研究業績・活動報告2010

(1)

多元物質科学研究所

研究業績・活動報告

2010

年

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22

年

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月

Institute of the Multidisciplinary Research

for Advanced Materials

Tohoku University

Sendai, Japan

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研究業績・活動報告

研究活動報告

···

1

有機・生命科学研究部門 ··· 1 無機材料研究部門 ··· 15 プロセスシステム工学研究部門 ··· 33 計測研究部門 ··· 51 サステナブル理工学研究センター ··· 69 先端計測開発センター ··· 93 高分子・ハイブリッド材料研究センター ··· 101 窒化物ナノ・エレクトロニクス材料研究センター ··· 115 寄附研究部門・研究ステーション ··· 127

研究会報告

··· 135

学会発表講演目録

··· 166

有機・生命科学研究部門 ··· 166 無機材料研究部門 ··· 176 プロセスシステム工学研究部門 ··· 195 計測研究部門 ··· 210 サステナブル理工学研究センター ··· 224 先端計測開発センター ··· 244 高分子・ハイブリッド材料研究センター ··· 250 窒化物ナノ・エレクトロニクス材料研究センター ··· 272 その他（旧分野） ··· 280

研究業績目録

··· 283

有機・生命科学研究部門 ··· 283 無機材料研究部門 ··· 286 プロセスシステム工学研究部門 ··· 294 計測研究部門 ··· 303 サステナブル理工学研究センター ··· 307 先端計測開発センター ··· 321 高分子・ハイブリッド材料研究センター ··· 327 窒化物ナノ・エレクトロニクス材料研究センター ··· 334 その他（旧分野・技術室） ··· 339

業績目録著者索引

··· 340

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1) Imoto, S.; Hori, T.; Hagihara, S.; Taniguchi, Y.; Sasaki, S.; Nagatsugi, F. Bioorg. & Med. Chem. Lett., 20, 6121-6124 (2010) 5'-d(CCGCGT-X-TCGCCG)-3' 3'-d(GGCGCA-Y-AGCGGC)-FAM-5' 3'-r(GGCGCA-Y-AGCGGC)-FAM-5' 5'-d(CCGCGT-X-TCGCCG)-3' 3'-d(GGCGCA-Y-AGCGGC)-FAM-5' 50 mM MES 100 mM NaCl 37 ºC, 24 h O H O N N O NH2 X = O H O N N O NH2 X = DNA target A G _CT _AG _C T Y SS adduct pH=5.0 pH=7.0 RNA target A G _CU _AG _{C U} pH=5.0 pH=7.0 ᅗ㸰 9$23ㄏᑟయࡢࢡࣟࢫࣜࣥࢡ཯ᛂᛶࡢホ౯ 5'-d(CCGCGT-X-TCGCCG)-3' 3'-d(GGCGCA-Y-AGCGGC)-FAM-5' 3'-r(GGCGCA-Y-AGCGGC)-FAM-5' 5'-d(CCGCGT-X-TCGCCG)-3' 3'-d(GGCGCA-Y-AGCGGC)-FAM-5' 50 mM MES 100 mM NaCl 37 ºC, 24 h N N N NH2 N O O O COOMe ᅗ㸲 9$3ㄏᑟయࡢࢡࣟࢫࣜࣥࢡ཯ᛂᛶࡢホ౯ N N N NH2 N O O O COOMe X: X: DNA target A G C T A G C T Y SS adduct pH=5.0 pH=7.0 RNA target SS pH=5.0 pH=7.0 adduct A G C T A G C T N N N N N N O O N O DNA DNA H H H MeOOC ᅗ㸱 ཯ᛂᛶྥୖࢆ┠ᣦࡋࡓ $93ㄏᑟయࡢタィ

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(31)

