科学機器 №884

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2022.2

産学官との連携

科学の
峰々

112

京都大学 白眉センター特定准教授
日本科学振興協会 代表理事
ば ん ば

産学官との連携
理学研究科 連携准教授

も と あ き馬場 基彰 先生 に聞く

物理の未解明現象「超放射相転移」を研究。これからの日本の科学を振興する新団体発足にも奔走 上
聞き手 ：梅垣喜通

日本科学機器協会 広報委員長
高橋秀雄 日本科学機器協会 広報副委員長
夏目知佳子 日本科学機器協会 広報委員
岡田康弘 日本科学機器協会 事務局長

取材日：2021年12月20日（一社）日本科学機器協会 会議室（取材・撮影・編集協力：クリエイティブ・レイ㈱安井久雄）

馬場 基彰 先生のプロフィール【学 歴】

2000年 4月 - 2004年 3月 大阪大学 基礎工学部 電子物理科学科
2004年 4月 - 2009年 3月 大阪大学 基礎工学研究科 物質創成専攻
2007年 4月 - 2009年 3月 日本学術振興会 特別研究員（ＤＣ２）
2009年 4月 - 2009年 4月 大阪府立大学 電子物理工学分野 博士研究員（特定領域研究）2009年 5月 - 2012年 3月 パリ第７大学＆ＣＮＲＳ 博士研究員
2012年 4月 - 2015年 3月 日本学術振興会 特別研究員（ＰＤ）
2015年 4月 - 2019年 3月 大阪大学 博士課程教育リーディングプログラム 特任講師（常勤）2019年 4月 - 2020年12月 京都大学 大学院理学研究科 特定講師（さきがけ）
2017年10月 - 2021年 3月 科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 さきがけ研究者
2019年12月 - 現在
京都大学 未来を切り拓く量子情報ユニット 参画教員
2021年 1月 - 現在
京都大学 白眉センター 特定准教授
2021年 1月 - 現在
京都大学 大学院理学研究科 連携准教授【委員歴】

2017年 4月 - 2018年 3月 日本物理学会 領域５運営委員
2015年 4月 - 現在
光科学若手研究会 組織委員
2020年11月 - 現在
日本版ＡＡＡＳ設立準備委員会 委員長
2021年11月 - 現在
日本科学振興協会 代表理事

【受 賞】

2017年 3月
2018年 2月
2018年 9月
2019年 9月

理論提唱されながら世界で未観測の「超放射相転移」

楠本賞（基礎工学部 電子物理科学科）楠本奨学会・大阪大学
光物性研究会奨励賞 光物性研究会
第27回 井上研究奨励賞 財団法人 井上科学振興財団
第11回 日本物理学会若手奨励賞（領域１：原子分子・量子エレクトロニクス・放射線）
日本物理学会
第11回 日本物理学会若手奨励賞（領域５：光物性）日本物理学会
平成29年度 研究表彰【課題】光科学・光科学技術の向上に役立つ独創的な研究
光科学技術研究振興財団
Publons Peer Review Awards 2018, Top 1% of reviewers
in Physics Web of Science
Top Peer Reviewer 2019, Top 1% of reviewers in Physics Web of Scienceに応じて物質の相（状態）が劇光と呼ぶようになります。そして、さ的に変化する現象が、典型的ならに波長が長くなって目に見えない

相転移と言われる現象です。

マイクロ波になると、光とは言わな

馬場先生は、世界でも未解明でこの相転移は磁石でも起こりまある「超放射相転移」についてす。ごく普通に目にするフェライト

研究をされていると伺っています。

磁石は、約460℃よりも高温だと磁なるほど。電磁波の中で、おお門外漢向けに、研究の内容をご

石の特性はなくなりますが、そこかよそ目に見えるものを光と言って教示いただけますか。

ら温度を下げると再び磁石としているわけですね。

いようになります。

の振る舞いを見せます。これも一馬場

私が研究している超放射種の相転移です。

馬場

基本的にはそうです。ただ、相転移は、1973年に理論的に提では私が研究している事は何

肉眼で見えない紫外線や赤外線唱されたものの未だに観測されてなのかというと、光と物質の相転も光と呼ぶことがあるので、大まかいない光に関する現象です。今日、移になります。相転移は普通、物にそうだというくらいに思っていてく光の特性や活用の手法は様々な質が起こす現象なのですが、「光ださい。

