第 58 巻

第３号
2018 年 10 月

室内発生世界最高磁場1200テスラの記録
強磁場から見たトポロジカルなスピン構造が織りなす
創発磁気モノポール物性
軟X線で決定する物質のバンドトポロジー­トポロジーは見かけより中身が大事 ­Topological superconductivity in iron-based superconductors
平衡状態の量子もつれが示す普遍的な法則
バルク結晶と薄膜結晶で異なるスピン状態を直接観測〜スピン状態の判別に有効な計測手法を確立〜
プラズモン励起で測る量子ホール効果のエッジ状態
固体結晶からの高次高調波発生の偏光分解測定〜 高調波の偏光に電子状態の異方性が映し出されることを実証 〜

2018第 58 巻第３号
2018 年 10 月

1contents41

室内発生世界最高磁場 1200 テスラの記録

4強磁場から見たトポロジカルなスピン構造が織りなす創発磁気モノポール物性

嶽山 正二郎

金澤 直也、藤代 有絵子、十倉 好紀、三宅 厚志、三田村 裕幸、徳永 将史

7

軟 X 線で決定する物質のバンドトポロジー−トポロジーは見かけより中身が大事−

97黒田 健太、近藤 猛

Topological superconductivity in iron-based superconductors
ZHANG Peng, 辛911平衡状態の量子もつれが示す普遍的な法則
杉浦

14

11

埴

、中川 裕也、藤田 浩之、渡邉 正隆

バルク結晶と薄膜結晶で異なるスピン状態を直接観測〜スピン状態の判別に有効な計測手法を確立〜

横山 優一、和達 大樹

16

プラズモン励起で測る量子ホール効果のエッジ状態

遠藤 彰、勝本 信吾

19

固体結晶からの高次高調波発生の偏光分解測定

14〜 高調波の偏光に電子状態の異方性が映し出されることを実証 〜
石井 順久、板谷 治郎

1622

市村学術賞、船井学術賞を受賞して

三輪 真嗣

24

NESMCQ18 Poster prize を受賞して長谷川 雅大26

第 11 回分子科学会奨励賞を受賞して28

外国人客員所員を経験して

29 【物性研究所談話会】
31 【物性研究所セミナー】
28

上田 顕

19

編集後記

Cliﬀord HICKS

室内発生世界最高磁場 1200 テスラの記録

国際超強磁場科学研究施設

嶽山 正二郎電磁濃縮法による超強磁場発生法は半世紀にわたり物性研強磁場研究室が取り組んできた、いわば物性研強磁場のお家芸の一つである。この電磁濃縮法を用いて、ついに1000 テスラを優に超える磁場発生に成功した。
1980 年初頭の物性研極限プロジェクトによる近角•三浦等による 1000 テスラ電磁濃縮超強磁場計画が開始されて以来、3 世代の所員により継承されて、実に半世紀が経って遂に目標に達成したことで感慨深い。電磁濃縮法による
超強磁場発生は、クネール(E. Cnare、1966 年)により提案されたもので、当時 136 kJ のコンデンサを用いて 210

図 1．電磁濃縮用 CL コイルとそのセッティングの様子．外T の超強磁場の発生が報告されたのが最初である。近角聡

枠の鉄コイルを基準にライナー、測定プローブが高い精度で取り付けられる．

信氏が 1970 年初頭に、この方法に目を着けたのは今や先見の明があったというほか無い。

新装置では、瞬間的放電能力を引き上げるべくコンデン

原理は極めて簡単で、ライナーと呼ばれる金属円筒リン

サ電源を刷新し、主コンデンサバンクの最大充電電圧を、グをその円周方向に流れる電流の電磁応力を使って高速に

旧装置の 40 kV から 50kV に引き上げた。また、コンデン

圧縮し、比較的大きな空間(直径 10-20 cm)に予め発生さサ電源と負荷である磁場発生コイルとのインピーダンス整

せておいた数テスラの磁束を濃縮することにより、最終的合を最適化することで、全系のエネルギー伝達効率を改善に小さな空間に超強磁場を発生させる。これを信頼性と精し、大きな空間を占めるコンデンサ電源に蓄積した電気エ度の高い物性計測に適用するには最低数ミリ、できれば10 mm 程度の直径及び長さ方向の磁場発生空間と磁場均一性が必要となる。磁場発生空間の大きさとその中での磁場均一性、パルス時間の制御は必須となる。電磁濃縮法の実質的な開発と展開は世界で唯一物性研究所でのみ、超強磁場発生とこれを用いた極限的環境での物性物理学への応用研究に向けた開発を行って今日に至っている。
物性研嶽山研では、2003 年より電磁濃縮による超強磁場発生の技術開発に注力し、極めて効率のよいコイル(銅内張りコイル、以下 CL コイルという)の開発に成功した。
その結果、730 T という室内発生最高磁場を大幅に記録更新した[1]。これにより、クロミウムスピネルの 600 T ま
での磁化過程を 5 K という極低温で精密に測定することに成功した[2]。その後、2010 年に始まった文科省最先端研究基盤事業「次世代パルス最強磁場発生装置の整備」の補助金獲得を行い、1000 テスラ級電磁濃縮超強磁場発生装
置を新規導入した。その後、装置の調整と整備、開発を継続し、2018 年 1 月に全システムをほぼ完成に導くことが

図 2．電磁濃縮超強磁場発生時の磁場値の計測用に開発した反射型のファラデー回転プローブ. a:光ファイバー、b:FRP
チューブ、c:偏光板、d:ファラデー素子（石英の直径 1 mmのロッド）e:アルミミラー、f:ピックアップコイル. 640 nm
波長の半導体レーザーは、一本の光ファイバーで入射、ファラデー素子を通過反射した帰りの光は光分岐を通して検知器へ導かれる.

できた。

1

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

ネルギーを最終端である主コイル内の数センチ程度の小さる反射型のファラデー回転磁場プローブを考案してセットな超強磁場発生空間へと有効にエネルギー伝達できるようした(図 2)。この方法は将来 1000 T 領域での物性計測に工夫した。

おいてピックアップコイルに代わるものとして活用できる。

今回の濃縮実験には前記の CL コイルを用いた。CL コ

得られた磁場値の時間発展を図 3 に示す。ライナーの収イルは従来物性研で採用してきたコイルに比べ主コイルか縮に伴って、放電開始から 40.3μ秒後に 600 テスラを超らライナーへのエネルギー伝達効率が格段に高い。更に、える。そこで、予測通りピックアップコイルの信号は切れ、

磁場発生の再現性が極めて高いだけでなく、磁場最高値を

その後は、ファラデー回転による光学検出で磁場増大が追はじき出すライナーの終着点での位置が 1mm 以下という跡され、遂に、40.7μ秒後あたりで 1200 テスラに達して高精度で制御可能である。図 1 で見てとれるように測定プいるのが明確に捕えられた。詳しい解析の結果、ライナー

ローブのセッテイング方法も従来の方法とは全く発想が異の収縮速度が 5 km/秒以上にも達していること、また、なる。図 1 の様に CL コイルの外側の最終的に破壊してし1200 テスラが発生できた磁場空間のボーア径は 3 mm 程

まうコイルの一番外側の鉄部を基準として全てを固定する。

度と推定された。

これにより、磁場中心位置への高精度のセッティングが可

旧電源装置を用いて達成した 985 T を得た実験にも同形能となり、収縮ライナーがギリギリ(1mm 以下)近づくまのコイルを使用していたので[4]、この実験に比べ装置全で測定ができる [2]。この高精度 CL コイルでなければ体が最適化された設計により、コンデンサ電源からコイル

1000 T までの磁場計測は不可能である。

へのエネルギー伝達効率が上がり、コイル電流の立ち上が本実験では、主コンデンサバンクの充電エネルギーはり速度が大幅に改善された。このことで 1000 T を優に超

3.2 MJ (8 ユニット、45 kV)で、初期磁場の大きさは 3.2える発生磁場の最高値の 1200 T という大幅な記録更新がテスラとした。発生した磁場強度は、ピックアップコイル実現できたと言える[5]。

による電気的計測とファラデー回転法による光学的計測をこれまで、1000 テスラ以上の磁場は、複雑な構造で構

同時に行なった。これまでの詳細な研究からピックアップ

成され大掛かりな野外実験となる「爆縮法」でしか達成でコイルでは 600 T までが測定限界であることが分かっていきていなかった。爆縮法では再現性や磁場発生の制御性なる。そこで、1000 T 領域での精密物性計測に於いてピッどに問題がある。この度完成させた次世代型超強磁場発生

クアップコイルに代わるものとして、光学ファイバーによ装置により、磁場発生効率が格段に改善され、1000 テス
ラ以上の超強力な磁場を安定して発生できるようになった。
今後、1000 テスラ領域での極限的な超強磁場環境での精密で信頼性のある物性計測が安定して実現可能となるであろう。
本装置で創られる 1000 テスラの磁場は発生時間および磁場空間を制御できるため、さまざまな物理計測への適用が広がる。1000 テスラでは物質の中の電子の運動を 1 ナ
ノメートルスケールに閉じ込めたり、非常に重たい電子の運動量(角運動量：スピン)を磁場で制御できるため、物質の新規な機能の解明に貢献することが期待される。半導体、ナノマテリアル、有機物質、超伝導体、磁性体、生体物質などで未解明の固体物理量子現象の解明に、より強力な手段となり、いよいよ 1000 テスラ超強磁場科学の次世代に向けた新しい第一歩を踏み出したと実感する。

図 3．上図：磁場発生とともに測定されたファラデー回転角の時間発展、下図：点線はピックアップコイルで測定された磁場

謝辞

値、緑の実線が上図のファラデー回転角から換算された磁場

本研究は、2010 年および 2011 年度の文部科学省最先端

値. 黒い陰はライナーの断面の時間変化を予測するイラスト.
1200 T は直径 3 mm の空間に発生できたと見積もられた.

基盤事業「次世代最強磁場発生装置の整備」による補助金■ ■■ ■ ■■ ■と、中村大輔助教、澤部博信技術専門職員はじめ松田康弘

物性研だより第 58 巻第 3 号

2准教授、池田暁彦助教の忍耐強い共同作業と協力の下で達成された。これまでの電磁濃縮超強磁場発生技術開発には
小嶋映二元嶽山研助教の貢献も大きいことを添えたい。
最先端事業においては、東大本部、柏地区共通事務セン
ター、物性研事務部の多くの方々による多大な尽力に支え
られた。

参考文献
[1] S. Takeyama, et al., J. Phys. D 44, 425003 (2011).
[2] A. Miyata, et al., Phys. Rev. Lett. 107, 2072031 (2011).
[3] D. Nakamura, et al., Rev. Sci. Instrum. 84, 044702(2013).
[4] D. Nakamura, et al., Rev. Sci. Instrum. 89, 016106(2018).
[5] D. Nakamura, et al., Rev. Sci. Instrum. 89, 095106(2018).

3

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

強磁場から見たトポロジカルなスピン構造が織りなす
創発磁気モノポール物性東京大学大学院工学系研究科 物理工学専攻

金澤 直也、藤代 有絵子、十倉 好紀

物性研究所 国際超強磁場科学研究施設

三宅 厚志、三田村 裕幸、徳永 将史

物質中に現れる磁気モノポールを形成します。図 1 に示したように、[111]軸方向から B20

磁束密度の湧出しまたは吸込みとして振舞う素粒子、す型結晶を眺めると、原子がらせん階段状に配列していて、

なわち磁気モノポールは未だに観測されておらず、古典電その鏡像は互いに重ね合わせることができないキラルな構

磁気学においては存在しないと仮定されて体系化されてき造であることがわかります。一般に反転中心を持たない磁ました。一方で物性物理学においては、擬似的な磁気モノ性体においてはジャロシンスキー・守谷相互作用(DM 相

ポールを創り出すことで、今まで考えられて来なかった新互作用)が許容され、その対称性を反映した非共線的な磁しい電磁気応答・機能を発見しようという研究が数多くな

気構造(隣り合うスピンの向きが互いに平行にならない構

されています。

造)が発現します。MnSi や FeGe といった B20 型磁性体

物質中に擬似的な磁気モノポールを創り出すには、モノにおいては、らせん磁気構造や、同一平面上で変調していポール解を表す /| | に比例した磁気的性質をもたらす構造

る 3 つのらせん構造の重ね合わせ状態であるスキルミオン

体を、多数の分子や電子・スピンなどを駆使して設計する格子と呼ばれる渦状トポロジカル磁気構造が観測されていことが必要となってきます。例えば、パイロクロア格子上ます[6,7]。

のイジングスピンが織りなすスピンアイス系や線形電気磁気効果を示す物質中の点欠陥において、磁場 H や磁化 M のモノポール型分布が提案・観測されてきました[1,2]。スピンアイス系においては 2-in-2-out 状態からの局所的なスピ
ン反転を伴う励起状態(3-in-1-out 状態と 1-in-3-out 状態のペア)が磁場・磁化分布の特異点として振舞ってくれます。
一方で線形電気磁気効果を示す物質中に点電荷とみなせる
欠陥が存在すると、に従い点電荷の示す発散型の電場分布がそのまま磁化分布に転写されます。共通して、秩序状態における欠陥が古典的な電磁場分布の特異点として振舞うことを利用してモノポール型構造を創り出しています。
これらの例においては、磁束密度 B の発散を伴うディ

図 1: [111]軸方向から見た B20 型化合物の結晶構造。青・灰色が遷移金属・14 族元素を表している。

ラックが導入した磁気モノポールの性質を満たしませんが、欠陥がトポロジカルな性質を持つと電子の感じるゲージ場

多くの B20 型化合物とは異なり、MnGe においては、

において本来の磁気モノポール構造が現れる可能性が出てらせん構造の異なる重ね合わせ状態であるヘッジホッグ格

きます[3]。ここで紹介するキラル磁性体 MnGe における子状態が基底状態として現れます[5,8]。すなわち図 2 のよヘッジホッグスピン構造は、量子性を備えた磁気モノポー

