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論文

Mictomagnetism and suppressed thermal conduction of the prototype high-entropy alloy CrMnFeCoNi

Yang, J.*; Ren, W.*; Zhao, X.*; 菊地 龍弥*; Miao, P.*; 中島 健次; Li, B.*; Zhang, Z.*

Journal of Materials Science and Technology, 99, p.55 - 60, 2022/02

物性測定と中性子散乱を組み合わせることにより、面心立方高エントロピー合金CrMnFeCoNiの磁気および熱輸送特性を調べた。DCおよびAC帯磁率は、温度領域全体で反強磁性および強磁性相互作用が共存する常磁性挙動を示し、それぞれ、常磁性から反強磁性への遷移、反強磁性から強磁性への遷移、およびスピン凍結に対応して、約80, 50、および20Kで3つの異常が見られる。電気伝導率と熱伝導率はNiに比べて大幅に低下しており、格子熱伝導率の温度依存性はガラスのようなプラトーを示す。非弾性中性子散乱測定は弱い非調和性を示唆し、熱輸送は欠陥散乱によって支配されると思われる。

論文

Temperature-dependent hardening contributions in CrFeCoNi high-entropy alloy

Naeem, M.*; He, H.*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; Lin, W.*; Kai, J.-J.*; Wu, Z.*; Lan, S.*; Wang, X.-L.*

Acta Materialia, 221, p.117371_1 - 117371_18, 2021/12

We studied the deformation behavior of CrFeCoNi high-entropy alloy by in situ neutron diffraction at room temperature, intermediate low temperature of 140 K, low temperatures of 40 K (no serrated deformation) and 25 K (with massive serrations). The contributions from different deformation mechanisms to the yield strength and strain hardening have been estimated. The athermal contributions to the yield strength were $$sim$$183 MPa at all temperatures, while the Peierls stress increased significantly at low temperatures (from 148 MPa at room temperature to 493 MPa at 25 K). Dislocations contributed to $$sim$$94% strain hardening at room temperature. Although the dislocation strengthening remained the major hardening mechanism at very low temperatures, the planar faults contribution increased steadily from 6% at room temperature to 28% at 25 K.

論文

Synthesis and characterisation of a new graphitic C-S compound obtained by high pressure decomposition of CS$$_2$$

Klotz, S.*; Baptiste, B.*; 服部 高典; Feng, S. M.*; Jin, Ch.*; B$'e$neut, K.*; Guigner, J. M.*; Est$`e$ve, I.*

Carbon, 185, p.491 - 500, 2021/11

二硫化炭素(CS$$_2$$)は、その最も近い類似体であるCO$$_2$$とともに、二重共有結合からなる最も単純な分子系の一つである。高圧下では、この分子構造は分解され、拡張された結晶性またはポリマー性の固体を形成すると考えられる。ここでは、大容量高圧技術を用いて300Kで約10GPa (100kbar)まで圧縮することにより、瞬間的な反応で純粋な硫黄とC$$_2$$Sに近い化学組成を持つ化合物の混合体が得られ、常圧まで回収できることを示している。中性子回折,X線回折,ラマン測定の結果、この物質は硫黄がナノメートルオーダーのsp$$^2$$グラファイト層に結合していることがわかった。電気抵抗の温度依存性からこの化合物は45meVのギャップを持つ半導体であることが明らかになった。200$$^{circ}$$C以上の温度でアニールすることで、硫黄含有量をC$$_{10}$$Sまで減らすことができた。この物質の構造的・電子的特性は、過去に行われたCS$$_2$$の高圧実験で報告された「ブリッジマンブラック」とは根本的に異なる。

論文

Multiple deformation scheme in direct energy deposited CoCrNi medium entropy alloy at 210K

Kim, Y. S.*; Chae, H.*; Woo, W.*; Kim, D.-K.*; Lee, D.-H.*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; Lee, S. Y.*

