山本秀樹
NTT 物性科学基礎研究所
上席特別研究員

予想や通説と異なる実験結

世界に類をみない NTT の先進的な技術を用いて，物質を構成する果が出たときこそがチャンス

然界にない新しい物質を創り出し，その物質創製を通じて新たな──ワクワク感で世界をけん引

研究所 上席特別研究員に研究内容 ・ 進捗と研究者としての姿勢を

元素を原子 ・ 分子レベルで制御性良く積層 ・ 反応させることで自現象の発現や物性の解明に取り組む，山本秀樹 NTT 物性科学基礎伺いました．

オリジナルかつユニークな物質創製法で，新物質の合成や新物性の発現に挑む
現在手掛けている研究について教えてください．

1 層分）〜10 μ m の膜を成長させることで，自然界にない新しい物質の創製や，その物質の物性解明を行っています．この薄膜の成長手法として，極めて真空度が高い（常圧の10兆分の 1 程度）真空装置の中で，ねらった化合物のまず大きな目標から入りますと，世界的に電力消費量が薄膜を構成する元素を，原子または分子の形で供給し，加増大している中で，将来的な①グリーン発電・蓄電へのシ

熱 し た 基 板 の 上 で 反 応 さ せ て 薄 膜 を 形 成 す る，MBEフト，②送給電・配線のロスレス化，③デバイス等のさら（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）法となる低消費電力化等への貢献をめざして，『薄膜合成法にいう手法を用いています（2）．

よる新奇「超伝導」および「磁性」物質の創製と物性解明』

私たちは MBE 法を用いて全く新しい化合物の創製に取というテーマに取り組んでいます （図 1 ）．具体的には，り組んでいる，世界でも極めて先進的な研究チームである基板と呼ばれる単結晶（原子が規則正しく並んで結晶化しと考えています．具体的には，NTT オリジナルな装置をているもの）の土台の上に薄膜と呼ばれる0.1 nm（原子用いて，金属元素を 2 種類以上含む酸化物（複合酸化物）（1）

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（1）低反応温度・非平衡条件下での化学反応原子・分子・イオンなどの究極に小さい粒子どうしの反応（2）エピタキシー（下地の基板結晶との相互作用）による準安定相の安定化（3）酸化物の場合，一様な酸化が可能（O3やO*の利用により強酸化も可能）
試料の「薄さ」，大きな表面積・体積比（4）不純物フリーの合成環境（超高真空下）（5）高いスループットでの合成実験（6）省資源（使用する原料が少量）（7）試料が単結晶薄膜の形で得られるため，将来の素子化との相性が良い

図1

MBE 法（薄膜成長法）による新物質探索・合成のアドバンテージ（MBE 法は，本来はすでに知られている物質の高品質な薄膜をつくる手法）の薄膜を成膜する研究を展開しています（酸化物 MBE 法）

在するとの報告が相次いだため，室温超伝導体は，まだ発（図 2 ）．この装置の特長は，金属元素の供給量をリアルタ見・合成されていないだけで確実に存在すると考える研究イムでモニタし，供給源にフィードバックをかけることで，者が多くなりました．単なる見果てぬ夢ではなくなったとそれぞれの金属元素を長時間安定に供給できること，また，いってもよいでしょう．私たちも勿論そのような物質の合

通常は O2分子の形で存在する酸素ガスを，反応性の高い成・発見をねらっているわけですが，その前段として，上O（酸素）原子や O3（オゾン）ガスの形で供給することで，記の薄膜をつくる手法を用いて，さまざまな特性を持つ新真空中で強酸化が行えることです．これらの特長を活かす

たな超伝導物質を創製し，絶縁体だと考えられてきた物質ことにより，自然界には存在しない結晶をつくることがでの超伝導化や，歪の導入による T c の上昇といった現象のきるようになりました．