うな、3 つの互いに直交したらせん構造の重ね合わせ状態

ルとして伝導電子に影響を与え、実際に、数多くの特異なとなっており、ヘッジホッグや反ヘッジホッグという 3 次

巨大物性をもたらします[4,5]。

元のトポロジカルなスピン構造が周期的に配列しています。
ここでトポロジカルな配列とは、特異点を囲む曲面上のス

キラル磁性体 MnGe における創発磁気モノポール

ピンを 1 点に集めたときにそのスピンの向きが球面をちょと磁気抵抗効果

うど整数回覆うことを表しています。

遷移金属と 14 族元素(Si, Ge, Sn)の 1 対 1 の化合物はし

一般に伝導電子が非共線的なスピン構造と結合して運動

ばしば B20 型構造と呼ばれるキラルな立方晶の結晶構造

すると、電子はスピンの向きの空間的変調をベリー曲率と■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

4いうゲージ場(創発磁場)として感じとります。言い換える

パルス強磁場下(約 30 T, 10 ミリ秒幅)における高速かつ高とスピン構造は実効的な磁場の源とも考えられ、多種多様

精度抵抗測定によって、創発磁気モノポールゆらぎが低温

なスピン配列を設計できれば物質中に思い通りの強度や分(10 K 以上)かつ強磁場(20 T 以上)の極限環境においても布の磁場を描きだすことができるようになります。そして存在し、高効率な熱-電気変換効果といった創発電磁機能

MnGe に現れるヘッジホッグ・反ヘッジホッグ構造が発生の堅牢性に寄与していることを明らかにしました[9]。

/ の湧出し・吸込

ゼロ磁場の値で規格化した磁気抵抗効果の測定結果を図みとなる磁気モノポールのものとなっているという訳です

3 に示します。カラーで示したデータは測定した抵抗率、(図 2)。

黒い太線で示したデータは磁化(黒い細線)から見積もったする創発磁場分布は、磁束量子図 2: 3 つのらせん構造の重ね合わせで表されるヘッジホッグ格子状態(左)とそれに現れるヘッジホッグ(黄色)・反ヘッジホッグ(緑)スピン構造と対応する創発磁場分布(右)。

磁場印加によってヘッジホッグ格子が強磁性状態に転移磁化が揃うことによる従来型の負の磁気抵抗効果をそれぞする場合をトポロジーの観点から考えると、スピン配列をれ表しています。そして創発磁気モノポールのゆらぎが引表すトポロジカル数(上記の通りスピンの向きが球面を覆き起こす電子散乱、すなわち正の磁気抵抗効果はそれら 2う回数)に不連続変化が必ず生じることがわかります。こつの差分として見積ることができます。その結果、10 Kの場合では、磁場によってヘッジホッグ(トポロジカル数以上の温度では、強磁性転移と考えられる磁場(破線で表+1)と反ヘッジホッグ(-1)の位置が変位し、最終的に対消した磁化曲線に折れ曲がりに対応する磁場)以上の強磁場滅することで非トポロジカル状態である強磁性状態(0)へにおいても正の磁気抵抗効果が見られ、温度減少に伴いそと転移します。この磁場印加過程において、ヘッジホッの効果が急激に抑制されていることがわかりました。これ

グ・反ヘッジホッグ構造が対消滅直前で大きなゆらぎを示

は、強磁場下においても、一部のヘッジホッグ構造が対消し、それに伴い創発磁場ダイナミクスが誘起されることが滅せず準安定状態として存在している可能性やヘッジホッ

理論的に明らかとなり、実験的には数十%にのぼる大きな

グ構造といった非共線的なスピン構造が熱的に励起されて正の磁気抵抗効果として観測されました[5]。本実験では、いることを示唆しています。

図 3: 様々な温度での規格化した磁気抵抗。測定した磁気抵抗(カラー)、磁化(黒細線)、磁化から見積もった従来型の負の磁気抵抗(黒太線)、創発磁気モノポールのゆらぎがもたらす正の磁気抵抗効果(カラー網掛け)。

5

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

まとめ・展望
強磁場下での高精度抵抗測定によって、キラル磁性体
MnGe のヘッジホッグ格子状態が生み出す創発磁気モノ
ポール物性が、磁場に対して強く保護されていることを明らかにできました。またこの堅牢性にはヘッジホッグ構造の有するトポロジーの性質が重要な役割を果たしていることがわかりました。現在ではフライホイールを用いた非破壊型長時間パルス(ロングパルス)を用いることで、測定精度を数の高分解能まで向上することに成功しており、低抵抗の金属物質中を創発磁場の効果で非散逸的に流れる
ホール電流も高精度で測定することが可能になりました。
この手法を用いることによって、強磁場まで安定なトポロ
ジカル磁気構造がもたらす創発物性の今後の開拓が期待されます。

謝辞
本研究における磁化、磁気抵抗測定は物性研究所国際超強磁場科学研究施設共同利用による成果です。また JSPS
科研費(15H05456, 18K13497)ならびに JST 戦略的創造研究推進事業 CREST(JPMJCR16F1)の助成を受けて行われました。
[1] C. Castelnovo, R. Moessner and S. L. Sondhi, Nature
451, 42–45 (2008).
[2] D. I. Khomskii, Nature Commun. 5, 4793 (2014).
[3] G. Volovik, J. Phys. C Solid State Phys. 20, L83 (1987).
[4] N. Kanazawa et al., Phys. Rev. Lett. 106, 156603(2011).
[5] N. Kanazawa et al., Nature Commun. 5, 4793 (2014).
[6] S. Mühlbauer et al., Science 323, 915–919 (2009).
[7] X. Z. Yu et al., Nature 465, 901–904 (2010).
[8] T. Tanigaki et al., Nano Lett. 15, 5438 (2015).
[9] Y. Fujishiro et al., Nature Commun. 9, 408 (2018).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

6

軟 X 線で決定する物質のバンドトポロジー－トポロジーは見かけより中身が大事－

極限コヒーレント光科学研究センター概要：

黒田 健太、近藤 猛

系統的な観察に基づく。そしてプニクトゲンのスピン軌道

トポロジカル絶縁体を代表とするトポロジカル物質の非結合効果によるバンド反転を直接観ることで、トポロジカ

自明なバンドトポロジーは、強いスピン軌道結合によってル相図を実験的に決定するものである。これにより、見か生じるバンド反転で決まる。これに伴い、結晶表面に特異けの測定に頼らない、バンドトポロジーを直接決定する新な電子状態が現れることから [1] 、「見かけ(表面)で中身たな実験方法を確立した。

(バルク)のトポロジーを知る」ことが可能であり、数十 eV程度の真空紫外光を用いた表面敏感な角度分解光電子分光

実験結果：(ARPES)で観測される電子状態を表面状態のバンド計算

実験は大型放射光施設 SPring-8 の高輝度軟 X 線固体分と比較して、バンドトポロジーの同定が行われてきた。し光ビームライン BL25SU にて開発された高効率・軟 X 線

かしながら、狭ギャップ半導体や半金属などでのバンド計

ARPES 装置を用いて行った。Ce モノプニクタイドの電子算では、予測される表面状態やトポロジーが計算パラメー

構造は、3 次元ブリルアンゾーンの対称点点にトップをターに敏感に変化してしまうため、これまで行われてきた持つプニクトゲン p 軌道由来のホールバンドと X 点にボ

見かけに頼る方法では不十分であった。実際に、La モノ

トムを持つ Ce t2g 軌道由来の電子バンドがエネルギー的にプニクタイドや Ce モノプニクタイドなどの半金属物質で重なっており、キャリア補償型の半金属として特徴づけらは、全く矛盾した解釈が報告されており [2-4] 、「見かけれる。そこで、放射光の利点である波長可変性を発揮させ、で中身を知る」測定ではなく、「中身を直接知る」測定がそれぞれの物質で運動量対称点にあるこれらの電子構造を求められていた。

カットするように軟Ｘ線の波長を選択して ARPES 測定を本研究で我々は、励起光として数百 eV 程度の軟 X 線高行った。

輝度放射光を用いたバルク敏感 ARPES を利用することで、

図 1 に軟Ｘ線 ARPES で得られた半金属的なバルク電子

バンドトポロジーに対する直接的な実験を Ce モノプニク

構造の系統的な変化をまとめた。CeP から CeBi まで系統

タイドで実現させた [5] 。この実験は、Ce モノプニクタ

的に観察することで、プニクトゲンのスピン軌道結合がバ

イド物質群 (CeP, CeAs, CeSb, CeBi) のバルク電子構造のンド構造に与える効果が見えてくる。スピン軌道結合の小

図 1：放射光軟Ｘ線 ARPES で観測された Ce モノプニクタイドの半金属的なバルク電子構造の系統的な変化。点にバンドトップを持つプニクトゲン p 軌道由来のホールバンドと X 点にバンドボトムを持つ Ce t2g 軌道由来の電子バンドが観測されている。図上にフェルミエネルギー (EF) での ARPES 強度の運動量分布 (MDC) をプロットした。CeSb や CeBi では、Sb と Bi の強いスピン軌道
結合とキャリア補償型の半金属バンド効果により、ホールポケット(赤線矢印)と電子ポケット(青線矢印)が形成されている。

7

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

さい CeP から CeAs や CeSb に向かって、点で観測されCeBi はトポロジカルに非自明な状態にあることがわかった。

たホールバンドが全角運動量 J=3/2 と 1/2 の状態へ分裂し、

図 2 に、軟 X 線 ARPES で決定した X 点のエネルギーダ

スピン軌道結合の大きさを反映してその分裂が大きくなっイアグラムとトポロジカル相図をまとめた。このように、ている。X 点においても、ホールバンドのスピン軌道分裂

CeP から CeSb はトポロジカルに自明であるが、スピン軌が観測されており、CeP から CeBi に向かって、分裂が大道結合が充分に大きい CeBi ではバンド反転が起こり非自きくなると共に高エネルギー側のバンド(赤矢印: X1)が明になる。また、CeSb はトポロジカル相境界の極近傍にフェルミレベル(EF)方向に押し上げられていることがわか

位置する。

る。
Ce t2g 軌道由来の電子バンド(青矢印)とそのフェルミポ

まとめと今後の展望ケットを X 点で観測した。CeP や CeAs ではポケットは非バルク敏感な軟 X 線 ARPES を利用して CeX 物質群の常に小さい一方で、CeSb や CeBi では大きくなっている。

トポロジカル相図を実験的に決定した。特に、プニクトゲ

このポケットの変化は、スピン軌道結合とキャリア補償型

ンのスピン軌道結合とキャリア補償型の半金属的なバンドの半金属バンドの効果として以下のように説明できる。

構造が発端となり、非自明なバンドトポロジーの素になる

CeP や CeAs と比較して、スピン軌道結合が大きい CeSb

バンド反転が発生する姿を捉えた。これまで、実験的なトや CeBi では、高エネルギー側に押し上げられた J=3/2 のポロジカル物質群の同定は、表面敏感な真空紫外 ARPES

ホールバンドが点でポケットを作り、ホールキャリアがを利用した表面観測に限られていたが、本研究により軟Ｘ注入される。そこで物質全体の中性を保つようにこのキャ

線 ARPES 測 定 の 新 し い 実 用 性 が 示 さ れ た 。 軟 Ｘ 線

リアを補償する必要があるため、X 点にある電子ポケット

ARPES によるバンド反転観測から、表面に影響されないが大きくなるように電子バンドが動く。このように、大き物質のバンドトポロジーを直接知ることができるので、今なスピン軌道結合はキャリア補償型半金属特有のバンド効

後の多彩なトポロジカル物質の発見や開発に向けて強力な果を伴う。

実験手法として期待できる。

重要な点は、スピン軌道結合によるバンド構造の変調とこれに伴う半金属のバンド効果が相まって CeBi の X 点で謝辞

バンド反転が生じることである。パリティ計算から、X 点

本研究は東京大学工学系研究科の有田亮太郎教授、大阪で反転した二つバンドは異なるパリティを持っており、大学理学研究科の越智正之博士、理化学研究所の平山元昭
博士、JASRI の室隆桂之博士、東京大学物性研の鈴木博
之博士、辛埴教授、原子力研究開発機構の芳賀芳範博士、
物質材料研究機構の北澤英明博士との共同研究として行われました。この場をお借りして御礼申し上げます。
[1] M. Z. Hasan and C. L. Kane, Rev. Mod. Phys. 82,
3045 (2010).
[2] L.-K. Zeng et al., Phys. Rev. Lett. 117, 127204 (2016).
[3] X. H. Niu et al., Phys. Rev. B 94, 165163 (2016).
[4] N. Alidoust et al., arXiv:1604.08571.
[5] Kenta Kuroda et al., Phys. Rev. Lett. 120, 086402(2018).

図 2：軟Ｘ線 ARPES 測定(図 1)で決定された、X 点のエネル
ギーダイアグラムとトポロジカル相図。CeP から CeSb はトポロ
ジカルに自明であるが、CeBi ではバンド反転が起こるため非自明になる。CeSb はトポロジカル相境界の極近傍に位置する。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

8Topological superconductivity in iron-based
superconductor

Laser and Synchrotron Research Center

ZHANG Peng, 辛 埴

Introduction to Majorana modes and topologicalsuperconductors
In a topological superconductor, the opening of thesuperconducting gap is associated with the emergence ofzero energy excitations that are their own antiparticles.
These zero-energy states, generally called Majorana zeromodes or Majorana bound states, have potential
applications in quantum computing. Most of the
proposed topological superconductors are realized with
spin-helical states through proximity effect to s-wave
superconductors. However, this approach generally
requires complicated hetero-structures and a longsuperconducting coherence length which in principle
prohibits the use of high temperature superconductors.
Topological superconductivity in high-Tc ironbased superconductors

Fig. 1 (A) Crystal Structure of Fe(Te,Se). (B) Bulk band
structure along Z direction. (C) Calculated (001) surface
spectrum.

that FeTexSe1–x (x ~ 0.5) is a topological superconductor,
and they are all confirmed by our high-resolution ARPES
experiments:(i) Dirac-cone–type surface states. The overall band
structure

from

the

high

resolution

ARPES

is

summarized in Fig. 2A. We obtained clear Dirac-cone

In this work, we show that the Fe-based superconductor

type band together with parabola-like band. Compare

FeTe0.55Se0.45

topologicalwith the theory calculations, we conclude that the Dirac-superconducting states at the surface, paving a distinct

cone–type band is the topological surface band, and theroute for realizing topological superconductivity andparabolic band is the bulk valence band.

singlecrystalshostMajorana bound states at higher temperatures.
Fe(Te,Se) has the simplest crystal structure among Febased

superconductors

(Fig.

1A).