Materials Science & Engineering A, 828, p.142059_1 - 142059_10, 2021/11

CoCrNi medium entropy alloy (MEA) and stainless steel 316L (SS316L) were manufactured by direct energy deposition of additive manufacturing (DED-AM). Exceptional mechanical properties of DED CoCrNi at 210K were achieved by the activities of a multiple deformation scheme that changed from dislocation slip to twinning-induced plasticity followed by transformation-induced plasticity. While SS316L at room temperature has micro-twins, CoCrNi at 210K exhibited nano-twins, resulting from lower stacking fault energy. Moreover, transformed hexagonal close-packed (HCP) phases were found near the face-centered cubic (FCC) {111} grain boundaries, where remarkable stacking faults and severe lattice distortion were measured.

論文

Martensitic transformation in CrCoNi medium-entropy alloy at cryogenic temperature

Naeem, M.*; Zhou, H.*; He, H.*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; Lan, S.*; Wu, Z.*; Zhu, Y.*; Wang, X.-L.*

Applied Physics Letters, 119(13), p.131901_1 - 131901_7, 2021/09

We investigated the in situ deformation behavior of the CrCoNi medium-entropy alloy at a cryogenic temperature of 140 K and compared it with deformation at room temperature. The sample exhibited higher strength and larger ductility at the cryogenic temperature. The CrCoNi alloy remained single-phase face-centered cubic at room temperature, while deformation at 140 K resulted in a martensitic transformation to the hexagonal close-packed structure. The phase transformation, an additional deformation mechanism to stacking faults, twinning, and dis- location slip, resulted in a higher work hardening at cryogenic temperature. The study addresses the structure metastability in the CrCoNi alloy, which led to the formation of epsilon-martensite from the intrinsic stacking faults.

論文

Spin-flop phase in a honeycomb antiferromagnet Mn$$_{0.84}$$Mg$$_{0.16}$$TiO$$_{3}$$

社本 真一; 山内 宏樹; 池内 和彦*; Lee, M. K.*; Chang, L.-J.*; Garlea, V. O.*; Hwang, I. Y.*; Lee, K. H.*; Chung, J.-H.*

Journal of the Physical Society of Japan, 90(9), p.093703_1 - 093703_4, 2021/09

 被引用回数:0

ハニカム格子反強磁性体Mn$$_{0.84}$$Mg$$_{0.16}$$TiO$$_{3}$$の5T磁場下でのスピンフロップ相の磁気構造を弾性散乱と非弾性散乱を相補的に用いることで、初めて提案した。

論文

パルス中性子ビームによる鋳鉄が強化されるメカニズム

Harjo, S.

検査技術, 26(9), p.9 - 13, 2021/09

変形下でのその場中性子回折実験が鋳鉄の変形挙動をどのように理解するために役立つかについて解説する。鋳鉄を繰り返し引張圧縮変形させるとなぜ強度が増すのかのメカニズムを調べるために、透過力の高い中性子を用いた回折実験を行い、試験片内部の原子配列を調べることで、それぞれの構成相に関連した回折線を定量的に解析し、各構成相が担う応力を求めた。繰り返し引張圧縮変形中に、「フェライト」において転位という結晶欠陥の蓄積が起こることで、「フェライト」の強度が高まった。そして、「フェライト」は、組織の割合がもっとも多いため、鋳鉄全体の強度を増大させた。「パーライト」の組織中に含まれている「セメンタイト」は、割合が2.2%しかないため、鋳鉄全体の強度への寄与は限られていた。一方、「球状黒鉛」は、驚くことに応力を負担せず、鋳鉄全体の強度へはほとんど寄与しない。

論文

Phase transition and chemical reactivity of 1H-tetrazole under high pressure up to 100 GPa

Gao, D.*; Tang, X.*; Wang, X.*; Yang, X.*; Zhang, P.*; Che, G.*; Han, J.*; 服部 高典; Wang, Y.*; Dong, X.*; et al.

