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論文

Strain-induced crystallization and phase separation used for fabricating a tough and stiff slide-ring solid polymer electrolyte

橋本 慧*; 塩飽 透*; 青木 裕之; 横山 英明*; 眞弓 皓一*; 伊藤 耕三*

Science Advances (Internet), 9(47), p.eadi8505_1 - eadi8505_8, 2023/11

The demand for mechanically robust polymer-based electrolytes is increasing for applications to wearable devices. Young's modulus and breaking energy are essential parameters for describing the mechanical reliability of electrolytes. The former plays a vital role in suppressing the short circuit during charge-discharge, while the latter indicates crack propagation resistance. However, polymer electrolytes with high Young's moduli are generally brittle. In this study, a tough slide-ring solid polymer electrolyte (SR-SPE) breaking through this trade-off between stiffness and toughness is designed on the basis of strain-induced crystallization (SIC) and phase separation. SIC makes the material highly tough (breaking energy, 80 to 100 megajoules per cubic meter). Phase separation in the polymer enhanced stiffness (Young's modulus, 10 to 70 megapascals). The combined effect of phase separation and SIC made SR-SPE tough and stiff, while these mechanisms do not impair ionic conductivity. This SIC strategy could be combined with other toughening mechanisms to design tough polymer gel materials.

論文

Superconducting spin reorientation in spin-triplet multiple superconducting phases of UTe$$_2$$

金城 克樹*; 藤林 裕己*; 松村 拓輝*; 堀 文哉*; 北川 俊作*; 石田 憲二*; 徳永 陽; 酒井 宏典; 神戸 振作; 仲村 愛*; et al.

Science Advances (Internet), 9(30), p.2736_1 - 2736_6, 2023/07

Superconducting (SC) state has spin and orbital degrees of freedom, and spin-triplet superconductivity shows multiple SC phases because of the presence of these degrees of freedom. However, the observation of spin-direction rotation occurring inside the SC state (SC spin rotation) has hardly been reported. Uranium ditelluride, a recently found topological superconductor, exhibits various SC phases under pressure: SC state at ambient pressure (SC1), high-temperature SC state above 0.5 gigapascal (SC2), and low-temperature SC state above 0.5 gigapascal (SC3). We performed nuclear magnetic resonance (NMR) and ac susceptibility measurements on a single-crystal uranium ditelluride. The b axis spin susceptibility remains unchanged in SC2, unlike in SC1, and decreases below the SC2-SC3 transition with spin modulation. These unique properties in SC3 arise from the coexistence of two SC order parameters. Our NMR results confirm spin-triplet superconductivity with SC spin parallel to b axis in SC2 and unveil the remaining of spin degrees of freedom in SC uranium ditelluride.

論文

Marking actinides for separation; Resonance-enhanced multiphoton charge transfer in actinide complexes

松田 晶平; 横山 啓一; 矢板 毅; 小林 徹; 金田 結依; Simonnet, M.; 関口 哲弘; 本田 充紀; 下条 晃司郎; 土井 玲祐; et al.

Science Advances (Internet), 8(20), p.eabn1991_1 - eabn1991_11, 2022/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:54.33(Multidisciplinary Sciences)

fブロック元素は化学的性質が類似している。一方、それらの電子スペクトルではf電子準位間の光学遷移が明瞭に異なる。このf-f遷移波長での共鳴励起によって元素の酸化状態を制御することができれば、化学的な分離が難しいfブロック元素の精密分離技術が生まれる可能性がある。これまでに3つのランタノイド元素で共鳴多光子還元が観測されているが、アクチノイドでの共鳴多光子反応は報告例はなかった。本研究では硝酸水溶液においてアクチノイドの一つである三価アメリシウムの共鳴多光子電荷移動による光酸化を観測した。また、硝酸錯体が一次過程に寄与することが示唆された。

論文

Observation of topological Hall torque exerted on a domain wall in the ferromagnetic oxide SrRuO$$_3$$

山ノ内 道彦*; 荒木 康史; 酒井 貴樹*; 植村 哲也*; 太田 裕道*; 家田 淳一

Science Advances (Internet), 8(15), p.eabl6192_1 - eabl6192_6, 2022/04

 被引用回数:5 パーセンタイル:75.68(Multidisciplinary Sciences)

強磁性ワイル金属SrRuO$$_3$$における、電流によって磁壁に作用する大きな有効磁場$$H_mathrm{eff}$$を報告する。電流密度に対する$$H_mathrm{eff}$$の比率は、非単調な温度依存性を示し、従来のスピン移行トルクおよびスピン軌道トルクの比率を上回っていることが示される。この増強効果は、磁壁に電場が印加されたときに、ワイル点の周りに出現するワイル電子によって磁壁に作用するトポロジカルホールトルク(THT)によってよく説明される。電流密度に対するTHTから生じる$$H_mathrm{eff}$$の比率は、金属系で報告されているスピン移行トルクおよびスピン軌道トルクから生じるものよりも1桁以上高く、THTが スピントロニクスデバイスにおける磁化の操作においてエネルギー効率の良い方法を提供する可能性があることを示している。

