大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年04月18日

2022年4月18日
国立大学法人　電気通信大学
　　　　 国立研究開発法人　理化学研究所
　 公益財団法人　高輝度光科学研究センター

【ポイント】
　＊世界最強ポータブルパルス強磁場発生装置を完成
　＊77テスラで物質の結晶構造変化観測に成功

【背景】
　非常に強い磁場中では、物質の新規な電子・磁気・結晶状態が生まれると考えられており、世界的に研究が盛んに行われています。従来、100テスラ級の非常に強い磁場を発生するためには大型の施設が必要であり、世界の限られた施設でしか利用することができませんでした。先進的量子ビームを利用すれば、超強磁場中での物質のミクロな電子・磁気・結晶状態観測をすることが可能です。しかし、これらの施設も同様に大型であり、また、強磁場施設と併設されていないために、超強磁場中でのミクロ観察は従来困難でした。

【手法】
　今回、池田助教を中心とする研究グループでは、小型パルス超強磁場発生装置PINK-01を完成しました。PINK-01は全体重量として1トンを下回るため、ポータビリティを備えつつ、100テスラに迫る77テスラ超強磁場を発生することができます。これは従来のポータブル磁場発生装置の最高磁場である40テスラを大きく上回る磁場値であり、PINK-01は現状で世界最強のポータブル磁場発生装置です。PINK-01では従来の一巻きコイル法装置に比べて、コンデンサエネルギーを100分の1程度に縮小し、一巻きコイルの直径を10分の1程度に縮小することで、ポータビリティを実現しています。

【成果】
　池田助教らはPINK-01をX線自由電子レーザー施設SACLAに搬入し、理化学研究所放射光科学研究センターの久保田基礎科学特別研究員ら、高輝度光科学研究センターの犬伏主幹研究員らと協力することで、X線レーザービームを利用したX線実験を行いました（図1）。この実験で77テスラ超強磁場を発生した瞬間の物質のX線回折実験に成功しました（図2）。実際に磁場がかかる前とかかっている最中で、大きく結晶状態が変化していることを見いだしました。これにより世界に先駆けて、77テスラ超強磁場での物質の結晶構造変化をミクロ観察することに成功しました（図3）。100テスラ級の超強磁場は持続時間100万分の1秒程度であり、その短い時間内でデータを取得する必要があります。SACLAのX線レーザーは、それよりもずっと短い100兆分の1秒でX線回折実験ができるという特徴があり、今回の実験はPINK-01とSACLAを組み合わせることによって、初めて可能となりました。

【今後の期待】
　PINK-01の成果により100テスラに迫る超強磁場を持ち運ぶことが可能になりました。また、今回の実験で、物質科学の基本手法であるX線回折実験が超強磁場条件下で可能であることが示されました。これまでに、100テスラで磁場による結晶状態変化が予想されている物質は多くあります。今後、これらが一気に解明されると期待されます。

　また、PINK-01を利用することで、X線にとどまらず、これまで不可能であったテラヘルツやパルスレーザーなどのシングルショットプローブと超強磁場を組み合わせる研究を推進することができると期待されます。このため、今後、超強磁場の物質科学に研究手段が増大することが期待されます。これにより日本を中心として強磁場における物質科学が大きく進展すると考えられます。

（外部資金情報）
東電記念財団研究助成（基礎研究）18-001
文部科学省卓越研究員事業 JPMXS0320210021
科研費挑戦的開拓20K20521

【用語説明】