Physical Chemistry Chemical Physics, 23(35), p.19503 - 19510, 2021/09

 被引用回数:0

窒素に富む分子の圧力有機相転移や重合は、環境にやさしい高エネルギー密度材料の開発にとって非常に重要であるため、広く注目されている。本論文では、その場ラマン,IR,X線回折,中性子回折、および理論計算をもちい、100GPaまでの1H-テトラゾールの相転移挙動と化学反応の研究を紹介する。2.6GPa以上での相転移が確認され、その高圧構造は、以前に報告されたユニットセル内に2つの分子をもつものではなく、1つの分子をものであることが分かった。1H-テトラゾールは、おそらく窒素-窒素結合ではなく炭素-窒素結合により、100GPa以下で可逆的に重合する。私たちの研究は、1H-テトラゾールの高圧相の構造モデルを更新し、もっともらしい分子間結合の経路を初めて提示した。これにより、窒素に富む化合物の相転移と化学反応の理解が進み、新しい高エネルギー密度材料の設計に役立つと考えられる。

論文

Microscopic dynamics of lithium diffusion in single crystal of the solid-state electrolyte La$$_{2/3-x}$$Li$$_{3x}$$TiO$$_{3}$$ (x = 0.13) studied by quasielastic neutron scattering

松浦 直人*; 藤原 靖幸*; 森分 博紀*; 尾原 幸治*; 川北 至信

Physical Review B, 104(9), p.094305_1 - 094305_7, 2021/09

Quasielastic neutron scattering (QENS) measurements combined with first principles based molecular dynamics calculations were conducted to study the dynamics of Li$$^{+}$$ ions in a solid-state electrolyte La$$_{2/3-x}$$Li$$_{3x}$$TiO$$_{3}$$ (LLTO) with $$x = 0.13$$. By using a large $$^{7}$$Li-enriched single crystal sample, a QENS signal was clearly observed along the three principal axes [110], [111], and [001] at a temperature ($$T$$) of 600 K. Wave vector dependence of the linewidth of the QENS signal along each direction was explained well using the Chudley-Elliot model for jumps between the A sites of the perovskite lattice through the bottleneck square, which was also supported by molecular dynamics calculations. The estimated self-diffusion coefficient of Li$$^{+}$$ ($$D_{rm Li}$$) in the ab plane was slightly larger than that along the c axis, suggesting quasi-isotropic diffusion, that is, the three-dimensional diffusion of Li$$^{+}$$ ions. The decrease in $$D_{rm Li}$$ with decreasing $$T$$ was reasonably explained by a thermal activation process with the activation energy determined from ionic-conductivity measurements. Furthermore, the estimated values of the self-diffusion coefficient are comparable to those in the sulfide-based Li$$^{+}$$ ion conductor, Li$$_{7}$$P$$_{3}$$S$$_{11}$$, with 10 times larger ionic conductivity, which clarifies how to understand the Li conduction mechanism in LLTO and Li$$_{7}$$P$$_{3}$$S$$_{11}$$ in a unified manner.

論文

Neutron scattering study on yttrium iron garnet for spintronics

南部 雄亮*; 社本 真一

Journal of the Physical Society of Japan, 90(8), p.081002_1 - 081002_15, 2021/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Physics, Multidisciplinary)

スピントロニクス用イットリウム鉄ガーネットの中性子散乱研究について、長期課題2017L0300の"Cross correlation dynamics under a strain field"の成果を中心にSPECIAL TOPICSのReviewとしてまとめた。

論文

Thermal-neutron capture cross-section measurement of $$^{237}$$Np using graphite thermal column

