量子物質研究グループ
Quantum Materials Group
物性物理はこれまで新しい物質、新しい現象、新しい概念の発見によって、大きく発展してきた。

Discovery of new materials, new phenomena,and new concepts has progressed condensed matterphysics. A good example can be found in the historyof research in strongly correlated electron systems,
one of the major fields studied in ISSP. On the otherhand, breakthroughs have been often made at anintersection of various different research fields. To
facilitate another leap forward in our activity, thequantum materials group has been created to promoteinterdisciplinary studies based on the collaborationbetween the experimental and theoretical groups
beyond the conventional research disciplines.
The quantum materials group currently consistsof three core groups and nine joint groups. All thesegroups vigorously conduct collaborative research
to discover novel quantum phases and functional
materials in correlated electron/spin systems. Theactivities include new material synthesis in bulk andthin film forms and their characterization throughstate-of-art measurement systems. Device fabricationis also made for spintronics applications. These experiments are being conducted through lively discussion
and tight collaboration with theory groups, which
search for novel topological phases by using new
theoretical approach and numerical methods.

物性研究所で活発に研究されてきた強相関電子系は、その顕著な例である。一方、研究のブレークスルーは多くの場合、分野の融合によることが多い。本研究グループは、そのような視点のもとに、量子物質研究のさらなる飛躍を目指して、理論と実験の緊密な連携を核とし、従来の研究部門の垣根を超えた共同研究を推進するために新設された。
当グループは 3 つのコアグループと 9 つの連携グループからなり、互いに強く連携しながら、強相関電子系の新しい量子相や新しい機能性材料の発見を目指した研究を進めている。実験的には、バルクや薄膜の試料を作成し、その精密物性測定、スピントロニクス機能の開拓を行っている。これらは、理論手法の開発を通じて新しいトポロジカルな量子相の開拓を行う理論チームと強く協力をして進めている。

教授

押川正毅

教授(外国人客員） ドリチコ  ナタリア  ブラディミロブナ

教授

中辻知教授(外国人客員） ヒックス  クリフォード  ウィリアム教

授*瀧川仁

教

授 *1

榊原俊郎

教

授 *2教

授*

教

授*

Professor
Professor
1Professor
Professor
Professor

OSHIKAWA, Masaki
NAKATSUJI, Satoru

Visiting Professor

DRICHKO, Natalia Vladmirovna

Visiting Professor

HICKS, Clifford William助

教

多田靖啓

特任研究員

冨田助

教

酒井明人

特任研究員

マン フイユアン  

助

教*

下澤雅明

特任研究員 *教*一色弘成

特任研究員 *TAKIGAWA, Masashi
SAKAKIBARA, Toshiro

辛埴SHIN, ShikResearch Associate
Research Associate

TADA, Yasuhiro
SAKAI, Akito

Project Researcher
Project Researcher

崇弘

TOMITA, Takahiro
MAN, Huiyuan

廣井善二

大谷義近助

三輪真嗣

特任研究員

大槻匠

特任研究員 *4

准教授 *

山下穣

特任研究員

鈴木慎太郎

学振特別研究員 ク准教授 *2

和達大樹

特任研究員

チェン

准教授 *2

近藤猛准教授 *2

松永隆佑*1 所内兼務。本務は凝縮系物性研究部門 /concurrent with Division of Condensed Matter Science*2 所内兼務。本務は極限コヒーレント光科学研究センター /concurrent with Laser and Syncrotron Research Center*3 所内兼務。本務は物質設計評価施設 /concurrent with Materials Design and Characterization Laboratory*4 所内兼務。本務はナノスケール物性研究部門 /concurrent with Division of Nanoscale Science3

Professor
4

Professor

准教授

HIROI, Zenji

Research Associate

OTANI, YoshichikaAssociate Professor MIWA, Shinji
114

Research Associate
Project Researcher

Associate Professor YAMASHITA, Minoru
Associate Professor WADATI, Hiroki

Project Researcher
Project Researcher

Associate Professor KONDO, Takeshi

Associate Professor MATSUNAGA, Ryusuke

SHIMOZAWA, Masaaki
ISSHIKI, Hironari
OTSUKI, Takumi
SUZUKI, Shintaro

タイシ

CHEN, Taishi

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018

4Project Researcher
4Project Researcher
Project Researcher

杉本 聡志

SUGIMOTO, Satoshi

肥後友也

HIGO, Tomoya

ムドゥリ  プラサンタ  クマール
MUDULI, Prasanta Kumar

ダンル

JSPS Research Fellow Qu, Danru

学振特別研究員 レイクマー

マユク

JSPS Research Fellow RAY Kumar, Mayukh量子物質研究グループ

Quantum Materials Group
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/oshikawa_group.html