First-principles

calculations show that, along Z, the pz band has a large
dispersion; near EF, SOC causes an avoided crossing
with the dxz band, and a SOC gap opens (Fig. 1B). Thisband inversion results in a non-trivial topologicalinvariance. Thus, FeTe0.5Se0.5 should host strong
topological surface states near EF. To show the predicted
topological surface states clearly, we project the band
structure onto the (001) surface, as shown in Fig. 1C. The
Dirac-cone type surface states are located near EF, inside
the SOC gap between the bulk valence band and bulk
conduction band.
Three evidences are necessary to experimentally prove9

物性研だより第 58 巻第 3 号

Fig. 2 (A) Intensity plot of the Fe(Te,Se) band structurefrom high-resolution ARPES measurements. (B) Polar
representation of the superconducting gap size. (C-D)
Spin polarization curve at the two cuts indicated in A.

■■■ ■ ■ ■■

(ii) Helical spin polarization of the surface states. Two

Majorana bound states and Majorana edge modes withcurves at the cuts indicated in Fig. 2A were measured.

Fe(Te,Se) single crystals. The relatively high Tc and

The spin-resolved data show that the spin polarizations

facile growth of high-quality single crystals and thin

are reversed for the two cuts at the Dirac cone, whereas

films make Fe(Te,Se) a promising platform for studying

the background shows no spin polarization (Fig. 2CD).

Majorana bound states and may further advance

These data are consistent with the spin-helical texture,research on quantum computing.

which is the direct consequence of “spin-momentum
References:locking” of topological surface states.
(iii) An s-wave superconducting gap of the surface states.
Sinceiron-based

superconductors

generally

have

isotropic s-wave superconducting gaps, it is natural thatthe surface states also open an s-wave gap, due to theproximity effect from bulk. Indeed, we observed a clear s-[1] P. Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 105, 172601 (2014).
[2] Z. Wang et al., Phys. Rev. B 92, 115119 (2015).
[3] P. Zhang et al., Science 360, 182 (2018).
[4] P. Zhang et al, Nature Phys. 15, 41 (2019).
[5] D. Wang et al., Science 362, 333 (2018).

wave gap on the surface band, as shown in Fig. 2B.
Majorana modes in iron-based superconductors
When the spin-polarized topological surface states open
an s-wave gap, the corresponding superconducting states
are topologically non-trivial. Thus, when an external
magnetic field is applied, a pair of Majorana bound states
is expected to appear at the two ends of the vortices.
Furthermore, if a magnetic domain is deposited on thesurface,

destroying

superconductivity

withinthatdomain, there should be itinerant Majorana modes along
the domain edge. It should be fairly easy to produce

Fig. 3 (A) Topological superconductivity on the surface of
FeTe0.55Se0.45. (B) Existence of Majorana bound states anditinerant modes with vortices and magnetic domains.

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

10平衡状態の量子もつれが示す普遍的な法則

東京大学物性研究所

杉浦 祥*1、中川 裕也*2、藤田 浩之

東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構

渡邉 正隆*1 現：ハーバード大学 *2 現：株式会社 QunaSys①研究の背景空間分布を表す一般的な関数を理論的に導出しました。そ量子力学とは原子一つ一つのようなミクロな世界を記述

して孤立量子系のエネルギー固有状態と定常状態とが持つする物理理論です。他方、熱力学とは金属や液体のように

量子もつれの空間分布に対して、我々の導出した関数が共原子や分子が集まった物質においてマクロで普遍的な性質

通してよく当てはまることを、数値シミュレーションを用に着目する理論的です。物理学の根幹をなすこの 2 つの理

いて確認しました。

論間の対応関係は、20 世紀初頭の量子力学の黎明期から

エネルギー固有状態は、ある意味で熱平衡状態と非常に研究されてきました。特に、外界から切り離された環境に近い事が知られています。つまり、任意のエネルギー固有おいて、量子純粋状態の性質を熱力学で予言できるかとい状態を用いて局所的な物理量の期待値を計算すると、非可う問いは、理論的な興味はもちろん、冷却原子を使った実積分系と呼ばれるクラスの系において、その値が熱平衡状

験との対応からも、近年重要な課題となっています。

態と一致する値を示す事がよく確かめられています(エネこのようなミクロとマクロの対応の研究に重要になるのルギー固有状態熱平衡化仮説、ETH と呼ばれる[2])。反が、量子もつれです[1]。量子もつれは、量子状態を 2 つ

対に、可積分系の場合には、固有状態を用いた期待値の値の領域に分割した時に、その 2 つの間に生じる量子力学的は熱平衡状態からずれを持つことも知られています。我々

な相関の事です。具体的には、量子力学的な重ね合わせがの数値シミュレーションでは、我々の理論が非可積分系のその 2 つの領域にまたがって広がっている時に生じます。

エネルギー固有状態の正しいエンタングルメント・エント

量子もつれは量子力学に基づく現代物理学の様々な分野をロピーの空間分布を与え、可積分系では与えないことを示

貫く基礎的な概念です。例えば、量子系の効率的なシミュしました。つまり、ETH がエンタングルメント・エント

レーションや量子テレポーテーション、ブラックホールのロピーに対しても成立していることを我々は新たに示しま

蒸発現象など、様々な現象が量子もつれによって理解でき

した。

ます。
量子純粋状態を用いた熱力学では、量子もつれの量が熱力学的なエントロピーに対応します[2]。従って、熱力学
エントロピーの増大によって実現する熱平衡化は、量子力学から説明すると系全体に量子もつれが広がることで起こる現象と言うことが出来ます。

②研究の内容我々のグループは、熱平衡状態を表すような量子純粋状態における量子もつれの空間分布を研究しました。量子純
粋状態を空間的に二つに分けた時に、その領域間に存在する量子もつれの量(エンタングルメント・エントロピー)がどのような性質を持つかを調べました(図 1)[3][4]。
まず、熱力学系との厳密な対応が確立されている量子純

図 1 量子もつれの空間分布の概念図。物質を A と B の 2 つに

粋 状 態 で あ る canonical thermal pure quantum state

分けた時に、A と B の間にどのくらいの量子もつれが生じているかを縦軸に、物質 A の長さを横軸にプロットしてある。

(cTPQ)に基づき、エンタングルメント・エントロピーの11

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

次に、定常状態は量子純粋状態を孤立させたまま時間発さらに、得られた関数とその普遍性を利用し、量子純粋

展させ、物理量の期待値の揺らが小さくなるまで待った後状態における熱力学の探求において近年重要な概念となっの状態であり、孤立量子系の実験で観測されている状態でている Eigenstate thermalization hypothesis (ETH)相とす[5]。これらの状態に対しては、系の可積分・非可積分

Many-Body Localization (MBL)相の間の相転移を調べまに関わらず、状態が十分に混ぜ合わされたのならば我々のした。ETH 相と MBL 相の転移はスケーリング理論によ関数がエンタングルメント・エントロピーの分布を正しくり臨界係数と呼ばれる量により普遍的に記述されると考え与えることを数値的に示しました。定常状態における量子られています。しかし、従来の数値計算では臨界係数が理純粋状態のエンタングルメント・エントロピーは実験で測論で許される下限より小さな値を与える事が問題となってられており、我々の研究はそれらの実験の理解に大きく資いました[6]。この転移に対して、我々の理論を用いて解する結果です。

析を行う事で、臨界係数の見積もりが改善することを示し

これらにより、熱力学系と対応した量子純粋状態におけました。

るエンタングルメント・エントロピーが、系の詳細によらない普遍的な性質を持つことが示されました。

図 2 様々なエネルギーでのエネルギー固有状態の持つエンタングルメント・エントロピーの空間分布。Non-integrable(非可積分系)では数値シミュレーション結果(点)と理論値(線)がよく一致している。反面、Integrable(可積分系)ではずれが見られる。

③今後の展開この研究は、量子力学と熱平衡化現象の間のギャップを埋める基礎的な結果の一つです。外界と切り離された孤立量子系は従来、理論上のみの概念でしたが、近年では、冷却原子やイオントラップといった系において実験的に可能となっており、ミクロな量子力学から熱力学を構築するという統計物理学の究極の目標の実現に向け、重要な手がかりを与えると期待されます。
本研究は、量子純粋状態からの熱力学の構築にとって必要不可欠な、孤立系における量子もつれの理解を深めるものであり、本研究で見出された量子もつれの普遍的な関数
は、実験データの解析に大きく資するものと考えられます。
図 3 エンタングルメントを持たない量子純粋状態から出発した

また、孤立系の量子もつれは近年、ブラックホールの情報

エンタングルメントエントロピーの時間発展。ごく短時間(t=5)

消失問題など量子重力分野においても重要となっており、でエンタングルメントエントロピーのシミュレーション結果(点)物性、統計物理学と素粒子物理学の共通課題となりつつあが理論値(点線)に一致するようになる事が分かる。

■ ■■ ■ ■■ ■ります。本研究は物性統計力学・素粒子の両分野に適用可物性研だより第 58 巻第 3 号

12能な基本的な成果であり、分野を越えた共同研究は今後さらなる成果を上げていく事が期待されます。
[1] M. A. Nielsen, and I. L. Chuang, 2000, Quantum
Computation and Quantum Information (Cambridge
University Press, Cambridge)[2] L. D’Alessio, Y. Kafri, A. Polkovnikov, and M. Rigol,
Adv. Phys. 65, 239 (2016).
[3] Y.O. Nakagawa, M. Watanabe, S. Sugiura and H.
Fujita, Nature Commun. 9 1635 (2018).
[4] H. Fujita, Y.O. Nakagawa, S. Sugiura, and M.
Watanabe, J. Hep. 18, 112 (2018).
[5] A. M. Kaufman, M. E. Tai, A. Lukin, M. Rispoli, R.
Schittko, P. M. Preiss, and M. Greiner, Science 353,
794 (2016).
[6] A. Chandran, C. R Laumann, and V.Oganesyan,
arXiv , 1509.04285 (2015).

13

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

バルク結晶と薄膜結晶で異なるスピン状態を直接観測～スピン状態の判別に有効な計測手法を確立～

極限コヒーレント光科学研究センター

横山 優一※ 和達 大樹(※現：国立研究開発法人物質・材料研究機構 NIMS ポスドク研究員)
遷移金属酸化物では電子同士の強い相互作用によって電

そこで、LaCoO3 の共鳴軟 X 線非弾性散乱の測定を東大子・スピン・電子軌道の形が多彩な秩序状態を作る。なか物性研ビームライン SPring-8 BL07LSU に設置されていでも、ペロブスカイト型ランタン・コバルト酸化物

る超高分解能共鳴軟 X 線非弾性散乱装置(HORNET）[2](LaCoO3)では、電子間の相互作用と電子と格子の相互作で行った[3]。コバルト 2p→3d の吸収が起こる 780 eV の用が競合することで、コバルトイオンはさまざまな電子状

エネルギーをもつ軟 X 線を照射し、散乱された軟 X 線の態をとり得る。コバルトイオンの電子状態はスピンの大きエネルギーの非弾性散乱スペクトルを測定した。試料に吸さが異なる状態となり、低スピン状態、中間スピン状態、収されたエネルギーの一部は電子配置を変化させることに高スピン状態という 3 つのスピン状態が現れる(図 1(a))。

使われ、スピンの大きさも変化するため、非弾性散乱スペ

磁気特性の測定から、高い温度領域では高スピン状態、極クトルからコバルトイオンのスピン状態を調べることがで

低温では低スピン状態になると考えられている。その中間きる。また、スピン状態と非弾性散乱スペクトルの対応関の温度領域では、中間スピン状態になっている可能性や高係を明らかにするため、不純物アンダーソンモデルによるスピン状態と低スピン状態が混在している可能性が報告さ

理論計算を行い、その理論計算と実験結果と比較することれていたが、スピン状態を直接的に観測する計測手法が無でコバルトイオンのスピン状態を推定した。スピン状態をかったため、長年の間、未解明のまま謎に包まれていた。

見分けるためには高いエネルギー分解能が必要となるが、近年になって、基板上にエピタキシャル成長させた薄膜試

国内最高のエネルギー分解能(~300 meV)での実験が可能

料が作製され、基板からの歪みの効果によってバルク結晶

な本装置によってスピン状態を解明することに成功した。

とは異なるスピン状態が実現している可能性が示唆された[1]。歪みの効果によるスピン状態変化を明らかにすることができれば、バルク結晶まで含めたスピン状態の全体像解明に繋がると期待できる。

図 1：(a) コバルトイオン(3 価)のスピン状態。eg 軌道に入る電子数によって異なる 3 つのスピン状態(低スピン状態・中間スピン

図 2：LaCoO3 バルク結晶と薄膜結晶におけるコバルト L 端の共鳴状態・高スピン状態)になり得る。(b) LaCoO3 薄膜の X 線吸収ス

非弾性散乱スペクトル。理論計算との比較から、▲は高スピン、▼は低スピン、■は歪んだ高スピンを特徴づけるピークである。

ペクトル。基板の方位が異なる薄膜では、異なる大きさのエピタ
キシャル歪みが生じている。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

14測定に用いた試料は、LaCoO3 のバルク単結晶と LSAT
基板上に成長させた薄膜結晶[1]である。薄膜結晶の膜厚は 30 nm で、基板の方位を変えることで異なる歪みの大きさを実現した。実験では、それぞれの試料に対してコバ
ルトイオンの吸収スペクトル(図 1(b))と共鳴非弾性散乱ス
ペクトルを測定した。これまでの研究からバルク結晶と薄膜結晶は異なるスピン状態であると考えられているが、吸収スペクトル形状において歪みに依存する明確な違いは見られなかった。今回得られた非弾性散乱スペクトル(図 2)
ではエネルギー損失が 1 eV 付近のスペクトル形状に大きな違いが観測され、理論計算で求めたスペクトル形状と比較することでスピン状態の構成成分と割合が違うことが明らかになった。具体的には、LSAT(110)基板上ではすべてが高スピンであるが、歪みによって対称性が低くなった
高スピン状態が加わっているため、高スピンと低スピンの重ね合わせで得られるほかのスペクトルとは全く違う状態となっている。このように、吸収測定では判別できなかったスピン状態を非弾性散乱測定によって明らかにすることに成功している。
[1] J. Fujioka, Y. Yamasaki, H. Nakao, R. Kumai, Y.
Murakami, M. Nakamura, M. Kawasaki, and Y.
Tokura, Phys. Rev. Lett. 111, 027206 (2013).
[2] Y. Harada, M. Kobayashi, H. Niwa, Y. Senba, H.
Ohashi, T. Tokushima, Y. Horikawa, S. Shin, and M.
Oshima, Rev. Sci. Instrum. 83, 013116 (2012).
[3] Y. Yokoyama, Y. Yamasaki, M. Taguchi, Y. Hirata, K.
Takubo, J. Miyawaki, Y. Harada, D. Asakura, J.
Fujioka, M. Nakamura, H. Daimon, M. Kawasaki, Y.
Tokura, and H. Wadati, Phys. Rev. Lett. 120, 206402(2018).

