第 58 巻

第２号
2018 年 7 月「トポロジカル絶縁体に付与した光情報の持続時間を飛躍的に長くすることに成功」
分子を使った乱れの設計により量子スピン液体を実現
π電子とプロトンの連動による新しい量子液体状態の発見
ゼロギャップ半導体における非常に強い電子間相互作用の観測
ディラック半金属Cd3As2薄膜における量子ホール効果の観測
スピン流の雑音から情報を引き出す〜スピン流高効率制御に向けた新手法〜
FeSeにおけるネマティックドメインにセンシティブな超伝導ギャップ異方性
反強磁性金属における巨大な磁気光学カー効果と磁気八極子ドメインの直接観察2018

第 58 巻第２号
2018 年 7 月
1

6

11

contents
4

9

19

14

16

1 「トポロジカル絶縁体に付与した光情報の持続時間を飛躍的に長くすることに成功」
石田 行章、辛4分子を使った乱れの設計により量子スピン液体を実現

6π電子とプロトンの連動による新しい量子液体状態の発見

9

ゼロギャップ半導体における非常に強い電子間相互作用の観測

11

ディラック半金属 Cd3As2 薄膜における量子ホール効果の観測

14

スピン流の雑音から情報を引き出す 〜スピン流高効率制御に向けた新手法〜

16

FeSe におけるネマティックドメインにセンシティブな超伝導ギャップ異方性

19

反強磁性金属における巨大な磁気光学カー効果と磁気八極子ドメインの直接観察

23

日本中性子科学会第 15 回技術賞を受賞して

益田 隆嗣

26

仁科記念賞「トポロジカル量子物性物理学の創始」、
朝日賞「トポロジーの物性物理学への導入」を受賞して

甲元 眞人

34

文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞して

近藤 猛

35

第 23 回日本物理学会論文賞を受賞して36

平成 29 年度日本化学会学術賞を受賞して

森 初果

38

第 12 回 (2018 年 ) 日本物理学会若手奨励賞 ( 領域 9) を受賞して

黒田 健太

40

平成 30 年度文部科学大臣表彰科学技術賞を受賞して

廣井 善二

41

文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞して

和達 大樹

42

外国人客員所員を経験してYing RAN

43
42

埴

46

51

59

下澤 雅明、上田 顕、山下 穣、森 初果

大槻 匠、中辻 知、リップマー ミック

打田 正輝、徳永 将史

加藤 岳生

岡

浩三

肥後 友也、中辻 知

酒井 明人、中辻 知【物性研究所短期研究会】○｢新世代光源で切り拓く物質科学と生命科学の融合領域｣の報告○物性研究所スパコン共同利用・CCMS 合同研究会「計算物質科学の今と未来」報告○ガラス転移と関連分野の最先端研究○量子情報・物性の新潮流

63 【物性研究所談話会】
65 【物性研究所セミナー】
76

山口 博則

【物性研ニュース】
○人事異動

編集後記

−量子技術が生み出す多様な物性と情報処理技術−

「トポロジカル絶縁体に付与した光情報の持続時間を飛躍的に長くすることに成功」

物性研究所

石田 行章、辛 埴

トポロジカル相の分類と機能化：エッシャーの描いたると、そのしわ寄せが端に出る、とも理解できる。トポロ

階段が続く回廊は、騙し絵として広く知られている。この

ジカル絶縁体の場合、その端すなわち表面は、必ず金属に回廊は、全体的に見るとひねくれている。回廊を一周してなる。表面を覆う金属層はスピン偏極した質量ゼロのディ元に戻ってくると、なぜか高低差が生じるように錯覚されラック電子状態から成り、薄くしすぎたり磁性を持たせたる。一般に、描かれた回廊がエッシャーの絵のようにひねりしない限り、削っても汚してもとり除くことはできない。

くれているか否かは、回廊を一周したときの違和感(非自この特異な金属層が、トポロジカル絶縁体に表出する「し明な高低感)の有無で判定できよう。

わ寄せ」に相当する。

このような「全体的に見たときのひねくれ具合」を用い

以上より、トポロジカル物質の研究では「端を見て物質て、物質を分類できることが知られるようになって久しいのトポロジカル相を知る」というアプローチや、「特異な[1,2,3]。物質の電子構造にひねくれ具合を定義できて、そ端を利用した新しい機能を探索する」という展開が出てくの具合で物質を分類する方法がきちんと存在するのである。

る。標題は昨年広島大学と共同で行ったプレス発表のタイ

非磁性絶縁体を例にとれば、そのバンド構造のひねくれ具トルであり、その内容は後者すなわち機能創出に資する研合を表す Z2 の値(0 ないし 1)に従って 2 種類(自明な絶縁究に分類される[5]。以下にこれを概説する。要は光パル体と非自明なトポロジカル絶縁体)に分別できる[3]。

スで瞬間的にトポロジカル絶縁体を叩いたら、その影響が思いのほか長続きすることがある、という結果に基づいた

非自明なトポロジーをもつ物質相の面白みは、その相が議論である。

空間的に途切れたところに表れる[4]。中がひねくれてい

図１：ナノ秒に迫る表面ディラック電子励起の持続。トポロジカル絶縁体(Sb1-xBix)2Te3 において Bi の含有量を x = 0 から
0.43 まで増やすと、励起の持続時間は 400 ps を越えた。応答を電気的に検出することも、いよいよ視野に入ってきた。

1

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

トポロジカル絶縁体表面の光励起の持続： トポロジ

本結果に基づいて、励起の持続時間を延ばすための指針

カル絶縁体の表面は、質量ゼロのディラック電子状態から成として以下の 2 点が挙げられた：①結晶内部の絶縁性を高ることは既に述べた。ディラック電子状態を介した伝導は、めること。②ディラック点をできるだけ EF に近づけるこ

移動度が高く、不純物に散乱されにくく、スピンも偏極する、と。これらが満たされれば、光励起した表面電子はバルクといった魅力的な性質を示す。従って、トポロジカル絶縁体のキャリアだけでなく、他の表面ディラック電子からのスの表面は新しいスピントロニクス機能発現の舞台として大変

クリーニングを受けにくくなる。また励起した電子は、漏注目されている。光を照射して表層を励起し、ここから表面

斗で集められるように全て表面のディラック点に向かって電流を取り出して新機能に繋げるという方向性もある。

集められるようになる。

ところが、現実には表層の電流だけを抽出することは難し

今後の展望：一般に金属の中の電子も光に対して応答すい。殆どのトポロジカル絶縁体は、欠陥が多いために絶縁性る。ところがその持続時間は高々ピコ秒程度であり、これはそれほど高くはなく、結晶内部にも電流が流れてしまう。

を電子デバイスで捉えることは早すぎて不可能であった。

表層の薄皮を流れる微小な電流は、この内部を流れる電流にトポロジカル絶縁体の表面も金属であるが、この応答の持かき消されてしまう。また一般に金属の場合、光による励起

続時間を少なくともナノ秒域まで延ばせることが、本研究の持続時間は大概ピコ秒程度であり、欠陥の多いトポロジカで実証された。金属であるにも関わらずその応答時間を延ル絶縁体でも然りであった。これでは励起の持続時間が短す

ばすことができた鍵として、トポロジカル絶縁体の内部とぎて、応答を電気的に読み取ることはできない。

表層の両方を上手く制御することが挙げられた。この指針に基づいて、今後さらに光応答の持続時間が長くなること

近年の試料作製技術の向上に伴って、内部の絶縁性のよが期待される。

いトポロジカル絶縁体も作製されるようになってきた。そこで本研究では、絶縁性を系統的に振ったトポロジカル絶

今回達成されたナノ秒域の応答であれば、既に電子デバ縁体の系について、表面の光励起状態を直接観測した。試イス(例えばとても速いオシロスコープ)でもその具合を捉

料はノボシェビルスク大のグループで作製された大型単結えることができる。つまり、金属の光応答を電気的に捉え晶(Sb1-xBix)2Te3 であり、Bi の含有量 x を増やすと、系はる、ということも視野に入ってくる。特にトポロジカル絶

電子ドープされる。

縁体の表面金属層はスピン偏極した状態から成るので、光、
電子デバイス、トポロジカル絶縁体、磁性、を組み合わせ

フェムト秒域時間分解・角度分解光電子分光法(Timeand angle-resolved photoemission spectroscopy, TARPES)

た全く新しい光スピンエレクトロニクス機能に繋がることも期待される。

を用いて実験を行った。この手法を用いることで、試料が光パルス(ポンプ)で衝撃的に励起された後の電子分布を、謝辞：本稿で紹介した内容は広島大学、ノボシェビルス

時々刻々観測することができる。TARPES は固体表層のク大学、北欧理論物理学研究所を中心とするグループとの光現象を観る強力なツールである。殊トポロジカル絶縁体

共同研究による成果です。特に広島大学・木村昭夫研の角の研究にも役に立つということについては、解説記事を参

田一樹氏に感謝します。

照されたい[6]。

後記：ソウル国際大学の物理・天文学部は 56 号棟にありま
図１に(Sb1-xBix)2Te3 の TARPES の結果を示した。x = 0

す。この正面玄関に至る一対の階段は、歪みの入ったデザイの金属的な試料では高々5 ps であった励起の持続時間は、ンになっています。筆者の一方は、初見でこれをエッシャー

x = 0.29 になると 20 ps を越え、絶縁性の高い x = 0.43 での絵のようだと表しました。ソウル大に出向中のもう一方は、は 400 ps をはるかに超えてナノ秒域まで到達した。図に

この表し様に一瞬感銘を受けた後、大域的にはそうでもない、

見る X 型の光電子分布が、電子に占有されたディラック電というひねくれた疑問を抱きました。ソウル大にお立ち寄り

子状態の分散である。X 型の交点がディラック点であり、の際は、是非、歪んだ階段もご覧ください。

これがドープとともに下降してフェルミ準位(EF)に近づく
こともわかる。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

2[1] D. J. Thouless, M. Kohmoto, M. P. Nightingale, M. den
Nijs: Phys. Rev. Lett. 49, 405 (1982).
[2] M. Kohmoto: Ann. Phys. 160, 343 (1985).
[3] C. L. Kane and E. J. Mele: Phys. Rev. Lett. 95, 146802(2005).
[4] Y. Hatsugai: Phys. Rev. Lett. 71, 3697 (1993).
[5] K. Sumida, Y. Ishida, S. Zhu, M. Ye, A. Pertsova, C.
Triola, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, A. V. Balatsky,
Shin, A. Kimura: Sci. Rep. 7, 14080 (2017).
[6] 石田行章, 辛埴: 固体物理 53, 233 (2018).

3

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

分子を使った乱れの設計により量子スピン液体を実現

大阪府立大学
１．研究の背景山口 博則

２．研究内容1973 年に P.W. Anderson によって、電子の持つスピン

安定有機ラジカルの１つであるフェルダジルラジカルを自由度が絶対零度まで凍結しない量子スピン液体状態が実金属原子に配位させて、分子性の金属錯体Zn(hfac)2(AxB1-x)

現し得ると予言され、その実現は今日までの物性科学におを合成した。金属原子に配位させることでラジカルの分子

ける大きな到達目標とされてきた。概念的には、絶対零度

内回転自由度が消失して、図 1 に示すように分子構造に Clにまで冷やした水が氷にならないことに例えられる。当初

原子の位置が異なる A-type と B-type の 2 種類の異性体がの予言では、スピンが時間的にも空間的にも揺らぐ状態が、構築される。これらの分子を含んだ溶液で再結晶を行うこ

量子スピン液体を説明する有力なモデルとして提唱されてとで、両方の分子を取り込んだ結晶が育成される。X 線構造いた。その後、実験的にいくつかの物質において量子スピ解析から、結晶中ではこの 2 種類の分子がランダムに配列しン液体を示唆するような物性が観測されて、量子スピン液ていることが明らかになった。１分子はスピン 1/2 を持って体を実現する候補物質として注目を集めてきた。一方最近