面において解明が進み、社会では相転移するのか？」という研究広く利用されています。しかし超をしているわけです。

放射相転移は、光に関してこれまで分かっている事とは性質が異なる、未解明の物理現象になります。
その現象の観測を誰も出来てい【経 歴】

2004年 3月
2007年12月
2011年 2月
2017年 3月

2022.2超放射相転移は電磁波と物質（例えば、光と電子）の相互作用による現象

さて「光が目に見える電磁波」
だと分かったところで、電磁波とは何かというと「電場と磁場の波のこと」です。
となると、先生が取り組む「光は相転移するのか」という言葉はないのですが、この超放射相転移に類似の現象を発見することが相転移の例で挙げてもらった水「電磁波、つまり“電場と磁場の出来たというのが、私の最近の研や磁石の変化は分かりましたが、波”は相転移するのか」と言い究になります。

光 が 状 態を変 えるというの は、換えられるということでしょうか。

相転移は
氷→水→水蒸気とこのように変化すること想像がつきにくいですね。
馬場 ざっくりとした理解としては、
馬場 おっしゃる通り少し難しいのそう捉えていただいて良いでしょう。

で、順番にかみ砕きながら、まず「光とは電磁波である」、次いでそのうえで、理論はあるものの観解明されれば「世界に衝撃が走「電磁波とは電場と磁場の波であ測はされていないという「超放る大発見」と言われるものだとる」ということに少し触れます。

射相転移」について教えていた伺っています。

「光とは何か」というと「光とはだけますでしょうか。

超放射相転移とは、どういったも目に見える波長域の電磁波」のこのなのでしょうか。

とです。電磁波は、波長や振動馬場数で特徴づけられて呼び名が変転移は、その物質の内部が変化

馬場 そもそも「相転移」とは何わります。波長が短い電磁波にはするものでした。超放射相転移はかというと、例えば水が水蒸気やＸ線がありますが、Ｘ線は目に見「光と物質の相互作用」による現氷に変化するような現象です。
「液

えないので、あまり光とは呼びませ象です。結論から言うと、特定の相」の水が、「気相」の水蒸気、んよね。しかしもう少し波長が長く環境下で例えば「ある物質中の「固相」の氷にというように、温度なって可視光線になると、私達は電子の向きと電磁場が、ぴたりと水や磁石の例で話した相科学機器 №884

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揃う」と超放射相転移と言えます。

電 流は“物 質”という語 句に置き（光）と物質の相互作用」を見る

少し難しくなったので、小中学換えられること、理解出来ました。

ことが出来るわけです。

校の理 科で習う「コイル、電 流、磁場の関係」で説明していきましょ馬場 そのうえで、皆さんも理科う。

で習った現象ですが「コイルに電これからの説明では「電流＝物流を流すと磁場が発生する」、そ質」と考えてもらうと分かりやすくな

してその反対に「コイルに磁場をります。なぜその置き換えが成り立発生させると電流が流れる」といつかというと、電流とは電子というう現象を思い描いてください。前“モノ”が例えば電池の＋極から－者はアンペールの法則、
後者はファ極に移 動するという振る舞いで、ラデーの電磁誘導の法則と言いま

これはつまり物質になんらかの力す。これを、
先に言及したように「電そういうわけで、電磁波と電流をが作用して起きている現象と言え流」を「物質」という言葉に置き見ていくと、超放射相転移を観るからです。

換えて、「物質が磁場に作用する。

測出来るということにつながってそしてその反対の作用もある」といくわけですよね。続けて説明

理解いただきたいと思います。

をお願いいたします。

さらに「光は電磁波のうちの目

言わば“わしゃわしゃ ”と乱雑な状変化する相転移のことになります。

ころはありますが、あくまでざっくりとに見えるもの」と触れたところで馬場

超放射相転移はそれに温態にあります。この動き方や動く量“わしゃわしゃ ”だった電子や磁場したイメージや雰囲気としては、そ言った「電磁波は電場と磁場の度が関わってきます。また、ひとつは、温度で変わります。温度が低が、均一な電流と磁場に揃うという思い描いていただくと、理解の波である」ということを思い出しての例として、先ほどのコイルをずら

