Theory of the spin Seebeck effect influenced by crystal-field excitations in TbFeO

森 道康; Tomasello, B.*; Ziman, T.*

Physical Review B, 111(1), p.014407_1 - 014407_12, 2025/01

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.014407

The spin Seebeck effect (SSE) is a phenomenon of thermoelectric generation that occurs within a device consisting of a bilayer of a metal and a ferromagnet. When TbFeO (TbIG) is substituted for the ferromagnet, the effect goes to zero at low temperatures, yet it increases to positive values with the application of a magnetic field. This is opposite to the expectation that the SSE should be suppressed by a magnetic field due to the increase in magnon gap. In this paper, the crystal-field excitations (CFE) in TbIG are calculated within a mean field theory exploiting the parameters of Terbium Gallium Garnet TbFeO (TGG) from the neutron-scattering experimental literature. Like TGG, the primitive cell of TbIG hosts twelve Tb sites with six inequivalent magnetic sublattices, but due to the net -molecular field from the tetrahedral and octahedral Fe ions, these can be classified into two distinct groups, the and the sites, which account for the "double umbrella" magnetic structure. We show that when an external magnetic field is applied along the [111] direction of the crystal, the lowest CFE of the sublattices decreases. As a consequence of the magnetic field dependence of the lowest CFE, we find that at low temperatures the SSE in TbIG can result enhanced by an applied magnetic field.

Improvement of a time-of-flight spectrometer AGNES at JRR-3 using supermirror techniques

秋葉 宙*; 大政 義典*; 古府 麻衣子*; Zhang, M.*; 佐藤 駿*; 山室 修*

Journal of the Physical Society of Japan, 93(9), p.091010_1 - 091010_6, 2024/09

https://doi.org/10.7566/JPSJ.93.091010

AGNES is a direct geometry chopper-type time-of-flight neutron spectrometer installed at the cold neutron guide (C3-1-1) of JRR-3 (Tokai, Japan). This instrument is well-suited for studies on low-energy excitations of powdered and amorphous samples, and quasi-elastic scattering with an energy resolution of 120 eV (standard mode) or 50 eV (high-resolution mode). During the long shutdown period of JRR-3 due to the Great East Japan Earthquake in 2011, AGNES was significantly improved through the installation of supermirror-coated neutron guide tubes and collimator, installation of a new-type top-loading cryo-furnace, and renewal of data acquisition electronics and software. As a result, the neutron intensity has increased by 7.7 times in the standard mode and by 3.2 times in the high-resolution mode. These enhancements facilitate experiments with small amounts of samples, and under special environments, which have previously been challenging.

Singular continuous and nonreciprocal phonons in quasicrystal AlPdMn

松浦 直人*; Zhang, J.*; 上村 祥史*; 古府 麻衣子; 枝川 圭一*

Physical Review Letters, 133(13), p.136101_1 - 136101_5, 2024/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.136101

In quasicrystals lacking translational symmetry but having highly ordered structures, understanding how phonons propagate in their aperiodic lattices remains an unsolved issue. We present an inelastic neutron scattering study on acoustic phonon modes of icosahedral quasicrystal AlPdMn, revealing hierarchical pseudo-gap structure in low-energy acoustic modes. Additionally, phonon intensities are asymmetric in energy and wave vectors with respect to the Bragg peak, indicating characteristic nonreciprocal phonon propagation in quasicrystals.

Spectral evidence for Dirac spinons in a kagome lattice antiferromagnet

Zeng, Z.*; Zhou, C.*; Zhou, H.*; Han, L.*; Chi, R.*; Li, K.*; 古府 麻衣子; 中島 健次; Wei, Y.*; Zhang, W.*; et al.