15

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

プラズモン励起で測る量子ホール効果のエッジ状態

ナノスケール物性研究部門
１．はじめに半導体ヘテロ接合界面やグラフェン中にできる 2 次元電遠藤 彰、勝本 信吾

研究されているトポロジカル絶縁体の、最も歴史の古い一形態とみなすことも出来る。

子系に磁場を印加することにより現れる現象の中で、最も磁場中 2 次元電子系の高周波での実験的研究法の一つとよく知られているものは量子ホール効果であろう。整数量

して、コプレーナ型導波路を用いる手法がある。コプレー

子ホール効果は、ある磁場範囲にわたり(あるいは、磁場

ナ型導波路とは同軸ケーブルを平面に切り開いたようなもを固定して電子濃度を掃引する場合には、ある電子濃度範ので、半導体 2 次元電子系の基板表面に設置された導波路

囲にわたり)、対角抵抗がゼロとなり(Rxx = 0)、ホール抵を伝播するマイクロ波と基板に埋もれた 2 次元電子系との抗が高い精度で基礎物理定数のみで決まる値となる(Rxy =相互作用を通して 2 次元電子系の情報を得る。2 次元電子

RK / p, p = 1,2,3,…, RK = h/e2 = 25812.807 はフォン・系は伝導率が高いほどマイクロ波を良く吸収するので、マクリッツィング定数で、電荷素量 e とプランク定数 h のみ

イクロ波透過率は 2 次元電子系の高周波伝導率の周波数依で決まっている)現象である。このホール抵抗値は抵抗標存性の測定に用いられている[1]。マイクロ波吸収により 2

準として利用されているほか、微細構造定数の導出にも用

次元電子系が局所的に加熱されることに着目し、熱起電力

いられている。この現象には、試料内部(バルク)が局在状の測定にも利用された[2]。また、マイクロ波照射により態(絶縁体)となり、試料端にのみ、一方向にのみ電子が移多体状態が励起されることから、ウィグナー結晶・バブル

動できる(すなわちカイラリティーを持つ)1 次元的な無散相・ストライプ相といった、磁場下 2 次元電子系バルク中逸伝導チャンネル(エッジ状態)が形成されることが重要なに形成される、強い電子間相互作用に起因する種々の電子役割を果たしている。エッジ状態は、後方散乱無く電荷や固体相の振動モード(ピニングモード)の研究にも用いられ

スピンを伝播させ得るチャンネルとしても注目され、応用てきた[3]。本研究はこの手法を、量子ホールエッジ状態

を視野に入れた研究もなされている。バルクとエッジの関の研究に応用したものである[4]。

係が示唆する通り、整数量子ホール効果は、近年爆発的に

図 1．(a) 試料と測定法の概略。2DEG: 2 次元電子系、CPW: コプレーナ型導波路、CE: 中央電極、SE: 側電極。CE に負バ
イアスを印加しスロット部にエッジを導入する。マイクロ波透過率および(図示されていない)オーミック電極間に発生する
熱起電力を測定する。(b) エッジ付近の拡大図。平面図(上図)と電子濃度 n(x)の位置 x 依存性(下図)。a: 空乏長。w: エッジ
状態幅。エッジ状態は交互に並ぶ圧縮性(青)・非圧縮性(黄色)の帯からなり、w は全体の幅。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

16２．試料と実験方法シフトしていく。これらのピークはエッジ状態へのプラズ

図 1(a)に試料と測定法の概略を示す。GaAs/AlGaAs ヘ

マ振動励起である「エッジ・マグネトプラズモン」励起にテロ接合界面直下に 2 次元電子系(2DEG)を含む半導体基よるものと解釈される。一番低い周波数の基本モード f0、板を用い、その表面上に電子ビームリソグラフィーを用い

および高調波 if0(i=2,3,…)が観測されている。負バイアス

た微細加工技術でコプレーナ型導波路(CPW)を設置する。

増加による高周波側へのシフトはプラズモンの伝播速度のマイクロ波は主として CPW の中央電極(CE)と両側の接地増加に因るものである。伝搬速度は主として CE とエッジ

電極(SE)との間隙部分(slot)直下の 2DEG に吸収されるの状態間の静電結合の強さにより決まる。速度増加は、よりで、測定はこの部分の 2DEG への感度が高い。本研究で負の Vg によりエッジ状態が CE から遠ざけられた(空乏長は、バイアス・ティー(Bias Tee)を経由して CE に負バイ

a が増加した)ことの帰結である。静電的な理論[5][6]によアスを印加し、すなわち CE をゲート電極としても利用し、り、本実験に用いた 2 次元電子系基板の試料パラメータを

CE 直下の電子を排除することにより静電的にエッジ状態

用い空乏長 a やエッジ状態幅 w を計算し、それらを用いさを、高感度で測定される slot 部へ導入する。マイクロ波透らに基本モードの周波数 f0 を導出したものを図 2(a)に黄色

過率の周波数依存性を測定することにより、エッジ状態で

い太線でプロットしてある。実験のピークを非常に良く再の励起が観測できる。また、図示されていないが、2DEG現していることがわかる。同等のエッジ・マグネトプラズに直接電気的に接触しているオーミック電極が取り付けら

モンは0 = 2 から 18 までの他の整数量子ホール効果でもれており、マイクロ波吸収により発生する熱起電力の測定

観測され、f0 は同様の計算ですべて良く再現出来た。充填も可能となっている。後述するように、熱起電力からも透率が大きくなると(すなわち低磁場になると)エッジ状態幅

過率と同様の情報を、より高い感度で得ることができる。

が急激に増加することが計算から予測されるが、これが実測定は、超電導マグネットを備えた希釈冷凍機中(ベース験的に裏付けられたことになる。図 2(a)をよく見ると温度~20 mK)で行った。

0.44 V < Vg の領域にもピークは継続しているのが見える。
CE 下の電子が完全に無くならなくても、電子濃度が異な

３．実験結果る slot 部との境界にエッジ状態は出来、エッジ・マグネト

図 2 に典型的な測定結果を示す。ランダウ準位充填率

プラズモンは励起され得る。このような状況でのエッジ・

0 = 4 の整数量子ホール効果での測定結果である。図 2(a)マグネトプラズモンが観測されたのは、筆者らの知る限り

はマイクロ波透過率T を CE に印加した負バイアス Vg と本研究が初めてである。この領域での Vg による f0 の微妙

マイクロ波周波数 f に対してプロットしたものである。Vg

な増減は、CE 下が量子ホール状態(局在状態)にあるか非局

印加とともに CE 直下の電子は減少し、閾値を超えると在状態にあるかの違いによるスクリーニングの変化で定性(Vg <0.44 V)電子はいなくなり slot 部にエッジ状態が導入的に説明できる。図 2(b)に示す熱起電力からも、基本的にされる。それと同時にT に明瞭なピークが観測され、更図 2(a)のT と同等の情報が得られる。マイクロ波吸収の増に大きな負バイアスを加えていくとピークは高周波数側に減が直接温度勾配の増減に反映されるため、と考えられる。

図 2．ランダウ準位充填率0 = 4 整数量子ホール効果でのバイアス Vg – 周波数 f 依存性の測定結果。(a) マイクロ波透過率T。
黄色い太線は計算から求めたプラズモン励起周波数の Vg 依存性。(b) 熱起電力 V1。

17

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

熱起電力の測定では試料と無関係な配線等の影響を軽減できるため、ノイズやバックグランドが小さく、ピークがより明瞭に観察される場合が多い。

４．まとめ
コプレーナ型導波路の間隙部に静電的に試料端を導入し、マイクロ波透過率、または熱起電力を測定することにより、量子ホールエッジ状態でのエッジ・マグネトプラズモンを観測できることを明らかにした。励起周波数は空乏長、エッジ状態幅に依存するため、本測定は、通常の抵抗測定
では得ることのできない試料端付近のこれら特徴的長さの実験的探索を可能とし、量子ホールエッジ状態に関する基礎的な知見をもたらす手法である。プラズモンをデバイス応用するために制御する際の指針を与えることも期待され
る。

参考文献
[1]

L. W. Engel, D. Shahar, Ç. Kurdak, and D. C. Tsui,
Phys. Rev. Lett. 71, 2638 (1993).

[2]

S. Kobayakawa, A. Endo, and Y. Iye, J. Phys. Soc.
Jpn. 82, 053702 (2013).

[3]

例えば H. Zhu, G. Sambandamurthy, L. W. Engel,
D. C. Tsui, L. N. Pfeiffer, and K. W. West, Phys. Rev.
Lett. 102, 136804 (2009).

[4]

A. Endo, K. Koike, S. Katsumoto, and Y. Iye, J. Phys.
Soc. Jpn. 87, 064709 (2018).

[5]

D. B. Chklovskii, B. I. Shklovskii, and L. I. Glazman,
Phys. Rev. B 46,4026 (1992).

[6]

I. A. Larkin and J. H. Davies, Phys. Rev. B 52,
R5535(R) (1995).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

18固体結晶からの高次高調波発生の偏光分解測定～ 高調波の偏光に電子状態の異方性が映し出されることを実証 ～極限コヒーレント光科学研究センター
研究背景

石井 順久、板谷 治郎の実験が行われている。しかし、これまでの実験では、物

近年、極短パルスレーザー技術の発展により、フェムト質と光電場共に 1 次元的に取り扱っており、3 次元の自由(10-15）秒の持続時間を有する高強度光パルスが中赤外領度を有する試料と 2 次元の偏光状態を有する光電場の相互域(光の波長で 3 – 10 μm の帯域）で発生可能である。そ

作用を記述するには不十分であった。本研究では、中赤外のピーク電力は 1 GW に達し、光を集光することで 10

光パルスを照射したセレン化ガリウム結晶(Gallium

GV/m 以上の電場強度が達成可能になっている。中赤外光

Selenide, GaSe)からの高次高調波の偏光を分解して測定

パルスの光子エネルギーは、半導体や絶縁体のバンドした。高調波の偏光状態は結晶方位に依存し、その依存性

ギャップエネルギーに比べ十分低いため、試料を破壊する

が、最も低いエネルギーの伝導帯の曲率テンソルによって記述ことなく、数 GV/m 程度の高強度電場が印加可能である。

できることを示した(物性研プレスリリース、http://www.issp.u-

この値は、直流電場による典型的な絶縁耐力である 10 -tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=5281)[2]。

100 MV/m を二桁以上上回り、今までにない強電界下で、固体の応答が観測可能になりつつある。

研究内容

2010 年にスタンフォード大学の研究グループが、高強板谷研究室で開発した波長 5 μm の高強度中赤外レー度電場下での固体の極端非線形応答の先駆けとなる実験を

ザー[3]を集光し、1 GV/m 程度の電場を GaSe 結晶に印加行った。高強度赤外レーザーを照射した酸化亜鉛結晶から、した。高次高調波スペクトルを偏光分解(直線偏光の赤外

赤外レーザーの光周波数の 25 倍までの周波数成分を持つ、電場に平行と直交する2成分に分解)し、その結晶方位依

高次高調波と呼ばれる光放射が観測された [1]。高調波の存性を測定した(図 1)。偶数次高調波の平行・直交成分は

光子エネルギーは 9 eV 程度まで達しており、酸化亜鉛の

いずれも 60 度の周期を呈し、奇数次高調波の場合は平行バンドギャップエネルギーを超えている。この実験以来、成分が 60 度、直交成分が 30 度の周期を呈することを見出

世界各地で固体高調波発生や強電場下での過渡吸収測定等した。偶数次高調波は、GaSe 結晶(図 2(a)参照)の反転対

図 1．高次高調波スペクトルの偏光分解測定と結晶方位依存性

19

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■

■

(a)
結晶方位角

図 2．(a) セレン化ガリウムの結晶構造、(b) 最低伝導帯のバンド図、(c) 平行偏光成分を担うバンド曲率、(d) 直交偏光成分を担うバンド曲率

称性を考えることにより、60 度周期になることが理解で表せることが明らかになった。波長 5 μm で 1 GV/m の高きる。しかし、奇数次(特に 3 次)の直交偏光成分は、古典

強度電場を加えた時、電子の運動範囲は図 2(c, d)の黒実線

的な非線形光学では説明できない。さらに、その周期が円内で表される異方性が強い部分に到達する。その結果、30 度であることは、GaSe が六方晶系に属することと直感

平行偏光成分では 60 度周期が、直交偏光成分では 30 度周的に相反する結果となった。

期が現れることが示された。

奇数次高調波(特に直交偏光成分)の結晶方位依存性の物

前述のモデル解析に加え、第一原理計算によって、固体理的起源は明らかでなく、簡便なモデルを用いて説明を試からの高次高調波発生のシミュレーションを行った。まずみた。そのモデルは、最も低いエネルギーの伝導帯のブリ

初めに、基底の電子状態を求め、中赤外電場を印加し、ルアンゾーン内(図 2(b))を電子が 2 次元的に運動し、それ系の時間発展を精密にシミュレーションし、双極子輻射

によって生じるバンド内電流によって高調波が発生するととしての固体からの放射を求めた。その結果(図 3)は、いうものである。このモデルでは解析的に発生する高調波

以下の 3 点において実験を良く再現している、1．偶数次を求めることが可能で、その結果、固体から発生する放射(両偏光方向)の結晶方位角依存性の 60 度周期、2．奇数次はバンドの曲率と関係があることがわかった。バンドの曲の平行偏光成分の 60 度周期、3．奇数次の直交偏光成分の率は逆有効質量に比例し、本実験条件下では 2 階のテンソ

30 度周期。第一原理計算では 2 種類の放射源(バンド内電ルで書くことができる。この曲率テンソルの 2 個の成分で、流とバンド間電流)の高調波発生への寄与について分解す

それぞれ平行偏光成分(図 2(c))と直交偏光成分(図 2(d))がることが可能である。その結果、偶数次高調波ではバンド■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

20図 3．3 次元量子計算による偏光分解した高次高調波スペクトルの結晶方位角依存性

間電流のみが、奇数次高調波では両成分が寄与することが産研究所)、石川顕一教授(東京大学大学院工学系研究科原

明らかになった。特に GaSe では、9 次以下の奇数次高調

子力国際専攻)との共同研究として行われました。ここに波でバンド内電流の寄与が強いことがわかり、前述の解析

感謝申し上げます。物性研究所の加藤岳生准教授、秋山英的なモデルの適応が可能であることが示された。

文教授、京都大学の田中耕一郎教授にご助言をいただきましたことを感謝申し上げます。

まとめと展望本研究では 、高強度中赤外電場を印加された固体結晶

参考文献

から放射される高次高調波の 2 次元偏光状態を測定した。

[1] S. Ghimire, A. D. DiChiara, E. Sistrunk, P. Agostini,

高次高調波の偏光状態と試料のバンド曲率の異方性を結び

L. F. DiMauro, and D. A. Reis, “Observation of high-

つきを明らかにした。将来的には、発生した高次高調波のorder harmonic generation in a bulk crystal,” Nature

偏光状態に加えて、時間波形を測定することにより、バンPhysics 7, 138–141 (2010).

