Muonium atom in the Bloch state

Abstract

A spin relaxation rate may strongly reflect the shape of the Muonium (Mu) density of states. In particular, a strong modulation of relaxation rate would be expected when the Zeeman frequency coincides with van Hove singularities. In order to examine the prediction, the muon spin relaxation rate of the muonium atom in KCl was measured at the RIKEN-RAL (The Institute of Physical and Chemical Research-Rutherford Appleton Laboratory) Muon Facility. A mixture of ground single crystal KCl and silver powder was molded into a sample holder with a small amount of grease to secure good thermal contact with the coldest part of the He-3-He-4 dilution refrigerator. From the results, a clear difference between the data at 3.9 K and lower than 10 mK can be noticed. In particular, there is a broad peak in the relaxation rate in the data below 10 mK, but it is absent in 3.9 K. The spectral density in 3.9 K is reproduced by assuming a Lorentzian distribution plus a constant background relaxation (2.5 x 10(sub -5)/s). The same model, however, completely fails to fit the data of those below 10 mK because of the peak around 0.15 T. A fitting analysis with a Gaussian peak yields a fitted central position at 0.16(1) T, thus it provides a strong evidence that the peak originates from the energy band structure of the muonium atom in KCl. In other words, this peak structure in the spectral density below 10 mK is a clear signature that the muonium is in the Bloch state.

スピン緩和速度はミューオニウム(Mu)の状態密度の形状を強く反映する。特に、ゼーマン周波数がファンホーベ特異点と一致するときに緩和速度が強く変調すると思われる。この予測を調べるために、RIKEN-RAL(理研ラザフォード・アップルトン研究所)ミューオン施設でKCl中のミューオニウム原子のミューオンスピン緩和速度を測定した。He-3-He-4希釈冷凍機の最低冷部との熱接触をよくするため、粉砕単結晶KClと銀粉末の混合物を練って少量のグリースを含む試料容器を作製した。その結果から、3.9KとT<10mKのデータの間には明らかな相違があることがわかる。特に、緩和速度はT<10mKでは幅広いピークがあるが、3.9Kにはない。3.9Kのスペクトル密度はローレンツ分布と一定バックグラウンド緩和(2.5×10(exp -5)/s)を仮定して再生されるが、同じ模型をT<10mKのデータにあてはめると、0.15T付近にピークがあるために完全に失敗する。ガウスピークによるあてはめ解析は0.16(1)Tでのあてはめ中心位置を与える。このことは、ピークがKCl中のミューオニウム原子のエネルギーバンド構造から生じるという強い証拠になる。言い換えると、10mK以下でのスペクトル密度のピーク構造はミューオニウムがブロッホ状態である明確な証拠である。