【研究活動報告】

強相関固体物性研究分野

(2010.1∼2010.12) 教授:有馬孝尚

助教:佐賀山基、阿部伸行博士課程:新居陽一

修士課程:志波恵、八木隆道、大泉広野、久保響太、Nguyen Duy Khanh 学部生:山崎智裕、大川竜徳当研究分野では、強相関電子系における新奇の物性の開拓に関連する研究活動を行っている。なお、新しい助教として、4月1日付けで阿部伸行氏が着任した。2010年の研究活動のうち、主な項目を以下に記す。１．磁気強誘電体MnWO4における相分離状態の可視化 13.2K (AF3) 5.8K (AF1) A D 15.4K (PM) 7.5K (AF1+AF2) B E 8.5K (AF2) 500µm C a u c v 図1 MnWO4の逐次磁気相転移の光学的観察。 MnWO4は、我々が2006年に発見したらせん磁性強誘電体である。冷却に伴い、Kで一度強誘電状態に突入し、さらに低温では磁気秩序が格子整合かつ共線形なパターンに変化し、その結果、常誘電状態に戻ることがわかっている。 2010年は、強誘電の起源がMnのスピンの整列にあるため、強誘電相と常誘電相を光学的に見分けられる可能性を模索した。低温での吸収分光より、Mn のd電子に関連する光学遷移が2.1eV付近に存在することを明らかにするとともに、その吸収ピークの形状が磁気秩序に伴って変化することを見出した。この現象を利用すると、光の透過像によって逐次相転移の観察が可能になる。図は、2.065eVの透過像の温度変化を示したものであり、常磁性相、らせん磁性強誘電相(AF2)、反強磁性常誘電相(AF1)で明るさが異なることが分かる。特に、7.5Kでは、強誘電相と常誘電相の共存状態となっていることが、画像からわかる。これによって各相のドメインの大きさや形が明らかになった。２．円偏光X線を用いたらせん磁性の検出 Left-handed Right-handed Pb> 0 Pb< 0 図2 MnWO4の強誘電相(8.5K)における円偏光X線の非共鳴磁気回折のプロファイル。近年、らせん磁性を持つ種々の物質において強誘電性が発見されている。強誘電性を誘発するらせん磁性の検出には、これまで主に中性子散乱が用いられてきた。特に、らせん磁性のスピン回転面と中性子の散乱ベクトルが垂直に近い場合は、中性子のスピン状態によって磁気反射の強度が大きく変化する。中性子のスピンが中性紙の散乱ベクトルと平行な場合と反平行な場合の散乱強度の比（フリッピング比）がらせんの巻き方で反転するため、スピン偏極中性子を用いた磁性強誘電体の磁気状態の研究が盛んにおこなわれている。この方法は、らせんの巻き方がそろった単領域状態では威力を発揮するが、巻き方が反対の部分が入り混じった多領域状態には向いていない。一方、理論的には、円偏光の X線はスピン偏極した中性子と同じような性質を有することが予測されていた。X線の焦点サイズは中性子よりもかなり小さいため、多領域状態においても、各々の部分のらせんの巻き方を判別できるといった可能性を秘めている。 2010年は、円偏光X線回折実験により、代表的ならせん磁性強誘電体であるMnWO4やDyMnO3のスピン配列を調べた。すると、図2に示すように左右円偏光で、磁気回折の強度が大きく異なることが分かった。また、

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電気分極を反転させると、円偏光回折の強度比が逆転した。このことから、これらの物質がらせん磁性であること、さらに、その巻き方が電気分極の向きと関係していることなどが明らかになった。

なお、本研究は理化学研究所および東京大学との共同研究であり、実験にはSPring-8のBL19LXU, BL46XU を用いた。３．Tb1_−xDyxMnO3の斜め磁場下での電気分極回転方向と巨大磁気誘電効果 TbMnO3とDyMnO3は、ともに低温でらせん磁性強誘電相となり、ゼロ磁場下ではc軸方向に電気分極が発生する。このc軸方向の電気分極は、b軸から少しaおよびc方向にずれた磁場のもとで、a軸方向に90度回転を起こす。このような斜め磁場のもとでは、電気分極の回転の向きを制御できることが2009年に分かっていた。今年度、この現象をさらに詳細に研究したところ、電気分極が+90度回転するのか−90度回転するのかということと、電気分極回転に伴う誘電率の増大の程度が強く相関していることが分かった。RMnO3では、らせん磁性の巻き方に関するドメインと強誘電分極の向きに関するドメインが完全に一対一に対応していると考えられる。このドメインを隔てる複合ドメイン壁の厚みが、TbMnO3では薄く、DyMnO3では厚いと考えると今回の観測結果が説明できる。また、中間組成では、磁場をかけるとTbMnO3型からDyMnO3型へと変遷する様子も見られた。磁場印加によってドメイン壁が厚くなることが予想されるため、この実験と整合性があるとしてよい。なお、本研究は金属材料研究所との共同研究として行われ、実験には強磁場超伝導材料研究センターおよび高エネルギー加速器研究機構のフォトンファクトリーを利用した。４．スピネル型フェリ磁性体(Fe,Mn)Cr2O4における磁性と歪みの結合 Fe_1-xMn_xCr₂O₄ T e m p e ra tu re [K ] Mn Concentration x 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 20 40 60 80 100 120 140 Ts1 Ts2 TN1 T_N2 Cubic PM Tetra. (a>c) PM Ortho. FM Tetra. (c>a) FM Conical 図3 スピネル型酸化物Fe1−xMnxCr2O4の電子相図。PM:常磁性相。FM:強磁性相。正方晶相(Tetra.)と斜方晶相(Ortho.)は、Fe2+ の軌道整列を伴っている。3d軌道の絵についている矢印はスピンの方向を表す。 (Fe,Mn)Cr2O4は、スピネル構造の磁性酸化物であり、Fe やMnが2価の陽イオンとなり四面体サイトを占有している。一方、Crは3価の陽イオンとなり、八面体サイトを占有している。Fe2+イオンは3d電子を6個有し、高スピン状態であるため、1つのminority spinが二重縮退のe軌道のどういう状態をとるかという自由度が残っている。それに対してMn2+_イオンは_3d_電子が₅_{個であり、すべての}_d_軌道が片方のスピンだけで占められている。よって、軌道の自由度はない。FeCr2O4の場合、軌道自由度は格子系と結合して、いわゆる共同ヤーンテラー変態を起こす。また、FeとCrの磁気モーメントの間には反強磁性的な超交換相互作用が働いており、その結果、低温でフェリ磁性を示す。 2009年、我々は、歪みと磁性との間の強い結合を発現させるために、Feの一部をMnで置換して、ヤーンテラー変態の温度とフェリ磁性の転移温度を近づけた。その結果、図3に示すような相図が得られた。どの組成においてもフェリ磁性転移温度の近傍で構造相転移が見られており、格子ひずみと磁性の強い結合が期待できる。なお、本研究には高エネルギー加速器研究機構の放射光施設フォトンファクトリーのBL-4C, 1Aを利用した。

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研究業績・活動報告2010

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