押川研究室

押川正毅

OSHIKAWA, Masaki

Oshikawa Group教授

Professor

量子多体系の理論を中心として研究を行っている。量子多田靖啓

TADA, Yasuhiro

助教

Research Associate

Our main focus is quantum many-body theory. Based on theclose correspondence among quantum many-body systems,
classical statistical systems, and field theory, we pursue universal
concepts in physics. At the same time, we aim to give a unified
picture on experimental data and to make testable predictions.
As an example of our recent achievements, we have given acertain theoretical result for the total orbital angular momentumof chiral superfluids, which has remained paradoxical for 40years. We also demonstrated, based on anomaly in quantum
field theory, a new classification of gapless quantum criticalphases in the presence of a discrete symmetry. This opens up a
new direction in classification of quantum phases. In order toconnect these theoretical developments with experiments, we
also study material design to realize exotic topological phasessuch as Kitaev spin liquids. Much of our research is carried out
in international collaborations.

多体系と古典統計力学系および場の理論の密接な関係を踏まえ、広範な系について成立する普遍的な概念を探求するとともに、実験結果の統一的な理解や新たな実験に対する予言も目標とする。最近の成果の一つとして、カイラル超流動体の全軌道角運動量についての４０年来のパラドックスに一定の理論的解決を与えた。また、場の理論における量子異常を応用して、離散的な対称性の存在下ではギャップレスな臨界相の間に新たな分類が生じることを示した。これは、量子相の分類に新たな展開をもたらすものである。このような理論研究における発展を実験研究と結びつけるべく、キタエフスピン液体相などの新奇なトポロジカル相を実現する物質設計についても研究を進めている。これらの研究の多くは、国際共同研究として推進している。

金属有機構造体 (Metal-Organic Framework, MOF) を用いたキタエフスピン液体の設計。キタエフ模型は、基底状態としてスピン液体を実現する、非常に興味深い厳密に解ける量子スピン模型である。イリジウム酸化物等の無機化合物でのキタエフ模型の実現が議論されているが、これらの物質では直接交換に起因するハイゼンベルグ型相互作用の寄与が大きく、基底状態はスピン液体ではない。我々は、MOF を用いて直接交換相互作用を抑制し、より理想的なキタエフ模型の実現の可能性を提案した。

Designing Kitaev spin liquid using Metal-Organic Framework (MOF).
Kitaev model is an intriguing exactly solvable spin model, with aspin-liquid ground state. Although realizations of the Kitaev model iniridates and other inorganic materials has been discussed, the dominance of Heisenberg type interactions owing to direct exchanges prevents the ground state from becoming the spin liquid. We proposed apossibility of more ideal realizations of the Kitaev model, using MOFs
in which direct exchange interactions are suppressed.

研究テーマ Research Subjects
1.   量子スピン系および遍歴電子系における電子スピン共鳴
Electron Spin Resonance in quantum spin systems and itinerant electron systems
2. 量子細線の接合における伝導と共形場理論
Conduction at a junction of quantum wires and conformal field theory
3. トポロジカル相と量子エンタングルメント
Topological phases and quantum entanglement
4. カイラル超流体の軌道角運動量
Orbital angular momentum of chiral superfluids
5. トポロジカル相・トポロジカル現象の物質系での実現
Realization of topological phases and topological phenomena in materials

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018量子物質研究グループ

Quantum Materials Group
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/ labs/nakatsuji_group.html

中辻研究室

中辻知

NAKATSUJI, Satoru

Nakatsuji Group教授

Professor

物質科 学のフロンティアは、新しい現 象の発見にある。

酒井明人

SAKAI, Akito

助教

Research Associate

The discovery of new phenomena is at the forefront ofresearch in condensed matter physics. This is particularly true
for the inorganic materials, which provide an important basis incurrent electronic and information technology research, whichkeep providing numbers of macroscopic quantum phenomena
due to correlations among the Avogadro numbers of electrons.
Thus, the search for new materials that exhibit new characteristics is one of the most exciting and important projects inthe materials research. We have synthesized new materials
in so-called strongly correlated electron systems includingtransition metal compounds and heavy fermion intermetalliccompounds. Our interest lies in quantum phenomena such as
exotic superconductivity and anomalous metallic states close
to a quantum phase transition, novel topological phases inmagnetic metals, quantum spin liquids in frustrated magnets,
and their spintronics application.

