九州大学大学院理学府物理学専攻
２０２５年度 修士課程入試説明会資料
日時 令和５年５月２５日（土）場所 九州大学伊都キャンパス ウエスト１号館Ｂ棟２階 W1-B-２１１講義室 および Ｚｏｏｍ

Ｐｒｏｇｒａｍ
司会 光田暁弘 准教授
１３：３０-13:50 物理学部門の紹介および入試に関する説明（部門長 野村健太郎 教授 より）13:50-14:05 粒子宇宙論 （山本 一博 教授）＜研究グループ＞ 素粒子理論、理論核物理、量子宇宙物理理論、粒子系理論物理学
14:0５-14:20 粒子物理学 （若狭 智嗣 教授）＜研究グループ＞ 素粒子実験、実験核物理、粒子系実験
14:20-14:35 物性基礎論 （野村健太郎 教授）＜研究グループ＞ 物性理論、統計物理学、凝縮系理論、数理物理
14:35-14:50 複雑物性（木村 康之 教授）＜研究グループ＞ 複雑物性基礎、複雑生命物性
14:50-15:05 量子物性
（光田暁弘 准教授）
＜研究グループ＞ 磁性物理学、創発量子物性、光物性、固体電子物性
15:１5-

研究室見学 （対面参加の外部学生向け）

素粒子理論研究室
Elementary Particle Theory Group
素粒子理論とは
我々の研究室では、宇宙の基本構成要素である素粒子の理論的研究を行っています。この世界は何から出来ているのか。それらはどのように相互作用しているのか。それらの背後にある法則は何か。この法則のもとで宇宙はどのように進化しているのか。この様な「究極の疑問」に答えるべく、これまでの理論的・実験的研究を基に、より基本的な自然法則を見出そうというのが、素粒子理論の研究です。

素粒子標準模型に含まれる素粒子とその相互作用

前世紀初頭の相対性理論と量子力学の発見は、人類の自然認識を根底から覆しました。高エネルギーでの粒子の振る舞いは特殊相対性理論に従い、ミクロな領域の物理を考えるには量子力学が必須になります。素粒子物理学
では高エネルギーかつ微小な領域を扱うので、この二つの理論を同時に取り入れた枠組みが必要になります。それを実現するのが相対論的場の量子論です。この理論では、素粒子はすべて「場」で表され、素粒子は場の振動を量子化した結果として出現します。反粒子の存在もこの理論から自然に予言されました。
この場の量子論は、 特殊相対性理論と量子力学を統合した美しいものですが、重力相互作用をこの枠組に取り入れるには、一般相対性理論と量子力学とを統合する必要があります。この重力の量子化は古くからの難問ですが、この解決には、素粒子を 1 次元的な広がりを持った「弦」であると考える超弦理論が有望視されています。我々の研究は、この場の量子論や超弦理論などを用いて行われています。

フェルミオンであるクォークやレプトンは物質の基本構成要素です。
ゲージ・ボソン達はその交換によってそれぞれに対応する相互作用をつかさどります。唯一スピンを持たないヒッグス・ボソンは電弱対称性の破れと素粒子の質量に対して非常に重要な働きをすると考えられていますが、この粒子はごく最近ようやく発見されました。

素粒子物理学の現在
現在、素粒子物理学においては標準模型と呼ばれる理論が確立しています。この標準模型の柱の一つである
Glashow-Weinberg-Salam (GWS) 理論は、電弱相互作用を記述する理論として 1970 年代初頭に提案されました。この理論は 100GeV 程度の大きさを持ったパラメタを理論のスケールとして含みます。当初は 100GeV と言うのは実験的に未到達の領域でしたが、1983 年に弱い相互作用を媒介する約 100GeV の質量を持った W ボソンと Z ボソンが発見され、GWS
理論の正しさは決定的になりました。さらに 1995 年には最後のクォークであるトップ・クォークも発見され、同時期にLEP 加速器などにより標準模型が量子効果も含め正しいことが確かめられました。
標準模型の完成に最後まで残されたのはヒッグス・ボソンの発見でした。
2010 年に本格的に稼働をはじめた LHC において、2012 年 7 月に約125GeV の新粒子が発見され、2013 年の 3 月にはその新粒子のスピンなども測定されこの粒子はヒッグス・ボソンであるようだと発表されました。
このヒッグス・ボソンの発見により、100GeV 程度のエネルギー・スケールまでの物理法則がようやく実験的に確立したことになります。この標準模型の確立は人類の新たな知識の獲得ですが、標準模型自身には理論的に不満足な点も多く見られます。

2015 年からはエネルギーを約 2 倍にしての LHC 実験が行われ、新しい結果も報告されています。また、日本が有力な候補地として挙げられている
ILC の建設計画も進められています。これらの実験によって今後は標準模型を越えたエネルギー領域が切り開かれていくことになります。一方で、標準模型を越えた物理の探求には、その理論的に深い理解、新しいアイデ
アの創出が欠かせません。標準模型を越えた物理「Beyond The Standard
Model」を探す今、既存の理論の枠にとらわれない柔軟な思考が求められています。

以降では、我々の研究室の研究テーマの一部を紹介します。

I 場の量子論の非摂動論的研究
場の量子論の方程式は、無限大の変数を含む非線形方程式であり、物理的に興味のある系に対してその厳密解を求めることは通常不可能です。場の量子論の系統的近似法としては、場をさざ波の重ね合わせで近似する「摂動論」が代表的なもので、場の量子論の摂動論的定式化はよく理解されています。また、この摂動論的量子化の立場からは、素粒子の存在が自然に導かれます。
一方、強い相互作用におけるカイラル対称性の自発的破れやトンネル効果など、自然界にはこの「摂動論」では、理解できない現象が確かに存在することも知られています。こうした「非摂動論」的な現象を第一原理から研究するには、場の量子論の非摂動論的定式化とそれに基づいた解析が必要です。
実は、驚くべきことに、素粒子標準模型自身、その非摂動論的定式化は知られておらず、標準模型の非摂動論的定式化を見出すことは素粒子理論の大きな課題になっています。この問題は、量子効果によって古典力学の対称性が破れるアノマリーという現象と深く関連しています。また、従来の素粒子
模型は、摂動論的な描像に基づくものが主でしたが、今後は場の量子論の非摂動論的ダイナミクスを本質的に用いた素粒子模型が重要になる可能性も大いにあります。こうした、場の量子論の新しい可能性、未踏の地を切り開くような理論的・数値的研究を精力的に行っています。こうした研究には大学院生の方にも全面的に参加してもらっており、多数の共著論文を発表しています。右記のグラフは、大学院生による超弦理論の場の理論的記述の研究に関連するものです。

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0
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ap0

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2

3

4

II 素粒子現象論
現在、実験的に検証されている限りで最も基本的な物理理論は標準模型と呼ばれるものであり、約 10 のマイナス 18 乗メートル（原子核の 1000 分の 1）の大きさまでの物理を正しく記述します。2012 年にはヒッグス粒子が発見され、LHC
実験の最先端はヒッグス粒子の精密検証のフェーズへと移っています。一方で、実験・観測の進展により標準模型を超えたさまざまな現象が見つかってきています。なかでもニュートリノがゼロでない微小質量をもつことや暗黒物質の存在す
ることは疑いないものとなっており、その起源を明らかにすることがますます重要になってきています。
特に我々は標準模型において全ての粒子の質量の起源となっている「電弱対称性の破れ」がどのように実現されているのかに興味を持って研究しています。標準模型においてヒッグス粒子の質量はパラメタですが、発見されたヒッグス粒子の質量は理論的に “自然な” 値ではありません。この標準模型に内包された問題が電弱対称性の破れの起源に強く結びついていると考えられています。我々はそのような物理が何であるかについて想像を巡らし、それを実験や観測からどのように検証すればよいのかを考察しています。また比較的新しい考え方である、超高エネルギーでの境界条件による理解など
April 23, 2021
新しい可能性についても模索しています。
ニュートリノ研究は日本が世界をリードする分野ですが、ニュートリノの質量の起源は未だに明らかとなっていません。大統一理論や暗黒物質との関係を含めてさまざまな可能性が議論されています。また、暗黒物質の検出を目指す実験が多数行われていますが、より強い制限が更新され続けており、これまでに想定していなかった新しいタイプの暗黒物質が注目を集めてきています。右記のグラフは、そのような暗黒物質を予言する大統一理論の予言を示したもののひとつです。こ
こ数年は新しい実験結果や観測データが続々と発表されることが期待されており、活気に満ちた研究分野となりつつあり
ます。

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30
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10
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107

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1015

log10 MI [GeV] = 10.9077 ± 0.0877236,
log10 MU [GeV] = 16.5062 ± 0.155034,

1019

III 超弦理論に基づく素粒子現象論・宇宙論
自然界で観測されている 4 つの力（重力・電磁気力・強い力・弱い力）を量子論的に記述する統一理論の最有力候補が「超弦理論」です。超弦理論は、我々が認識している 4 次元（空間 3 次元＋時間 1 次元）に加えて 6 次元の余剰次元空間を予言します。この余剰次元空間は観測されない程度に小さくコンパクト化されていると考えられています。超弦理論の誕
生後 36 年以上、カラビ-ヤウ（CY）多様体をはじめとする膨大な数の 6 次元コンパクト空間が調べられてきましたが、未だコンパクト化のルールの全貌は不明であり、素粒子標準模型の導出には至っていません。6 次元 CY 多様体は少なくとも約 1 億個存在し、CY 空間毎に電場や磁場、様々な次元を持ったブレーン（膜）等の新たな力学的自由度が導入可能なことが明らかになってきました。そのため，この超弦理論が示唆する「ビッグデータ」の中から、一つ一つ我々の住む真空（宇宙）を探し尽くすことは困難であると思われています。
そこで、日進月歩で発展が進む機械学習を超弦理論に現れる
ビッグデータに活用する試みが、2017 年 6 月のほぼ同時期に
4 つの研究グループより始まりました。その後、ビッグデータの中から有意な情報の抽出や数値計算のコスト削減といった、機械学習の超弦理論への応用研究が発展しています。我々も超弦理論に現れる 6 次元コンパクト空間とその真空構造の探索手法として、近年発展が著しい機械学習・深層学習を用いた研究も行っています。
（左記のグラフは、オートエンコーダと呼ばれるニューラルネットワークになります。）

6 次元コンパクト空間の幾何学量や幾何学的対称性は、素粒子の世代数、世代構造、結合の強さ、CP 対称性の破れ等を決定します。我々は、6 次元コンパクト空間の持つ豊かな幾何学的構造に注目し、超弦理論に基づく素粒子現象論・宇宙論を研究しています。ここ数年は、トーラスやカラビ-ヤウ多様体のもつモジュラー対称性に注目し、素粒子のフレーバー及び CP 構造に関する研究も行っています。

IV 量子重力・量子多体系・量子情報の融合領域における理論的技術の開発・応用
現代の素粒子論へのアプローチの一つに AdS/CFT 対応（あるいはホログラフィー原理）があります。AdS/CFT 対応とは、AdS 時空上の量子重力理論と共形場理論（臨界点上の量子多体系）の対応関係です。この対応関係を用いて量子重力の問題を量子多体系の問題に翻訳することで、量子重力単体を眺めているだけでは得られなかった様々な知見を得ることができます。特に、量子多体系の問題に翻訳する恩恵として「共形ブートストラップ（図参照）」と呼ばれる強力な非摂動的解析手法が使える事が挙げられます。実際この共形ブートストラップによって、我々は量子重力理論上の物質の性質を明らかにする事に成功しています。
逆に、量子多体系の性質を重力理論の技術を用いて解析するという方向性も考えられます。一般には、共形対称性を用いることで臨界系上の解析計算を簡単化できるため、AdS/CFT
対応に頼らなければならない場面は少ないように思えます。
しかし、界面や境界などの拡がった物体が存在する場合、既存の強力な手法が使えなくなり、解析手法の変更・改善が求められます。こうした場面において AdS/CFT 対応は強力なツールとなり得ます。実際、我々はこの分野横断的手法により、臨界系に関する重要な知見を得ることに成功しています。

共形ブートストラップのアナロジーとしての数独

また近年では、この AdS/CFT 対応に量子情報論的視点を持ち込む分野横断的研究が発展しています。この理由は、量子多体系上の量子情報量が重力理論の幾何と密接に関係しているためです。特に「エンタングルメント・エントロピー」と呼ばれる情報量に関しては重力側の幾何学的量との関係が良くわかっており、ブラックホール情報喪失問題やホログラ
フィ原理そのものの理解に大きく貢献しています。本研究室では、こうした量子情報と幾何の関係の更なる理解、特にエンタングルメント・エントロピーを超えた新たな関係の発見・応用を目的とした研究を行っています。

V 一般化された対称性
我々の日常生活に馴染みのある対称性といえば、例えば図形の対称性です。図形に特定の操作を施してできる新しい図形
が元の図形に一致する場合、図形には対称性があると言います。正方形は九十度回転に対して不変であるので九十度の回転対称性があり、円形は任意の回転に対して不変であるので連続的な回転対称性があります。このような通常の対称性には数えきれないほど多様な種類があるものの、その中には重要な共通点が一つあります。それは、いずれも「群」をなすことです。数学において「群」というものは、「元」と呼ばれる要素の集合と、その集合の上の「合成」と呼ばれる二項演算です。対称性の言葉に訳すと、群の元が一つ一つ対称変換（回転、平行移動など）を表し、そして合成が逐次実行という意味になります。例えば円形の回転の場合、任意の角度 θ の回転に対応する元 gθ があります。角度 θ1 で回転して、それから角度 θ2 で回転すると、結果は角度 θ1 + θ2 の回転と等しい、つまり gθ1 と gθ2 の合成は gθ1 + gθ2 になります。ここまでの話は至って直感的なものでしたが、量子力学の世界に迷い込むと、この常識が一変されます。量子力学の一つの重要な特徴は、「重ね合わせ」と言うものです。重ね合わせというのは、二つの異なる状態が同時に存在する現象です。生きている状態と死んだ状態が重なり合って存在しているシュレディンガーの猫は有名な一例でしょう。この奇妙な現象を先の話に導入すると、次のような状況が考えられます。角度 θ1 で回転してから角度 θ2 で回転すると、結果は θ1 + θ2 の回転だけではなく、例えば θ1 + θ2 の回転と θ1 − θ2 の回転の重ね合わせとなります。この量子力学独特の状況が、前述の群の枠組みにはまりません。数学の言葉で言うと、この対称性が群ではなく、「環」もしくは「圏」をなします。このような「圏論的対称性」をより深く理解することは現代物理の大きな目標の一つです。

素粒子理論研究室を目指す方に素粒子理論研究室について
大学院に入学して最初の一年は、ほぼ場の量子論の勉強に費やされます。 通常、M1 のゼミでは場の量子論の標準的なテキストを用いて、素粒子標準模型の理解を目標とします。 M1 の終わり頃、各人の興味にしたがって研究内容を選びます。 素粒子理論の分野の研究は高度に技術的なので、修士論文は必ずしもオリジナルな研究である必要はないのですが、最近は最先端の研究を自分で行った修士論文も多いです。
日常的な研究活動としては、他大学から講師を招いて講演をして頂く「セミナー」、 最近の興味深い文献を研究室のメンバーが紹介する「文献紹介」などが行われています。 その他にも、特定のテーマについて興味を持った人たちが集まって自主的なゼミをしたり、研究のための議論を日常的にしています。
修士課程修了時の就職状況は良好で、希望職種に順調に就職しています。博士課程では、博士号を取得後、さらに研究者への道を志すこともできますし、最近では企業や官公庁への就職状況も良好です。
最近の修了生の研究テーマ
格子ゲージ理論における磁気的物体の構成
トロイダルオービフォールド上の超弦理論におけるモジュライ場の真空構造の解明
質量殻外暗黒ヒッグスの寄与による暗黒光子生成の FASER における探索
格子ゲージ理論における分数トポロジカル電荷
機械学習で探る素粒子のフレーバー構造
フレーバー構造で探る暗黒物質
ベクトル型ゲージ理論に対するゲージ不変な厳密くりこみ群方程式
超対称ランダウ・ギンツブルグ模型の赤外臨界点の数値的研究

S 1 コンパクト化された時空における赤外リノーマロンの考察
標準模型の偶発的対称性と PQ 対称性
令和 6 年度 九州大学大学院 理学府 物理学専攻 大学院入試説明会
素粒子理論研究室 https://sites.google.com/view/kyushu-het/home

