しているからである。硬化の主な原因がそのようなCr-Crペア付近を通過する転位のピン止め効果であることが示唆されたが、このアイデアはさらなるモデリング研究により裏付けられた。

論文

Gapless spin liquid in a square-kagome lattice antiferromagnet

藤原 理賀*; 森田 克洋*; Mole, R.*; 満田 節生*; 遠山 貴巳*; 矢野 真一郎*; Yu, D.*; 曽田 繁利*; 桑井 智彦*; 幸田 章宏*; et al.

Nature Communications (Internet), 11(1), p.3429_1 - 3429_7, 2020/07

 被引用回数:8 パーセンタイル:81.73(Multidisciplinary Sciences)

Observation of a quantum spin liquid (QSL) state is one of the most important goals in condensed-matter physics, as well as the development of new spintronic devices that support next-generation industries. The QSL in two-dimensional quantum spin systems is expected to be due to geometrical magnetic frustration, and thus a kagome-based lattice is the most probable playground for QSL. Here, we report the first experimental results of the QSL state on a square-kagome quantum antiferromagnet, KCu$$_6$$AlBiO$$_4$$(SO$$_4$$)$$_5$$Cl. Comprehensive experimental studies via magnetic susceptibility, magnetisation, heat capacity, muon spin relaxation, and inelastic neutron scattering measurements reveal the formation of a gapless QSL at very low temperatures close to the ground state. The QSL behavior cannot be explained fully by a frustrated Heisenberg model with nearest-neighbor exchange interactions, providing a theoretical challenge to unveil the nature of the QSL state.

論文

Dynamical density matrix renormalization group study of spin and charge excitations in the four-leg $$t$$-$$t'$$-$$J$$

遠山 貴己; 森 道康; 曽田 繁利*

Physical Review B, 97(23), p.235137_1 - 235137_7, 2018/06

AA2018-0171.pdf:1.43MB

 被引用回数:7 パーセンタイル:50.91(Materials Science, Multidisciplinary)

We investigate the dynamical spin and charge structure factors of the $$t$$-$$t'$$-$$J$$ four-leg ladder by using dynamical density-matrix renormalization group. The dynamical charge structure factor along the momentum direction from $$q=(0,0)$$ to $$(pi,0)$$ clearly shows low-energy excitations corresponding to the stripe order in hole doping. On the other hand, the stripe order weakens in electron doping, resulting in less low-energy excitations in the charge channel. In spin channel, we find incommensurate spin excitations near $$q=(pi,pi)$$ forming a hour-glass behavior in hole doping, while in electron doping we find clearly spin-wave-like dispersions starting from $$q=(pi,pi)$$. Along the $$(0,0)$$-$$(pi,0)$$ direction, the spin excitations are strongly influenced by the stripes in hole doping, resulting in two branches that form a discontinuous behavior in the dispersion. In contrast, the electron-doped systems show a downward shift in energy toward $$(pi,0)$$.

論文

Magnetic phase diagram of a frustrated spin ladder

杉本 貴則*; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通

Physical Review B, 97(14), p.144424_1 - 144424_10, 2018/04

AA2018-0074.pdf:1.54MB

 被引用回数:2 パーセンタイル:16.65(Materials Science, Multidisciplinary)

Frustrated spin ladders show magnetization plateaux depending on the rung-exchange interaction and frustration defined by the ratio of first and second neighbor exchange interactions in each chain. This paper reports on its magnetic phase diagram. Using the variational matrix-product state method, we accurately determine phase boundaries. Several kinds of magnetization plateaux are induced by the frustration and the strong correlation among quasiparticles on a lattice. The appropriate description of quasiparticles and their relevant interactions are changed by a magnetic field. We find that the frustration differentiates the triplet quasiparticle from the single tone in kinetic energy.

論文

Observation of momentum-dependent charge excitations in hole-doped cuprates using resonant inelastic X-ray scattering at the oxygen $$K$$ edge

石井 賢司*; 遠山 貴巳*; 浅野 駿*; 佐藤 研太朗*; 藤田 全基*; 脇本 秀一; 筒井 健二*; 曽田 繁利*; 宮脇 淳*; 丹羽 秀治*; et al.

Physical Review B, 96(11), p.115148_1 - 115148_8, 2017/09

AA2017-0402.pdf:0.81MB

 被引用回数:20 パーセンタイル:75.96(Materials Science, Multidisciplinary)

We investigate electronic excitations in La$$_{2-x}$$(Br,Sr)$$_x$$CuO$$_4$$ using resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) at the oxygen $$K$$ edge. We observed momentum-dependent spectral weight below 1 eV, which is consistent with theoretical calculation of the dynamical charge structure factor on oxygen orbitals in a three-band Hubbard model. Our results confirm that the momentum-dependent charge excitations exist on the order of the transfer energy ($$t$$), and the broad spectral line shape indicates damped and incoherent character of the charge excitations at the energy range in the doped Mott insulators.

