物構研

News

6

No.

2013 Summer

Contents
巻頭対談..2

元素戦略 × 量子ビーム

物質科学の新しい形
施設情報
フォトンファクトリー
ビームライン建設..9

研究トピックス..10

電子のガラス状態を発見
電子のスピンと軌道の絡み合った共鳴状態の解明
強相関絶縁体における歪み誘起磁化の起源を解明
グラフェンと磁性金属の界面で起こる特異な電子スピン配列
セラミックコンデンサ中の水素不純物による絶縁劣化のしくみ
お知らせ
KEK 一般公開

..12

KEK

元素戦略×量子ビーム

物質科学の
新しい形

細野 秀雄 教授

東京工業大学 応用セラミックス研究所 /元素戦略研究センター
材料科学者。鉄系超電導や透明な金属、金属状態を示すセ
メント、など物質の新たな性質を引き出す材料研究を行っている。近年では、アンモニア合成の触媒、石灰とアルミナの化合物 12CaO・7Al2O3 に電子を取り込んだ「C12A7
エレクトライド」を開発、大きな話題を呼んだ。

村上 洋一 教授
KEK 物構研副所長 /構造物性研究センター センター長

資源問題解決の決定打となる希少資源・不足資源代替材料革新技術の研究開発として始まった「元素戦略プロジェクト」は、平成 24 年度から < 研究拠点形成型 > として理論・材料創製・解析評価が三位一体となって進められている。この研究代表者である細野教授に、物質科学研究について伺った。
山田：僕はね、この本（「透明金属がセラミックスというのをちょうど作っなことは（笑）。

拓く驚異の世界」細野秀雄・神谷利夫た年だったんですよ。会社の人が 10

山田：中途半端に知識があると、絶対著、サイエンス・アイ新書）がきっか人ぐらい、わーっと廊下へ並ぶんです。

そんなことできると思わないようなこ

KEK 物構研所長
んな目からウロコなんでね、なんでそ

きれいにしていくと、最後に何が残るの位置に入れてみようかという話にういう発想が出てくるのかっていうとかって言うと、水素なんですよ。光ファなった。酸素はマイナスですから、水ころに、非常に興味があるんですけれ

イバーの歴史って、実は最後は水をど

素はこの位置にマイナスで入らないとども。

うやって抜くかという歴史だったんでいけない。ホントにこれできるのか

一番面白い元素は、たぶん水素なんです

すよ。今はどのぐらい抜いているかっ

なぁと思ってやってみると、ちょっとていうと、1ppb ですよ。10 億分の１

高圧にすると 100% できるんです。そですね。でもね、こういう（窓を指す）

うすると、今まで見えていたものが全よ。水素って、周期律表で一番左に書

そこらへんにあるガラスっていうの

く変わっちゃうんですよ。水素が、一番…七変化なんです。分野によって、

細野：

けで、細野先生を知り始めたんです。

あぁ、「材料」っていうのはこういうとをやられるから、この人はすごいな

いてあるんですよ。でも、あれ嘘です

は、実は、100ppm ぐらい入ってるん

むちゃくちゃ面白いなと思って。で、世界なんだ、って。それから、材料はと、僕は思いましたね。

よね。本当は真ん中に書くんですよ、ですよ。

全然水素の扱いが違うんですよね。僕この透明金属っていうのに、僕はすご

絶対新しいものを作らなければダメだ

細野：意外に、「もの」って、わかっあれ。

山田：水素が？

はね、偶然どの分野もあまり気にしな

く興味があったんですよ。

な、と言うのは、そのときもう（笑）
、てないんですよ。僕も最近それをつく

山田：これも初めて聞くことですね

細野：うん。大部分は OH としてね。

いで見てたもんだから、それで、水素つくづく思いました。

づく思うんですけどね。机に座ってい（笑）
。

普通の高純度だって言われているものの面白さにたぶん気づいたんです。少山田：細野先生が、普通の物質合成をて、ものを読んでいるとね、なんとな

細野：水素は、H マイナスはヒドリドでも、真空中で作るときれいになるっ

し広く物質を見といた方がたぶんいろ

山田：細野先生は、物質合成というのやっている人とは違うという印象を受

くもうやることないような気になるん

イオンって言って、有機化学ではそうて言うでしょ？あれ、嘘なんですよ。

んな面白いことがあるんだよね。

は最初からやっておられたんですか？

けたのは、出てくるものが、もう、むですよ（笑）。で、少し動いてみると、いう言葉が定着している。金属だと水酸化物はものすごい水素入るんです。

山田：そこなんですよね。細野先生は、

細野：僕は大学院時代のテーマは、ガ

ちゃくちゃ新しい。コンセプトが新しあれ？こんなところ全然わかってない

素は（電荷）ゼロなんですよ。それで、それをずーっと黙ってるんですよ、実

非常に斬新なアイディアを出されるのラ ス の 電 子 ス ピ ン 共 鳴 な ん で す よ。

いんですよ。透明金属もね、金属ってなってのが、わかるんですよ。いろん

普通のところに行くと水素はプラスに

は（笑）
。ところが、鉄系超伝導の時、は、スタンディングポイントを、ちゃ

ずっと「解析」なんです。だから、解いうのは今までの常識では透明だと思な可能性が残っているっていうか、かなっちゃうんです（笑）。水素はプラ

我々は、酸素の位置をフッ素で変えて、んと変えられるっていうところですよ電子をドープして超伝導体を作ったんね。

細 野： こ の 中 で 実 用 に な っ た の がIGZO

2

山田 和芳 教授※1

なんですよ。

析と合成って言うのが、（意識せずに）われてないんです。今度の鉄系超伝導なり未開な部分が多いんだと思います

ス１、ゼロ、マイナス、全部取れるん

自然に移って来ちゃったんですけども…、鉄って、やっぱり磁石なんですね。

ですよ。それは、うまく工夫すると水ですよ。でも、フッ素を入れていくと、ね。就職したときに、阿部先生（阿部よ、僕らには（笑）。あんなの、絶対

山田：それから、我々が見逃している、素だけで相当面白いことが、たぶんで希土類とフッ素と酸素の化合物ができ

良弘 名古屋工業大学 名誉教授）って超伝導は出て来ないって。僕らは毒さ水素。水素ってめちゃくちゃ奇妙なんきるんですね。もうひとつは、実は水ちゃって、あるところ以上入らない。

