ナノ分光チーム

チーム概要
ナノ分光チームリーダー

鈴木　基寛




メンバー

ナノ分光チームでは、円偏光放射光による分光法であるＸ線磁気円二色性 (XMCD) を用いた測定手法の開発、および磁性研究の支援を行っています。BL25SUとBL39XUの２本のビームラインにおいて、それぞれ軟X線領域と硬X線領域のXMCD測定環境を提供しています。

BL25SUでは、軟X線領域のMCD測定の高度化に取り組んでいます。汎用的な電磁石MCD装置に加え、大学などと共同で最大 40 T のパルス磁場MCD測定や、軟X線ナノビームによる走査顕微鏡の開発を行っており、スピントロニクス材料や永久磁石材料の研究を支援しています。

BL39XUでは、強磁場、低温、高圧という複合極端条件下での分光測定の開発を行っています。XMCDに加えてXASやX線発光分光 (XES)といった分光法をも駆使し、高圧化での相転移や物性発現機構の解明を目指しています。また、硬X線ナノビームによる元素選択的な磁気イメージングや、微小磁気デバイス試料の磁化測定を実現しています。軟X線と硬X線MCDの相補的な利活用を基盤とし、電場や高周波等の外場印加条件下での測定、極端測定条件のさらなる拡大、ナノビーム利用の先端化を進めています。

研究・開発成果

極端条件下でのX線分光測定

強磁場、低温、高圧、あるいはそれらを複合させた同時極端条件下でのXMCDおよびXES測定の開発を行っています。強磁場発生のための超伝導マグネット、高圧発生のためのダイヤモンド・アンビルセル (DAC) 、集光ミラー等を用いた実験装置を構築し、XMCD測定に最適化しました [1]。多結晶ナノダイヤモンドをDACに採用することで、グリッチのない高品質なX線吸収スペクトルを高圧下でも取得可能としました [2, 3]。最近では多段式DACによる300 GPa以上の高圧下でのX線分光測定を開発しています [4]。強磁場環境に関しては、パルス磁場XMCD測定の開発を行いました [5, 6]。
これらの装置開発によって得られた主な研究成果として、以下が挙げられます。

  • 金のナノ粒子およびバルク金における磁性の観測 [7]
  • 超高圧下でのCoの磁気および構造相転移の観測 [8]
  • パルス超強磁場下でのEu化合物の価数転移の観測 [5, 9, 10]
  • 高エネルギー分解能XES測定によるYb系強相関物質の価数揺動状態の研究 [11, 12]
  • SmB6の非磁性-磁性転移における、複合極限環境での価数状態の決定 [13]
  • 高エネルギー分解能XAFS (HERFD-XAS) によるウラン化合物の高圧下での価数転移 [14]
  • 高エネルギー分解能XAFS (HERFD-XAS) によるEu化合物の価数転移 [15]

ナノビームXMCD

光源・光学系部門の協力のもと、集光X線ビーム（ナノビーム）を用いたXMCDおよびXAFS測定の開発を行っています。BL39XU ではKBタイプの反射ミラーを導入することで、100 nm 径の円偏光硬X線ビームの利用を可能としました [16]。可変磁場下での走査型磁気イメージングや、局所領域のXMCD、微小デバイス試料の元素選択的磁化測定が行われています[17]。 最近では硬X線磁気トモグラフィー法による３次元磁区観察法の開発を行っています[18]。 BL25SUでは、フレネルゾーンプレートを用いた軟X線走査顕微鏡の開発 [19]を行っており、永久磁石材料やスピントロニクスデバイス材料等の観察に利用されています。
これらの装置開発によって得られた主な研究成果として、以下が挙げられます。

  • ビットパターン媒体の単一磁気ドットの磁気特性評価 [20]
  • 単粒子触媒の化学的活性部位の可視化 [21]
  • ネオジム焼結磁石の磁化反転過程の観察 [19, 22, 23, 24]
  • 走査型XMCDによる磁気トモグラフィー法の開発 [18]
  • Cr2O3における反強磁性磁区の電界制御 [25]

電界・高周波印加条件でのX線分光測定

スピントロニクス材料として用いられる磁性積層膜では、電界や電流によって磁性を制御することが可能となっています。ナノ分光チームでは、電界印加下でのX線分光測定法を開発し、スピントロニクス現象の発現機構の解明に寄与しています。多素子シリコンドリフト検出器を導入することで、蛍光モードでのXMCD測定の検出効率や統計精度を格段に向上し、電界によるスペクトルの微弱な変化を捉えることを可能としました。BL25SUでは超高真空中で試料に電界を印加するための試料ホルダーを標準化し、実験の効率や信頼性を向上させました。また、BL39XUではGHz帯の高周波とX線パルスを位相同期させ、さらにナノビームを利用した、時間分解・顕微XMCD測定システムを開発しています [26, 27]。 BL25SUでは超高真空対応のX線チョッパーを開発し、時分割測定に活用されています [28]。
これらの装置開発によって得られた主な研究成果として、以下が挙げられます。