論文

Predoping effects of boron and phosphorous on arsenic diffusion along grain boundaries in polycrystalline silicon investigated by atom probe tomography

高見澤 悠; 清水 康雄*; 井上 耕治*; 野沢 康子*; 外山 健*; 矢野 史子*; 井上 真雄*; 西田 彰男*; 永井 康介*

Applied Physics Express, 9(10), p.106601_1 - 106601_4, 2016/10

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Physics, Applied)

The effect of phosphorus (P) and boron (B) doping on arsenic (As) diffusion in polycrystalline silicon (poly-Si) was investigated using laser-assisted atom probe tomography. In all samples, a high concentration of As was found at the grain boundaries, indicating that such boundaries represent the main diffusion path. However, As grain-boundary diffusion was suppressed in the B-doped sample, and enhanced in the P-doped sample. In a sample co-doped with both P and B, As diffusion was somewhat enhanced, indicating competition between the effects of the two dopants. This can be explained by the pairing of P and B atoms. The results suggest that grain-boundary diffusion of As can be controlled by varying the local concentration of P and B dopants.

論文

Quasi-spin correlations in a frustrated quantum spin ladder

杉本 貴則*; 森 道康; 遠山 貴巳*; 前川 禎通

Physics Procedia, 75, p.861 - 867, 2015/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.04

The quasi-spin correlations in a frustrated quantum spin ladder with one-half magnetization are theoretically studied by using the density-matrix renormalization-group method and the quasi- spin transformation. In this model, the frustration induces a gapless-to-gapful phase transition with a strong rung coupling. The gapful state is observed as the one-half magnetization plateau in the magnetization curve. In the magnetization-plateau state, we find that the quasi-spin dimer has a large expectation value with long-ranged correlations. This result does not only comes in useful to clarify the magnetization-plateau state, but gives a crucial information to understand the magnetization curve of the real compound BiCu$$_{2}$$PO$$_{6}$$, whose effective spin model corresponds to ours.

論文

Orbital-selective electronic excitations in iron arsenides revealed by simulated nonresonant inelastic X-ray scattering

筒井 健二; 兼下 英司*; 遠山 貴巳*

Physical Review B, 92(19), p.195103_1 - 195103_5, 2015/11

 被引用回数:2 パーセンタイル:12.06(Materials Science, Multidisciplinary)

非共鳴非弾性X線散乱(NIXS)は電子系の電荷励起を検知する手段としての可能性をもっている。さらに、X線の大きな運動量変化領域における多極子遷移によって、多軌道系遍歴3d電子系の軌道選択された電子励起を決められる可能性が生まれた。その例として鉄砒素系化合物の反強磁性状態を挙げ、NIXSの適切な運動量変化を選ぶことにより、軌道が選択された励起を検知できることを理論的に明らかにする。多軌道系遍歴電子系における軌道励起の本質を理解する上で、NIXSと共鳴非弾性X線散乱がいかにお互いに補い合うかを示す。

論文

Lifshitz transition induced by magnetic field in frustrated two-leg spin-ladder systems

杉本 貴則*; 森 道康; 遠山 貴巳*; 前川 禎通

JPS Conference Proceedings (Internet), 8, p.034005_1 - 034005_6, 2015/09

The magnetization curve in a frustrated two-leg spin-ladder system is theoretically studied using both analytical and numerical methods. This spin system is mapped onto a hard-core boson system, which is composed of bond-operators describing the triplon excitation. By the analytical method using the mean-field theory on the bond-operators, we show that cusp singularities emerge in the magnetization curve as a function of a magnetic field due to the strong frustration. This originates from a change of number of Fermi points in the bosonic dispersion relation with the applied field. It is analogous to Lifshitz transition. This singularity is clarified by numerical calculation with the density-matrix renormalization-group method. Our results will be useful to understand the magnetization process observed in the frustrated two-leg spin-ladder compound BiCuH$$_{2}$$OPOH$$_{6}$$O.