なかでも、無機物質は我々の生活を支える材料として最もよく利用されてきた。その無機物質から物質中の 1023 個もの電子が相互作用して創り出すマクロな量子現象が続々と発見されており、物理と化学を駆使した新物質の開発こそが新しい量子現象を目指す物質科学の醍醐味である。さらに、これらの量子現象の発見は現代の情報社会や IoT 社会の基盤となる革新的技術を生みだしている。私達の研究室では、このような新しい機能の開発を目指した新物質開発に取り組み、スピントロニクス機能やエネルギーハーベスティングなどの応用に資する新たな量子機能を探求する研究を進めている。
そのため、私達の研究室では、物質の化学合成のみならず、新しい物理現象の発見を目指した最先端物性測定、また、それを応用したデバイス作製や薄膜測定にも力を入れている。多様な手法を用いて新しい化合物の単結晶育成や薄膜作製に自ら取り組むとともに、顕著な量子効果が現れる極低温から応用に重要な室温以上での様々な高精度物性測定を行っている。

a, 強磁性体における異常ホール効果 ( 左図 ) と反強磁性体 Mn3Sn における異常ホール効果 ( 右図 )。強磁性体中では、自発磁化 M によって電子の運動が曲げられることにより、ゼロ磁場下 (B = 0) でホール効果が自発的に現れる。一方で、反強磁性体 Mn3Sn では、ゼロ磁場下 (B = 0) で、かつ、自発磁化 M のない状態において、ホール効果が自発的に現れる。この場合、電子の運動を曲げる要因となる仮想的な内部磁場 b が、スピンキラリティの秩序化によってもたらされると考えられる。b,Mn3Sn の磁気構造。カゴメ格子の各頂点に位置する Mn は磁気モーメント ( 青矢印 )を有し、キラル反強磁性構造を示す。c, Mn3Sn における室温でのホール抵抗率の磁場依存性。

Magnetic behavior and crystal structure of Mn3Sn. a, Anomalous Hall effectin ferromagnets (left) and in antiferromagnets (right) induced by bending
the trajectory of conducting carriers by magnetization and fictitious field,respectively. b, Crystal and spin structure of Mn3Sn. Each Mn has a magneticmoment (arrow). c, Magnetic field dependence on the Hall resistivity in
Mn3Sn at room temperature.

研究テーマ Research Subjects
1.   ワイル磁性体の量子伝導効果とそのスピントロニクス応用
Quantum transport phenomena in Weyl magnets and their applications for spintronics
2. トポロジカル磁性体の開発とエネルギーハーベスティング
Search for novel topological magnets and their application for energy harvesting
3. トポロジカル量子相や新しい超伝導体の開拓
Search for novel topological phases and superconductors

38THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018

量子物質研究グループQuantum Materials Group
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/ labs/miwa_group.html

三輪研究室

三輪 真嗣
MIWA Shinji

Miwa Group准教授

Associate Professor

私たちの研究グループでは高品質かつ特徴的なナノ構造

We study experimental condensed-matter and material
physics using high-quality and characteristic nano-structures.
We employ ultrahigh vacuum technique, which has been used
for semiconductor engineering, for the multilayer fabrication
with metals (Fe, Co, Mn, V, Sn, Pt, Pd, Ir…), insulators (MgO…)
and organic molecules (phthalocyanines…). We focus on spinand orbital properties, which can be pronounced in nano-structure, and fabricate quantum spintronics devices with metallic
multilayer, quantum materials, and organic ultrathin film. Our
research purpose is to characterize the physical properties insuch devices, and use it for application.
Recently, we have characterized spintronics phenomena suchas interfacial magnetism and magneto-electric effects by electricmeasurements and X-ray spectroscopy. Using the obtained
knowledge, we design and fabricate spintronics device showing
large effect at room temperature.