理論核物理 研究グループの紹介「理論核物理」研究グループは理論物理の研究室の 1 つで、教授 1 名、准教授 1 名、特任助教 2 名、大学院生 5 名、学部 4 年生 3 名で構成されています。理論核物理学の研究対象は広いのですが、現在のスタッフが主にカバーしているのは、原子核反応論と原子核構
造論という分野です。この 2 つの分野の特徴を活かして、原子核に存在する複雑な量子系の多体のダイナミクスを研究しています。
理論核物理が目指すもの
まず、理論核物理の基本的な目標を明確にしておきましょう。それは、陽子と中性子(総称して核子) からなる複合粒子系の在りよう (構造) と変転 (反応) を解明することです。
そう聞くと、次のような疑問をもつ人がいるかもしれません。
陽子や中性子がクォークからできていることはとっくに知られているのに、なぜそれらを基本粒子として扱うのですか？それに、核子と核子の相互作用はよ
くわかっているのだから、単にそれらが集まっただけの原子核に謎なんてないのではないですか？
答えは簡単です。基本構成要素と基本相互作用が完璧にわかっていても、その構成要素が複数集まったときの振る舞いは予想できないからです。たとえば、バナナやハートの形をした原子核の存在が予言されていますが、誰もそれが本当かどうか知りません1 。あるいは、原子核の中に、葡萄の房のような小さな原子核 (クラスター) がたくさん浮かんでいるという説もあります。こういったことを考えると、原子核は「核子が単に集まったもの」とはまったく異なることがわかると思います。核子という単一の構成要素が多数集まった系は、大変豊かな物理と未知の性質を内包した、とても興味深い研究対象なのです。
原子核は我々の身近なところにも関係します。夜空を彩る星たちを輝かせているのは、
原子核の変化です。我々の周りにある元素は、主に星の中で、宇宙の始まりから現在までの間に、原子核の反応によって生み出されたものなのです。さらに、危険性の高い放射性廃棄物を現実的な時間とコストで消滅処理する、いわゆる核変換の研究も、突き詰めれば原子核の変転の解明に他なりません。原子核の研究は、天の物理とも社会の物理とも繋がっているのです。
最近の研究からでは、本研究室が取り組んでいる具体的な研究テーマをいくつか紹介しましょう。

(1) 量子だるま落とし反応を用いた原子核の全貌解明
先ほど述べた、原子核の豊かな構造を解明する手段として近年注目されているのが、ノックアウト反応です (図 1 左)。これは、量子の世界におけるだるま落としにたとえられる反応で、主に高いエネルギーをもった陽子のハンマーで原子核を勢いよく振り抜き、原
1

そもそも原子核が存在する極微のスケールで形をどう定義するのかということ自体、面白い問題です。

子核の構成要素 (様々な粒子) を叩き出して捕まえます。観測した粒子の運動量分布を量子力学で分析すると、もとの原子核の中にその粒子がどのくらい存在して、どのように運動していたかがわかるのです。ごく最近、重い原子核の中にいる α 粒子 (4 He 原子核) を初めて観測した仕事が Science 誌に掲載されました。

図 1: 量子だるま落とし反応で原子核の真の姿を暴く「おのころプロジェクト」。
一連のノックアウト反応研究は「おのころプロジェクト」と名付けられ、実験・理論の協力の下、推進されています。この名前は、古事記の国生み神話で日本発祥の地とされる「自凝島」からとられています (図 1 右)。私たちのグループは、このプロジェクトで、ノッ
クアウト反応の理論的な分析を担当しています。特に力を入れているのが、脆い粒を原子核から叩き出す反応の記述です。ガラス製のだるま落としを叩いたらどの程度ガラスは砕けるのか？また、砕けたガラスから、どうやってもとのガラスパーツの情報を引き出すのか？ 量子力学的散乱理論を駆使して、これらの問題に取り組んでいるところです。

(2) 核変換と元素合成への挑戦
放射性廃棄物の問題の話をします。原子力発電所でつくられる核廃棄物、特に 10 万年を超える期間にわたって管理が必要な長寿命放射性廃棄物の処理は、人類にとって極めて重要な課題です。この問題に対して、原子核反応を利用して核廃棄物の放射性レベルを低減化する試みがなされています。近年注目されているのが、重陽子を用いた処理です（図2 左）。重陽子は、電荷をもっているために加速器でのコントロールが比較的容易である
上、陽子と中性子に分解しやすいという特徴があります。中性子は電荷をもたないため、標的核に深く侵入し、高い確率で核変換をおこすことができると考えられています。
理論的には、分解の自由度を含めた重陽子の反応の記述が不可欠になります。九大グ
ループが独自に開発した計算手法「離散化チャネル結合法 (CDCC)」はこの手の分解反応を最も精度よく記述できます。現在は、核変換に必要とされる反応 (標的核が様々な核種に変化する過程) にも適用するために、新しい核反応モデルの構築を目指しています。この研究を通して、効率的な核変換技術開発に貢献したいと思っています。

図 2: (左) 廃棄物の基本的な処理方針は、地中での保管です。重陽子を用いた核変換が、新しい道を提示しようとしています。(右) 重元素を生成する中性子捕獲過程は、中性子星
合体時におきると考えられています。このとき、反応サイトに存在する大量の中性子は、
中性子捕獲過程にどう影響するのでしょうか？

今度は宇宙の元素合成の話をしましょう。地上にある金 (の一部) やウランは、原子核による中性子の捕獲と β 崩壊が、短時間で繰り返される過程によって生成されたと考えられています。その過程がおきる場所に関する学説が、この 10 年で大きく変わりました。
現在、この過程は、中性子星同士の合体時におきると考えられています。しかし考えてみてください。中性子星の合体時、その場所には大量の中性子がいるはずです（図 2 右）。
原子核が中性子を捕まえる反応において、周辺の中性子はどんな役割を果たすのでしょうか？私たちは最近、この環境中性子が反応中性子を加速し、元素合成の確率を有意に変化させ得ることを突き止めました。さらに、中性子星にある中性子を大量に含んだ特異な原子核の β 崩壊率を、機械学習を用いて系統的に予測することにも成功しました。これらの成果を一般化し宇宙元素合成ネットワーク計算に組み込むことに現在取り組んでいます。

(3) 原子核内で起きる弱い相互作用の物理
地上には絶えず宇宙から様々な粒子が降り注いでいます。たとえば太陽で作られたニュートリノは１秒間に我々の体を何百兆個も通り抜けています。高エネルギーの陽子が大気と反応して生成される二次宇宙線のミューオンは、１秒間に何百個も人体を通過しています。そのようなニュートリノやミューオンが原子核と反応するといったいどうなるでしょう？単独で存在する陽子・中性子がニュートリノとミューオンと反応する現象は比較的よく理解されています。しかし、原子核は陽子と中性子から成る多体系であるため、単独で存在する陽子・中性子との反応とは全く異なる振る舞いを示します。例えば、野球のホー
ムランボールが観客席に落下して、落下地点付近の観客がボールを取り合うことを想像しましょう。ガラガラの観客席だと、観客同士の接触はあまり起きません。しかし、混雑する観客席にホームランボールが飛んで来たら、観客同士の接触 (相互作用) が発生しやすくなります。それだけではなく、ホームランボールがライナー性 (速い) だったり放物
線 (ゆっくり) だったり、その性質によっても観客同士の接触の頻度は変わってくることが想像できると思います。このような観客の振る舞いを、原子核の世界では核子の『集団運動』と捉えて活発な研究が行われています。我々は、ニュートリノやミューオン、電子などのレプトンと原子核の反応研究を行っており、この分野で世界をリードしています。

(4) 原子核反応を基軸とした量子系の時間階層進化の研究
最後に少し毛色の違う話を紹介しましょう。一口に原子核反応といっても、実はその対象は千差万別で、時間スケールでいえば 10−23 秒から 10−16 秒という極めて広い範囲にわたる現象を研究の対象としています。この時間の開きは、1 秒と 1 年に相当します（下図)。

反応のプロセスは、経過時間 (反応の進行度) に応じて、直接過程、前平衡過程、複合
核過程に大別されます。ここで面白いのは、直接過程から前平衡過程に至るとき、系の量子性が一部失われているようにみえることです。具体的には、放出粒子がどの角度にどの程度飛んできたかをみたとき、直接過程では干渉縞模様がみられ、前平衡過程ではこれが消失するのです。縞模様は、原子核の異なる場所で反応がおきるプロセスが干渉していることの証左ですから、縞模様が消失するということは、この干渉性 (量子力学の重要な特質) が失われているということです。さらに、より反応が進行した複合核過程となると、系の時間発展は古典的なランジュヴァン方程式によく従うことが知られています。反応の進行度 (時間の経過) に応じて系の量子性が変化していく様子を、私たちは「時間階層進化」と捉え、幅広い分野の研究者たちとこの物理について議論しています。
最後に本研究室では、原子核という核子多体系の性質を、原子核反応を武器に調べています。
特に重視しているのが、実験で観測されるデータを正しく解釈することです。新しい物理
を高い確度で引き出すべく、日々、理論を磨いています。国内外の実験研究者との議論も活発に行っています。
一般に研究を始めるには、数多くの基礎勉強が必要です。しかし一方で、基礎勉強ばかりでは、自分が研究に向いているかどうかの判断ができません。本研究室の方針は、一刻も早く研究 (の入り口) を体験してもらうというものです。ただしこれは、基礎勉強を疎かにしてよいということではありません。研究に必要な基礎勉強は、基本的に自身で行う必要があります。研究活動を、基礎勉強をする動機付けにしてもらえればと考えています。
本研究室は、自律的で意欲をもった学生の皆さんを歓迎します!

九州大学 量子宇宙物理理論研究室
山本一博, 菅野優美, 松村央, ギャロック芳村健佑
ホームページ：https://cosmologykyushu.wixsite.com/index
E メール：yamamoto@phys.kyushu-u.ac.jp, kanno.sugumi@phys.kyushu-u.ac.jp,
matsumura.akira@phys.kyushu-u.ac.jp, gallockyoshimura.kensuke@phys.kyushu-u.ac.jp

当研究室では，宇宙物理分野の中でも宇宙論と重力に関するテーマの研究を進めており，宇宙の始まりと進化、そして宇宙を支配する物理の基本原理の検証を目指しています。最近
は、特に量子情報科学と宇宙・重力の融合研究を精力的に推進しています。現在，スタッフ
４名，大学院生 9 名、学部生４年５名が在籍しています。

量子情報科学と宇宙・重力 : 量子もつれを利用して量子状態を伝達する量子テレポーテーショ
ンが衛星を用いた地球規模の実験で成功するなど、量子情報科学分野は、次世代の量子通信や量子計算への応用を目指して急速に発展しています。この分野の急速な発展は、ブラック
ホールの情報喪失パラドクスや量子開放系のダイナミクスといった理論物理学の原理的問題に対しても非常に大きな影響を与えています。実は、重力が量子力学に従うのかどうかまだ誰も検証していませんが、量子もつれを使うと検証が可能になるかもしれません。ノーベル物理学賞を受賞したファインマンは、1957 年に重力の量子性を検証するための思考実験を提案しました。これまで単なる思考実験でしたが、最近の量子制御技術の発展は、それを量子重力のテーブルトップ実験として可能にしつつあります。この問題は、宇宙論にも重要です。
重力場は、一般相対性論では空間の歪みなので、重力が量子力学に従うならば、空間の歪みの量子力学的な重ね合わせ状態ができることになります。

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ファインマンの思考実験

1
p (|LiA ⌦ |RiB + |RiA ⌦ |LiB )2

時間発展|RiB③重ね合わせ状態の重力により<latexit sha1_base64="mTgVWeS1306IOjrHdwp0RR1cHvU=">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</latexit>

￨L A

￨R A

|LiB
<latexit sha1_base64="EVqJ9d2eRVVd3/xdtoH9lqrl0Rc=">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</latexit>

粒子 B も量子的重ね合わせ状態となり、AB 間に重力による量子もつれ（重力量子もつれ）が生まれると予想。

￨L A

￨R A

②粒子 B を近づける。

① 量子的重ね合わせ状態の粒子 A を用意すると、重力場も量子的重ね合わせになるはず。

下の図（左）は、粒子の量子重ね合わせ状態が作る重力ポテンシャルの重ね合わせ状態を表しています。量子もつれは、量子相互作用によってのみ生まれるので、重力相互作用によってもし量子もつれが発生することを検出すれば、重力が量子力学に従うことが検証できるのです。下の図（右）のようなオプトメカを利用したその検証可能性や重力場の量子論への示
唆など理論的に広く研究しています。

鏡１

レーザー
光源

鏡２

同相モード

差動モード

宇宙論：宇宙の始まりには，インフレーション期とよばれる加速膨張の時代があり，現在の宇宙の大域的構造を決定し，さらに宇宙の大規模構造はインフレーション期の量子揺らぎによって生み出されるというシナリオが標準模型となっています。Ia 型超新星や大規模構造等の観測により，現在の宇宙は新たな第２の加速膨張の時代にあることもわかっています。下の図は、そのような宇宙進化を模式的に表現した図です。宇宙の加速膨張の起源，暗黒物質の起源は何か。宇宙の構造の起源は本当にインフレーション期の時空の量子ゆらぎなのか。
観測的宇宙論を通した宇宙模型と重力理論の検証、曲がった時空上の場の量子論や量子情報科学を応用した宇宙と重力の根源的な問題について研究を進めています。

A

(
A

A
Y
A

2

A

)

A

Y

)

曲がった時空上の場の量子論：インフレーション期に量子揺らぎは引き伸ばされて，宇宙の構造の起源や原始重力波を作り出すと考えられていますが、この他にも真空の量子揺らぎは多様な物理現象を予言します。例えば，加速運動する観測者から真空状態を見ると，加速度に比例する温度で熱的励起した状態に見えるという理論予言はウンルー効果とよばれています。この予言は、ブラックホールの蒸発を予言するホーキング放射と対応関係があります。
これらの予言は、真空が時空の部分的領域に構成される量子状態の量子もつれ状態として記述されるという真空の持つ非局所相関と深く結びついているので，その構造や検証可能性を調べています。
宇宙の加速膨張の起源：アインシュタインが導入した宇宙項は，現在の加速膨張宇宙を説明する標準模型となっていますが、究極理論である超弦理論からは，負の圧力を持つダイナミ
カルなエネルギー成分であるスカラー場が起源である可能性が示唆されています。加速膨張を引き起こすこのようなエネルギー成分が観測可能な宇宙のスケールより大きなスケールで空間的に非一様な新しい理論模型の観測的帰結を調べ、加速膨張宇宙の起源を探求しています。
インフレーション宇宙：プランク衛星の観測から、宇宙背景放射の温度揺らぎに統計的非等方性が存在することが示唆されています。この統計的非等方性を説明するインフレーション
モデルの研究を行っています。また、インフレーション理論によると、宇宙の大規模構造や宇宙背景放射の温度揺らぎは量子揺らぎが起源です。しかし、本当に量子揺らぎが起源だったのかは証明されていません。原始重力波は、この量子揺らぎから直接生成されます。そこで原始重力波の量子性の検証を行うことでインフレーション理論の証明を目指しています。

最近の論文等ü

量⼦系が作る重⼒とその検証への歩み, 松村央，南部保貞，⼭本⼀博, ⽇本物理学会誌 第 79 巻
第 5 号 224-229 (2024)

üQuantum signature of gravity in optomechanical systems with conditional measurement, D.Miki,
A. Matsumura, and K. Yamamoto, Physical Review D 109, 064090 (2024)

üViolation of the two-time Leggett-Garg inequalities for a coarse-grained quantum field, M. Tani,
K. Hatakeyama, D. Miki, Y. Yamasaki, K. Yamamoto, Physical Reivew A 109 032213 (2024)

üClassical gravitational effect on the standard quantum limit of finite-size optical lattice clocks inestimating gravitational potential, F. Nishimura, Y. Kuramochi, K. Yamamoto, Physical Review
A 108 063112 (2023)

üQuantum uncertainty of gravitational field and entanglement in superposed massive particles,
Y. Sugiyama, A. Matsumura, and K. Yamamoto, Phys. Rev. D 108, 105019 (2023)

üEnhancement of quantum gravity signal in an optomechanical experiment, Y. Kachu, T. Fujita,
A. Matsumura, Phys. Rev. D 108, 106014 (2023)

3ü

Circularly polarized gravitational waves in Chern-Simons gravity originated from an axion
domain wall, S. Kanno, J. Soda, A. Taniguchi, Phys. Rev. D 108, 083525 (2023)

ü

A peak in the power spectrum of primordial gravitational waves induced by primordial darkmagnetic fields, S. Kanno, A. Mukuno, J. Soda, K. Ueda, JCAP05(2023)052

üReduced dynamics with Poincaré symmetry in an open quantum system, A . Matsumura, Phys.
Rev. A 108, 042217 (2023)

ü

Effective description of a suspended mirror coupled to cavity light: Limitations of Q enhancement
due to normal-mode splitting by an optical spring, Y. Sugiyama, T. Shichijo, N. Matsumoto, A.
Matsumura, D. Miki, K. Yamamoto, Physical Review A, 107, 033515 (2023)

ü

Generating quantum entanglement between macroscopic objects with continuous
measurement and feedback control, D. Miki, N. Matsumoto, A. Matsumura, T. Shichijo, Y.
Sugiyama, K. Yamamoto, Physical Review A 107, 032410 (2023)

üImpact of quantum entanglement induced by magnetic fields on primordial gravitational waves,
S. Kanno, J. Soda, K. Ueda, Phys. Rev. D 107 063503 (2023)

ü

4

Anisotropic warm inflation, S. Kanno, J. Soda, K. Ueda, Phys. Rev. D 107, 063503 (2023)

THEORY OF SUBATOMIC PHYSICS AND ASTROPHYSICS

粒子系理論物理学研究室
スタッフ：原田恒司、大河内豊、小島健太郎、中里健一郎、福井徳朗研究室HP: https://physicsthkyushu.wixsite.com/mysite

この研究室は2017年4月に発足しました。スタッフはすべて基幹教育院に所属しています。また、2024年4月現在、大学院生として博士課程3名と修士課程5名が所属しています。
当研究室では、素粒子理論（場の理論や超弦理論）、原子核理論、天体・宇宙理論など、多角的視点で理論物理学の研究を行っています。相対性理論をきっかけに「宇宙の進化」が研究されるようになり、
宇宙は静止することなく、劇的な変化を繰り返して現在の姿に行き着いたことが明らかとなりました。
また、最近の宇宙観測から、宇宙には``見えない部分''（ダークマター・ダークエネルギー）が存在することが指摘されています。我々は、宇宙に潜む数多くの未知に理論的アプローチで挑戦しています。

