第 60 巻

第3号
2020 年 10 月

鉄系材料で室温・ゼロ磁場で世界最高の磁気熱電効果を実現
3次元ディラック半金属 Cd3As2 における
室温超高効率テラヘルツ高調波発生の観測
世界最強クラスの磁場により強相関絶縁体の金属化を発見
機械学習による物性理論の補強ー機械学習交換相関汎関数の構築

2020

第 60 巻第3号
2020 年 10 月

contents11

鉄系材料で室温・ゼロ磁場で世界最高の磁気熱電効果を実現
酒井 明人、中辻 知

33次元ディラック半金属 Cd3As2 における室温超高効率テラヘルツ高調波発生の観測
神田 夏輝、池田 達彦、松永 隆佑

3

6

6

世界最強クラスの磁場により強相関絶縁体の金属化を発見

9

機械学習による物性理論の補強ー機械学習交換相関汎関数の構築

11

理学系研究科奨励賞を受賞して12

物性研に着任して

中島 多朗

13

物性研を退任して

柴山 充弘

15

外国人客員所員を経験して

17

24
27

【物性研究所短期研究会】○量子多体計算と第一原理計算の新展開○中性子散乱研究の現状と JRR-3 再稼働後の展望【ISSP ワークショップ】○量子物質研究の最近の進展と今後の展望

29 【物性研究所談話会】
121530 【物性研究所セミナー】
34【物性研ニュース】
○人事異動

編集後記
物性研だよりの購読について

17

29

永井 瞭

小野 清志郎Woun KANG
Yogesh Singh

919

松田 康弘、村岡 祐治

鉄系材料で室温・ゼロ磁場で世界最高の磁気熱電効果を実現

量子物質グループ 中辻研(１）研究背景講師

酒井 明人、教授 中辻 知

算機及び計算技術の発展により候補を予め絞ることが可能

ディラック半金属やワイル半金属を始め、トポロジカルになってきている。本研究では、東北大学是常准教授を中な電子構造を持つ物質への関心が近年高まっている。これ

心に第一原理計算を高速かつ自動で行い(ハイスループッらの物質はディラックコーンと呼ばれる線形のバンド分散ト計算)、1400 の物質の電子状態および強磁性状態でのを持っており、ディラック(またはワイル)方程式に従う相

ホール伝導率や横熱電係数の計算を行った。その中から鉄対論的フェルミオンが存在すると見なすことができる。さ(クラーク数 4 位；地球上に豊富に存在)を含む二元系に着らにディラックコーンの交点であるディラック点(ワイル

目した。そのようにして見つかった化合物が Fe3X (X = Ga,点)はベリー曲率の湧き出しまたは吸い込みの特異点であ

Al)である(図 1a)。結晶構造は立方晶 D03 型であり、X をり、波数空間の仮想磁場を生む。このベリー位相効果によFe に置き換えるとα-Fe(bcc 構造)に一致する。
図 1b は異常ネルンスト係数の温度依存性である。Fe3Ga

り、ホール効果やネルンスト効果が増強される等特異な現象を示す。

は室温で約 6μV/K、Fe3Al は室温で約 4μV/K であり、過これまで中辻研究室では、カイラル反強磁性体 Mn3Sn

去最大値に匹敵する大きさである。また室温付近で高い性が微小なネット磁化にもかかわらず強磁性体に匹敵する異能を維持する。さらに薄膜化にも成功し、ゼロ磁場でバル常ホール効果や異常ネルンスト効果を示すワイル磁性体でクと同等の異常ネルンスト効果を示すことを確認した。

あることを発見し[1-3]、さらにホイスラー型強磁性体

異常ネルンスト係数𝑆𝑦𝑥 は横磁気熱電係数𝛼𝑦𝑥 、ホール

Co2MnGa が巨大異常ネルンスト効果を室温で示すことを

伝導率𝜎𝑦𝑥 、電気抵抗率𝜌𝑦𝑦 、ゼーベック係数𝑆𝑥𝑥 を用いて発見した[4]。これらの発見は物理として興味深いのに加𝑆𝑦𝑥 = 𝛼𝑦𝑥 𝜌𝑦𝑦 − 𝜎𝑦𝑥 𝜌𝑦𝑦 𝑆𝑥𝑥 と書き表せる。右辺第 1 項は𝛼𝑦𝑥

え、応用上も大変重要である。実際、Mn3Sn はこれまでによりキャリアの移動が曲げられる成分、第 2 項は𝜎𝑦𝑥 に応用に向かないとされてきた反強磁性体において、電子より曲げられる成分と解釈できる。実験的に各成分を求めやスピンによる物性制御を可能にし、トポロジカル反強てみると、Fe3X では右辺第 1 項が 8 割程度の寄与をしめ

磁性体スピントロニクスとして発展している[5-7]。またており、𝛼𝑦𝑥 が非常に大きな値(Fe3Ga では過去最高値 5.2

Co2MnGa は異常ネルンスト効果を熱電応用に利用する

A/Km)になっていることがわかった。

可能性を開き、現在 NEDO 先導研究プログラムで行ってている。
環境の微小温度差から発電する熱電変換技術は IoT 機器の自立電源として最適であり、熱電材料の開発には半世紀以上の研究が費やされてきた。しかし、既存の非磁性半導体を用いる熱電変換素子は発電方向が温度差の方向と同じであるため(ゼーベック効果)、立体的で複雑な構造になり、大型化や高集積化に伴う製造コストに問題を抱えている。
一方、磁性体の異常ネルンスト効果は温度差の方向に垂直ab−Syx (V/K)|異常ネルンスト係数|(μV/K)

いる熱電モジュール及び熱流センサーの開発へと繋がっ

7
6

●

Fe3Ga

5
4
B=2T

3
●

2

Fe3Al

1
0
0

100

200

300

400

T (K)(K)温度

図 1 Fe3X (X = Ga, Al)の (a)結晶構造、(b)異常ネルンスト係数の温度依存性。

に発電するため、立体構造は不要で、テープ化などにより熱源に沿った大面積の発電が容易である。

(２）研究結果[8]材料探索には多くの苦労がつきものであるが、近年の計

1

物性研だより第 60 巻第 3 号

𝛼𝑦𝑥 は モ ッ ト の 関 係 式 よ り 、 ベ リ ー 曲 率 Ω と 𝛼𝑦𝑥 =2𝜋 2 𝑘𝐵𝑇 𝑒2∑ Ω (𝒌)𝛿(𝐸𝐹 − 𝜖𝑛,𝒌 ) の 関 係 が あ る た め 、 ベ
3 |𝑒| ℎ 𝑛,𝒌 𝑛, 𝑧

リー曲率と状態密度を同時に大きくする必要がある。こ■■ ■■ ■ ■ ■

の起源調べるため、金沢大学を中心に電子構造の詳細な[8] A. Sakai, S. Minami, T. Koretsune, T. Chen, T. Higo,

解析を行った。図 2a はスピン軌道相互作用を含めない

Y. Wang, T. Nomoto, M. Hirayama, S. Miwa, D.

場合の、L 点まわりのバンド構造である。赤のバンドとNishio-Hamane, F. Ishii, R. Arita and S. Nakatsuji,

青のバンドは黄色で示したノーダルライン上で接していNature 581, 53–57 (2020).

る。スピン軌道相互作用を入れると、有限のバンド
ギャップが開くが、ギャップが小さいためベリー曲率
Ωn,μν = i ∑n′≠n⟨𝑛|𝑣𝜇 |𝑛′ ⟩⟨𝑛′ |𝑣𝜈 |𝑛⟩2(𝜖𝑛 −𝜖𝑛′ )は大きくなる(図 2b)。このような蜘蛛の巣上のノーダルラインのためベリー曲率と状態密度が同時に大きくなり、𝛼𝑦𝑥 の増大に繋がっている。

ab−0.1 −0.1
0.1

0
L

0.1
E (eV)

0.3

0.1

104

kKU (2p/a)

0

Ω𝑛𝑧

0.05

0
103

−0.3

0

−0.3

102
0
kWW’ (2p/a)0.3

図 2 (a) Fe3X (X = Ga, Al)の L 点まわりのバンド構造(ノーダルウェブ)。(b) バンド n(図 2a の青いバンド)のベリー曲率。

(３）今後の展望
Fe3Al、Fe3Ga は結晶の乱れに強く、汎用材料を用いた廉価で応用性の高い材料であり、フレキシブルな IoT セン
サーや熱流センサーなどに活用されることが期待される。

[1] S. Nakatsuji, N. Kiyohara, T. Higo, Nature 527, 212215 (2015).
[2] K. Kuroda, T. Tomita et al., Nature materials 16,1090-1095 (2017).
[3] M. Ikhlas, T. Tomita, T. Koretsune, M.-T. Suzuki, D.
Nishio-Hamane, R. Arita, Y. Otani and S. Nakatsuji,
Nature Physics 13, 1085-1090 (2017).
[4] A. Sakai, Y. P. Mizuta, A. A. Nugroho, R. Sihombing,
T. Koretsune, M.-T. Suzuki, N. Takemori, R. Ishii, D.
N.-Hamane, R. Arita, P. Goswami and S. Nakatsuji,
Nature Physics, 14, 1119-1124 (2018).
[5] L. Šmejkal, Y. Mokrousov , B. Yan and A. H.
MacDonald, Nat Phys. 14, 242-251(2018).
[6] M. Kimata et al., Nature 565, 627-630 (2019).
[7] Hanshen Tsai, Tomoya Higo et al., Nature 580, 608613 (2020).

■■■■ ■■■

物性研だより第 60 巻第 3 号

23 次元ディラック半金属 Cd3As2 における室温超高効率テラヘルツ高調波発生の観測

極限コヒーレント光科学研究センター

神田 夏輝

物性理論研究部門

池田 達彦

極限コヒーレント光科学研究センター

松永 隆佑

研究背景

グラフェンをはじめとしたディラック電子系では、周波高強度レーザーをガス中に絞り込むことによって生じる高数の低い電場によりディラック電子をバンド内で加速する

次高調波は、レーザーベースでの軟 X 線パルス生成を可能にことで大きな非線形電流が誘起されることが理論的に予測する手法として、アト秒科学や高分解光電子分光で強力な実されており[2]、テラヘルツ帯で高効率な高調波発生を実験ツールとなっている。近年では固体からの高次高調波発生

現する物質として期待されていた。しかし実験上は長らくも報告され、固体ベースでのコンパクトかつ安定な軟 X 線光の間テラヘルツ高調波は観測されず、電子の散乱が速いこ源の候補として、また非摂動論的非線形応答に対する基礎物とを懸念してバンド内加速モデルの妥当性が議論されてき理学的な観点から興味が持たれ、活発に研究が行われている。

た。最近になって巨大加速器ベースの高強度光源を用いた

高次高調波発生の研究ではほとんどの場合近赤外から中赤外実験によりようやくグラフェンからのテラヘルツ周波数帯の光源が用いられるが、我々は中赤外域よりもさらに数十倍の高調波発生が室温で観測され[3]、非線形定数が他の物

波長の長いテラヘルツ周波数帯の高次高調波発生に注目した。

質と比べて体積当たり 7 桁ほど大きいことが判明した。しこの帯域の光(電磁波)は既存のエレクトロニクスよりも周波かしながら、相互作用長が原子一層に限られているため変数が 2、3 桁高いため、テラヘルツ帯における高効率な周波換効率としてはそれほど高くなく、またその発生メカニズ

