プレスリリース・研究成果

図1 (a) 室温でのb-Ga₂O₃のmSR実験結果。ミュオンのスピンはミュオンを試料に注入した直後（時刻ゼロ）では100%揃っている(偏極度＝1.0)が、ミュオンの近くにあるGa原子核の磁気モーメントが作る微小磁場の影響を受けて時間の経過とともに偏極を徐々に失う。これを緩和と呼び、その速さ（緩和率）から格子中でのミュオンの静止位置を調べることができる。J-PARCでは、大強度ミュオンビームで可能になった高統計・低バックグラウンドのデータ収集により、最大約25マイクロ秒までの偏極度の時間変化が観測できるようになった。その結果、図(a)に見られるように偏極が緩和を示す成分（Mu₁）、および全く緩和を示さない成分（Mu₂）が同時に存在することが明らかになった。特に、Mu₂成分は従来バックグラウンドと区別がつかなかったが、本実験では15マイクロ秒以降でMu₁に由来する偏極の部分的な回復を明確に観測することで、残りの偏極成分が試料中のミュオンに由来することを同定できた。そこで、まず緩和を示す成分（Mu₁）について、外部磁場がゼロの状態 (図中ZF)と、スピン偏極の方向に磁場を加えた状態 (同LF) での測定データから緩和率を精密に決定した。これを第一原理計算によって評価されたいくつかの静止位置候補での緩和率の予測値と比較を行った結果、(b)に示す構造と良い一致を示すことが明らかになった。この成分がドナーに対応するミュオンの状態である。一方で、Mu₂に対応する偏極成分は、静止状態で期待されるGa核磁気モーメントによる緩和を示さないことから、Mu₂は高速拡散によって緩和が抑制された状態（運動による先鋭化）にあることも明らかになった。

また、図1に示した室温の純良単結晶試料では、およそ6割のミュオンがMu₂状態を取っているが、粉末試料でのMu₂成分はおよそ1割程度であることも明らかになり、2つの電子状態をとる割合が試料の質や製法に大きく依存することが明らかになった。