ACTIVITY

セミナーや文献紹介

主体的な研究姿勢

研究室では定期的にセミナーや文献紹介などを研究室での最も重要な活動は、研究室のメンバー

行っています。発表者には非専門家にもわかりやのサポートを受けながら、学生が主体的に研究をすい言葉で最新の研究成果を発表してもらい、そ進め、成果をまとめていくことです。研究成果をれをもとに参加者で活発に議論します。

もとに修士論文・博士論文を作成するだけでな

ゼミ形式の勉強会
修士１年次には、研究の基礎となる知識を得るた
め、場の理論や宇宙論のテキストなどを学生が中心となって読み進めるゼミを実施します。それ以外にも、問題意識を共有したメンバーが集まって自主的なゼミを開催する場合もあります。ゼミを通じて、物理の理解だけでなく表現力・批判的思考力を養っていきます。

く、それらを非専門家にもわかりやすく伝え、社会へと還元していくこと（アウトリーチ）が期待されます。この点は学部での学習と大きく異なり
ますが、研究室のメンバーがしっかりとサポート
していきます。また、当研究室では、アクティブ
ラーナーの育成に主眼が置かれているため、自主的に指導教員に議論を持ちかけたり、積極的に成果を他大学や学会で発表するなど、学生の自発的な行動を歓迎します。

THEORY OF SUBATOMIC PHYSICS AND ASTROPHYSICSRESEARCH TOPICS AND QUESTIONS
超弦理論
超弦理論はアインシュタインの一般相対性理論と量子力学を両立させる量子重力理論です。この2つの要請を4次元時空の理論で実現することはまだできておらず、時空を10次元に拡張した超弦理論が唯一の候補と言われています。この理論の時空は10次元であることから余剰な6次元が存在しますが、この6次元を十分小さなスケールにコンパクト化することで、実際の観測結果と矛盾することのない理論が得られます。また、この余剰な次元の振る舞いに応じて、4次元に生じる理論が異なり、その自由度を利用することで、標準模型を弦理論

超弦理論には紐の他にDブレーンと呼ばれる高次元の物体が存在します。それを用いたゲージ理論の閉じ込め問題へアプローチ。Phys.Rev. D87(2013) no.4, 045006 より引用の枠内で構成することも可能となっています。量子化された重力理論が必要になってくるのは、極めて重力の作用が強くなる、ブラックホールの特異点付近や、宇宙の創生の時期です。こうした物理現象を真に理解するためには、量子化できる重力理論が必要です。

余剰次元模型超弦理論が10次元の時空の存在を示唆するように、この自然界には、4次元目以上の空間次元である「余剰次元」が隠されているかもしれません。余剰次元を持つ場の理論は興味深い性質を持ちます。例えば、
局所的なローレンツ対称性が拡大することで、フェルミオンやゲージ場などの性質が4次元時空の場合とは異なります。また、余剰次元にの幾何学と低エネルギーに生じる粒子スペクトルが関係します。こうした性質を通じて、余剰次元が素粒子物理学や宇宙論における未解決の問題を解く鍵を与える可能性がある
ため、さまざまな余剰次元模型を構築し、その性質や予言や検証可能性を調べることが重要となります。

素粒子論的宇宙論
観測結果から、宇宙は昔に遡るほど、物質は密になり、温度は高くなり、そして、宇宙は小さくなります。宇宙が誕生した直後では、量子力学的なサイズであり、それがインフレーションによって指数関数的に膨張したと理解されています。このインフレーションとその後の宇宙の発展は、素粒子論と密接に関わっていて、粒子がどのような結合を持ち、どのような性質を持つかによって宇宙の発展が支配されます。現在の宇宙には物質のみが存在し、反物質は自然には存在しませんが、その非対称性を生み出す
メカニズムを理解するためにも素粒子論は不可欠です。またダークマターの存在も実験から示唆されていますが、その物質の素粒子論的性質も宇宙の創生を知るうえで重要です。

宇宙紐と呼ばれる物体同士の衝突により、別の宇宙が内部に生成されている様子。JHEP 1401 (2014) 165より引用

THEORY OF SUBATOMIC PHYSICS AND ASTROPHYSICS
超対称ゲージ理論と双対性
双対性は、90年代に大きく進展した理論間の対応関係です。2つの異なる理論の間に対応関係が見つかったとすると、その関係を用いて、ひとつの理論である問題が解けなくても、もうひとつの理論でその問題を解くことが可能となります。このように、双対性は極めて強力な手法です。一般に、双対な理論を見つけることは非常に難しい問題です。超対称性を保つ理論では、この双対関係を調べやすく、その結果として、ゲージ理論の強結合領域におけるダイナミクスや真空の相構造の理解ができるようになりました。これらの結果から強結合領域では閉じ込め現象に限らず多くの興味深い相が現れることが理解され
ました。

超新星爆発
太陽より約10倍以上重たい星は、その進化の最後に自らの質量を支えきれなくなり重力崩壊します。その結果、超新星爆発が起こって中性子星が残されたり、ブラックホールが形成されたりすると考えられていいます。しかし、その全容が理論的に解明されたとは言い難いのが現状です。重力崩壊した星の中心部では非常に高密度な状態となり、原子核や素粒子といった微視的な物理過程が爆発のダイナミクスにあらわ
な影響を与え、同時に大量のニュートリノを宇宙空間に放出します。よって、この現象を正しく理解するためには、大型検出器によるニュートリノの観測とともに、粒子系物理学に基づく理論研究が不可欠です。

ニュートリノ天文学
超新星爆発をはじめとする種々の高エネルギー天体から放射されるニュートリノは、天体内部の情報のみならず宇宙における天体進化の歴史や、素粒子としてのニュートリノの性質についての情報をも我々にもたらします。また、過去に起こった大質量星の重力崩壊を起源とする背景ニュートリノ放射は、近い
将来、検出が期待されているため、その理論モデルの構築と検出予測が重要な課題となっています。

有効場理論
場の量子論は、素粒子の記述にだけ使われるわけではありません。場の量子論のもつ普遍的な性質によって、核子のような複合粒子の低エネルギーでの相互作用も系統的に扱うことができます。有効場理論を用いれば、モデルによらない、一般的な解析を行うことができます。

三体核力
3つの核子にはたらく力は、二体核力の組み合わせでは記述できません。三体核力は謎だらけで、その強さや原子核の構造・反応にどのように寄与するのかが解明されていません。この謎を解くために、カイラル有効場理論によって導出された二体核力と三体核力をインプットとして、核多体計算をスーパーコン
ピュータ上で実行することが現在の原子核理論研究の大きな潮流となっています。

THEORY OF SUBATOMIC PHYSICS AND ASTROPHYSICSEDUCATION
修士課程1年次のゼミで利用した文献の例• Mark Srednicki "Quantum Field Theory" (Cambridge University Press)• Barton Zwiebach "A First Course in String Theory" (Cambridge University Press; 2nd edition)• Steven Weinberg "Cosmology" (Oxford University Press)• Michael E. Peskin & Daniel V. Schroeder "An Introduction To Quantum Field Theory" (CRC Press)• Michele Maggiore "A Modern Introduction To Quantum Field Theory" (Oxford Master Series In Statistical,
Computational, And Theoretical Physics)

修士論文の研究テーマ例• 特異点を含むバウンス解による5次元真空崩壊の解析• トフーフトフラックスを持つ 6 次元 SU(N) ゲージ理論の構築と4 次元低エネルギー有効理論における質量スペクトル• 弦理論における準安定状態の崩壊と触媒効果• 複数の質量スケールを持つ系に対して有効場理論を用いて得られる RG改善有効ポテンシャルとその有限温度への拡張• CP 対称性と一般化された大域的対称性を用いた SU(6) カイラルゲージ理論の相構造の研究• ΛCDMモデルにおけるハッブル定数の不一致問題と5次元ゲージ理論による Early Dark Energyの実現

MESSAGE
当研究室での研究を希望する学生へ
この研究室では、多角的視点で理論物理学を研究するとともに、生涯学び続けるアクティブラーナーを育成する教育にも主眼が置かれています。研究室に所属する大学院生には、理論物理学の研究能力を高めるだけでなく、積極的に研究に取り組む態度、研究室のメンバーとの共同作業や議論、そして物理を専門としない人への情報発信（アウトリーチなど）に積極的に取り組むことが期待されます。質問などがある場合は、当研究室ホームページ ( https://physicsthkyushu.wixsite.com/mysite ) に設置されたフォー
ム等から連絡を取ってください。他大学の方からの連絡も大歓迎です。

アウトリーチ活動の様子

素粒子実験

http://epp.phys.kyushu-u.ac.jp

教員：東城順治、音野瑛俊、森津学、調翔平、吉岡瑞樹(RCAPP)、新助教(RCAPP,着任予定）
研究員 2 名、博士 2 名、修士 2 年 6 名、修士 1 年 8 名、研究生 1 名、学部 4 年 2 名
素粒子実験研究室は、最先端加速器を用いた素粒子と宇宙に関する実験的研究を行っています。
l 素粒子の標準模型で物質を構成するクォーク・レプトン、相互作用を媒介するゲージボソ
ン、質量起源のヒッグス粒子を研究し、標準模型を超える新しい物理の発見を目指します。
l 素粒子の世代構造、新しい対称性、相互作用の統一、ヒッグス粒子の性質等に焦点を当てて、新物理を探索します。
l 高エネルギー衝突実験で宇宙初期を再現し、宇宙の暗黒物質や真空・時空構造を研究します。また、先進的な大強度ビームを用いた実験で、多角的に新物理に迫ります。
本研究室は、以下の実験・プロジェクトに取り組んでいます。

1) ATLAS 実験

欧州合同原子核研究機構(CERN)の LHC 加速器は、周長約 27 km の世界最大の衝突型加速器で、陽子同士を史上最高の重心エネルギーで衝突させます。ATLAS 実験は LHC 加速器で進行中の 2 大実
験の 1 つで、42 カ国・185 研究機関から約 1,000 名の大学院生を含む約 3,000 名の研究者が国際共同研究で推進しています。2010 年 3 月に本格的な運転を開始し、2012 年 7 月にはヒッグス粒子を発見し、全世界で大ニュースとなりました(右下図)。現在では、1)質量の起源であるヒッグ
ス粒子の研究、2) 宇宙の暗黒物質の候補にもなる超対称性粒子の探索、3)4 次元時空を超える
余剰次元の探索、などノーベル賞級の大発見に向けた研究を展開しています。現行計画は最終段階にあり、その後は加速器・検出器をアップグレードして、2030 年代後半まで発展的に継続していきます。当研究室は、検出器全体の中核であるシリコン半導体を用いた内部飛跡検出器とアップグレードに寄与しており、新物理の発見を中心テーマとして活動しています。研究テ
ATLAS 実験で捕らえたーマの幅は広く、興味重視で活動に参加し、素ヒッグス粒子の生成・崩壊
粒子物理学の最前線で活躍できるチャンスがあります。

2) FASER 実験

新物理の発見に向けて、LHC 加速器を新たな切り口で活用した FASER 実験を立ち上げました。
FASER 実験は、LHC 加速器の衝突点に対して接線方向 480 m 地点に検出器を設置して、1)標準模型の粒子と弱く結合する新粒子の探索、2)衝突型加速器が生成する史上最高エネルギーのニュートリノ(コライダーニュートリノ)研究、を推進しています。FASER 実験は 2017 年の理論研究者
らによる提案に実験研究者が加わることで検出器の具体化と設計・製作を迅速に進め、2022 年からデータ取得を開始しました。既に初期データを用いた新粒子探索(残念ながら新粒子は未発見)やコライダーニュートリノの世界初測定を実現しています。現在では 10 カ国・26 研究機関

から約 100 名の研究者が加わる国際共同研究に成長しました。当研究室は、主要検出器となるストリップ型シリコン半導体飛跡検出器(ATLAS
実験で運用中の検出器のスペアを活用)を担当
し、新物理のさらなる探索能力を向上させるために 2025 年に導入を予定している最先端のピク
セル型シリコン半導体検出器の実機製作に取り組んでいます。

3) ミューオン素粒子実験茨城県東海村の大強度陽子加速器施設 J-PARC で先進的なミューオンビームを用いて、アイデアを駆使した素粒子実験を行なっています。現在では、1)ミューオン-電子転換過程探索実験、2)ミューオン異常磁気能率・電気双極子能率精密測定実験、などを進めており、比較的少人数で行う中小規模の実験です。大きな特色として、他に例のない特殊な性能(強度、時間・空間・運動量構造、スピンなど)を持
つビームや独創的な検出器・計測技術を用いて、衝突型加速器実験とは異なるアプローチで新物理を探索します。本研究室は、これらの実験で主要な役割を果たしています。

ミューオン-電子転換探索実験

ミューオン異常磁気能率・
電気双極子能率精密測定実験

4) 最先端検出器開発

現代的な素粒子実験では、検出器の技術が鍵となります。現在遂行中の実験や将来の実験に向けて、最先端検出器の開発・製作を行っています。検出器の開発は、各実験で中心的なテーマであり、本研究室で横断的に取り組んでいます。特にシリコン半導体を用いた検出器技術を得意としています。検出器を独自に開発・製作する設備「次世代シリコン半導体検出器開発システム」を保有しており、継続的に増設・増強を行っています。世界トップクラスの設備と技術を用いて、高実装度・微細化・放射線耐性・高速応答・低物質量などの優れた特徴をもつ新しい検出器の開発を行っています。これからも新しいアイディアの検出器を開発し、新次世代シリコン半導体検出器開発システム
しい素粒子実験に挑みます。

みなさんの先輩たちは国内外の大学・研究機関や企業・公官庁・教育機関で活躍しています。素
粒子実験分野では、多様な得意とすることや興味をもつ人が活躍できる機会があります。
l

ものつくり・機械いじり・電子回路・コンピューターの(どれでも)好きな人l

体力に自信のある人、語学に興味のある人、どこでも生きていける人、いろんな所に行きたい人、海外で活躍したい人、いろんな人と交流したい人l

そして何より、意欲があって、物理が好きな人、知的好奇心が旺盛な人

素粒子実験研究室で一緒に活動するメンバーとして、どれでも当てはまる方は大歓迎です。

実験核物理研究室
実験核物理研究室では、九州大学加速器・ビーム応用科学センター、理化学研究所仁科加速器科学研究センター、大阪大学核物理研究センター、日本原子力研究開発機構、カナダ
TRIUMF 研究所など、国内外の加速器施設で原子核の実験的研究を行っています。入学後、自身の興味や教員との相談を踏まえて、以下に示すいずれかの研究を進めていただきます。

実験核物理研究室ホームページ http://ne.phys.kyushu-u.ac.jp

核力・核応答の研究 (若狭智嗣、西畑洸希)
身の回りの物質を構成する原子の中心にある原子核は、その存在が発見されてから100年以上が経ちますが、未だその性質を支配している強い力（核力）の完全な理解には至っていません。我々のグループでは、加速器を用いて、調べたい対象（原子核）に刺激を与え、それに対する応答を観測するという、原子核の反応を用いたシンプルな方法で、原子核に働く核力の性質を解き明かします。特に、原子核のスピンとアイソスピン（原子核を構成する陽子と中性子を区別する量）を組み合わせることで、原子核の観たい性質のみに焦点を合わせる事が可能になり、原子核の素顔によりクリアに迫る事が可能になります。核力の持つ本質を垣間見ることで、宇宙誕生初期のビッグバンからクオーク・グルーオン・プラズマ（QGP）
を経て、量子色力学（QCD）相転移による陽子・中性子の生成、そして原子核の生成と、現在の宇宙を構成する「物質階層の進化」の解明に迫ります。下図の中性子検出器や陽子偏極度など、当グループの教員・学生が設計・建設に携わってきた大型測定器を駆使して、他所の追随を許さない実験を行っています。

実験核物理[ここに入力]http://ne.phys.kyushu-u.ac.jp

宇宙核物理 (寺西高)
現在、身の回りに存在する元素はビッグバンおよび天体環境中での様々な核反応により合成されてきました。宇宙核物理は原子核物理を通して宇宙の進化を探る分野です。陽子または中性子が過剰な不安定核の構造、反応、崩壊の性質について調べることは宇宙での元素合成を理解する上で重要です。また、原子核の共鳴準位(粒子放出により崩壊する準安定状態)は、天体核反応の反応率を支配することが多く、興味深い研究対象です。私たちは当大学のタンデム加速器を自由自在に駆使して、天体核反応・不安定核に関連した実験を行うほか、外部施設での国際共同実験にも参画しています。
[研究例]
l 赤色巨星の中心等で起こるトリプルアルファ反応は炭素の主な起源とされています。
同反応の反応率を精密に決定するため、関連する共鳴準位の崩壊を精密測定します。
l 宇宙核物理等の研究に有用な RI ビーム(不安定核ビーム)の生成法、RI ビーム実験手法、検出器系の開発等を行っています。
l 安定核および RI ビームによる共鳴散乱・反応により、天体核反応を支配する共鳴準位
や、陽子・中性子ドリップライン近傍のエキゾチックな共鳴準位の探索を行います。