いう先生の助手になったんですけれどれているんですよ、頭が。

だってことをね、こう…、ばしっと言素が隠れている不純物っていうのが、これは望みないな…と思ってたんですも、その先生が、竹みたいに曲がる、

細野：僕は知らなかったからね、そん

われるわけ。おっしゃられることがみ

むちゃくちゃ多いんです。酸化物って、けれども、その時に、じゃ水素を酸素

http://imss.kek.jp/※1

IGZO（イグゾー）

細野氏が開発した透明アモルファス酸化物半導体 の 一 つ で、 イ ン ジ ウ ム (Indium)、 ガ リ ウ ム(Gallium)、亜鉛 (Zinc)、酸素 (Oxide) から構成される。高解像・省エネルギーの液晶ディスプレイ
に利用されている。

物構研 News 2013 Summer3細野：僕は、学生の頃は有機化学をや

細野：だからそういうことでね。たぶりたかったんですよ。だから、有機のん、エレクトライドっていうコンセプ

反応のエッセンスっていうのは、普通

トは、非常にユニバーサルなんですよ。

の有機化学のドクターぐらいのセンス

山田：…こういう話って、でも、対談は、たぶんあるはずですよ。ただ、有にならないんじゃないですか？

機合成の実験は全然できないですけ

細野：いや、すみません（笑）。でも、ど。金属もね、実は知らなかったんで

C12A7 エレクトライド単結晶の色の変化

すよ、僕は。鉄系超伝導が見つかった
後、結果的にこれは金属間化合物なんですよね。金属間化合物っていう領域
があるっていうことに初めて気がついて。ものすごいびっくりしましたよ、
こんな未開な領域があるんだっていうのを。普通、酸化物なんて、バンド構
造なんてちょっといじってればマンガにすぐ描けるんですよ。ところが金属間化合物になると、電子状態のバンド

リチウムとか、さきほどのカーボンと

左図：室温・空気中で安定な C12A7 エレク
トライドの構造の模式図
C12A7 エレクトライドの結晶構造は、直径が約 0.4nm の籠状をしている。黄色の部分が繰り返しの最小単位である単位胞で、一辺の長さは 1.2nm

か…そういうもので、新しいものがで

上図：C12A7 エレクトライドの単結晶。無色透明なガラスのような外観で、電気を全く流さない絶縁体だが、籠の中に電子を入れると、緑色を帯びてきて、最終的には濃緑色（試料が厚いと外観は黒色）になり、良く電気を流す状態（100 S・cm-1）に変わる。つまり、電気をよく通すセメントができたことになる。

ントリウム※ 2 とか、あのへんで新しいきるっていうところが面白いところで、「材料」って、たぶん言えるんですよ。周期律表の下の方の…、ウンウ

味がないですよ（笑）。ちょっと脱線
しちゃうけど、わかりやすいことばかりにサイエンティストが迎合しちゃっ

出典：科学技術振興事業団報 第 340 号

描けないんですよ。超伝導を始めて、特殊な構造の中の酸素を全部電子にのは良くないですよね。本来はサイエ

金属間化合物をいじらざるを得なく置き換えると、実は金属になるんでンスがわかりやすいはずがないんです

なって、それで、ああいう複雑なものす。エレクトライドなんてものは特殊よ。だから、元素戦略って言ったときて、政治家の人を騙して説明しちゃうのバンド構造がどうなっているかってか？」って急に言われて、びっくりしな物質だろうって、みんなに言われてに、希少金属の研究をやっちゃいけな

いうのをやるようになったっていうのたことがあるんですよ。

いたわけ。特殊じゃなくて、実は、アいのかっていうことになると、非常には、大きいですね。僕は、金属は全然

細野：今はね、確かに透明な鉄はでき

ルカリ金属とアルカリ土類金属の高圧まずい。元素戦略の本当の目的って言

食わず嫌いで。金属って向こうが見えないんですけれども、透明なナトリウ

相は、エレクトライドだという報告がないじゃないですか。

ムっていうのはあるんですよ。普通ナ

相次いでいます。高圧にするとどうな

山田：ははは（笑）
。

トリウムって、銀色でしょ？

あれをるかというと、普通の金属より、この細野：不透明なんですよ。不透明だっ

ね、高圧にすると、実は絶縁体になっ距離が短くなるんですよ。ナトリウム

元素の持っているポテンシャルをフルに引き出す って言うこ

ていうか、真っ黒いモノはイヤだったて、透明なんですよ。光が通るんです。

の「2 原子分子」になって隙間が空くんですよ。

これは 4 年ぐらい前の成果。なぜそれんですよ。で、この隙間に電子が入る

一同：（笑）に興味を持っているかっていうと、僕んです。この物質、（電子が）隙間に

細野：ところが、もう最近不透明でもらが作ったエレクトライド（電子化入った状態というのは、実は透明な絶構わなくなってきたので。

物、上図）っていう物質があるんです

縁体なんですよ。最近また、イギリス

山田：学生時代に新日鉄の重役の息子よ。セメントに電気を通したんだけれのグループが、金属のアルミをものすさんの家庭教師をやっていた時があっども、できた物質が実はエレクトライ