数変換素子を実現することは次世代の高速エレクトロニクス

ムについてもディラック電子とは本質的に無関係な解釈がにおいて非常に重要だと考えられる。

報告されるなど議論が続いている。

松永らは 2014 年、超伝導薄膜から非常に強い第三高調

そこで本研究では、高品質なヒ化カドミウム Cd3As2 薄波がテラヘルツ周波数帯で発生することを発見した[1]。

膜[4]に注目した[5]。Cd3As2 はディラック半金属と呼ばれ、これは超伝導体のテラヘルツ周波数帯における非線形応答

電子が 3 次元的に質量ゼロのように振舞うことが 2014 年

が非常に大きいことを表しており、実際に宇宙・天文物理頃に発見されて以来、その性質に注目が集まっている(図学観測における微少マイクロ波の検出素子としてその性質

1(a))。バルクとしてディラック電子の性質を示す Cd3As2が活用されている。しかし超伝導状態を作るには極低温環を利用して、効率的に巨視的な非線形電流を発生させるこ境が必要であるため、もしテラヘルツ周波数の高効率な変とを期待した(図 1(b))。

換が室温で実現すれば非線形素子としての幅広い応用が期待される。

図 1 (a) Cd3As2 における電子のディラックコーンの模式図。(b) ディラック電子の加速によるテラヘルツ高調波発生の模式図。

3

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

実験結果

今回開発した光源により、これまで加速器を使わなけれ

テラヘルツ周波数帯の高調波発生を調べるため、物性研ば観測が難しかったグラフェンのテラヘルツ高調波をテー

究所内のレーザー光源を駆使してテラヘルツパルス発生技

ブルトップで観測することも可能になり、グラフェンと術開発を行った。LiNbO3 結晶を用いパルス面傾斜法を適Cd3As2 の詳細な比較も行った(図 2)。グラフェンに比べる用することで高効率なテラヘルツ波発生を行い、複数枚のと Cd3As2 では表面での反射ロスにより試料内部に入る電バンドパスフィルターを用いることで狭帯域の高強度テラ

場は 5 分の 1 ほどになるものの、発生した第三高調波の電ヘルツパルス(周波数 0.8 THz、電場尖頭値 31 kV/cm)を

場は 5 倍ほど強いことがわかった。これはグラフェンより

テーブルトップのシステムで実現した。

も遥かに大きな体積を活かして周波数変換が非常に効率よ試料としてカリフォルニア大学サンタバーバラ校のく生じているためと考えられる。

Susanne Stemmer 教授らのグループにより作製された高さらに、このテラヘルツ高調波発生のメカニズムを解明

品質 Cd3As2 薄膜を用いた[4]。GaSb/GaAs 基板上にエピするため、テラヘルツパルスで励起された電子の時間変化

タキシャル成長された厚さ 240 nm の Cd3As2 薄膜で、を超高速に時間分解して調べる実験を行った。グラフェン

フェルミエネルギーはディラック点から約 50 meV に位置のテラヘルツ高調波発生の研究では、その非線形電流の起する[6]。テラヘルツ時間領域分光を用いた線形応答測定

源が、テラヘルツパルスによって加熱された電子が急速ににより、電子の散乱時間は室温で約 150 fs に及ぶことが明

加熱と冷却を繰り返すという、ディラック電子とは全く関らかとなった。

係のない熱力学的モデルによって解釈されていた[3]。しこの Cd3As2 薄膜試料に高強度テラヘルツパルスを照射

かし本研究で行った精密な時間分解実験から、Cd3As2 薄し、透過したテラヘルツ波の電場時間波形を電気光学サン

膜中の電子が冷却に要する時間はグラフェンの電子よりもプリング法により取得した。フーリエ変換により得られた遥かに長いこと、非線形応答が等方的には現れないことなスペクトルを図 2(a)に示す。入射波の 3 倍の周波数であるどが明らかになり(図 3(a))、熱力学的モデルでは説明でき

2.4 THz 付近に明瞭な第三高調波のピークを観測することない結果が示された。さらに理論計算により発生する第三に成功した。入射電場振幅 31 kV/cm に対し第三高調波の高調波の大きさと電子の散乱時間の関係を調べたところ、電場振幅は 100 V/cm と見積もられる。この第三高調波の電子の散乱時間がテラヘルツ波の周期よりも十分速いフェ入射電場強度依存性を図 2(b)に示す。弱い電場領域ではムト秒領域であったとしても第三高調波が強く現れること

図中の破線に示すように電場強度の 3 乗で立ち上がり、が明らかになった(図 3(b))。また、熱力学的モデルについ

20 kV/cm を超えたあたりから 3 乗から外れる非摂動論的ても理論的検証を行ったところ、Cd3As2 薄膜のテラヘル

振る舞いが観測された。また、光源を変更し周波数 0.6

ツ高調波発生の特徴は熱力学的モデルでは全く再現できな

THz の入射電場を用いることで 3.0 THz の第五高調波をかった。これらの結果から、ディラック電子が図 1(b)に示

観測することにも成功している。

すようにバンド内でコヒーレントに加速されたことによる非線形電流によってよく説明できることが確かめられた。

図 2 Cd3As2 およびグラフェンにおける第三高調波の観測(a) Cd3As2 およびグラフェンを透過したテラヘルツ電磁場のスペクトル。(b) 第三高調波の入射電場強度依存性。

■■■■ ■■■

物性研だより第 60 巻第 3 号

4

図 3 Cd3As2 における時間分解観測と理論計算。(a) ポンププローブ分光法によって計測された、テラヘルツ電磁場が照射したときの Cd3As2 の超高速時間変化。第三高調波を生み出す非線形性の非等方性を示している。(b) 理論計算によって得られた第三高調波の大きさの電子散乱時間依存性。

このような加速モデル自体は理論的に 2007 年頃から予謝辞想されていたが[2]、実験的にはテラヘルツ周波数帯の高本研究はジョンズホプキンズ大学の N. P. Armitage 教

調波の観測が難しかったため、実際の物質ではテラヘルツ

授及び Bing Cheng 博士課程学生(当時)、カリフォルニア

周波数帯においてこのモデルは成り立たないという解釈が大学サンタバーバラ校の Susanne Stemmer 教授及び広がりつつあった。本研究では電子の散乱時間を考慮した

Timo Schumann 博士、物性研究所の板谷治郎准教授、松詳細な計算から、テラヘルツ周波数帯でもこのディラック

田拓也研究員、夏沛宇博士課程学生(当時)との共同研究に電子の加速モデルがよく成り立つことを示し、高調波発生よるものである。なお本研究は、JST さきがけ(課題番号のメカニズムがディラック電子の特異な非線形電流にある

JPMJPR16PA)、文部科学省光･量子飛躍フラッグシップ

ことを明らかにした。

プログラム(Q-LEAP)(課題番号 JPMXS0118068681)、
及び文部科学省科学研究費補助金(課題番号 19H01817、

今後の展開

19K15462、18K13495)の支援を受けて行われた。

本研究によって Cd3As2 薄膜が室温でテラヘルツ高調波を効率よく発生させることが見出され、テラヘルツ電磁場

REFERENCESの周波数変換技術実現に向けた新たな指針が得られた。現[1] R. Matsunaga, N. Tsuji, H. Fujita, A. Sugioka, K.

在はテラヘルツ電磁場をそのまま Cd3As2 薄膜に照射してMakise, Y. Uzawa, H. Terai, Z. Wang, H. Aoki, and R.

いるが、Cd3As2 薄膜は半金属であるため、電磁場のほと

Shimano, Science 345, 1145 (2014).

んどは表面で反射されてしまう。反射防止コーティングな[2] S. A. Mikhailov, Europhys. Lett. 79, 27002 (2007).

どの表面加工や、電場を局所的に増強するメタマテリアル[3] H. A. Hafez et al., Nature 561, 507 (2018).

技術と組み合わせたり、あるいは電極から直接電場を印加[4] T. Schumann, M. Goyal, H. Kim, and S. Stemmer,

したりすることで周波数変換を更に高効率化することが期

APL Mater. 4, 126110 (2016).

待される。また、Cd3As2 のようなディラック半金属と同[5] B. Cheng*, N. Kanda*, T. N. Ikeda, T. Matsuda, P.

様に質量ゼロの電子を持つものとして、ワイル半金属が知Xia, T. Schumann, S. Stemmer, J. Itatani, N. P.

られている。空間反転対称性の破れたワイル半金属の場合

Armitage, and R. Matsunaga, Phys. Rev. Lett. 124,

は第二高調波が発生すると考えられ、これはディラック半

117402 (2020). (*: equal contribution)金属が示す第三高調波よりもさらに高効率に周波数変換が[6] B. Cheng, T. Schumann, Y. C. Wang, X. S. Zhang, D.

可能になると期待される。ディラック半金属およびワイル

Barbalas,S.

Stemmer,

半金属は、物質をトポロジーによって分類する現代物理学

arXiv:1905.00309.

and

N.

■

■ ■

P.

Armitage,の最先端研究によって発見された物質群であり、総称してトポロジカル半金属と呼ばれている。本研究によって今後もトポロジカル半金属が示す巨大応答とその機能性についてさらに研究が深まることが期待される。

5

物性研だより第 60 巻第 3 号■ ■ ■ ■

世界最強クラスの磁場により強相関絶縁体の金属化を発見

1 附属国際超強磁場科学研究施設、2 岡山大学異分野基礎科学研究所

松田 康弘 1、村岡 祐治 2が本質的であるならば絶縁体としての性質は U が決定し研究背景
強相関電子系では量子現象を特徴づけるエネルギースており、磁場で金属化を起こすことはできないだろう。挑ケールが大きく、高温超伝導などの魅力的な現象が現れる。

戦的ではあるが、世界最強磁場を有する施設において取りその理解は固体物理学における最重要課題の一つであるが、組むべきテーマの一つであると思われた。

しばしば、強い相関が実験的研究の障壁となる。電子スピンの磁場による制御はその一例であり、基底状態の反強磁実験方法

性秩序やスピン一重項状態を磁場で抑制した際の電子状態

測定試料として、W を V サイトに 6%、3.4%、0%ドー

は、限られた例を除いて実験的にはほとんど明らかにされプして、ゼロ磁場での転移温度 TMI を約 100、200、300 Kていない。もっとも、理論的には単一バンドのハバードモにコントロールした TiO2 基板上の V1-xWxO2 薄膜をパルスデルにおいて磁気基底状態が反強磁性となることは良く理レーザー堆積法で準備した。非ドープ(0%)でも転移温度解されており、反強磁性状態のエネルギースケール J が、がバルク結晶より低いのは、薄膜にしたことによる格子ひクーロン反発エネルギーU と比べて十分小さい(J/U<<1)

ずみの影響である。

ことから、スピン制御が電子状態に与える影響はあまりな

VO2 は MI 転移において近赤外領域でスペクトルに顕著いと期待される。例えばこのモデルでは、モット転移にな変化があるため、今回、光学的手法によって磁場中でのよって絶縁体化した系のスピンを磁場で揃えたとしても、電子状態変化を調べた。具体的には波長 1.977 μm のレー絶縁体としての性質はそのまま保持される。

ザーを用いて、透過光強度の磁場依存性を測定した。

しかしまた一方で、軌道および格子の自由度とスピン自由度が結合した場合、絶縁性を決めるメカニズムは単純で磁場発生には、最近 1200 T 発生に成功した[3]新規電磁濃縮法装置を用いた。

