物質・生命科学実験施設

ミュオン科学mSR

ミュオンスピン回転／緩和／共鳴（μSR）とはスピン偏極したミュオンを物質中に注入し、ミュオンスピンの感じる内部磁場の大きさや揺らぎを実時間で捕らえることにより物質の様々な性質を明らかにする手法であり、核磁気共鳴（NMR）、電子スピン共鳴（ESR）と並ぶ有力な物性研究手段です。

ミュオン施設ではμSRが非常に敏感な磁気プローブであることを利用して、物質の磁気的性質、第二種超伝導体の磁束状態等の研究を展開しています。磁気プローブとしてのμSRの特徴は、あらゆる試料に直接ミュオンをイオン注入して観測することが可能なこと、１ナノ秒から数十ミリ秒といった丁度中性子散乱とNMRの間に位置する時間領域のスピン揺らぎに敏感であること、更に0.01μBといった小さな磁気モーメントを容易に検出できることなどがあげられます。また、中性子と相補的に、空間的に乱れた磁気的状態の研究に対してもっとも威力を発揮します。これらの性質の応用として、例えば第二種超伝導体の磁束状態では磁束のまわりの磁場分布を直接詳細に観察でき、そこから超伝導の性質に関る様々な物理量を引きだすことができます。

一方、ミュオン自身が陽子あるいは水素原子の軽い同位体であることに注目し、不純物としての水素同位体が重要な役割を担っている系においてミュオンあるいはミュオニウム（水素原子の陽子をミュオンで置き換えた原子）の電子構造や動的性質（拡散等）を明らかにする研究を行うことができます。不純物としての水素同位体は固体結晶中で点欠陥を形成しますが、質量が軽いために動きやすく、その動的性質（拡散等）は大変面白い研究対象です。特にミュオンは陽子の更に９分の１という軽い質量を持つため、量子力学的効果が大きく効いてくることが予想されます。そこでミュオンを様々な結晶固体中に注入し、μSRの手法を用いて量子拡散（トンネル効果に支配される拡散）、半導体中のミュオン／ミュオニウム（水素原子の陽子をミュオンで置き換えた原子）の準安定性等に代表される「欠陥中心のダイナミクス」を調べることが可能になります。