ごい高圧にしてシミュレーションするて、晩ご飯一緒に食べたときに、「山

ドって言って、本来は酸素の位置に電と、実はこれも絶縁体になって、エレ田さん、透明な鉄ってできないんです

子があるんですよ。セメントの、あるクトライドになった。で、一番単純にレクトライドである」っていう仮説が成り立つと思うね。なぜかって言うと、金属と金属の内殻同士がぶつかり合うと、外側の電子がはぎ取られるでしょう。そしたらそれは隙間に行かないといけないんですよ。
＊＊＊ 中略 ＊＊＊ここからしばらくエレクトライドのバンド構造の議論、そしてさまざまな物質で見つかっているエレクトライド的な電子構造についての議論が続きました。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

http://imss.kek.jp/

エレクトライドのバンド構造の議論に熱中する村上氏と細野氏ものができても、材料としてあまり意構造がどうなっているか、全く絵にも仮説を設けると、「金属の高圧相はエ4

マニアックとはいいつつもね、例えば

うのは、

そういうものを見逃さないっていうこんですが、その研究を続けてやったらとも重要だと思うんですが、そういうオリジナリティは何か、って聞かれた目の付け所っていうのもあるわけです

ときに、「前にないから」。これが一番よね。

いいんですよ（笑）
。それから、それが細野：あぁ。それはね、不遜な自信なできたときにどういう意味があるのか、んです。絶対に僕は見逃さないって言

かくかくこういう世界が開けるはずだ、う、小さいときからそれはもう絶対的と。で、利口な学生ほどそこに敏感なに自信があって。僕は、ほとんどの人んですよ。だから、大学の先生ってあが見逃してきたものをかなり見つけて来たと思います。
村上：何を心がけていればそういうことができるんですか？
細野：「もの」に対する執着が強いのかとが、たぶん作ったときの狙いなんでもしれないな、新しいことをやるときすよ。その結果として、それが代替にに。それから、五感でものを見る、っ

つながる…と言うところが、アカデミ

ていうのがやっぱり非常に多いんです

アがやる王道だと思いますよ。フルによ。色が変わるとか。形が変わるとか。

引き出すためには、今までと同じやり

良く言うじゃないですか、ロボットに方じゃ引き出せないんで、新しいアプ

研究やらせればいいじゃないかって。

ローチがやっぱり必要なんですよ。各

ロボットは確かに同じことを 100 万回

元素に対して目からウロコの発見が出できるんですよ。で、人間って、一所れば、それは立派な元素戦略なんです

懸命考えて、10 回ぐらいやって、失敗よ。それが、ウランであっても構わなするとね、だいたいもうやらないです。

い。僕らがやった IGZO も、始めからで、次を考えるんですよ。やってくう

ディスプレイに使えると思って研究しちに、なんか次のヒントが選べるんでたんじゃないんですよ。全く違う、本すよ。だから、それを続けていけば、当に興味本位なんです。興味本位ってそんなに失敗なんかないんですよ。やいうか…、あの、シリコンがあまりにる前から、こうやってやったらうまくも威張ってるもんだから、一泡吹かせいかないってやってるとね…、失敗すてやりたいっていう…。

る理由をうまく説明することがうまく一同：（笑）

なるんですよ。

細野：その意識はあったんだけれども、

村上：経験から学ぶけれども、その経使えるなんて言ったことは初期には一

験を全て信じるわけではなくて…。

度もないですよ。ただ、それがうまく

細野：うん、とりあえず踏み出すけれ

繋がったんですよね。でも、多くのもども、やってまたその結果で考えようっのはそうだと思いますよ。

ていうふうに行かないと、始めから最

村上：たまたまうまくできたものを、後まで読み切れないですよ。その代わ普通は見逃すこともありそうですが、り、僕は大学にいるからよく聞かれるる意味詐欺師みたいなもんで、そうやって若いヤツをだまくらかすわけですけ
ど（笑）
。でもね、本当に騙そうと思うと、騙せないんですよ。自分が本気で信じてないと。だから、自分が信じられるようにするためには、ある程度やっ
ぱり、理論武装したり、ロジックを持っていないと無理なんですよね。そうい
うふうに考えると、意外にいろんな新しいネタが転がってますよ。で、ダメだったらそのときに考えるでしょ？そのときに、きちっとした仮説を考えてやれば、その逆の仮説でまた同じことができるでしょ。そうして、やってく
うちになんか出て来ますよ。
村上：やってくうちに、細野先生でも失敗はいっぱいあるわけですよね。失敗を乗り越えて、あるいは今のお話のように逆に考えて、成功に導く…。
細野：失敗って感じじゃないんですけ
どね…。あのね、あぁ勘違いっていうのが、ものすごい多いんですよ（笑）
。
これで必ずできるはずだと思ってやってみると、全くできない、逆の結果が出ることがけっこうあるんですよ。だから始めに大胆な仮説を考えたほうが、頑張れるんですよ。始めにセコい※2ウンウントリウム