を用いた物性実験研究を行っている。具体的には半導体工学の超高真空薄膜 成長技術を Fe・Co・Mn・V・Sn・Pt・Pd・Ir 等の金属、MgO 等の絶縁体、フタロシアニン等の有機分子に拡張し、異種材料界面を有する多層膜を用いる。
ナノの世界では電子の自転角運動量に相当する「スピン」の性質が顕著に現れることに着目し、金属・量子物質・有機分子を組み合わせた多層膜を用いて様々な量子スピントロニクス現象を発現するデバイスを創成している。作製した新物
質・材料デバイスが示す新たな物性 ( 物の性質 ) を見つけ、機能化し、応用に供すること研究目的である。
最近は特に磁性金属多層膜の界面磁性・電気磁気効果等のスピントロニクス現象の機構を電気測定及び X 線分光により把握することに注力している。分光研究で得た知見を用いて室温巨大効果を示すデバイスの創成を目指している。
(a) 特徴的なナノ構造を有する新物質・材料薄膜の例。ありふれた材料の Fe・Pt・Pd 等を原子レベルで積層し、新たな物性を示す新物質・材料薄膜デバイスを創成した。(b) X 線磁気円二色性分光の結果。外部から MgO 誘電層に電界をかけながら分光を行い、界面Pt 層の電子状態の変化を見出した。このような高品質薄膜デバイ
ス研究と X 線分光研究の融合により、次世代不揮発性メモリの駆動技術として重要な磁性金属薄膜における電気磁気効果の物理機構を解明した。

(a) ナノ磁性体のスピンダイナミクスを利用した機能性デバイスの例。(b) ス
ピンダイナミクス及びポテンシャルの模式図。スピンポテンシャルを精密制御すると非線形効果が顕著になる。この非線形効果の利用により、ナノ磁性体のスピントルクダイオード効果の信号雑音比を向上させられることを見出した。

(a) Functional device
using spin-dynamics in
nano-magnets. (b) Schematic of spin-dynamics
and potential. If we precisely control the spinpotential, non-linear
effect can be enhanced.
We find that signal-tonoise ratio in the spintorque diode effect innano-magnets can beenhanced by the nonlinear effect.

( a ) A n e x a mp l e o f n ov e lmultilayer with characteristic
nano-structure. By using
conventional materials such as
Fe, Pt, and Pd, we fabricatednovel multilayer device withnew physical phenomena. (b)Results of X-ray magnetic circular dichroism spectroscopy. We conducted
the spectroscopy under electric-field application to the MgO dielectric, andfound a change in electronic state in interfacial Pt layer. The origin for thevoltage-controlled magnetic anisotropy, which is important for future nonvolatile random access memory, has been revealed.

研究テーマ Research Subjects
1.   スピントロニクスデバイスの X 線分光による機構解明
X-ray spectroscopy to reveal mechanism for spintronics devices
2. 界面ナノ制御によるスピントロニクスデバイスの室温性能向上
Increase in performance of spintronics device at room temperature by interface engineering
3. ワイル磁性体のスピントロニクスデバイス応用
Spintronics devices with Weyl magnetic materials
4. スピンダイナミクスによる脳型コンピューティング
Brain-inspired computing using spin-dynamics

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018

量子物質研究グループ

Quantum Materials Group

ドリチコ研究室

ドリチコ ナタリア ブラディミロブナ
DRICHKO, Natalia Vladmirovna

Drichko Group

外国人客員教授

Visiting Professor

私は強相関電子系や磁性体での物理現象について研究を

Natalia Drichko’s research interests are states of matter whicharise as a result of strong interactions between electrons andrelated magnetic interactions. The same interactions between
electrons, which lead to unconventional superconductivity,
can produce a magnetic insulator when tuned to be somewhat
stronger. While more traditionally these effects are found in
atomic crystals, Drichko is also interested in these exotic statesof matter demonstrated by molecular crystals, which can show
also exotic states such as quantum dipole liquid.
One of the ways to study fundamental properties of materials
is to measure their excitation spectra. We can obtain information about masses of atoms and strength of chemical bonds
in a system build of atoms, such as a molecule or a crystal,by exciting vibrations. Similarly, we can learn about interactions between electrons and spins in materials by exciting theelectronic and magnetic degrees of freedom. Drichko uses
inelastic light scattering, so-called Raman scattering, to study
vibrational, electronic, and magnetic excitations.