論文

Emergence of spin-orbit coupled ferromagnetic surface state derived from Zak phase in a nonmagnetic insulator FeSi

大塚 悠介*; 金澤 直也*; 平山 元昭*; 松井 彬*; 野本 拓也*; 有田 亮太郎*; 中島 多朗*; 花島 隆泰*; Ukleev, V.*; 青木 裕之; et al.

Science Advances (Internet), 7(47), p.eabj0498_1 - eabj0498_9, 2021/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:42.29(Multidisciplinary Sciences)

FeSi is a nonmagnetic narrow-gap insulator, exhibiting peculiar charge and spin dynamics beyond a simple band structure picture. Those unusual features have been attracting renewed attention from topological aspects. Although the surface conduction was demonstrated according to size-dependent resistivity in bulk crystals, its topological characteristics and consequent electromagnetic responses remain elusive. Here, we demonstrate an inherent surface ferromagnetic-metal state of FeSi thin films and its strong spin-orbit coupling (SOC) properties through multiple characterizations of two-dimensional conductance, magnetization, and spintronic functionality. Terminated covalent bonding orbitals constitute the polar surface state with momentum-dependent spin textures due to Rashba-type spin splitting, as corroborated by unidirectional magnetoresistance measurements and first-principles calculations. As a consequence of the spin-momentum locking, nonequilibrium spin accumulation causes magnetization switching. These surface properties are closely related to the Zak phase of the bulk band topology. Our findings propose another route to explore noble metal-free materials for SOC-based spin manipulation.

論文

Nonreciprocal surface acoustic wave propagation via magneto-rotation coupling

Xu, M.*; 山本 慧; Puebla, J.*; Baumgaertl, K.*; Rana, B.*; 三浦 勝哉*; 高橋 宏昌*; Grundler, D.*; 前川 禎通*; 大谷 義近*

Science Advances (Internet), 6(32), p.eabb1724_1 - eabb1724_4, 2020/08

 被引用回数:62 パーセンタイル:96.95(Multidisciplinary Sciences)

One of the most fundamental forms of magnon-phonon-interaction is an intrinsic property of magnetic materials, the "magnetoelastic coupling." This particular form of interaction has been the basis for describing magnetic materials and their strain related applications, where strain induces changes of internal magnetic fields. Different from the magnetoelastic coupling, more than 40 years ago, it was proposed that surface acoustic waves may induce surface magnons via rotational motion of the lattice in anisotropic magnets. However, a signature of this magnon-phonon coupling mechanism, termed magneto-rotation coupling, has been elusive. Here, we report the first observation and theoretical framework of the magneto-rotation coupling in a perpendicular anisotropic ultra-thin lim Ta/CoFeB/MgO, which consequently induces nonreciprocal acoustic wave attenuation with an unprecedented ratio up to 100% rectification at a theoretically predicted optimized condition. Our work not only experimentally demonstrates a fundamentally new path for investigating magnon-phonon coupling, but also justifies the feasibility of the magneto-rotation coupling based application.

論文

Cooperative deformation in high-entropy alloys at ultralow temperatures

Naeem, M.*; He, H.*; Zhang, F.*; Huang, H.*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; Wang, B.*; Lan, S.*; Wu, Z.*; Wang, F.*; et al.

Science Advances (Internet), 6(13), p.eaax4002_1 - eaax4002_8, 2020/03

 被引用回数:123 パーセンタイル:99.12(Multidisciplinary Sciences)

High-entropy alloys exhibit exceptional mechanical properties at cryogenic temperatures, due to the activation of twinning in addition to dislocation slip. The coexistence of multiple deformation pathways raises an important question regarding how individual deformation mechanisms compete or synergize during plastic deformation. Using in situ neutron diffraction, we demonstrate the interaction of a rich variety of deformation mechanisms in high-entropy alloys at 15 K, which began with dislocation slip, followed by stacking faults and twinning, before transitioning to inhomogeneous deformation by serrations. Quantitative analysis showed that the cooperation of these different deformation mechanisms led to extreme work hardening. The low stacking fault energy plus the stable face-centered cubic structure at ultralow temperatures, enabled by the high-entropy alloying, played a pivotal role bridging dislocation slip and serration.