ドの形状を再構築することが可能になると期待される。バ[2] K. Kaneshima, Y. Shinohara, K. Takeuchi, N. Ishii, K.

ンド構造決定において全光学的手法を用いることができれ

Imasaka, T. Kaji, S.Ashihara, K. L. Ishikawa, and J.

ば、従来用いられている光電子分光を適用できない、高圧

Itatani,力、高磁場、高電場下の極限状態や、過渡的な状態においHarmonics from Bulk Semiconductors,” Phys. Rev.

てもバンド構築が可能になると期待される。

Lett. 120, 243903 (2018).

“Polarization-Resolved

Study

of

High

[3] K. Kaneshima, N. Ishii, K. Takeuchi, and J. Itatani,“Generation of carrier-envelope phase-stable mid-

謝辞
本研究は金島圭佑特任助教(研究当時・東京大学理学系

infrared

pulsesvia

dual-wavelength

optical

研究科物理学専攻博士課程学生、現・北海道大学工学研究

parametric amplification,” Opt. Express 24, 8660-

院応用物理学部門)、篠原康特任助教(東京大学工学系研究8665 (2016).

科附属光量子科学研究センター)、竹内健吾氏(研究当時・
東京大学理学系研究科物理学専攻修士課程学生)、今坂光
太郎氏(東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻博士課
程学生)、梶智博氏(研究当時・東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻修士課程学生)、芦原聡准教授(東京大学生

21

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

市村学術賞、船井学術賞を受賞して量子物質研究グループ

三輪 真嗣

この度、公益財団法人・市村清新技術財団の第 50 回市

残りの紙面を使って、今回の受賞対象となった研究内容

村学術賞、公益財団法人船井情報科学振興財団の第 17 回

を紹介します。受賞対象となった研究は「超省電力スピン

船井学術賞を 2018 年 4 月に受賞致しました。市村学術賞

制御技術の開拓と応用展開」及び「ナノ磁性体における電は産業技術総合研究所の野崎隆行氏及び京都大学の塩田陽

気的スピン制御のデバイス応用に関する研究」です。端的

一氏との共同受賞、船井学術賞は単名での受賞ではありまに申し上げると電流電圧をナノサイズの小さな磁石に印可

すが、文献[1]-[5]をはじめとした共同研究成果が評価さして磁極を操作することにより電子部品を作ろう、といっれたものです。この場をお借りして大阪大学の鈴木義茂氏、た内容です。

石橋翔太氏、松田健彰氏、塚原拓也氏、河辺健志氏、

私たちは超高真空において金属を原子層レベルで精密にFrederic Bonell 氏、冨田博之氏、小西克典氏、塩田陽一

積み重ねる技術を駆使して特徴的な異種材料接合を有する氏、縄岡孝平氏、後藤穣氏、田村英一氏、産業技術総合研

新物質を作製してきました。特に電子デバイスなどへの応

究所の湯浅新治氏、福島章男氏、久保田均氏、薬師寺啓氏、用を目指した、スピンを電気的に制御するスピントロニク

野崎隆行氏、今村裕志氏、谷口知大氏、東北大学の白井正

ス材料の研究を開拓してきました。主な業績のひとつは金文氏、辻川雅人氏、高輝度光科学研究センターの中村哲也

属ナノ磁石の電気応答に対する非線形効果の発見です。こ氏、鈴木基寛氏、小谷佳範氏、豊木研太郎氏、物質・材料

れは Fe と MgO の界面にある垂直磁気異方性(磁極の向き研究機構の宝野和博氏、大久保忠勝氏らをはじめとした共やすさ)を利用し、スピントルク(電流電圧が磁極の運動に

同研究者の皆様に深く感謝致します。また賞は過去の業績

与える影響)の効率を最大化することにより実現しました。

を評価するものではありますが、私のような若輩者にとって我々はこれを非線形スピントルクダイオード効果と呼んでは当然のことながらこれからの期待料を多分に含んでいるこ

いますが、これにより半導体ショットキーダイオードのマとと思います。これから東京大学物性研究所において、今ま

イクロ波検波感度の 3 倍を有するスピントロニクスデバイ

で以上に身を引き締めて教育研究に邁進したいと思います。

スを室温で実現しました。もうひとつの業績は金属ナノ磁石における電界効果の機構を放射光の利用により解明したことです。具体的には電界効果の起源がキャリアドーピン
グである軌道磁気モーメント機構とキャリア再配列である
電気四極子機構であることを見出しました。Fe や Co 等の
3d 強磁性金属では前者が、Pt 等の 5d 遷移金属では両者が大きな寄与を有することを実験的に初めて示し、大きな電界効果を示す材料設計指針を打ち立てました。
これまでは Fe や MgO といった単純物質の研究をしてきましたが、これからは量子物質をはじめとした少し複雑な物質のデバイス物性研究を行いたいと考えています。これからもよろしくお願い致します。
[1] S. Miwa et al. “Highly sensitive nanoscale spintorque diode” Nat. Mater. 13, 50 (2014).
[2] S. Miwa et al. ”Strong bias effect on voltage-driven
torque at epitaxial Fe/MgO interface” Phys. Rev. X 7,
031018 (2017).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

22[3] S. Miwa et al. “Voltage controlled interfacial
magnetism through platinum orbits” Nat. Commun.
8, 15848 (2017).
[4] T. Kawabe et al., “Electric-field-induced changes ofmagnetic

momentsandmagnetocrystalline

anisotropy in ultrathin cobalt films” Phys. Rev. B 96,
220412(R) (2017).
[5] S. Miwa et al. “Perpendicular magnetic anisotropy
and its electric-field-induced change at metaldielectric interfaces” J. Phys. D: Appl. Phys. 52,
063001 (2019). [Topical Review].

23

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

NESMCQ18 Poster prize を受賞して物性理論研究部門

長谷川 雅大2018 年 8 月にイタリアはエーリチェにて開催された国重要になる物理が理論・実験双方で研究されており、量子際 研 究 会 、 New Trends in Nonequilibrium Statistical

コンピューティング技術への応用等が期待されています。

Mechanics: Classical and Quantum Systems (NESMCQ18)

ポンピングは、水や空気を組み上げる身近な技術であるとにて、“Quantized pumping via a single-level quantum

同時に、こういった量子性が強いナノスケール領域での技

dot in coherent transport region”という題目でポスター術として研究が進んでいます。本研究では、そういった量発表を行い、The NESMCQ18 Poster prize を受賞させて子の世界の電子回路を構成する素子の一つである量子ドッ

いただきました。

トについて注目し、回路の中で電子を汲み上げるポンプとこの研究会では、非平衡物理をキーワードとして古典

しての性能について調べました。

系・量子系の枠を超えて研究者が集まり、理論・実験におガリウムヒ素等の物質で作られる半導体では、その接合ける最新の進展や問題意識について活発な議論が行われま

界面を二次元的に自由に動くことが出来る電子が形成されした。受賞対象となった講演は、ナノスケールの回路素子ます。この電子を界面上に貼付けた電極による電圧の壁でに周期的な電圧操作を行った際の電子輸送特性の理論研究囲うことで電子が孤立する島を作ることができ、これを量に関するものです。本研究は、フランスの研究機関である

子ドットと呼びます。量子ドットの中の電子はトンネル効

Laboratoire de Physique et Modélisation des Milieux

果を利用して確率的に電圧の壁を通り抜けることができ、Condensés 所属の Robert Whitney 氏、Étienne Jussiau

この確率をトンネル確率と言います。トンネル確率は電圧氏と共同で行いました。本成果はフォトンサイエンス・の壁が高いほど低くなり、定性的に電子が量子ドットに出リーディング大学院の海外派遣制度を利用してフランスに入りすることが難しくなっていることを意味します。この滞在した際の成果です。この場を借りまして、本研究の遂

量子ドット素子は、例えば、量子回路の導線の間に挟み込

行にご協力を頂いた関係者の皆様に深く感謝申し上げます。

むことで、流れる電子数を調整するような役割をもたせる受賞となった研究について簡単にご紹介します。

ことができます。

2016 年に David J. Thouless 氏がノーベル物理学賞を受賞したのは記憶に新しいと思います。氏の発表した重要な成果の一つに、量子ホール系のトポロジカルな性質を指摘した論文[1]があり、トポロジカル物性と呼ばれる研究分野の非常に重要な文献として知られています。私の研究では、その研究で用いられた断熱ポンピングと呼ばれる手法
を用いて、ナノスケール量子系に周期的な操作を行った際に電子がどのように輸送されるかを調べました。
ポンピングとは、「何らかの操作を繰り返し行うことで物質を輸送する行為」を意味します。身近な例では、水を低所から高所へ組み上げる機械などがポンプと呼ばれるものです。今回の研究では、ポンピングの中でも、ゆっくりと操作を行うことで必要以上に系を乱さずに最も効率よく

図、量子ドットを用いた電子ポンプの様子。電圧の壁を操作して電子の流れやすさを左右で変えて一方向に電子を動かすことができる。

本研究では、この量子ドットの電圧の壁の高さを操作し、物質を汲み上げることができる断熱ポンピングについて議電子を接続された導線から量子ドットに取り込み、別の導論しました。

線へ吐き出させ、電子を導線間で汲み上げるということを近年の技術発展により、原子一つ一つを操作・観測する考えました(図)。これまでの研究で、量子ドットを表現す

技術や、極低温で動作する超伝導回路といった、量子性がる複数の理論模型において、十分に大きい振幅で電圧の壁■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

24

を操作すれば、1 回の操作で汲み上げることが出来る電子の数は 1 に「量子化」されるということが知られていました[2]。本研究では、任意の量子ドット模型においても「量子化」は起こるのか、という点に疑問を持ち、『「量子化」するかどうかを決める要因はなにか？』という問題の解明に挑戦しました。結果として、輸送される電子数が 1に量子化されない例外的な模型を発見しました。量子ドットの電圧の壁を操作すると、ラムシフトと呼ばれるドット内の電子のエネルギー変化が発生することが知られています。このラムシフトの性質は量子ドットの外にいる多数の電子のエネルギー分散関係に強く依存しています。輸送電
子数が 1 に「量子化」される模型では、電圧の壁を操作した際にラムシフトにより必ず量子ドット内の電子のエネル
ギー準位がドット外の電子のフェルミエネルギーを横切っており、そうでない模型では輸送電子数が 1 に「量子化」
されないことを本研究は明らかにしました。
本研究は、ナノスケールの電子輸送特性に新しい知見を与えただけでなく、非平衡統計物理学の基礎づけにも有用な結果をもたらしました。今回は電流特性のみを議論しましたが、熱流に議論を拡張することで、量子性が強く現れる領域での非平衡定常熱力学の基礎を議論する理論模型を与えることになります。今後は、理論模型を拡張してゆき、
より一般的な非平衡定常状態の物理について明らかにしていきたいと思います。

参考文献：[1] D. J. Thouless, et. al., Phys. Rev. Lett. 49, 405 (1982).
[2] O. Entin-Wohlman, et. al. Phys. Rev. B, 65, 195411(2002).

25

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

第 11 回分子科学会奨励賞を受賞して凝縮系物性研究部門 森研究室

上田 顕

この度、「水素ダイナミクスを有する新しい分子性導体

ほとんど未知であり、本成果は水素とπ電子の連動に基づの開発」という題目にて、第 11 回分子科学会奨励賞を受

く新しい相転移・物性スイッチング現象として大変興味深

賞する栄誉に浴しました。本賞は、分子科学会の各種賞のいものであります。さらに、この水素とπ電子の相互作用一つであり、分子科学研究分野において質の高い研究成果のバランスを有機分子の化学修飾によって制御することにを挙げ、分子科学の発展に寄与した若手研究者(38 歳未も成功しています [2]。

満)に対して授与されるものであります。研究遂行にあた

一方で、水素結合に軽水素を用いた場合、同様な相転移

り、数多くの貴重なご助言・ご支援をいただきました森は起こらず、水素は極低温まで局在化せず揺らぎ続け、量初果 教授に深く御礼申し上げます。また、物性研究所の子常誘電状態を与えることが分かりました [3]。驚くべきこ山下 穣 准教授、下澤 雅明 助教をはじめとする所内外のとに、この水素の量子揺らぎによってπ電子スピンの秩序

多くの共同研究者の皆様にも感謝申し上げます。

化も妨げられ、極低温でも常磁性状態のまま(量子スピン液体状態)であることが明らかになりました。すなわち、水素本研究では、分子性機能物質の代表例である分子性導体

結合中の水素のダイナミクスや量子性を制御することにを舞台として、水素結合を活用した新しいアプローチでのよって、分子性機能物質のπ電子構造や物性を制御・変調

物質開発とその構造物性研究に取り組みました。すなわち、可能であることを世界で初めて示すことに成功しました [4]。

従来より用いられてきた構造制御という観点での水素結合

このように、水素ダイナミクスに着目した物質開発研究の「静的な」効果だけでなく、水素結合を介したプロトンにより、長い歴史を持つ分子性導体研究の新たな一面・可の移動や授受などの水素結合の「動的な」効果(＝水素ダ能性を見いだすことができました。ごく最近、また別のタ

イナミクス)を活用することで、これまでにない新しいタ

イプの水素－π電子連動型相転移を示す分子性導体の開発

イプの分子性導体を開発することに成功し、様々な興味深にも成功しました。圧力や電場 [5] など外場応答性につい新現象・物性を見出すことができました [1-4]。

いての研究も進んでおり、「水素」と「π電子」が織りな

この系の最大の特徴は、有機分子が積層してできた電気伝導層が水素結合によって連結されていることです。従来

すこの新しい分子科学・物性科学を今後さらに深化・発展させていきたいと考えています。

の分子性導体は、電気伝導層が絶縁性の対アニオン層に挟まれた層状構造を有しており、伝導層内のπ電子相互作用
によって系全体の電子状態・物性が決定づけられています。

[1] “Hydrogen-Bond-Dynamics-Based Switching of

それに対し、本研究で開発した系は、伝導層「内」のπ電Conductivity and Magnetism: A Phase Transition

子相互作用に加え、伝導層「間」に水素のダイナミクスをCaused by Deuterium and Electron Transfer in a

有しており、これらが競合・連動することで、従来の分子

Hydrogen-Bonded

性導体では見られない特異な現象・物性が発現しました。

Crystal”, A. Ueda, et al., J. Am Chem. Soc. 136, 12184

その代表例が「重水素移動をトリガーとする伝導性・磁PurelyOrganic

Conductor(2014).