原子番号 113 の元素。未認定でウンウントリウム
は仮の名称。

物構研 News 2013 Summer

5

ことを考えると、ダメなんですよ。誰細野：面白かったのは、やっぱり押山

ませんが、たぶん超伝導やっている人

取り込まないと。すぐに役に立つ材

かがカルシウムでやったから、次はスさん（押山 淳 東京大学大学院工学系

は、やっぱり超伝導っていう現象自体料っていうのは会社がやってると思う

トロンチウムでやってやろうとか…、教授）とか岩佐さん（岩佐 義宏 東京

が、やっぱりすごく魅力的なんだと思んですよ。見込みはあるんだけど、10

これ、大体ダメ（笑）
。

大学大学院工学系 教授）とか、エレク

うんですよね。先生の場合は、そうい

年ぐらい研究やらせてくれる材料って村上：こう…、大きいストーリーをごトライドっていうコンセプトをこっちう意味で、どういうところにサイエンいうのは、たぶん一番いい。ただ結自分で考えていくっていうのがお好き側が言ったとたんに、すぐ反応してくスやっている魅力を一番感じられます

なわけですか？

れたんですよ。岩佐さんなんかは本来か？

細野：透明なアモルファスの半導体を

有機の物質（が専門）でしょ？で、押細野：僕はね、今は材料やってるからやったときにね、こっち側（横軸）に山さんは計算でしょ。学会に行くと、ね…「世の中の困難を解決する」。も共有結合性ーイオン結合性、こっち

全然（分野の）違う人と会うじゃない

う必ずこれ。僕は面白いだけじゃやら側（縦軸）に透明ー不透明って考えて、ですか。それから、超伝導って分野、ない。僕はもともとケミストリー（化世の中に役に立
つか、社会的困難を解決しない限り、それ は 材 料 じ ゃ な い。

今までの物質をマップするんですよ。

あれ、何でもかんでもアリじゃないで学）なんだけれども、材料っていう分

そしたら第二象限が全くないんです

すか。あれ、反則以外何でもアリだ

野に就職して入っちゃったから、材

よ、半導体で。要するに、イオン結合

よね（笑）。何でも使えるものは使う料っていうのが自然に自分の「着物」

性のものってないんですよ、半導体っし。僕らはセラミックスから、半導体になっちゃったんですよ。材料ってどて言うのは。こうやって、象限に分けに行ったでしょ。半導体って分野はね、

ういう分野かって言うと、使えなきゃて考えて、いろんなものを中にプロッ

ものすごく行儀がいいんですよ。それダメなんですよ。今すぐに使えるかど

トして見ると、意外に空白領域ってあからすぐ実用になるんで、半導体ってうかは別にしてね。で、使えるっているんですよ。そして、一つデータが出言うのは、量子力学の応用問題で、ほうのは２つ意味があるんです。一番目てくると、とたんに気がつくんですよ。

とんどのものはもう計算できちゃうん

は、会社に役に立つこと。産業だよね。

僕はデータが出てくるまで、頭でもやですよ、そういうところから超伝導に二番目は、僕は公害の世代に育っていもやしてたんだけども、それが出たと行くとね、超伝導は何でもアリで、超るから、会社に役に立つことがイコー

たん、あ！ここ（第二象限）なんだ、

高圧あり、とにかく何でも構わないん

ル世の中の役に立つことって、そうい

これだ！って。

ですよ。で、解析は徹底的にやるでしょう認識はないんですよ。だから、世の村上：そのパラメーターは何次元ぐらう。物質科学として見たときに、超伝中の社会的困難の解決に繋がるっていい行けるんですか？

導は「極」なんですよ。そこからもうこと。この２つは、やっぱり僕は大三次元ぐらいで…。

う一度半導体に戻ってくると、あ、意事だと思いますよ。材料っていうのは、

細野：二次元か三次元ぐらいですよ、

外にいろんなことがあるな、と。今ま

結果的にそこに繋がらないと、「材料」

少なくとも僕はあんまり複雑なものはで超伝導体の候補物質を半導体や電子じゃないんですよ。たぶんそれは「物ダメなんで（笑）
。

材料として考えてもいいんじゃないか

質」なんですよ。ただ、材料はあんま

村上：何をパラメーターにとるかといと。

り狭く捉えちゃうと、画期的な材料っうことが、ひとつのセンスなんですね。

村上：ちょっと議論がずれるかもしれてできないんです。基礎（科学）まで

普通は二次元か果的に、それは非常に僕は強い信念ですね。

村上：それは良くいつも言われますよね。研究者とか学生に。
細野：初めはそう思ってなかったんですよ。自分の子供が産まれて初めて、
あぁ材料やってて良かったな、と。子
供は、親がいないといないわけですよ。で、彼女達が大人になったときに、どういう社会になるかなと思った
ときに、やっぱり責任があるわけですよ。世の中を支えていくところに貢献するのは、やっぱりいいな、と思いましたよ。猫なんて１ヶ月でだいたい自立するわけですよ。人間だけですよ、
３年ぐらい自立しないのは。そうすると、餌くれなかったら死んじゃうわけでしょ。そうしたときに、あぁ、少しはこれやんなきゃいかん、世の中のことを真面目に考えなきゃいかんなと。
僕は若い頃ずっと公害の研究っていうのには相当に影響されてたから、（社会的困難を解決するのは）非常に大事だと思ってたんだけど、研究始めたら、もう面白かったらいいって感じになっちゃったんだけれども、子供が産まれたときに、やっぱりそりゃいかんなって。原点に戻った感じがしてね。だから、元々そういう指向がたぶん僕は強いんですよ。ただ、この間、暗黒物質の村山さん（村山 斉 東京大学数物連
携宇宙研究機構機構長）と話したとき、役に立たなきゃだめだって言ったら、彼はすごく怒っちゃったんだけどもね（笑）
。
一同：（笑）
細野：だから、暗黒物質のこと言ってないんだからって（笑）
。ただ、あれは役に立つのはね、文化として役に立つんだよね。それは確かに意味があるんだよね。ただ、材料の場合は、花より団子で、文化じゃ食えない。日本って、製造業で食ってるでしょ。それを