中村 詔司; 遠藤 駿典; 木村 敦; 芝原 雄司*

KURNS Progress Report 2020, P. 94, 2021/08

マイナーアクチノイド核種の一つである$$^{237}$$Npの熱中性子捕獲断面積の精度向上のために照射実験を行った。京都大学研究用原子炉(KUR)の黒鉛照射設備を用いて、放射化法にて行った。950Bqの$$^{237}$$Np試料、及び中性子束モニタとして、Au/Al合金線, Co, Sc, Mo, Ta箔のセットを一緒に、黒鉛照射設備にて、30分照射した。中性子束モニタの反応率を、Westcott's Conventionに基づき解析して、照射場が良く熱化されていることを確認した。$$^{237}$$Np試料の量は、放射平衡の関係にある$$^{233}$$Paのガンマ線収量から求めた。$$^{237}$$Np(n,$$gamma$$)の反応率は、試料量と生成された$$^{238}$$Npからのガンマ線の収量から求めた。$$^{237}$$Npの反応率を熱中性子束で割り込むことで、熱中性子捕獲断面積を導出する。

論文

JENDL/DEU-2020; Deuteron nuclear data library for design studies of accelerator-based neutron sources

中山 梓介; 岩本 修; 渡辺 幸信*; 緒方 一介*

Journal of Nuclear Science and Technology, 58(7), p.805 - 821, 2021/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Nuclear Science & Technology)

重陽子加速器を用いた高エネルギー中性子源の利用が様々な応用に対して提案されている。こうした中性子源の設計研究に資するため、$$^{6,7}$$Li, $$^{9}$$Be, $$^{12,13}$$Cに対する200MeVまでの重陽子核データライブラリJENDL/DEU-2020を開発した。JENDL/DEU-2020のデータの評価は、計算コードDEURACSを用いて特に中性子生成データに注意を払って行った。また、本評価に利用するに当たり、DEURACSにいくつかの改良を行った。評価データの検証はモンテカルロ輸送計算コードによるシミュレーションを通じて行った。その結果、JENDL/DEU-2020に基づくシミュレーション値は入射エネルギー200MeVまでの範囲で中性子生成に関する実験データを良く再現することが分かった。このことから、本ライブラリは多様な重陽子加速器中性子源の設計研究に大きく貢献すると期待される。

論文

Dimensional reduction by geometrical frustration in a cubic antiferromagnet composed of tetrahedral clusters

大熊 隆太郎*; 古府 麻衣子; 浅井 晋一郎*; Avdeev, M.*; 幸田 章宏*; 岡部 博孝*; 平石 雅俊*; 竹下 聡史*; 小嶋 健児*; 門野 良典*; et al.

Nature Communications (Internet), 12(1), p.4382_1 - 4382_7, 2021/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Multidisciplinary Sciences)

Dimensionality is a critical factor in determining the properties of solids and is an apparent built- in character of the crystal structure. However, it can be an emergent and tunable property in geometrically frustrated spin systems. Here, we study the spin dynamics of the tetrahedral cluster antiferromagnet, pharmacosiderite, via muon spin resonance and neutron scattering. We find that the spin correlation exhibits a two-dimensional characteristic despite the isotropic connectivity of tetrahedral clusters made of spin 5/2 Fe$$^{3+}$$ ions in the three-dimensional cubic crystal, which we ascribe to two-dimensionalisation by geometrical frustration based on spin wave calculations. Moreover, we suggest that even one-dimensionalisation occurs in the decoupled layers, generating low-energy and one-dimensional excitation modes, causing large spin fluctuation in the classical spin system.