  • 強磁性薄膜の電界誘起磁気異方性のメカニズム解明 [29, 30, 31, 32]
  • クロム酸化物反強磁性体薄膜の微弱磁化の電界制御 [33]
  • マルチフェロイックデバイスにおける電圧磁性制御 [34]
  • 高周波磁気デバイスのスピン歳差励起の元素選択的観測 [27, 35]
参考文献
  1. N. Kawamura, N. Ishimatsu, and H. Maruyama, J. Synchrotron Rad. 16, 730 (2009).
  2. N. Ishimatsu, K. Matsumoto, H. Maruyama, N. Kawamura, M. Mizumaki, H. Sumiya, and T. Irifune, J. Synchrotron Rad. 19, 768 (2012).
  3. N. Ishimatsu, N. Kawamura, M. Mizumaki, H. Maruyama, H. Sumiya, and T. Irifune, High Press. Res. 36, 381 (2016).
  4. K. Kuramochi, N. Ishimatsu, T. Sakai, N. Kawamura, and T. Irifune, High Pressure Research 40, 119 (2020).
  5. Y. H. Matsuda, Z. W. Ouyang, H. Nojiri, T. Inami, K. Ohwada, M. Suzuki, N. Kawamura, A. Mitsuda, and H. Wada, Phys. Rev. Lett. 103, 046402 (2009).
  6. T. Nakamura, Y. Narumi, T. Hirono, M. Hayashi, K. Kodama, M. Tsunoda, S. Isogami, H. Takahashi, T. Kinoshita, K. Kindo, and H. Nojiri, Appl. Phys. Express 4, 066602 (2011).
  7. M. Suzuki, N. Kawamura, H. Miyagawa, J. S. Garitaonandia, Y. Yamamoto, and H. Hori, Phys. Rev. Lett. 108, 47201 (2012).
  8. N. Ishimatsu, N. Kawamura, H. Maruyama, M. Mizumaki, T. Matsuoka, H. Yumoto, H. Ohashi, and M. Suzuki, Phys. Rev. B 83, 180409 (2011).
  9. T. Nakamura, T. Hirono, T. Kinoshita, Y. Narumi, M. Hayashi, H. Nojiri, A. Mitsuda, H. Wada, K. Kodama, K. Kindo, and A. Kotani, J. Phys. Soc. Jpn. 81, 103705 (2012).
  10. H. Yasumura, Y. Narumi, T. Nakamura, Y. Kotani, A. Yasui, E. Kishaba, A. Mitsuda, H. Wada, K. Kindo, and H. Nojiri, J. Phys. Soc. Jpn. 86, 054706 (2017).
  11. K. Matsubayashi, T. Hirayama, T. Yamashita, S. Ohara, N. Kawamura, M. Mizumaki, N. Ishimatsu, S. Watanabe, K. Kitagawa, and Y. Uwatoko, Phys. Rev. Lett. 114, 086401 (2015).
  12. N. Kawamura, N. Kanai, H. Hayashi, Y.H. Matsuda, M. Mizumaki, K. Kuga, S. Nakatsuji, and S. Watanabe, J. Phys. Soc. Jpn. 86, 014711 (2017).
  13. N. Emi, N. Kawamura, M. Mizumaki, T. Koyama, N. Ishimatsu, G. Pristáš, T. Kagayama, K. Shimizu, Y. Osanai, F. Iga, and T. Mito, Phys. Rev. B 97, 161116 (2018).
  14. N. Kawamura, Y. Hirose, F. Honda, R. Shimokasa, N. Ishimatsu, M. Mizumaki, S. I. Kawaguchi, N. Hirao, and K. Mimura, JPS Conf. Proc. 30, 011172 (2020).
  15. R. Shimokasa, N. Kawamura, T. Kawabata, G. Isumi, T. Uozumi, A. Mitsuda, H. Wada, F. Honda, M. Hedo, T. Nakama, Y. Ōnuki, M. Mizumaki, and K. Mimura, JPS Conf. Proc. 30, 011134 (2020).
  16. M. Suzuki, N. Kawamura, M. Mizumaki, Y. Terada, T. Uruga, A. Fujiwara, H. Yamazaki, H. Yumoto, T. Koyama, Y. Senba, T. Takeuchi, H. Ohashi, N. Nariyama, K. Takeshita, H. Kimura, T. Matsushita, Y. Furukawa, T. Ohata, Y. Kondo, J. Ariake, J. Richter, P. Fons, O. Sekizawa, N. Ishiguro, M. Tada, S. Goto, M. Yamamoto, M. Takata, and T. Ishikawa, J. Phys. Conf. Ser. 430, 012017 (2013).
  17. M. Suzuki, H. Yumoto, T. Koyama, H. Yamazaki, T. Takeuchi, N. Kawamura, M. Mizumaki, H. Osawa, Y. Kondo, J. Ariake, A. Yasui, Y. Kotani, N. Tsuji, T. Nakamura, S. Hirosawa, K. T. Yamada, S. Kim, K. J. Kim, M. Ishibashi, T. Ono, and H. Ohashi, Synchrotron Radiation News 33, 4 (2020).