Nature Physics, 20(7), p.1097 - 1102, 2024/07

https://doi.org/10.1038/s41567-024-02495-z

Emergent quasiparticles with a Dirac dispersion in condensed matter systems can be described by the Dirac equation for relativistic electrons, in analogy with Dirac particles in high-energy physics. For example, electrons with a Dirac dispersion have been intensively studied in electronic systems such as graphene and topological insulators. However, charge is not a prerequisite for Dirac fermions, and the emergence of Dirac fermions without a charge degree of freedom has been theoretically predicted to be realized in Dirac quantum spin liquids. These quasiparticles carry a spin of 1/2 but are charge-neutral and so are called spinons. Here we show that the spin excitations of a kagome antiferromagnet, YCu(OD)Br[Br(OD)], are conical with a spin continuum inside, which is consistent with the convolution of two Dirac spinons. The predictions of a Dirac spin liquid model with a spinon velocity obtained from spectral measurements are in agreement with the low-temperature specific heat of the sample. Our results, thus, provide spectral evidence for a Dirac quantum spin liquid state emerging in this kagome lattice antiferromagnet. However, the locations of the conical spin excitations differ from those calculated by the nearest-neighbor Heisenberg model, suggesting the Dirac spinons have an unexpected origin.

Excitation spectrum and spin Hamiltonian of the frustrated quantum Ising magnet PrBWO

Nagl, J.*; Flavin, D.*; Hayashida, S.*; Povarov, K. Y.*; Yan, M.*; 村井 直樹; 河村 聖子; Simutis, F.*; Hicken, T. J.*; Luetkens, H.*; et al.

Physical Review Research (Internet), 6(2), p.023267_1 - 023267_18, 2024/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023267

We investigate the rare-earth-based frustrated quantum antiferromagnet PrBWO, previously considered a spin-liquid candidate. Our experimental and theoretical analysis reveals that its ground state is better described as a quantum paramagnet, governed by an Ising model in a transverse field. While in-plane correlations exist, the dominant interactions form frustrated triangular spin tubes via competing ferro-antiferromagnetic bonds. The system's thermodynamic and dynamic properties are significantly influenced by hyperfine interactions and weak structural disorder.

Evaluation of thermal neutron scattering law of nuclear-grade isotropic graphite

中山 梓介; 岩本 修; 木村 敦

EPJ Web of Conferences, 294, p.07001_1 - 07001_6, 2024/04

https://doi.org/10.1051/epjconf/202429407001

溶融塩炉などの革新型原子炉の減速材として黒鉛の利用が考えられている。減速材による熱中性子の散乱は炉心設計に大きな影響を与える。革新型原子炉の開発に貢献するため、原子炉級黒鉛の熱中性子散乱則の評価を行った。格子振動に起因する非弾性散乱成分は、第一原理シミュレーションから求めたフォノン状態密度に基づいて評価した。シミュレーションは理想的な結晶黒鉛に対して行った。結晶構造に起因する干渉性弾性散乱成分は、J-PARC/MLF施設で実施された中性子透過実験および散乱実験に基づいて評価した。中性子透過実験との比較においては、空孔などの結晶よりも大きな構造に起因する中性子小角散乱の定量が重要であることがわかった。以上の方法に基づいて、原子炉級黒鉛の熱中性子散乱則データを評価した。

Proton diffusion in liquid 1,2,3-triazole studied by incoherent quasi-elastic neutron scattering

篠原 佑也*; 岩下 拓哉*; 中西 真大*; Osti, N. C.*; 古府 麻衣子; 楡井 真実; Dmowski, W.*; 江上 毅*

Journal of Physical Chemistry B, 128(6), p.1544 - 1549, 2024/02

https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.3c07685

Improving the proton transport in polymer electrolytes impacts the performance of next-generation solid-state batteries. However, little is known about proton conductivity in nonaqueous systems due to the lack of an appropriate level of fundamental understanding. Here, we studied the proton transport in small molecules with dynamic hydrogen bonding, 1,2,3-triazole, as a model system of proton hopping in a nonaqueous environment using incoherent quasi-elastic neutron scattering. By using the jump-diffusion model, we identified the elementary jump-diffusion motion of protons at a much shorter length scale than those by nuclear magnetic resonance and impedance spectroscopy for the estimated long-range diffusion. In addition, a spatially restricted diffusive motion was observed, indicating that proton motion in 1,2,3-triazole is complex with various local correlated dynamics. These correlated dynamics will be important in elucidating the nature of the proton dynamics in nonaqueous systems.