はなくなる。強相関電子系では多くの物質で電子−格子、
スピン−軌道、スピン−格子の結合が強く、反強磁性やスピン一重項基底状態を磁場で抑制した際に現れる強磁場相の性質は簡単には予想できない。VO2 は典型的な強相関物質

結果
図 1 に、V1-xWxO2(x = 0.06) の 14 K と 131 K における透過光強度の磁場依存性を示す[4]。

の一つとして考えられており、TMI = 340 K で鋭い一次の金属絶縁体(MI)転移を示す。[1] 応用材料としても注目され精力的に研究が行われているが、発見から 60 年を経た
現在も MI 転移機構については決着がついていない。転移においてバナジウム原子の 2 量体化が分子軌道形成によって起こることが知られており [2]、分子軌道を形成する 2
つの d 電子がスピン一重項状態になる。我々は、スピンの向きを揃えることで分子軌道が不安定になり、2 量体の崩
壊と金属化が強磁場中で起こる可能性があると考えた。
VO2 の電子状態に対する磁場効果はこれまでにほとんど報告がない。実験に必要な磁場は、そのスピンゼーマンエ
ネルギーが TMI と同程度かそれ以上であると予想されるため、1000 T の磁場発生が可能な電磁濃縮法装置を用いれば研究が実行可能である。ただし一方で、モット転移機構■■■■ ■■■

図 1 V1-xWxO2 (x = 0.06)薄膜(膜厚 15 ナノメートル、TiO2 基板)のレーザー波長 1.977 μm での光透過強度の磁場依存性。挿入図
は、磁場による透過光強度変化分を磁場の関数でプロット。

物性研だより第 60 巻第 3 号

614 K では、透過光強度が 120 T 付近から減少をはじめ、

ここで、Δα は磁場による光吸収係数の変化、αM、αI は高およそ 500 T で金属相の透過強度に到達する。このことか

温金属相、低温絶縁体相それぞれでの光吸収係数である。

ら、500 T において絶縁体から金属への転移が起こったと

x = 0.036 では金属化は B*~ 200 T 以上で起こり、x = 0 で考えられる。131 K は転移温度に近いためゼロ磁場での透は 540 T でも金属化の兆候は観測できなかった。TMI が高

過光強度が低い。興味深いことに、14 K の場合と同様にいと金属化にはより強磁場が必要であることがわかる。

100 T までは磁場依存性はほぼ無く、金属化への変化は

パルス磁場中では渦電流や磁気熱量効果によって試料温

100 T 付近からはじまる。挿入図には透過光の変化量をプ

度が変化する可能性が高いが、本研究で用いた薄膜の厚みロットした。金属化がある閾磁場 B*ではじまり、B*はあは 13~19 nm であるため、基板への熱緩和時間は 1 K あた

まり温度に依存しない。

り 0.1ns 以下と見積もることができる。基板は厚み 0.5 mm

図 2 には、図 1 の結果をΔ𝛼としてx = 0.036 (TMI ~であり 104 倍の熱容量があるため十分な熱浴とみなせ、200 K)、x = 0 (TMI ~ 300 K)の実験結果と合わせてプロットした[4]。

マイクロ秒の磁場掃引時間において試料温度はほとんど一𝛼𝑀 −𝛼𝐼定であると期待できる。実験的にも、一巻きコイル法での予備実験で光透過強度変化によって発熱効果を評価したと
ころ、温度上昇は観測されなかった。本研究で観測された
磁場誘起金属化は等温条件下での現象であるといえる。
今回観測された磁場誘起金属化は、スピンの向きを揃えることで 2 量体の分子軌道が磁場で壊れ、d 電子が遍歴的になったと考えることで説明できる。図 3 は磁場による 2量体の崩壊を説明した模式図である。
このことから、VO2 の低温での絶縁体化のメカニズムにおいて、電子相関効果よりもバナジウムの 2 量体形成による格子変形の効果がより本質的であることが示唆される。
ただし、スピンギャップに相当する分子軌道の結合−反結合軌道間のエネルギーギャップは 2.5 eV 程度あるため、単純な局所的ゼーマン効果では 500 T の磁場でも分子軌道のスピン一重項を壊すことは不可能である。電子相関効果

図 2 V1-xWxO2 ( x = 0, 0.036, 0.06)薄膜における、吸収係数 α の相対変化量の磁場依存性。αM、αI はそれぞれ、ゼロ磁場における高温金属状態と低温絶縁体状態の吸収係数。x = 0.036 では、実験時の磁場発生装置の放電スイッチ同期不良により、最高磁場が360 テスラまでに制限された。

が磁場効果の詳細を理解するためには重要になると考えている。

図 3 観測された磁場による金属化を説明する分子軌道崩壊の模式図。左図はポテンシャルエネルギーの変化の様子、中央の図はダイマーの分解を表す。右図は、ダイマーを形成する分子軌道が壊れる様子を示す。

7

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

今後の展開分子軌道形成によって 2 量体をつくることが VO2 の絶縁体化において重要であるが、類似した金属絶縁体転移はいくつかの他の物質においても観測される。Ti4O7(2 量体)、
MgT2O4(2 量体)、AlV2O4(7 量体)、CuIr2S4(8 量体)、などがよく知られているが、磁場効果についてはほとんど研究
例がないため、今後、電磁濃縮法を用いた 1000 T 級超強磁場を用いた研究テーマとして興味深い。
また、固体内の分子軌道形成の磁場による抑制は、原子や分子に対しての中性子星などにおける 106 T 以上の超強磁場効果[5]と類似する現象と捉えることもできる。今後、波動関数への磁場効果の観点から磁場誘起金属化現象が微視的に理解できるようになれば、宇宙物理との学際的研究へと発展することも期待できる。

謝辞
本研究は、物性研究所の中村大輔氏、池田暁彦氏、澤部
博信氏、嶽山正二郎氏、および、岡山大学の壽賀友貴氏、中原隼人氏との共同研究です。ここに感謝します。

参考文献[1] F. J. Morin, Phys. Rev. Lett. 3, 34 (1959).
[2] Z. Hiroi, Prog. Solid State Chem. 43, 47 (2015).
[3] D. Nakamura, A. Ikeda, H. Sawabe, Y. H. Matsuda,
S. Takeyama, Rev. Sci. Instrum. 89, 095106 (2018).
[4] Y. H. Matsuda, D. Nakamura, A. Ikeda, S. Takeyama,
Y. Suga, H. Nakahara, Y. Muraoka, Nat Commun 11,3591 (2020).
[5] K. K. Lange, E. I. Tellgren, M. R. Hoffmann,T.
Helgaker, Science 337 , 327 (2012).

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物性研だより第 60 巻第 3 号

8機械学習による物性理論の補強—機械学習交換相関
汎関数の構築物性研究所 杉野研究室

永井 瞭

人の手では複雑過ぎて構築できないような複雑なデータ

この方程式は粒子数に対して多項式時間で解くことができ間の関係性に対し、大量のパラメータをもった学習モデル

る。ただし、計算量を圧縮した代償として式(3)には𝑉xc とを用意し、機械の力で関係性を再現するようにパラメータいう項が生じる。この項は(交換相関)汎関数と呼ばれ、電最適化を行うという、コンピュータの計算能力を活かした

子密度の汎関数であるが、非常に複雑な形をしており厳密

力技のような技術を機械学習という。この力技は様々な場には書き下すことができない(もし厳密に書き下すことが合において非常に高い予測性能を示すことが示されたため、できるとすれば、それは Schrödinger 方程式の基底状態に

現在機械学習に関連した研究は非常に盛んに行われている。

対する厳密解に相当する)。実用計算ではこの項を近似し物性研究においても機械学習の技術を取り入れる動きは活て用いるが、精度が不十分であったり、近似の方法によっ発であり、学習させるべきデータを実験などで蓄積し、そて精度良く記述できる物質が限られるなどの問題がある。

れを用いて多数の物質の中から有力な物性をもつ物質を探高精度かつ汎用性の高い汎関数の開発は物性理論において

り当てる、などといった方法で応用が試みられている。

重要な使命である。

我々もこの流行りに乗り、機械学習を物性の第一原理計

汎関数の厳密形は書き下せないが、ある系において先程

算手法の改善に応用する研究を行っている。一般の機械学の厳密な Schrödinger 方程式を解くことができれば、習の応用法では観測などによって蓄積されたデータを用い

Kohn-Sham 方程式と照合することでその系における汎関るが、本研究は訓練データを手元で生成する。しかし、こ数を数値的に知ることができる。そこで、いくつかの厳密のデータ生成に必要な理論は計算量が非常に大きく、実際解を解くことができるほど小さい系に対して電子密度分布にデータを生成できるのは小さい物質に限られる。そこで、と汎関数の値を求め、その間の写像を機械学習モデルで訓データ生成に必要な理論を、機械学習モデルを組み込んだ練し、その写像が訓練外の物質にも汎関数として実用的な計算量の低い理論に代替させることで、より広範な物質に精度で利用することができれば役に立つのではないかと考対してデータを得られるようにする、というのが研究の大え、本研究が行われた。

枠である。

実際に構築すべき写像は、電子密度から各地点の交換相

電子状態の第一原理計算で扱っている問題は、結局 3 次

関エネルギー密度という量である。

元連続空間における量子多体問題であり、極論を言えば量𝑛(𝑟) → 𝜀𝑥𝑐 ([𝑛]; 𝒓) (5)

子力学の教科書に必ず載っている Schrödinger 方程式から

これは特徴量・予測量のどちらも空間上で連続的に定義さ解を得ることができる。

れる量であり、機械学習するには工夫が必要である。我々∇2𝑛1
1
𝐻 = ∑[−+ 𝑉ion (𝒓𝑛 )] + ∑(1)
2
2|𝒓𝑚 − 𝒓𝑛 |はまず 1 次元のモデル系上で空間をグリッドに区切り、連𝐻Ψ(𝒓1 , 𝒓2 , ⋯ ) = 𝐸Ψ(𝒓1 , 𝒓2 , ⋯ )(2)

ルネットワークにこれらのベクトル間の関係を学習させた

しかし、Schrödinger 方程式の計算量は粒子数に対して指[2]。結果として、構築された写像を Kohn-Sham 方程式

数オーダーで増加するため、小さい系でしか厳密に解くこ(1)に代入し数学的操作を行っても十分な精度で取り扱いとができない。そこで、計算量を落として基底状態の情報ができることを示した。

𝑛𝑚≠𝑛を得られる次の Kohn-Sham 方程式が開発された[1]。
𝐻KS = −

∇2
2

+ 𝑉ion (𝒓) + ∫ 𝑑𝒓′

𝐻KS 𝜑𝑖 (𝒓) = 𝜀𝑖 𝜑𝑖 (𝒓),𝑛(𝒓′ )|𝒓 − 𝒓′ |その後、この手法を実際の物質に適用した[3]。水やア
ンモニアなどのいくつかの小分子に対し高精度な波動関数+ 𝑉xc ([𝑛]; 𝒓)(3)𝑛(𝑟) = ∑ 𝜃(𝜇 − 𝜀𝑖 )|𝜑𝑖 (𝒓)|2 (4)𝑖

続量を離散化されたベクトルとして扱った上で、ニューラ法で厳密な電子状態を求めることにより訓練データを生成し、それを分子の周りのグリッド上でベクトルデータとして扱い、汎関数を機械学習させ、訓練外の数百の分子系に適用して精度検証を行った。少数分子のデータしか用いて