性スイッチング」です [1]。水素結合中に存在する重水素が低温下 (185 K) で局在化するのに伴い、有機分子間で[2] “Modulation of a Molecular -Electron System in aπ電子移動が起こり、電荷秩序が発生し、伝導性・磁性がPurely Organic Conductor that shows Hydrogen-

大きく切り替わりました(半導体⇔絶縁体、常磁性⇔非磁

Bond-Dynamics-Based Switching of Conductivity性)。水素ダイナミクスを起源とした固体物性変化として、and Magnetism”, A. Ueda, et al., Chem. Eur. J. 21,

水素結合型誘電体における常誘電－強誘電転移などの例は15020 (2015).

あるものの、伝導性・磁性などの電子物性に関連した例は■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

26

[3] “Quantum-disordered state of magnetic and electric
dipoles in an organic Mott system”, M. Shimozawa, etal., Nature Commun. 8, 1821 (2017).
[4] “Development of Novel Functional Organic Crystals
by Utilizing Proton- and -Electron-Donating/Accepting Abilities”, A. Ueda, Bull. Chem. Soc. Jpn.
90, 1181 (2017).
[5] “Hysteretic Current-Voltage Characteristics in theDeuterium-Dynamics-Triggered

Charge-ordered

Phase of -D3(Cat-EDT-TTF)2”, A. Ueda, et al., J.
Phys. Soc. Jpn. in press.

27

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

外国人客員所員を経験してClifford HICKSMax Planck Institute for Chemical Physics of Solids
Clifford.Hicks@cpfs.mpg.deAt the start of my four-month stay at ISSP I had thethe piezoelectric actuators. This project is now in thefortune to overlap for a month with Profs. Premala

capable hands of Dr. Ohtsuki.

Chandra and Piers Coleman. Along with my host, Prof.
Nakatsuji,

weenjoyedseveralafter-lunch

hours

While at ISSP, I also completed design work on a second-

discussing PrV2Al20, and experiments that could be done

generation pressure cell that will allow simultaneouswith symmetry-breaking magnetic fields and uniaxial

measurement of the stress and strain applied to a sample.

pressure.

Our mutual goal is to put three pressure cells into service
in the Nakatsuji group: the first-generation cellI met Prof. Nakatsuji in 2014, when he invited me to givementioned above, this second-generation cell, and aa seminar at ISSP. My specialty is using piezoelectriccommercial cell with a higher force range. The

actuators to place samples under uniaxial stress: tosimultaneous stress and strain measurement capability

reversibly lift the symmetry of a lattice, and observe howof the second-generation cell will be extremely useful inelectrical and magnetic properties that depend on that

identifying stress-induced structural transitions. Thissymmetry change in response. The Nakatsuji groupcell will accept the same sample carrier that we use insynthesises a range of materials whose magnetic and/or

Dresden,

topologicalcollaboration and exchange of samples.

properties

areexpected

tochange

which

I

hope

will

facilitate

long-term

qualitatively with reduction in lattice symmetry. This
gives us a number of things to talk about. Prof. Nakatsuji

I enjoyed my stay at ISSP. I am grateful for therecognised promptly in 2014 areas of overlap, and thisopportunity and I am impressed by the range of activities

started a discussion that culminated in my stay at ISSP

in the Nakatsuji group. I am also grateful to thein summer of 2018.

administrative staff, who made the process of settling inquick and simple. I look forward to many future visits to

And I hope that the collaboration will continue fromJapan.

there. These are rewarding but challenging experiments:
to withstand large strains while maintaining good strain
homogeneity, samples need to be shaped precisely, andthen mounted with care. Within my own research groupin Dresden it has been an effort of years to develop theprocesses and tools to do this reliably. During mysummer stay we performed preliminary measurements
on a correlated metal system, with a first-generationpressure cell jerry-rigged onto the end of a cryostat insert
built for general transport measurements. We thenstartedbuildingadedicatedinsert,

with

more

measurement wires and dedicated high-voltage lines for■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

28物性研究所談話会

標題：近藤効果の非平衡ゆらぎ
日時：2018 年 7 月 5 日(木) 午後４時〜
場所：物性研究所本館 6 階 大講義室(A632)
講師：小林 研介
所属：大阪大学 大学院理学研究科 物理学専攻
要旨：
半導体や金属を微細加工して作製される微小な固体素子をメゾスコピック系と呼ぶ。その最大の特長は、量子効果が本質的であるようなスケールにおいて、磁場や電場などの外場を利用することで、制御性の高い実験ができる点にある。たとえば、電子干渉計や人工原子等で発現するコヒーレンスや電子相関に基づく多彩な量子現象の観測とその制御は、
1980 年代以降の物性物理学の発展に大きな貢献を果たしてきた。
ところで、これまでにメゾスコピック系に対して行われてきた実験的研究の多くは、電流(あるいは電気伝導度)測定を主体とするものである。このような測定によって検出される情報は時間平均された性質である。その一方で、近年、非平衡状態の動的な情報を得る手段として、電流ゆらぎ測定が大きな関心を集めるようになってきた。
本談話会では、まず、メゾスコピック系における電気伝導と電流ゆらぎについて紹介する。その後、人工原子(カーボ
ンナノチューブ量子ドット)を用いて、非平衡領域にある近藤効果について行った研究についてお話しする[1, 2, 3]。私たちの成果は、非平衡量子多体系に対して、理論を定量的に検証するレベルで精密な実験的研究が可能であることを示す。
本研究は、荒川智紀、秦徳郎、藤原亮(阪大理物)、M. Ferrier、R. Delagrange、R. Deblock、R. Weil (パリ南大‒
CNRS)、阪野塁(東大物性研)、寺谷義道、小栗章(大阪市大理)の各氏との共同研究によります。
[1] M. Ferrier et al., Nature Phys. 12, 230-235 (2016).
[2] M. Ferrier et al., Phys. Rev. Lett. 118, 196803 (2017).
[3] 解説として、小林研介、パリティ 32, 16-21 (2017).

標題：光受容型膜タンパク質微生物型ロドプシンの機能の多様性の起源に迫る
日時：2018 年 8 月 23 日(木) 午後２時～午後３時
場所：物性研究所本館 6 階 大講義室(A632)
講師：井上 圭一
要旨：
海洋や湖沼、河川、土壌などをはじめとする地球上の様々な環境中には、莫大な数の細菌や藻類などの微生物が棲息しているが、近年のゲノム研究の発展により、その多くが細胞内に「微生物型ロドプシン」と呼ばれる光受容型膜タンパク質を持つことが明らかとなってきている。これら微生物型ロドプシンは、我々ヒトを含めた動物の網膜中に存在する「動物型ロドプシン」と極めてよく似た 7 回膜貫通型構造を持ち、さらに同じビタミン A の誘導体であるレチナールを発色団としてタンパク質内部に結合している。そしてレチナールが光を吸収すると、全トランス型から 13 シス型への異性化反応を起こし、細胞内外へ輸送する光駆動型イオンポンプや、電気化学勾配に沿って双方向にイオンを輸送する光ゲート式
イオンチャネル、走光性センサーなど非常にバラエティに富んだ生理機能が発現される。
その中で、我々はこれまでにこれら微生物型ロドプシンが 7 回膜貫通型構造および発色団レチナールからなる共通構造をもとに、どの様にしてこれほどまでに多様な生理機能の発現を達成するのか、その分子メカニズムについて、過渡吸収29

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

法や過渡回折格子法、赤外分光法などを用いた物理化学的研究を行ってきた。また最近では新たに Na+ポンプ型や内向き
H+ポンプ型などの新奇なイオンポンプ型ロドプシンを独自に見出し、その輸送機構についても解明を進めている[1-3]。
さらに 2018 年には既存の微生物型および動物型のいずれとも異なる新たなロドプシンファミリーが自然界に広範に存在することを明らかにし[4]、談話会ではこれら新奇分子を含めた微生物型ロドプシンの基礎研究から最新トピックス、さらにはオプトジェネティクスへの応用など、我々の研究と共に世界的な現状を含めて幅広く紹介する。
[1] K. Inoue et al., Nature Commun. 4, 1789 (2013)[2] H. E. Kato et al., Nature 521, 48-53 (2015)[3] K. Inoue et al., Nature Commun. 7, 13415 (2016)[4] A. Pushkarev and K. Inoue et al., Nature 558, 595-599 (2018)

標題：平成 30 年度 後期客員所員講演会
日時：2018 年 10 月 18 日(木) 午前 11 時～午後 0 時 10 分
場所：物性研究所本館 6 階 大講義室(A632)
要旨：
平成 30 年度後期客員所員の講演会を開催しますので、奮ってご参加ください。
新任の客員の先生方におきましては、所内はもちろん所外を含め広くかつ活発な共同研究を展開されることを期待し、自己紹介及び物性研究所での研究目標等をご説明いただきます。
11:00-11:10

所長挨拶（森 初果：物性研究所長)

11:10-11:40

Natalia DRICHKO (Johns Hopkins University)「Raman scattering of triangular lattice antiferromagnets:from helical order to nematic order」

11:40-12:10

高橋 晋（南カルフォルニア大学）「NV 中心を用いた単一スピンレベルでの磁気共鳴法」■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

30物性研究所セミナー

標題：LASOR セミナー/ナノサイエンスセミナー：Nanoscale optical control of coherent electron waves froma nano-tip and their outlook
日時：2018 年 7 月 6 日(金) 午後１時 30 分～午後２時 30 分
場所：物性研究所本館 6 階 第 2 セミナー室(A612)
講師：Dr. Hirofumi Yanagisawa
所属：Ludwig-Maximilians University, D-85748 Garching, Germany
要旨：
In this presentation, we will overview our work on laser-induced electron emission from a tungsten tip. In particular,
we will focus on optical control of electron emission sites on a scale of nanometers and their application for opticalcontrol of Young’s electron interference.
Illuminating a sharp metallic tip with femtosecond laser pulses produces spatially and temporally confined electron
pulses by plasmonic effects at the tip apex [1]. We have found that these plasmonic effects induce asymmetric electron
emissions from the tip apex as schematically shown in Fig. 1. They also allow one to select the electron emission sites
on a nanometer scale by changing the laser polarization [2]. Using this technique, we can manipulate electron
emissions within their coherence time and area, which then enables us to control coherent electron emission in timeand space. In a demonstration, we realized optical control ofYoung’s electron interference [3]. The interference

emerged between the two adjacent electron beams. The intensity of the interference could be successfully controlled
by changing the laser polarization and intensity. The underlying physics that drove the interference was revealed bymeasuring the energy spectra [4, 5] and also by simulating the temporal evolution of the electron waves by solving a
two-dimensional time-dependent Schrödinger equation [3]. Using a site-selective coherent electron source, we expect
to create time-resolved electron holography with a possible time resolution in attoseconds.
In this presentation, we will overview our work on laser-induced electron emission from a tungsten tip. In particular,
we will focus on optical control of electron emission sites on a scale of nanometers and their application for opticalcontrol of Young’s electron interference.
References
1. P. Hommelhoff, et. al., Phys. Rev. Lett. 96, 077401 (2006).
2. H. Yanagisawa, et. al., Phys. Rev. Lett. 103, 257603 (2009).
3. H. Yanagisawa, et al. Sci. Rep. 7, 12661 (2017).
4. H. Yanagisawa, et al. Phys. Rev. Lett. 107, 087601 (2011).
5. H. Yanagisawa, et al. Sci. Rep. 6, 35877 (2016).

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物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

標題：極限コヒーレント光科学セミナー：アト秒高次高調波で探る光波電界周期スケール光物性
日時：2018 年 7 月 10 日(火) 午後１時 30 分～午後２時 30 分
場所：物性研究所本館 6 階 第一会議室(A636)
講師：小栗 克弥
所属：日本電信電話株式会社 NTT 物性科学基礎研究所
要旨：
今世紀初頭に発明されたアト秒光源技術、光時計技術、そして光位相安定化技術という 3 つの革新的光技術は、光を、時間領域において 10-18 秒スケールで計測可能かつ周波数領域において 10-18 精度で制御可能な振動電界として取り扱うことを可能にした。今や、光はサブペタヘルツ(PHz : 1015 Hz)周波数で振動する電界としてエンジニアリングが可能な電磁波、すなわち”PHz 波”として再定義できる時期を迎えている。このような PHz 波における光物性を考えた場合、光波電界によって駆動されるコヒーレントな固体電子系応答と、そのコヒーレンスを消失させ、非平衡状態を経て熱平衡電子状態に緩和させる電子系散乱過程がそのダイナミクスを支配する。その典型的な時間スケールは、光波電界の数サイク
ルからサブサイクルに相当する 10000～100as といった極めて短時間である。最近、大きな注目を集めている固体からの高次高調波発生、高強度光電界による絶縁体中の動的ツェナートンネリング効果、動的フランツ・ケルディッシュ効果といったコヒーレントな電子応答や、瞬時スクリーニングよる電荷秩序相の溶解、逆オージェ過程による電子多重励起といった極めて速い電子緩和過程は、この光波電界周期スケール光物性の典型例と言えよう。
我々は、高次高調波発生により真空紫外～軟 X 線領域に得られるアト秒パルスと[1]、ポンププローブ時間分解計測技
術を組み合わせたアト秒パルス時間分解分光技術を開発し、光波(PHz 波)－電子相互作用が引き起こす光波電界周期ス
ケール光物性を解明することを目的として研究を進めている。これまでに、世界最短時間分解能 200as 吸収分光[2]、世界最短プローブ分解能サブ 5fs 角度分解光電子分光[3]、最高 92eV プローブ光電子分光[4] などユニークな特徴を有する装置を開発してきた。本講演では、これらの装置を用いることにより観測に成功したワイドギャップ半導体における光電界誘起の非線形分極応答[1]、グラファイトにおける非平衡電子状態緩和[2]など、最新の成果について紹介する。これらの光波電界周期スケール光物性が切り拓く将来の PHz 周波数動作機能の可能性についても議論したい。
[1] Oguri et al., Appl. Phys. Lett. 112, 181105 (2018).
[2] Mashiko et al., Nature Communications 9, 1468 (2018).
[3] Toume et al., in preparation.
[4] Oguri et al., Appl. Phys. Express 8, 022401 (2015).