  18. M. Suzuki, K.-J. Kim, S. Kim, H. Yoshikawa, T. Tono, K. T. Yamada, T. Taniguchi, H. Mizuno, K. Oda, M. Ishibashi, Y. Hirata, T. Li, A. Tsukamoto, D. Chiba, and T. Ono, Appl. Phys. Express 11, 036601 (2018).
  19. Y. Kotani, Y. Senba, K. Toyoki, D. Billington, H. Okazaki, A. Yasui, W. Ueno, H. Ohashi, S. Hirosawa, Y. Shiratsuchi, and T. Nakamura, J. Synchrotron Rad. 25, 1444 (2018).
  20. M. Suzuki, Y. Kondo, and J. Ariake, J. Appl. Phys. 120, 144503 (2016).
  21. N. Ishiguro, T. Uruga, O. Sekizawa, T. Tsuji, M. Suzuki, N. Kawamura, M. Mizumaki, K. Nitta, T. Yokoyama, and M. Tada, ChemPhysChem 15, 1563 (2014).
  22. M. Suzuki, A. Yasui, Y. Kotani, N. Tsuji, T. Nakamura, and S. Hirosawa, Acta Mater. 106, 155 (2016).
  23. D. Billington, K. Toyoki, H. Okazaki, Y. Kotani, T. Fukagawa, T. NISHIUCHI, S. Hirosawa, and T. Nakamura, Phys. Rev. Mater. 2, 104413 (2018).
  24. S. Okamoto, K. Miyazawa, T. Yomogita, N. Kikuchi, O. Kitakami, K. Toyoki, D. Billington, Y. Kotani, T. Nakamura, T. Sasaki, T. Ohkubo, K. Hono, Y. Takada, T. Sato, Y. Kaneko, and A. Kato, Acta Mater. 178, 90 (2019).
  25. Y. Shiratsuchi, H. Yoshida, Y. Kotani, K. Toyoki, T. V. A. Nguyen, T. Nakamura, and R. Nakatani, APL Mater. 6, 121104 (2018).
  26. H. Osawa, T. Kudo, and S. Kimura, Jpn. J. Appl. Phys., 048001 (2017).
  27. N. Kikuchi, H. Osawa, M. Suzuki, and O. Kitakami, IEEE Trans. Mag. 54, 6100106 (2018).
  28. H. Osawa, T. Ohkochi, M. Fujisawa, S. Kimura, and T. Kinoshita, J. Synchrotron Rad. 24, 560 (2017).
  29. S. Miwa, M. Suzuki, M. Tsujikawa, K. Matsuda, T. Nozaki, K. Tanaka, T. Tsukahara, K. Nawaoka, M. Goto, Y. Kotani, T. Ohkubo, F. Bonell, E. Tamura, K. Hono, T. Nakamura, M. Shirai, S. Yuasa, and Y. Suzuki, Nat Commun. 8, 15848 (2017).
  30. K. T. Yamada, M. Suzuki, A.-M. Pradipto, T. Koyama, S. Kim, K.-J. Kim, S. Ono, T. Taniguchi, H. Mizuno, F. Ando, K. Oda, H. Kakizakai, T. Moriyama, K. Nakamura, D. Chiba, T. Ono, Phys. Rev. Lett. 120, 157203 (2018).
  31. M. Suzuki, T. Tsukahara, R. Miyakaze, T. Furuta, K. Shimose, M. Goto, T. Nozaki, S. Yuasa, Y. Suzuki, and S. Miwa, Appl. Phys. Express 10, 063006 (2017).
  32. T. Kawabe, K. Yoshikawa, M. Tsujikawa, T. Tsukahara, K. Nawaoka, Y. Kotani, K. Toyoki, M. Goto, M. Suzuki, T. Nakamura, M. Shirai, Y. Suzuki, and S. Miwa, Phys. Rev. B 96, 220412 (2017).
  33. T. Nozaki, M. Al-Mahdawi, Y. Shiokawa, S. P. Pati, S. Ye, Y. Kotani, K. Toyoki, T. Nakamura, M. Suzuki, S. Yonemura, T. Shibata, and M. Sahashi, Phys. Stat. Sol. RRL 20, 530 (2018).
  34. S.-J. Chang, M.-H. Chung, M.-Y. Kao, S.-F. Lee, Y.-H. Yu, C.-C. Kaun, T. Nakamura, N. Sasabe, S.-J. Chu, and Y.-C. Tseng, ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 31562 (2019).
  35. N. Kikuchi, T. Yomogita, K. Sato, S. Okamoto, O. Kitakami, H. Osawa, M. Suzuki, K. Toyoki, Y. Kotani, and T. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys. 59, SEED03 (2020).

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2016〜2020年

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