おり、分子軌道計算の結果から、分子軌道の重なりによっの研究では、それらの物質においては偶発的に乱れが生じてスピン 1/2 が 3 種類の磁気相関によってつながっており、ており、それによって作られるランダムシングレット状態
が、実験で観測されている量子スピン液体の本質である可能性が指摘されている。そこで、量子スピン液体の本質に迫るために、意図的に乱れを導入した物質において、乱れをベースとした量子スピン液体が実現し得るのかを検証する必要があった。
我々は新たな量子スピン系物質の開発手法として、有機ラジカル系に着目してきた。有機物では分子構造の多様性
により、今日までに数 100 万種類にも及ぶ膨大な数の有機分子が合成されている。無機物と比べてはるかに自由度が高く、有機物により莫大な数の磁性体が生み出されると期待されてきた。しかし、有機物の多様性を活かした磁性体の実現には、従来のラジカルにおいて弊害となってきた分子の特性を抑制する必要があった。最近我々は、有機ラジカルへの元素置換を利用した緻密な分子設計により、分子軌道の形状とその重なりを制御し、多彩な量子スピン系物質の開発を可能にした。それらにおいては、無機磁性体の対称性と安定性のもとでは形成が困難であるユニークなス
ピンモデルを設計構築することができ、本研究における乱れを取り込んだハニカム格子の実現につながった。
図 1 : 新規錯体分子 Zn(hfac)2(AxB1-x)における 2 種類の構造異性体．有機ラジカルが Zn(hfac)2 に配位することで回転自由度が消失する．A-type と B-type とでは Cl 原子の位置が異なり、結晶中での存在比が x で表される．

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

4

図 2 のようなハニカム格子が形成されていると予想された。

熱は低温で温度に比例した振る舞いを示す。本研究では乱さらに、A-type と B-type の分子の存在と分子間の対称れの大きな x = 0.64 と 0.79 の試料の合成に成功し、低温性を考慮することで、各磁気相関には 3 つのパターンが存での物性検証を進めた。その結果、磁化率、磁化曲線、磁在していると考えられた。結果として、ハニカム格子を形

気比熱の全ての実験結果において、明瞭にランダムシング

成する磁気相関には 9 (=3×3)パターンが存在して、それらレットで予想されている量子スピン液体的な振る舞いが再がランダムにつながることで磁気相関にランダムネスが構

現された。

築される。

３．今後の展望乱れを導入することによって実現した量子スピン液体は、
従来の量子スピン液体のモデルとは異なる発現機構を備えている。現実の物質で観測されている量子スピン液体の理解に一石を投じるとともに、その本質に迫る重要な知見となった。さらに、空間的に離れたシングレットを持つラン
ダムシングレット状態では長距離のスピン輸送も期待できる。反強磁性絶縁体をベースとしたスピンデバイスの開発につなげていきたい。
我々が取り組んできた有機ラジカルを用いた一連の物質開発では、無機物による磁性体の合成と比較すると、圧倒的に速いペースで多種多様な新規磁性体を生み出すことが可能である。分子の自由度を活用した量子磁性体のデザイ
図 2 : Zn(hfac)2(AxB1-x)のハニカム格子上でのランダムシング

ンは、量子物性の制御を可能にし、新たな量子現象を取りレット状態. 囲まれたスピン対はシングレットを表す. 高次の込んだ新材料の開発にもつながる。

反強磁性磁気相関によって、空間的に離れたスピン対でもシン
グレットが形成される.

スピン 1/2 が反強磁性的に結合した場合には、量子的な謝辞

シングレット状態が形成されてスピンが消失する。本系に

本研究成果は、東京大学物性研究所の河野洋平研究員、おけるハニカム格子上のランダムな磁気相関においては、

橘高俊一郎助教、榊原俊郎教授、大阪府立大学の岡田将孝

温度低下に伴って強い反強磁性相関を持つスピンのペアか氏、岡部俊輝氏、岩崎義己研究員、細越裕子教授との共同

ら順次シングレットを形成していく。その際、シングレッ研究によるものです。

トを形成して消失したスピン対を飛び越えた高次の反強磁性相関も有効になる。従って、ハニカム格子をつくる磁気

参考文献

相関は 9 パターンであるが、シングレットを形成する磁気[1] H. Yamaguchi, M. Okada, Y. Kono, S. Kittaka, T.

相関のエネルギーはほぼ連続的に分布することになる。こSakakibara, T. Okabe, Y. Iwasaki, and Y. Hosokoshi,の乱れによって形成されるランダムシングレット(valence

Sci. Rep. 7, 16144 (2017).

bond glass)においては、図 2 に示すようにそれぞれのスピンが空間的にランダムにシングレットを組み、ギャップレスの非磁性状態となっている。それ故に量子スピン液体として報告されている振る舞いと同等な物性が観測されると予想されている。非常に弱い高次の反強磁性相関によって
シングレットを組んでいるスピンは、有限の磁場でトリプ
レット状態へと励起されるため、低温での磁化率には常磁性的なスピンの寄与が現れる。また、連続的なエネルギー準位の分布を反映して、磁化曲線は線形的になり、磁気比5

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

凝縮系物性研究部門
はじめに

下澤 雅明、上田 顕、山下 穣、森 初果(図 2)[4,6-8]。二次元面内(bc 面内)には、2 個の[H(Cat-「量子液体」とは、不確定性原理がもたらす量子揺らぎ

EDT-TTF)]+0.5 分子(以下 Cat 分子)からなるダイマーがκによって絶対零度においても凍結しない液体のことを指す。

型と呼ばれる三角格子配列を形成しており、各ダイマーのその最たる例は、液体ヘリウムである。ヘリウム原子の場

反結合軌道には平均 1 個のホールが存在するモット絶縁体

合、非常に軽い質量によって結晶化を引き起こす原子間相である。各ダイマーには、図 2(b)に示すように S = 1/2 の互作用よりもゼロ点振動(運動)の効果が大きくなるので、

局在スピンが三角格子構造を形成しているが、先行研究の熱揺らぎの存在しない絶対零度においても液体として存在

磁化率測定によると、スピン間の交換相互作用 J/kB が約することができる。この量子揺らぎと相互作用の競合は、80 K であるにも関わらず、50 mK という極低温まで磁気ヘリウムに限らず量子多体系に共通する普遍的な現象であ秩序を示さないので、H-Cat は量子スピン液体の有力なり、低温で秩序化する凝縮系の多くも潜在的には量子液体候補物質である[4]。

になる可能性がある。

H-Cat と類似したκ型構造は、従来の量子スピン液体

その最も有名な例の一つとして、磁性体中の電子スピン

候補物質κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3 などでも見られるが、自由度に関連した量子液体状態が知られている[1]。磁性

面間方向の構造は全く異なる。すなわち、κ-(BEDT-

体中のスピンは通常、量子力学的な交換相互作用によってTTF)2Cu2(CN)3 などでは、S = 1/2 を担う有機分子層(二次低温で整列して強磁性や反強磁性といった磁気的な長距離元面)と非磁性絶縁層が交互に積み重なった構造を有して秩序を形成する。ところが物質によっては、絶対零度においるのに対して、H-Cat では、図 2(a),(c)に示したように、いてもスピンが秩序化せず、また高温の常磁性とも異なる

隣接する有機分子層が[O-H-O]-1 型の水素結合で連結さ量子状態を示すことがある。このスピン状態は物質の三態れており、非磁性絶縁層が存在しない[4,6-8]。これこそに 例 え る と 、” 固 体 ”( 強 磁 性 ・ 反 強 磁 性な ど ) と も ” 気が H-Cat の最も顕著な特徴である。

体”(常磁性)とも異なることから「量子スピン液体」と呼このような性質を持つ H-Cat では、スピンの自由度にばれており、その候補物質の探索や発現機構の解明は、磁加えて、水素結合上のプロトン自由度も凍結することなく性体研究の中心的なトピックスの一つとなっている。さら揺らぎ続けている新しい量子液体状態を実現する可能性がに近年では、スピンと他の自由度とのカップリングを用いて、従来の枠組みを超えた量子スピン液体が実現する可能性も指摘されており[2,3]、大きな関心を集めている。
本稿では、二次元三角格子構造を有する分子性モット絶縁体-H3(Cat-EDT-TTF)2(以下、H-Cat と略す)において、有機分子上のπ電子が有機分子間に存在する水素結合中のプロトン自由度と連動することで、その量子
スピン液体状態[4]が安定化するのと同時に、量子常誘電状態を与えることを発見したので、その内容を紹介する(図 1 参照)[5]。
図 1 本研究の舞台となる H-Cat の概念図。水素結合上のプロ水素結合型分子性モット絶縁体 H-Cat
H-Cat は、π電子とプロトンのカップリングによる新
物性・新現象を目指して 2013 年に東京大学物性研究所の森研究室で合成された新しい分子性モット絶縁体である■ ■■ ■ ■■ ■トンが動くことで、π電子系の電荷に偏りが現れて誘電性が生じる。プロトンの場合、質量が軽いので量子揺らぎが十分に発達する。一方、電子スピンは物質の磁性を担う。本研究では、
プロトンと電子が連動する新しい量子液体の研究の舞台に着目する。

物性研だより第 58 巻第 2 号

6あるが、プロトンが極低温まで動的に揺らいだ状態を維持の誘電率は、通常の Curie-Weiss 則に従って温度低下と共し続けているのかどうかは定かではない。仮にそうだとしに増大するが、量子効果が顕在化する低温領域では、誘電ても、プロトンの揺らぎが量子スピン液体にどのような影率の増大が抑制されて一定の値に落ち着く振る舞いを示す。

響を与えているか全く解明されていなかった。

このような誘電率の温度依存性を、量子常誘電状態を記述する Barrett の式を用いて解析したところ、反強誘電的な相互作用が働く電気双極子が揺らぎ続けていることが分かった。この反強誘電的な相互作用の起源は、H-Cat の重水素置換体である D-Cat の相転移の際の重水素の変位様式から推察できる。D-Cat の場合、結晶全体で水素結合部の極性を打ち消しあうように重水素が変位し、結果として反強誘
電的な相互作用を持つ電気双極子が生じる。この反強誘電的な相互作用は H-Cat においても存在するが、プロトンには強い量子揺らぎが存在することで、反強誘電的な秩序化を回避して量子常誘電性が実現していると考えられる。
次にプロトンのダイナミクスが量子スピン液体に及ぼす効果を調べるために、H-Cat の誘電率と熱伝導率の結果
を、先行研究による磁化率[4]の温度依存性と比較する(図図 2 H-Cat の結晶構造。(a)電子を担う Cat 分子同士が、誘電

3)。H-Cat の熱伝導率測定から、スピンによる熱伝導が性を担う[O-H-O]-1 型の水素結合で連結されている。この構造

支配的となる温度領域は 2 K 以下と考えられるが、これはが H-Cat の最も特徴的な点である。(b)2 次面(bc 面)における誘電率から見積もられるプロトンの量子揺らぎが熱揺らぎ

Cat 分子の配列。点線で囲んだ 2 つの Cat 分子が対を作り、そこに 1 つのスピン(紫の矢印)が存在する。このスピンは、三角に対して支配的になる温度(Tq ~ 2 K)と一致している。さ

格子上に配列している。(c)[O-H-O]-1 型の水素結合の拡大図。

らに図 3 に示すように Tq は、量子揺らぎが発達して磁化

図 2(a)の赤色もしくは紫色で示したものに対応する。水素結合率がほぼ一定の値になる温度、すなわち量子スピン液体が上のプロトンが動くことで、試料に電荷の偏りが現れて誘電性が生じる。

発現する温度ともほぼ一致している[4]。これは驚くべき事実であり、プロトンの量子揺らぎがπ電子とカップリン
グすることで新しい量子スピン液体 ― 絶対零度まで電実験結果と議論
本節では、プロトンダイナミクスとスピン励起を直接的

気･磁気双極子が揺らぎ続ける量子常誘電性と量子常磁性の共存した量子液体状態 ― が安定化していることを意味に観測可能な誘電率と熱伝導率を極低温まで測定して、H-Cat で実現しているスピン液体の背後にあるプロトンπ電子結合の効果を多角的に調べた。誘電率測定は、物質中の水素結合系のダイナミクスを調べる有力な手段のひとつであり、KH2PO4 (KDP) をはじめとした水素結合型強誘電体の研究において多くの蓄積がある。この知見に基づ
いて H-Cat のプロトンダイナミクスを解析する。
図 3(青線)に、H-Cat に対して得られた誘電率の温度依存性を示す。H-Cat の誘電率は、温度を低下させると急激に増大するが、〜7 K 以下で飽和する傾向が現れ、
2 K 以下ではほぼ一定値になる。この H-Cat の誘電率とよく似た振る舞いは、ペロブスカイト型酸化物 SrTiO3 などの量子常誘電体において見られる。量子常誘電状態は、(反)強誘電転移が格子振動の量子揺らぎによって抑制されることで実現する。それ故、熱揺らぎが支配的な高温領域

7

物性研だより第 58 巻第 2 号

図 3 H-Cat の誘電率(青色)、熱伝導率(赤色)および磁化率(緑色)の温度依存性。黒色の破線はガイド線を示す。Tq 以下の影付きの領域では、量子常誘電状態と量子スピン液体が同時に出現している。