いと穏やか、温度が高いとより激しうことです。今説明しましたが、世助けになると思います。

ください。磁場は光の一部を形成

りと敷き詰めた状態を思い描いてく

く乱雑に動きます。

界でまだ観察されたことがない現しているものなので、磁場と電流ださい。そこでは電子が乱雑に動今話した仕組みで、電球や太象ですので、こうした相転移を起の関係を見る事を通して「電磁波き、また電磁波も飛び交っていて、陽は光を放っています。高温にな

こしたい、そして観測したいと研究るほど電子の“わしゃわしゃ ”としたを進めています。

超放射相転移の兆候や類似の現象を観測

乱雑な動きが激しくなるので、高つまり、電磁波の１つの成分でこれが、理論は以前から提唱さ温になるほど物はよく光るのです。

ある磁場と電流が元々乱雑な状れているけど、誰も観察したこと

例を挙げると、物は9000℃程だと態であったのが、温度を下げるこはない、そして馬場先生が世界

青っぽく強く光ります。2000℃ではとで、勝手に均一に整列した電流で初めて観察して証明しようと取もっと光は弱く、赤っぽく光ります。

と磁場に転移する、それが超放り組んでいることになるわけです

いったんまとめると、熱ければ物は射相転移と呼ばれる現象、というね。

よく光る、冷たければ物は光らない、ことになります。
馬場 そういうことです。まとめると、それは電子の乱雑な動きで起こっているということになります。これが極めて素人的なイメージですが、超放射相転移は電磁場（光）と普通の場合の典型的な振る舞い

水が冷やされて氷に相転移する

物質の相互作用によって起こる現です。

と、氷の方が分子は“整列してい象である、ただし、その電磁場とそれが超放射相転移ではどうなる”感じですよね。それに似たイ物質が一緒になって相転移するとるのか？というと、ずらりと並んだコメージが、磁場である光や電流いう現象は、まだ観測されていない、

イルに電流と電磁波が乱雑にあるでも起きるという感じでしょうか。

ということです。

状態を、冷やしていくと、均一な電流と磁場が出来る、そんな風に１つ付け加えておくと、超放射馬場

正確に言うともちろん違うと相転移という名称ですが、今の科学機器 №884

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説明で分かるように、別に何も放うことを理論的に検証したというの射はしません。歴史的に超放射とが、まず研究の１つです。

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量子力学的なゆらぎの観測で超放射相転移の発見を裏付けられる

いう光の現象が起こる数学的なモもう１つ、磁性体を使った別のデルにおいて見つかってきた経緯

研究があります。エルビウムオルソがあるので、こうした名称になってフェライトというフェライト磁石よりも

量 子 力学 的なゆらぎとは、どういます。

特殊な物質を使いました。この研いったものでしょうか。

超 放 射 相 転 移は、 理 論 的には本来の意味での超放射相転移で

ら構成される典型的な回路を想定

1973年に唱えられているという事はなかったのですが、似たようなして理 論を唱えていたのですが、でした。この理論自体は信頼性現象が実験的に観測されて再び否定するつもりで実験系の共同研が高いとされているのでしょうか。

論 争が盛り上がり始めたのです。

究者の手も借りながら、理論的な

この当時、私は日本で博士号を検証を進めていたところ、『 別種取得した後、パリ第７大学で博士の回路においては、理論上は超研究員として働いていた頃で、こ放射相転移に相当する現象が起の議論に参加していました。

こりえる』ことが分かったのです。

発見のきっかけは、 教授の間違いを指摘したことから

実にユニークですね。ひょうたんから駒というか…

馬場

その点は、色んな言い方がされています。

究は、４ケルビン（-269℃）で起き
馬 場 先 生は、 超 放 射 相 転 移にる相転移が、超放射相転移に類

馬場 また水を例に出して説明し物質を表現する数学的なモデ“類似の現象”を発見されたという似のものであると、実験的に、まますと、水が冷やされて氷になるとルがあり、そのモデルに基づいてことでした。それについてご説明た理論的に検証したものになります。

