超低温度におけるＸ線回折測定に成功（トピック）

公開日: 2004年06月23日

BL19LXU（理研物理科学II）

理化学研究所播磨研究所量子磁性材料研究チームの勝又紘一チームリーダー、フランスCNRSのJ. E. Lorenzo博士らの研究により、0.04ケルビンという超低温度におけるＸ線回折測定に成功した。

平成16年6月23日
独立行政法人理化学研究所

　独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、0.04 ケルビン^※1という超低温度におけるＸ線回折^※2測定に成功しました。フランスCNRSのJ. E. Lorenzo博士、理研播磨研究所量子磁性材料研究チームの勝又紘一チームリーダーらによる研究成果です。
　ある種の磁性体では量子力学的効果^※3により、スピン^※3がペアーを作り低温で磁性が消滅します。この状態に強い磁場をかけますと、スピンペアーが壊されて磁性が復活します。この時、スピンと結晶格子との結合により格子が変位することが期待されます。大型放射光施設（SPring-8）の理研物理科学ビームライン(BL19LXU)において、入射ビームを制御し、希釈冷凍機^※4を用いることにより、世界記録の0.04ケルビンという超低温度で磁場中でのＸ線回折測定を行うことが出来ました。その結果、量子磁性体Cu₂(C₅H₁₂N₂)₂Cl₄において、磁場中での相転移に伴う格子変形の観測に成功しました。
　超低温度におけるＸ線回折法は、絶対零度付近で起こる量子相転移^※5の研究などに威力を発揮するものと期待されます。
　本研究成果は米国の学術誌『Phys. Rev. B 69, 220409 (2004)』に掲載されました。

（論文）
"Observation of a lattice instability at the field-induced phase transition of the spin-gapped compound Cu₂(C₅H₁₂N₂)₂Cl₄"
J. E. Lorenzo, K. Katsumata, Y. Narumi, S. Shimomura, Y. Tanaka, M. Hagiwara, H. Mayaffre, C. Berthier, O. Piovesana, T. Ishikawa, and H. Kitamura

１．背　景
　絶対零度の世界はどのようなものなのか？自然科学に興味のある人なら一度は想像したことがあるのではないでしょうか。熱による撹乱がないので、量子力学が系の動きを支配すると考えられています。このような系の研究を行うためには、絶対零度に出来るだけ近づいて実験することが必要になります。従来のＸ線回折実験では、10ケルビン程度までの測定は普通に行われていました。1ケルビン以下の測定はかなり困難となります。最大の問題は、試料がＸ線を吸収して温度が上がってしまう点にあります。特に放射光Ｘ線を使う場合には入射Ｘ線の強度が強いので、超低温度での測定を考えること自体がクレージーだと言われていました。私たちは、敢えてこの困難な実験に挑戦したのです。

２．研究成果と意義
　理研物理科学ビームラインBL19LXU第４ハッチにおいては30keV程度の高エネルギーのＸ線を使った実験をしています。2mmx1mmの面積を持つ試料位置に入ってくるＸ線の強度は約5x10¹³フォトン／秒で、このままCu₂(C₅H₁₂N₂)₂Cl₄試料に当てますと3〜7mWに相当する発熱を起こします。一方で、理研量子磁性材料研究チームが所有する希釈冷凍機の冷却能力は0.03ケルビンにおいて2μWですので、入射Ｘ線強度を三桁ほど弱める必要があります。スリットでビームを細くし、減衰器で弱めた結果、最終的に0.04ケルビンで安定に測定することが出来ました。温度は希釈冷凍機の近くと、試料近くの二カ所に設置された温度計で測定し、殆ど差がないことを確認しています。Ｘ線測定の前に、同じ試料について比熱測定をおこない、磁場と温度の平面上で相図を作り、Ｘ線実験はこの相図と比較しながら行いました。
　Ｘ線回折測定の結果、0.04ケルビン7.3 テスラ^※６の磁場でa軸方向の格子定数が約0.03%縮む事が分かりました。通常、Cu²⁺イオンでは結晶中でも電子の軌道磁気モーメント^※３が残っており、これが結晶格子と相互作用することが期待されます。そのため、磁場をかけて非磁性状態から磁性を復活させるとスピンと軌道の相互作用を通して格子に影響が出ると考えられます。

３．今後の期待
　Ｘ線回折測定で超低温度を得るのは、Ｘ線による試料の発熱を冷凍機によってどこまで冷やせるかにかかっています。今後、強力な冷却能力を持った希釈冷凍機を手に入れることが出来れば、絶対零度により近い領域での物理現象、例えば質量数3のヘリウム固体の磁気構造の解明など、をＸ線回折法により研究できると期待されます。

＜参考資料＞