■■■ ■ ■ ■■

している。この結果は、最近行われた理論研究の側面からも支持されている[9]。

結論および今後の展開
本稿によって、水素結合型モット絶縁体 H-Cat において量子常誘電性と量子常磁性が共存した新しい量子液体状態が実現していることが分かった[5]。従来のπ電子自由度にプロトンの自由度を組み合わせることで、このような特異な量子液体状態が現れたことは大変興味深い。プロト
ンダイナミクスを有するπ電子機能性物質の研究は始まったばかりである。今後は元素置換や圧力効果などを系統的に調べることで、量子常誘電性と量子常磁性が同時に出現する新しい量子液体状態に関する知見を深めると共に、多自由度の特性を生かしたマルチフェロイクスのような新しいタイプの電子相の創出を目指したい。

謝辞
本稿の内容は、東北大学金属材料研究所の橋本顕一郎
助教、佐々木孝彦教授、早稲田大学高等研究所の中惇講師
および東北大学理学研究科の石原純夫教授との共同研究で得られた結果です。ここに深く感謝申し上げます。また、
東京大学物性研究所山下グループの杉井かおり博士、鈴木
喜貴氏、山田章悟氏、今井悠介氏、東北大学金属材料研究所佐々木グループの井口敏准教授、伊藤桂介助教、小林亮
太氏にもご協力いただきました。御礼申し上げます。本研究の一部は、科研費、新学術領域研究「π造形科学：電子と構造のダイナミズム制御による新機能創出」、東レ科学振興会、キヤノン財団の支援のもと行われました。

参考文献[1] L. Balents, Nature 464, 199–208 (2010).
[2] S. Nakatsuji et al., Science 336, 559–563 (2012).
[3] M. Naka and S. Ishihara, Phys. Rev. B 93, 195114(2016).
[4] T. Isono et al., Phys. Rev. Lett. 112, 177201 (2014).
[5] M. Shimozawa et al., Nat. Commun. 8, 1821 (2017).
[6] T. Isono et al., Nat. Commun. 4, 1344 (2013).
[7] A. Ueda et al., J. Am. Chem. Soc. 136, 12184–12192(2014).
[8] A. Ueda et al., Chem. Eur. J. 21, 15020–15028 (2015).
[9] M. Naka and S. Ishihara, Phys. Rev. B 97, 245110(2018).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

8ゼロギャップ半導体における非常に強い電子間相互作用の観測

量子物質研究グループ

大槻 匠、中辻 知

ナノスケール物性研究部門

リップマー ミック

はじめに
物性物理学の分野では、新奇な物理的性質を示す物質の探索が精力的に行われている。その中でも、高い移動度や量子ホール効果などのトポロジカルな機能のために、近年世界的に注目されている物質群が、ゼロギャップ半導体である。例えば、グラフェン [1] のように価電子帯と伝導帯が接する点近傍で線形のバンド構造を持つ物質においては、電子はあたかも質量がゼロであるかのように振る舞い、
新しい現象が次々に発見され、2010 年のノーベル物理学賞の対象となった。ゼロギャップ構造に潜んでいる物理は非常に興味深いが、これまで理解が進んできたのは一般的には電子間の相互作用が弱い場合においてである [2]。
他のゼロギャップ構造の例として、図 1 に示すように、
2 つのバンドが接する点近傍でバンド構造が放物線的である quadratic band touching を持つラッティンジャー半金属と呼ばれる状態がある。ラッティンジャー半金属では、

図 1．ゼロギャップ半導体のひとつで、2 次分散バンドが一点で接した「ラッティンジャー半金属状態」のバ

線形のエネルギー分散が交差する場合とは異なり、状態密ンド構造。電子(青い球)で満たされた価電子帯と空の度が急激に増加するために電子間の相互作用が強く、通常伝導帯は、3 次元の放物線型をしており、両者はフェルの電子の概念が破綻するような新しい金属状態が現れる、

ミ準位上の一点で接している。

ということが 40 年以上前に予測されていた [3,4]。この
quadratic band touching という状態にある物質の具体例と し て 、 古 く か ら α- ス ズ (α-Sn) [5] や テ ル ル 化 水 銀(HgTe) [6] が知られているが、これらの物質内では電子の有効質量が小さいために、電子間の相互作用も弱く、その効果を実験的に明らかにすることは困難であった。

実験内容と成果
そこで本研究では、強い電子間相互作用の効果を明らかにするために、プラセオジム(Pr)とイリジウム(Ir)からなる
パイロクロア型酸化物 Pr2Ir2O7 [7] を研究対象とした。角度分解光電子分光の実験によると [8] 、この物質は、(1)quadratic band touching を持つラッティンジャー半金属であり、イリジウムの 5d バンドからなるそれぞれ 2 重縮退した価電子帯と伝導帯がГ 点においてフェルミ準位上で接し、(2) 電子の有効質量は真空中の自由電子に比べて約 6 倍重たい(α-Sn に比べて約 300 倍大きい [5])ことが分かっている。

9

物性研だより第 58 巻第 2 号

図 2．比誘電率の温度依存性。低温でこれまで知られているゼロギャップ半導体(たとえば α-Sn や HgTe)の値の数十倍以上大きな値を示す。価電子帯と伝導帯が接するエネルギーから測ったフェルミ準位が小さいほど、
低温で大きな誘電率を示す。

■■■ ■ ■ ■■

この Pr2Ir2O7 にテラヘルツ波を照射し、その電荷応答

参考文献

を観測・解析したところ、図 2 に示すように、5 K におい[1] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang,て約 180 という非常に大きな比誘電率が得られた [9]。こY. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A.

れは、α-Sn や HgTe といったゼロギャップ半導体においFirsov, Science 306, 666 (2004).

て低温でこれまで知られていた値の数十倍以上大きな値で[2] V. N. Kotov, B. Uchoa, V. M. Pereira, F. Guinea, andある [5,6]。また、quadratic band touching というバンド

A. H. Castro Neto, Rev. Mod. Phys. 84, 1067 (2012).

構造をもつラッティンジャー半金属では、比誘電率は電子[3] A. Abrikosov and S. Beneslavskii, Sov. Phys. JETP 32,

間の相互作用の大きさを見積もる尺度となる。このことを利用して、今回の実験で得られた比誘電率の値から電子間の相互作用の強さを見積もると、相互作用の大きさは電子の運動エネルギーの大きさに比べて 2 桁程度も大きいことが明らかとなった [9]。このことは、今後、電子濃度のチューニングにより、フェルミ準位を価電子帯と伝導帯が接するエネルギーに持ってくれば、通常の電子描像が破綻する新しい電子状態が現れることを強く示唆している。

699 (1971).
[4] A. Abrikosov and S. Beneslavskii, J. Low Temp. Phys.
5, 141 (1971).
[5] R. J. Wagner and A. Ewald, J. Phys. Chem. Solids 32,
697 (1971).
[6] M. Grynberg, R. Le Toullec, and M. Balkanski, Phys.
Rev. B 9, 517 (1974).
[7] T. Ohtsuki, Z. Tian, A. Endo, M. Halim, S. Katsumoto,
Y. Kohama, K. Kindo, S. Nakatsuji, and M. Lippmaa,
arXiv:1711.07813 (2017).

今後の展開
今回、ゼロギャップ半導体のうち、quadratic band[8] T. Kondo, M. Nakayama, R. Chen, J. J. Ishikawa, E.-

touching を持つラッティンジャー半金属では、電子間のG. Moon, T. Yamamoto, Y. Ota, W. Malaeb, H. Kanai,

相互作用が非常に強いことを実証した。今後、そのさまざ

Y. Nakashima, Y. Ishida, R. Yoshida, H. Yamamoto, M.

まな機能性から世界的に注目されているゼロギャップ半導

Matsunami, S. Kimura, N. Inami, K. Ono, H.

体の性質を決める上で電子間の相互作用がどのような役割

Kumigashira, S. Nakatsuji, L. Balents, and S. Shin,

を果たしているのかという理解がさらに進むことで、新しNat. Commun. 6, 10042 (2015).

いタイプの金属状態の創出と、その新しい機能性の創出に[9] B. Cheng, T. Ohtsuki, D. Chaudhuri, S. Nakatsuji, M.
Lippmaa, and N. P. Armitage, Nat. Commun. 8, 2097

つながると期待される。

(2017).

謝辞
本 研 究 は 、 ジ ョ ン ズ ・ ホ プ キ ン ズ 大 学 の N. Peter
Armitage 教授のグループとの共同研究である。なお、本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業
チーム型研究(CREST)「微小エネルギーを利用した革新

的な環境発電技術の創出」における研究課題「トポロジカ
ルな電子構造を利用した革新的エネルギーハーヴェスティ
ングの基盤技術創製」(JPMJCR15Q5)、日本学術振興会
科学研究費助成事業(16H02209, 26105002)ならびに戦略的国際研究交流推進事業「頭脳循環を加速する戦略的国際研究ネットワーク推進プログラム」における事業課題「新奇量子物質が生み出すトポロジカル現象の先導的研究ネット ワ ー ク 」 (R2604)、 文 部科 学省

科 学研 究費 補 助 金

新学術領域(研究領域提案型)「J-Physics：多極子伝導系の物理」(15H05882)における研究計画班「A01: 局在多極子と伝導電子の相関効果」(15H05883)の助成のもとに行われた。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

10ディラック半金属 Cd3As2 薄膜における量子ホール効果の観測

東京大学大学院工学系研究科 附属量子相エレクトロニクス研究センター

打田 正輝

物性研究所 国際超強磁場科学研究施設

徳永 将史

はじめに
トポロジーの概念は、物質における新たな量子相探索の指針として益々注目を集めている。その概念に立脚したわせもつ高品質な Cd3As2 薄膜の作製に成功し[4,5]、量子ホール効果をはじめとする強磁場輸送現象の研究の端緒を開いた[4,6]。

観点は、トポロジカル絶縁体やそれに続くトポロジカル結
晶絶縁体・トポロジカル半金属・トポロジカル超伝導体な実験結果

どの新たな量子相の提案・発見にもつながった。これらのキャップ層を最適化することによって、薄膜の蒸発を防トポロジカル相については、トポロジカルに保護された特ぎながら非常に高温での Cd3As2 薄膜のアニールが可能と有の量子現象の研究も精力的に展開されている。特に、トなった。図 1 の透過電子顕微鏡像に示すように、既報のバ

ポロジカル相に典型的に内在するディラック電子系は、高ルク試料を超える非常に高い結晶性をもつ薄膜試料が作製

い移動度やスピン・運動量ロッキングによる長いスピン緩できるようになった。得られた薄膜試料のキャリア濃度は和長などの性質を持ち、次世代の省エネルギーデバイスのバルクで報告されている最低キャリア濃度に匹敵するほど有力な材料候補として期待されている。

低く、その移動度は低温で 30,000 cm2/Vs にも及び、同じ

その中で、本稿では、トポロジカルディラック半金属
Cd3As2 に焦点を当てて、高品質な薄膜の実現によって明キャリア濃度で比較してバルクと同程度に十分高いことも明らかになった。

らかになってきた強磁場中の量子輸送特性について報告す輸送測定では、まず高移動度に由来する Shubnikov-deる。トポロジカルディラック半金属は、グラフェンの 3 次

Haas 振動が低磁場から観測された。加えて、図 2 に示す

元版とも呼ぶべき特異な電子状態を持つ[1]。これらの電ように、55T までの高磁場下での輸送測定において、量子子構造は理論提案直後に角度分解光電子分光等により直接ホール状態が観測された。また、これらの数十 nm 程度以観測されたが[2,3]、その量子輸送現象の研究はまだまだ下の膜厚の試料では、振動の回転磁場中測定によって二次途上段階にある。特に、3 次元のディラック点は波数空間

元的なフェルミ面が実現していることが確認された。これ

中でモノポールが存在する状態に等しく、それに付随したは、薄膜の膜厚を変えることによって、フェルミ面の次元

新しい物理現象を発現する可能性を秘めており、カイラル性を制御し、量子閉じ込め効果が効いた 2 次元的な電子構異常やワイル軌道と呼ばれる新たな量子輸送現象はいずれ造が容易に実現できることを示している。

もこの 3 次元ディラック点が起源となっている。また、ト

特に、12, 14nm という薄い試料と 16, 23nm という厚い試

ポロジカルディラック半金属は、トポロジカル絶縁体・ワ料では量子ホール状態の見え方及び縮退度が全く異なっていイル半金属・量子スピンホール絶縁体をはじめとした他のることが分かる。詳細な量子輸送解析により、この急激な量