9

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

いないにもかかわらず、幅広い物質に対し従来手法と同等

汎関数を機械学習で構築する意義として、任意のデータ

以上の精度を示した(図 1)。これは、訓練分子の周囲の 3量に対して定まった手続きで写像を構築できることから、次元空間上に大量のグリッド点が取られており、その各地

大規模データの活用ができるという点が大きい。しかし、点で再現すべき電子密度→汎関数のデータが存在するので、現段階ではデータを増やしても改善が少ないという傾向がひとつの分子でもかなりの量の情報が含まれているためで観測されている。実は、従来の密度汎関数理論における汎あると考えられる。

関数近似は特徴量を簡単なものに絞って構築されているのだが、これはそもそも人間の手では複雑な特徴量を用いた近似汎関数形が構築できないことが理由である。本研究で用いている特徴量も現段階ではこの方針に則っており、単純なものに限られている。そのため、構築される写像はかなりシンプルなモデルであり、このままでは大量データを用いてもそれを学習できる柔軟さがないと考えられている。
そこで、今後は従来の手法にとらわれず複雑な特徴量を導入しながら大量データを扱えるような枠組みを確立し、より高い汎用性と精度を突き詰めようと試みている。

謝辞
本研究は明石遼介助教(東京大)、佐々木秀氏(東京大)、常行真司教授(東京大、物性研)、杉野修教授(東京大、物性研)との共同研究により行われました。ここに感謝を申し上げます。

参考文献[1] W. Kohn and L. J. Sham: Self-consistent equations
including exchange and correlation effects. Phys. Rev.
140, A1133 (1965).
[2] R. Nagai, R. Akashi, S. Sasaki, and S. Tsuneyuki:
Neural-network Kohn-Sham exchange-correlation
potential and its out-of-training transferability. J.
Chem. Phys. 148, 241737 (2018).
図 1(a) 準局所形式のニューラルネットワーク汎関数(各空間地点[3] R. Nagai, R. Akashi and O. Sugino: Completingに対しておなじニューラルネットワークモデルを適用する)の模

density functional theory by machine learning hidden

式図。𝒔はスケールされた密度勾配、𝝉は運動エネルギー密度という量で密度の二階微分と等価な情報を持つ。これらの特徴量から、
交換相関エネルギー密度への写像を構築する。(b) 3 分子の高精度

messages from molecules. npj Comput. Mater. 6,43(2020).

計算から学習した NN 汎関数を用いて 147 分子について KS 方程式を解き、得られた密度分布および原子化エネルギーを高精度計
算から比較した誤差。塗られていないマーカーが本手法によって構築された汎関数であり、同じ色の塗りつぶされたマーカーが、同じ近似レベル(特徴量の数)の従来型汎関数である。左下に行くほど密度とエネルギーの精度が両立している。差し込み図はNRA(本研究で提案された非局所型汎関数)の結果近傍のクローズアップに Hybrid 汎関数(従来型の非局所型汎関数)の結果を加えたもの。

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物性研だより第 60 巻第 3 号

10理学系研究科奨励賞を受賞して押川研究室
この度、理学系研究科研究奨励賞(修士課程)を受賞いたしました。この賞は、理学系研究科の修士課程を修了する

小野 清志郎[1] H. C. Po, A. Vishwanath, H. Watanabe, Nature
Communications 8, 50 (2017).

学生のうち、優れた研究を行った者に贈られるものです。

[2] T. Zhang, et al., F. Tang, et al., Nature, 566, 475-479

このような賞をいただくことができ、大変嬉しいです。修(2019)., M. G. Vergoniry, et al., Nature, 566, 480-485

士課程の間指導してくださった押川正毅先生、受賞対象と(2019)., F. Tang, et al., Nature, 566, 486-489 (2019).

なった研究の共同研究者の皆様に改めて感謝いたします。

[3] S. Ono and H. Watanabe, Phys. Rev. B. 98, 115150

受賞対象となった研究は「全ての内部対称性と空間群に対する対称性指標とその超伝導体への応用」です。トポロ
ジーによって特徴付けられる物質相は、対称性の破れでは記述できない新奇な相です。近年、非自明なトポロジーをもつ物質(トポロジカル絶縁体・超伝導体)の探索が精力的(2018).
[4] S. Ono, Y. Yanase, H. Watanabe, Phys. Rev. Research
1, 013012 (2019).
[5] S. Ono, H. C. Po, H. Watanabe, Science Advances 6,
eaaz8367 (2020).

に行われています。ある物質がトポロジカル物質であるかどうかは、原理的にはトポロジカル不変量の値によって判別できますが、一般に物質中のトポロジカル不変量をその定義に則り計算することは容易ではありません。そのような中で、結晶対称性の存在下では、結晶対称性の情報を利用して、電子のバンド状態から比較的簡便にトポロジカル(結晶)絶縁体を判別する対称性指標が 2017 年に提案されました[1]。さらに、この方法はデータ駆動的物質探索と相性が良く、複数の海外グループにより膨大な数のトポロ
ジカル(結晶)絶縁体候補物質が発見されました[2]。
本研究では、元々の理論が結晶対称性と時間反転対称性
のみしか考慮してないことに着目し、対称性指標の理論を
より一般の内部対称性について拡張しました[3-5]。特にこの拡張された理論は、マヨラナ粒子が発現し量子コン
ピューターに応用可能な、トポロジカル超伝導体を発見するための探索指針となっています。今後、近年活発に研究が行われているデータ駆動的な物質探索と組み合わせることで、トポロジカル超伝導体候補物質が発見され、将来的な量子コンピューターの実用化につながることが期待されます。
修士課程の間は幸運にも多くの出会いに恵まれ、様々な刺激を受けながら研究に専念することができました。この結果に満足せず、博士課程でもこれまで以上に精進してま
いります。

11

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

物性研に着任して中性子科学研究施設

中島 多朗

2019 年 10 月 1 日に物性研中性子科学研究施設に着任い散乱装置のような大型機器を使わせてもらうことができまたしました中島多朗と申します。私はマルチフェロイック

した。またそこでの実験の過程で、装置担当者の先生方か

物質や磁気スキルミオン物質など、スピン配列が起源とらも指導を受けることができ、中性子コミュニティの方々なって面白い物性現象を生み出す系に興味を持って研究をとの繋がりができたのは自分にとって大きな財産でした。

進めております。中性子は磁気構造やそのダイナミクスをまさに、今の自分があるのは共同利用のおかげだと言えま研究するための理想的なプローブであり、私はこれまでもす。これからは共同利用を運営する立場になりましたので、中性子を主なプローブとして上記の研究を進めてきました。

共同利用に恩返しをするつもりで装置の運営やユーザーさ

この度中性子施設の一員となり、今後は中性子を使って研んを迎えての共同研究を推進し、共同利用を通じての学究をさらに推進していくだけでなく、中性子散乱自体を進生・若手研究者育成にも力を入れて取り組んでいきたいと歩させることができるような技術的な課題にも取り組んで思っています。

いきたいと思っています。

また、物性研は様々な興味深い研究テーマを持った先生

私は東京理科大学理学部第一部物理学科の出身で、卒業方がいらっしゃいますので、物性研内での横のつながりも研究で満田節生先生の研究室に入り、中性子散乱研究に取深めて共同研究など進めていければと思っております。今り組み始めました。満田先生は東京理科大で研究室を持た後ともよろしくお願いいたします。

れる前には物性研中性子施設の吉澤先生の研究室に助手として在籍しており、東海村に設置された研究用原子炉
JRR-3 の装置群の立ち上げにも関わられていました。そのため、JRR-3 に中性子散乱実験に行くときは満田先生
から装置について色々詳しく説明してもらいながら中性子
散乱の手ほどきを受けることができ、その時に教えていた
だいた知識の数々は自分の研究の基礎となっています。その後、私は満田研で博士を取り、同研究室助教を経て、理化学研究所創発物性科学研究センターの強相関量子構造研
究チーム(チームリーダー：有馬孝尚先生)の一員としてマルチフェロイックや磁気スキルミオン系の研究に携わり、東大大学院工学系研究科量子相エレクトロニクス研究セン
ターの特任准教授を経て、物性研に着任しました。奇しくも、2018 年に吉澤先生が退職された後に私が着任し、吉澤先生の居室と実験室を引き継がせていただくことになりました。
物性研のミッションは研究、教育、共同利用・共同研究でありますが、特に一般の大学の学部等と異なるのは共同利用の推進だと思います。私は学生時代からこの共同利用の制度の恩恵を受けてきました。私が在籍していた東京理科大学は私立大学ということもあり、国立大のように附置研があったり実験設備が豊富にあるという訳ではありませんでしたが、物性研の共同利用に申請することで、中性子■■■■ ■■■

物性研だより第 60 巻第 3 号

12物性研を退任して柴山 充弘
2020 年 3 月に物性研を退任してはや半年が過ぎ、現在、

この我が人生の最大の危機(？)は古巣の京都に残してき私は茨城県東海村の一般財団法人総合科学研究機構(名称た 2 人の博士課程の学生さんを柏に迎え、一緒に研究室のが覚えにくいこともあり英語名の略称である CROSS と呼整備と研究の立ち上げをしたことで解決されました。幸い

ばれることが多い)というところに勤めています。住まい

なことに、2001 年度には東大での修士学生第一号も研究も柏の葉の宿舎から東海村に変わり、今ではすっかり東海

室に迎えることができました。その後は東海での共同利用

村民になりきっています。私は物性研に 2000 年 9 月に着推進と柏での研究が車の両輪のごとく動き始め、さらには任しましたので、19 年 7 ヶ月物性研にお世話になったこ

東海と柏でのソフトマター研究に相乗効果も生まれてきまとになります。慣例では 3 月中に退職記念講演会があり、した。毎年、学生の配属もあり、修士から博士課程まで広その後のお別れ会などでご挨拶することになっていました

い研究者層が形成され、研究に幅も奥行きも出てきました。

が、今年は新型コロナウイルス感染症が蔓延しつつあった

こうして、着任後、2〜3 年で物性研での研究スタイルをため、こうした公式行事は全て取りやめになってしまいま

確立することができました。

した。そのため、皆様へのご挨拶もできず、柏を去ってしまいました。この紙面をお借りし、退任のご挨拶とともに失礼をお詫びいたします。

2009 年 4 月、吉澤先生のあとをうけて中性子科学研究施設長として施設運営を担うことになりました。何事もなければ施設運営も研究も順風満帆のはずでしたが、2011

さて、2000 年といえば、丁度、物性研が六本木から柏

年 3 月の東日本大震災により、東海村にある日本原子力研キャンパスに引っ越しをしてきた年でした。私の人事が決

究開発機構のホームグラウンドである研究用原子炉 JRR-

まった 4 月の第一木曜日の臨時所員会の、ちょうどその日、3 が被災し運転ができなくなりました。東海村も大きな被春休みを利用して京都から家族とともに物性研柏と東海の害を受け、2 週間ほどライフラインも止まりました。東海

中性子散乱研究施設を訪問しました。何もない原っぱのよ

村在住の中性子科学研究施設スタッフの援助要請をうけ、

うなところにそそり立つ真新しい物性研の偉容は今でも鮮同僚と二人で 500L の飲料水と沢山の食料を物性研公用車

明に覚えています。本館の 5 階にはすでに私のオフィスもに積んで施設に運んだことも遠い昔のようです。震災直後用意されていたのに感銘を受けました。しかし、9 月のは、JRR-3 は半年ほどで復旧するだろうと見込まれてい物性研着任後、すぐに東海の中性子科学研究施設での業