水の分子の動きは止まったように相転移が起こるかどうかを検証す

手法は、サンプルに磁場をかけ、観察されます。しかし完全に止まっるということで、理論が唱えられま

冷却して、テラヘルツ領域の電磁ているわけではなく、氷の結晶をした。用いられたのはディッケモデ

波で吸収スペクトルを見るというも作りながらも分子は動いているのルという光と物質の相互作用を表馬場 そのパリ第７大学で所属し

馬場 その結果は2016年に論文のでした。

です。さらに温度をどんどん下げ

現するための量子光学の基本モていた研究室の教授に、「超放で発表しました。当時は本来の意

いただけますか。
馬場

超伝導回路で、超放射相転移に似た現象が起きるということを研究しました。超伝導というのは実験装置の詳細な仕組み等はて絶 対 零 度に到 達したとしても、

デルで、このディッケモデルから出射相転移がこれならば起こるはず

味での超放射相転移に類似の現

電 気 抵 抗 がゼロになる現 象 で、割愛しますが、磁場の強さと電磁分子は動いていると量子力学的に発すると、超放射相転移をするとだ」というアイディアを示されたの象すら確認出来ていなかったので、

医 療 のMRI検 査 機 器 やリニア波の波長を変化させて見ていったは言えまして、それが量子力学的いうのは、確かとされています。

ですが、私は違うのではないかな

反響は大きかったです。その論文

モーターカーに応用されているもの

ところ、超放射相転移の兆候と言なゆらぎという事になります。

ただし、実は実際の物質の中と感じ、計算を行ってみると、やはは今のところ理論的にも否定もされです。超伝導を示す物質で作らえるものを発見出来ました。吸収同じように電磁場もゆらいでいまにはディッケモデルで表現される物

り先生の示したアイディアは間違いていません。

れた電気回路が超伝導回路です。

スペクトルの線に、そうではないかす。そして、超放射相転移が起がなかなか無いのです。

でした。実はこの頃、本来の意

最近注目されている量子コンピューと思われる分裂が見られたのです。

きれば、その起きた温度でゆらぎ

後にディッケモデルに付け加え

味での超放射相転移は起きないものだと思っていて、さほど価値も感じていなかったのです。

れています。
超伝導回路は典型的には、数十ナノメートル程度の厚さのアルミ

超放射相転移の解明がもたらす未来への可能性が抑えられる事が理論的に分かっるべき事柄があるのではないか等、

それは世界の研究者にも反響がています。ですので、電磁場のゆモデルそのものの問題を指摘するあったのではと想像しますが、どらぎが抑えられたところを観測出来声が上がったりするなどもあり、実そして帰国後、フランス時代の超放射相転移が明らかになると、うだったのでしょうか。

れば、超放射相転移が起きた事

は超放射相転移は「ある、ない」

教授が、また違う形で『これならその先には、社会でどのようにを発見出来たということになると言という論争が繰り返されてきました。

超放射相転移が起こる』というこ役立つことが期待されるのでしょ

少し時系列で挙げると、1973とを論 文 発 表していたのですが、うか。

実はそうした量子ゆらぎを測定

年に超放射相転移が提唱される、他の研究者は否定的な見解を出するのは、なかなか難しく、世界

しかし1975年には、物理法則かしていました。私も否定派だった

馬場 まず、超放射相転移を起ターの多くが、超伝導回路で作らニウム薄膜に回路を描いたものです。詳細は省きますが、超放射馬場相転移の現象の一端を捉えることサイエンス誌などにも取り上げられが出来るように超伝導体、コイル、るものとなりました。

大きな反響があり、結果はえるのです。

コンデンサなどを配置した回路をそうした兆候を捉えたことを踏ま的にも電磁場の量子ゆらぎの検出

ら導かれた正確なモデルの下ではのですが、これは私がきちんと否こすために必要となる光と物質の理論的に考えました。この回路をえ、別の論文で詳細な解析をしては２例しかありません。そうした量起きないと指摘される、1979年か