発見等の成果を挙げています．最近では常圧下で最高のこの技術を用いて，長年，新たな超伝導物質の創製と物

T c を示す銅酸化物超伝導体の基本骨格のみを抜き出した性解明に取り組んできました．超伝導物質とは，ある一定構造と，銅を含まない別の酸化物を交互に積層してつくっの条件のもとに物質の電気抵抗が 0 （ゼロ）になる性質をた人工構造（人工超格子）における超伝導発現にチャレン持つ物質のことで，特にある一定温度（超伝導転移温度：ジしており，あと一歩のところまで来ています．

T c）以下の低温で超伝導性が発現することが知られていさらに，こちらは新物質でも超伝導体でもなく強磁性金ます．この電気抵抗が 0 の状態では，その超伝導物質内に属として知られる物質ですが，ごく最近，SrRuO3〔Sr（ス電力ロスなしに電気を流せることになります．超伝導転移トロンチウム），Ru（ルテニウム），O（酸素）からなる

温度 T c の常圧（ 1 気圧）下での最高値は，現在のところ物質〕の世界最高品質の薄膜を作製し，高品質ゆえに，こ−140℃ほどで，ドライアイスが固体から気化する温度（約れまで隠れていた，磁性ワイル半金属＊というエキゾチッ−79ºC）よりさらに60ºC ほど低い温度になります．しかし，近年，超高圧（約200万気圧）下でのみ安定に存在できる別の物質で，T c が−70ºC や−25ºC と室温に近い物質が存88

2020.10＊ ごく最近，磁性を持つ物質の一部で実現することが判明した特殊な状態で，そこで発現するワイル準粒子は，あたかも質量を持たないかのような振る舞いをみせます．

（a） 模式図

EIES
センサ

原子束EIES

ヒータ
基板

電子EDRHE

発光フィラ
メント

EIES
QCM 1
RHEED像シャッター

O（原子酸素）
O3
（オゾン）

プラズマ源

検出器
（PMT）

QCM 2
10 Sources

電子銃 x 6波長フィルタ超高真空装置可動PC
フィードバック

信号処理・制御装置

EIES: Electron Impact Emission Spectroscopy
PMT: Photomultiplier Tube

蒸着源（電子銃）電源
RHEED: Reﬂection High-Energy Electron Diﬀraction
QCM: Quartz Crystal Microbalance（b） 装置の外観

図2

複合酸化物薄膜作製用 MBE 装置

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クな状態が発現することを見出しました（3）．私たちの薄膜すものです．この物質の発見により得られた指針に沿って作製技術と，磁場下での電気伝導特性測定技術の高さを世新たに創製されると期待される物質とも合わせ，室温以上界に示した一例といえます．今後，電子状態を可視化するの高温で安定に動作する磁気素子への応用が期待されていような測定等を行って，この状態の存在を一瞥のうちに認ます．

識できるようにしていければと考えています．
独自の戦略で臨まれ，世界的な成果を上げていらっしゃるそうですね．

1987年にスタンフォード大学から NTT の研究所へ移ら酸化物超伝導物質の創製（1987年ノーベル物理学賞），れた先輩が，基礎と応用，両方の研究に貢献しようというフラーレン（炭素原子が60個集まったサッカーボール様の志を持たれてこの研究の原型をかたちづくられ，その約 6分子）の発見（1996年ノーベル化学賞），グラフェン（原年後に私が入社して先輩，兄弟子とともに 3 人でこの研究

子 1 層分の厚さの究極に薄い黒鉛）の作製（2010年ノーベに携わることになりました．金属元素の供給源にフィード

ル物理学賞），窒化物半導体を用いた青色発光ダイオード

バックをかけて真空中で金属元素を長時間安定に供給するの実現（2014年ノーベル物理学賞）等に端的に示されるよという技術を，NTT の研究所の外では見たことがありまうに，新しい物質や材料の創製は，自然科学の発展に貢献せんでしたのでとても衝撃的だったのと同時に，この技術