ましたが、現場の復旧は終わっても原子力規制関連法令の務が待っていたので、物性研の所員になった実感も味わ

改正や再稼働の審査、さらには関連施設の補強工事のため、う暇もない毎日が始まりました。週日・週末を問わず中度重なる再稼働予定の延期の末、ついに 2021 年 2 月末と性子散乱実験の共同利用業務に明け暮れる日が続き、柏なってしまい、私の在任中の JRR-3 の再稼働は見果てぬの所員室を使うのは所員会などの会議で柏出張したとき夢となりました。

程度でした。2001 年 1 月号第 40 巻第 5 号の物性研だよりの「物性研に着任して」の中で当時の苦労話を、「ソJRR-3 が稼働しなかった 2011 年からの 9 年間は、国や

フトマター屋としての孤立性、東海と柏の勤務地二重性、JAEA に対して一日も早い再稼働実現の要望をしたり、海研究と装置管理と教育という 3 軸上での最適化問題など、外の中性子施設へ研究者を派遣したりすることで施設長といまだに山積する問題を抱える毎日です。」というぼやしての役目を果たすとともに、ソフトマター研究を推進しきで述懐しています。このままだと私の研究者人生は共ました。新領域創成科学研究科物質系専攻と理学系研究科

同利用のお世話だけで終わってしまう、と落ち込んだ日

化学専攻の 2 つの専攻に協力講座として参加していたこともしばしばでした。

もあり、2001 年から毎年欠かさず修士の学生さんを迎えることができました。4 人のポスドク、39 人の修士課程学13

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

生(うち 15 人が博士課程進学)と一緒に充実した研究生活を送ることができました。

着任当初、大きな課題であった「ソフトマター屋としての孤立性、東海と柏の勤務地二重性、研究と装置管理と教育という 3 軸上での最適化問題」はそれぞれ、サイエンスの普遍性を再認識すること、今はやりのデジタルトランス
フォーメーション(DX)を先取りしたこと、人のネット
ワークの活用などにより解決し、大きな成果に結実させることができました。研究や教育もさることながら、親しくしていただいた諸先生方、優秀で親切で献身的な事務職員の方々、日頃から苦楽をともにした中性子科学研究施設のスタッフのご協力、ご支援、励ましのおかげで、無事、職務を全うすることができました。イベント関係でも、
2003 年と 2014 年に主催した国際ゲルシンポジウム、
2013 年の中性子科学会年会、恒例行事の一般公開、ビアパーティ、音楽の夕べ、一般講演会、毎週末楽しんだテニス、お茶同好会などなど、私にとっての物性研の約 20 年
は大変充実した期間でした。
3 月にできなかった退職記念講演会を 2020 年 11 月 2 日にやっていただけることになりました。聴衆に向かっての講演に加え、3 密を避けるため ZOOM も使うというハイブリッド講演会とのことです。直接、多くの皆さんに話しかけることができないのは残念ですが、世界中どこからでも講演を聴いていただけるので、国内外の諸先生や友人、家族や親戚にも楽しんでいただける講演にしたいと、今から準備に余念がありません。物性研だよりは 10 月に発刊されるとの事なので、この記事を読んでから私の退職講演を聴いてくださる方も多いと期待しています。最終講義「ポリマーネットワーク・ヒューマンネットワーク」の中で「ヒューマンネットワーク」を活かした研究人生を振り返ります。紙面の関係上、この記事に書けなかったことの数々を講演でご紹介したいと思います。
冒頭にも述べましたが、現在、私は CROSS 中性子科学センターにて、J-PARC MLF で中性子散乱実験を行う人たちの実験支援や課題審査などの仕事に従事しています。
中性子利用者から中性子研究支援者へと立場は変わりましたが、今年の年賀状にも書いた、Olds Be Ambitious! をモットーとし、東海村という新天地にて新たな人生を歩んでいきます。物性研では長い間、本当にお世話になりました。そして、今後ともどうかよろしくお願いします。

■■■■ ■■■

物性研だより第 60 巻第 3 号

14外国人客員所員を経験してWoun KANG
Ewha Womans University
wkang@ewha.ac.kr
I have enjoyed the visiting professorship at ISSP for

The stay at the ISSP was my last physical exchange.

eight months from July 2019 till February 2020. WhatIn this new world with Covid-19, it becomes almost

I have benefited the most from were numerous

impossible to travel all over the world either for

seminars, symposiums, meetings in many different

conferences or for collaborative research. An open worldarea of research. Somehow, my research area has neversuddenly turned into a closed world. Some news outlets

been popular in my country and I have always had moreused to introduce the most powerful passport in terms

colleagues in Japan than in Korea. I haven’t had aof number of countries one can enter without a visa.

student for fifteen years, which deepened my isolation.

Now even the existing visa has become void for most of

In this sense, a long stay of eight months at ISSP was adestinations.

precious experience to recover my enthusiasm, inparticular the connection with the outside world.

Since the start of 2020, while I was still in Kashiwa,
there was a suspicion of a global Covid-19 pandemic,

ISSP is one of the nicest place to enjoy the flow ofwhich was not yet taken seriously at that time. The only

people and information, as was the laboratoire devisible sign was the general shortage of facial masks.

Physique des Solides in Orsay, France, where I did my

As it is not uncommon to see people with masks in

Ph.D. study. I think it is a really good atmosphere forJapan in spring, the environments were not necessarily

young people who have to find the area of research to

exotic and we were able to move around freely to any

which they should devote their most active period of life.

location without too much worry. Based on previous

I especially enjoy the discussions with Prof. Osada

experiences with SARS and MERS, we were more or

who has endless enthusiasm and a broad and deep

less optimistic to wait until summer to see fullunderstanding of not only organic conductors but also

eradication of Covid-19. However, even six months after

many recent hot topics such as topological insulators,

I returned home, there is no sign of complete recovery,

Dirac electron systems, 2D systems, and so on.

but rather a grim prediction that the virus will stay on

I had planned to do some experiments combining mymuch longer or never go away completely. Most ofpressure apparatus with cryogenic instruments in thelectures have been posted online. Almost all national

ISSP equipped with readily available liquid helium.

and international conferences have been canceled orSome technical glitches hampered the experimentpostponed. Some of them have survived some form ofwhich could not fully resolved until my departure. But,

webinar.

we will certainly continue to work on it. Throughout theAny plan to return to ISSP to complete unfinishedexperiments, Dr. Uchida’s technical assistance waswork has to be postponed indefinitely. I again lostessential at every step to overcome endless problems,

almost all personal exchange that I longed so much. We

for which I sincerely appreciate.

have to struggle to face a completely new world that weUpon arrival, it was a pleasant surprise to meet Dr.

never dreamed of.

Andhika Kiswandhi who started his postdoc at the

However, a good memory stays forever. I sincerely

ISSP on the same day as mine. He made my life inappreciate everyone at the ISSP for their hospitality,

Kashiwa much easier. Dr. Uchida’s fine taste also madeespecially the ILO staffs whose warm support made mylife in Kashiwa easier. We often explored fine but

stay pleasant.

hidden eating places around campus for lunch.
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物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

※2019 年 7 月撮影■■■■ ■■■

物性研だより第 60 巻第 3 号

16外国人客員所員を経験してYogesh Singh
Indian Institute of Science Education and Research Mohaliyogesh@iisermohali.ac.in
I spent half a sabbatical at ISSP from Nov. 2019 to May

According to the demand of the unusual situation, only a2020. My hosts at ISSP were Prof. Sakakibara and Prof.

restricted access to ISSP in the last part of my stay was

Nakatsuji. Although I had never met them before, I had

possible, which limited the measurements we were able

always been following their work and it was a pleasure

to do. However, I plan to continue working on the various

to be able to visit ISSP to work with them. I was very

projects we started at ISSP.

impressed by the range of activities and experimental

I must convey my heartfelt gratitude to the staff at the

infrastructure at ISSP.

international liaison office for making my stay as

The project that I had written for my visiting

convenient and pleasant as possible. I specially want toprofessorship was on trying to synthesize single crystals

thank Yuko for her help in various matters andof the Heavy Fermion material Yb2Fe3Si5 and to study

situations, many times going beyond the demand of her

its low temperature properties as a function of field andduties.

pressure. I was able to grow the first ever single crystals

I also want to acknowledge the help of Kyoko Fujita forof Yb2Fe3Si5 and start a detailed low temperature study

her help and administrative support during my stay.

of its magnetic, thermal, and electrical transport

I finally would like to thank the Nakatsuji groupproperties. On this project I was able to start

members who were always ready and eager to help me incollaborations with Prof. Sakakibara’s group and Prof.

whatever way they could. I thank Nan and Akito with

Uwatoko’s group.

This work is still continuing and I

whom I worked on some projects. A special mention must

will keep collaborating with groups at ISSP to

be made of Hiroto Nakamura, who I worked with almost

understand this fascinating material in as much detailevery day. He was very patient in teaching me the use ofas possible.

various instruments and equipment that I used during

I also started working on a different topic of possible

my stay. I wish him all the best in his academic career.

Topological and strong correlation superconductivity inI also must mention the company of Mayukh Ray andthe La-Ru-Si system.

We grew high quality single

Dilip Bhoi (Uwatoko group) which made coffee sessions

crystals and started a detailed study of the anisotropic

enjoyable. I particularly liked our discussions on physics,

superconducting properties. I also started a collaboration

politics, and almost everything under the sun.

with Prof. Y. Kohama’s group to measure the high fieldI enjoyed and appreciate the interactions with Prof.

quantum oscillations to unveil the Fermiology of

Nakatsuji, which were always interesting. I also enjoyedelectrons in this material. In addition, we started ahaving dinner parties with Satoru and various groupcollaboration with Prof. R. Arita’s group at the Univ. of

members on several occasions.

Tokyo to calculate the theoretical band structure of theI also thank the other faculty at ISSP with whom I

material.

interacted. These include Prof. Sakakibara, Prof. M.

Thus it was academically a very fruitful stint for me

Yamashita, Prof. Uwatoko, Prof. Y. Kohama, and Prof.

personally.

Masashi Takigawa.

The second half of my stay however, wasfull of uncertainties and confusion as the world andI had a wonderful stay at ISSP and I look forward to theJapan started tackling the challenge presented by theopportunity to visit again.