論文

Battery-free, skin-interfaced microfluidic/electronic systems for simultaneous electrochemical, colorimetric, and volumetric analysis of sweat

Bandodkar, A. J.*; Gutruf, P.*; Choi, J.*; Lee, K.-H.*; 関根 由莉奈; Reeder, J. T.*; Jeang, W. J.*; Aranyosi, A. J.*; Lee, S. P.*; Model, J. B.*; et al.

Science Advances (Internet), 5(1), p.eaav3294_1 - eaav3294_15, 2019/01

 被引用回数:386 パーセンタイル:99.88(Multidisciplinary Sciences)

非侵襲でバイオマーカーを検出し得るウェアラブルデバイスが注目されている。しかしながら現在までに存在するウェアラブルデバイスはその電力源や検出部分などの小型化が困難であったことから重さや大きさの点でポータビリティに欠けていた。本研究では、バッテリーフリーでかつ電気的、呈色式を用いて重要バイオマーカーである塩化物, 乳酸, グルコース, pHを検出できるスウェットデバイスを開発した。

論文

Electric field control of magnetic domain wall motion via modulation of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction

小山 知弘*; 仲谷 栄伸*; 家田 淳一; 千葉 大地*

Science Advances (Internet), 4(12), p.eaav0265_1 - eaav0265_5, 2018/12

AA2018-0306.pdf:0.57MB

 被引用回数:47 パーセンタイル:89(Multidisciplinary Sciences)

Pt/Co/Pd非対称構造において電場が磁壁速度を制御できることを示す。ゲート電圧を印加すると、50m/sまでの磁壁速度の著しい変化が観察され、これは以前の研究で観察されたものよりはるかに大きい。さらに、100m/sを超える磁壁速度の明確な変調も確認した。電場による界面のDzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)の数パーセントまでの変化が、速度変調の原因であることがわかった。ここに示されているDMIを介した速度変化は、電場による異方性変調によって引き起こされるものとは根本的に異なるメカニズムである。本結果は、スピントロニクスデバイスの性能を向上させることができるDMI制御によるスピン構造とダイナミクスの電気的操作への道を開くものである。

論文

Dirac surface state-modulated spin dynamics in a ferrimagnetic insulator at room temperature

Tang, C.*; Song, Q.*; Chang, C.-Z.*; Xu, Y.*; 大沼 悠一; 松尾 衛*; Liu, Y.*; Yuan, W.*; Yao, Y.*; Moodera, J. S.*; et al.

Science Advances (Internet), 4(6), p.eaas8660_1 - eaas8660_6, 2018/06

AA2018-0166.pdf:0.7MB

 被引用回数:27 パーセンタイル:84.7(Multidisciplinary Sciences)

This work demonstrates markedly modified spin dynamics of magnetic insulator (MI) by the spin momentum-locked Dirac surface states of the adjacent topological insulator (TI). As the Bi concentration $$x$$ is systematically tuned in 5-nm-thick (Bi$$_{x}$$Sb$$_{1-x}$$)$$_{2}$$Te$$_{3}$$ TI films, the weight of the surface relative to bulk states peaks at $$x$$ = 0.32 when the chemical potential approaches the Dirac point. At this concentration, the Gilbert damping constant of the precessing magnetization in 10-nm-thick Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$ MI films in the MI/TI heterostructures is enhanced by an order of magnitude, the largest among all concentrations. In addition, the MI acquires additional strong magnetic anisotropy that favors the in-plane orientation with similar Bi concentration dependence. These extraordinary effects of the Dirac surface states distinguish TI from other materials such as heavy metals in modulating spin dynamics of the neighboring magnetic layer.

論文

Atomic-scale visualization of surface-assisted orbital order

Kim, H.*; 吉田 靖雄*; Lee, C.-C.*; Chang, T.-R.*; Jeng, H.-T.*; Lin, H.*; 芳賀 芳範; Fisk, Z.*; 長谷川 幸雄*

Science Advances (Internet), 3(9), p.eeao0362_1 - eeao0362_5, 2017/09

 被引用回数:11 パーセンタイル:62.37(Multidisciplinary Sciences)

We report a first, real-space, imaging of an orbital ordered structure on a cobalt-terminated surface of the well-studied heavy fermion compound CeCoIn$$_5$$. Within small tip-sample distances, the cobalt atoms on a cleaved (001) surface take on dumbbell shapes alternatingly aligned in the [100] and [010] directions in scanning tunneling microscopy topographies. First-principles calculations reveal that this staggered orbital order is triggered by enhanced on-site Coulomb interaction at the surface.