すると同時に，素子の高性能化や新機能素子の実現，素子は，生涯にわたり大切にすべきものであると直感しました．の設計思想へのブレークスルー等をもたらしてきました．

また，この技術があれば，世の中に存在しない物質をつく

また，現代のエレクトロニクスを根底から支える Si（シるという夢のような取り組みも現実にできるはずと非常にリコン）の集積回路に対し，微細化の限界（ムーアの法則引き付けられました．の限界）の問題を克服するため，これまで使われてこなかっ2004年に先輩方からこの研究を引継ぎ，研究職以外の期た元素や新材料を用いるさまざまな提案や取り組みがなさ

間も含め，約15年，この研究に携わっていますが，現在にれています．

至るまでにはさまざまなドラマがありました．

こうした背景の中で，私たちは酸化物 MBE 法を用いたNTT では他の研究機関ではできない，薄膜作製手法を新物質の創製に挑戦し，前述の超伝導物質のみならず新磁用いた新物質探索や新物質合成を，上記の，長年にわたっ性材料の創製にも成功しました．磁石は高温になるほど磁て培い，蓄積してきた独自技術によって実現しています．

石としての性質（強磁性）が弱まり，ある温度（キュリーところが，そのキーテクノロジの 1 つ「EIES（電子衝撃温度）を超えると強磁性が消失します．したがって，キュ発光分光）法による（薄膜を構成する）各元素の供給レーリー温度が高い物質を創製すれば，それだけ高温で磁石とトの超精密制御技術」を支える制御装置の製造を，2000年して機能させることができることになります．このような代前半に装置製造元が中止してしまったのです．私は，こ思想の下，物質探索を行い，Sr3OsO6〔Sr（ストロンチの技術が潰（つい）えたらまずいと思い，当時の上司と相ウム），Os（オスミウム），O（酸素）からなる物質〕と談して仕様を固め，シリコンバレーのベンチャー企業へ特いう新強磁性物質を世界で初めて合成・発見しました ．

注品を発注しました．その発注から約 3 カ月後より 1 年ほこの新物質は，電気を通さない物質（絶縁体）のキュリー

どの間，スタンフォード大学に共同研究のため滞在すると温度の記録を88年ぶりに更新し，絶縁体中で最高のキュいう幸運に恵まれ，研究の合間を縫ってはそのベンチャーリー温度（780ºC 以上）を示しました．また，Sr3OsO6は企業に足を運びました．おかげで，この特注品の完成には現存する磁性材料のほとんどに含まれている鉄やコバルト最初の試作品（図 3 ）の動作確認の段階から 1 人称で参画を含まない物質であり，磁性物質の探索に新機軸をもたらすることができました．特注品の開発から15年，さらに進（4）90

世界的な研究を手掛けられたきっかけを教えていただけますでしょうか．

2020.10

8
Flux（µmol・m－2・s－1）原子束EIES
センサ

電子発光

フィラ
メント

最初の試作品（2004年）

64200検出器

検出器
（PMT）

Sr
Os

51015Time（min.）20

複数の金属の供給量を同時かつ高精度に制御

波長フィルタPC

信号処理・制御装置

信号処理・制御装置

図₃

電子衝撃発光分光法（EIES）を用いた供給レート制御装置（特注品の最初の試作品）化したこの技術が私たちの研究を支えているのを見ると感う言葉の深みをことあるごとに思い出します．時を経て，

慨深いものがあります．

ひそかに憧れていた超伝導科学技術賞（2016年）を受賞で研究の現場にいると，苦しい年もあるし，小さくとも発きたことや，数々の論文を一流の学術誌へ掲載できたこと見等が相次いで心躍る年もあります．最初の心躍る体験はも研究の大きな励みとなっています．ただし，最近は研究入社 3 年目のことでした．入社直後から取り組んだテーマ

責任者として論文を発表することが多いので，掲載されてで得られた結果の解釈ができ，最初の論文を出版することうれしいというよりホッとするという感情のほうが強くなができました．それから運もあって，薄膜成長法による最りました．所内で，若手の研究者が論文掲載を勝ち取って初の新超伝導体を発見できたことなどが続きました．また，涙しているといった話を見聞きすると，うらやましいと感