標題：極限コヒーレント光科学セミナー：光誘起相転移における非平衡電子状態の観測と光による物性制御への可能性の探求
日時：2018 年 7 月 19 日(木) 午前 11 時 30 分～午後 0 時 30 分
場所：物性研究所本館 6 階 第一会議室(A636)
講師：岡﨑 浩三
所属：東京大学物性研究所
要旨：
角度分解光電子分光(ARPES)は、物質中の電子構造を直接観測できる強力な実験手法であり、電子構造の精密測定から物性の発現機構を明らかにする事ができる。いわゆる非従来型超伝導体においては、高分解能 ARPES を用いることでクーパー対形成に伴う超伝導ギャップを運動量空間における異方性も含めて観測できる事から、対形成機構の理解に大きな寄与を果たしてきた。講演者もこれまで極低温超高分解能レーザーARPES 装置を用いてそのような報告をしてきている[1]。一方、フェルミ面の有無から金属か絶縁体かが判別できるように、超精密 ARPES によって逆に電子構造から物性を予言する事も可能になると考えられる。一般に非平衡状態における物性を知る事は実験的に難しいが、超短パルスレー■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

32

ザーを用いた時間分解 ARPES によって非平衡状態における電子構造を観測する事で、そこで発現し得る物性を予測できるようになる事も期待される。
近年、銅酸化物高温超伝導体やアルカリ金属をドープしたフラーレン光誘起超伝導という現象が注目を集めている[2]。
本セミナーでは、変位励起型コヒーレントフォノンに伴う非平衡電子状態の観測[3]から鉄系超伝導体の母物質の 1 つである BaFe2As2 においても光誘起超伝導が実現する可能性があることを議論する。また、電子と正孔がクーロン相互作用によって束縛された状態である励起子が自発的に凝縮した系を励起子絶縁体と呼ぶが、その有力な候補物質である
Ta2NiSe5 における光誘起絶縁体-金属転移の観測結果を紹介し[4]、そのメカニズムにおいても、変位励起型コヒーレン
トフォノンが関係している可能性があることを議論する。さらに、光による物性制御実現の可能性など今後の展望についても議論したい。
[1] K. Okazaki et al., Science 337, 1314 (2012), Y. Ota, K. Okazaki et al., Phys. Rev. Lett. 118, 167002 (2017), T.
Hashimoto, K. Okazaki et al., Nat. Commun. 9, 282 (2018)など[2] M Mitrano et al., Nature 530, 461 (2016), S. Kaiser et al., Phys. Rev. B 89, 184516 (2014)など[3] K. Okazaki et al., Phys. Rev. B 97, 121107(R) 2018[4] K. Okazaki et al., submitted

標題：理論セミナー：理論計算によるタンパク質の構造-機能解析
日時：2018 年 7 月 27 日(金) 午後 4 時～午後５時
場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室 (A615)
講師：重田 育照所属：筑波大学計算科学研究センター
要旨：タンパク質は極めて複雑な構造と精緻な機能をもつ高分子化合物であり、分子認識、情報伝達、酵素反応など、生体内でおこる様々な生命現象の根幹をなす。立体構造と機能の間には大きな相関(構造-活性相関)があることが期待されていることから、これまで X 線回折実験や核磁気共鳴法(NMR)などの実験的手法により、数多くのタンパク質の立体構造が明らかにされてきた。特に最近では、X 線自由電子レーザーやクライオ電顕、AFM や STM などの実験的解析手法によりタンパク質 1 分子の動的情報が得られつつあり、機能と構造変化の関わりが徐々に明らかになりつつある。そのような状
況の中、実験事実をミクロスコピックなレベルで理解し、生体機能の予測をする理論計算に期待が集まっている。
近年のスーパーコンピュータの発展、および解析手法の進展が相まって、生体内でおこる化学反応解析の分野は格段の進歩を遂げている。本セミナーでは、生命現象を解析するための分子動力学法や第一原理計算を解説すると共に、我々の研究室が行っている研究に関して最新の話題を提供する。特に、創薬などで役に立つと考えられるタンパク質の折りたたみ問題やドメイン運動の自由エネルギー解析[1-3]、および、タンパク質物性の評価法、酵素反応に対する応用例[4-6]を紹介する。
1. R. Harada, Y. Takano, T. Baba, Y. Shigeta, “Simple, Yet Powerful Methodologies for Conformational Sampling ofProteins”, Phys. Chem. Chem. Phys. (invited feature article) 17, 6155-6173 (2015).
2. J. Fujita, R. Harada, Y. Maeda, Y. Saito, E. Mizohata, T. Inoue, Y. Shigeta, H. Matsumura, ” Identification of the key
interactions in structural transition pathway of FtsZ from Staphylococcus aureus”, J. Struct. Biol. 198, 65-73 (2017).
3. R. Harada, Y. Shigeta, “How low-resolution data can predict conformational changes of a protein: a molecular
dynamics study”, Phys. Chem. Chem. Phys.20, 17790-17798 (2018).
4. M. Shoji, H. Isobe, Y. Shigeta, T. Nakajima, K. Yamaguchi, “Concerted Mechanism of Water Insertion and O2 Releaseduring the S4 to S0 Transition of the Oxygen-Evolving Complex in Photosystem II”, J. Phys Chem. B 122 (25), 64916502 (2018).
33

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

5. K. Kamiya, T. Baba, M. Boero, T. Matsui, S. Negoro, Y. Shigeta, “A Nylon-oligomer Hydrolase Promoting Cleavage
Reactions in Unnatural Amide Compounds”, J. Phys Chem. Lett. 5, 1210-1216 (2014).
6. K. Kamiya, Y. Shigeta, “First-principles Molecular Dynamics Studies on the Atomistic Behavior of His503 in Bovine
Cytochrome c Oxidase”, Biochim. Biophys. Acta, 1807, 1328-1335 (2011).

標題：ナノサイエンスセミナー：Quantum Molecular Machines
日時：2018 年 8 月 3 日(金) 午後１時 30 分～午後２時 30 分
場所：物性研究所本館 6 階 第 2 セミナー室(A612)
講師：Prof. Saw-Wai Hla
所属：Ohio University and Argonne National Laboratory, USA.
要旨：
One of the goals of nanotechnology is to develop complex molecular machines that can be operated in a solid-state
environment. This talk will present molecular motors and molecular linear transport devices operating in the quantum
regime on materials surfaces. Fundamental operations of these machines are investigated in an atomically clean
environment using low temperature scanning tunneling microscopy, and molecular manipulations[1], [2]. These
investigations reveal how charge and energy transfer are taken place within single molecule machines and molecular
networks. Moreover by introducing dipole active components in the rotor arms, communication among the molecularmotors can be introduced. Synchronization of the motors can be achieved depending on the symmetry of the molecularassemblies and the strength of the electric field. Furthermore, individual molecular motors can be charged using theinelastic tunneling scheme. For a comparison with spintronics of molecular machines, we will also present anomalous
Kondo resonance observed for the magnetic molecules adsorbed on graphene nanoribbons [3]. For the linear transport,
the development of molecular hoverboards and molecular cars for a control transport at the nanoscale will be presented.
[1] Y. Zhang, H. Kersell, R. Stefak, J. Echeverria, V. Iancu, U.G.E. Perera. Y. Li, A. Deshpande, K.-F. Braun, G. Rapenne,
C. Joachim, and S.-W. Hla. Simultaneous and coordinated rotational switching of all molecular rotors in a network,
Nature Nanotechnology 11, 706 (2016).
[2] U.G.E. Perera. F. Ample, H. Kersell, Y. Zhang, G. Vives, J. Echeverria, M. Grisolia, G. Rapenne, C. Joachim, andS.-W. Hla. Controlled clockwise and anticlockwise rotational switching of a molecular motor, Nature
Nanotechnology 8, 46 (2013).
[3] Y. Li, A. Ngo, A. DiLullo, K.Z. Latt, H. Kersell, B. Fisher, P. Zapol, S.E. Ulloa, and S.-W. Hla. Anomalous Kondo
resonance mediated by semiconducting graphene nanoribbons in a molecular heterostructure, Nature
Communications 8, 946 (2017).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

34標題：セミナー：第 17 回 関東ソフトマター研究会
日時：2018 年 8 月 8 日(水) 午前 10 時～午後７時 30 分
場所：物性研究所本館 6 階 大講義室(A632)
要旨：物理・化学・生物・工学と分野の垣根を越えてソフトマターの研究に関して議論することを目的とし、関東の大学、研究所の学生・若手研究者を中心として開催する。

標題：中性子セミナー：磁性体における偏極中性子散乱研究 －定常炉・核破砕炉の相補利用を見据えて
日時：2018 年 8 月 20 日(月) 午後１時 30 分～午後２時 30 分
場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室(A615)
講師：南部 雄亮
所属：東北大学金属材料研究所
要旨：
中性子のスピン自由度に着目した偏極中性子散乱は、磁性体を始めソフトマターなど様々な物質群に対して行われてきた。偏極中性子といえば、これまでは核反射と磁気反射の分離や、磁気構造の精度良い決定を目的に用いられることが多数であった。しかしながら、近年は中性子実験施設における中性子束の増強や偏極機器の開発・改良によって、非弾性領域や上記以外の目的についても実験を行えるようになってきた。例えば、Bravias 格子の場合、磁気構造の決定には規約表現が有用ではなく、磁気モーメントの向きを一意に決定することが難しい場合がある。偏極中性子の SF と NSF を比較することで、中性子スピンに垂直な面に対する磁気モーメントの面内・面間成分の分離ができることはよく知られている。また、偏極中性子方向を変えることでカイラル項や核磁気干渉項の観測を行うことが可能である。これらは、トポロ
ジカルな性質を持つ物質の理解に必須な情報であり、今後標準的な測定手法になっていくものと予想される。
本講演では、偏極中性子散乱一般を議論するため、中性子スピン方向を正規直交系に分解した Blume-Maleev の表式か
ら始め、それぞれの散乱チャンネルから観測できる物理量をまとめる。その後、我々の磁性体における偏極中性子散乱の例を挙げ、スピンの面内面間成分の分離や、スピントロニクス物質における非弾性散乱領域のヘリシティがスピンゼー
ベック効果と関連することを示す。また、東北大学が J-PARC に建設している偏極中性子散乱装置 POLANO を紹介し、定常炉と核破砕炉での棲み分けの観点から、JRR-3 再稼働後にそれぞれで展開しうる偏極中性子研究について議論を行いたい。

標題：中性子セミナー：希土類単分子磁石の中性子散乱研究
日時：2018 年 8 月 20 日(月) 午前 11 時～午後０時
場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室(A615)
講師：古府 麻衣子
所属：J-PARC センター
要旨：
単分子磁石とは、ナノスケールの単一分子が保磁力を示し、あたかも磁石のように振る舞う物質群である。通常の磁石(強磁性体)と異なり、分子間の相互作用は無視できるほど弱く長距離秩序は現れない。保磁力の起源は、分子の大きな磁気モーメントと磁気異方性が、上向きと下向きのスピンの間に高いポテンシャル障壁を作り出し、磁化反転を非常に遅くするためである。単分子磁石は、その磁化反転機構が物理的に興味深いだけでなく、1 分子メモリーとして応用の観点か
らも注目されている。1980 年に最初の単分子磁石 Mn12 錯体が発見されて以降、3d 遷移金属を含む物質が数多く研究されてきた。2000 年以降、希土類元素を含む単分子磁石の研究が盛んに進められている。希土類単分子磁石の面白さのひ
とつは、量子性が色濃く現れることである。ポテンシャル障壁を超える単純な古典的熱活性過程ではなく、トンネリング
過程を介した磁化反転過程が観られることが多く、そのメカニズム解明が中心的研究となっている。

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物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

本セミナーでは、Tb-Cu 二核錯体や現在研究を進めている Zn-Ln-Zn(Ln = Ce, Pr, Nd)三核錯体の中性子散乱研究について紹介する。Zn-Ln-Zn 錯体では、分子中の磁性イオンは 1 つのみで、f 電子数の偶奇性に応じて磁気緩和挙動が大きく変化する。クラマースイオンである Ce (J = 5/2)と Nd (J = 9/2)は単分子磁石的挙動を示すが、非クラマースである Pr (J= 4)では遅い磁気緩和は観測されない(非単分子磁石)。中性子非弾性散乱により得られた磁気励起スペクトルも、f 電子数の偶奇性で大きく変わる。これは、基底状態の違いと単分子磁石挙動が密接に関わっていることを示している。また、
我々は中性子準弾性手法を用いて磁気緩和の観測を試みた。交流磁化率測定で観測された遅い磁気緩和と合わせることにより、緩和の全体像を捉えることに成功した。その結果、磁気緩和が単純な Orbach 機構では記述されないことが明らかになった。
講演では、最近始めた磁性イオン液体の研究についても触れ、今後の研究の展望について述べたい。

標題：セミナー：超高速半導体レーザー動作のデバイス物理
日時：2018 年 8 月 23 日(木) 午前 10 時 30 分～午後０時
場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室(A615)
講師：松井 康浩
所属：Finisar Corp. Principle Engineer, and Visiting Professor of NICHe, Tohoku University
要旨：
半導体レーザの変調帯域は、30 GHz 程度の帯域を達成した後、ここ 20 年近く、進展はあまり見られなかった。最近、いくつかの素子物理を組み合わせることで、60 GHz の帯域が実証され、更なる高速化が期待されている。講演では、半導体レーザの動作速度を記述するレート方程式を直感的に理解することから始め、古くから知られながらも最大限に活用されてこなかった共振器効果として、フォトン-フォトン共鳴効果、Detuned-loading 効果、及び、最近指摘された、共振器内 FM-AM 変換の効果、を解説する。これらの効果は、高速化を可能にするだけでなく、振動のダンピングにも大きな影響を与え、従来の利得スイッチやモード同期とは異なる、新たなタイプの柔軟な光パルス光源を生み出す可能性もある。また、戻り光に対する強い耐性を持つことも期待される。

