100 Tを超える超高磁場における物質の誘電率測定技術の開発

材料科学 凝縮系物理学 物理学
超高磁場 誘電率 高周波変調 単巻きコイル 強誘電体材料

学術的背景

極限条件下での材料の物理的特性を研究することは、凝縮系物理学の重要な方向性の一つです。超強磁場（100テスラを超える）は、材料中の電子の振る舞いを著しく変化させることができ、例えばゼーマン効果（Zeeman effect）やサイクロトロン運動（cyclotron motion）を通じて材料の電子構造や結晶構造に影響を与えます。しかし、超強磁場の発生と測定技術は大きな技術的課題に直面しており、特に誘電率（dielectric constant, ε）の測定は困難です。誘電率は材料が外部電場に応答する能力を示す重要なパラメータであり、材料内部の電荷分布と分極特性を明らかにすることができます。強誘電体材料では、誘電率の変化は通常、結晶構造の不安定性と関連しており、特に強誘電相転移（ferroelectric phase transition）付近で顕著です。

しかし、超強磁場下での誘電率測定技術はまだ成熟していません。超強磁場の持続時間が極めて短い（通常数マイクロ秒）ため、従来の測定方法は適用できません。そのため、超強磁場下で正確に誘電率を測定する技術の開発がこの分野の核心的な課題となっています。本研究はこの技術的空白を埋めることを目指し、高周波（radio frequency, RF）変調技術を用いて、100テスラを超える超強磁場下での誘電率測定に成功しました。

論文の出典

本論文は、東京大学物性研究所（Institute for Solid State Physics, University of Tokyo）のPolin Chiu、Yuto Ishii、およびYasuhiro H. Matsudaによって共同で執筆されました。論文は2025年4月16日に『Journal of Applied Physics』に掲載され、タイトルは「Development of Techniques for the Dielectric Constant Measurement in Matter in Ultrahigh Magnetic Fields Exceeding 100 T」で、DOIは10.1063⁄5.0246641です。

研究の流れ

1. 技術開発

本研究では、まず高周波変調技術に基づく誘電率測定技術を開発しました。超強磁場は、単巻きコイル（single-turn coil, STC）技術を用いて生成され、高電圧コンデンサバンクからの放電によって瞬時の磁場を発生させます。磁場の持続時間が極めて短い（約7マイクロ秒）ため、従来の低周波測定方法は適用できません。そのため、研究チームは高周波（30-50 MHz）のRF変調システムを設計し、磁場パルス期間中に迅速な測定を行うことを可能にしました。

測定システムは、RF信号発生器（SG382）、誘電率測定プローブ、およびオシロスコープ（HDO6054）で構成されています。電磁ノイズや機械的干渉を軽減するために、フィルター、インピーダンス整合、および機械的絶縁設計が採用されました。さらに、熱効果を避けるために、RF信号の入力はパルス制御され、パルス幅は20マイクロ秒に設定され、磁場パルスの持続時間をカバーしています。

2. サンプルと実験設定

研究チームは、典型的な強誘電体材料であるチタン酸バリウム（BaTiO3, BTO）を実験サンプルとして選択しました。BTOは393 K付近で常誘電相（paraelectric phase）から強誘電相（ferroelectric phase）への相転移を経験し、相転移温度付近で誘電率が著しく増加します。実験サンプルは1.5 × 1.5 × 1 mm³の単結晶BTOで、両端に50ナノメートルの厚さの金電極がスパッタリングされ、金線を介して測定プローブに接続されています。

3. 超強磁場実験

実験は東京大学の超強磁場研究所で行われ、磁場強度は最大120テスラに達しました。研究チームは、異なる温度と磁場下でのBTOの誘電率変化を測定し、特に磁場方向と強誘電分極方向の関係に焦点を当てました。実験結果は、磁場方向が分極方向と平行である場合、磁場が100テスラを超えると誘電率が著しく減少することを示しました。一方、磁場方向が分極方向と垂直である場合、誘電率はほとんど変化しませんでした。

主な結果

  1. 誘電率測定技術の検証：研究チームはまず、ゼロ磁場下で測定技術の有効性を検証しました。異なるコンデンサのRFスペクトルを測定し、共振周波数が静電容量値に大きく依存することを確認し、この技術の高い感度を証明しました。

  2. 温度依存性の測定：ゼロ磁場下で、研究チームはBTOの相転移温度付近での誘電率変化を測定し、結果は既存の文献と一致し、測定システムの正確性を確認しました。

  3. 超強磁場下での誘電率変化：磁場実験では、磁場方向が分極方向と平行である場合、磁場が100テスラを超えると誘電率が著しく減少することが観察されました。この現象は、超強磁場がチタン（Ti）と酸素（O）イオンの波動関数混合（wave function mixing）に影響を与え、強誘電相を安定化させ、相転移温度（Tc）をわずかに上昇させたことを示唆しています。

結論と意義

本研究は、超強磁場下で誘電率を測定する技術の開発に成功し、100テスラを超える磁場下でBTOの誘電率が著しく変化することを初めて観察しました。この発見は、超強磁場下での強誘電体材料の物理的特性を理解するための新しい実験的根拠を提供するだけでなく、磁場が共有結合（covalency）に及ぼす非摂動的効果を探求する新しい研究方向を開拓しました。

研究のハイライト

  1. 技術革新：本研究で開発された高周波RF変調技術は、超強磁場下での誘電率測定技術の空白を埋め、極限条件下での材料研究に新しい実験手段を提供しました。
  2. 重要な発見：超強磁場下でBTOの誘電率が著しく変化することを初めて観察し、磁場が強誘電相転移に及ぼす影響を明らかにしました。
  3. 科学的価値：研究結果は、超強磁場下での材料の電子構造と結晶構造を理解するための新しい実験的根拠を提供し、極限条件下での凝縮系物理学の発展を推進しました。

その他の価値ある情報

本研究の実験データと分析方法は補足資料で公開されており、興味のある読者は著者に連絡することで詳細なデータを入手できます。さらに、研究チームは他の強誘電体材料の超強磁場下での振る舞いをさらに探求し、本技術の普遍性を検証し、その応用範囲を拡大することを計画しています。

本研究を通じて、超強磁場下での材料の振る舞いに対する理解が深まり、今後の極限条件実験研究に重要な技術的支援と理論的指針を提供することができました。