「磁石の不思議」から「微小な磁石の先端研究」まで
廣部 大地
静岡大学 理学部 物理学科 助教
科学技術振興機構(JST) さきがけ研究者兼任

磁石と技術
磁石と日本人研究者
磁石と電子磁石と量子力学
磁石と私磁石はどこで使われている？
答 どこでもスピーカー

コピー機（磁気ブラシ）

電子レンジ（マグネトロン）

AkeruEのHPより転載

RICOHのHPより転載

NeoMagのHPより転載

スマホ（磁気センサー）、電気自動車（モーター）…

磁石の歴史紀元前3000年(?)

3世紀頃

天然磁鉄鉱がギリシャのマグネシア地方で偶然発見

指南魚が中国で登場←磁気コンパスの源流

羊飼いのマグネス

kodomonojikkenshitsu12.pdfより転載

NeoMagのHPより転載

磁石と技術
磁石と日本人研究者
磁石と電子磁石と量子力学
磁石と私磁石研究はmade in Japan
本多光太郎
Wikipediaより転載

鉄鋼の世界的権威者
KINKENの初代所長

金属材料研究所(宮城県仙台市)

世界最強KS鋼(当時)磁石研究はmade in Japan
本多光太郎

アインシュタイン来日時
東北大学広報誌より転載

Wikipediaより転載

KS鋼をプレゼント
鉄鋼の世界的権威者

磁石と技術
磁石と日本人研究者
磁石と電子磁石と量子力学
磁石と私磁石を細かく分けてみる

NS…
どこまで小さくなる？

最小の磁石＝電子最小の磁石(スピン角運動量)

最小の電気量(電荷)

電子1個で見ると必ず磁石になっている

磁石になるの、ならないの磁石になる＞

互いにそっぽを向いた磁石の個数が違う

磁石になるの、ならないの磁石にならない＝

互いにそっぽを向いた磁石の個数が同じ実際の磁石はどうなっているの？
砂鉄を例に考えてみましょう

酸化鉄(酸素と鉄の化合物)

Wikipediaより転載

鉄酸素

Spin-Resolved Photoelectron Spectroscopy of Oxidic HalfMetallic Ferromagnets and Oxide/Ferromagnet Interfaces実際の磁石はどうなっているの？
鉄2+ 鉄3+ B × 1 + 鉄3+ A × 1 + 酸素 × 4

酸化鉄(酸素と鉄の化合物)

鉄＞
互いにそっぽを向いた磁石の個数が違うので磁石になれる酸素

実際の磁石はどうなっているの？
鉄2+ 鉄3+ B × 1 + 鉄3+ A × 1 + 酸素 × 4

酸化鉄(酸素と鉄の化合物)

鉄
酸素
隣り合う磁石同士の角度が固定されるのはどうして？

磁石と技術
磁石と日本人研究者
磁石と電子
磁石と量子力学
磁石と私量子力学：極微の世界は不思議の世界

スタンフォード大学オンライン講座より転載

量子力学の前提は“非常識”

場所(位置)と速さ(運動量)が両方とも確定した状況は存在しない。
電子2個は同じ場所に存在できる。
が、磁石が逆向きのときだけ量子力学の前提は“非常識”

場所(位置)と速さ(運動量)が両方とも確定した状況は存在しない

その気になれば決められる

東京新聞のHPより転載

量子力学の前提は“非常識”

場所(位置)と速さ(運動量)が両方とも確定した状況は存在しない

場所が定まった電子ほど、速さが定まらない

速さが定まった電子ほど、場所が定まらない量子力学の前提は“非常識”
速く電子が揺らいでしまうエネルギー(運動)が上がって損

ゆっくり電子が揺らぐエネルギー(運動)が下がって得電子はできるだけ自分のスペースを広げたい(観測すると、そのスペースのどこかで見つかる)

量子力学の前提は“非常識”

電子2個は同じ場所に存在できる。
が、磁石が逆向きのときだけ
ボール１

ボール2

量子力学の前提は“非常識”

電子2個は同じ場所に存在できる。
が、磁石が逆向きのときだけ量子力学の前提は“非常識”

電子2個は同じ場所に存在できる。
が、磁石が逆向きのときだけ量子力学の前提は“非常識”

場所(位置)と速さ(運動量)が両方とも確定した状況は存在しない。
電子2個は同じ場所に存在できる。
が、磁石が逆向きのときだけ量子力学で磁石を考える
酸化鉄(酸素と鉄の化合物)

場所(位置)と速さ(運動量)が両方とも確定した状況は存在しない。

電子の場所は確定せず、少し余裕を持って空間を占めている。
しかし、その空間はまだ狭いので、エネルギー(運動)で損をしている。

量子力学で磁石を考える
酸化鉄(酸素と鉄の化合物)

電子2個は同じ場所に存在できる。
が、磁石が逆向きのときだけ逆向きの磁石を持った電子2個は同じ場所を占めることができる。
電子の占めるスペースが広がるため、エネルギー(運動)が下がって得をする。

磁石と技術
磁石と日本人研究者
磁石と電子
磁石と量子力学
磁石と私Spintronics & Chiral chemistry
Spintronics

Chiral chemistry

information storage (e.g. HDD)

smallest magnet = electron spinN

= + + + + +…

S

1mm÷1000 ÷1000 ÷10 !

Spin polarization>

artificial sweetener, medicine, …

Our body distinguishes right- & left-handed molecules(L,L)-isomer(D,D)-isomer=SweetBitterEnantiomeric excess>

Spintronics & Chiral chemistry
Spintronics

Chiral chemistry

information storage (e.g. HDD)

artificial sweetener, medicine, …

Spin polarization

Enantiomeric excess>>

Share the objective in common: How to separate one from the other efficiently

Spintronics & Chiral chemistry
Spintronics

Chiral chemistry

Spin polarization

Enantiomeric excess>>

Interconnected by Chiral-Induced Spin Selectivity (CISS)Chiral-Induced Spin Selectivity (CISS) cf. R. Naaman, et al., Nat. Rev. Chem. (2019)
CISS | chiral molecular materials emit spin-polarized electrons
Schematic of CISS

CISS = a pair of antiparallel small magnets?

=repulsive

attractiveN
SSpin polarization || momentum
Opposite spin for opposite chirality
Exceptionally high spin polarization

Creates a very small magnet
for spintronics>>

Separates chiral molecules
for chiral chemistry>>

鏡の世界と右・左

プレスリリースより転載（田中まゆこさん作）

鏡の世界がもしあれば、右と左が入れ替わったように見えるでしょう磁石を使って“右”と“左”を区別？
プレスリリースより転載

磁石だけでは“右”と“左”の区別できない―というのがこれまでの考え方

磁石を使って“右”と“左”を区別？
K. B.-Ghosh, et al., Science 360, 1331-1334 (2018)

NSNSNSNS

プレスリリースより転載

磁石だけでも“右”と“左”を区別できるという実験結果が報告!?

磁石を使って“右”と“左”を区別？

プレスリリースより転載

これまでの考え方では説明できません…困りました磁石を使って“右”と“左”を区別？

?

=

プレスリリースより転載

互いに逆を向いた微小な磁石が分子の両端にある―という予想

磁石を使って“右”と“左”を区別？
プレスリリースより転載?

=

たしかに磁石のペアが現れて、 “右”と“左”を区別できる

磁石を使って“右”と“左”を区別？

たしかに磁石のペアが現れて、 “右”と“左”を区別できる

Spintronics & Chiral chemistry
Spintronics

Chiral chemistry

Spin polarization

Enantiomeric excess>>