論文

Gamma-ray observations at the coastal area of Japan Sea in winter seasons

土屋 晴文; 榎戸 輝揚*; 和田 有希*; 古田 禄大; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; 楳本 大悟*; 牧島 一夫*; GROWTH collaboration*

Proceedings of Science (Internet), 358, 6 Pages, 2021/07

Since 2006, the GROWTH experiment has been successfully operating at the coastal area of Japan Sea. The GROWTH experiment aims at elucidating how particles in lightning and thunderclouds are accelerated to relativistic energies to produce gamma rays and occasionally neutrons. According to observations done by the GROWTH experiment, it is found that there are two types of radiation bursts associated with winter thunderstorms. One is long bursts lasting for a few tens of seconds to a few minutes, being not clearly related to lightning. The other is short bursts in association with lightning. To better understand the production mechanism of these radiation bursts, we have developed a small-type of radiation detectors and increased observational points with the new detectors. In this presentation, we show an overview of observations done by the GROWTH experiment. Then we focus on recent several findings observed by the new detectors. One, which is categorized into long bursts, implies a relationship between a long burst and an intra/inter-cloud discharge. Another is a combination of short bursts and long ones, showing simultaneous detections of prompt gamma rays extending up to 10 MeV and the 511-keV annihilation ones. These gamma-ray signals demonstrate the occurrence of photonuclear reactions in lightning. Based on these results, we discuss the production mechanism of gamma rays related to thunderstorms.

論文

Spin wave excitations in honeycomb antiferromagnet MnTiO$$_{3}$$

Hwang, I. Y.*; Lee, K. H.*; Chung, J.-H.*; 池内 和彦*; Garlea, V. O.*; 山内 宏樹; 赤津 光洋*; 社本 真一

Journal of the Physical Society of Japan, 90(6), p.064708_1 - 064708_6, 2021/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:0.01(Physics, Multidisciplinary)

ハニカム格子反強磁性体MnTiO$$_{3}$$のスピン波を調べ、スピン間の交換相互作用を正確に求めた。

論文

Quantum proton entanglement on a nanocrystalline silicon surface

松本 貴裕*; 杉本 秀彦*; 大原 高志; 徳光 昭夫*; 冨田 誠*; 池田 進*

Physical Review B, 103(24), p.245401_1 - 245401_9, 2021/06

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

We investigate the quantum entangled state of two protons terminating on a silicon surface. The entangled states were detected using the surface vibrational dynamics of nanocrystalline silicon with inelastic neutron scattering spectroscopy. The protons are identical, therefore the harmonic oscillator parity constrains the spin degrees of freedom, forming strongly entangled states for all the energy levels of surface vibrations. Compared to the proton entanglement previously observed in hydrogen molecules, this entanglement is characterized by an enormous energy difference of 113 meV between the spin singlet ground state and the spin triplet excited state. We theoretically demonstrate the cascade transition of terahertz entangled photon pairs utilizing proton entanglement.

論文

Determination of localized surface phonons in nanocrystalline silicon by inelastic neutron scattering spectroscopy and its application to deuterium isotope enrichment

松本 貴裕*; 野又 郁実*; 大原 高志; 金光 義彦*

Physical Review Materials (Internet), 5(6), p.066003_1 - 066003_9, 2021/06

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

The hydrogen isotope deuterium has attracted special interest for the manufacture of silicon (Si) semiconductors as well as for the synthesis of isotopically labeled compounds. However, the efficient production of D or H deuteride in a controlled manner is challenging, and rational H isotope enrichment protocols are still lacking. Here, we demonstrate a highly efficient exchange reaction from H to D on the surface of nanocrystalline Si. Fourfold enrichment of D termination was successfully achieved by dipping n-Si into a dilute D solution. By determining the surface-localized vibrational modes for H-and D-terminated n-Si using inelastic neutron scattering spectroscopy, we found that the physical mechanism responsible for this enrichment originates from the difference in the zero-point oscillation energies and entropies of the surface-localized vibrations.

