Elucidation of composite excitations by three-dimensional neutron spin polarization analysis using J-PARC

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本研究では，スピン交換光ポンピング（SEOP）法を活用した中性子偏極デバイスを高エネルギー分光器に実装し，多重外場環境(温度・磁場・圧力・電場)と共存させることで物質内の動的スピン情報を詳細に取得する手法の実現を目指している。偏極中性子散乱法は，次世代の中性子科学を切り開く戦略要素として，世界中の中性子施設が高度化に注力している。そのため、本研究で行う中性子ビームのスピン偏極と測定対象である物質内電子のスピン偏極を個別制御する手法は、中性子科学での高い競争力となり得る。今年度は研究がスタートしたところであるが、これまでの実績からコンパクト化したSEOPシステムをJ-PARC物質・生命科学実験施設の分光器に実装することができた。ただし、高偏極率の実現と偏極率保持には改善の余地があることがわかり、その必要要素の検討を進めた。関連して研究用原子炉JRR-3でも測定環境を構築するために整備を行った。一方、測定対象のひとつである銅酸化物高温超伝導体については、粉末試料、および、単結晶の作成を進めた。特に新しい対象として選定したT*構造物質の電子状態の解明のため、作成が困難であった希薄ホールドープ領域の試料合成に取り組み、フッ素置換することで目的とする試料を得ることができた。また、中性子散乱実験に先立ち、放射光X線散乱実験とミュオンスピン回転/緩和実験を行った結果、高圧酸素アニールを施すことでホール濃度が微量な領域でも超伝導が発現していることがわかり、超伝導と磁気秩序が競合することがわかった。これまでに多数の報告があるLa2-xSrxCuO4の磁気励起の素性解明には偏極中性子の利用が重要であるが、T*構造物質が非常に良い比較対象となり得ることが確認できた。今後、両系に対する多重外場環境下での偏極中性子散乱実験を行うことで、磁気相関の詳細と超伝導との関係が解明できると期待できる。