■ 固体中の素励起の研究に適した波長・エネルギー

  中性子は波であると同時に電子の約1800倍の質量を持つ粒子です．この質量のおかげで、中性子は固体中のPhononやMagnonを測定するのに”ちょうどいい”性質を持つことになります．

  よく知られているように、固体中の原子やスピンの周期構造を観測するためには「回折」現象を使います．原子やスピンが並んだ周期「d」に対して、波長λを持つ波(X線や中性子)を入射すると、Braggの法則 (2dsinθ=nλ)に従って特定の散乱角θで反射が得られます．sinθは〜1のオーダの数ですから、観測したい周期dと比較的近い長さの波長λを選ぶのが都合が良いです．

  PhononやMagnonなどの励起を観測する場合も、これらの励起が持つ空間的な変調周期に適切に合わせた波長の波を入射します．さらにPhononやMagnonのエネルギーを知るためには、この「入射した波」のエネルギーが素励起と相互作用したことによりどれだけ増減したかを調べる必要があります．これを精度よく測定するには、これらの素励起と同程度のエネルギーの波を入射するのが都合が良いです．（例えば1 meVのエネルギーを持つMagnonを測定する際に「1 eVの入射波のエネルギーが1 meV(0.1%)減った」ことを測定するより「10 meVの入射波のエネルギーが1 meV(10%)減った」ことを測定する方がカンタン、という感じでイメージできるでしょうか．）

  これらをふまえて、下の図を見てください．これは中性子、X線、電子線のエネルギーと波長の関係を表したグラフです．我々が研究対象とする固体中の原子や磁気モーメントが並んでいる周期はおよそ1〜100オングストロームくらいです．またそれらが生み出すPhononやMagnonのエネルギーは1〜100ミリエレクトロンボルトくらいです．中性子は（なんと都合が良いことに、電子よりも3桁程度大きな質量を持つおかげで！）我々が興味ある素励起の領域に合った「波長」vs「エネルギー」の関係（分散関係）を持っており、これらの測定に非常に適しています．この偶然（？）を活用しない手はありません．我々は中性子を使って特に磁性体の磁気励起を研究しています．

■ 大型施設での中性子散乱研究

  中性子は今の所大学の実験室で利用することはできません．利用するには、加速器や研究用原子炉といった大型の共同利用施設に行って実験を行う必要があります．我々のグループでは、茨城県東海村の日本原子力研究開発機構内にある研究用原子炉JRR-3や、大強度陽子加速器施設J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)に設置された中性子散乱装置群を用いて実験を行なっています．特にJRR-3においては中島研は「偏極中性子三軸分光器(POlarized Neutron Triple-Axis spectrometer: PONTA)」を管理・運営しています。またMLFにおいては「BL12 (High-Resolution Chopper spectrometer : HRC)」の装置グループの一員となっています。中島研のメンバーはこれらの装置を使った中性子散乱研究を精力的に展開しています。このような大型装置を操って研究をしてみたいという人はぜひ大学院で中島研究室を希望してください。また現在他の研究室に所属する大学生・大学院生・研究者の皆様との共同研究も大歓迎です。興味のある方はぜひご連絡ください。

 また、中性子の分野では海外とのコラボレーションも重要です。時には海外の実験施設へ実験しにいくこともあります（これまでもアメリカ、イギリス、ドイツ、フランス、オーストラリアの施設で実験を行ってきました）．

  実験室での測定と異なり、大型施設では実験の時間が限られていたり、普段と異なる環境で戸惑う部分もあるかもしれませんが、基礎をしっかり身につけていけばどの施設の装置でもきっと使いこなすことができるようになります．事前にしっかり計画を練った上で実験に臨み、大型施設での実験を一緒に楽しみましょう．

Non-collinear/Non-coplanar magnetic orders