6

http://imss.kek.jp/

支えてるのは材料なんですよ。だから、先生の、材料、あるいは物質合成といお金を稼いでいる分野、なんですよ。

う立場から、物構研に期待することをその分野がどうやって食べられるようお聞かせいただけますか。

にするかっていうのは、我々も、研究んですよ。累積で勘定すると、橋が１

物質観を養うのは、解析なんです

個架かるぐらいのお金（研究費）もらっよ。どんな分光学をやっていたかにてるのに（笑）、
何したかなと思うとね、

よって物質観が変わっちゃうように思

薄ら寒い気分もあるんですよ。だけど、うね。僕は解析が重要とわかったのは、

IGZO 出たんでね（笑）、少しは借りを

IGZO をやってた時。薄膜っていうの返したかなと思ってるんだけどね。

は、XPS（X 線光電子分光）、UPS（紫山田：若い人は、最初からそういう意

外光電子分光）では、表面がきれいで識を持たないといけませんかね？

ないとダメですよね。それで SPring-8

細野：いや、持つ必要ないと思う。僕は、にハード X 線（硬Ｘ線光電子分光）と若い人は興味ドリブンの方がいいと思いう bulk sensitive な分光法ができたう。始めから、戦時研究みたいなミッから測ってみない？って。じゃあ、何ションオリエントって、面白いですかの役に立つかわかんないけど、測ってね？

みようと。それで、そのとき出たデー

費をもらっている以上、責任が、ある

細野：あのね、

山田：面白いとは思わないですけどタを見て、え、なんだこれ？って。実（笑）
。

は光が当たったときに TFT（薄膜トラ細野：田中一宜さん（産業技術総合研

ンジスタ）のしきい値がシフトする大究所 フェロー）は、僕がすごく尊敬し問題があったんですよ。それのオリジ

てる人なんだけどね、田中さんが非常ン（起源）はこれだ！って。Samsungにうまいこと言ったのは、プロジェクの人がこの問題で困っていると言った

トリーダーというのは、そういう生臭

ときに、ぱっとそのデータが出て、そい政治的なものを全部そこで止めるもれを学会で発表して、みんな、劣化ののだと。それで、下の人にはもうちょっ

原因が初めてわかったんですよ。非常と自由にやらせるもんだって。それが、にそれが早かった。あのデータがな

マネジメントだって。全くそう思いまかったら、たぶん、有象無象で全然ダすね。研究の現場がどうなってるかっ

メですよ。あのハード X 線のデータていうと、must じゃ動かないですよ。

は、みんながやる前に…やる前っていwant じゃなくちゃ、なかなか動かな

うか、役に立つなんてことを考えずにい（笑）
。でも、現場はどっちでもい実は測ったんですよ。それは、基本的いんですよ、うまく動けば。それを全には手法の effective さなんです。ハー

体的にはある方向にドリブンしてかな

ド X 線って bulk sensitive なもの（手きゃいけないのは、確かだけども。

法）であったから出たんで、どんなに

山田：時間もなくなってきたので、最頑張ってもあの手法じゃないと出ない

後に。我々は物構研という、測定や解ですよ。

析を担う研究所なわけですけれども、物構研 News 2013 Summer

7例えば、軽い元素は X 線で測るとわの場合、半年に１回マシンタイムがあさすが日本だという結果が。そうすれからないけど、中性子で測るとわかっるっていうのは、あんまり意味がない

ば、あぁこういうやり方があったかとちゃうとか…、こういう本質的な「手んですよ。半年も経つと状況が変わっみんな思うじゃないですか。そうした法の強さ」っていうのがあるんですよ。

ちゃうからね。だから、測定と解析、ら、マテリアルサイエンスそのものがそれが、言われてから測るんじゃなく測定と合成っていう、これがなるべくこの形になりますよ。

て、もしかしてこれ重要かなと思うも速く回るように。それから必要な情報

村上：あと理論の役割も重要だと思うのは測っておかないと、いざっていうをこっちから見たりあっちから見たりんですよね。

ときに対処のしようがない。必要になして、立体的に取ってしまえば、そうる前に、本質的に新しい手法っていう

すればすごく日本って強みがあるんで細 野： 絶 対 に 必 要 で す よ。

のは、測っておいた方がいいですよ。

すよね。そういう意味じゃこの元素戦

村上：この元素戦略プロジェクトのい略を機会にね…、元素戦略ってちょっいところは、そうやって物質合成と測と、名前がすごいので（笑）僕はこね。で、超伝導っていう分野はずっと定っていうところが、本当に寄り添っ

れ を「innovative material science for

これをやってるの。競争が激しくなってすぐにフィードバックできるようなsustainable society」って英語に訳してたら必ずこうなるんですよ。そういうやり方を目指しているので、今までのますけどね（笑）