加速器系開発 (寺西高、若狭智嗣、西畑洸希、他)
伊都キャンパスの加速器・ビーム応用科学センターでは、工学研究院と共同で加速器系の開発を行っています。タンデム加速器系では、宇宙核物理や RI ビーム実験に向けて、イオン源・加速器本体・ビームライン・反応測定装置等の全ての構成要素
を部品レベルで把握し、高性能化の開発を行っています。FFA
加速器系 では、核力-核応答実験のための中性子検出器開発や工学系の利用に向けて、100 MeV 級の中性子発生や世界初のヘリウム加速を目指し、ビームラインの開発を行っています。
実験核物理[ここに入力]http://ne.phys.kyushu-u.ac.jp

超重元素研究 (坂口聡志、庭瀬暁隆)①新元素合成̶未踏の「第8周期」を目指して̶

私たちは「新たな原子核、新たな元素を世界に先駆けて合成し、その性質を探ること 」
を目的としています。2016 年、理化学研究所にて合成された 113 番元素が「ニホニウム」と命名されました。有史以来、現在までに 118 種類の元素が発見され、元素周期表の第 7 周期までが全て埋められています。現在私たちは、理化学研究所、米国オークリッジ国立研究所、
九州大学などを中核とした国際共同研究により、119 番新元素合成実験に乗り出したばかりです。119 番元素が発見されれば、人類は初めて元素周期表の第 8 周期に足を踏み入れることになります。この研究は「世界を構成する元素は全部で何種類あるか」という紀元前からの問いへの挑戦であり、また「どこまで大きな原子核が存在しうるか」という存在限界への挑戦、さらには超重元素に発現する新たな物理・化学的性質への挑戦でもあります。
新元素の合成には２つの原子核の融合反応を用いますが、実験を成功させるにはこれらの核をどのような速度で衝突させるかが極めて重要です。修士
課程では、九大や理研の加速器を使って上記のような融合反応のメカニズムを解明したり、粒子検出器等を開発します。博士課程にも何名もの大学院生が進学しており、新元素合成実験の最前線で世界的な活躍をしています。知恵と力を振り絞って、自分こそ新元素を人類史上初めて目の当たりにしたい、というガッツのある方、ぜひ一緒に研究を楽しみましょう！

②新同位体合成

̶未知の「安定の島」を目指して̶

現在までに合成されている超重核は、瞬きをする間に崩壊してしまう儚い存在ですが、より中性子の多い領域には、既知の核より何桁も長い寿命を持つ超重核が予想されています。この人類未到領域「安定の島」の原子核の合成手法を一緒に探索してみませんか？

③超重核の質量測定

̶原子核の存在限界は？̶

原子核はどこまで重くなれるでしょうか？原子核の安定性を示す物理量が「質量」です。私たちは革新的な質量分光器（「核分光」の節を参照）を用いた超重核の質量測定を展開します。

基本対称性研究 (市川雄一)

EDM 測定装置

我々の宇宙に存在する「物質」はどのように創生されたのでしょうか？宇宙初期での物質創生には、現在の素粒子の標準理論に組み込まれているよりも格段に大きなCP対称性、あるいは時間反転対称性の破れが必要です。そのような時間反転対称性の破れが、身近な系にごくわずかに現れているかもしれません。原子や原子核の電気双極子モーメント（Electric dipole moment, EDM）はその有力な候補です。この研究では、わずかなEDMを大きく増幅しうる原子核の性質に注目して、原子核あるいは原子に現れうるEDMの探索を行います。EDMの探索実験では、核スピンの動きを観測・操作して歳差運動を半永久的に維持することのできる核スピンメーザーを開発して、EDMが歳差周波数に及ぼすわずかな効果の超精密測定を行っています。
実験核物理[ここに入力]http://ne.phys.kyushu-u.ac.jp

核分光 ̶スピン核分光̶ (市川雄一、西畑洸希)
天然に存在する安定な原子核に比べて、陽子数と中性子数の比が大きく異なっているエキゾチ
ック核の性質を研究しています。エキゾチック核は超新星爆発や中性子星合体などの天体現象の際に一瞬だけ存在していたと考えられており、私たちの身の回りの元素が宇宙でどのように創り出されたかの鍵を握ります。このようなエキゾチックな原子核を加速器で人工的に生成して、状態のスピンパリティや核電磁モーメント、状態間の遷移強度などの測定を行います。エキゾチッ
ク核の内部では陽子や中性子はどんな運動をしているのか、全体としてはどのような形をしているか、などの性質を調べることで、原子核の奥に潜む本来の姿を見出し、元素創生の手がかりを探ります。核反応やレーザー照射によって原子核ビームのスピンの向きを揃えるユニークな手法を駆使して実験を行います。実験は理化学研究所RIBFやカナダのTRIUMF施設などで行います。

核分光 ̶元素合成過程解明に向けた精密質量分光̶ (高峰愛子、庭瀬暁隆)
元素の周期表の約 2/3 を占める鉄より重い元素は、超新星爆発や中性子星合体などの爆発的天体環境により多くの短寿命不安定核を経由してつくられたとされていますが、現在の宇宙における元素の組成比の謎はまだ解決されておらず、原子核物理学が抱えている大きな課題の 1 つとなっています。我々は量子コンピュータなどでも利用されているイオントラップ技術を応用した手法を駆使し、短寿命原子核をまさに「捕まえる」ことで、革新的な精密質量分光器 MRTOF および粒子と放射線を同時に検出できるオリジナルの検出器を使い、原子核の安定性を直接表す最重要パラメータである原子核質量を精密に測定することで元素合成過程の謎を解明します。更に、「捕まえた」短寿命原子核には、物理量を最も精密
MRTOF 装置に測定できる究極の手法であるレーザー分光を駆使することも可能になるので、そこから原子核の大きさや核電磁モーメントを決定することで、異常に変形した状態が最も安定である原子核の謎などに迫り、量子多体効果の解明につなげます。自分たちの手で作り上げた装置で、原子核図表上の軽元素から超重元素に渡る広大な領域を、一緒に旅しませんか？

実験核物理[ここに入力]http://ne.phys.kyushu-u.ac.jp

粒子系実験研究室
ホームページ：https://ryushikei-jikken.artsci.kyushu-u.ac.jp 連絡先：ariga@artsci.kyushu-u.ac.jp
この研究室は 2023 年に発足しました。加速器を用いた素粒子の実験的研究 (ニュートリノ実験、ハドロン

実験、ミューオン実験等) に有賀智子 (基幹教育院/共創学部/理学府担当/RCAPP 複担)、山中隆志 (基幹教育院/RCAPP 複担) を中心として取り組んでいます。
大型ハドロンコライダー (LHC)と FASER 検出器

LHC 超前方における 3 世代ニュートリノの測定および未知粒子探索 (FASER 実験)
FASER (フェイザー) 国際共同実験は、当初、欧州原子核研究機構 (CERN) の大型ハドロンコライダー (LHC) の陽子・陽子衝突に起因する未知粒子探索を目的として提案されました。その後、有賀准教授らは LHC に起因する高エネルギー領域でのニュートリノ研究が同実験地点にて可能なことを見出し、LHC でのニュートリノ実験を初めて立ち上げました。
現在の加速器による最高エネルギーのニュートリノを研究し、未知の高エネルギー領域において 3 種類のフレーバーの
ニュートリノに素粒子標準理論を超えた物理の影響があるかを検証することを目指しています。2018 年のFASER𝜈𝜈パイロットランの最終結果として世界で初めて衝突型加速器 LHC からのニュートリノ反応候補を観測した後、2022 年に物理ランを開始

してデータ取得・読み出し・解析を進めてきました。有賀准教授は FASER𝜈𝜈のプロジェクトリー
ダーを務めるとともに、データ解析により加速器実験として最高エネルギーの電子ニュートリ
ノ反応・ミューニュートリノ反応を検出し、500GeV から数 TeV というのエネルギー領域において世界初となるニュートリノ反応断面積の測定結果について責任著者として論文をまとめました(arXiv:2403.12520) 。今後もさらにデータ取得・様々な物理解析を進めていきます。
Forward Physics Facility 構想
FASER 実験を基に、その後の高輝度 LHC において高統計でタウニュートリノ測定を目指す FASER𝜈𝜈2 実験のセットアップ・検出器のデザインに取り組んでいます。FASER2 実験、FASER𝜈𝜈2 実験等を含む超前方研究のためのプラットフォーム Forward Physics Facility (FPF) 構想に参画し、プロポーザルに向けた活動を行っています。FPF は未知粒子探索・ニュートリノ研究・ハドロン研究、宇宙物理にまたがる研究計画です。有賀准教

授は FASER𝜈𝜈2 実験提案の共同代表を務めており、FPF におけるニュートリノ実験を主導し、コライダーを用いたニュートリノ実験を推進していきます。

ミューオンの異常磁気能率および電気双極子能率の精密測定 (J-PARC E34 実験)
ミューオンなどの素粒子は磁石のような振る舞いをする磁気能率という物理量を持ちますが、ディラック方程式から導かれる予測値からのずれを異常磁気能率と呼びます。現在は素粒子標準模型に基づいた量子力学的補正を加えて高い精度でミューオンの異常磁気能率を計算することが可能となっていますが、米国にて過去に行われた実験および現在進められている別の実験においてこの計算値からずれた測定結果が報告されています。もし素粒子標準模型に含まれていない未知の粒子が存在した場合このようなずれを生じ得ることから、新物理の兆候ではないかと期待されています。電気双極子能率についても素粒子であるミューオンで有限の値が観測されれば新物理の存在を示唆します。
この状況に決着を付けるべく、ミューオンの異常磁気能率および電気双極子能率をこれまでの実験手法とは異なる方法で精密測定することを目指した実験の準備が茨城県東海村にある J-PARC にて進められています。山中助教はミューオン崩壊から生じる陽電子を検出するためのシリコンストリップ検出器の開発を進めています。
新型半導体検出器の開発 (ペロブスカイト半導体)

シリコンストリップ検出器の完成予定図 (左)と製作中の検出器モジュール (右)素粒子実験分野で用いられる粒子検出技術の拡大を目指し、シリコンやゲルマニウムなどの既存の半導体に代わる新型半導体検出器の開発を行っています。その中でもペロブスカイト半導体は高い光電変換効率を達成しつつ、製作コストの安さや形状の自由度の高さから太陽電池分野
にて注目を集めています。山中助教は、太陽電池と粒子検出の基本的な原理は同じことからペロブスカイト半導体のこれらの性能に着目し、粒子検出器への応用を目指した研究を行っています。

ペロブスカイト結晶を用いた検出器研究活動について大学院での研究テーマの例としては、高エネルギー領域での電子ニュートリノ・ミューニュートリノ・タ
ウニュートリノ反応の探索と解析、電子ニュートリノ解析による超前方チャーム生成の初測定などがありま
すが、希望に応じて一緒に考えていきます。興味がある学生がいれば、上に挙げたプロジェクトなどに関する技術開発も考えられます。大規模な共同研究が多い素粒子実験分野において比較的小規模の新しいコラボ
レーションにより特色ある実験を推進しており、特に若手研究者がその特性を活かして活躍できる場になればと考えています。

物性理論研究室
スタッフ: 福田順一教授，松井淳講師，多羅間充輔助教
学生: D3: 2 名，D2: 1 名，M2: 3 名，B4: 5 名

物性理論研究室では，主に統計物理学を用いて，ソフトマターや非平衡現象を中心とした様々な対象に関する理論的，数値的研究を行っています.

ソフトマターとは
外力や電場などの外場に対して容易に応答し変形したり流れたりする「柔らかい」物質群のことを，総称して「ソフトマター」と呼びます．高分子，液晶，コロイド，界面活性剤，ガラス，粉体，生体物質などがその代表例で，身近なところにソフトマターは存在しています．1991 年にノーベル物理学賞を受賞した de Gennes の受賞講演のタイトルが，「ソフトマター」という言葉が最初に使われた例とされています．
ソフトマターの変形は容易に非線形領域に達すること，また緩和
時間が長く非平衡状態の観察が容易なことから，ソフトマターは非線形・非平衡物理学の格好の研究対象となっています．また様々な
空間スケールの秩序構造を自己組織的に形成し，それらの秩序構造の間で多様な相転移を示すことも，
ソフトマターの魅力の 1 つです．
さらに，他の全く異なる物理学の問題とソフトマターとの間の興味深い関連が指摘されています（経路積分の手法と高分子，超伝導と液晶，宇宙の大域的な構造と液晶，など） ．このように，ソフト
マターは基礎物理学の興味深い研究対象として認知されているとともに，数学，化学，工学，生物学などの他の学問分野からのインプットを取り込みながら発展してきています．

研究内容:
液晶の物理（福田）液晶はディスプレイとして身近に用いられているのみならず，多様なかたち，スケールの相構造，秩序構造を示し，物理学や数学における様々な重要な概念（自発的対称性の破れ，相転移，自己組織化，フラストレーション，トポロジーなど）がわかりやすい形で現れる，基礎科学の実に興味深い研究対象です．液晶が示す自己組織的な秩序構造とそのダイ
ナミクスについて，主に連続体理論に基づく数値計算を用いて研究を行っています．
また液晶が示す秩序構造の光学的な性質の理解も基礎，応用の両面にわたる重要な研究テーマであり，光の電磁波が従うマクスウェル方程式
を直接数値的に解くなどの手法で研究を行っています．

(左)キラル液晶が示す 3 次元秩序構造の模式図，(中)液晶が示す渦状の構造（スカーミオン），(右)数値計算によるスカーミオンの光学顕微鏡像

ガラスの物理（松井）ガラスとは窓に使われる二酸化ケイ素だけでなく，多くの物質で見られる結晶でも液体でもない非平衡な状態をいいます．平衡系の相転移と似た転移を示しますが多くの謎に包まれています．計算機や理論的な研究で統一的な理解に迫ろうとしています．

モデル過冷却液体分子の動的不均一性アクティブマター，生命現象の物理（多羅間）
外力による駆動がなくとも自発的に運動するものをアクティブマタ
ーと呼びます。その例は生命現象に数多見られますが、コロイド粒子や液滴などを用いた系でも実現されており、非平衡統計力学の新しい分野として世界中で盛んに研究されています。アクティブマターは自発的な運動ゆえに多様なダイナミクスを示します。その理解を目指して理論研究を進めています。また、より具体的な生命現象を対象として、細胞内部において分子集団が形成するメソスケールの動的構造や細胞そのものの自発運動、細胞集団による組織形成過程などに見られる動的秩序構
造の自己組織化メカニズムなどを物理学の視点から解明する研究も展開しています。

(左)分子モーターにより細胞膜付近に集積する細胞骨格のシミュレーション，(中)生化学反応により駆動される細胞のモデル，(右)細胞集団が自己組織化する動的網目構造の力学モデル

研究室生活などについて:
物性理論研究室は，統計物理学研究室と合同で活動を行うことで，幅広い物理に触れられる環境を構築しています．また学生の自主性を重ん
じ，教員と学生との間の関係もできる限りフラットになるように心がけています．
セミナーなど：週 1 回，専門書（洋書）の輪講を行います．また，週 1回の研究室のミーティングで，国内外の最先端の研究について報告する
速報を行っています．その他にも，自分の研究についての進捗状況の報
告・議論，外部の方によるセミナーなどが随時行われます．

修士論文題目（ここ 5 年程度のもの）：
ネマチック液晶における電気対流シミュレーション
二種細胞集団の相分離ダイナミクス
場の理論に基づく高分子系の相分離現象
バクテリアのキラルエッジカレントを記述する連続体理論 (a)キラルなフォトニック結晶におけるトポロジカル相 (b)温度勾配下での相分離に伴うパターン形成 (c)ネマチック液晶中の擬似カシミール効果の数値計算
シミュレーションの結果と考察
53
自己無撞着場を利用した高分子系のシミュレーション
コレステリックブルー相液晶の双晶の連続体シミュレーション (d)Γ /(v Λ ) = 0.0(e)
環状分子の固液転移v/v0R/Λ = 6.3
(f)
スメクチック
A 液晶のシミュレーション
ξ/v = 5.7×10|v|/v0t/(Λ /v ) = 36.99
ch

0 0

0

-3

0

0

0

≥2

16
14 (a)

(b)

(c)

1.5

12
y/Λ0

10
8

1

6
4

0.5

2
0

(d)

0

2

4

6

8 10 12 14 16

(e)0

(f)

x/Λ0

.6: シミュレーションの結果得られた速度場のスナップショット．黒の線は，有限の幅を持つ境界の，一番外側に引いている（つまり図 4.4b の外側の破線）．

．!v∈boundary 1 = Nb ）tanトに対応する．

"θ > 0，< 0 がそれぞれ，左まわリ，右まわリのエッジカレ

問い合わせ先 :福田順一
3.3.2 !v tan "θ の時間発展

fukuda.jun-ichi@phys.kyushu-u.ac.jp

図 4.7 に，!v tan "θ の時間発展の一例を示す．はじめの過渡的な振る舞いを別にすれば，およそ一定の周期で !v

いることが分かる．

松井淳

j.matsui@cmt.phys.kyushu-u.ac.jp"θ の符号が，すなわち，エッジカレントの向きが入れ替わっ
多羅間充輔
tarama.mitsusuke@phys.kyushu-u.ac.jp

tan

ここで，図 4.7 の振動の “ひとつの山（谷）の面積” について，コメントを与えておく．振ホームページ:

https://cmt.phys.kyushu-u.ac.jp/のひとつの山の横幅はおよそ 40 であり，高さはおよそ 1 である．すなわちひとつの山の積はおよそ 40 と見積もることができる．この値は容器の外周 2πR/Λ0 = 2π ×6.3 ∼ 40

おおむね一致する．ところで，ひとつの山の面積は，その間にバクテリアが進んだ距離表すので，!v tan "θ がひとつの山を経験する間に，バクテリアは容器の縁をおよそ一周

見学，お問い合わせを歓迎します統計物理学研究室

指導教員: 野村 清英 (准教授)
博士:2 名，修士:2 名

1

研究内容

統計力学は、原子などミクロな構成要素が多数集まった時にどのような現象が起こるかを理論的に扱う学問体系です．集団としての性質はミクロな構成要素の性質だけでは理解できません．液体の水が固体の氷に相転移することは一例ですが，他に強磁性転移，超伝導・超流動など多くの巨視的 (マクロ) にみられる現象があります．
例えば磁性体のキュリー温度では比熱や帯磁率が発散します．これは「臨界現象」の例です．臨界現象はミクロとマクロなスケールを区別する相関距離が発散することに起因します. ミクロなモデル
から，臨界現象に見られる物理量の発散を導く理論が「繰り込み群」です．繰り込み群は素粒子理論で発展した手法ですが，統計物理の相転移の理解に威力を発揮してます．逆に物性物理学で生まれた「自発的対称性の破れ」(2008 年ノーベル物理学賞) のアイディアが，素粒子理論で有効ということも分かってきました．
学部の統計力学，物性物理学などで触れられなかった様々なテーマ（臨界現象，繰り込み群，量子情報，孤立量子系の熱平衡化など）についての勉強も可能です.

