Application of non-contact heat transport measurement by thermoreflectance method to condensed matter research

热反射法非接触式热传输测量在凝聚态物质研究中的应用

基本信息

批准号：
21K18603
负责人：
高橋英幸
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Kobe University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、熱工学分野で近年確立しつつあるサーモリフレクタンス（TR）法を、低温・強磁場における熱伝導率・熱磁気効果の測定に応用することを目指す。非接触で微小試料に対応できるという強みを、量子スピン鎖や量子液晶状態などにおける異方的準粒子ダイナミクスの研究に活かす。TR法では測定試料表面に金薄膜を蒸着し、表面温度を反射率情報に変換するトランスデューサーとして用いる。まず、金が良く吸収する波長帯のレーザー（pumpレーザー）を強度変調して照射する。これにより表面には温度の異なる領域が同心円状に広がる、温度波が生じる。この温度波の位相遅れの周波数依存性から物質の熱伝導率の情報を抽出する。本課題では、極低温での測定を念頭に置き、初年度のうちにポンプ光波長488nm、プローブ光532nmのレーザーを用いたファイバー‐自由空間のハイブリッドの周波数領域サーモリフレクタンス光学系を設計した。ガラスや金などの標準試料により、200mW出力のファイバー光学系でも十分な信号強度を得られることを室温環境の予備測定で確認した。最終年度は、シリンドリカルレンズにより楕円ビームスポットの整形・回転機構を取り入れた。ビームスポットの楕円率を変化させながら反射率変化を測定することで、熱伝導の異方性を得ることを試みたが、難航し、現在のところ、本格的な測定には移行できていない。制御パラメータが多いため、測定データを再現する値が一意に決まらないという問題がある。データ解析のために数値計算が重要になるので、光による周期加熱に対する実空間、周波数空間の応答を計算するプログラムを作成した。これを用いて熱伝導率を決定する効率的なデータ取得法を開発できないか探っている。この計算は周期加熱を利用して磁気共鳴信号を得る別課題にも活かされている。

在本研究中，我们的目标是将热工程领域最近建立的热反射（TR）方法应用于低温和强磁场下的热导率和热磁效应的测量。能够以非接触方式处理小样品的优势将被用于量子自旋链和量子液晶态中各向异性准粒子动力学的研究。 TR方法中，在测量样品的表面沉积一层薄金膜，并用作传感器，将表面温度转换为反射率信息。首先，调制并照射金吸收良好的波长范围内的激光（泵浦激光）。这会在表面产生温度波，不同温度的区域集中分布。有关材料热导率的信息是从该温度波的相位延迟的频率依赖性中提取的。在这个项目中，我们在第一年内设计了一个无光纤空间混合频域热反射光学系统，使用泵浦光波长为488 nm和探测光波长为532 nm的激光器，并考虑到在极低温度下进行测量。室温下的初步测量证实，输出为 200 mW 的光纤系统可以使用玻璃和金等标准样品获得足够的信号强度。在最后一年，我们引入了一种使用柱面透镜塑造和旋转椭圆形束斑的机制。人们曾尝试通过改变束斑椭圆率的同时测量反射率的变化来获得热传导的各向异性，但实现起来很困难，迄今为止还无法进行全尺寸测量。由于控制参数较多，因此存在无法唯一确定再现测量数据的值的问题。由于数值计算对于数据分析很重要，因此我们创建了一个程序来计算真实空间和频率空间中对光周期性加热的响应。我们正在探索是否可以利用它来开发一种有效的数据采集方法来确定热导率。该计算也被用在另一个项目中，以利用周期性加热来获取磁共振信号。