定をするということが、この分野の非常に強い相互作用について言

希釈冷凍機で冷やしていき、観超放射相転移であると結論づけは

子ゆらぎの発生と検出を高精度でら81年には、さらに広い範囲の物

研究の信頼性を高め、科学の発

えば、理論的には、量子コンピュー

察するという実験を想定した理論

したのですが、もっと確かな実験行える装置を、今、京都大学に質で起こりえないと、当時の理論展のために大切な役割を担うのでティング、センサー、エネルギーを研究です。あくまでも例えばですが、証拠が欲しいと考えました。これ設置しようとしています。京都大学

で証明される、しかし1988年からはないかと考えたわけです。

取り出すなど熱機関への応用、エ0.02ケルビン（－273.13℃）から0.01

から実行していく進行中の事になりには既にいくつかの設備が整って89年、また別の文脈で超放射相

そうして否定を試みようと取り組

ネルギーを蓄える電池のようなエネ

ケルビン（－273.14℃）を境にして、ますが、電磁場のゆらぎを観測すいるので、プラス数百万円、おお転移は起こりうるといった指摘が起んでいると「あれ？こうすれば上手

ルギーストレージのようなもの等に電流が勝手に、右回りや左回りにることで、より確かな証拠に迫るこ

よそ400万円前後くらいで観測のシ

こる、といった論争が続いてきた

くいくのでは？」と、否定するだけ応用出来るのではないかと言われ流れ始めたりすること等を明らかにとが出来ます。ゆらぎというのは、ステムを起ち上げられるのではなのです。

でなく超放射相転移を起こしうるています。さらに、暗黒物質の検しました。そうして、これが超放射

言い方を変えると量子力学的なゆいかと思います。

そうして幾度となく議論が繰り広事例が見えてきたのです。フラン

出にも活用出来るのではないか等

相転移に相当する現象であるといらぎになります。

げられていたのですが、2010年に、ス時代の教授は、超伝導物質かも言われることがあります。また、

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化学反応を促進させるという応用

今は基本の現象を明らかにしよういます。私としては、そういう取りればと思っていたわけですが、言

ただ、この超放射相転移が、非た。レーザー加工に使われているの仕方について、
デモンストレーショという段階であり、応用はその後組みをしようという動きの研究者もい方を変えると、未解明のものは

常に大きな可能性を秘めている現

光が何度なのかと聞くと「温度はンされた例もあり、期待が持たれの、また違うアプローチなどが重いる、という感じの程度に捉えてい超放射相転移ぐらいしか残されて象であるという思いは、大変強くありません、定義出来ません」とています。