Corona virus which escalated into a global pandemic.
17

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

※2019 年 11 月撮影■■■■ ■■■

物性研だより第 60 巻第 3 号

18物性研究所短期研究会

量子多体計算と第一原理計算の新展開【会 場】 オンライン開催 (Webex Meetings、Slack)【日 程】 2020 年 7 月 9 日（木）、10 日（金）【世話人】 品岡寛（埼玉大・代表）、大久保毅（東大）、大槻純也（岡大）、川島直輝（物性研）、藤堂眞治（東大）、
三澤貴宏（早大）、森田悟史（物性研）【U R L】 https://fqcs2020.issp.u-tokyo.ac.jp/

量子多体系の高精度計算に向けて、これまでに、動的

延期、オンライン開催などの選択肢に関して議論が交わさ

平均場近似法、変分モンテカルロ法、テンソルネット

れ、研究会の新しい形を模索する意味でも、物性研短期研ワーク法といった様々な手法が開発され、一定の成功を究会史上初めて、オンラインでの開催を行うことになった。

収めてきた。また、第一原理計算との融合により、強相

Zoom の使用がセキュリティ上制約されている機関からの関物質の定量的物性予測を目指す試みも盛んになってい参加者が見込まれたため、口頭発表は Cisco 社の Webex

る。さらに、近年、残された課題を解決するために、機Meetings を使用し、質疑応答やポスター発表は Slack の械学習、量子コンピュータを使った新たなアプローチや、

ワークスペースを活用することになった。

量子化学的手法との融合が興りつつある。計算物性物理

口頭発表については事前にリハーサルを開催し、マイクで行われている、このような多彩なアプローチを背景に、等のテストや Webex での画面共有方法の確認などを講演

異なる手法の研究者が一同に集い、情報を交換し、多角者にしていただいた。入念な準備により、当日は大きなト的な議論を行う機会が必要とされている。物性研究所は、

ラブルなく進行することができた。Slack 上では講演者かスーパーコンピュータの共同利用を始めとして、計算物

ら自主的に講演スライドが投稿されるなど、講演終了後も性物理学の重要拠点としての役割を果たしてきた。その積極的な情報交換が行われていた点は、オンライン開催の拠点において、計算物性物理、量子多体計算、第一原理利点であった。

計算、量子化学、量子コンピューティングの専門家を集

ポスター発表は、一人一分のポスタープレビューをめた短期研究会を開催することは、今後のさらなる計算

Webex で行った後、Slack ワークスペース上に作成した個

物性物理分野の発展において大きな意義があると考え、別のチャネル上で質疑応答を行うという形式で開催した。

開催の提案に至った。

YouTube への動画投稿や、Webex もしくは Zoom を用い口頭講演(招待講演)は、若手世話人が中心となって候補たオンライン説明会を各自の責任で認めることにしたが、者を推薦し依頼を行った。特に、研究会のテーマに沿って、多くの発表者が後者の形式を採用しリアルタイムで活発に量子多体系に関する第一原理計算、モデル計算の研究者に議論を交わしていた。Slack 上でも今後の共同研究の芽生

加え、量子コンピューティング、機械学習、情報理論の若えとなるような深い議論が行なわれていた。

手研究者を招待し、分野間の情報交換を狙った。最終的な研究会における情報交流の場になる懇親会は、オンライプログラムは、口頭講演 20 件(内招待講演 11 件)、ポス

ン会議システム Remo を使い開催した。Remo では、ター講演 15 件からなった。参加登録者は 180 名を数え、Zoom と違い、幾つかのテーブル間で参加者が自由に行き

両日とも 150 名を超える出席者、リアルタイムでの同時参

来でき、音声等がテーブル内で共有できるため、通常の懇加者は最大 120 名程度であった。オンラインでの研究会は親会の雰囲気を少しでも再現できたように思う。一方、各自の興味・日程に合わせて柔軟に参加できるため、通常

Remo では、通信が Zoom に比べ不安定で、再ログインをの物性研短期研究会に比べ多くの方にご参加いただけたと要するケースが見られた。今後、Zoom のブレークアウト

思う。

ルーム間で参加者が自由に移動できるようになれば、研究会の開催が決定した 2019 年度末から、新型コロナ

Zoom での懇親会開催も可能かもしれない。

ウィルスの国内での感染が広まり、当初の計画であるオフ

会議の後、参加者からオンライン会議の利点・欠点に関ラインでの開催が危ぶまれる事態になった。世話人の間で、してフィードバックを収集した。まだオンライン会議が一

19

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

般的ではなく、参加者が慣れていなかったにも関わらず、

き課題である。ポスターセッションについては、多くの移動時間不要、旅費不要、日程の柔軟性、スライドの視部分を発表者に一任してしまったが、発表時間にコアタイ

認性などの点で概ね好評だった。その一方、情報がウェ

ムを指定するなどもう少し形式を整えたほうが良かったと

ブサイト、Slack 上に分散したこと、Slack というまだ思われる。

一般的ではないツールの利用など、幾つか改善を求める

最後に、本研究会を開催するにあたって、外来研究等委

意見も頂いた。Zoom に比べ Webex はチャットや反応な員を始めとする多くの方々にご助力いただきました。深く

どコミュニケーションのための機能が不十分であり、ど感謝申し上げます。

のウェブ会議システムを利用すべきかは今後も検討すべ

プ ロ グ ラ ム
7月9日
9:55

オープニング

10:00

越智 正之 (阪大)品岡 寛
「多体波動関数を用いた電子相関効果の第一原理的記述：トランスコリレイティッド
法の開発」

10:30

小谷 岳生 (鳥取大)「信頼性の高い独立粒子近似を与える QSGW 法とモデル化手法」

11:00

三澤 貴宏 (早大)

「Pd(dmit)2 系分子性導体に対する第一原理有効ハミルトニアンの系統的導出と
解析」

11:20

草部 浩一 (阪大)

13:00

物性研究所所長挨拶

13:05

水上 渉 (阪大)「変分量子固有値法による第一原理量子化学計算の展開」

13:35

上田 宏 (理研)「量子計算機に適合したテンソルネットワーク法」

14:0

後藤 慎平 (近大)「Minimally entangled typical thermal states 法における自己相関問題の解消」

14:25

飯高 敏晃 (理研)

「Random Phase Product State for Canonical Ensemble」

15:15

ポスタープレビュー

15:40

ポスターセッション「+U の物理からみた弾性の謎」
森初果

7 月 10 日
10:00

是常 隆 (東北大)「第一原理計算に基づく磁性体物質探索」

10:30

前園 涼 (北陸先端大)「格子離散化法 (LRDMC)による全電子の第一原理量子モンテカルロ法」

11:00

河村 光晶 (東大)「スピン揺らぎおよびスピン-軌道相互作用を取り入れた超伝導密度汎関数理論の精
度検証」

11:20

諏訪 秀麿 (東大)「有限温度の自己無撞着スピンダイナミクス」

13:00

辻 直人 (理研)「機械学習・推定モデルを用いた量子モンテカルロ法と多軌道系への応用」

13:30

村上 雄太 (東工大)「非平衡グリーン関数法とその応用：励起子相の非平衡誘起」

14:00

段下 一平 (近大)「Bose-Hubbard 模型の量子クエンチ後の非平衡ダイナミクスに関する量子シミュ
レーションと数値計算の比較」

14:20

古賀 昌久 (東工大)「キタエフ模型におけるスピン輸送」

15:00

鈴木 大慈 (東大)

「深層学習の最適化と汎化誤差：非凸性の観点から」

15:30

吉岡 信行 (理研)

「開放量子多体系ソルバとしての機械学習関数」

16:00

吉野 元 (阪大)「深層学習の情報統計力学：レプリカ理論とシミュレーション」■■■■ ■■■

物性研だより第 60 巻第 3 号

20

16:30

手塚 真樹 (京大)16:50

クロージング「Sachdev-Ye-Kitaev 模型における多体局在の定量的解析」
藤堂 眞治

ポスターセッション
加藤 岳生 (東大)

「二次元電子系におけるウィグナー結晶の変分モンテカルロ計算」

Wei-Lin Tu (東大)「Exotic quantum phases of hard-core bosonic systems」

近藤 千尋 (東大)「Replica Exchange Wang-Landau 法によるエンタングルメント・エントロピーの計算手法の改良」

中野 颯 (東大)「非平衡環境下における非可積分量子多体系の熱平衡化現象」

松本 宗久 (高エネ研)「LDA+DMFT におけるデータ統合の視点」

岡田 健 (東大)「多変数変分モンテカルロ法によるツイスト二層グラフェンの研究」

稲吉 健 (東工大)「二軌道 Penrose-Hubbard モデルにおける励起子凝縮」

近野 直也 (埼玉大)「3 軌道ハバード模型における多極子秩序の理論的研究」

柿澤 文哉 (埼玉大)「カゴメ格子上の J1-J2 古典反強磁性ハイゼンベルグ模型の有限温度相図」

井戸 康太 (東大)「物質科学シミュレーションのポータルサイト MateriApps」

荻野 卓啓 (東大)「スピンラダー系における Neel-VBS 連続相転移の数値的検証」

乾 幸地 (東大)「2 チャンネル近藤格子模型が磁場中で示すチャンネル選択型非フェルミ液体状態と重い
電子的挙動」

本山 裕一 (東大)「二次元量子格子系テンソルネットワークソルバーパッケージ TeNeS」

品岡 寛 (埼玉大)「温度グリーン関数の圧縮基底ライブラリ irbasis の紹介と実践」

大久保 毅 (東大)「密度行列のテンソルネットワーク表現による有限温度キタエフ模型の解析」

21

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

図 1: Webex Meetings での口頭発表

図 2: Slack ワークスペース■■■■ ■■■

物性研だより第 60 巻第 3 号

22図 3: オンライン会議上での集合写真（一部）

図 4: Remo を用いた懇親会

23

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

物性研究所短期研究会

中性子散乱研究の現状と JRR-3 再稼働後の展望

日時：2020 年 7 月 27 日(月)～2020 年 7 月 29 日(水)場所：ZOOM 開催
URL：https://masuda.issp.u-tokyo.ac.jp/issp-workshop
研究会提案者：
益田隆嗣 東京大学物性研究所 准教授
中島多朗 東京大学物性研究所 准教授
山室修

東京大学物性研究所 教授

藤田全基 東北大学金属研究所 教授
佐藤卓

東北大学多元研究所 教授

長壁豊隆 日本原子力機構 研究主幹
杉山正明 京都大学複合原子力科学研究所 教授
日野正裕 京都大学複合原子力科学研究所 准教授

中性子科学研究施設は、1993 年の中性子散乱研究施設について提案すること、(3) 最新の安全基準に合致した形(2003 年より中性子科学研究施設と改組)の創設以来、日で構築された共同利用新体制について議論することである。

本原子力研究開発機構(JAEA)に設置された研究炉 JRR-3

コロナ渦の影響により研究会は ZOOM により開催され、を利用した中性子散乱全国共同利用を推進し、日本の中性

海外の研究者を含む 115 名の参加登録があった。1 日目は

子散乱研究を先導してきた。東北大学および京都大学の装固体物理分野の 15 件の講演、2 日目は材料科学、ソフト

置を含む 14 台(現在は 12 台)の分光器を共同利用に提供

マター分野の 15 件の講演があり、様々な角度からの活発し、毎年約 300 件に及ぶ実験課題の遂行してきた。年間のな議論が行われた。参加者数は、1 日目は 76 名、2 日目は

論文成果は約 100 報に達する。しかし、2011 年 3 月の東70 名であった。3 日目は共同利用の新体制について 5 件の日本大震災以降 JRR-3 は運転を停止しており、中性子利講演があり、78 名の参加があった。山室施設長による講用者は海外の中性子施設や国内のパルス中性子源を利用し演では、各装置において装置の高度化と保守管理、独自研

た中性子散乱研究を継続している。一方、国内におけるパ究などを行う Instrumentation and Research Team(略称ルス中性子と定常中性子の相補利用の実現は物性コミュニ

IRT)の制度を、より機能的にするための改定案が示されティからも期待されており、JRR-3 の再稼働が強く望また。さらに、最新の安全管理基準を反映した課題申請書のれていた。そのような状況の中、JAEA による耐震補強工