MLFデータ処理環境"空蝉"インストールマニュアル

稲村 泰弘

JAEA-Testing 2023-002, 80 Pages, 2023/12

JAEA-Testing-2023-002.pdf:2.43MB

空蝉とは、J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)において実施される中性子散乱実験にて得られたデータ処理に使用されるソフトウェア群の一つである。MLFの多くの装置(ビームライン)では、測定されたデータから条件に応じて抽出し、強度の規格化、装置機器依存の強度補正、単位変換などを行い、物理量へと変換し可視化する必要がある。空蝉はこの一連の処理を効率的に行うために開発されたソフトウェア群である。空蝉は主にデータの抽出機能(ヒストグラム化)や各種補正機能、それらを効率よく実行するためのグラフィカルインターフェースを持つソフトウェア、さらには処理されたデータを可視化するプロッタアプリケーションなどから構成されている。既にMLFの多数の装置において解析作業の要として動作している。本書は、MLFの中性子散乱装置を運用する装置担当者やユーザーが空蝉を利用したデータ処理を自分自身の計算機環境にて実施する際に、その環境構築やインストール作業を容易に実施できるよう、オペレーションシステムごとに具体的な手順を記述したマニュアルである。なお、WindowsやmacOSといった一般向けオペレーションシステムであれば、通常のアプリケーションを扱う程度の知識があれば本書を利用してインストールが可能である。

Preliminary analyses of modified STACY core configuration using serpent with JENDL-5

川口 真穂*; 柴 茂樹*; 岩橋 大希*; 大川 剛*; 郡司 智; 井澤 一彦; 須山 賢也

Proceedings of 12th International Conference on Nuclear Criticality Safety (ICNC2023) (Internet), 8 Pages, 2023/10

原子力規制委員会は、2014年から日本原子力研究開発機構(JAEA)と共同で、福島第一原子力発電所事故で発生した燃料デブリの臨界性を評価するための実験的アプローチに取り組んでいる。その一環として、擬似燃料デブリの特性を評価する臨界実験を実施するため、原子力機構は臨界実験装置STACY(STAtic experiment Critical facilitY)を改良した。予備解析として、提案した炉心配置パターンについて、主要な核データライブラリを用いて臨界特性を検証した。3次元連続エネルギーモンテカルロ中性子・光子輸送コードSERPENT-V2.2.0と最新のJENDL-5を用いた。その結果、STACY更新炉の炉心配置パターン全てにおいてJENDL-5による中性子増倍率は、他のライブラリを使用した結果と比較して大きく評価された。また、JENDL-5のH散乱反応及びU核分裂反応断面積の感度係数は他のライブラリとは異なっていた。これらのライブラリとの比較から、JENDL-5の更新されたS(, )は、STACY更新炉の臨界特性の評価結果に影響を与える可能性があることがわかった。

An X-ray and neutron scattering study of aqueous MgCl solution in the gigapascal pressure range

山口 敏男*; 福山 菜美*; 吉田 亨次*; 片山 芳則*; 町田 真一*; 服部 高典

Liquids (Internet), 3(3), p.288 - 302, 2023/09

https://doi.org/10.3390/liquids3030019

圧力0.1MPaから4GPa、温度300Kから500Kにおける2mol/kg MgCl水溶液の構造をX線と中性子散乱測定によって明らかにした。この散乱データを経験的ポテンシャル構造精密化(EPSR)モデリングにより解析し、圧力と温度の関数としてペア分布関数、配位数分布、角度分布、空間密度関数を導出した。Mgは第3殻まで広がったリジッドな溶媒和殻を形成している。つまり、0GPaで約6個の水分子を含む6配位八面体の第1溶媒和殻は、ギガパスカルの圧力領域では、近接イオン対を形成し、約5個の水分子と1個のClとなる。また、Clの溶媒和も、圧力によって大きく変わる。つまり、Clイオンまわりの水分子の配位数は、0.1MPa/300Kでの8から、4GPa/500Kでの10に増加する。また溶媒(水)も、0.1MPa/300Kでの四面体ネットワーク構造から、ギガパスカルの圧力領域では、密に詰まった構造へと変化する。このとき、中心水分子1個まわりの隣接酸素原子数は、0.1MPa/298Kでの4.6個から4GPa/500Kでの8.4個へと徐々に増加する。