論文

Multiple-wavelength neutron holography with pulsed neutrons

林 好一*; 大山 研司*; 八方 直久*; 松下 智裕*; 細川 伸也*; 原田 正英; 稲村 泰弘; 仁谷 浩明*; 宍戸 統悦*; 湯葢 邦夫*

Science Advances (Internet), 3(8), p.e1700294_1 - e1700294_7, 2017/08

Local structures around impurities in solids provide important information for understanding the mechanisms of material functions, because most of them are controlled by dopants. For this purpose, the X-ray absorption fine structure method, which provides radial distribution functions around specific elements, is most widely used. However, a similar method using neutron techniques has not yet been developed. If one can establish a method of local structural analysis with neutrons, then a new frontier of materials science can be explored owing to the specific nature of neutron scattering-that is, its high sensitivity to light elements and magnetic moments. Multiple-wavelength neutron holography using the time-of-flight technique with pulsed neutrons has great potential to realize this. We demonstrated multiple-wavelength neutron holography using a Eu-doped CaF$$_{2}$$ single crystal and obtained a clear three-dimensional atomic image around trivalent Eu substituted for divalent Ca, revealing an interesting feature of the local structure that allows it to maintain charge neutrality. The new holography technique is expected to provide new information on local structures using the neutron technique.

論文

Large-Eddy Simulation of turbulent winds during the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident by coupling with a meso-scale meteorological simulation model

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Advances in Science & Research (Internet), 12(1), p.127 - 133, 2015/00

 被引用回数:8 パーセンタイル:92.73

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルを用いた局所域大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。今回は、領域気象モデルとLESモデルとの結合により、2011年3月11日に東日本大震災により引き起こされた福島第一原子力発電所(福島第一原発)の事故時における風況場を対象に局所域乱流数値シミュレーションを行った。福島第一原子力発電所は、原子力施設に加え局所的に地表面の起伏があり、複雑な地表面形状を有している。本発表では、結合計算手法により得られた建物や局所地形の影響下での風況場の乱流構造について報告する。

論文

Large-Eddy Simulation of plume dispersion under various thermally stratified boundary layers

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Advances in Science & Research (Internet), 11, p.75 - 81, 2014/07

 被引用回数:9 パーセンタイル:97.6

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)に基づく局所域高分解能大気拡散予測モデルの開発とその導入を目指している。今回は、まず、大気が安定・不安定成層化した境界層乱流を作り出し、それぞれのケースにおいて大気拡散計算を行う。既往の拡散風洞実験及び理論解との比較により再現性について議論をし、本LESモデルの性能評価を行う。

論文

Large-Eddy Simulation of plume dispersion within various actual urban areas

中山 浩成; Jurcakova, K.*; 永井 晴康

Advances in Science & Research (Internet), 10, p.33 - 41, 2013/02

 被引用回数:10 パーセンタイル:98.44

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。今回は、高分解能計算格子により数種の特徴的な地表面形状を示す実在都市域を精緻に解像し、それぞれの都市域での点源拡散に関するLES解析を行った。本発表では、都市形態と平均濃度・変動濃度の空間分布パターンとの関連性について考察し、都市域内での拡散プルームが、建築構造物により大きく受ける影響範囲を定量的に示し、議論するものである。

論文

Large-Eddy Simulation of plume dispersion within regular arrays of cubic buildings

中山 浩成; Jurcakova, K.*; 永井 晴康

Advances in Science & Research (Internet), 6, p.79 - 86, 2011/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:1.11

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。今回は、高分解能計算格子により整形配列された立方形状の建物を解像し、3種の粗度密度を有する建物群内での点源拡散に関するLES解析を行った。粗度密度の違いによる乱流場・拡散場の空間分布パターンの変化が実験結果と類似していることが確認された。また、粗度密度が小さい場合、個々の建物から生成される活発な剥離乱流の影響により拡散物質もいち早く拡がることや、粗度密度が大きくなると、建物群内での淀んだ流れの影響により、拡散物質も徐々に拡がっていく様子など、粗度密度による拡散挙動の違いが明らかにされた。

論文

Large-Eddy Simulation on turbulent flow and plume dispersion over a 2-dimensional hill

中山 浩成; 永井 晴康

Advances in Science & Research (Internet), 4, p.71 - 76, 2010/05

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPPEDI-MPにおいて、LES(Large-Eddy Simulation)モデルによる局所域大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。急峻な丘陵地に囲まれた原子力施設からの排ガス拡散予測に向けて、地形効果を外力項によって表現するImmersed Boundary Methodを適用した。今回は2次元丘陵地を対象にして乱流シミュレーションを行い、平均風速分布や乱流統計量に関する計算結果が風洞実験と良好に対応していることを確認した。次に、大気拡散解析を実行し、丘陵地上の平均濃度分布についても風洞実験結果と良好に対応していることを示すことができ、丘陵地上の大気乱流拡散の数値シミュレーションモデルの妥当性が実証された。

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