トポロジカル相へ相転移できる母物質に相当しており、ト子ホール状態の変化は、非常に速いディラック分散に由来す

ポロジカル相転移現象の研究舞台としても期待されている。

るスピン縮退度の変化に由来していることが明らかになった。

Cd3As2 は古くから高移動度半導体としても知られてきまた、その非常に速いディラック分散のために、かなり厚いた物質であるが、高品質な薄膜作製が非常に困難であった。

膜厚まで量子ホール状態が残って現れ、特に 23nm ほどの膜

これは、Cd3As2 自体が非常に高い蒸気圧をもち、成膜が厚ではディラック点の内側に閉じ込められたバンドが形成さごく低温に限られてきたためである。また、As 欠損によれることで量子スピンホール絶縁体状態が実現していること

る電子ドープによってフェルミレベルがディラック点からも分かってきた。これはまさに、Cd3As2 薄膜の厚みの変化

大きく離れてしまうという問題点もあった。このような状によって、トポロジカルディラック半金属からのトポロジカ

況において、我々は、パルスレーザー堆積法と高温アニー

ル相転移を引き起こし、トポロジカルな性質と非散逸な量子ル法を組み合わせる手法によって高い移動度と結晶性をあ

伝導状態が制御できることを示している。

11

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

図 1. Cd3As2 薄膜の(a)透過電子顕微鏡像と(b)拡大図。(c)さらに高倍率における観察像と(d)シミュレーション像。エネル
ギー分散型 X 線分析により得られた(e)Cd・(f)As の原子マップとの比較。

図 2. 膜厚の異なる Cd3As2 薄膜について強磁場中で観測された量子ホール効果。膜厚に応じて異なる縮退度を示している。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

12現在は、化学置換によりキャリア濃度を制御し、量子[4] M. Uchida, Y. Nakazawa, S. Nishihaya, K. Akiba, M.

ホール状態をより低磁場で実現することにも成功している

Kriener, Y. Kozuka, A. Miyake, Y. Taguchi, M.

[6]。Cd3As2 に対して Zn3As2 を混合してアニールするこTokunaga, N. Nagaosa, Y. Tokura, and M. Kawasaki,とにより、結晶化と同時に (Cd1-xZnx)3As2 の固溶体が作Nature Communications 8, 2274 (2017).

製できることを見出し、キャリア濃度依存性を系統的に調[5] Y. Nakazawa, M. Uchida, S. Nishihaya, M. Kriener, Y.

べることが可能となった。Zn のドープ量に対して効果的

Kozuka, Y. Taguchi, and M. Kawasaki, Scientificにキャリア濃度が低減しており、トポロジカルに非自明なReports 8, 2244 (2018).

領域に留まりながら低キャリア濃度が達成されている。

[6] S. Nishihaya, M. Uchida, Y. Nakazawa, M. Kriener, Y.
Kozuka, Y. Taguchi, M. Kawasaki, Science Advances

今後の展開

4, eaar5668 (2018).

今後、三次元的な電子状態が実現する厚い膜厚について、
高い平坦性と結晶性をもった Cd3As2 薄膜試料を作製し強磁場中の輸送特性を測定することで、表面状態に由来した
量子輸送現象を解明することが出来るようになると期待される。また、種々のドーピングの手法と組み合わせることにより、よりディラック点に近づいていく領域におけるカ
イラル異常・ワイル軌道などのトポロジカル半金属特有の量子輸送現象や、トポロジカル絶縁体・磁性トポロジカル
絶縁体へのトポロジカル相転移における輸送特性の変化も明らかにできるようになると期待される。

謝辞
本研究は、東京大学の中澤佑介、西早辰一、小塚裕介、
川崎雅司、東京大学物性研究所の秋葉和人、三宅厚志、
理化学研究所創発物性科学研究センターの M. Kriener、
田口康二郎、永長直人、十倉好紀、各氏をはじめとした
多くの方々との共同研究によるものである。なお、本研究は、科学技術振興機構 CREST(No. JPMJCR16F1)及び日本学術振興会科学研究費(No. JP24226002、JP15K05140、
JP15H05425、JP16H00980)の支援の下に行われた。
REFERENCES[1] S. Murakami, New Journal of Physics 9, 356 (2007).
[2] Z. Wang, H. Weng, Q. Wu, X. Dai, and Z. Fang,
Physical Review B 88, 125427 (2013).
[3] Z. K. Liu, J. Jiang, B. Zhou, Z. J. Wang, Y. Zhang, H.
M. Weng, D. Prabhakaran, S-K. Mo, H. Peng, P.
Dudin, T. Kim, M. Hoesch, Z. Fang, X. Dai, Z. X. Shen,
D. L. Feng, Z. Hussain, and Y. L. Chen, Nature
Materials 13, 677-681 (2014).

13

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

スピン流の雑音から情報を引き出す～スピン流高効率制御に向けた新手法～

物性研究所物性理論研究部門

加藤 岳生

本研究が開始された経緯は少々変わっている。発端は2015 年に行われた物性研究所滞在型ワークショップまで遡る。このワークショップではメゾスコピック物理とスピ
ントロニクスの 2 つの分野の交流を主な目的としていた。
講演していただいたスピントロピクス分野の研究者である
当時原研にいた松尾衛さんと、ららぽーと柏の葉キャンパ
スでお茶をしたときのことである。私が「メゾスコピック
分野では電流のノイズでいろんな面白い情報がわかるのだから、スピン流のノイズをはかったら何か面白いことがわ
かるかもしれない」とつぶやいたのを、松尾さんが覚えていてくれたらしい(私はすっかり忘れていた)。松尾さんは

図 1 2 種類のスピン流生成

2016 年に物性研の客員所員として赴任し、来所の折に再などの一般的なスピン間相互作用を考察すると、界面ではびこのアイディアについて議論を行った。幸運なことに2 種類の相互作用(スピン保存過程とスピン非保存過程に30 分ほどで何をしたら面白いかを大まかに掴むことがで対応)が存在することがわかる。非平衡グリーン関数の方き、2017 年から本格的に原研の理論グループと議論を重法[4]を用いて、界面の相互作用について二次摂動計算をねてできあがったのが本研究である。

行うことで、スピン流とそのノイズの解析表式が得られた。

本研究のアイディアはこうである。通常の輸送特性ではこの解析式はトンネル接合の理論とよく似ており、強磁性素子を流れる電流の平均値を測定して議論することが多い。

のマグノン状態密度と金属のスピン状態密度に加え、金

しかし、メゾスコピック分野における長年の研究により、属・強磁性絶縁体の両者のスピン励起の分布差が重要であ

電流の平均値まわりの非平衡ゆらぎ(ノイズ)には電子輸送る。実際にイットリウム鉄ガーネットと白金の界面でのスについての重要な情報、例えば有効電荷や粒子の統計性、

ピン流の非平衡ノイズを評価したところ、図 2 のような温量子もつれなどの情報が含まれることがわかっていた。同

度依存性が得られた。低温領域で熱ノイズは十分抑えられ、じことがスピン流で考えられないであろうか？スピントロ

有益な情報を担う非平衡ノイズが優勢になることがわかる。

ニクスの分野ではスピンポンピングやスピンゼーベック効

スピン流とスピン流非平衡ノイズの測定結果を組み合わ果を利用することで、スピン流を生成することができる

せることで、スピン輸送に関わる重要な情報を得られるこ(図 1)。生成したスピン流は逆スピンホール効果を用いてとがわかる。例えば非平衡スピン流ノイズとスピン流の比電圧に変換できるので、この電圧ノイズを測定することでとして定義されるファノ因子を測ると、スピン励起が担うスピン流のノイズが測定できるはずである。実際に熱ゆらぎによるスピン流ノイズの測定が最近行われている[1]。
一方、スピン流ノイズに関する理論研究は始まったばかりであり、ごく最近に出版されたいくつかの論文で論じられているのみである[2]。
我々の研究[3]では、スピントロニクスの分野で最も重要な系である非磁性金属と強磁性絶縁体の二層系を考察し、そこで生じるスピン流ノイズの理論を構築した。界面では金属中の伝導電子と強磁性体の局在スピンの間の相互作用が生じる。異方的交換相互作用や双極子-双極子相互作用■ ■■ ■ ■■ ■図 2 スピン流ノイズの非平衡温度依存性

物性研だより第 58 巻第 2 号

14有効磁化の情報が得られる。スピン非保存の過程が重要になると、スピン保存・非保存過程の混合により有効磁化は増加する。またスピンポンピングの実験では強磁性体へのマイクロ波照射によってスピン流を生成させるが、同時に強磁性体の温度上昇も引き起こすため、スピンゼーベック
効果も同時に生じうる。スピン流だけの情報でこの 2 つの寄与を峻別することは難しく、長年問題となっていた。しかし、非平衡スピン流ノイズを測定すると、この 2 つの寄与を峻別することが可能である。スピン保存過程のみが生じる系では低温のファノ因子が になることがわかるが、これを逆に校正標準として利用し、金属での逆スピンホール効果によるスピン流-ホール電圧の変換効率(ホール角)の情報を得ることもできる。
2015 年に開催された物性研究所滞在型ワークショップ
では、大谷所員とともに企画・運営を行ったが、その主目
的はメゾスコピック分野とスピントロニクス分野の交流であった。本研究がこの 2 つの分野をつなぐ架け橋となることを期待して、この原稿を終えることにしたい。

謝辞 本研究は、松尾衛氏(現・中国科学院大学カブリ理論科学研究所)、大沼悠一氏(現・中国科学院大学カブリ理論科学研究所)、前川禎通氏(現・理化学研究所上級研究員)との共同研究として行われました。また本研究遂行にあたり、竹井聡さん(クイーンズ大学)、新見康洋さん(大阪大学)との議論がたいへん有益でした。ここに感謝申し
上げます。

参考文献
[1] A. Kamra et al., Phys. Rev. B, 90, 214419 (2014).
[2] A. Kamra and W. Belzig, Phys. Rev. Lett. 116, 146601(2016); S. Takei and M. Mohseni, Phys. Rev. B 97,
014427 (2018).
[3] M. Matsuo, Y. Ohnuma, T. Kato, and S. Maekawa,Phys. Rev. Lett. 120, 037201 (2018).
[4] Y. Ohnuma, M. Matsuo, and S. Maekawa, Phys. Rev.
B 96, 134412 (2017).

15

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

FeSe におけるネマティックドメインにセンシティブ
な超伝導ギャップ異方性

極限コヒーレント光科学研究センター

岡﨑 浩三

常圧では銅酸化物高温超伝導体に次ぐ高い超伝導転移温は明らかにはなっていなかった。超伝導ギャップの異方性を度(Tc)を持つ鉄系超伝導体の発見以来[1]、そのメカニズム

詳細に調べることで、この関係が明らかに出来るはずである。

解明のために盛んに研究が行われている。これまでに発見

加えて、熱伝導度や走査トンネル顕微鏡の測定から超伝導された鉄系超伝導体の中で、FeSe は最も単純な結晶構造

ギャップにラインノードの存在が示唆されている[4]一方で、を持つ物質として知られている[2]が、最近高品質な単結

フルギャップであるとの報告もあり[8]、見解が分かれている。

晶が合成できるようになった[3]ことで、この物質が持つしたがって、超伝導ギャップのノードの位置の特定は、その様々な性質が興味を持たれるようになった。その一つが超メカニズムの分類にも重要と考えられる。

伝導転移温度であり、常圧では 10 K 程度[4]であるが、本研究では、レーザー角度分解光電子分光により、

9 GPa の高圧下では 37 K まで上昇し[5]、SrTiO3 基板上FeSe 単結晶の Brillouin zone(BZ)中心付近に存在するホーの単層 FeSe では 100 K を超えるとの報告もある[6]。もうルフェルミ面における超伝導ギャップの異方性を明らかに

一つの特筆すべき FeSe の特徴はその小さなフェルミエネ

した[9]。その結果、その異方性は軌道秩序を反映した 2

ルギー(F)にあり、FeSe における超伝導は、この特徴に回対称になっており、マルチドメインの試料では超伝導

よって弱結合の Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)的な超ギャップのノードは観測されないが、シングルドメインの伝導と強結合の Bose-Einstein-condensation(BEC)的な試料では楕円形のフェルミ面の長軸の端付近にノードが存

