物質科学の魅力

多様な世界と普遍な法則
機能性物質物性研究室 (V 研 )寺崎一郎

Department of Physics, Nagoya University

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アウトライン

自然科学の未解決の問題多くなると何かが変わる
拡大する物質の物理学
相転移 :

多様な世界と普遍な法則の典型

磁場で溶ける磁束の氷
電流で溶ける電子の氷V 研:

面白くて役に立つ物質の物理学

まとめ
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自然科学の未解決問題
宇宙の不思議もっと遠くには何があるのか
極微の世界の不思議
物質は何からできているか
この 2 つは、 「我々はどこから来たのか」という根源的な疑問に直結する、面白さが " 自明な " 問題
物理学は、少数の基本法則と少数の基本粒子がこの世の全てを形作っている・・・と信じている学問・・・しかし、

Science 309 (2005) 78

Department of Physics, Nagoya University3いま、そこにある謎

我々の世界が、 100 に満たない種類の元素が膨
大な数集まってできているならば、日常生活の全ての事柄が疑問となって浮上する
空が青く、木々が緑なのはなぜか
水は蒸気になったり凍ったりするのはなぜか
金属はぴかぴかでガラスは透明なのはなぜか
硬度、導電性、磁性の源はなにか

Department of Physics, Nagoya University4多くなると何かが変わる

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5More is different
アンダーソンの言葉

ひとつひとつが理解できても，たくさん集まるとすべてが変わる
水は 1 分子 H2O では凍らない，たくさん集めると凍る
たくさんの原子・電子を集めたときに何が起こるか？
「創発性｣（ emergence) の物理学

物質の性質を決めているのは電子だけなのに・・・
磁性体（ビデオテープ )誘電体( 携帯電話 )超伝導体( リニアモータカー )半導体（コンピュータ )

光学材料

(DVD)

私たちは，物質の機能のすべてを予言できていない。
物質の物理学には至る所にフロンティアがある
物理学会発表件数

素粒子・原子核・宇宙
物性 3500 件

500 件

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1985 年以降のノーベル物理学賞
1985 量子ホール効果

2000 半導体 LSI1986 走査トンネル顕微鏡

2001 原子のボーズ凝縮

1987 高温超伝導

2003 超伝導の理論

1989 イオントラップ

2005 量子光学

1991 ソフトマター

2007 巨大磁気抵抗

1994 中性子散乱

2009 光通信

1996 3He の超流動

2010 グラフェン

1997 レーザー冷却2012 単一光子・原子操作

1998 分数量子ホール効果
これ以外に化学賞をもらった物
赤字は発見から理学者もいる。２０１１年の化学賞
数年以内の受賞は準結晶
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Department of Physics, Nagoya University拡大する物質の物理学

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実験室の中の宇宙

Chuang et al. Science 251 (1991) 1336
Department of Physics, Nagoya University9

宇宙の不均一、電子の不均一
Astrophys. J. 332 (1988) 44Lang et al. Nature415 (2002) 412

Terasaki J. Phys. Conf. Ser. 31 (2005) 51
Department of Physics, Nagoya University10電子が見るブラックホール
M 研が見つけた、準結晶の重い電子系には、量子臨界状態が安定に存在する
量子臨界状態は、ブラックホールとよくにて、物理量に特異点があらわれる
理フィロソフィアの最新号を参照

Department of Physics, Nagoya University11固体の中のモノポール

Nature 451 (2008) 42

Department of Physics, Nagoya University12固体の中のニュートリノNature 438 (2005) 197

E=p2/2m (massive)
E=pc (massless)arXiv:cond-mat/0608069
Nature Physics

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生命の理解への入り口

Wang et al. Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 334
Department of Physics, Nagoya University14相転移 ー 多様な世界と普遍な法則の典型

Department of Physics, Nagoya University15物質の三態

液体と結晶の違いは？

原子位置の周期性

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X 線・粒子線回折ー 周期性のプローブ

http://www.kek.jp/kids/class/trans/x_rays.html
Department of Physics, Nagoya University17粉末試料の X 線回折の測定方法