改定案が説明された。ウェブアンケートを実施したところ、事を経て、ついに 2021 年 2 月に JRR-3 が運転再開する

大多数の方にご理解いただいたことが分った。中性子施設

ことが公式にアナウンスされた。これを受けて中性子コとしては初めての ZOOM 短期研究会であり、開催前は少ミュニティでは、運転再開に至るまでの間に研究会やシン

なからぬ不安があったが、結果的には数多くの方からの参ポジウムを複数企画し、中性子散乱研究の気運を高めるこ加をいただき、盛況のうちに研究会を終えることができた。

ととした。
こうした背景から、中性子科学研究施設は、2020 年
7 月 27 日(月)～2020 年 7 月 29 日(水)の会期で、「中性子散乱研究の現状と JRR-3 再稼働後の展望」と題する短期研究会を企画した。その目的は、(1) 幅広い分野の中性子散乱研究者が一同に会し、最新の中性子散乱研究について議論すること、(2) 中性子装置研究者は、近年の分光器の世界的潮流を踏まえ、JRR-3 再稼働後に想定される研究■■■■ ■■■

物性研だより第 60 巻第 3 号

24プ ロ グ ラ ム
1 日目（7 月 27 日）
午前
9:00

森初果（物性研）

9:10

益田隆嗣（物性研） 趣旨説明

所長挨拶

セッション１ 磁性―量子スピン系
9:20

藤原理賀（東京理科大） 「カムチャツカ半島産低次元磁性体のスピンダイナミクス」

9:45

栗田伸之（東工大）「ほぼ完全にフラストレートしたスピンダイマー量子磁性体の局在励起」

10:10

益田隆嗣（物性研）「冷中性子三軸分光器と TOF 分光器の相補利用」

10:30

休憩

セッション２ 磁性 - f 電子、強相関10:50

網塚浩（北大）「5f 電子系 UNi4B および Ulr2Ge2 の低温物性」

11:15

岩佐和晃（茨城大）「Ce3T4Sn13(T=Co,Rh,Ru,Ir)におけるカイラル構造相転移と電子状態」

11:40

佐藤卓（東北大）「4G-GPTAS を用いた物性研究の今後の展望」

12:00

大山研司（茨城大）「茨城大学の量子ビーム教育」

12:20

昼休み

午後
セッション３ マルチフェロ、カイラル磁性
13:30

高阪勇輔（大阪府立大） 「偏極中性子を用いたキラル磁性体の磁気構造研究」

13:55

寺田典樹（NIMS）「高圧力下中性子回折によるマルチフェロイクスの研究 －ISIS, ILL での経験から
JRR-3 への期待－」

14:20

木村宏之（東北大）「T2-2 ビームポートにおける単結晶構造解析装置開発とそれらを用いたサイエンス
の展開」

14:40

金子耕士（JAEA）

15:00

休憩

15:20

奥山大輔（東北大）「定常中性子源を使った磁気スキルミオン格子とその駆動状態の研究」

15:45

金澤直也（東大）「小角中性子散乱による 3 次元トポロジカル磁気構造とそのダイナミクスの観測」

16:10

南部雄亮（東北大）「JRR-3 東北大装置群を用いた構造解析と偏極中性子散乱」

16:30

中島多朗（物性研）「PONTA(5G)分光器を用いたサイエンスの展開 - 偏極中性子を活用した交差相関「JAEA 装置群の高度化とサイエンスへの展開」

物性研究 -」
16:50

2 日目の案内

2 日目（7 月 28 日）
午前セッション４ 材料科学
9:00

八島正知（東工大）

9:25

井手本康（東京理科大） 「中性子・放射光 X 線を相補利用した Li イオン電池用正極材料の充放電過程にお「JRR-3 に設置された中性子回折計を用いた無機材料の研究」

ける平均・局所構造変化の解明」
9:50

李哲虎（産総研）「中性子散乱を利用した熱電材料開発」

10:15 休憩25

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

セッション５ 固体・液体化学
10:25

古府麻衣子（J-PARC） 「構造ガラス上で発現するスピングラスの低エネルギー磁気励起」

10:50

中川洋（JAEA）「中性子準弾性散乱による生体物質の低エネルギーダイナミクス研究と今後の展望」

11:15

吉田亨次（福岡大）「メソポーラスシリカ内の水溶液の構造とダイナミクス」

11:40

山室修（物性研）「AGNES 分光器の現状と今後の展望」

12:00

昼休み

セッション６ 反射率計
13:30

川口大輔（九大）「中性子反射率測定に基づく高分子電解質薄膜の界面構造解析」

13:45

平山朋子（京大）「中性子反射率法のトライボロジー応用－基礎的メカニズム解明から実用展開まで」

14:00

日野正裕（京大）「C3-1-2 (MINES)ポートにおける研究開発と展開」

14:20

休憩

午後
セッション７ バイオ・ソフトマター
14:30

眞弓皓一（東大）「コントラスト変調中性子散乱法による多成分系超分子材料の構造・ダイナミクス解析」

14:55

高野敦志（名大）「高分子物性研究への SANS の利用」

15:20

玉田太郎（QST）「生体高分子用中性子単結晶回折装置 BIX の現状と今後」

15:45

杉山正明（京大）「統合構造生物学における中性子溶液散乱」

16:10

李响（物性研）「SANS-U と iNSE の現状と今後の展望」

16:30

3 日目の説明

3 日目（7 月 29 日）
セッション８ 共同利用の新体制
前半座長 山室
10:00

松江秀明（JAEA）「JRR-3 の現状と運転再開への道筋」

10:10

坂田茉美（JAEA）「JRR-3 施設を利用するにあたっての安全管理等について」

10:20

議論

後半座長 益田10:40

山室修（物性研）「新しい課題申請書と IRT 制度」

10:55

藤田全基（東北大）「東北大装置群の運営と PATH ロードマップ」

11:10

中島多朗（物性研）「アンケート結果の紹介」

11:20

講演者への質問と自由討論

12:00

山室修（物性研）■■■■ ■■■

閉会の挨拶

物性研だより第 60 巻第 3 号

26

ISSP ワークショップ

量子物質研究の最近の進展と今後の展望

日時：2020 年 9 月 24 日（木） 8:50-12:00
9 月 28 日（月） 9:00-12:00
9 月 29 日（火） 9:00-12:00
発表：Zoom による研究会形式
世話人：大谷義近、山下 穣、廣井善二

物性物理学はこれまで新しい物質、現象、概念の発見

最近の研究の現状を概観するとともに今後の研究展望を議論

によって、大きく発展してきた。特に単純な一粒子近似がすることを目的として、量子物質研究グループ、凝縮系物

破綻する強相関電子系分野においては、この三つの要素を性研究部門、物質設計評価施設の共催により開催された。

担う合成、測定、理論の緊密な連携が重要となる。近年、研究会は Zoom での発表形式により、3 日間の午前中に強相関電子系を発展させた量子物質が注目を集めており、

行われ、次ページのプログラムにあるように計 18 名の研東京大学物性研究所では分野の融合による研究のブレーク究者による講演が行われた。事前参加登録は 171 名に及び、スルーを目指して、量子物質研究グループを創設した。さ3 日間を通して毎日 120-130 名の参加があった。講演者はらに、これまで物質開発を担ってきた物質設計評価施設の最近の量子物質に関する研究の紹介と今後の展望について

実験グループと主に測定を担ってきた凝縮系物性研究部門

意見を述べ、参加者から多くの質問やコメントがあり、活の研究室が量子物質研究グループと強く連携して活発な研発な議論が行われた。Zoom 形式という異例の場となった究を展開している。

が、従来の研究会に劣らず有意義な機会となった。今後の以上の状況を踏まえて本研究会は、量子物質研究にお

物性研における研究会のあり方を考える機会ともなった。

ける物質開発と様々な測定手法を用いた実験研究に着目し、ISSP ワークショップ「量子物質研究の最近の進展と今後の展望」
日時：2020 年 9 月 24 日(木）8:50-12:00、9 月 28 日(月）9:00-12:00、9 月 29 日(火）9:00-12:00
発表：Zoom による研究会形式

プ ロ グ ラ ム

講演者 所属 題目
9 月 24 日（木） 座長

広井善二

8:50

物性研所長

森 初果
はじめに

24-1

9:00

高山知弘

MPI-髙木 G

重遷移金属化合物におけるスピン軌道結合、d-p 混成、分子軌道形成の競合
24-2

9:30

木村健太

東大新領域木村研

銅酸化物反強磁性体における非相反電気磁気光学応答
24-3

10:00

笠原 成

京大理松田研超シャロウバンド構造を有する鉄系超伝導体の新奇量子物性27

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

24-4

10:30

酒井英明

阪大理花咲研磁性・極性と結合した量子伝導を示すトポロジカル層状物質の開拓
24-5

11:00

一杉太郎

東工大

混合伝導体が関わる界面のバンド構造とイオン輸送現象
24-6

11:30

柳澤達也

北大理網塚研

四極子感受率による拡張多極子の形成と秩序化の研究
9 月 28 日（月） 座長

山下 穣

28-1

岡山大理

9:00

野原実

j-fermion 伝導物質の開発
28-2

9:30

石渡晋太郎

阪大基礎工

特異な輸送現象を示す準安定強相関物質の開拓
28-3

10:00

岡本佳比古

名大工竹中研特徴的な結晶構造・電子構造に着目した遷移金属化合物の物質開拓
28-4

10:30

水口佳一

都立大

Bi 系層状超伝導体の特性制御
28-5

11:00

関真一郎

東大物工

磁気スキルミオンの物質設計と三次元ダイナミクス
28-6

11:30

北川 健太郎

東大理高木研キタエフ系と幾何学的フラストレーション系物質の NMR・高圧磁性研究
9 月 29 日（火） 座長

大谷義近

29-1

京大理

9:00

石田憲二

ウラン系強磁性超伝導体の NMR
29-2

9:30

橋本顕一郎

東大新領域芝内研

幾何学的フラストレーションと電子相関が生み出す量子凝縮相
29-3

10:00

井手上敏也

東大物工岩佐研

固体中の反転対称性の破れと非線形量子輸送現象
29-4

10:30

吉見龍太郎

理研 CEMS

トポロジカル材料の薄膜合成と量子伝導現象
29-5

11:00

笹川 崇男

東工大

単結晶を基軸としたトポロジカル量子物質の開拓
29-6

11:30

鬼丸孝博

広島大

多極子自由度をもつ希土類化合物の探索
12:00

瀧川 仁
おわりに

■■■■ ■■■

物性研だより第 60 巻第 3 号

28

物 性 研 究 所 談話 会

標題：令和元年度 物性研究所 退職記念講演会
日時：2020 年 11 月 2 日(月) 午後３時 30 分～午後５時 20 分
場所：Zoom により配信
講師：柴山 充弘
講演題目：ポリマーネットワーク・ヒューマンネットワーク
要旨：
東京大学物性研究所 柴山 充弘 元所員は、令和元年度をもって東京大学を定年退職致しました。コロナ禍の影響により退職記念講演会が延期となっておりましたが、下記の通り開催いたしました。

記29

15：30-15：40

所長挨拶

15：40-15：50

柴山 充弘 先生 業績紹介

15：50-17：20

柴山 充弘 先生 ご講演

講演題目「ポリマーネットワーク・ヒューマンネットワーク」

物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

物 性 研 究 所 セミ ナ ー

標題：理論セミナー：Twisted Schwinger effect
日時：2020 年 7 月 17 日(金) 午後４時～
場所：Zoom 開催
講師：岡 隆史
所属：東京大学物性研究所、マックスプランク複雑系物理学研究所
要旨：
We study the nonperturbative pair production of particles induced by strong rotating electric fields [1]. The
excitations by tunneling become strongly chirality dependent due to nonadiabatic geometric effects. The threshold, i.e.,
Schwinger limit, even vanishes for particles with an optically allowed chirality. We explain these phenomena throughthe twisted Landau-Zener model proposed by M. V. Berry, and provide a quantitative understanding in terms of thegeometric amplitude factor. As a condensed matter application, we make a nonperturbative analysis on the opticallyinduced valley polarization in 2D Dirac materials. Furthermore, in 3D Dirac and Weyl materials with spin-orbit
coupling, we predict the generation of a nonlinear spin or charge current in the direction of the laser propagation.
[1] Takayoshi, Wu, Oka, arXiv:2005.01755

標題：理論セミナー：Investigation of quantum spin liquids with symmetric PEPS
日時：2020 年 10 月 2 日(金) 午後４時～
場所：Zoom 開催
講師：Dr. Ji-Yao Chen
所属：Max-Planck-Institute of Quantum Optics
要旨：
Quantum spin liquid state can be represented and efficiently characterized within the symmetric Projected
Entangled Pair State (PEPS) framework. A prototypical example is the nearest neighbor (NN) resonating valence bond
(RVB) state, which has been thoroughly studied on various lattices with PEPS. Here I will show, through suitable
deformation of the local tensor of NN RVB state on square lattice, we can introduce long-range singlets into the wave
function and drive the state into a topological Z_2 phase. This approach turns out to be quite general for quantum spin
liquid problem, which I will briefly explain. Then I will present our recent work about SU(3) chiral spin liquid using
this approach, where characteristic feature of SU(3)_1 chiral topological order is observed from PEPS entanglement
spectrum.