超伝導のクロスオーバー領域にあるという提案もある[4]。

在する事を見出した。この違いは、ドメイン境界における

さらに、FeSe における超伝導のメカニズムに直接関係し

時間反転対称性の破れによるものと考えられる。

得る特徴として、Ts ~ 90 K における正方晶から斜方晶への構造相転移の存在と、他の鉄系超伝導体とは異なり FeSe に

実験結果

は反強磁性秩序が存在しない[7]、ということがある。この構

双晶 FeSe おけるフェルミ面とバンド分散

造相転移には軌道秩序が伴うという、いくつかの理論的、実図 1c, 1f は、それぞれ p 偏光、s 偏光のレーザーで測定

験的な指摘がある一方で、軌道秩序と超伝導の関係についてした 15 K での BZ 中心周りのフェルミ面マップである。

図 1．軌道秩序状態 15 K での双晶 FeSe の電子構造 a. 2 つの双晶ドメインにおける楕円形のフェルミ面の向きと構成する軌道の b で定義される鏡映面に対する偶奇性．b. 実験配置と鏡映面，p 偏光，s 偏光の定義．c. p 偏光で測定したフェルミ面マップ．d. ARPES 強度プロット e. d を運動量方向に二階微分したもの．f-h. それぞれ c-e と同様のものを s 偏光で測定したもの．もう一方のドメインに対応する。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

16楕円形の互いに 90 度回転したフェルミ面が存在する事がかけながら Ts 以下にする操作が必要である。しかしながわかる。さらに、p 偏光では ky 方向に伸びた楕円形のフェら、デツインを行った試料で光電子スペクトルを測定する

ルミ面の強度が、s 偏光では kx 軸方向に伸びたフェルミ面には、そのためのデバイスが必要になるが、これを用いるの強度が強い事がわかる。この偏光依存性は、FeSe ではと超精密測定である超伝導ギャップの異方性の測定は不可構造相転移温度 Ts で正方晶から斜方晶に転移する際に双能になってしまう。一方で、デツインを行わなくても、デ晶ドメインが入り、斜方晶の a 軸と b 軸が混在してしまう

ツインを行った場合と同様のフェルミ面の偏光依存性が測こと、それぞれのドメインでは、図 1a に示すように、図定出来る場合があることがわかった。これは、ドメインサ

1b 中の検出器のスリットを含む YZ 平面に対して奇対称

イズがレーザースポットのサイズ(直径~200m)と同程度な軌道、もしくは偶対称の軌道によってフェルミ面が構成になる場合があるためと考えられる。シングルドメインのされていることから理解できる。同時に、p 偏光と s 偏光

試料でフェルミ面角 90 度付近での超伝導ギャップの異方を切り替えることによって、双晶試料であってもどちらか性をプロットしたのが図 2a の緑の点である。双晶試料とのドメインのフェルミ面のみを切り分けて測定出来ること

比べて、極小となっていた 90 度付近での超伝導ギャップがわかった。図 1d, 1e は p 偏光で測定した図 1c 中の線#1の大きさがさらに小さくなることがわかった。

に沿った ARPES 強度のエネルギー-運動量分布とその運動両方向での 2 階微分、図 1g, 1h は s 偏光で測定した図
1f 中の線#2 に沿った ARPES 強度のエネルギー-運動量分
布とその運動両方向での 2 階微分であるが、p 偏光では楕円形のフェルミ面の長軸方向のバンド分散を捉えているのに対し、s 偏光では短軸方向のバンド分散を捉えていることがわかる。

双晶 FeSe の超伝導ギャップ構造
偏光を切り替えることで双晶試料であってもどちらか一方のドメインのフェルミ面を捉えることが出来ることがわかったため、これを利用して双晶試料での BZ 中心周りのフェルミ面の超伝導ギャップ異方性を測定した。これをフェルミ面角と呼ばれる各フェルミ波数の偏角に対して超伝導ギャップの大きさを極座標表示でプロットしたのが図2a の赤い点、及び青い点である。それぞれ p 偏光、s 偏光を用いて測定した結果であり、p 偏光では楕円形のフェルミ面の長軸方向に対応するフェルミ面角±90 度方向、s 偏
光では短軸方向に対応する 0 度、および 180 度方向の近傍が測定できる。フェルミ面の形状も二回対称である事に対応して、超伝導ギャップの異方性も四回対称とは大きく異なっている事がわかった。特に、四回対称であれば等価な点であるはずの 0 度、180 度方向と±90 度方向とでは超伝導ギャップの大きさがかなり異なっており、0 度、180度では極大になっているのに対して、±90 度方向では逆に極小となっている。

図 2. FeSe の超伝導ギャップ異方性 a. マルチドメイン試料，シ
ングルドメイン試料での結果を極座標表示でプロットしたもの．

シングルドメイン FeSe の超伝導ギャップ構造
双晶ドメインが存在しない、シングルドメインの試料で測定するには、通常デツインと呼ばれる、一軸性の応力を17

物性研だより第 58 巻第 2 号

b. マルチドメイン試料，シングルドメイン試料での超伝導ギャップ異方性を直交座標でプロットしたもの． c., d. 考えられる超伝導ギャップノードの位置と超伝導ギャップの符号．

■■■ ■ ■ ■■

考察
マルチドメイン試料、シングルドメイン試料それぞれの謝辞
本研究は以下の方々(橋本 嵩広、大田 由一、山本 遇哲、

超伝導ギャップ異方性を直行座標でプロットしたのが図鈴木 裕也、下志万 貴弘、渡部 俊太郎、C.-T. Chen、笠2b である。このプロットと、これまで熱伝導度や走査ト

原 成、松田 祐司、芝内 貴禎、辛 埴 各氏)との共同研究

ンネル顕微鏡で超伝導ギャップのノードの存在が示唆されである。また、文部科学省国家課題対応型研究開発推進事ていた事を考慮すると、シングルドメイン試料ではフェル業「光・量子融合連携研究開発プログラム」、JSPS 科研

ミ面角 90 度付近に超伝導ギャップのノードが存在するの

費 基 盤 研 究 (JP25220707, JP16K17741, JP25220710,

は間違いないと考えられる。超伝導ギャップのノードとそ

JP15H02106, JP15H03688)、特定領域研究「トポロジー

れに伴う符号反転を考慮すると図 2c と 2d の場合が考えが紡ぐ物質化学のフロンティア」(JP15H05852)の助成のられるが、図 2c の場合は超伝導対称性が p 波になってしもとに行われた。ここに感謝申し上げます。

まう。上部臨界磁場[10]との整合性を考えると、今のところ図 2d のように s 波対称性の偶発的ノードと呼ばれる場

参考文献

合の方がもっともらしいと考えられる。

[1] Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono,

では、なぜシングルドメイン試料では超伝導ギャップにノードが存在する一方で、マルチドメイン試料ではノードが存在しないのだろうか？走査型トンネル顕微鏡では、双J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008).
[2] F.-C. Hsu et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 105, 14262(2008).

晶ドメインの境界から離れたところではスペクトルの形状[3] A. E. Böhmer, et al., Phys. Rev. B 87, 180505 (2013).

からノードが存在する事が示唆されるが、双晶ドメインの[4] S. Kasahara et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 111,

境界近傍では、フルギャップになる、という結果が報告さ16309 (2014).

れている[11]。これは、秩序変数である二回対称な超伝導[5] S. Medvedev et al., Nat. Mater. 8, 630 (2009).

ギャップが双晶境界を跨ぐ際にその位相が変化することで[6] J.-F. Ge et al., Nat. Mater. 14, 285 (2014).

90 度回転し、双晶境界付近では秩序変数が複素数になる[7] T. M. McQueen et al., Phys. Rev. Lett. 103, 057002

ためと解釈されている。秩序変数が複素数になるという事(2009).

は時間反転対称性が破られる事を意味する。すなわち、双[8] P. Bourgeois-Hope et al., Phys. Rev. Lett. 117, 097003

晶境界では時間反転対称性が破れており、その結果、超伝(2016), L. Jiao, et al., Sci. Rep. 7, 44024 (2017) など.

導ギャップのノードが消失してしまうと考えられる。
これまで FeSe における超伝導ギャップのノードの存在[9] T. Hashimoto, K. Okazaki et al., Nat. Commun. 9, 282(2018)に対して見解が分かれていた原因も、この双晶境界の存在[10] T. Terashima, et al., Phys. Rev. B 90, 133517 (2014).

による可能性がある。すなわち、本質的な超伝導ギャップ[11] T. Watashige, et al., Phys. Rev. X 5, 031022 (2015).

異方性にはノードが存在するのにもかかわらず、双晶境界が多く含まれた試料では、時間反転対称性の破れによってフルギャップに見えてしまうのである。我々の結果は、試料全体を測定するマクロスコピックな測定では、このように双晶境界の存在による時間反転対称性の破れなどによって、本質的な超伝導対称性とは異なる対称性に見えてしまう場合があり、ミクロスコピックな測定でなければ本質的な超伝導対称性は決定できない場合があることを示唆しており、今後の超伝導研究において極めて重要な結果であると考えられる。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

18反強磁性金属における巨大な磁気光学カー効果と磁気八極子ドメインの直接観察

ナノスケール物性研究部門（量子物質研究グループ併任）
量子物質研究グループ
研究の背景

肥後 友也
中辻

知

本研究では、反強磁性体において初めて異常ホール効果

磁気光学カー効果(ファラデー効果)は、直線偏光した光が観測された非共線スピン構造を持つ反強磁性金属

を磁性体に照射した際にその反射光(透過光)の偏光面が回Mn3Sn において、巨大な磁気光学カー効果や反強磁性ド転する現象である。これらの線形磁気光学効果は、光磁気メインを観測することを目的に実験を進めてきた。以下でディスクや通信線路などで用いられる光アイソレータ等のは、その結果について紹介する。

磁気光学素子の原理であるほか、磁気特性や電子状態といった基礎物性や磁気ドメインを非破壊・非接触で、かつ、実験結果

簡便に測定する手段として基礎~応用研究に広く用いられ反強磁性体 Mn3Sn は図 1(a)に示すように、空間群ている。一般に、これらの線形磁気光学効果は、マクロなP63/mmc に属する六方晶の系で、磁性元素 Mn からなる

磁化とスピン軌道相互作用により生じると考えられており、カゴメ格子が ABAB の順序で積層した構造を持ち、逆 120磁化を持つ強磁性体やフェリ磁性体において精力的に研究度構造と呼ばれる非共線スピン構造が T = 430 K という高が行われてきたが、一方で、磁化がゼロの反強磁性体では温から現れる[2]。この反強磁性スピン構造は、磁化ゼロ

その検出が困難であると考えられてきた。

の状態においても強磁性秩序の場合と同様に巨視的に時間しかし、最近の研究の進展により、磁気光学効果は異常

反転対称性が破れた状態を実現するが、これは図 1(b)に示

ホール効果と同様の対称性の議論からその振る舞いを考察すように、2 層のカゴメ格子に 3 つの副格子からなるスピ

することが可能であり、つまり、時間反転対称性が巨視的

ンを 6 つ配置されたスピン構造(クラスター磁気八極子[3])に破れ、有限のベリー曲率を運動量空間に有する系では、を秩序変数とした際に、この磁気八極子が強的に秩序し磁化を持たない反強磁性体においても巨大な磁気光学カーていることから理解できる。実際の系では、対称性から効果が現れることが理論的に明らかになってきた[1]。

許される強磁性体の 1/1000 程度の微小なキャント磁化

図 1 反強磁性金属 Mn3Sn の結晶構造(a)と磁気構造(b)。(a) [0001]方向に二層のカゴメ格子が積層した構造をもち、磁性元素 Mn は正三角形の頂点に配置されている。(b) Mn のスピンは各カゴメ格子の層で逆 120 度構造というスピン構造をとる。二層のカゴメ格子上の6 つのスピンを見てみると、六角形で囲まれているように、クラスター磁気八極子と呼ばれるスピン秩序のユニットを持っていることが
わかる。

19

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

~6 mμB/f.u.を示すが、この微小な磁化とカゴメ面内での転角の符号が10 mT程度の磁場で制御できることを観測し

磁気異方性が非常に小さいことにより、面内方向へ数た(図2(a)と2(b))。さらに、面内方向への磁場を印加する

10 mT 程度の外部磁場をかけることで反強磁性ドメイン

縦カー効果の構成での測定から、バルク物性である磁化(磁気八極子ドメイン)の制御が可能であり、ドメイン反転や異常ホール効果と同様に、磁化困難軸への磁場印加のによって、強磁性体に匹敵するほど大きな異常ホール効果

