ランタノイドイオン結晶のレーザー操作によるニュートリノ質量分光法の開発研究

今年度は、前年度に製作した Er:YLF 結晶に対して電子スピン共鳴(ESR)実験を行い、ニュートリノ研究にとって重要な結晶中での電子スピンの振舞いの研究を行った。結晶中の Er イオンの4f電子遷移に対し、マクロコヒーレンス増幅機構を利用して、弱いニュートリノ対放出遷移レートの増幅に伴って現れる電子スピン磁化の緩和時間や線幅を測定し、考察を深めておくことが重要である。Er イオン濃度 0.1% 及び 0.01% の結晶(1 x 2 x 3.5 mm)に対して、温度 5～35 K の範囲でESR実験を行った。この温度範囲では明瞭な ESR 信号が観測された。Er は6種類の安定アイソトープが存在するが、唯一核スピンを持つEr-167の超微細構造も観測された。また結晶軸と静磁場との角度をスキャンした ESR 強度スペクトルを取り、1軸結晶中のg因子テンソルパラメータを確認した。各温度における ESR スペクトルの詳細を調べると、15 K 以上ではローレンツ関数型で、10K 以下ではガウス関数型であることが観測された。このことから、15K 以上ではErイオン 4f 電子スピンと結晶格子間の交換相互作用による緩和が支配的で、10K 以下では残留スペクトル幅が存在し、スピン-スピン間の双極子相互作用による緩和が支配的であることが示唆された。以上の取得したデータを総合的に判断すると、温度 5K ではスピン縦緩和時間は 1 ~ 0.1 ms の程度であり、横緩和時間に関しては Li-6, 7 とEr 間のスピン-スピン相互作用に依るものであると推定される。以上の結果から、ニュートリノ研究を進めるにあたって、最低ラインの緩和時間があることが認められたが、Li 元素のアイソトープ純化によってより線幅の狭い系が実現できそうだとの期待が持てる。また、Er:YSO 中の超放射実験の理解も進めた。

今年度は、前年度に製作した Er:YLF 結晶に対して電子スピン共鳴(ESR)実験を行い、ニュートリノ研究にとって重要な結晶中での電子スピンの振舞いの研究を行った。結晶中の Er イオンの4f電子遷移に対し、マクロコヒーレンス増幅機構を利用して、弱いニュートリノ対放出遷移レートの増幅に伴って現れる電子スピン磁化の緩和時間や線幅を測定し、考察を深めておくことが重要である。Er イオン濃度 0.1% 及び 0.01% の結晶(1 x 2 x 3.5 mm)に対して、温度 5～35 K の範囲でESR実験を行った。この温度範囲では明瞭な ESR 信号が観測された。Er は6種類の安定アイソトープが存在するが、唯一核スピンを持つEr-167の超微細構造も観測された。また結晶軸と静磁場との角度をスキャンした ESR 強度スペクトルを取り、1軸結晶中のg因子テンソルパラメータを確認した。各温度における ESR スペクトルの詳細を調べると、15 K 以上ではローレンツ関数型で、10K 以下ではガウス関数型であることが観測された。このことから、15K 以上ではErイオン 4f 電子スピンと結晶格子間の交換相互作用による緩和が支配的で、10K 以下では残留スペクトル幅が存在し、スピン-スピン間の双極子相互作用による緩和が支配的であることが示唆された。以上の取得したデータを総合的に判断すると、温度 5K ではスピン縦緩和時間は 1 ~ 0.1 ms の程度であり、横緩和時間に関しては Li-6, 7 とEr 間のスピン-スピン相互作用に依るものであると推定される。以上の結果から、ニュートリノ研究を進めるにあたって、最低ラインの緩和時間があることが認められたが、Li 元素のアイソトープ純化によってより線幅の狭い系が実現できそうだとの期待が持てる。また、Er:YSO 中の超放射実験の理解も進めた。