論文

Spin glass behavior and magnetic boson peak in a structural glass of a magnetic ionic liquid

古府 麻衣子; 綿貫 竜太*; 榊原 俊郎*; 河村 聖子; 中島 健次; 松浦 直人*; 上木 岳士*; 阿久津 和宏*; 山室 修*

Scientific Reports (Internet), 11(1), p.12098_1 - 12098_8, 2021/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Multidisciplinary Sciences)

Glassy magnetic behavior has been observed in a wide range of crystalline magnetic materials called spin glass. Here, we report spin glass behavior in a structural glass of a magnetic ionic liquid, C4mimFeCl$$_{4}$$. Magnetization measurements demonstrate that an antiferromagnetic ordering occurs at $$T_{rm N}$$ = 2.3 K in the crystalline state, while a spin glass transition occurs at $$T_{rm SG}$$ = 0.4 K in the structural glass state. In addition, localized magnetic excitations were found in the spin glass state by inelastic neutron scattering, in contrast to spin-wave excitations in the ordered phase of the crystalline sample. The localized excitation was scaled by the Bose population factor below $$T_{rm SG}$$ and gradually disappeared above $$T_{rm SG}$$. This feature is highly reminiscent of boson peaks commonly observed in structural glasses. We suggest the "magnetic" boson peak to be one of the inherent dynamics of a spin glass state.

論文

Behavior of light elements in iron-silicate-water-sulfur system during early Earth's evolution

飯塚 理子*; 後藤 弘匡*; 市東 力*; 福山 鴻*; 森 悠一郎*; 服部 高典; 佐野 亜沙美; 舟越 賢一*; 鍵 裕之*

Scientific Reports (Internet), 11(1), p.12632_1 - 12632_10, 2021/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Multidisciplinary Sciences)

FeNi合金からなる地球核は、H, C, O, Si, Sなどの軽元素を含んでいると考えられている。その中でHは、宇宙に最も存在する元素であり、最も有望な候補である。これまでの我々の中性子回折実験から、鉄-水系において、水素が他の元素より優先的に鉄に取り込まれることが分かっている。今回、初期地球の組成で水を含んだ鉄-ケイ酸塩系において、Sが及ぼす影響を調べた。その結果、一連の鉄の相転移、含水ケイ酸塩の脱水酸基およびカンラン石・輝石の形成を観察した。またFeの共存相としてFeSが現れた。Hがいる条件でもFeSの格子体積が一定であることから、FeSに水素は入らず、FeSはむしろFeの水素化を阻害することがわかった。高温高圧下から回収された試料を観察すると、FeにはHとSが入っており、HおよびSはFe(H$$_{x}$$)-FeS系の融点を下げる効果があることが分かった。一方回収試料には、C, O, Siなどの他の軽元素は含まれていないため、地球核形成時には、まずFeH$$_{x}$$およびFeSができ、その後さらに高温高圧下でFeHxやFeSが融解した後でないと、それらは核に取り込まれないことが分かった。

論文

5.2.1 燃料からの放射性物質放出モデルと放出後の化学形態、5.4.5 1F原発事故解析で得られたFP挙動モデルの技術課題

日高 昭秀

シビアアクシデント時の核分裂生成物挙動, p.85 - 88, 2021/05

日本原子力学会の「シビアアクシデント時の核分裂生成物挙動」研究専門委員会は、最近、活動内容を取りまとめた。著者はその委員として、シビアアクシデント時の核分裂生成物挙動に係る解析コード、FP挙動モデルの節において、燃料からの放射性物質放出モデルの概要と、燃料から放出された後の放射性物質の化学形態について執筆した。また、福島第一原子力発電所事故解析から得られた現行の放射性物質挙動モデルの技術課題として、以下の3点((1)大気拡散コードと環境モニタリングデータから逆算した$$^{131}$$I/$$^{137}$$Cs比に基づく福島原発事故後期の$$^{131}$$I及び$$^{137}$$Cs放出機構の推定、(2)福島原発事故後放射性テルル放出時間の推定及びそれらと個々のプラント事象との関係、(3)福島原子力発電所事故中に正門付近で観測された中性子源及び4号機水素爆発の誘因となった水素の追加発生 -高温炉心溶融物のクエンチ時に起こり得る事象からの類推- )について執筆した。

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