応用物理学会の講演奨励賞という若手の登竜門のような賞じるのは年を取った証拠かもしれませんね．

を1996年に兄弟子，翌年に私と相次いでいただいたことで研究チームは湧きました．一方で，良いことが続き興奮気味だった私たち若手研究者に上司がかけられた「実験は純朴にやろう」という戒めの言葉もよく覚えています．実験
科学は，「さまざまに実験条件を変えて，自然を相手にその摂理を尋ね，自然が返してくれる答えを基に，人間が自然を理解していく営み」ですので，上司の「純朴に」といめざすところは大きく（頂は高く），アプローチは安全・確実から上席特別研究員となられて，視野や役割はどのように変化されましたか．
研究に集中できる安定したポジションに就かせていただ

2020.109₁き大変ありがたいと思っています．この立場を活かして，だき）で，今の私の立場の研究者が挑戦するのに適したテー

ブレークスルーやハイリターンのために，正当・正統なリマだと考えています．ほかには，植物と比肩し得る人工光スクを取ろうと考えています．基礎研究，特に物質・材料合成材料の探索なども高い頂といえるでしょう．ただし，の基礎研究でブレークスルーを生むためには，リスクをと私もそうでしたが，若いときは夢があるといきなり大きなることが重要ですが，世の中一般的には，チームメンバのことにチャレンジしがちです．大きな石をただ唸って押し次のポジション確保や，競争的研究資金の獲得のために成続け，結果的に1 mm も動かないというような，all or果や論文の出やすいテーマを選択せざるを得ないケースがnothing のアプローチにはならないように，小さなマイル多々あり，なかなかリスクを取ることができないというのストーンを立て、その都度，成果を論文化していくこともが現実です．NTT の上席特別研究員という極めて恵まれ大事だと思います．こうした考え方は，研究所の先輩に学た立場や環境を活かすべく，正当・正統なリスクを取ったんできました．

研究の推進に努めていきたいと思います．

基礎研究は，研究者自身が本当に好きなこと・テーマでIOWN（Innovative Optical and Wireless Network）ないとうまくいきません．頂に向かって常に最短距離を走構想を実現するための11のコアテクノロジのうち， 6 個がれるわけではありませんし，回り道や後退も余儀なくされ何らかのかたちで，物質・材料研究に関連していますので，ることが常です．それでも頂を見ることをやめない姿勢がその意味で，責任の重さも感じています．私のテーマ「薄大事だと思うのです．また，良い基礎研究はある概念をつ膜合成法による新奇超伝導および磁性物質の創製と物性解くる，ある概念を変える等大きなインパクトを与えます．

明」は，必ずしも IOWN 構想の「主流」に位置付けられ私たちが2013年からの約10年間で合成・発見してきた，そているわけではありませんが，歴史的には，「非主流」のれまでの銅酸化物超伝導体での超伝導発現条件に反例を示

研究テーマから大きなブレークスルーが生まれた例が多々すような新超伝導体の研究は，良い基礎研究の一例であるありますから，実は，私自身もそこに期待しているところという自負があります．なかなか論文が学術誌に受理されもあります．

なくて苦しい思いもしましたが，少なくとも研究現場にわさらに，性別や国籍，使用言語に加え，専門性のダイバーくわく感がありました．これらの物質が新超伝導体であるシティを持った研究チームづくりもブレークスルーには重ことは確立しているものの，一方で超伝導発現メカニズム要だと感じています．同じような専門性を持ったチームはの解釈をめぐっては，本当に定説に反例を示しているかどある意味ではやりやすいけれど，大きなブレークスルーはうか現在でも論争が続いています．これも基礎研究では良生まれにくいと考えます．新たにチームに加わった専門性くあることと，前向きにとらえることにしています．の異なる若い方が，先輩はこんなことも知らないのか，と思うことがあるくらいがちょうど良いのではないでしょうか．短期的にみると相違点が多い分だけ大変なこともあるかもしれませんが，長期的にみればその重要性を実感できると思います．
これまで課題やテーマを探す際に心掛けてきたことはありますか．