測定装置

粉末試料では、試料はいろいろな方向を向いているため、 X 線は円錐状に回折する

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X 線回折の測定と解析の例

円錐状に回折した X 線はスクリーン状に明暗の縞模様をつくる。これを半径方向に強度分布を計測すると、右の図のような回折パターンが得られる
Department of Physics, Nagoya University19液体から固体になると鉄が液体になると、 X 線回折でピークが消える→ ピークのあるなしで液体か固体かが区別できる
Department of Physics, Nagoya University20単結晶の X 線回折

単結晶の向きは固定されているので、リングではなく、点々で回折点が現れる
Department of Physics, Nagoya University21磁場で融ける磁束の氷

Department of Physics, Nagoya University22超伝導体の中の磁束格子

Nature 360 (1992) 51

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中性子回折で見る磁束の氷

1.5 K

56 K

ky
Nature 365 (1993) 407
kx
60 K
Department of Physics, Nagoya University24磁場で溶ける磁束の氷

50 mT

95 mT

70 mT

Nature 365 (1993) 407
Department of Physics, Nagoya University25磁場ー温度相図

磁束ガラス

磁束液体常伝導磁束結晶

Nature 365 (1993) 407
Department of Physics, Nagoya University26電流で融ける電子の氷

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有機導体

θ-(BEDT-TTF)2CsZn(SCN)4(SCN)-

Cs+絶縁体Co2+

電気伝導ブロック

BEDT-TTF

絶縁体

電気伝導ブロック

絶縁体 baDepartment of Physics, Nagoya University28

電子の氷は X 線ではどう見えるか
X 線写真
電子の液体

X 線写真
電子の氷

電子の氷のスポット
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X 線回折で捉えた電子の氷原子が作る結晶からの回折電子が作る結晶からの回折

Ito et al., EPL, 84 (2008) 26002
Department of Physics, Nagoya University30温度が上がると溶ける電子の氷

Ito et al., EPL, 84 (2008) 26002
Department of Physics, Nagoya University31電流で溶ける電子の氷

Ito et al., EPL, 84 (2008) 26002
Department of Physics, Nagoya University32流れる川は凍らない
電流は電子の流れ，電荷整列は電子の氷
流れる電子は凍らない

冬の寒い日に池の水は凍るけ
ど，川の水は凍らず流れる →流れる水の融点は低いはずだけど・・・
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V 研究室
面白くて役に立つ物質の物理学

Department of Physics, Nagoya University34電流で溶ける電子の氷は役に立つ
抵抗が高い状態→ 電子は電荷整列状態となって動けない→ 「電子の氷」状態

抵抗が低い状態→「電子の水」状態→電子の氷は温度を上げると溶ける

電子の氷は電流を流しても溶ける！
Department of Physics, Nagoya University35

有機サイリスタ
半導体のサイリスタ素子
は， PN 接合を利用して非線形特性を実現

PNPN

θ(BEDT-TTF) 化合物では，電荷整列の融解を利用して同じ非線形が実現

Nature 437 (2005) 522

電圧T= 4 K

電流
Department of Physics, Nagoya University36

有機インバータ

Vstd=IexRstd

Sawano, Terasaki et al. Nature 437 (2005) 522
Department of Physics, Nagoya University37磁場で生じる強誘電0.05T の磁場で、物質が強誘電性を示す
普通は・・・
電場 →磁場 →分極磁化（磁気分極）
Department of Physics, Nagoya University38わずか 0.1% の体積変化で変化する強磁性固体にとっては 0.1
GPa はゴミのような圧力、でもこの物質の強磁性が壊れる
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熱電酸化物 NaxCoO2

Terasaki et al. : Phys. Rev. B56(1997) R12685
Satake et al.: J. Appl. Phys. 96(2004) 931
Department of Physics, Nagoya University40

２０１０年
ベンチャー会社

酸化物熱電素子、販売開始！
TES ニューエナジー社 設立

http://tes-ne.com/Japanese/01_home.html
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まとめ

物質科学の魅力●

至る所にあるフロンティア

多くなると何かが変わる→ミクロとマクロの架け橋
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他の物理分野と隣接物質の中の宇宙論
ナノ力学と生物
多様な世界の普遍性
流れで溶ける氷
磁場で溶ける磁束格子
電流で溶ける電荷秩序
面白くて役に立つ
物質の物理学
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