2

最近の研究

低次元量子多体系は，量子細線やレーザー冷却した原子系などで研究が進んでいる．また量子情報分野へも展開されている．高次元では平均場近似が有効だが，低次元では量子揺らぎで秩序が破壊され易く，様々な量子臨界現象が現れる．例えば，広い領域で長距離秩序は無いが相関距離が発散している朝永・ラッティンジャー流体 (TLL) や，Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) 転移 (2016 年
ノーベル物理学賞) などがある．BKT 転移は対数補正を伴うので数値的な扱いが困難だったが，我々の開発したレベルスペクトロスコピー法で，精度良く BKT 転移点の決定と，ユニバーサリティクラスの同定ができるようになった.

1) 臨界現象では非線形感受率も重要だが，量子スピン系の非線形帯磁率については従来重視されていなかった. これは電子系での非線形伝導率とも関連する．非線形帯磁率は，実験的に重要な量であるが，従来数値計算では扱いにくかった. これについて我々は簡便かつ精度良く扱える方法を開発した．S=1/2 XXZ モデルで調べたところ，帯磁率が 0 になる (帯磁率の逆数が発散する) BKT 相転移点と非線形帯磁率の発散の開始点が別であることが分かった．この場合，非線形帯磁率の発散の開始点は超対称性を持っている．非線形帯磁率の方法は広い範囲のモデルに応用可能である．

図 1: 非線形磁化率2) Ashkin-Teller モデルの多重臨界点
BKT 転移と関連して，2 つのイジングモデルが相互作用する
Ashkin-Teller モデルがある. 2 本のイジングユニバーサリティ臨界線が融合して TLL となる，多重臨界点近傍では，複数の臨界現象が干渉するため数値的研究は大変難しい. 我々は, ボンド交代のある S=1/2 XXZ 鎖で y 軸回りと z 軸回りのひねり境界条件(yTBC-zTBC) のエネルギー固有値の準位交差を用いた方法が有効であることを見出した. この方法では双対性を使うので，2 次
元イジングモデル (または対応する横磁場量子イジング鎖) では有
限サイズ補正が無い. また，Ashkin-Teller 多重臨界点も正確に求められ，中間領域での収束性も大変良い．

図 2: Ashkin-Teller 多重臨界点
3) SU(3) とスピンネマチック TLL
通常の物質では SU(N) 対称性は近似的にしか成立しないが，レーザー冷却した原子系で Yb 原子などでは SU(N) 対称性がよく成り立つ．SU(3) 対称な系に
SU(2) 対称な摂動を加えた量子スピン鎖には BKT 的転移が起き, 臨界相側ではスピンネマチック
TLL と見なせる．Dimer-Trimer (DT) モデルについて，我々は拡張したレベルスペクトロスコピー法で研究した．

4) S=1 XXZ 1 軸イオン異方性モデルの多重臨界点
このモデルでは、強磁性相、Neel 相、Haldane 相、XY1 相,
XY2 相, Large-D 相などがあることが知られている. このう
ち Neel 相、Haldane 相、XY1 相, XY2 相の４相の多重臨界点について詳しく調べた.

連絡先: knomura@stat.phys.kyushu-u.ac.jp
研究室 HP: http://www.stat.phys.kyushu-u.ac.jp/
http://maya.phys.kyushu-u.ac.jp/˜knomura/

図 3: DT モデルのセントラルチャージMany-body physics theory group

凝縮系理論研究室
https://sites.google.com/view/mbp-phys-kyushu-u/home

凝縮系理論研究室は物質の新しい状態や現象の理論を場の量⼦論を⽤いた解析的⽅法と計算機を⽤いた数値的⼿法を⽤いて研究しています． トポロジカル量⼦物質における電気と磁気の絡み合った新しい量⼦現象の探索や，フェルミオンでもボゾンでもない粒⼦エニオンの物理の開拓に挑戦しています．

■メンバー
教授

野村 健太郎准教授

磯部 ⼤樹（7⽉着任）

助教

⼯藤 耕司
（⼤学院⽣3名，学部⽣3名，研究⽣1名）■凝縮系物理学
凝縮系とは膨⼤な数の電⼦や原⼦が集まって相互作⽤を及ぼし合う系で，個々の構成要素が持っていた性質とは著しく異なった，全く新しい物理現象が⽣じることが知られています．スピンが集団的に振る舞う磁性体や膨⼤な電⼦がペアを組んで凝縮する超伝導体などはよく知られています．これらは量⼦論的な枠組みで理解されることから凝縮系や量⼦多体系とよばれます．当研究室ではそれらをトポロジーや幾何学的な側⾯に着⽬することで新現象の探索やその背後に存在する普遍的法則を⾒出す研究を⾏なっています．

■研究内容近年発⾒されたトポロジカル絶縁体・超伝導体，トポロジカル半⾦属などは，基本的性質が数学のトポロ
ジーの概念を⽤いて特徴づけられることから，トポロジカル物質とよばれています．トポロジーとは形ある
いは空間の連続変形に対する不変な性質を記述する数学理論で，ドーナツとマグカップや，メビウスの帯などは⾮⾃明なトポロジーとしてよく知られた例です．トポロジカル物質とよばれる系は，量⼦状態が⾮⾃明なトポロジーによって特徴づけられます．これらのトポロジカル物質では，
これまでよく知られている物質では起こらないような，興味深い物理現象が数多く発⾒されています．特にホール伝導率が普遍定数の整数倍に量⼦化する量⼦ホール効果
や，外部磁場を必要とせず，内因的な電⼦構造に起因する異常ホール効果などはトポ
ロジーや幾何学的な側⾯が本質を担うことから幾何学的量⼦現象とよばれます．

図．トポロジーの例

当研究室では，場の理論などの解析的⼿法や計算機を⽤いた数値的⼿法を⽤いて，新しいトポロジカル物質や幾何学的量⼦現象の探索を⾏なっています．具体的には磁気輸送現象や新規磁気秩序，電気と磁気の⾮⾃明な結合，超伝導体との接合系で実現する新しい量⼦状態などを研究し，スピントロニクスやトポロジカル量⼦計算などへの応⽤も視野に⼊れています．研究の⼤部分は，未知の現象の探索や未解明の現象の解析といった理論的な研究ですが，実験グループとの共同研究も⾏なっています．ト
ポロジカル物質の詳しい解説に関しては以下の⽂献をご参照ください．

2

参考⽂献︓「トポロジカル絶縁体・超伝導体」
野村健太郎

丸善出版

■アクティビティー
当研究室のアクティビティーとして，
週1回の輪講と週1回のセミナーを⾏なっています．輪講では学⽣の希望によって書籍を1つ選びます．主に量⼦多体系や場の量⼦論に関する本を選ぶことが多いですが，磁性やスピントロにクスなどの本を選んで輪講したこともあります．2023年度はアルトランド，サイモンズ「凝縮系
物理における場の理論」を読み，2024年度は吉岡⼤⼆郎「量⼦ホール効果」を読んでいます．また⽉に⼀度くらいの頻度で，4年⽣と⼤学院⽣各⾃の研究進捗を報告し，それについてメンバーで質問やコメント，アドバイスなどを出し合います．

■研究の⽅針当研究室では固体凝縮系の輸送現象，磁性，多体効果，
スピントロニクス現象，超伝導近接効果，量⼦ホール系，
トポロジカル量⼦物質などを研究しています．2023年度は分数量⼦ホール系の⾮可換エニオンの研究に⼒を⼊れたいと思っています．それ以外のテーマに関しても学⽣の興味に応じて対応します．テーマの選定に関しては学⽣とよく議論して，いくつかのアイディアの中から絞っていくことが多いです．基本⽅針

3

として各⾃の⾃主性を尊重します．積極的に⼿を動かし試⾏錯誤して研究を進めることを期待します．

■年間スケジュール
4⽉ 物性基礎論グループBBQ（新メンバー歓迎会）
5⽉ 研究テーマを考案
8⽉ 若⼿夏の学校，⼤学院⼊学試験
9⽉ ⽇本物理学会
12⽉ ニュートン祭，物理学会九州⽀部会
2⽉ 修⼠論⽂・博⼠論⽂発表会
3⽉ ⽇本物理学会■研究室訪問凝縮系理論研究室では上記のテーマに興味のある⽅を広く受け⼊れます．多体量⼦論に興味のある⽅はもちろん，トポロジ
ーや微分位相幾何学などの量⼦論の数学的側⾯に興味のある⽅，計算機シミュレーションで量⼦伝導などの⾮平衡現象の研究に興味のある⽅，あるいはスピントロニクスや量⼦コンピューターなどの基礎と応⽤に興味のある⽅は，
是⾮当研究室を訪問してみてください．
連絡先︓nomura.kentaro@phys.kyushu-u.ac.jp

4

数理物理
場の理論：数学的アプローチ
何をやっている研究室かをひとことでです。

言うと「数学を駆使して場の理論の基礎

観測データを構造化するために観測的な問題を考えている」という感じです。

量代数（量子力学の教科書ではオブザ

どんな感じかと言うと、[1]や[2]のような感ーバブルでしょうか）を用いますが、物理じです。作用素環とか測度論とか圏論な的な位相を備えた観測量代数が von

どを駆使することになります。

Neumann 環として用意されています。

数年前の修士論文の要約：

von Neumann 環はいくつかのタイプ

http://hdl.handle.net/2324/1955688を持つことができます。大雑把にⅠ型、を見ると具体的に何をやっているかがわ

Ⅱ型、Ⅲ型に分けられますが、順に、量かるかと思います。

子力学、統計力学、場の理論に対応し以下では、この修士論文の頃に考えてます。自由度の数で言うと、有限、離散いたことを書いてみます。

無限、連続無限といった感じです。

最初に、物理の理論は観測データを

量子力学を真面目に定義すると、有限構造化するものであるという立場を確認

自由度で非相対論的な量子論ということします。これは、実験科学としては、あたになります。因果律を考慮できるように

りまえのことと考えます。

（相対論的に）量子力学を拡張しようとすすると、観測者の役割を議論できない
枠組みは不適となります。

ると、場の理論に進まねばならないことが示されます。

量子論の測定理論は確立しているの

この際の大きな問題は、場の理論と量で、これと整合的なアプローチを取らね

子力学は連続していないということです。

ばなりません。

多くの物理学者には、この問題が認識さまた、実験には誤差がつきものなので、れ て い ま せ ん 。 ま た 、 こ こ で の （ von

誤差の範囲内で語るという態度が必要とNeumann 環による）場の理論は、物理なります。理論で精度を語る言葉が位相学者の考える素朴な場の理論とは少し異なります。

ん。また、状態ベクトルは観測量でもあり

例えば、量子力学ではユニタリー変換ません。逆に、エンタングルメントが悪さで繋がるただひとつの Hilbert 空間を考をして、宇宙の果ての操作が我々の実えますが、このようなやり方は、場の理論

験室に影響を与えるようでは、実験で何には使えません。ユニタリー変換では繋を見ているのかわからなくなってしまいま

がらないようなものも最初から同列に議す。von Neumann 環による場の理論で論しないといけないし、Hilbert 空間も問は、実験室の独立性が保障されます。

題の多い道具なので、無しで済ますこと

von Neumann 環による場の理論でもできます。

は、観測者の見る時空の因果構造が最場の理論では、ユニタリー変換では繋初から重要な役割を果たしていて、（相がらないものも同居していて、内在的に対論の用語で）空間的な時空領域におかつ自発的に対称性が破れて、マクロける観測は独立でなければなりません。

（古典）とミクロ（量子）が共存したりします。

ところが、この要請は、一見すると、ゲー

対比的に、有限自由度の系では、対称ジ対称性や長距離力の存在と矛盾する性は破れたりしません。ここまで場の量ように見えます。しかし、観測者が見るこ子論と言わなかったのは、すべてが量子とのできる時空においては困難が生じな的である訳ではなく、古典的な自由度もいことが比較的最近示されました

存在しうるからです。物理における場の（Fermi 粒子も因果律を破る厄介者です

理論は量子力学の延長上につくられてが、この問題は前世紀に解消されまし

いて、非合法に対称性を破っています。

た）。測定理論一般に言えることですが、また、物理における場の理論では宇宙観測者を合理的に考慮に入れないと矛全体がユニタリーな発展をすると考える

盾の無い理論をつくることができません。

ので、ブラックホールの情報損失問題のさて、だいたいうまくいってそうですが、ようなパラドクスが生じますが、これは量

これまでの話は平坦時空を前提としてい子力学の延長上の思考であり、不良設ました。残る大問題は、曲がった時空の定問題です。

場合への拡張です。

Hilbert 空間の状態ベクトルにこだわってしまうと、エンタングルメントが深刻な問題のように思われてしまいます。しかし、状態ベクトルは観測データの構造化のために必須ではなく、無くても構いませ[1] 「量子場とミクロ・マクロ双対性」
小嶋 （丸善 2013）[2] 「無限量子系の物理と数理」
小嶋・岡村 （サイエンス社 2013）複雑物性基礎研究室では，分子から構成されている集合体の構造とダイナミクスに関する最先端の研究をしています．例えば我々の体を構成している部品に分けてみると，
ＤＮＡやタンパク質のような高分子，細胞膜を形成している脂質分子など，メソスコ
ピックスケールの特徴ある分子が基本単位となっていることがわかります．我々の研究室では，これらの機能性分子１個レベルの物性研究から，これらが形作るさまざまなスケールでの構造とその動的性質（ダイナミクス）を特色ある手法を用いて研究を進めています．詳細はこちら→http://sm.phys.kyushu-u.ac.jp/
スタッフ
教授
准教授
助教

木村康之
稲垣紫緒
小林史明

ソフトマター物理学，実験物理学，非平衡非線形物理学
粉粒体物理学，非平衡散逸系物理学
ソフトマター物理学，非平衡物理学，レオロジー

木村グループ
光でミクロなソフトマターを“操る”、“測る”
回折限界程度のサイズまで急速に絞ったレーザー光をn
用いて周囲の媒質より屈折率の高いミクロンサイズの物
10µm
体を３次元的に捕捉し，自由に操作することができます（光ピンセットと呼ばれ，発明者の A. Ashikin は 2018 年にノーベル物理学賞を受賞）．我々は，ミクロの指である
図１. 液晶中で作成した構造体．
光ピンセットを用いてミクロンサイズのソフトマターを変形させたり，動かしたり,構造を作成するなどのミクロ操作を実現しています．また，光ピンセットをミクロなバネとして用いることで，ミクロンスケールの物体の間に働く相互作用を直接測定しています．
例えば, 液晶中に微粒子を分散させると，水などの液体の場合とは異なり，液晶が方向の秩序を持っているために，微粒子間に異方的かつ長距離の巨大な力が働きます．その相互 図2. 流体相互作用で形成される非平衡結晶構造．
作用を直接測定し，その情報をもとに液晶中で粒子をさまざ
まな形で接着させることで，例えば図１のような複雑な配列の作成も成功しています．
現在は，ホログラフィーを用いて 1 つのレーザーからさまざまなパターンを作り出し，例えば多数の粒子の操作とこれを用いた多粒子間相互作用の研究を行っています．特に（微生物のモデルとして）ミクロンスケールの粒子が外部から絶えずエ
ネルギーを注入された非平衡状態（動的平衡状態とも言える）での集団運動やパターン形成（図２）に関心を持って研究を進めています. これまでに、流体力学的相互作用によるリズム運動や同期現象などの新規現象を発見し、非生物の運動から生物の運動の本質を解明する研究を進めています。
また，さまざまなイメージング法を用いて，広い空間スケール，広い時間スケールでのソフトマ
ターのミクロスケールでの物性測定を，物理的な原理に基づき，測定法の開発から初めてその応用まで幅広く研究しています.例えば、ホログラフィ
ック顕微鏡では，通常の２次元画像から物体の３次元位置（図３）やサイズ，屈折率を同時に測定することが可能です．

図3. 交流電場振動しながら沈降する粒子の３次元追跡.