■■■■ ■■■

物性研だより第 60 巻第 3 号

30標題：理論セミナー：Atomistic approach to the Nd-Fe-B magnet — Coercivity at finite temperatures —日時：2020 年 10 月 9 日(金) 午後４時～
場所：Zoom 開催
講師：宮下 精二
所属：東京大学物性研究所
要旨：
The magnet, i.e., the permanent magnet, is a familiar material, and various magnets play important roles in many
products such as electric motor and recording material. Analyses on its mechanism and improvements of theperformance have been studied extensively. In particular, it is very important to study its temperature dependence.
However, when we study the problem by methods of current physics, there are many interesting but difficult problems.
Here we introduce our trials on this problem for the high-performance Nd2Fe14B.
For this purpose, first we constructed an atomistic Hamiltonian to take into account the temperature property. Withit we calculated various thermodynamic quantities such as the magnetization and anisotropy energies by standard
methods of statistical physics and confirmed the model can reproduce experimental results. Moreover, the domain wall
profiles and the spectrum of FMR (ferromagnetic resonance) were also studied. As a merit of the atomistic model, we
can find anisotropy due to the crystal structure and also atom-specific ordering properties.
The most important property is the coercivity. However, in contrast to the abovementioned thermodynamic
quantities, we do not have theoretical formula and thus so far only little study has been done on the quantitative
estimation of the coercivity at finite temperatures. Coercivity is a kind of spinodal phenomena. In systems of shortrange interaction, however, there is no spinodal singularity at finite temperatures due to the nucleation. Therefore,
we must study “spinodal-like” phenomena. We first studies this problem in nano-size grains by the stochastic LLG
equation (Nishino, NIMs) and also by a method using the free-energy landscape obtained by Wang-Landau method(Toga, ISSP), and obtained the strength of field at which the relaxation of the magnetization reverse is 1 second (adefinition of coercivity), and its temperature dependence. For larger grains, the dipole-dipole interaction plays a roleand the so-called multidomain magnetic structure appears. To study such cases, we developed a modified SCO(stochastic cutoff) method and studied coercivity in such systems (Hinokihara, ISSP). The magnet is an ensemble ofgrains. Trials for such complicated case is also introduced.

標題：理論インフォーマルセミナー：Some Comments on the Anomalies of Fusion Category Symmetries
日時：2020 年 10 月 13 日(火) 午後３時～
場所：Zoom 開催
講師：Yunqin Zheng
所属：Kavli IPMU / ISSP, The University of Tokyo
要旨：
In $1+1$d, the fusion category symmetry generalizes the concept of global symmetry. Akin to ordinary global
symmetry, the fusion category symmetry can also suffer from ‘t Hooft anomalies.
We describe a criteria of when the ‘t Hooft anomaly is non-trivial from the data that describes the fusion category.
This criteria generalizes the one from [1802.04445]. We also comment on how the anomalous theory couples to a noninvertible TQFT in one dimension higher.

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物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

標題：理論セミナー：原子層物質におけるスピン輸送現象
日時：2020 年 10 月 16 日(金) 午後４時～午後５時
場所：Zoom 開催
講師：大湊 友也
所属：中国科学院大学カブリ理論科学研究所
要旨：
原子層物質は 2 次元性に由来する特徴的な物性や積層によって電子構造が大きく変化する点に着目されており精力的に研究が進められている。原子層物質を磁性体上に積層させることで新奇なスピン物性の発現が期待されている。
本セミナーでは最近の二つの研究成果について解説する。一つ目の研究では、グラフェンを積層した強磁性絶縁体における磁化ダイナミクスについて調べた[1]。グラフェンと強磁性絶縁体の界面における磁気的近接効果によってギルバート緩和定数は変調される。本研究でギルバート緩和変調はグラフェンのフェルミレベルにおけるアップスピンとダウンスピンの状態密度の積に比例することを明らかにした。また、ランダウ量子化が生じる磁場領域ではギルバート緩和変調は磁場の関数として振動することを示した。この振動周期を解析することによって磁気的近接効果の相互作用定数を見積もることができる。
二つ目の研究では、強磁性絶縁体に単層遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)を積層した系におけるスピンポンピングとスピン拡散について調べた[2]。TMDC はスピンとバレーが結合したバンド構造を持つ。このバンド構造を利用することで、フェルミレベルを適切に調節するとバレー選択的なスピンポンピングが可能であることを示した。それによってバレー偏極したスピン蓄積が生じる。バレー偏極したスピンの拡散を考察することで、縦スピン流によって横スピン蓄積が生じる”スピン流ホール効果”が起こることを示した。
[1] Y. Ominato and M. Matsuo, J. Phys. Soc. Jan. 89, 053704 (2020).
[2] Y. Ominato, J. Fujimoto, and M. Matsuo, Phys. Rev. Lett. 124, 166803 (2020).

標題：LASOR セミナー：Tunneling into emergent topological matter
日時：2020 年 11 月 19 日(木) 午前 10 時 30 分～
場所：Zoom 開催
講師：Dr. Jiaxin Yin
所属：Department of Physics, Princeton University
要旨：
The search for topological matter is evolving towards strongly interacting systems including topological magnets
and superconductors, where novel effects emerge from the quantum level interplay between geometry, correlation, andtopology. Equipped with unprecedented spatial resolution, electronic detection, and magnetic tunability, scanningtunneling microscopy has become an advanced tool to probe and discover the emergent topological matter. In this talk,I will review the proof-of-principle methodology to study the elusive quantum topology in this discipline, withparticular attention on the studies under a vector magnetic field as the new direction, and project future perspectives
in tunneling into other hitherto unknown topological matter [1-7].
1. Jia-Xin Yin et al. Nature 583, 533-536 (2020).
2. Jia-Xin Yin et al. Nature 562, 91-95 (2018).
3. Jia-Xin Yin et al. Nature Physics 15, 443–448 (2019).
4. Jia-Xin Yin et al. Nature Physics 11, 543 (2015).
5. Jia-Xin Yin et al. Phys. Rev. Lett. 123, 217004 (2019).
6. Jia-Xin Yin et al. Nature Communications 11, 4003 (2020).
7. Jia-Xin Yin et al. Nature communications 11, 4415 (2020).

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物性研だより第 60 巻第 3 号

32標題：理論セミナー：Probing Floquet topological invariants with ultracold atoms
日時：2020 年 11 月 20 日(金) 午後４時～午後５時
場所：Zoom 開催
講師：Prof. Andre Eckardt
所属：ベルリン工科大
要旨：
The classification of topological Floquet systems with time-periodic Hamiltonians transcends that of static systems.
For example, spinless fermions in periodically driven two-dimensional lattices are not completely characterized by the
Chern numbers of the quasienergy bands, but rather by a set of winding numbers associated with the quasienergy
gaps [Rudner et al. PRX 3, 031005 (2013)]. I will present two schemes for probing these winding numbers inexperiments with ultracold atoms in driven optical lattices. The first one relies on the tomography of band-touching
singularities occurring when adiabatically connecting the driven system to a trivial high-frequency regime [1,2] . The
second one is based on observing the far-from-equilibrium micromotion of the driven system over two driving periods
after a sudden quench into the target Hamiltonian [3]. It relies on the identification of the winding numbers with an
Hopf invariant characterizing the micromotion operator.
[1] How to Directly Measure Floquet Topological Invariants in Optical Lattices, FN Ünal, B Seradjeh, A Eckardt, Phys.
Rev. Lett. 122, 253601 (2019).
[2] Realization of an anomalous Floquet topological system with ultracold atoms, K Wintersperger, C Braun, FN Ünal,A Eckardt, M Di Liberto, N Goldman, I Bloch, M Aidelsburger, Nat. Phys. 16, 1058 (2020).
[3] Hopf characterization of two-dimensional Floquet topological insulators, FN Ünal, A Eckardt, RJ Slager, Phys. Rev.
Research 1, 022003(R) (2019).

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物性研だより第 60 巻第 3 号■■ ■■ ■ ■ ■

人 事 異 動【研究部門等】○令和 2 年 7 月 31 日付け
（辞 職）
氏

名

宮 脇

所
淳

属

附属極限コヒーレント光科学研究
センター

職

名

助

教

職

名

助

教

職

名

助

教

備

考

国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構
任期制常勤職員（研究職）へ○令和 2 年 8 月 15 日付け
（辞 職）
氏

名

石 田 行 章所

属

附属極限コヒーレント光科学研究
センター

備

考

韓国基礎科学院強相関電子研究センター
Young Scientist Fellow へ○令和 2 年 9 月 16 日付け
（採 用）
氏

名

堀 尾 眞 史■■■■ ■■

所属

附属極限コヒーレント光科学研究
センター

■

備

考

チューリッヒ大学物理学科より物性研だより第 60 巻第 3 号

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編 集 後 記
今号には、4 件の研究紹介記事が掲載されています。量子物質グループ、LASOR、強磁場施設、
杉野研究室からと、内容も多岐にわたっています。また、新たに中性子科学研究施設に着任された中島先生の記事に加えて、長年中性子科学研究施設の施設長として活躍された柴山先生の記事も掲載されています。延期されていた柴山先生の退職記念講演会も先日開催されました。今号の記事に、「ヒューマンネットワーク」を活かした研究人生、と書かれているように、多くの方との出会
いとそれをきっかけとした共同研究の発展が印象的な講演でした。JRR-3 の運転再開に向けたご尽
力も相当なものであったことは想像に難くありません。柴山先生の退職記念講演会は、大講義室で講演して頂き、それを zoom で配信するというハイブリッド形式で開催されました。開催報告も今号に掲載されています。他にも短期研究会、ISSP ワークショップ、セミナーの開催報告が掲載されていますが、コロナ禍の影響によってこれらもすべてオンラインでの開催となっています。開催
方法を見ると、zoom を用いての開催が最も多いようですが、Webex や Slack、Remo などを用いている例もあるようです。オンサイト開催とオンライン開催のメリット、デメリットなども考えさせられる昨今ですが、様々なシステムを利用してオンライン開催のデメリットを少しでも改善しようという試みも多くなされているようです。

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