際(B || [0001])にカー回転角の消失が見られ、表面の不純[2]や異常ネルンスト効果[4]が室温かつゼロ磁場において物等の影響ではなく、Mn3Snの結晶/磁気構造を反映した現れることが確認されている。これらの巨大な自発的電気応答であることも確認できた(図2(c)と2(d))。

-磁気応答は、外部磁場 100 T に相当するほど大きなベ

また、400nm-1100nm での極カー効果のスペクトル測

リー曲率、もしくは、仮想磁場が運動量空間に存在し、磁定の結果、このカー回転角は、室温において、レーザー光

気八極子秩序からなる反強磁性ドメインの反転に伴って反源として広く用いられているダイオードの発振波長に近い転していることを示唆する結果である。Mn3Sn における600 nm 程度で最大値 20 mdeg を示すことが明らかになっ

100 T に相当する仮想磁場の起源としてワイル金属状態にた ( 図 2(e)) 。 上 述 し た よ う に 、 Mn3Sn は 強 磁 性 体 のおけるワイル点の存在が理論的に予測されていたが[5]、1/1000 程度の微小なキャント磁化を持っているが、今回

最近、第一原理計算と角度分解光電子分光測定・磁気抵抗観測されたカー効果が、微小な磁化由来か否かを議論する

測定から、この系が「時間反転対称性の破れたワイル金属

ために、第一原理計算により極カー効果のスペクトルを求(ワイル磁性体)」の初めての例であり、フェルミ面近傍のめた。図 2(f)左に示すように、クラスター磁気八極子秩序

ワイル点が仮想磁場の起源であることが報告された[6]。

の持つ自発磁化が 0、0.005、0.025 mμB/f.u.となるように

今回、我々はブリッジマン法により作成したMn3Sn純

スピンをキャントさせた磁気構造を仮定して計算すること

良単結晶試料の(2110)面を鏡面研磨し、これを反射面としで、図 2(f)右のスペクトルを得た。磁化が打ち消しあってて用いて磁気光学カー効果を測定した。面直方向への磁場いる状態(0 μB/f.u.)において最大のカー回転角を示すこと

B || [2110]を印加する極カー効果の構成での磁場依存性から、Mn3Sn における巨大な磁気光学カー効果は、微小の測定から、室温・ゼロ磁場下で17.5 mdegという強磁性

磁化ではなく、磁化の総和をゼロとするように配置された体に匹敵する巨大な極カー回転角が自発的に現れ、その回複数のスピンから構成されるクラスター磁気八極子であり、

図 2 (a-d)反強磁性金属 Mn3Sn の磁気光学極カー効果(a,b)と縦カー効果(c,d)の磁場依存性。室温(300 K)での磁気光学カー効果による
偏光面の回転(カー回転角)の磁場に対する応答とそれに対応する磁気八極子のスピン構造をそれぞれ示す。(e)室温、ゼロ磁場下での自発的なカー回転角の波長依存性。(f)理論計算によって求められたクラスター磁気八極子がもたらすカー回転角の波長依存性。実験結果と類似の波長依存性を示していることに加え、クラスターの持つ自発磁化を 0 から 0.025μB まで変化させてもカー回転角が変化しないことがわかる。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

20磁気光学カー効果が現れないと考えられていた無磁場かつ磁化ゼロの反強磁性状態においても巨大なカー回転が現れることを明らかにした。

今後の展開
現在、漂遊磁界がゼロ・高速応答が可能な不揮発性磁気メモリ等の磁気デバイス開発への期待から、機能性反強磁

さらに、磁気光学顕微鏡を用いて観察することにより、性体に関する研究が盛んに行われている。中でも、強磁性

磁気八極子を持つ反強磁性ドメイン( ≒ カー回転角の正体に匹敵する巨大な電気－磁気応答・熱－磁気応答・光－

負の符号)の反転に伴ったコントラストの変化をイメージ

磁気応答特性の開拓に特に注目が集まっており、これらのングすることに初めて成功した(図 3(a)と 3(b))。コントラ特性を創出する起源と考えられているクラスター磁気多極ストを示す 2 つの反強磁性ドメインは巨大な異常ホール効子秩序の機構解明とその観測・制御方法の確立が望まれて果や異常ネルンスト効果の起源である符号の異なる 100 Tいる。本研究において行われた反強磁性体 Mn3Sn での磁の仮想磁場を持つ磁気八極子ドメインに対応していると考

気八極子由来の巨大な磁気光学効果の観測や反強磁性ドメ

えられる。

インのイメージングは、反強磁性体を用いたデバイス研究への広範囲な応用展開が可能である。通常、反強磁性体の磁気ドメインの可視化には中性子散乱や放射光実験が行える巨大施設が必要だが、テーブルトップで、かつ、試料を非破壊・非接触で測定可能な磁気光学カー効果による反強磁性ドメインのイメージングは、我々が現在精力的に研究している異常ネルンスト効果を用いた磁気熱電デバイス等の反強磁性体を用いたデバイスの特性を評価する上でも非常に有用な技術であり、本手法を用いた研究が急速に進んでいくことが期待される。

謝辞
本研究は、東大物性研の H. Man 氏、M. Ikhlas 氏、理研 CEMS の是常隆氏(現：東北大)、鈴木通人氏(現：東北大)、有田亮太郎氏、米国 NIST の R.D. Shull グループ、
UCB の J. Orenstein グループ、U.S. NRL の O.M.J. van ’t
Erve 氏、JHU の C.L. Chien グループとの共同研究、大谷義近氏、H. Chen 氏をはじめとする数多くの方々との議論を通して得られた成果である。
また、本研究は、JST-CREST「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」研究領域(研究総括：谷口 研二、研究副総括：秋永 広幸)課題番号 JPMJCR15Q5(研究代表者：中辻 知)、文科省 科研費 新学術領域「JPhysics：多極子伝導系の物理」課題番号 15H05882 (研究代表：播磨 尚朝)、課題番号 15H05883 (研究代表：中辻 知)、日本学術振興会 戦略的国際研究交流推進事業「頭脳循環を加速する戦略的国際研究ネットワーク推進プ
図 3 反強磁性金属 Mn3Sn の磁気光学カー効果による磁気八極ログラム」における事業課題「新奇量子物質が生み出すト

子ドメインの直接観察像。

ポロジカル現象の先導的研究ネットワーク」(主担当者：(a)室温での試料表面の観察像。1-8 の番号は図 2(a)中での各点における測定に対応している。面直方向へ加えられる外部磁場に瀧川 仁)の一環として行われた。

よりコントラストが変化(灰色⇔黒色)している。黄色部分は磁壁を示している。(b)コントラストに対応した磁気八極子ドメイ
ンの概要図。

21

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

[1] H. Chen, Q. Niu, and A.H. MacDonald, Phys. Rev.
Lett. 112, 017205 (2014); W. Feng, G.-Y. Guo, J. Zhou,
Y. Yao, and Q. Niu, Phys. Rev. B 92, 144426 (2015).
[2] S. Nakatsuji, N. Kiyohara, and T. Higo, Nature 527,
212 (2015).
[3] M.-T. Suzuki, T. Koretsune, M. Ochi, and R. Arita,
Phys. Rev. B 95, 094406 (2017).
[4] M. Ikhlas, T. Tomita, T. Koretsune, M.-T. Suzuki, D.
Nishio-Hamane, R. Arita, Y. Otani, and S. Nakatsuji.
Nat. Phys. 13, 1085 (2017).
[5] H. Yang, Y. Sun, Y. Zhang, W.-J. Shi, S.S.P. Parkin,and B. Yan, New J. Phys. 19, 015008 (2016).
[6] K. Kuroda, T. Tomita, M.-T. Suzuki, C. Bareille, A.A.
Nugroho, P. Goswami, M. Ochi, M. Ikhlas, M.
Nakayama, S. Akebi, R. Noguchi, R. Ishii, N. Inami,
K. Ono, H. Kumigashira, A. Varykhalov, T. Muro, T.
Koretsune, R. Arita, S. Shin, T. Kondo, and S.
Nakatsuji. Nat. Mater. 16, 1090 (2017).
[7] T. Higo, H. Man, D.B. Gopman, L. Wu, T. Koretsune,
O.M.J. van ’t Erve, Y.P. Kabanov, D. Rees, Y. Li, M.T. Suzuki, S. Patankar, M. Ikhlas, C.L. Chien, R.
Arita, R.D. Shull, J. Orenstein, and S. Nakatsuji, Nat.
Photon. 12, 73 (2018).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

22日本中性子科学会第 15 回技術賞を受賞して中性子科学研究施設

益田 隆嗣

2017 年 12 月 2-3 日に福岡大学で開催された日本中性実験では飛行時間を記録することでエネルギーが決定さ

子科学会第 17 回年会において、中性子科学研究施設の皆れます。したがって、エネルギー方向にも幅広い領域を様および高エネルギー加速器研究機構の皆様と共同で、第測定することになります。図 2(b)-2(d)は各々1 meV、2

15 回中性子科学会技術賞を受賞する栄誉に恵まれました

meV、3 meV の励起スペクトルを表していますが、これ[1]。受賞テーマは、「高分解能チョッパー分光器 HRC のらは図 2(a)と同時に測定されたデータです。(0, -1.5)か

建設と中性子ブリルアン散乱法の実装」でした。高分解能

らスピン波が立ち上がっている様子が分かります。さらチョッパー分光器(High Resolution Chopper Spectrometer,に、測定データの切り口を、波数-エネルギーにすると、HRC)は、東京大学と高エネルギー加速器研究機構が共図 2(e)、2(f)のような分散関係が得られます。このように同で J-PARC MLF に建設し、2010 年 5 月にビーム実験

して、波数-エネルギーの 4 次元空間で定義される動的が開始されました。meV から eV にわたる広いエネルギー

相関関数を効率的に測定することができます。図 2 では、領域の中性子を高分解能で利用し、物質のダイナミクスを

マルチフェロイック物質 NdFe3(BO3)4 のスピン・モデル

幅広い波数-エネルギー空間で効率的に測定を行い、詳細を決定することにより、磁気異方性の起源が Nd イオンな研究を行うことが可能となっています。

の結晶場であることが明らかとなりました[3]。この実験
では、試料の入射中性子エネルギー(Ei)を 10 meV としており、0.4 meV 程度の高いエネルギー分解能で実験を行うことができたため、磁気Γ点での異方性ギャップの大きさを見積もることもできました。
効率的な測定が可能となった一方で、収集されるデータ量は膨大になりました。これらのデータを解析するためのソフトウェア開発に、中性子施設は大きな貢献をしました。

図 1：HRC 分光器の概念図

また、測定 q 空間を広げるための検出器増設にも貢献をしました。

HRC 分光器では、試料位置を中心とした半径約 4m 中

Ei を大きくすれば、より高いエネルギーの励起を観測す

心角 90 度の弧上に、直径 3/4 インチ高さ約 3m の細長いることもできます。図 3 は、ブリージングパイロクロア物質

位置敏感型検出器が設置されています[2]。これにより、

Ba3Yb2Zn5O11 の中性子スペクトルです。Ei =150meV で

3 次元波数 q 空間において検出器がカバーする 2 次元面実験を行ったので、固有エネルギーが 68 meV, 55 meV, 38

上での測定を一度に行います。図 2(a)に紺色の領域が示

meV の結晶場励起を観測することができました[4]。これされていますが、これは、試料を回転させることにより、により、Yb イオンの基底波動関数を決定することができ弧状の検出器が 2 次元逆格子空間を掃引した様子を示しました。原子炉中性子では 70meV 以上の中性子を作るにています。(0, -1.5)に赤いスポットがありますが、これはホットソースとよばれる特殊な装置が必要となるため、は磁気ブラッグピークです。このように、チョッパー分

これまであまり実験されてきませんでした。J-PARC が光器では q 空間を効率的に測定することができますが、稼働してから、結晶場の中性子実験が国内で簡単にできるそれだけではありません。熱中性子 25.3 meV の中性子ようになりました。

の速度は秒速 2.2 km 程度であるため、ミリ秒の飛行時間

HRC の特徴の一つは、0.6 度の低角まで散乱実験が可能と飛行距離を測定することにより、中性子の速さ、すなであることです。これによりたとえば、粉末強磁性試料のわちエネルギーを決めることができます。飛行距離は、Γ点近傍のスペクトルが測定可能となり、中性子研究の幅