ソフトマターの非平衡構造の解明とその普遍原理の探索
ソフトマターは，原子・分子系よりも大きな単位構造が小さな力で結合しているた
めに，小さな刺激で大きく応答し，かつその応答が緩やかであるために，非線形・非平衡系を容易に実現可能な系です．例えば，液晶系に交流電場を印加すると定常的な電流の流れの発生に伴って，図４のような規則的なパターンが発生します．電圧（非平衡度）を変化させると様々なパターンが発生する相転移が観測されますが，これらは平衡系の構造と異なりエネルギーの注入と散逸の動的平衡によって形成される非平衡構造です．非線形非平衡系の物理には未だにその原理となる法則が発見されておらず，未知の研究領域です．我々はソフトマターを
図４. 液晶の電場下での非平衡構造．
用い，普遍原理を探索する研究も行っています．
アクティブな流体のレオロジー的性質の探求
流体内部に外場により駆動する微粒子や大腸菌が分散するアクティブな流体においては，従来のパッシブな流体では見られない
ような流動性（レオロジー性）を示すことが予想される．最近，アクティブ流体は盛んに研究されており，大腸菌の分散系で実際に測定される見かけの粘度がほぼゼロになることが報告されている．一方，私たちの研究グ
ループでは液晶に於いて電場印可し粘度を測定すると，電場が強くなるにつれて，測定される見かけ粘度の値がゼロになるだけで 図５．液晶系における負の見かけ粘度の発なく，『負』の値になることが発見された．更 見．横軸は交流電場振幅，縦軸は粘度である．
に現在では，電場で自転する微粒子が分散し 色の違いは，測定時のせん断速度を表す．
た流体サンプルでも，同様に興味深いレオロ
ジー性が期待されており，現在研究中である．

稲垣グループ
粉粒体の巨視的な振る舞いを理解する
私たちの身の回りには、公園の砂山（図７）から、調味料、粉末薬など各種の粉粒体が存在しています。
また、自動車の交通流や歩行者の流れ、砂漠での砂丘や風紋の形成ダイナミクスなど、幅広いスケールに
図７. 公園の砂山
おいて粉粒体の運動と見なすことのできる現象が多々知られています。液状化現象や冬山の雪崩など、自然災害でも粉粒体が深くかかわる現象が数多くあります。工業においては、原材料の 75％が粉粒体からできていると言われています。そのため、粉粒体をどのように運ぶか、混ぜるか、貯蔵するか、といった実用上の問題は多数あります。しかし、粉粒体は、構成要素が原子や分子に比べてはるかに大きく、通常の流体方程式や弾性論といった従来よく知られた方程式を適用できる範囲が限られています。粉粒体特有の性質を考慮した方程式が確立されていないため、物理学的に未開拓な分野であると言えます。我々は離散媒質の巨視的振る舞いの一般的な理解を目指して、理論・実験・数値計算を用いた総合的な研究を行っています。
粉粒体のサイズ分離現象
粉粒体は粒子同士が非弾性衝突を起こし、エネル
ギーを散逸します。回転や振動といった力学的擾
乱を受けると、与えられた駆動と散逸がバランス
して、自発的に時空間構造を形成することがあります。例えば、大きさや比重の異なる粒子を混ぜて揺らすと、同種の粒子が集まり分離現象を起こす
図１０. 円筒容器内のサイズ分離現象
ことがよく知られています（図１０）。我々は、水平に置いた円筒容器の内部に種類の異なる 2 種類の粒子を入れて、回転させたときに観察される粒子の相分離現象について実験を行っています。粉粒体は、混ぜようとす
ればするほど、むしろ分離する傾向があり、従来の液体や気体とは異なる、非平衡系の粉粒体ならではの特徴を表しています。粉粒体は、物理の分野ではマイナーな研究対象ですが、導入として以下の図書がおすすめです。
 砂時計の七不思議 田口善弘著 中公新書
 流れ――自然が創り出す美しいパターン 2 フィリップ・ボール著 塩原通緒 訳
 粉粒体の物理学 ジャック デュラン著, 中西 秀・奥村 剛 訳
研究・指導の方針
大学院生は教員と相談して、学生の興味を考慮しつつ個別のテーマで「１人１プロ
ジェクト制」で研究を進めています。従って、1 つのプロジェクトを多人数で分担して研究を進めている研究室とは違い、研究の１連のプロセスを体験できるとともに、国際的に特徴あるテーマのエキスパートとなることができます。このため、研究の詳細な技術やプレゼンテーション技法に関して、個別に丁寧な研究指導、教育を行っている点が大きな特色です。本人のやる気次第では修士課程でも、筆頭著者の論文が専門の国際誌に掲載されたり、国内および国際学会で講演賞やポスター賞を受賞した学生が多数います。新規性のある研究をするうえで、教科書や論文に書いてあることを鵜呑みにしない批判的思考力が大事になります。なんとなく理解した気になるのではなく、当たり前のように書いてあることが、本当に「当たり前」といえるかどうか、どこまで理解できて、どこから理解できないか、といったことを問いかけ、明らかにするべき問題を自ら設定する能力を養うよう指導します。定例ゼミでは、積極的に質問することを奨励しています。批判的思考力のもとに、理解できないことを建設的に議論し、みんなで理解を深める教育を行っています。
卒業後の進路多くの学生は，修士課程修了後、技術系、情報系の企業、国や地方自治体の公務員、高等学校をはじめとする教育機関などへ就職しています．最近の例：キヤノン、ニコ
ン、オリンパス、レーザーテック、京セラ、ブリジストン、テルモ、富士通、日立製作所、日本電産、NTT データ、日鉄日立システム、シンプレックス、凸版、藤倉電線、NTT 研究所、住友化学、信越化学、大塚化学、ライオン、トヨタ自動車、ヤマハ、日本航空、かんぽ生命、JCB、古河電工、高校教員、福岡市役所、経済産業省など.

研究室の主な活動 週に 1 回の定例セミナーでは、学生が順番に論文紹介と研究進捗の発表を前期と後期に 1 回ずつ発表します。
 3 月、9 月の物理学会では、主に修士学生が口頭発表・ポスター発表を行います。
その他、適宜外部での研究会に参加するのを奨励しています。
 その他詳しい年間スケジュールはこちらをご覧ください。
http://sm.phys.kyushu-u.ac.jp/index.php?page=message

複雑生命物性研究室
教授：水野大介

mizuno@phys.kyushu-u.ac.jp

助教：江端宏之

ebata.hiroyuki@phys.kyushu-u.ac.jp

生き物の大部分はソフトマターと呼ばれる文字通り柔らかい物質
からなります。ソフトマターに「生命」が宿る過程には、代謝活動に伴う非平衡過程、とりわけ「ゆらぎ」や柔らかい「応答」が重要な役割を果たします。
私たちは、生き物の内部で実際に稼働しているソ
フトマターの「ゆらぎ」と「応答」を観測し、その"非平衡特性"を調べることで、生き物を物性物理学の観点から理解しようとしています。詳しくはhttps://bio2.phys.kyushu-u.ac.jp/をご覧ください。
捉や AFM、レーザー干渉法)を駆使して、生きた細胞
やそのモデル系の振る舞いを調べています。これによ［研究室の特色］

り、生き物を物性物理学の観点から理解しようとしています。

私たちの研究室では、「生き物の振る舞いや性質が“物“とはどう異なるのか、また、どのような物理的機構で異なるのか」に興味を持って研究を行っています。
「物理学科で何故生き物を研究するの？」と思われる学生さんもいらっしゃると思います。確かに、生命や“生き物らしさ”は複雑で捉えどころが無く、物理的に解明することは難しいと長く考えられてきました。しかしながら、２０世紀終盤以降の生命科学・情報科学の急激な進展により、複雑な生命現象に関する膨大な知識を蓄積し、系統的に定量解析することが可能となりました。その結果、知識の背後にある物理メカニズ
ムを解明する気運が高まっています。現在盛んになりつつある「生命物理学」では、大勢の研究者がそれぞれのアイデアを持って、この物理学の新フロンティアを開拓しており、物理学の最もホットな研究分野のひとつとなりつつあります。
現代の生命科学は、細胞内のシグナル伝達や遺伝子発現の相関や因果関係を数理解析することで、生命を理解しようと試みていますが、まだあまりうまく行っていません。生命現象には後で述べる理由で要素還元主義的アプローチを適用できないことが理由の一つに挙げられます。この問題を解決するためには、生命現象の背後で生体物質が従う物理法則を解明する必要があります。複雑生命物性講座では、近年発達した
非平衡科学と生体物質のメソスケール操作技術(光捕［研究内容］
私たち人間が作る機械は、主に金属やプラスチック、半導体等の硬い物質からなります。これらの硬い物質
は外部環境の変化によりその性質や働きを変えることが殆どないために、個々の部品の特性から集団としての機械の働きを予測して設計することができます(要素還元主義)。他方で私たちの体は、柔らかく形も定まらない物質（ゲルやコロイド、脂質膜等のソフトマター）からなり、その性状は僅かな外場の印加やエネルギーの注入により多彩に変化します。そのために、個々の部品の特性を理解しただけでは、システム全体の振る舞いを理解することは困難です。他方で、柔らかい物質からなる生命が、人間が作る機械よりもはる
かに高度な機能を発揮します。
ソフトマターは、細胞の内外で繰り広げられる多彩な生命の営みを担ってますが、その振る舞いに関する
物質科学的研究は始まったばかりであり、まだ殆ど明らかになってません。私達は、生体ソフトマターに多彩な非平衡挙動が生み出される物理法則を探索するための実験を行うことで、生命現象の物理的理解を深めることを目指しています。
当研究室では、生体の構成要素を力学的に操作してその運動性を調べるメソスケール技術(光捕捉や AFM、

ばれる分子が私たちと同じようにレールの上を２足レーザー干渉法)を用いて、歩行して、細胞の運動や物質輸送を行うための力を生

1)実際に生きている培養細胞や生体組織や、み出しています(図 2)。このモーター蛋白質の機能や

2)現実の生体システムよりも簡略でかつ制御しやす

性質は、試験管内の水以外何も無い実験室環境で詳細

いモデルシステム(コロイドガラス、細胞抽出物など)に調べられてきました。ところが、この一見理想的ににおいて、ソフトマター(物質)の非平衡挙動が“生き物思われる環境よりも、混雑した細胞の内部でモーターらしさ”を生み出すメカニズムを研究しています。

分子はもっとずっと速く、効率的に働くことができま

混雑環境下における生体分子機械の振る舞いを理解する

生命の最小単位である細胞内部の微細な空間には、

ソフトマターからなる様々な小器官（たんぱく質、核酸など）が目一杯に詰め込まれて、押し合いへし合いしています。細胞内のタンパク質の濃度はあまりにも高いので、細胞の代謝活動（エネルギーの生産）を止めてしまうと、細胞内部は固まって流れなくなってしまいます。生きている細胞は代謝により積極的に細胞内部を流動化させていると考えられますが（図 1）、流動化を起こす実体はまだ分かっていません。

図 3：巨大な非平衡揺らぎが存在する、混み合った細胞内部の方がキネシンモーターの移動速度は速い

す（図 3）。言わば、周りで誰も邪魔しない陸上競技場の中よりも、満員電車の中でより速く走れるわけです。
一体何故このようなことが可能なのでしょうか？
私たちは、細胞内部の“揺らぎ”と“非平衡力学”(この場合は代謝活動にともなう流動化)が、この謎を解く鍵であると考えて研究を進めています。そこで、私たちは細胞から取り出した細胞質(細胞抽出液)に対して、
栄養(生理活性物質)を外部から供給することで、長時間代謝活性を維持した細胞内部モデル（人工細胞質）を作成しています（図 4）。この系を用いることで、1)細胞内で非熱的揺らぎや混み合いを生み出している分子集合体を同定し、2) 非熱揺らぎの動力学(周波数スペクトル)や統計分布の実態を明らかにすることを

図 1：細胞内部環境は、代謝活動により流動化する

このような混雑した中で、モーターたんぱく質と呼試みています。人工細胞質と生体分子の微視的な力学応答測定装置を使って、細胞内の機械である生体分子が、試験管内の環境よりも混雑した細胞内でなぜうまく働けるのか？を明らかにすることを目指しています。

図 2：細胞骨格上を歩くキネシンモーター（Sozanski et al, PRL, 2015）

遊走バクテリア懸濁液を用いた細胞質モデル
人工細胞質と同様に、栄養を常に交換する装置を用いることで、遊走するバクテリア集団の非平衡力学の計測を行っています（図 5）。濃縮した試料ではバクテリアが混雑しているために、遊走に使われる鞭毛の回転を止めるとガラス転移して固化してしまいます。し図 4：代謝活動を維持した細胞抽出液の力学計測

かしながら遊走するバクテリアは押し合いへし合いしながら動こうとして乱流的な非熱揺らぎを発生させます（図 6）。その結果、熱的には発生しなかったバ
クテリアの配置換えが生じて流動化すると考えられています。しかしながら流動化した媒質には鞭毛の回転が生み出す力が有効に伝達されなくなります。これ
により、濃厚なバクテリア集団は丁度流体と固体の境界状態(ジャミング臨界点)で安定化して、ジャミング
臨界点における限界安定性を反映した性質を示すことが分かりつつあります。

図 8：コロイドガラスに巨視的なずり場を印加すると、光捕捉により揺らぎが抑制されていたコロイド粒子が輸送できるようになる。

図 5： バクテリア懸濁液の非平衡力学計測

図 6：高濃度に調整したバクテリア懸濁液の乱流。バ
クテリアの遊走速度をベクトルを用いて可視化したもの。バクテリアが渦を巻いて運動する様子が見える。

生きた細胞の非平衡力学測定
私たちは、生きた培養細胞に取り込ませたコロイド
粒子（1µm 程度の大きさの粒子）の運動性（揺らぎ・外力応答）を測定しています（図 7）。これにより、細胞内の力学特性や揺らぎも、遊走バクテリア集団と同様な性質を示すことが分かりました。

細胞内では、生体高分子が代謝活動で得たエネルギ
ーを利用して自発的に動いてミクロな乱流を生み出します。そのために細胞質と遊走バクテリア集団は一見全く異なりますが、物理的にはよく似た非平衡現象が起きていると推測されます。つまり細胞内部では、代謝活動が生み出す非熱揺らぎが、熱揺らぎの代わりに混雑した生体分子の配置換えを促して、モーター分子が感じる硬さや摩擦（粘弾性）を制御しています。
そのために、遊走バクテリア集団と細胞内の計測を行うことで、生き物の性質が決定する機構を調べることができます。

図 7：細胞内の非平衡力学測定ーニング）に注目しています。粒子や大腸菌集団の画像を用いた構造緩和の起こる場所の予測や、時系列データから非線形モデルを推定する手法への応用を考えています。

コロイドガラスの微視的力学応答測定
液体を急速に冷却すると、融点以下でも結晶化せず、分子の配置がランダムなまま、流動性を失って固化するガラス・ジャミング転移が起こります。一般に、タンパク質などの高分子やコロイドなどの粒子も濃度が非常に高くなると、混み合いの効果からガラス転移が起こることが知られています。生き物は、代謝に伴う乱流のために丁度転移点近傍の臨界状態にあることが分かってきました。しかしながらそもそもガラス

図９：ディープラーニングを用いた画像・時系列解

析。

転移現象は、100 年以上に亘る非平衡統計科学の未解明問題であり続けています。私たちは、ガラス転移点付近のコロイド懸濁液中の単独のコロイド粒子に、光捕捉力を加え、粒子の周りの”揺らぎ”や粘弾性の測定を行っています（図 8）。これにより、揺らぎが混み合
い臨界状態に与える影響を構成粒子レベルで調べています。

機械学習を用いた画像・時系列解析
ガラス転移点近傍のコロイド懸濁液や細胞質中では、込み合ったコロイド粒子やタンパク質は自由に移動することが出来ません。粒子が互いの位置を変え（構造緩和）、流動するためには多数の粒子が共同的に運動する必要があります。このような共同運動は空間的に不均一で、構造緩和が起こる場所は時々刻々と変わります。では、込み合い系の流動を決める、構造緩和が起こる場所を予測することが出来るでしょうか？私たちは非常に複雑な現象から物理学的に有用な情報を得るための手法として機械学習（ディープラ［修論研究］
これまで、生命科学の勉強はしてこなかったから、面白そうだけど良く分からない、という人も O.K.です。
研究室には、分かり易い入門書から少し難しい専門書まで取り揃えており、自由に勉強できます。これらの教科書や研究に直接関係する学術論文の輪読を予定しています。研究室の勉強会で、要点を絞った集中講義も行われます。また、計測やデータ解析を行うための各種のソフトウエアの使用とプログラミングに慣れてもらいます。
自分のテーマを持って研究活動を行い、国内外の学会や学会誌で発表することを目標とします。研究テー
マを決定する際には、学生の希望が尊重されますが、迷ったときは先生と相談のうえでいくつかのテーマの中から決めてもらいます。また、基本的に 1 テーマ/人で行うので、比較的個々人のスケジュールで行動することができます。当研究室では、細胞内部のよう「興味があること」が重要な判断基準になると思いまなミクロな環境や 1 分子の非平衡特性を調べるためのす。

世界でも他に類を見ない装置（光トラップや AFM の原理を用いた自作機器）を開発してきました。これらを利用しつつお互いにアイデアを出し合い、ソフトマ
ターの非平衡特性を解明する最先端の実験的研究に取り組みましょう。

［進学先・就職］
物理学専攻ですが、光学系、生物系、化学物質系を扱っていて研究は多岐にわたっています。その為、就職先も多岐にわたります。近年は医療系、医薬系、電［研究にあたって必要な知識・技能］
生き物を物理の観点から理解したい、非平衡物理・気系、材料系などの研究職や鉄道系に就職した OB の方もいます。また、技術、研究職以外にも、公務員や学校教師を目指すメンバーもいます。