論文

Magnetization plateaus by reconstructed quasispinons in a frustrated two-leg spin ladder under a magnetic field

杉本 貴則*; 森 道康; 遠山 貴巳*; 前川 禎通

Physical Review B, 92(12), p.125114_1 - 125114_6, 2015/09

AA2015-0451.pdf:0.43MB

 被引用回数:7 パーセンタイル:37.86(Materials Science, Multidisciplinary)

The quantum phase transitions induced by a magnetic field are theoretically studied in a frustrated two-leg spin ladder. Using the density-matrix renormalization-group method, we find some magnetic phase transitions and plateaux in two different cases of strong and weak rung couplings. With the strong rung coupling, the three magnetization plateaux are found at 1/3, 1/2, and 2/3 due to the frustration. Those can be understood in terms of a quasi-spinon reconstructed from the singlet and the triplets of spins on a rung. The plateau at 1/2 corresponds to the valence bond solid of the quasispinons, while the plateaux at 1/3 and 2/3 can be associated with the array of quasi-spinons such as soliton lattice. This is different from the usual Bose-Einstein-condensation picture of triplons. Our results will be useful to understand magnetization curves in BiCu$$_{2}$$PO$$_{6}$$.

論文

Enhanced charge excitations in electron-doped cuprates by resonant inelastic X-ray scattering

遠山 貴巳*; 筒井 健二; 森 道康; 曽田 繁利*; 柚木 清司*

Physical Review B, 92(1), p.014515_1 - 014515_8, 2015/07

 被引用回数:12 パーセンタイル:54.76(Materials Science, Multidisciplinary)

銅L吸収端共鳴非弾性X線散乱は銅酸化物高温超伝導物質の電荷励起を調べる強力な手法である。この散乱手法による電荷の集団励起の観測可能性を理論的に調べる。散乱プロセスにおける中間状態を経ることで必然的に電子ドープ系の電荷集団励起モードの強度がホールドープ系よりも強くなる。この電子・ホール非対称性は動的電荷構造因子にも現れる。特に電子ドープ系において低運動量変化の低エネルギー領域に新たな増強された励起モードとして現れる。これらの結果は電子ドープ系の新しい電荷励起モードの共鳴非弾性X線散乱による観測可能性を示している。

論文

Theoretical study of electronic states and excitation spectra in Ni-substituted cuprates

筒井 健二; 遠山 貴己*; 前川 禎通

JPS Conference Proceedings (Internet), 3, p.017008_1 - 017008_6, 2014/06

銅酸化物高温超伝導物質における不純物置換効果の研究がこれまで世界中で数多く研究されている。Ni不純物置換に対してキャリアがNi不純物近傍へ局在化するといった興味深い現象が実験及び理論的研究により明らかになってきている。本研究ではクラスター計算によって、不純物濃度に比べてホール濃度が高い場合の電子状態を議論し、共鳴非弾性X線散乱スペクトルの予見を行った。

論文

Spin-spin correlation enhanced by impurities in a frustrated two-leg spin ladder

杉本 貴則*; 森 道康; 遠山 貴己*; 前川 禎通

JPS Conference Proceedings (Internet), 3, p.014016_1 - 014016_5, 2014/06

We theoretically study a spin-spin correlation enhanced by non-magnetic impurities in a frustrated two-leg spin ladder. The frustration is introduced by the next-nearest-neighbor antiferromagnetic interaction in the leg direction in the antiferromagnetic two-leg spin ladder. The spin-spin correlation function around impurity site is calculated by the density-matrix renormalization-group method. We find that the spin-spin correlation is enhanced around impurity site with the wavenumber reflecting the frustration. As increasing the frustration, the wavenumber is shifted from commensurate to incommensurate. We discuss several experimental results on BiCu$$_{2}$$PO$$_{6}$$ in the light of our theory.

論文

High-energy spin and charge excitations in electron-doped copper oxide superconductors

石井 賢司; 藤田 全基*; 佐々木 隆了*; Minola, M.*; Dellea, G.*; Mazzoli, C.*; Kummer, K.*; Ghiringhelli, G.*; Braicovich, L.*; 遠山 貴己*; et al.

Nature Communications (Internet), 5, p.3714_1 - 3714_8, 2014/04

 被引用回数:75 パーセンタイル:94.66(Multidisciplinary Sciences)

We combine X-ray and neutron inelastic scattering measurements to track the doping dependence of both spin and charge excitations in electron-doped materials. Copper $$L_3$$ resonant inelastic X-ray scattering spectra show that magnetic excitations shift to higher energy upon doping. Their dispersion becomes steeper near the magnetic zone center and they deeply mix with charge excitations, indicating that electrons acquire a highly itinerant character in the doped metallic state. Moreover, above the magnetic excitations, an additional dispersing feature is observed near the $$Gamma$$-point, and we ascribe it to particle-hole charge excitations. These properties are in stark contrast with the more localized spin-excitations (paramagnons) recently observed in hole-doped compounds even at high doping-levels.