試料位置から検出器までの距離で固定されているので、が大きく広がりました[5]。

23

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

図 2：マルチフェロイック物質 NdFe3(BO3)4 の中性子非弾性スペクトル[3]。

分解により、等価なミラー指数のブラッグピーク(たとえば、(00l), l = 1, 2, 3, …)を時間分解することができます。これは、速度の速い X 線では困難です。図 4 は、クランプ式圧力セルに封入した結晶の高圧下での磁気ピー
クの温度依存性を示しています[6]。セルの材質は CuBe
合金で、肉厚は 6 mm となっていますが、透過力の強い中性子を用いると、ピークプロファイルがきれいに測定されます。
このように、J-PARC に建設された HRC 分光器を用い
図 3：Ba3Yb2Zn5O11 の結晶場励起スペクトル[4]。

ることにより、幅広い波数-エネルギー空間の動的相関関数の測定を効率的に収集できるようになりました。必要に応じて回折実験による秩序変数測定も可能です。現在では数多くの共同利用ユーザーがこの分光器を使って研究を行っています。中性子施設では、引き続きソフトウェア開発を継続すると同時に、検出器増設、試料環境機器の充実に尽力しています。今後とも皆様のご支援をどうぞよろし
くお願いします。

謝辞
本稿に記載した実験データの多くは、林田翔平博士(元益田研大学院生、現在 ETH 博士研究員)との共同研究によるものです。ここに感謝の意を表します。
図 4：CsFeCl3 の圧力誘起秩序相における磁気ピーク。

[1] 本技術賞は、伊藤晋一氏(KEK)、横尾哲也氏(KEK)、吉澤英樹氏(元中性子施設)、遠藤康夫氏(元東北大学）、HRC 分光器は非弾性散乱実験用に設計されています

川名大地氏(中性子施設）、杉浦良介氏(中性子施設）、が、弾性散乱実験、すなわち中性子回折実験もできます。

浅見俊夫氏(中性子施設）、左右田稔氏(理研）、井深壮

特に、白色中性子によるラウエ法を用いると、飛行時間

史氏(元 KEK）、羽合孝文氏(KEK)との共同受賞です。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

24

[2] 弧の中心角は、現在の HRC では 90 度となっておりま
すが、予算に応じて、最大 120 度まで広げることが可能となっております。皆様のご支援をよろしくお願いします。
[3] S. Hayashida, M. Soda, S. Itoh, T. Yokoo, K. Ohgushi,
D. Kawana, H. M. Ronnow, and T. Masuda, Phys. Rev.
B 92, 054402 (2015).
[4] T. Haku, M. Soda, M. Sera, K. Kimura, S. Itoh, T.
Yokoo, T. Masuda, J. Phys. Soc. Jpn. 85, 034721(2016).
[5] S. Itoh, Y. Endoh, T. Yokoo, S. Ibuka, J-G. Park, Y.
Kaneko, K. S. Takahashi, Y. Tokura and N. Nagaosa,Nature Communications 7, 11788 (2016).
[6] S. Hayashida, O. Zaharko, N. Kurita, H. Tanaka, M.
Hagihala, M. Soda, S. Itoh, Y. Uwatoko, and T.
Masuda, Phys. Rev. B 97, 140405 (2018).

25

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

仁科記念賞「トポロジカル量子物性物理学の創始」、
朝日賞「トポロジーの物性物理学への導入」を受賞
して
甲元 眞人
私の理論物理学者としての歩みの原点は、1978 年の Leo

1976 年に Chicago 大学物理学科大学院に入学しました。

P. Kadanoff との出会いです。それ以来、彼が 2015 年に最初に Fano が指示したのは原子衝突、原子核衝突に現れ亡くなるまで、生涯の師と仰ぎ、彼の学生であったことをる角運動量の量子論でした。しかし明確な研究目的が与え誇りに思ってきました。その出会いは、多くの偶然によるられたわけでなく、ただ単にあのとてつもなくややこしいものです。それはそこからさらに 5 年ほどさかのぼります。

角運動量の代数の計算をやっていましたが、それを熟達しました。Chicago 大学の物理学科では、大学院入学してか1973 年に東京大学工学部物理工学科を卒業してすぐに国ら博士資格試験に合格する必要がありました。私はそれに分寺にある日立中央研究所に入所しました。物理ができる

2 番で合格しました。(その時の 1 番が、あの h-Index をという甘い考えを持っていましたが、最初に配属されたの提案した Jorge E. Hirsch でした。)しかしながら、Fano

は、電子回路を研究する部署でした。何も分からないうちは私のことをずっと頭の悪い学生だったと思っていたように、高速のアナログ・デジタル変換器を作れという命令でで、そのような扱いで、あまりまともな議論をしてくれました。これは物理と関係ないし、大学時代に取った電気回せんでした。ある日角運動量代数の本にない新しいかなり

路の授業が恐ろしくつまらなかったこともあり、積極的に複雑な公式を見つけて、Fano に報告しました。それがどはなれませんでした。仕方ないのでせっせと集積回路素子、

ういう訳か Fano の機嫌を損ねたようで、このようなこと

抵抗、コンデンサーなどを集め、電子基盤の上でハンダご

で物理はどこに行ったのかと、激しく叱責されました。さて作業を進めました。当時の部長が目をかけてくれて、すがに翌日には謝っていました。そのあと Fano は私の前

しょっちゅう会っては、私が文句ばかり言っていました。

で公式をまるっきり等価な式に置き換えていき、あまり代それでアナログ・デジタル変換器が完成したら、レーザー

わり映えのしない変換をこれが物理だと言いながらやって関連を研究する部署に移って良いことになりました。そしいました。その時はかなりしらけてしまいました。南部陽て新しい部署ではレーザーを作ったり、それでレーザー写

一郎先生が角運動量代数などのことを聞いてくだり、京都

像器、レーザープリンターなどを作ったりしていましたが、大学の教授に関連する仕事があると教えてくれました。さ

どれも実用にならず、日立もずいぶん無駄なことをしていらに南部先生がちょうど日本へ出張してその京都の人と会たと思います。私の文句は止まらなかったのですが、研究う機会がありました。残念ながらその方はその角運動量代所では特別待遇でした。当時は、日立製作所が電気業界最数のことはすっかり忘れていたそうです。このようにして大手で業績が良く、おおらかな時代だったのでしょうか。

Fano のところがすっかり嫌になり、2 年間無駄な時間を後に有名になる外村彰さんがおられて、ホログラフィー電

過ごしました。論文は一つありますが[2]。

子顕微鏡の開発を始めていました。
それで新しい分野を探すことになり、南部先生のいる素粒
理論物理に興味を持ったので、研究所の通常業務の他に東子論グループと Chandrasekhar のいる天体物理グループ

京大学の渡部力先生の指導のもとで、原子衝突の研究を始を考えました。南部先生ですが、素粒子論では就職が極めめました。論文を 3 本共著で書きましたが[1]、理論物理て難しいこととその他のことで学生をほとんど取っていまを本格的にやり始めようという気持ちになり、渡部先生とせんでした。ほかの教授の授業を取っていたので、その人相談しました。その結果、渡部先生の推薦で、Chicago 大に頼みにいきました。初めは OK をもらいましたが、のち学の Ugo Fano のところに留学することになりました。

に私が日立にいただけ年齢が上だということで御破算になFano は Fano 効果その他多くの業績があり、原子物理学、りました。天文物理ですが、以前 Robert Wald の相対論の放射線物理学の世界的権威でした。

授業を受けたことがありました。そこで Einstein の重力方程式の Schwarzschild 解などを求めていました。Wald■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

26

に話したら OK でした。彼は私のルームメイトが Gary T.

Thouless が Hofstadter 問題に興味を持っていたことが大Horowitz なのでちょうど良いと言っていました。Gary は

きな幸運になりました。当時、Wannier function でよくChicago で最初に会った同級生で、すぐに親友になり一緒知られている Gregory Wannier が Oregon 大学にいて、に 旅 行 な ど も し ま し た 。 お 前 の お じ さ ん は Vladimir

私が着任する前に Washington 大学でセミナーをしたそう

Horowitz かと聞いたらそうだといっていました。彼が現です。Wannier は Douglas Hofstadter の Ph D 指導教官

在 Santa Barbara にいる著名な String, Blackhole の研究で、有名な Hofstadter’s butterfly は博士論文によるもの

者です。そうこうしているうちに学科主任がやってきて、です。Wannier は Hofstadfter 以前に重要な論文を残して今度 Kadanoff という有名な人が Chicago に来るが、そのいます。

人と仕事をしてはどうかと言ってくれました。私はその当時、Kadanoff という名前を知りませんでし、何をやる人1980 年に量子ホール効果が発見されました。その驚異的だかも知りませんでした。有名ならそれでいいという程度な精度のホール電導度は、それまでの物性物理の常識の範の認識で、学生にしてもらいました。

囲を超えるものでした。このような状況の中、実際の半導体界面からはかけ離れていますが、ある意味理想的な

このような経過で Kadanoff の指導を受けることになるの

Hofstadter におけるホール効果を調べるのは意味があるです。最初の問題は古典スピンモデルの相転移をくりこみ

こ と だ と 思 い ま し た 。 そ の 研 究 の 成 果 が Thouless-

群により解析することでした。ここで見放されては大変だ

Kohmoto- Nightingale-den Nijs 共著の TKNN 論文ですと思い、本当に真剣に取り組みました。3 ヶ月ぐらいで最[6]。この経緯は物理学会誌に書きました[7]。

初の論文を書くことができました[3]。その次の問題が大変でした。その当時、Sato-Miwa-Jimbo の Ising model

そして私は Illinois 大学へ移りますが、そこでまず大野さの相関関数の理論が提案され、それが統計力学のトップのんと高分子のくりこみ群による研究を行い、大変な計算で人たち、例えば Michael Fisher などに熱狂的な期待を持したが論文を 3 本書くことができました[8]。それからたれていました。それに沿って Ising Model の相関関数を

Hofstadter 問題に戻り、それを表す一次元準周期 Harper

計算せよという事でした。ところが Sato-Miwa-Jimbo の方程式の金属、絶縁体転移をスピン系の相転移との類推で論文は連続してありましたが、どれも極めて難解で、どう調べました[9]。ここで金属相というのは、すべての波動

したら良いか解りませんでした。それでも 1 年間必死に関数が広がってる相で、絶縁相というのは、すべての波動

なって頑張りましたが、3 点相関関数をかろうじて計算で関数が局在している相をいいます。論文を書いて提出した

きただけで、まるっきり行き詰まってしまいました。それら、すぐに Cal Tech の数学者 Barry Simon から電話がかで Kadanoff と共著の「SMJ’s Analysis of Ising Model

かってきて、お前の論文は間違っていると、まくし立てら

Correlation Function」という半分 review の論文を Annal.

れました。それから手紙のやり取りと電話で議論をしましof Phys.に出版しました[4]。この結果は不十分でしたが、た。結局、数学者の定義に従っているかどうかだけの問題

その分野の第一人者たちからは注目されました。Michaelでしたので、私にとってはどうでも良いことでした。数学

Fisher からも質問の手紙が来ました。(当時は e-mail がな

者は何しろ定理を証明しなくてはいけないので、準周期そかったので。)後になって分かってきたのですが、そのようのものに正面から取り組まざるを得ません。私のような物な人たちは私の名前を初めて覚えてくださったようです。

理学者が考えるようにまず周期系を調べその極限としてのSMJ 理論はこの後、結果を出すことができず、忘れさられ準周期系を考える、そして必要なら数値計算の助けを得る

ることになりました。結局、Ashkin-Teller model というという感覚は、彼らには馴染みのないことです。Simon

二次元古典スピン系の相転移、臨界現象の研究により、は色々と名前をつけるのが好きで、準周期 Harper 方程式

1981 年 Chicago 大学より Ph D を取得しました。このモデを Almost Mathieu 方程式と名付けています。これはルの中には Kosterlitz-Thouless 転移もありました[5]。

Harper 方程式が、特殊関数論で有名な Mathieu 方程式を離散化したように見えるからです。Almost というのは、

この後、ポストドクとして Whashington 大学で Thoulessquasi periodic と い う と こ ろ を 数 学 者 は よ く almostと研究をすることになります。ここでまた自分よりはるか

periodic というからです。Almost Mathieu 方程式は数学に優れた人と接することになるわけです。ここで者にはよく知られていて、多くの研究がなされています。

27

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

厳密な扱いは、2014 年のフィールズ賞受賞者 Artur Avila

すぐそれを理解することです。Berry Phase をいち早く注の重要な業績となっています。

目し、それを数学的に解釈した論文を出版したのは、
Michael Berry の論文以前のことです。しかし Simon のKadanoff と考えた準周期系のモデル(KKT)があります

論文では connection を見落としており、あまり有用では[10]。これを解くのに従来の方法を取らずに、力学系の写ありません。Avron-Seiler-Simon は homotopy 理論を使像(trace map)による考察により、エネルギースペクトル、