ねられた上に起こってくるものでます。

いない、とも言えました。 今 は、

持っています。

いった答えが返ってくるという感じ

私自身は、量子計算や量子暗すよね。

号通信といった量子技術の方面、

動機は、光の分野で「未発見の新しい現象を解明しなければ」という思い

物理の研究者として、超放射相です。例外的に、炉の中で光を転移という現象がどうやったら起こ

超放射相転移の観測や解明が扱う研究については温度を話題にせるのか、どうやったら観測できる達成されるなど、研究が深まるこ

していましたが、基本的には光ののかということを、きちんと明らかにとは、物理学そのものにどのよう温度は重要な物とはされていませしていきたいと思っています。

なインパクトを与えるとお考えでんでした。

さらにはエネルギーの方面に活用

馬場

可 能ではないかと思っています。

験では、0.数ケルビンというような熱のエネルギーを直接光のエネル

低温下などであり、そもそものエネギーである電磁波に変えて伝送す

ルギースケールは小さいわけです。

超 放 射 相 転 移のように“未 知のる、また余剰な熱を光に変換する

そのような低 温 で 動く量 子コン現象”が現代もまだあり、そこにアカデミアに対し、性急に、どうといったようなことで、エネルギー

ピューターなどもあるわけですが、迫ろうというのは、言わば科学研役立つのかを求めてしまう社会馬場

相転移は100年以上の長できる状態に落とし込んで相転移問題へ貢献していけるような発展

例えば一般の室温のようなレベル

究の原点のようなロマンも感じまの風潮はありますよね。

きに亘って研究されている分野でさせるという現象が、超放射相転性を持つ現象だと思います。

で活用出来るようにとエネルギーをす。

すが、物質だけに絞っての議論

移なのです。その、非平衡と熱馬場 そうしたことに言及しないとや研究がほとんどでした。そこに、平衡を繋ぐ現象が見つかることで、馬場 ありがとうございます。しか

研究費の獲得が難しかったり、研

電磁波が入ってくるわけですので、

新しい科学的な発見や発想が起

例えば、火力発電から電気を得て光を作るという仕 組みでは、

例えば、話してきた私の実高めるのは、また別のブレイクス
ルーが必要になるでしょう。

しょうか。

そのように、多くの場合に温度が定義できない光を、今度は定義

熱エネルギーが光のエネルギーに

例えば超伝導の研究は、もともしながら、現実のジレンマのような究のポジションを得ることが困難

これによって研究の自由度が一気こって研究の領域が発展していくなるために、水を熱して水蒸気にとは低温下でしか起こりえない現事を感じるというのも正直なところだったりするジレンマは、色々な研に広がり、新しい現象の発見に繋ということはあるでしょう。

してタービンを回して電気を発生さ象と見られていたものが、高温超です。光の分野の研究は、今日、究者の方が感じていることかもしれがっていくようなことが期待出来ま

せ電球やLEDを光らせるという段

伝導という発見があり、活用され産業に直接的に役立っていく応用

ません。

す。

階を経る中で大きなエネルギーのる可能性の範囲は大きく広がりましの方が盛んだと言えます。光の技

まずしっかりと観測する、ようやく

そしてもう１つ、超放射相転移

ロスがあります。それを、超放射たよね。

術は産業化されているものが多く、それが達成されたとして、その次の研究と言うのは、熱平衡の物理

相転移を利用すると、熱のエネル

ちなみに、超伝導も、電子の産業界との繋がりが強いわけです。

の段階として、どのように制御すると非平衡な光を繋ぐ現象の研究でギーから直接、レーザー光のよう状態が変わって電気抵抗がゼロ

そうした中で、私は光と物質のか、それによってどういう技術に出あると言えます。

な光のエネルギーに出来るのではになるという一種の相転移によって相互作用を研究する光物性物理

来て、どのような形で社会実装さ光の研究は非平衡な状態を扱ないか、などを考えています。

起こっている現象です。

学という分野の理論研究者になる

れて社会に貢献出来るのかというう分野で、一方、熱力学は熱平のですが、この分野は、半導体

順番を経ていくので、社会実装を

衡状態を基本としています。これ

そのように可能性としては色んなことを想像するわけですが、前提

暗黒物質の検出に活用出来るのやＬＥＤなど近年の技術と近い分見据えるまでには、これから数十を少しかみ砕いて言うと、光の温として、現時点はそもそも観測されではないか、という事については、野です。昔は、なぜ半導体が発年をかけていく領域だとは思ってい度が何度であるのかは、基本的ていない未知の現象を明らかにしどうお考えですか。

光するのかという事を突き詰めたります。

にはあまり議論されてきませんでしようとする、基礎の段階であると考えてください。

する理論研究者がたくさんいまし馬場

この暗 黒 物 質の分 野は、たが、原理が分かってくると、こ暗黒物質が観測されたことがないの分 野の理 論 研 究 者は減ってだけに、色んな研究者が手を出しいって、例えば量子情報の分野

やすいとも言えるのです。暗黒物に移っていくというようなことを経て質は検出の方法すら模索されていきたわけです。

る段階ですので、電子と相互作

私は、今後の科学技術の発展用するかもしれない、光と作用すのために、光と物質の相互作用にるかもしれない、可能性はないとよって起こる、未だ発見されていは言えない、程度なのかなとも思ない何か新しい現象を研究しなけ

未解明の謎「超放射相転移」
社会と科学を革新する
可能性を秘めています

次号「科学の峰々」
では、引き続き
京都大学 白眉センター 特定准教授
馬場基彰先生にお話を伺います。