Application of non-contact heat transport measurement by thermoreflectance method to condensed matter research

热反射法非接触式热传输测量在凝聚态物质研究中的应用

• 批准号: 21K18603
• 负责人: 高橋 英幸
• 金额: $ 4.08万
• 依托单位: Kobe University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18603/
• 关键词: 熱伝導測定; サーモリフレクタンス法; 強磁場物性; 量子スピン系; サーモリフレクタンス

本研究では、熱工学分野で近年確立しつつあるサーモリフレクタンス（TR）法を、低温・強磁場における熱伝導率・熱磁気効果の測定に応用することを目指す。非接触で微小試料に対応できるという強みを、量子スピン鎖や量子液晶状態などにおける異方的準粒子ダイナミクスの研究に活かす。TR法では測定試料表面に金薄膜を蒸着し、表面温度を反射率情報に変換するトランスデューサーとして用いる。まず、金が良く吸収する波長帯のレーザー（pumpレーザー）を強度変調して照射する。これにより表面には温度の異なる領域が同心円状に広がる、温度波が生じる。この温度波の位相遅れの周波数依存性から物質の熱伝導率の情報を抽出する。本課題では、極低温での測定を念頭に置き、初年度のうちにポンプ光波長488nm、プローブ光532nmのレーザーを用いたファイバー‐自由空間のハイブリッドの周波数領域サーモリフレクタンス光学系を設計した。ガラスや金などの標準試料により、200mW出力のファイバー光学系でも十分な信号強度を得られることを室温環境の予備測定で確認した。最終年度は、シリンドリカルレンズにより楕円ビームスポットの整形・回転機構を取り入れた。ビームスポットの楕円率を変化させながら反射率変化を測定することで、熱伝導の異方性を得ることを試みたが、難航し、現在のところ、本格的な測定には移行できていない。制御パラメータが多いため、測定データを再現する値が一意に決まらないという問題がある。データ解析のために数値計算が重要になるので、光による周期加熱に対する実空間、周波数空間の応答を計算するプログラムを作成した。これを用いて熱伝導率を決定する効率的なデータ取得法を開発できないか探っている。この計算は周期加熱を利用して磁気共鳴信号を得る別課題にも活かされている。

这项研究的目的是应用热素感热能（TR）方法，该方法近年来在热工程领域已建立，以测量低温和强磁场的热导率和热磁效应。在量子旋转链和量子液晶状态下的各向异性准粒子动力学的研究中，能够处理无接触的小样品的强度将使用。在TR方法中，金薄膜沉积在样品表面上，并用作将表面温度转换为反射率信息的传感器。首先，在波长良好的波长中，一个激光（泵激光）被调节强度和辐照。这会导致温度波在表面不同温度不同的区域同意。从温度波的相位滞后的频率依赖性中提取了有关材料导热率的信息。在这个主题中，我们使用泵的光学波长为488 nm的激光器设计了一个混合，无光纤空间频率域的热反射系统，第一年的探针光学波长为532 nm，在心中极低的情况下进行测量。室温环境下的初步测量证实，即使使用玻璃或金等标准样品的200MW输出光纤系统，也可以获得足够的信号强度。在最后一年，使用圆柱形镜头为椭圆梁斑点合并形状和旋转机制。我们试图通过测量反射率的变化，同时改变光束斑点的椭圆度，但很难实现，但是目前，我们无法进行全尺度测量。由于有许多控制参数，因此存在一个问题，即无法唯一确定可重现测得的数据的值。数值计算对于数据分析变得很重要，因此创建了一个程序来计算真实和频率空间对通过光周期加热的响应。使用它，我们正在研究是否可以开发有效的数据采集方法来确定导热率。该计算还用于使用周期加热获得磁共振信号的另一项任务。

项目成果

ミリ波領域における熱的検出型高圧化ESR測定手法の開発

毫米波区热探测高压ESR测量方法的研制

• 发表时间: 2022
• 期刊: 日本赤外線学会誌
• 作者: 長澤直生，櫻井敬博，高橋英幸，大道英二，太田仁

Development of Field-Angle-Dependent ESR Measurement Method under High Pressure by Thermal Detection

通过热检测开发高压下场角相关 ESR 测量方法

• 发表时间: 2022
• 作者: Naoki Nagasawa;Takahiro Sakurai;Hideyuki Takahashi;Eiji Ohmichi;Hitoshi Ohta
• 通讯作者: Hitoshi Ohta