行っている。この強い電子間の相互作用は超伝導を引き起こし、更に強くなると磁性絶縁体を生み出す。これまでこれらの現象は主に無機材料で研究が行われてきたが、私は量子双極子液体などの異常状態を示す分子結晶の異常物性にも興味を持っている。
物質の基本的な性質を調べる一つの方法は励起スペクトルを測定することである。振動を励起することにより、分子や結晶など原子でできた系の原子質量、化学結合の強さなどを知ることができる。同様に、電子・磁気自由度を励起することで、物質中の電子・スピン間の相互作用について知ることができる。
このような振動的、電子的、磁気的励起を調べるために、私の研究では非弾性光散乱、いわゆるラマン散乱を用いている。

量子物質研究グループ

Quantum Materials Group

ヒックス研究室ヒックス クリフォード ウィリアム
HICKS, Clifford WilliamHicks Group

外国人客員教授

Visiting Professor

私の専門は強相関電子系の低温実験、特に一軸圧力下での物性測定である。すなわち、ピエゾ素子を用いた自作の一軸圧力装置を使って単結晶に連続的な格子変形をかけることで、系統的な変化を研究している。一般に、一軸圧力と静水圧力とが物質に与える影響は質的に異なっている。例えば、強相関電子系超伝導体 Sr2RuO4 に面内一軸圧力をかけると、一番大きなフェルミ面は楕円形に歪んで、Van Hove singularity に到達し、超伝導転移温度 Tc は２倍以上に上昇するが、静水圧では Tcは単調に減少する。また、銅酸化物高温超伝導体では静水圧は一般に Tc を上昇させることが知られているが、YBa2Cu3O6+xに面内一軸圧力をかけると Tc は減少し、長距離電荷密度波が発生することがわかった。長距離電荷密度波の発生は高温超伝導発現機構の有力な情報となるため大変興味深い。
我々の研究室では自作のピエゾ式一軸圧力装置を使ったさらなる実験を計画している。具体的には、通常常圧で行われれる様々な測定（電気抵抗、磁化、比熱、熱膨張、X 線回折、μSR、中性子散乱）を一軸圧力下で行えるように拡張する。これらの測定には一軸圧力装置の大きさ・構造のため、通常市販されている装置を使用することはできない。そのため、自作の装置を開発し精密な工作を行う必要がある。
現在我々が研究を行っている試料には、超伝導体 Sr2RuO4,FeSe、と YBa2Cu3O6+x、磁性体 Sr3Ru2O7、CeAuSb2、とPdCrO2、重い電子化合物 PrV2Al20 がある。

I specialise in the application of uniaxial stress to correlated
electron materials: my group use piezoelectric actuators tocontinuously distort the lattice, so that instead of studying a single
compound, we can instead study, in effect, a series of compounds
related by distortion of the lattice. Uniaxial stress has a qualitatively different effect from hydrostatic pressure on many materials.
For example, in-plane uniaxial stress on the correlated-electron
superconductor Sr2RuO4 causes an elliptical distortion of its largest
Fermi surface, and drives it through a Van Hove singularity in thedensity of states. The critical temperature of the superconductivity
more than doubles. In contrast, hydrostatic pressure causes Tc todecrease. Hydrostatic pressure generally increases Tc of the hightemperature cuprate superconductors, however here it is moreinteresting to suppress Tc so as to allow alternative electronic
ground states to emerge. These alternative ground states provide
information on the interactions that may drive the superconductivity. In-plane uniaxial stress on YBa2Cu3O6+x suppresses its Tc
and induces long-range charge density wave order.
We developed our piezoelectric uniaxial stress apparatus
in-house. We are working to extend the measurements commonly
performed on unstressed crystals to uniaxially stressed samples:
resistivity, magnetic susceptibility, heat capacity, dilatometry, x-ray
scattering, muon spin rotation, and neutron scattering. The structureof the uniaxial stress cell means that we cannot simply use commercial apparatus. Therefore we do a lot of our own instrument development and precision engineering. Materials that we have studied
include superconductors such as Sr2RuO4, FeSe, and YBa2Cu3O6+x;
the magnetically ordered compounds CeAuSb2, Sr3Ru2O7, andPdCrO2; and the heavy-fermion Kondo system PrV2Al20.
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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018