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潤沢な資金があるならば，どんな研究者人生を歩みたいかを想像せよ
後輩の研究者に一言お願いいたします．
近年では，「実験」「理論」「計算科学」に続き，第 4 の科学と呼ばれるマテリアルズインフォマティクスが台頭し

私は博士号をいただいて基礎研究所に入るころから「めたこと，また，理論計算による物質中の電子状態などの予ざすところは大きく（頂は高く），アプローチは安全・確

言精度が格段に向上したことなどから，以前に比べて，相実なところから」を心掛けてきました．例えば，私の研究当に効率良く物質探索を行ったり，薄膜の成膜条件を最適テーマに含まれる室温超伝導体の探索などは高い頂（いた化したりできるようになりました．このように効率化でき2020.10

るところはそうしていただきたいし，私自身が浅学非才に移金属に対象を広げ，世界最高温度まで磁石としての性質よって遠回りしてしまったようなことは，できれば後輩のを保てる物質の発見などにつなげてきました．この遷移金皆さんには回避してほしいです．しかし，物質・材料科学

属元素の対象をいかに系統的・戦略的に（絨毯爆撃的にでは，やってみないと分からないことが多々あることもまたはなく）広げられるかが今後の課題です．また，200万気

事実ですから，次のことに心掛けていただきたいと考えま

圧といった超高圧下でしか安定に存在できないけれど，室す． 1 つは，実験結果を再現できる信頼性の高い実験系を温に近い温度で超伝導転移する物質の発見は，いずれも水構築することです．これが，ある程度できたら，まず実験素化物で報告されています．現在は，ほぼ複合酸化物に限してみましょう．効率良く実験を進めることは重要ですが，られている成膜対象をいかに，酸化物以外に広げていくか最短距離を走ることだけを重要視せずに，回り道をしてみも課題だととらえています．

ることも重要です．さらに，結果が再現することが前提でこうした課題に取り組むには非常に時間がかかりますし，はありますが，予想や通説と異なる実験結果が出たときこ自分の世代だけで完成するものではありません．成果を出そチャンスです．何か未知の現象や，意外な現象の表象にしながら，次世代の核となる研究者を育てていくことは一遭遇している可能性が大きいでしょう．そして，あるねら番大切なことであり，技術やノウハウを継承していく必要いを達成するという意味では失敗のように思われる実験結性を感じています．これは，内部の研究者間のみではなく，果も，それだけで失敗と決めつけないことです．例えば，私たちの研究を支える装置や部品のメーカさんにも必要なねらいどおりの品質の薄膜がつくれないときは確かにがっことですので，是非技術継承していただけるようなやり方かりします．しかし，実験結果に何らかのヒントが隠れてで進めていければと考えています．

いることも多いです．
私は若い方々に「一生生活に困らない給料をもらえて，年間 1 千万の研究費がもらえたら，研究者人生を何の研究に使いたいか？」と尋ねることがあります．実は，その答え■参考文献（1） https://www.ntt.co.jp/journal/1908/files/pdf/JN20190806.pdf（2） https://www.ntt.co.jp/journal/1908/files/pdf/JN20190820.pdf（3） Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-020-18646-8（4） https://www.ntt.co.jp/journal/1908/files/pdf/JN20190812.pdf

が本当にやりたい研究であることが多いのです．長い目で見たとき，基礎研究ではそんな研究ができるように，またそんな研究テーマで頑張るとうまくいくことが多いでしょう．
ご存じのとおり，基礎研究ではオリジナリティが何よりも重要とされます．しかし，私はかつての上司から真に重要な技術であれば，キャッチアップも厭うべきではないと教えられました．二番煎じではダメだからと，二番煎じすらできない技術レベルに陥るのは最悪です．良い基礎研究成果は，トップグループにいる複数の研究チーム・研究機関で再現されるのが科学の健全な状態であると考えます．
研究における今後の課題を教えていただけますでしょうか．
数年前までは複合酸化物を構成する元素として，銅のような周期表で比較的上のほうの行にある遷移金属を含むものを対象として成膜を進めていましたが，最近は Ru,Pd（パラジウム），Os など周期表で銅よりも下の行に属する遷2020.1093