標題：ナノサイエンスセミナー：MBE-STM を用いた重い電子系化合物薄膜の研究
日時：2018 年 9 月 7 日(金) 午後２時 30 分～午後３時 30 分
場所：物性研究所本館 6 階 第 4 セミナー室(A614)
講師：土師 将裕
所属：京都大学理学研究科
要旨：
ランタノイドやアクチノイドなど、f 電子を含む化合物は重い電子系化合物と呼ばれる。強いクーロン斥力によって局
在した f 電子は、近藤効果による伝導電子との混成(c–f 混成)によって低温では遍歴的にふるまう。それらの競合によって有効質量が通常よりも非常に大きい重い電子状態を形成する。このように、近藤効果によって、非磁性の重い電子状態を誘起する一方で、Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)相互作用によって f 電子間の磁気秩序状態が誘起される。
したがって、近藤効果と RKKY 相互作用の競合によって、磁気秩序相転移が 0 K で起こる量子臨界点が存在する。量子臨界点周辺においては、非フェルミ液体や非従来型超伝導など、多彩な興味深い物性が発現する。
以上のことから、重い電子系化合物は、非常に興味深い研究対象として注目を集めており、数多くの物性測定がなされている。しかしながら、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いたナノスケールでの電子状態測定は、限られた物質でしか行われていない。その理由として、単結晶の劈開性の悪さから、STM 測定に適した清浄面を得るのが困難であることが挙げられる。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

36一方で、分子線エピタキシー法(MBE)と呼ばれる薄膜成長技術が近年注目を集めており、高純度の薄膜や人工超格子などの作製が行われている[1]。この技術を用いれば、STM 測定に適した原子レベルで平坦な表面を容易に得ることができ、STM を用いた重い電子系化合物研究が加速されることが期待できる。
そこで本研究では、MBE によって成長させた重い電子系化合物である CeCoIn5 及び CeRhIn5 薄膜のその場 STM 観察を行った。講演ではまず、非従来型超伝導体である重い電子系超伝導体 CeCoIn5 中の不純物効果[2]についての講演を行う。次に、重い電子系反強磁性体 CeRhIn5 における c–f 混成状態[3]についての講演を行う。
References[1] M. Shimozawa et al., Rep. Prog. Phys. 79, 074503 (2016).
[2] M. Haze et al., J. Phys. Soc. Jpn. 87, 034702 (2018).
[3] M. Haze et al., submitted.

標題：中性子セミナー：中性子散乱で観る創発スピン構造
日時：2018 年 9 月 7 日(金) 午後３時 30 分～午後４時～30 分
場所：物性研究所本館 6 階 第 2 セミナー室(A612)
講師：富安 啓輔
所属：東北大学大学院理学研究科
要旨：「スピン構造」は基礎科学的な魅力と応用的な可能性を併せ持つ多彩な物性の源である。金属絶縁体転移・巨大磁気抵
抗・トポロジカル効果・スピントロニクス現象は、その代表と言える。スピン構造は、動的と静的、短距離と長距離に大きく分類され、そのいずれの観測にも中性子散乱法は大きな役割を果たしている。
本セミナーでは、フラストレーションやスピンクロスオーバーにより生成される「スピン分子」と呼ばれる動的短距離
スピン構造体と「all-in all-out」と呼ばれる静的長距離スピン構造体を観測した研究を紹介する。前者はパルス中性子源のチョッパー分光器を、後者は定常中性子源の粉末回折計と三軸分光器を用いておこなった。
「スピン分子」とは、1 nm 程度の分子のような形状を持つ磁気的な素励起のことである。我々は、スピン分子を、局在ス
ピン系 MgCr2O4、遍歴スピン系 LiV2O4、局在と遍歴の挟間に位置づけられる LaCoO3 において観測して来た [1-3]。最近
では、スピン分子はトポロジカルチャージという新たな基礎概念で記述されること、異常なマクロ物性(断熱・防音機能)の生成源として熱制御の応用シーズになりうることも報告されている[4,5]。
「All-in all-out」とは、スピンが自らの属する正四面体の中心方向のみ、あるいは、その反対方向のみを向いた磁気構造のことである。例えば、Nd2Ir2O7 等のパイロクロアについて、3 次元トポロジカル Weyl 半金属ないしは近傍物質である証拠として理論的に提唱され、実験的にも温度や磁場誘起の金属絶縁体転移や磁気ドメイン導電現象を生み出す基礎構造を与える [6]。しかしながら、その中性子実験は、(1) Ir の磁気モーメントが小さい (< 0.3 μB)、(2) 磁気伝播ベク
トルが (0, 0, 0) である、(3) 二つの磁性元素からなるパイロクロアの磁気構造決定は相当数のパラメターを含む最適化問
題になる、という困難が重なり、不可能だと思われていた。我々がこの問題をいかに解決したか、最新の数理情報科学と中性子実験の融合により、all-in all-out 磁気構造の最終決定に至るまでをお話しする [7]。
最後に、今後の中性子研究の展望について述べる。
[1] KT et al., PRL 101, 177401 (2008); PRL 101, 177401 (2013).
[2] KT et al., PRL 110, 077205 (2014).
[3] KT et al., PRL 119, 196402 (2017); KT et al. (submitted).
[4] T. Mizoguchi et al., PRL 119, 077207 (2017); arXiv:1806.08534.
[5] T. Watanabe et al., PRB 86, 144413 (2012); H. Zhou et al., PRB 87, 174436 (2013).

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物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

[6] D. Pesin et al., Nat. Phys. 6, 376 (2010); X. Wan et al., PRB 83, 205201 (2011); Y. Yamaji et al., PRX 4, 021035(2014); K. Matsuhira et al., JPSJ 76, 043706 (2007); JPSJ 80, 094701 (2011); Z. Tian et al., Nat. Phys. 12, 134(2015); H. T. Hirose et al., Sci. Rep. 7:42440 (2017).
[7] KT et al., JPSJ 81, 034709 (2012); KT et al. (submitted) (特許出願手続き中, 山形大 2017-081).

標題：中性子セミナー：磁性体におけるボルテックスの中性子散乱研究
日時：2018 年 9 月 7 日(金) 午後１時 30 分～午後２時 30 分
場所：物性研究所本館 6 階 第 2 セミナー室(A612)
講師：左右田 稔
所属：理化学研究所 創発物性科学研究センター
要旨：
近年、トポロジーに起因する新奇物性が注目されている。トポロジカルな磁性体として、スピンがボルテックスのように螺旋配列を形成している磁気スキルミオン等が挙げられ、基礎・応用両面において精力的に研究されている。本セミ
ナーでは、3 種類のボルテックス (1) フラストレーション磁性体における Z2-ボルテックス、(2) 超伝導体におけるボル
テックス格子、(3) 磁気スキルミオンを取り上げる。様々なボルテックス格子の構造、ダイナミクスを中性子散乱によって観測し、トポロジカルな物性の総合的な解明を目指している。
幾何学的フラストレーションをもつ磁性体では、Z2-ボルテックスに起因するトポロジカル転移が理論的に予想されている。スピンのカイラリティーと密接に関係する Z2-ボルテックスでは、理論研究より特徴的な中性子散乱実験結果、(a)
低温でも有限な磁気相関長、(b) 磁気ブラッグ点を結ぶライン状の磁気散漫散乱、(c) 転移温度付近で磁気散漫散乱の強度が最大、が期待される。さらに中性子非弾性散乱実験では、セントラルピークが観測される。我々はカゴメ格子と三角格子が積層するフラストレーション磁性体 RBaCo4O7、RBaFe4O7 の中性子実験を行い、特徴的なライン状の磁気散漫散乱を観測した。YBaCo4O7 の中性子実験結果は、 先に上げた(a)-(c)と一致した結果となっており、Z2-ボルテックスが期待される。類似構造をもつ LuBaCo4O7 や CaBaFe4O7 等に対して非弾性実験も含めた中性子散乱実験も行っており、
Z2-ボルテックスの可能性を議論する。セミナーでは、別のボルテックスに注目した研究として、超伝導体におけるボル
テックス格子や磁気スキルミオンの最近の中性子研究結果等についても述べる。

標題：理論インフォーマルセミナー：冷却原子系における非エルミート近藤効果
日時：2018 年 9 月 25 日(火) 午後４時～午後５時
場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室(A615)
講師：中川 大也
所属：理化学研究所 創発物性科学研究センター
要旨：
近藤効果は、固体電子系における代表的な量子多体効果のひとつであり、強相関系の理解において重要な役割を果たしている。これまでに磁性不純物を含んだ金属や f 電子系化合物のほか、量子ドットなどの人工量子系においても観測がなされているが、近年、真空中にトラップされた冷却原子気体において近藤効果を実現しようという試みが理論・実験共に精力的に行われている[1,2]。冷却原子気体で近藤効果を実現することの強みとして、その制御性の高さによって強相関量子多体系のクエンチダイナミクスなどの非平衡現象を観測できることや、固体電子系とは違った特性により従来は考えられなかったような新たな近藤効果が実現できることなどが挙げられる。本セミナーでは、冷却原子系における近藤効果の実現が、通常の物性物理の範疇を超えた、「非エルミートハミルトニアンによって記述される量子多体問題」を与えることを提案する[3]。ごく最近、冷却原子気体での近藤模型の実験的な実現が報告された[2]。この実験においては未だ近藤効果の観測には至っていないが、フェルミオンと不純物の間の非弾性散乱に起因する原子のロスが報告されている。この■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 3 号

38非弾性散乱を量子開放系として定式化することにより、近藤相互作用の係数が複素数で与えられる、非エルミート近藤模型を導出することができる。この非エルミート近藤模型をくりこみ群を用いて解析することにより、通常のエルミートな系では現れることのない(具体的には、量子不純物系の g-定理を破る)新奇なくりこみ群フローと、それに付随した量子相転移が現れることを示す。また、われわれは、この非エルミート近藤模型の厳密解を Bethe 仮設法を用いて導いた。厳密解の示す量子相転移線はくりこみ群による結果とよく一致する。
Reference:[1]A. V. Gorshkov et al., Nat. Phys. 6, 289 (2010).
[2]L. Riegger et al., Phys. Rev. Lett. 120, 143601 (2018).
[3]M. Nakagawa, N. Kawakami, and M. Ueda, arXiv:1806.04039.

標題：極限コヒーレント光科学セミナー：スパースモデリングを活用したコヒーレント軟 X 線回折イメージング
日時：2018 年 9 月 28 日(金) 午前 10 時～午前 11 時 30 分
場所：物性研究所本館 6 階 第一会議室(A636)
講師：山崎 裕一
所属：国立研究開発法人 物質・材料研究機構(NIMS)
要旨：
コヒーレント軟 X 線回折磁気イメージング(CDI）法は、集光レンズを用いずにナノメートルスケールの磁気構造を実空間観測できる手法である。観測された回折図形からホログラフィー法や位相回復アルゴリズム法によって位相情報を回復し実空間像を再構成することができる。我々は、ナノメートルスケールのトポロジカル磁気構造体である磁気スキルミオンに着目し、CDI 法による実空間観測することに成功している[1]。しかし、本手法は高精度の実空間像を観測するために長時間の計測が必要であり、磁気構造の高速な時間変化を観測することは難しい。そこで、計測対象のスパース性に関する事前情報を取り込んだ新しい位相回復アルゴリズムを考え、低精度な計測データからも効率よく情報抽出できる解析手法を開発している。
本セミナーでは、コヒーレント軟 X 線回折磁気イメージングの最近の進展とスパースモデリングを活用した位相回復ア
ルゴリズムについて紹介する。
[1] V. Ukleev, Y. Yamasaki, et al., QUANTUM BEAM SCIENCE 2, 3[1] (2018)

標題：理論セミナー：Lattice model constructions for gapless domain walls between topological phases
日時：2018 年 10 月 2 日(火) 午後４時～
場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室(A615)
講師：Prof. Shuo YANG
所属：Department of Physics, Tsinghua University
要旨：
Lattice models of gapless domain walls between twisted and untwisted gauge theories of finite group G are constructedsystematically. As simple examples, we numerically studied the gapless domain walls between twisted and untwisted
Z_N(with N<6) gauge models in 2+1D using the state-of-art loop optimization of tensor network renormalization
algorithm. We also studied the physical mechanism for these gapless domain walls and obtained quantum field theory
descriptions that agree perfectly with our numerical results. By taking the advantage of the systematic classificationand construction of twisted gauge models using group cohomology theory, we systematically construct general latticemodels to realize gapless domain walls for arbitrary finite symmetry group G. Such constructions can be generalized39

物性研だより第 58 巻第 3 号■■■ ■ ■ ■■

into arbitrary dimensions and might provide us a systematical way to study gapless domain walls and topologicalquantum phase transitions.

標題：量子物質セミナー：Axion electrodynamics and the quantized topological magnetoelectric effect in
topological insulators
日時：2018 年 10 月 16 日(火) 午後１時 30 分～午後３時
場所：物性研究所本館 6 階 第一会議室 (A636)
講師：Prof. N. Peter Armitage
所属：The Johns Hopkins University, USA
要旨：
Topological insulators have been proposed to be best characterized as bulk magnetoelectric materials that show
response functions quantized in terms of fundamental physical constants. Here we lower the chemical potential ofthree-dimensional (3D) Bi2Se3 films to 30 meV above the Dirac point, and probe their low-energy electrodynamic
response in the presence of magnetic fields with high-precision time- domain terahertz polarimetry. For fields higher
than 5 T, we observed quantized Faraday and Kerr rotations, whereas the DC transport is still semi-classical. A nontrivial Berry phase offset to these values gives evidence for axion electrodynamics and the topological magnetoelectriceffect. The time structure used in these measurements allows a direct measure of the fine structure constant based on
a topological invariant of a solid-state system. I’ll also discuss our most recent measurements on topological insulator
single crystals that give evidence for a half quantized Hall effect on the TI surfaces.
Ref. L. Wu et al., Science 354, 1124 (2016).

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編 集 後 記
今回もトポロジーを中心に物性研の成果が多数、記事として掲載されています。その中に室内発生磁場として世界最高となる 1200 テス
ラの発生に成功したものがあります。これは物性研の国際超強磁場科学研究施設が実に半世紀もかけて達成した偉業です。記事には実験のポイントが分かりやすく解説されていますが、読者はスケールの大きさに驚かされると共に、現場での苦労も感じることでしょう。今後、利用実験で実施される物性研究が楽しみです。

松 田巌