意味では超伝導は、やっぱり、物質科

物質開発とは違った強みが出て来るの

山田：物構研には、要するに、非常に学の一番の「極」なんですよ。

かなって思いますね。

タイムリーに測れるようなそういうシ

村上：元素戦略のそういう基本的な３

細野：そうですね。それから日本の「材ステムを作らないと…。

つ、物質合成、計測、理論っていうも料」ってやっぱり、強いんですけれど

細野：もうひとつは、これがうまくいっのをちゃんと形にしたっていうのは、も、もう風前の灯火なんですよ。中国

た例を１つ出せば、みんな元気になる

非常に良かったですね、最初にそういが強いから。韓国もどんどん強くなっんですよ。基礎の人も応用の人も。こう枠組みを作ったというのが。

てきてるしね。ところが日本は、さっ

ういうのって絵をたくさん描いて見せ細野：あれはね、福山先生（福山 秀敏

きのハード X 線じゃないけど…。我々てもダメなんですよ。いつもそうです

東京理科大学 副学長、元素戦略プロ

がハード X 線でそれを見つけたときに、よ、始めにどんなきれいな絵を描くか

ジェクト立ち上げ当時）。を巻き込んSamsung は韓国の放射光施設を全部ということばっかり考えててね。絵なだのが良かったんだね。福山先生が相計測と理論と合成っていうのは三位一体 ですよ

漁ったんだけど、どこにもハード X 線

んかいらないんですよ。要するに見事

当熱心に関与してくれたんですよ。や（の装置）がなかったんです。日本ってな結果がありゃいいんです。１つうまや、理論偏重気味ではあるけど（笑）
。

やっぱりそういう意味では、強いんでくいった結果があれば、それがひな形

村上：ははは（笑）

すよ。インフラが。それで、いろんなになるんですよ。物構研とか NIMS（物細野：そんなこと言うと怒られちゃう

人が…基礎をやってる人もいて、基礎

質・材料研究機構）と一緒にやって、（笑）。でも、本当に良かったですよ。

も強いしね。で、狭い距離にわっといとにかくひとつだけ、日本発の材料と新しいサイエンス、新しいマテリアル

るでしょ。だから、スピードでうまく日本発の計測が揃ってやったからできサイエンスの形態だね。

団結してやれば勝てるんですよ。材料

たんだっていう結果が欲しい。これは

施設情報
放射光ビームライン BL-2

放射光ビームライン BL-15

Li 電池やユビキタス元素による材料開発を目指し、建設を開始

今秋に完成
ナノテク・ソフトマター材料研究を推進

BL-2 は、フォトンファクトリーの創設時から、挿入光源（ア前号の物構研ニュース「フォトンファクトリーの春休み」で、ンジュレーター）による高輝度の軟Ｘ線を使用できるビーム

旧ビームラインの撤去と基礎工事の様子をご紹介した BL-15

ラインとして、さまざまな研究に利用されてきた。

に、この夏新しいビームラインが建設されている。

現在、株式会社日立製作所との共同研究により、このビーム

光源加速器には、このビームラインに高輝度の光を供給する

ラインのグレードアップが行われている。このビームライン

光源となる新しい短周期アンジュレーターが設置された。

の特徴は、長い直線部に２台のアンジュレーターをタンデムに設置することにより広いエネルギー領域が利用できること
で、軽元素から希土類まで幅広い元素の元素選択的な分光実験が可能になる。リチウムイオン電池などのエネルギー変換
材料や、ユビキタス元素（ありふれた元素）による機能性材
料などの研究を推進する。
春に旧ビームラインの撤去が行われ（前号：「フォトンファ設置された短周期アンジュ
レーター（右図、青線で囲まれた部分）

クトリーの春休み」参照）、この夏には新しいビームラインの建設が行われている。秋からは一部のエネルギー領域の実
験を再開し、来年春に予定されている２台目のアンジュレー
ター設置後に本格的な利用実験の開始を目指している。

また、実験ホールには、実験ハッチが建設され、その中に実験装置が順次設置されていく予定である。秋からは、XAFS
法と小角散乱法という２つの手法で１つの材料を複合的に調べるビームラインの利用が可能になり、ナノテクノロジー材

建設中の BL-2

料やソフトマター材料などの、空間的に不均一な組成を持つ材料の研究が推進される。

元素戦略プロジェクトと KEK 物構研

2013 年 2 月。BL15B、15C の 2 つ のビームラインが撤去された。

元素戦略プロジェクトは、資源に乏しい我が国の産業競争力を強化するために、希少元素を用いない革新的な代替材料の創製を目的としたプロジェクト。平成 19 年度から、「産学官連携型」として文部科学省・経済産業省との連携プロジェクトとして実施され、基礎研究から実用化までの研究を展開し、優れた成果を生み出しつつある。平成 24 年度からは、この成果をさらに強化するため、「研究拠点形成型」として、材料創製（合成）と電子論（理論）および解析評価（計測）の３つのグループの研究ネットワークを形成する体制で、10 年間（予定）の新たなプロジェクトが開始した。磁石材料、触媒・電池材料、電子材料、構造材
料の４つの材料領域において、代表研究者の強力なリーダーシップのもと、拠点を中核として形成する共同研究組織の密接な連携・恊働によって推進する。
KEK 物構研の構造物性研究センター (CMRC) では、物構研の最大の特徴である、放射光・中性子・ミュオン・陽電子というマルチプローブを駆使した物質科学研究を牽引してきている。
元素戦略プロジェクトにおいては、細野教授を拠点代表者とする電子材料領域では CMRC
センター長でもある村上洋一教授のグループが、磁性材料領域では小野寛太准教授のグルー

Photon Factory プが、それぞれの連携機関の一つとして「解析評価」の役割を担っている。物質の機能を
MLF / J-PARC 決定する元素の役割を解明し、ユビキタス元素（ありふれた元素）の性質をフル活用した元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞
における異分野協働の研究体制

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http://imss.kek.jp/

新しい電子材料・磁性材料創成の有力なツールとして、Photon Factory、物質・生命科学
実験施設（MLF）で生み出される物構研のマルチプローブは大きな期待を受けている。