論文

Optical conductivity of antiferromagnetic metallic chromium; Mean-field calculation for the multi-orbital Hubbard model

杉本 高大*; 遠山 貴己*; 兼下 英司*; 筒井 健二

Journal of the Korean Physical Society, 63(3), p.632 - 635, 2013/08

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

クロム金属は代表的な多軌道反強磁性金属である。われわれは多軌道ハバード模型の平均刃近似により整合反強磁性クロムのバンド構造と状態密度を数値的に求め、その結果をもとに光学伝導度を計算した。得られた結果は実験データと対応することがわかり、このことからわれわれの模型化が妥当であることがわかった。

論文

Spin dynamics and resonant inelastic X-ray scattering in chromium with commensurate spin-density wave order

杉本 高大*; Li, Z.*; 兼下 英司*; 筒井 健二; 遠山 貴己*

Physical Review B, 87(13), p.134418_1 - 134418_8, 2013/04

 被引用回数:5 パーセンタイル:28.48(Materials Science, Multidisciplinary)

多軌道系反強磁性金属であるクロム金属のスピン励起スペクトルと共鳴非弾性X線散乱スペクトルを理論的に予見した。スペクトルの計算に際し、多軌道ハバード模型に対する平均場近似及び乱雑位相近似を行い、またX線散乱プロセスに対して高速衝突近似を行った。その結果、スピン励起に関しては、0.6eV以上で集団励起であるマグノン励起がほとんど強度を持たず、代わりに個別励起のエネルギー的に広がったスペクトルが支配的になることがわかった。

論文

Effects of frustration on magnetic excitations in a two-leg spin-ladder system

杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通

Physical Review B, 87(15), p.155143_1 - 155143_7, 2013/04

 被引用回数:7 パーセンタイル:37.27(Materials Science, Multidisciplinary)

高温超伝導体と関連して、低次元量子スピン系の研究が近年盛んに行われている。この新しい候補物質として、BiCu$$_{2}$$PO$$_{6}$$が注目を集めている。この物質は、梯子系高温超伝導体と非常に近い構造を持つことが分かっているが、古典的な幾つかの状態が相競合するような、幾何学的フラストレーションを持つという点で異なる。また、この模型は別の見方をすれば、フラストレーションを持った1次元鎖に、鎖間相互作用を導入したものに対応する。本研究では、上記の2つの視点に基づいて、磁気的な励起スペクトルの解析を行った。特に、梯子系の素励起に与えるフラストレーションの効果について詳細な議論を行った。この結果と中性子散乱実験を比較することで、BiCu$$_{2}$$PO$$_{6}$$の低温状態が明らかになると期待される。

論文

Inelastic X-ray scattering studies of electronic excitations

石井 賢司; 遠山 貴己*; 水木 純一郎

Journal of the Physical Society of Japan, 82(2), p.021015_1 - 021015_24, 2013/02

 被引用回数:21 パーセンタイル:75.95(Physics, Multidisciplinary)

Inelastic X-ray Scattering (IXS) has developed as one of the most powerful momentum-resolved spectroscopies. Especially in the last decade, it achieved significant progress by utilizing brilliant X-rays from third generation synchrotron radiation facilities. Simultaneously, theoretical efforts have been made to predict or interpret the experimental spectra. One of the scientific fields studied intensively by means of IXS is strongly correlated electron systems, where the interplay of charge, spin, and orbital degrees of freedom determines their physical properties. IXS can provide a new insight into electron dynamics of the systems through the observation of charge, spin, and orbital excitations. Focusing on the momentum-resolved electronic excitations in strongly correlated electron systems, we review IXS studies and present capabilities of IXS for the study of dynamics of materials.

論文

Theoretical study of resonant inelastic X-ray scattering spectrum in nickelates

筒井 健二; 遠山 貴己*; 小椎八重 航*; 前川 禎通

Journal of Physics; Conference Series, 400(3), p.032105_1 - 032105_4, 2012/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.03

La$$_{2-x}$$Sr$$_x$$NiO$$_4$$はホール・ドープしたS=1の二次元反強磁性絶縁体であり、銅酸化物高温超伝導体の参照物質として調べられてきている、この物質において、光学伝導度では$$x$$=0の時電荷移動型ギャップが観測され、ホール・ドープによってギャップ内にエネルギー的に広がった吸収スペクトルが現れる。われわれは以前に光学伝導度のギャップ内に現れるスペクトルが、Niサイトにおける高スピン状態から低スピン状態への励起であることを示したが、共鳴非弾性X線散乱においても光学伝導度と同様な励起が現れるかどうかが興味深い。そこで本研究では、光学伝導度の計算と同じく、$$e_g$$軌道の2バンド・ハバード模型に対する数値的厳密対角化法によって、共鳴非弾性X線散乱スペクトルを計算し、その励起の起源を議論する。

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