非線形現象・ガラス物性などに興味がある学生に来てもらいたいと思っています。物理学を専攻してきた皆さんには馴染みの少ない生物学ですが、事前に生物学［研究室の雰囲気・飲み会など］

関係の知識は無くても全く問題ありません。生命とい学生それぞれが独自のテーマを持ちフレキシブル

えども物理法則に従う存在です。したがって、生命とに研究を行えます。また、先輩たちが丁寧に研究やプは何か？という複雑で掴みどころの無い問題に取りログラミング、実験装置の使い方について教えてくれ

組むために必要なことは、個別の知識を増やすことでます。現在はコロナ禍の影響により、オンライン飲みはありません。本質に立ち戻って論理的に考えること

会のみを行っていますが、従来は歓迎会、院試壮行会、で、研究を進める中で次々と生まれてくる問題や疑問

バーベキュー、お別れ会などを行ってきました。複雑を解決することが重要です。本学において、最も修得

物性基礎講座・複雑流体研究室と合同で行うことが多が困難な学問の一つである物理学を勉強する過程で、いです。

こうした訓練を十分に積んで来た皆さんにとっては、

磁 性 物 理 学
スタッフ：光田暁弘 准教授
http://pom.phys.kyushu-u.ac.jp/
連絡先：E-mail : 3da@phys.kyushu-u.ac.jp, Tel/Fax : 092-802-4074(光田)
自然界で見られる強磁性や超伝導などの興味ある物質の性質(物性)は、微視的な粒子(電子、原子)が個別にもつ性質ではなく、物質を構成する数多くの微視的粒子が、互いに協力的、あるいは反発的な相互作用を及ぼしあって示す集合体としての性質である。その結果、物質を構成する粒子が個別には持たない千変万化の物性が巨視的(マクロ)に現れる。原子の集まりである分子から始まって、階層構造を持つ複雑なシステムにおいては、その構造の多様性を反映したさまざまな協
力現象と機能が生じる。1977 年のノーベル物理学賞受賞者で著名な理論家である P. W. Anderson
は、かつてこのことを「More is different」という言葉で表した。
我々のグループでは、自然界で発現する新奇な協力現象・相転移の探索とその機構の解明や普遍性を追及するための研究、および材料への応用を踏まえた新しい物質の開拓を行っている。前者の研究は従来の物理では知られていなかった新しい量子現象の発見と解明を目指している。後者の研究では今までの材料より優れた性質を示す物質を探し出すための指導原理を確立すること、そして実際にその考えに基づいて世界一のデータを出すことを目標としている。つまり、「世界で初めて」か「世界最高」の物性を開拓することを目指している。以下に具体的な例をいくつか挙げる。
・希土類化合物の価数揺動と価数転移3希土類金属元素の 1 つである Eu は化合物中で 4f 電子数が 7 個(2 価)の磁性的な状態をとる
場合と、6 個(3 価)の非磁性的な状態をとる場
合が存在するが、ごくまれに 4f 電子数(価数)をとることがあり、価数揺動状態といわれている。我々は価数が不安定な Eu が磁場によって磁性的な 2 価へ価数転移する可能性を検討し、M (µB/Eu)

が時間空間的に揺動し、2 価と 3 価の中間の値

2

30 K
33 K
35 K
40 K

EuRh2Si2
P=1.1GPa
T(K)
2
10
20
25
30
33
35
40
45

45 K
25 K

20 K

1

10 K

EuPd2Si2 において 100T の超強磁場で価数転移2Kが生じることを世界で初めて見出した。更に価数転移に必要な磁場が低い物質の探索を行い、圧力下の EuRh2Si2 において 7T 程度の磁場で価数転移が起こることを最近見いだした(図 1)。
ヒステリシスを伴う磁化の跳びが 3 価から 2024µ0H (T)68

図 1: 圧力下における EuRh2Si2 の磁場誘起価数転移。ヒ
ステリシスを伴う磁化の跳びが価数転移に対応する。

価への価数転移に対応している。この発見により、磁場誘起価数転移をさまざまな測定手段によって研究することが可能になった。現在、様々な研究機関との共同研究が進行している。

・希土類化合物の価数揺動と価数秩序

Yb3+

価数揺動に関連する現象として価数秩序にも注目している。通常、このような転移は電気伝導性の悪い物質でよく見られる(例えば、Fe3O4 の Verwey 転移など)。原子間を飛び

Yb2.6+

交う伝導電子間にはたらくクーロン斥力が運動エネルギーに打ち勝つと、伝導電子が原子に留まり(従って電気伝導性が悪くなり)、それが周期配列することで価数秩序が起こる。

Yb3+

我々の注目する YbPd は金属的な電気伝導性にもかかわらず価数秩序を示す珍しい物質である。我々はこの物質の純Yb2.6+

良な粉末試料を作製し、価数秩序および磁気秩序の構造を
中性子回折から同時に調べた。その結果、磁気モーメントを持つ Yb3+層と持たない Yb2.6+層が交互に積層し、磁気モーYb3+

メントがサイン波的に配列することを示した(図 2)。また
Yb3+で予想されるものより小さい磁気モーメント(0.3µB)を持つことも明らかにした。つまり、Yb 価数の秩序配列と特異な磁気秩序の直接的な証拠を提示した。

図 2: YbPd の T=0.6K の磁気構造。磁気モーメント(図中で矢印で示す)を持つ
Yb3+ 層と持たない Yb2.6+ 層が交互に積層しサイン波的な磁気構造をもつ。Pd原子は省略して描いている。

・スピントロニクス現象の圧力効果
磁性体のナノ構造を作製することによって、電荷の流れである電流のみならずスピンの流れであるスピン流を作り出して制御し、両者が相互作用する多種多様な現象が発現することが分かってきた。このような研究分野をスピントロ
ニクスと呼んでいる。我々の研究室では固

P

1.015

F

体電子物性研究室と共同でスピントロニ

IrMn/CoFe/Cu/CoFe

クス現象を圧力で制御し、より顕著なスピ
1.01にこれらの機構を解明することを目指している。図 3 に交換バイアス型スピンバル
ブ素子の巨大磁気抵抗効果(GMR)の圧力

1.005

依存性を示す。この素子は 2 つの強磁性層

強磁性層(フリー層、図中の F)のスピンを弱い磁場下で反転させ、それに伴い大きな磁気抵抗が観測される。圧力をかけると磁

(GPa)
P=0
0.51
1.05
1.51
2.13 P
2.75

PFのうちの一方を隣接する反強磁性層でピン止めする(図中の P)ことで、もう一方のRoom Temp.

R/RP

ントロニクス現象を探索・発掘するととも

F

1
-1000

0
H(Oe)

1000

図 3 :交換バイアス型スピンバルブ素子の巨大磁気抵抗効果(GMR)の圧力依存性。圧力増加に伴い GMR は小さくなる。

気抵抗は僅かに減少するとともにフリー層の保磁力が増加することが明らかになった。GMR の減少は 2 つの強磁性層の層間距離が圧力によって小さくなり層間の磁気的相互作用が強磁性的なものへ変化しているためと考えられる。
以上の研究は九大内にとどまらず、東大物性研究所、阪大先端強磁場科学研究センター、SPring-8、J-PARC、日本原子力研究開発機構、SAGA-LS 等の外部研究機関を利用して推進している。

創発量子物性研究室
スタッフ

笠原 裕⼀(教授)

ホームページ https://sites.google.com/view/eqm-phys-kyushu-u
連絡先[email] kasahara.yuichi.437@m.kyushu-u.ac.jp[tel] 092-802-4073

本研究室は、２０２４年度に発⾜した新しい研究室です。
本研究室では、固体中に存在する膨⼤な数の電⼦やスピンが⽰す量⼦⼒学的多体現象、具体的には⾼温超伝導を含む⾮従来型超伝導、重い電⼦状態、量⼦臨界現象、量⼦スピン液体、
トポロジカル現象などに興味を持って実験的研究を⾏います。強く相互作⽤する量⼦多体系においては、電⼦やスピンといった構成要素の性質だけでは理解できないような、質的に新しい性質や現象が出現することがあり、これが研究室名の由来でもある「創発性」になります。そして新しい量⼦現象や量⼦状態を開拓・解明することに挑戦します。
研究分野はひとことで⾔うと「固体物理学」になりますが、上記の研究対象には「強相関」、「対称性の破れ」、「トポロジー」といった、現代物理学のエッセンスが詰まっています。また、研究テーマによっては統計物理や量⼦情報・量⼦計算、素粒⼦物理や原⼦核物理、さらには応⽤物理などさまざまな研究分野と密接な関係をもっており、他研究分野への波及効
果が期待されることもこの研究分野の⼤きな魅⼒と⾔えるでしょう。
興味のある量⼦現象はしばしば低温で現れるため、数ケルビン以下の極低温環境を⽤い、
強磁場や強電場により物質の状態制御を⾏います。したがって、多重極限環境下における精密物性測定が中⼼的な研究アプローチであり、研究テーマに応じて電気輸送測定、熱輸送測定、熱⼒学量測定、磁気測定などのさまざまな測定⼿法を駆使します。また、新しい実験⼿法や計測技術の開発にも取り組みます。さらには、物質開発にも取り組みます。従来の化学的な物質合成だけでなく、最先端の薄膜作製技術を⽤いた⼈⼯超格⼦により⾃然界には存在しない物質系の作製にも挑戦します。
以下に具体的な研究内容の例を⽰しますが、実際の研究対象はさらに多岐にわたります。
より詳しく知りたい⽅は、上記の連絡先まで気軽にお問い合わせください。

研究内容
量⼦スピン液体
磁性体中のスピンは通常、温度を下げていくと物質と同様に凍結します。しかし量⼦揺らぎが⽀配的になると、スピンが絶対零度まで凍結せず液体状態にとどまり、このような状態は量⼦スピン液体と呼ばれます。磁性体におけるスピン励起を量⼦化した準粒⼦としてスピン波の量⼦化であるマグノンがよく知られていますが、量⼦スピン液体においてはさらにエキゾチ
ックな準粒⼦の出現が提唱されており、それらの探索・解明を⽬的とした研究を⾏っています。
⼀例として、我々の研究グループの最近の成果を紹介します。対象としたのはキタエフ量⼦スピン液体と呼ばれる特殊な量⼦スピン液体状態です。この量⼦ス
ピン液体状態においては、粒⼦と反粒⼦が同⼀という特殊な性質を持つ中性フェルミ粒⼦、マヨラナ粒⼦が準粒⼦として現れるため、⼤きな注⽬を集めています。

図：キタエフ量⼦スピン液体候補物質において観測された半整数熱量⼦ホール効果とその模式図

マヨラナ粒⼦に由来する⾮可換エニオンを利⽤した量⼦計算が提案され、ニュートリノがマヨラナ粒⼦の候補ともされていますが、理論的予⾔から 80 年以上もその存在の確証が得られていませんでした。我々はキタエフ量⼦スピン液体の候補物質である磁性絶縁体において半整数熱量⼦ホール効果を観測し、物質中にマヨラナ粒⼦が存在することを実験的に証明しました*。量⼦ホール効果はトポロジカル現象の代表例であり、量⼦スピン
液体においてトポロジーによって保護された量⼦状態が実現していることを初めて⽰した
ことにもなります。
マヨラナ粒⼦の理解はまさにこれからであり、今後は発現機構や普遍性を探索します。さらに量⼦計算も含めた応⽤展開に向けて、マヨラナ粒⼦の検出技術の開発にも取り組みます。
*Y. Kasahara et al., Nature 559, 227-231 (2018); T. Yokoi, Y. Kasahara et al., Science 373, 568-572 (2021).

⾮従来型超伝導
超伝導はゼロ抵抗を⽰す状態であり、リニアモーターカーや MRI などの応⽤に⽤いられていることは皆さんの多くが知ることでしょう。量⼦現象が巨視的（マクロ）なスケールで現れる物理学の中でも最も劇的な現象のひとつであり、電⼦が対（クーパーペア）を形成しボーズ・アインシュタイン凝縮することで起こります。発⾒から 100 年以上経過するものの、現代の物性物理学における中⼼課題のひとつとして活発な研究が⾏われています。超伝導の基礎的な理解は 50 年以上前に発表された BCS 理論により確⽴したものの、BCS 理論の範疇を超えた⾮従来型超伝導体が次々と発⾒されています。⾮従来型超伝導体には銅酸化物や鉄系化合物における⾼温超伝導体も含まれており、その超伝導状態の理解や発現機構の解明は物性物理学における⼤きな課題です。
⾮従来型超伝導の研究における重要なキーワードは、「対称性の破れ」と「新奇超伝導状態」です。前者は物理学における重要かつ普遍的な概念であり、超伝導はゲージ対称性の破れた状態として特徴づけられます。しかし近年、ゲージ対称性以外の対称性が破れた超伝導が次々と発⾒されています。後者はクーパーペアが重⼼運動量をもつ超伝導状態やトポロ
ジカル超伝導体があります。それぞれ現実物質における実現・実証は議論の的になっています。なかでも重⼼運動量を持つクーパーペア形成は中性⼦星でも議論されるなど、原⼦核物
理とも関連しています。精密物性測定により、対称性の破れを決定し新奇超伝導状態を探索します。

図：(左) 通常のクーパーペア (右) 重⼼運動量を持つクーパーペア

量⼦臨界現象
物質には不確定性原理による量⼦揺らぎ
によって引き起こされる相転移現象は量⼦相転移と呼ばれ、絶対零度において圧⼒などの制御パラメーターを変化させた際に現れる異なる基底状態間の境界を量⼦臨界点と呼びます。この量⼦臨界点近傍においては標
準⾦属理論であるフェルミ液体論から逸脱した異常⾦属状態が現れるだけでなく、⾮従来型超伝導がしばしば出現します。
本研究室ではさまざまな物質を対象とし、

図：量⼦臨界点近傍の相図

量⼦臨界現象の普遍性や超伝導との関連性の解明に取り組みます。

⼈⼯超格⼦を⽤いた新物質開発
複数の種類の結晶格⼦の重ね合わせにより、その周期構造が基本単位格⼦より⻑くなった結晶格⼦は超格⼦と呼ばれますが、これを⼈為的に異なる物質を交互積層したものが⼈⼯超格⼦です。⼈⼯超格⼦により、前例のない組み合わせの積層構造、すなわち⾃然界に存在しない物質の作製が可能となり、興味のある量⼦状態の次元性制御や空間反転対称性の⼈⼯導⼊、さらには界⾯を通じた電⼦状態の変調により、各構成要素には⾒られなかった新奇な量⼦相の出現が期待されます。
本研究室では、パルスレーザー堆積法（PLD）や分⼦線エピタキシー法（MBE）などによる原⼦層薄膜作製技術を駆使して、新物質開発に挑戦します。

図：PLD, MBE 装置と⼈⼯超格⼦の例

光物性研究室
スタッフ ： 中村 祥子 准教授 (nakamura.sachiko@phys.kyushu-u.ac.jp)
学生 ： 修士１年生 （３名）、 学部 4 年生 （2 名）
W1-A706, A707, A714, B309

https://hikari.phys.kyushu-u.ac.jp/

光物性研究室は 2022 年 11 月に発足した新しい研究室です。
固体電子物性、磁性物理学、創発量子物性とともに、量子物性中講座に所属しています。

光物性とは？
光を用いて、物の性質を量子力学的に研究する分野です。ミクロな系の力学である「量子力学」を前面に引きずり出すために、量子物性の実験では、物質を、低温や強磁場、高圧という極限的な環境に置いて測定します。本研究室では、高強度光による『強電場』と『極低温』を実現します。
量子力学によると、物質内部のエネルギー準位は量子化（離散化）し、光は、周波数νに応じたエネルギーの「光子」として粒子性を示します。物質内部のエネルギー準位の差と光子エネルギーが一致（共鳴）すると、光が物質に吸収され、物質内部の状態が変化します（光励起）。光は吸収されるだけでなく、物質が低いエネルギー準位に落ちるときに（緩和）、発生することもあります。
光物性の研究では、そういう光と物質の相互作用で、物質を操作し、物質内部の状態を調べます。
古典力学

量子力学

（マクロな系）（ミクロな系）

エネルギー

エネルギー

光の二重性

光と物質の相互作用

波動性

量子性

波長λ

光子エネルギー

エネルギー

離散的

連続的

（とびとびの値をとる）（自由な値をとれる）

E=hνhν と合えば、
よく吸収される

光の足し算・引き算が起きることも研究室の研究テーマ
光物性では、どんな波長・どんな強度の光を使うかによって、関係する物理現象が変わります。
本研究室では、テラヘルツ波という、周波数が 1 THz(=1012 Hz) 付近の光パルスを用います。テラ
ヘルツ波は、光としてミラーやレンズで扱える中では最も低エネルギーの電磁波です。テラヘルツ波の光子エネルギーは、固体物理における様々な素励起に相当しています（下図参照）。
現在は、超伝導体の光物性に着目した研究を進めていますが、テラヘルツ帯には、分光的に観測されたことが無い（≈エネルギーがわからない）素励起が、まだまだ潜んでいると期待されますので、その発見・制御を目指し、分光技術の開発を行っています。
（以下では、超伝導光物性の紹介をします）。
電波
短波

