研究課題名：4次元空間中性子探査装置の開発と酸化物高温超伝導機構の解明

1．研究課題名：

4次元空間中性子探査装置の開発と酸化物高温超伝導機構の解明

2．研究期間：

平成17年度～平成21年度

3．研究代表者：

新井　正敏（独立行政法人日本原子力研究開発機構・量子ビーム応用研究部門・研究主席）

4．研究代表者からの報告

（1）研究課題の目的及び意義

　本研究は（1）J-PARC（Japan Proton Accelerator Research Complex、大強度陽子加速器計画）の大強度パルス中性子源において、現在世界最高性能の装置にくらべ2桁強い中性子非弾性散乱実験装置、4次元空間中性子探査装置（4SEASONS:4d SpacE AccesS neutrON Spectrometer、四季）を建設し、（2）酸化物高温超伝導物質のもつ異常な磁気励起、フォノン異常現象を3次元の波数-エネルギーからなる4次元空間で詳細に観測することにより高温超伝導機構の解明を目指すものである。超伝導の機構を解明するためには、超伝導を担うクーパー電子対を形成する相互作用および、その空間的な作用のもつ異方性を知ることが最も重要な観測量となる。中性子散乱は、磁気的および格子運動による相互作用の強さを含め、その空間異方性について観測できる最も優れたプローブのひとつである。しかしながら、高温超伝導体では相互作用が非常に強い上に、エネルギー・波数空間の広範な領域に広がっているために、観測信号が非常に微弱であった。本研究は、上記の理由によりこれまで困難であった中性子散乱研究を飛躍的に展開させ、系統的な研究を行うものである。そのために装置建設のみならず、（3）高品質かつ十分な量の単結晶試料の作成を行う。

（2）研究の進展状況及び成果の概要

　（1）四季の建設については、平成17年度で設計の基本仕様が決定し、解析的・数値的検討により、目標とする性能が十分達成可能であることを確認した。分光器全体設計に加え、スーパーミラー試作、検出器試作、スピン偏極デバイス開発ステージの整備などを実施し、分光器の建設に向けた基盤が整った。平成18年度は真空散乱槽、中性子ガイド管、ビームライン遮蔽体の建設、検出器の性能試験および仕様の決定、および各デバイスの開発などを行う予定である。（2）原子炉およびパルス中性子源の中性子を利用した中性子散乱実験およびX線非弾性散乱によって、酸化物高温超伝導体の実験的研究が進んだ。電子ドープ型超伝導体Pr1-xLaCexCuO4ではエネルギー領域によって性格の異なる磁気励起が存在することを示唆する結果が得られ、ホールドープ型超伝導体La2-xSrxCuO4（LSCO）においてフォノンのソフトニングの超伝導相での増強が観測された。さらにYBa2Cu3O6+d（YBCO）においては、磁気励起における新しい共鳴ピークの存在、フォノンの強いソフトニングとフォノン状態密度と超伝導転移温度の相関などを見いだした。今後も引き続き国内外の研究施設を利用して研究を進めて行く。（3）単結晶試料の作成については、平成17年度中にLSCO系超伝導体およびYBCO系超伝導体の単結晶を育成する装置および単結晶方位測定装置の整備が完了し、LSCO系超伝導体や電子ドープ系超伝導体の単結晶作成が進んだ。平成18年度はさらにYBCO系超伝導体の育成を進めて行く。

5．審査部会における所見

A（現行のまま推進すればよい）
　中性子散乱実験装置「四季」の稼働に向けた中性子輸送系、マジックチョッパー、集光系、スピン偏極、ソフトウェアなどの独自開発が進められており、研究の進展は順調である。前三者の基盤技術であるスーパーミラーの製作についてはイオンビームスパッターによる多層膜作製に目処が立っている。中性子スピンフィルター装置の開発も着実に進行している。装置開発と並行して高温超伝導体の研究が既存の海外の中性子散乱施設等を利用して行われており、これまでの成果は既に多数の論文発表や口頭発表に結びついている。積極的なワークショップ開催もなされ、研究活動は活発である。今後、一層の研究進展が期待される。