分光器を設置している様子

2013 年 7 月。 手 前 か ら 順 に、 青 色： メ イ ン ハ ッ チ、 ピ ン ク：
XAFS 用実験ハッチ、黄色：小角散乱用実験ハッチ。

物構研 News 2013 Summer

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研究トピックス
物 構 研、 お よ び PF、MLF の 共 同 研 究・
共同利用による研究成果

電子のガラス状態を発見
東京大学大学院工学系研究科の賀川史敬 講師、大学院生 佐■ もっと詳しく
KEK ニュースルーム
http://www.kek.jp/ja/NewsRoom/

電子のスピンと軌道の絡み合った				
共鳴状態の解明属の薄膜はスピンの向きが面内方向に配列する。しかし、本自由度の秩序化を引き起こして磁性を操ることを目的に、非研究の結果、グラフェンとニッケル薄膜の界面では、界面か磁性絶縁体として知られるペロブスカイト型 LaCoO3 に着目

らわずか数原子層の領域で、電子スピンの配列の向きが面内した。LaCoO3 薄膜の磁性を磁化測定によって調べ、結晶構方向から面に垂直な方向 ( 面直方向 ) に回転していることが造を KEK のフォトンファクトリーの放射光 X 線回折、赤外明らかになった。これまでのスピン注入源では、このような分光を用いて調べた。その結果、自発磁化が生じる温度 94

界面に特有の電子スピン配列状態は考慮されておらず、スピK より高い温度 126 K で磁化の温度依存性に異常が見られ、ン注入を妨げる原因になっていた可能性がある。今後、本成結晶構造相転移が生じる事が分かった。そして、物質を構成

果を新たな設計指針とすることで、グラフェンへの高効率ス

しているイオンのスピン状態が僅かな結晶歪みによって変化

ピン注入の実現に道を拓くことが期待できる。

してスピンの秩序化が引き起こされている事を突き止めた。

Journal of Materials Chemistry C, DOI: 10.1039/C3TC30872C

以上の結果から可能性が高いと思われるスピン・軌道秩序パ

セラミックコンデンサ中の水素不純物による絶縁劣化のしくみ

藤拓朗氏、十倉好紀 教授らの研究グループは、最先端研究

大阪大学大学院基礎工学研究科の若林裕助准教授、東京大学

ターンを図に示した。
本研究により、磁性を開発支援プログラム (FIRST) 事業の一環として、三角格子

物性研究所

中辻知准教授を中心とする、高輝度光科学研究

持たない物質であってJAEA 先端基礎研究センターの伊藤 孝 研究員、髭本 亘 研究を持つ層状有機化合物θ -(BEDT-TTF)2RbZn(SCN)4 ( 以下θ

センター、理化学研究所 (SPring-8) との共同研究グループは、もスピン状態が可変の

主幹と KEK 物構研の下村 浩一郎 准教授、幸田 章宏 研究機関

-RbZn ) を急冷すると電子がガラス状態を形成することを発蜂の巣構造を基本骨格とする銅酸化物 ( 図 ) において、電子元素を含んでいれば僅

講師、および J-PARC センターの研究グループは、代表的なの持つ自由度であるスピンと軌道が量子力学的に混ざった状

かな結晶歪みによってセラミックコンデンサ材料であるチタン酸バリウム (BaTiO3)態に特徴的な構造の観測に成功した。

磁性体へ転化させられに混入した微量の水素不純物が絶縁劣化を引き起こすメカニるメカニズムの一つがズムを明らかにした。

解明された。また、本積層セラミックコンデンサは現代のエレクトロニクス産業にメカニズムの利用によ不可欠な基本電子部品の一つであり、パソコンやスマートり、 高 感 度 歪 み セ ン

フォンなどの電子機器に多く使用されている。BaTiO3 は積層サー開発の可能性が考 スピン・軌道秩序パターンの一例。矢印、ローブはそれぞれ電子のスピンと軌道を表えられる。

セラミックコンデンサの主原料となる誘電材料で、微量の不ハニカム構造で期待される電子軌道の秩序状態
弱い電子軌道の秩序 (a) によるハニカム構造の中に、(b) の秩序が混在し、かつ (b) は 2 つの状態が混在している。
図 (a) θ -RbZn の BEDT-TTF 相の結晶構造。(b) 想定される様々な電子結晶の配列パターン。θ -RbZn において低温で実際に実現するのは水平型の配列パターン。(c) 電気抵抗率の温度依存性。1K/min 以下で徐冷した場合は 200K で電子が結晶化し、電気抵抗が増大するが、5K/min
以上で急冷した場合は、電子の結晶化は起こらず、電気抵抗は比較的低抵抗状態を保つ。

液体中の原子や分子は通常、低温にすると凍って周期性を持った結晶を組むが、中には急冷によって周期性を持たない
ガラス状態へと凍結するものも存在する。電子同士が強く相互作用し合う強相関電子系では、液体のように遍歴していた

Physical Review Letters , DOI:10.1103/PhysRevLett.111.027206

測。その温度依存性を磁性と比較した結果、電子の軌道とス

グラフェンと磁性金属の界面で起こる特異な電子スピン配列

ピンが強く絡み合いながら揺らいだ状態が実現していること

JAEA 先端基礎研究セン

nm 範囲でのみ銅イオンの電子軌道が整列していることを観を明らかにした。この状態は、軌道が高い温度で秩序化し、その環境に合わせて磁性が低温で秩序化する通常見られる状態と大きく異なっている。
蜂の巣構造など、ある種の幾何学的な構造は、単純な秩序構