超短波

周波数 低

マイクロ波 ミリ波
1 GHz
30 cm
4 μeV
48 mK

光

テラヘルツ波

CMB

赤外線

可視光

1 THz

1 PHz

300 μm
4 meV RT
48 K

300 nm
4 eV
48,000 K

紫外線

X線
周波数 高

プラズマ周波数

固体物理における

素励起

マグノン
分子間振動、フォノン

超伝導ギャップ

価電子励起

内殻電子励起超伝導状態は、電気抵抗がゼロになり、磁場をはじき出す（マイスナー効果）状態です。電子がクーパー対を組むことで安定化し、エネルギーギャップが開いた状態とも言えます。巨視的な数の電子が１つの状態に凝縮し、１つの波動関数（超伝導秩序変数）で表せるようになった状態でもあります。
超伝導の研究は、そんな超伝導体を常伝導状態に変化させる、すなわち超伝導を「壊す」のに必要なエネルギー（超伝導ギャップ）や条件（温度・磁場・圧力・電流・不純物ドープなど）を調べることで発展してきました。
一方、本研究室では、テラヘルツ波を用いることで、超伝導を「壊さず」調べる研究を進めます。
それはどういうことかというと、クーパー対を全て壊してしまうのではなく、テラヘルツ波を用いてクーパー対を減らしたり増やしたり (?!)、新たな種類のクーパー対を作ったり、超伝導電流を瞬間的に流したり、超伝導電流の渦（磁束量子）を動かしたりする、つまり超伝導秩序変数を直接操作する
ことで、超伝導状態の性質を明らかにしたいと考えています。具体的には、「超伝導ヒッグスモード」と「磁束コアのピコ秒ダイナミクス」という２つの現象をターゲットに研究を進めています。

• 超伝導ヒッグスモードと、その仲間たち
超伝導転移は、自由エネルギーポテンシャルが放物線型からワインボトル型に変化する転移として記述できます。基底状態（紺のボールの位置）はゼロでない絶対値（振幅）を有し、特定の位相を選びます（自発的対称性の破れ）。
超伝導秩序変数が基底状態から振幅方向に振動するモードは、
ヒッグス粒子になぞらえてヒッグスモードと呼ばれます。このモードが励起されても電気分極は振動しないので、簡単には励起したり観測したりできないのですが、高強度テラヘルツ波でポテンシャルを瞬時に変化させたり、超伝導電流で対称性を破ったりすると、
光学応答として観測できることが、近年、明らかになりました。このヒッグスモードを使うことで、超伝導秩序変数の対称性を検証したり、超伝導状態を変質させたりする実験を計画しています。

* 超伝導秩序変数の反転対称性の破れ
空間反転対称が破れた超伝導体に対して、スピン・トリプレットとスピン・シングレットの混成を、波動関数の軌道部分の反転対称性の破れ（第２高調波発生）として検出することを目指します。

• 磁束コアのピコ秒ダイナミクス
第Ⅱ種超伝導体に磁場を加えると、量子化した磁束（磁束量子）が超伝導体の内部に侵入します。磁束量子は、ナノスケールのミクロな渦で、量子力学的にも、流体力学的にも、トポロジカルにも特別な構造です。
電流から力を受けて運動し、電圧を発生するので、電気的に、すなわち光で駆動し観測することができます。通常は、周囲の準粒子を巻き込んで動くのですが、高強度テラヘルツ波を用いると、磁束量子だけを動かし、その性質を探れます。そこで、その特長を利用した実験を計画しています。

* トポロジカル超伝導体の磁束コアに現れるマヨラナ準粒子
トポロジカル物質は、表面（エッジ）と内部（バルク）で異なる物性
位相2πを示す物質です。磁束量子のコアでは超伝導秩序が壊れているので、表面と同様のエッジ状態が出現します。そこで、電気的に中性なエッジ状態である「マヨラナ準粒子」
を、電気的に制御できる磁束コアを介して、操作・観測することを目指します。

研究の進め方
物性実験では、物質を合成し、物性を測定しますが、光物性研究室では「測定」を中心に行います。
すなわち、新しい物質や、自分の光を照射すると面白そうな物質の情報を収集して、実験を計画します。
実際の実験は、下図のように、分光系（＝光源＋検出系）の開発と物性測定を繰り返しながら進めて
いきます。

• 計画
どのような物理現象を研究するか
どんな物質に、どんな光を照射して、何の物理量を測るか• 分光系の開発
必要な光を発生させる（光源開発）
測定する光を検出するための光学系を組む• サンプルの調達と評価
サンプルを入手する• 測定環境の準備

100

E (arb. units)

特性を評価する（電気抵抗、帯磁率など）

E(+)

50
0

-50

調べたい熱平衡状態の温度・磁場等を実現する-100

測定結果を整理して、物性値を求める
先行研究や理論計算と比較する

4

6

8

Time (ps)

10

108
107

Power (arb. units)

• 解析

2

12

フーリエ変換• 光学測定光を照射して、応答（透過波など）を測定する

0

E(+)

FH

106
105

SH

104
103

TH

102
101
100
0

0.5

1.0

1.5

Frequency (THz)2.0

研究室で身に付ける主な実験技術• テラヘルツ時間領域分光法 (THz-TDS: Terahertz Time-Domain Spectroscopy)
テラヘルツ波の波形を実時間で観測する手法です。フェムト秒再生増幅器と呼ばれる高強度のパルスレーザーを利用します。ミラーやレンズなど、基本的な光学機器の扱いも習得します。

• 微細加工テラヘルツ波を発生・検出する素子を、光伝導基板にミクロな金属電極を付与する方法で作製します。研究室内では、マスクレス露光装置を用いたフォトリソグラフィーを行っています。
成膜や薬品処理は、中講座内の他研究室や学外共同利用施設を訪ねて行っています。

• 低温技術室温から 3 K 程度の低温に冷却するために、液体ヘリウムを流すタイプのクライオスタットを使用します。サンプルの低温特性（転移温度など）の評価には、低温センターや共同研究先のMPMS、PPMS といった装置を利用する予定です。

研究室の特徴
今年度、初めての大学院生を迎えて動き出したばかりの新しい研究室です。光物性の実験研究は、
光源さえ合えば、研究する物理の内容や対象の物質には制限がありませんので、物性実験の中でも、興味の幅が広いタイプの人に向いている分野かと思います。
研究室では、週に１回、輪読（一緒に教科書を読んで勉強する）とミーティングを行っています。
光物性の研究分野は、（光源技術の）進歩が速く、また、新しい測定を考え出すためには情報収集がとても大切な分野なので、中講座内はもちろんとして、物性理論や化学・工学等の他研究室との交流や、セミナー・研究会等への参加は、積極的に行ってほしいと考えています。
A-714

光学実験の部屋B-309

微細加工の部屋

A-706

学生居室

参考文献
光学測定
＊ 服部 利明『非線形光学入門』裳華房 (2009).【2024 年度の輪読テキスト】＊ Ed. K.E. Peiponen, A. Zeiter, and M. Kuwata-Gonokami, "Terahertz Spectroscopy andImaging", Springer (2013).

超伝導＊ 楠瀬 博明『基礎からの超伝導

風変わりなペアを求めて』講談社サイエンティフィック (2022).

ヒッグスモード＊ 松永 隆佑、辻 直人、青木 秀夫「超伝導体中のヒッグスモード―高強度テラヘルツ波による検出とヒッグス共鳴第三高調波発生―」固体物理 50(8), 411 (2015).
＊ Ryo Shimano and Naoto Tsuji, "Higgs Mode in Superconductors", Annu. Rev. Condens.
Matter Phys. 11, 103 (2020).

磁束量子＊ 松下 照男『磁束ピンニングと電磁現象』産業図書 (1994).
＊ 門脇和男 編『超伝導磁束状態の物理』裳華房 (2017).

固体電子物性研究室
ホームページアドレス：https://ssp.phys.kyushu-u.ac.jp/
研究室のメンバー
教授：木村 崇 (t-kimu@phys.kyushu-u.ac.jp)
助教：山田 和正 (yamada@phys.kyushu-u.ac.jp)
博士研究員：２名, テクニカルスタッフ：１名,
博士：５名, 修士：１３名, 特研生：４名


次年度は、外部から修士学生が４名入学される予定です。

研究内容
当研究室では、様々な薄膜作製装置や微細加工装置を用いて、人工的に形状制御されたナノスケールの常伝導体、強磁性体、超伝導体、絶縁体、及びそれらの複合ナノ構造を作製し、それらの系において発現する新奇な磁気輸送現象、及びスピンの動力学現象の実験的探索研究を行っています。
当研究室の研究分野を一言でいうとスピントロニクスです。スピントロニクスとは、量子力学的物理量であるスピン角運動量を操作して、省エネルギーなエレクトロニクス応用を目指す分野で、工学的な色彩の濃い研
究のように思うかもしれません。しかし、当該分野の歴史は非常に浅いため、基礎物理学的に解明できていな
い興味深い現象などが山積みです。このように、基礎物理学的な興味と省エネルギー・エレクトロニクスという技術応用の両方が存在する分野は極めて稀であり、大変貴重な研究分野です。
一言で、スピントロニクスと言っても、その研究内容は多彩です。本研究室では、新しいスピントロニクスにつながる新奇な物理現象を探索しています。具体的には、以下のテーマを推進しています。
・電気の流れを含まないスピンの流れ“純スピン流”を用いた物性探索＋操作
・熱を用いた新奇なスピン流物性現象の探索
・ナノ磁性体のスピンダイナミクスとその応用
・超伝導スピントロニクス（クーパー対とスピン流の共存による新奇伝導現象の探索）
・酸化物スピントロニクス（スピン注入磁気相転移）
・有機スピントロニクス
上記は研究内容を大別したリストであり、実際の研究課題は更に細分化されます。まだまだ知られていないこと、解明しなくてはいけないことが多いので、次々に課題が増えて行きます。より詳しく知りたい方は、上記のメンバーまで、気軽にお問い合わせください。何時でも対応させて頂きます。

指導方針等
配属後は、初年度からレギュラーでフル出場して頂けるように、原則として、平日の社会が動いている時間（午前 10 時～午後 6 時以降）は、特研生であっても研究室内で活動して頂く努力をして頂きます。それが決して苦痛では無く、楽しい時間と感じられるように、研究室のメンバーは、情熱的に皆さんを指導していく所
存です（ずっと、研究している訳では無く、教員や先輩の人生観や成功・失敗談など、時にはお酒を交えて歓談します）。研究室のメンバーは、ある意味、大学での家族であり、皆が幸せになるように、我々も強力にサポートします。世界の第一線で活躍して頂ける研究者を育成するのが、教員の使命であると認識していますので、たくましい人材になって頂けるように指導します。口うるさい教員と思われるかもしれません。
特研の研究テーマは、興味を掻き立てる研究テーマを教員が複数用意し、皆さんに選んで頂く予定です。こ
こで、得意な研究や実験内容は、個人毎に異なると思われ、教員側も各人の持つ長所の把握に努め、各人が持つ能力を最大限に発揮できるような研究をして頂くように努める次第です。
また、研究室では、社会人になる前のマナーなども、教育したいと考えています。幸い、民間企業との共同研究も行っており、企業の開発部門の方が、頻繁に研究室に来られて実験されています。色々と民間企業の厳しい開発環境を教わることもできると思います。研究室に在籍されているテクニカルスタッフの方からも、様々な貴重な技術を教わることができるでしょう。
一見、時間の自由が無いように思われるかもしれませんが、アルバイトやサークル活動などにも柔軟に対応しますので、その辺は誤解なさらないでください。経済的な問題も、色々と相談すれば、きっと解決策がみつかると思います。

研究生活
当研究室の一番の魅力は、実験設備の充実です。物質合成から、微細構造作製、微細構造評価、そして、デバイスの電気的、熱的、磁気的特性の評価を行うための最新鋭の装置がそろっています。種類が多いため、最初は覚えるのが大変かと思いますが、優秀な先輩たちが丁寧に教えてくれます。これら一連の装置は、就職してからも使用する可能性がある汎用性の高い技術です。大型実験装置も搬入されるため、最先端の物性実験を、存分に堪能して頂けます。
以下は、特研生の研究室での１年間の流れを記載したものです。今年度の学生を参考にしたため、進学者に対応した内容になっていますが、就職活動、他大学進学等の場合も、大きな変更は有りません。
４月～６月
先輩や教職員と一緒に実験し、装置の使用法をマスターします。試料をゼロから作製し、自身で物性を評価します。使う装置の数も多いですが、大半の装置が研究室で自作した装置です。そのため、使用法に共通点が多く、コツを掴めば、意外と早く習得できます。カタログ品のようにボタン一つで、全自動動作
するような装置はありません。装置の原理をキチンと理解し、自身で改良や修理ができるようになるのを目標においています。また、研究室内の定期報告会やゼミなどにも参加して頂きます。
７月～８月
大学院受験に備え、この期間、研究はお休みします。その分、大学院の試験勉強に専念されてください。
９月～２月
いよいよご自身のテーマの研究を開始します。既に、大半の装置の使用法を習得しているため、比較的スムーズに実験ができると思います。研究テーマは、メンバー全員で議論して決めます。各人が個別のテーマを行います。ただし、自身の研究テーマだけでなく、共同研究者として、他のメンバーのサポート実
験にも協力して頂きます。合わせて、輪講やゼミなども本格的も開始します。また、週に１回程度、打ち合わせ会的なものを開催し、研究の進捗状況報告とメンバー間の情報共有を行います。頑張って、１０月
末で、一区切りの結果が出そうなときは、物理学会・九州支部に申請して発表して頂くと共に、引き続き研究を深く進め、より進展した結果が得られ、本人が希望された場合は、春の物理学会（全国大会）でも発表して頂くことも可能です。

九州大学 理学研究院 物理学部門 量子物性講座 固体電子物性 研究室
研究室代表者 木村 崇 : t-kimu@phys.kyushu-u.ac.jp, URL : http://www.phys.kyushu-u.ac.jp/ssp/

当研究室では、ナノテクノロジーと量子力
学的物理現象を駆使して、ナノサイズの磁石が生み出す新奇な物性現象の探索と、それらの現象を用いた革新的ナノエレクトロニクスデバイスの創成や次世代通信技術の開発を目指した研究を行っています。
研究内容
当研究室では、ナノスケールで人工的に微細形状制御された伝導体、磁性体、超伝導体、及びそれらの複合構造において発現する新奇な量子伝導現象、とりわけ電子の流れが創出するス
ピンの流れ“スピン流”に関連する物理現象を実験的に研究しています。量子力学的な自由度である電子スピンの影響が電気伝導に現れるスピン依存伝導現象を対象とする研究分野は、スピントロニクスと呼ばれ、近年のナノテクロジーの進歩により、急速に進展してきています。スピン流が関連する物理現象に関する研究は、比較的新しい分野であり、未解明な現象や未開拓な研究領域などが数多く残されており、基礎物理学的に大変興味深
い研究分野です。更に、スピントロニクスは、近年のエネルギー・
環境政策に則った省エネルギー・エレクトロニクスとしても大きな応用の可能性を備えているため、産業界からも大いに注目されています。
本研究室では、このスピントロニクス分野の物理学的な側面であるナノ構造磁性体、スピン依存量子伝導、スピンダイナミク
ス、スピンイメージング、メゾスコピック系物理、低温などをキーワードとするナノスピンサイエンスの実験的研究を行います。とりわけ、研究室主催者の最大のシーズである強磁性体-非磁性複合ナノ構造におけるスピン流の制御技術を基軸とした、新奇量子物理現象の探究に主眼をおいた研究を展開していきます。

研究メンバー (2013年11月現在)
教授：木村 崇助教：山田 和正, 大西 紘平
学振 PD 山田 晋也
テクニカルスタッフ 権丈 淳, 石間 美香
D3（シス情）胡 少杰 (CSC)
D2（シス情）崔 暁敏 (CSC)
M2（シス情）野村 竜也
M2（物理） 党 ケイ森
B4（物理） 小野 雄馬. 川北 直史

伊都と箱崎の両キャンパスに実験室

共同研究: 企業, 南洋工科大学,
九大シス情、エネ量, 阪大, 慶応大,
熊本大, 阪府大, 関西大, 福岡大 等
稲盛財団記念館 (3F)

旧工学部３号館 (1F)

ナノデバイスの試作から評価まで一貫して行える最先端実験研究設備

純スピン流と次世代書き込み技術
電気を伝えず、スピン情報だ
けを伝える純スピン流を用いて、ナノ磁性体中のスピンを高精度・低消費電力で操作し、エネルギー損失の極めて少ないナノエレクトロニクスデバ
イスの開発を目指します。

純スピン流注入磁化反転の実証

純スピン流制御技術の開発

純スピン流を強磁性体に注入することで、磁化反転を誘起することができます。

注入源の多端子化による巨大純
スピン流の生成横スピン流の注入による高効率
スピン吸収

ナノ構造磁性体の磁区構造と高周波デバイス応用

ナノ磁石の磁区構造は、形状を精度よく加工することで、制御できます。

再構成可能な高周波デバイス
磁区構造を制御することで、単一素子中で多彩な共振特性を実現できます。

超GHz スピン波デバイス

スピンマイクロ波発生器

スピン波を用いることで、GHz~数十GHz帯域のフィルタ特性を実現します。

ナノ磁性体に直流スピン流を注入することで、GHzの発振を励起できます。

fs  M (1  e2kd ) 

H i  H i  4M s 1  s

2 
Hi



共振周波数は、電極ピッチで制御可能。

マイクロ波強度磁石のダイナミクスは超高速で、次世代通信機器への適用が期待されています。

九州大学大学院理学府物理学専攻〒819-0395

福岡市西区元岡７４４番地

Tel(092)802-4101

Fax(092)802-4107

http://www.phys.kyushu-u.ac.jp/