ターの松本吉弘任期付
研究員、境誠司グループリーダー、千葉大学大学院融合科学研究科の小出明広氏、藤川高まで秩序を形成しない。そのような物質の中では、通常生じ

志 教 授、KEK 物 構 研 のない新しい状態が生まれることが理論的に予想されており、

雨宮健太教授らは、グ

本結果は、このような新しい状態の一つを実験的に確認した

ラフェンと磁性金属 ( ニッケル ) 薄膜の接合体について、界ことに相当する。

面の近傍で生じる電子スピンの特異な配列状態の存在を明ら

Nature Communications , DOI: 10.1038/ncomms3022

かにした。

～ 20nm の ク ラ ス タ ー

強相関絶縁体における歪み誘起磁化の起源を解明

グラフェンは、スピン情報の伝達に優れた性質から、次世代を形成しつつガラス化

東京大学大学院の藤岡 淳 助教、十倉 好紀 教授らの研究グなどから、グラフェンにスピン偏極した電子を移動 ( スピンる。このような振る舞いは通常の液体の結晶化と一見似ているが、結晶化が急冷によって妨げられてガラス化する現象は電子系ではこれまで知られていなかった。今回、研究グルー
プは電気抵抗の揺らぎを 10 μ秒の分解能で測定すると共に
X 線回折実験を行うこと
で、急冷下で電子が 10

す る こ と を 発 見 し た。
ま た、 電 子 が ガ ラ ス 化
す る 過 程 は、 液 体 が ガラス化する過程と似てお り、 両 者 の 間 に は 普遍的なメカニズムが働いている可能性が示された。
Nature Physics , DOI：
10.1038/NPHYS2642
http://imss.kek.jp/

研究グループは、フォトンファクトリーの BL-3A を用い、数す。実線は Co の結晶格子を表す。

造と辻褄が合わず、フラストレーションを持ったまま極低温

電子が、低温で結晶化して局在する現象がしばしば観測され10

研究グループでは、スピン状態の制御によってスピン・軌道

ループは、KEK 物構研の山崎 裕一 助教、中尾 裕則 准教授、
熊井 玲児 教授、村上 洋一 教授らと共同で、本来非磁性である強相関電子系 LaCoO3 を薄膜化して歪みを加えることにより、電子のスピン・軌道が秩序し自発磁化が生じる事を明らかにした。
電子同士が強く相互作用し合う強相関電子系では、ナノメー

スピントロニクスの基盤材料として注目されている。スピン素子に用いるには、電子スピンの向きに偏りを持つ磁性金属

純物や格子欠陥によって電気的性質が大きく変化するため、そのメカニズムの理解と制御は重要な課題となっている。
本研究では、積層セラミックコンデンサの焼成過程で混入する可能性の高い水素に着目した。BaTiO3 の結晶に正ミュオン
を打ち込み、電子 1 つと束縛した状態のミュオニウムを模擬
的な水素不純物と見なし、ミュオンスピン回転・緩和法により正ミュオン周辺の局所的な電子状態を調べた。
その結果、-190℃以下で正ミュオンのまわりに電子が束縛され、その軌道は単位格子数十個に渡って広がっていることが分かった（図 (a)）
。電子軌道の広がりは、孤立したミュオニウムより数十倍も大きく、電子の束縛が非常に弱いことを示す。また温度上昇に伴い、弱く束縛されていた電子が熱エネルギーを得ることで結晶中を動きまわれる状態になることも分かった。結晶中を動きまる電子は、電気伝導に関与し、BaTiO3 の絶縁性の低下につながる。実際の水素不純物も、同様のメカニズムにより電子を放出し、絶縁性の低下を招くと考えられる。この知見に基づいて、チタン酸バリウム系セラ
ミックコンデンサの製造過程から水素混入の可能性を排除することにより、コンデンサの性能向上が期待される。
Applied Physics Letters, 103, 042905 (2013)

注入 ) させる必要がある。その際に電子のスピン偏極を保つ
ことなど、スピン注入効率の向上が応用の実現に向けた課題となっている。スピン注入は、磁性金属等のスピン注入源とグラフェンの接合面 ( 界面 ) を介して行うため、効率的なス
ピン注入源の設計には界面の電子スピン状態の理解が重要となっている。

トルスケールの電子の自己組織化が広く観測される。例えば今回、当研究チームは、原子層スケールの分解能で表面から磁石による磁化は、物質内の電子のスピンが秩序化した結果

深さ分解 X 線磁気円二色性分光法を用いて、グラフェンと磁である。このような秩序は、物質の温度、電子のバンドの充性金属 ( ニッケル ) 薄膜の接合体を分析した。通常、磁性金
物構研 News 2013 Summer

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イベント予定
9/8（日）

KEK 一般公開
KEK のつくばキャンパスを公開。普段は見ることのできない実験施設を見学、講演や体験イベントなど科学技術に直接触れることができます。

特別講演 14:00 ～ 15:00（研究本館）「チョコレートの物理学- おいしさをつくる技術 -」上野 聡（広島大学大学院 教授）

講演 13:00 ～ 13:45（4 号館）「遺伝子ってなんだろう？」
千田 俊哉（KEK 物構研 教授）

展示・施設公開
フォトンファクトリー
今年は " 暮らしの中の元素 " をテーマに、身体を作っている元素、便利な元素など、私たちの身近にある元素を調べて活用している研究を紹介します。展示をめぐりながら、クイズ ” 元素ハンター ” に挑戦！
ERL 開発棟
次世代光源として開発している ERL の実証機であるコンパクト ERL を初公開 !
建設中の姿を見ることができるのは、今年だけです。

編集： 物構研広報委員会
発行： KEK 物質構造科学研究所〒 305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1 http://imss.kek.jp/
TEL: 029-864-5602 E-mail: imss-pr@ml.post.kek.jp