い TKNN を解析しました。それを説明されましたが、数波動関数の臨界性、スケール普遍性、Fractal またはカオ

学の素養の乏しい私はよく理解できませんでした。彼らのスなどが明らかになります。実は力学系の写像で解析され結論は、何の対称性も仮定しないバンド絶縁体では量子るようにモデルを作ったのです。ですからポテンシャルは、

ホール状態以外のトポロジカル相は不可能ということです。

一見非常に特殊に見えます。このモデルのエネルギースペ

しかし、例えばトポロジカル絶縁体などでは、何らかの対

クトルを数値的に求めましたが、これを解析すると、すぐ称性があるので、あまり建設的ではない結論だと思います。

にこれが常に臨界的であることがわかりました。というのは、準周期 Harper モデルでは、金属相、絶縁相があり、1 次元準周期系の研究を一段落させて、量子ホール効果にその境界では系は臨界的になりエネルギースペクトルはついて再び考え始めました。まず波動関数の k 微分で与え

singular continuous であることを示していたからです。

られるベクトル場 A を考えます。これは接続です。
（現在

KKT モデルのエネルギースペクトルは常にこのような様ではしばしば「ベリー接続」と呼ばれますが、この解析は子を示します。これにも Barry Simon が早速かみつき、Berry phase と関係ありません。）線形応答理論による

なぜ singular continuous なのか執拗に聞いてきました。

ホール伝導度は、A の回転(仮想磁場)を k-空間、磁気ブ

のちに力学系の写像の性質を詳しく調べ、厳密ではないがリルアンゾーン上で積分したものとして与えられます。こほとんど異論が出ないような解析を行いました[11]。また

れは直接、線形応答理論では見えなく、多少の解析が必要

後に数学者が KKT モデルのエネルギースペクトルがです。磁気ブリルアンゾーンは実空間の単位格子が仮に正singular continuous であることを厳密に証明しています。

方形でも、それを複数並べたものが実質的な単位格子にな

この KKT モデルとその力学系の写像(trace map)に関して、るために逆空間で長方形になります。TKNN では A の回

多数の量の数学の論文があり、数学の一分野をなしていま

転(仮想磁場)の積分を Stoke’s の定理を使い長方形周辺のす。1984 年に D. Shechtman らの準結晶の論文が出まし

線積分にします。これは長方形を 1 周する積分で、それがた。それに影響されて考えたのですが、KKT 論文の一見整数になるということを使いました。この議論は便宜的に非常に特殊に見えたポテンシャルが、実は単に Fibonacci

正しい量子ホール伝導度を与え、これを TKNN 整数とよ数列を表しているのに過ぎないことに気がつきました。こびます。しかしこの議論には重大な欠陥があります。といのようになんとも笑えるようなことになりました。KKT

うのは長方形の左辺と右辺、下辺と上辺はそれぞれ同一なモデルは 1 次元準結晶を表しているのです[12]。

ので、磁気ブリルアンゾーンはドーナツの表面、つまり 2次元のトーラスになるからです。これはトポロジーとしてSimon との Harper 方程式に関する騒動のあと、Simon が非自明です。この事実が電子状態のトポロジーを考える第主催する 1983 年夏にパリで行われたの Schroedinger

一歩です。もしトーラス全域で Stoke’s の定理が適用でき

operater に 関 す る 会 議 に 呼 ん で く れ ま し た 。 そ こ にるとすると、トーラスには境界が無いのでホール効果は無Simon の緊密な共同研究者であった Yosi Avron も出席しいということになります。これは磁場の無い時には全く正ていましたが、会うなりいきなり TKNN を絶賛されて、しい結果です。しかしながら磁場がある時には電子状態がとても戸惑ったことを思い出します。それは TKNN 論文

ねじれ、非自明なトポロジーがあることがあります。ですが出版された直後で、Avron と Simon が TKNN 論文の重から Stoke’s の定理はトーラス全面で使うことができませ

要性を認めてくれた最初の人たちです。TKNN というのん。この状況は微分幾何学(トポロジー)という数学の分野

は名前付の好きな Simon によるものです。Simon は驚異を使うことにより理解できます。磁気ブリルアンゾーンを的な頭脳の持ち主で一流の数学者です。私の発表した

底空間、波動関数の位相をファイバーとする U(1)ファイ

KKT モデルの trace map による解析を完璧に理解していバー束を考えます。TKNN 整数はトポロジカル不変量のました。彼の凄いところは、重要な論文をいち早く見つけ

Chern 数になります。ここで A はゲージ場と考えられる■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

28ので、その回転は仮想磁場です。仮想磁場をトーラス上でれに Thouless は手直ししたそうですが、どうして共著に積分するので、Chern 数はトーラス内部の(符号付きの)なったのかわかりません。その時には、Thouless が原稿

磁気モノポールの数と考えられます。このように Dirac モ

を読んでトポロジカル不変量、Chern number を認めたと

ノポールとのアナロジーがあります。(Dirac モノポール

推察されます。

の底空間は球)その後 10 年ぐらい経って Thouless の退職記念の会議が
これらのことを詳しく記述したのが 1985 年の Ann. of

Seattle で盛大に行われました。そこで Thouless の講演をPhys.論文です[13]。この結果は、Hofstdter という一つの聞きました。主に TKNN に関してでしたが、トポロジー

モデルにとどまらず、それが新しいトポロジカル量子物性に言及することはなく、Nightingale と den Nijs の貢献をのパラダイムの基礎につながったようにも思えます。

強調していました。

その当時私は、電子状態にねじれがありそれがトポロジー

1984 年に Utah 大学に移りました。すぐ Dan Mattis が非自明であるというような考え方は、興味深いことではあやってきて Haldane gap の話を始めました。その数年前、ることではあるが、それほど重要だと思っていませんでし

F. Duncan M. Haldane がまだ University of Southern

た。その原稿を TKNN 論文の解説ぐらいに思って、SMJ

California にいた頃、そこにいた真木和美さんと一緒に彼論文の時と同じように、Ann. of Phys. に投稿しました。

の話を聞きました。Higher spin の話ですが、私は、そのその原稿が Editor から漏れたようで、著名な素粒子論の頃古典スピンのことばかりやっていましたし、また量子ス

研究者たちが論文を送ってきました。Roman W. Jackiw

ピンは 1/2 だと思っていましたので、その重要性はまるでだったかもしれません。それでは少しは面白いのかという気がつきませんでした。それで Haldane にそれは何か実感想を持ちました。実はこの原稿を事前に Thouless へ送

験に関係あるのかと質問しましたが、いやな顔をしていまりました。もし彼がトポロジーの観点から量子ホール効果した。

を見るということに同意して、それに何か付け加えることがあれば、共著にしても良いと思ったからです。彼のコメ

真木さんをその後 Utah に招待して、講演のあとスキーな

ントは、液晶の texure にアナロジーがあるとのことでし

どをしました。Salt Lake City には有名なスキー場がたくたが、私にはよく解りませんでした。超電導渦、超流動渦、さんあり、のちに冬季オリンピックの会場になりました。

格子欠陥などでは、実空間でそのものが観測量になってい真木さんとは、またその後白石さん、森田さんと銅酸化物ます。量子ホール効果では波動関数がねじれていますが、

高温超伝導体の量子渦を研究することになります[14]。

波動関数は直接見えるもではありません。物理量として
ホール伝導度が、その波動関数から、非常に非自明に求めそのようなことで Haldane gap にはあまり興味がなかっられるものです。

たのですが、Mattis が Lieb-Schultz-Mattis 論文の関連する部分のコピーを持ってきて、Haldane gap が存在しな

のちに Niu-Thouless-Wu の論文があります。これは量子いことを証明しろというのです。仕方がないので、しばらホール系の多体波動関数をひねった境界条件の元で考えてく式をいじってギャプレスの新しい状態を作りました。

います。異なる境界条件で積分する(平均化する)ことでトMattis は喜んで早速論文を書き始めました。私はその新

ポロジー不変量が自然に出て来ます。この論文の受理はしい状態が基底状態と直交しなければいけないで、確かめ

1984 年 9 月 21 日で論文[14]の受理(1984 年 3 月 27 日)のる必要があることを Mattis に言いましたが、それは大丈半年後です。はじめ、TKNN 整数が Chern number にな

夫だという答えでした。しかし心配になり、確かめてみた

ることを理解しなかったにも関わらず、半年以内に論文がのですが、確かにスピンが半整数の場合は直交するのです

出たのを不思議に思いました。そこで Yon-Shi Wu にそのが、整数スピンの時は直交しないのです。この場合は新し間の事情を聞きました。彼によると、彼と Thouless の学

い状態というのは、基底状態そのものだということです。

生だった Qian Niu の共同研究が始まり、その成果を原稿

それでしらけてしまい、Haldane 問題を忘れてしまいまにしました。Thouless は不在で、彼が帰ってきたとき、した。しかしながら、よく考えるとスピンが半整数と整数

Niu が許可を求めるために、Niu-Wu の原稿を渡した。その時の様子が違うことは、重要な結果です。さらに半整数

29

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

の場合、gapless になることは、新しい結果だということ

初貝安弘：物理学会誌 12 月号(2016)「2016 年度のノーベは知りませんでした。実際、1 年後に同じ結果の Afflek-

ル物理学賞：David J. Thouless 氏、F. Duncan Haldane

Lieb の論文が出て、重要な成果とされています。私の結氏、J.Machael Kosterlitz 氏－トポロジカルな相転移とト果を論文にすれば、興味が失われることがなく、田崎さん、

ポロジカルな物質相の理論的発見」

押川さん、山中さんと共同研究が出来たかも知れません。
押川正毅：物性研だより第 56 巻第 3 号「2016 年度ノーベ
Bill Sutherland で す が Calogero-Sutherland model,

ル物理学賞「トポロジカル相転移と、物質のトポロジカル

Shastry-Sutherland model な ど で 有 名 で す が 、 Six

相の理論的発見」」

Vertex Model を解いたりもしています。彼はかなり変わっ

www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/docs/tayori56-

た人で、私が着任する以前はほとん大学に来なかったそう

3_Part3.pdf

です。私が着任してから準周期系に興味を持ち、共同研究が始まりました。彼は驚くほど頭の冴えた人で、多くの論

また佐藤さんには次の解説があります。

文ができました[12][15]。それが一段落した頃、高温超伝導

佐藤昌利：パリティ Vol.32 No.07 2017-07 p6「トポロフィーバーが起こり、Sutherland も超伝導の知識もあまり

ジーによる古くて新しい物性物理」

ないにもかかわらず研究を始め、私とは一切口をきかなくなりました。キテレツな理論を作っていましたが、当然などの記事も私のノーベル物理学賞の業績に対する貢献に触がらそれはすぐ消滅しました。当時このような例はしばしれていてくれて、大変うれしく思います。また田崎さんとば見受けられました。Calogero-Sutherland model に多く押川さんの重要な業績についてもノーベル物理学賞の公式の未解決な問題があり、そのような研究をできなかったの

ホームページにあります。

は残念です。白石さんとも共同研究ができたかもしれませ

www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016ん。

/advanced.html

Utah でうれしかったことは、Yong-Shi Wu と出会い、生田崎さんの存在を初めて知ったのは彼がまだ M1 か M2 の涯の友となったことです。彼は、あの悪名高い毛沢東の文頃です。何の国際会議か忘れてしまいましたが京都で行わ化大革命の被害を受けました。彼の父君も学者で大学の職れました。まだ若い田崎さんが堂々と質問を繰り返していを奪われました。この荒廃した時代に物理の研究を行ったました。その時、高橋陽一郎さんと一緒にいたのですが、ことはまさに驚異的です。有名な Parisi-Wu の量子化はずいぶん生意気な学生がいますね、しかしすごく優秀です

その時代の仕事です。彼は元来素粒子論の研究者なのです

ねなどと話していました。高橋さんは高名な数学者で、京が、物性物理でも優れた業績を残しています。物性研究所

都大学数理解析研究所の所長などもつとめられました。そにもしばしば訪問して、多くの共著論文があります。これの当時 KKT モデルの trace map の解析に数学の知識が必らはお互いの最も多い共著論文数になっています。

要でしたので相談に乗ってもらっていました。次の思い出ですが、1988 年の春で、すでに物性研究所へ移ることが2016 年度のノーベル物理学賞の解説を田崎さん、初貝さ

決まっていた時期です。どうしたことか思い出せないのでん、押川さんが書いています。

すが田崎さんが Princeton 大学にいることを知りました。
うまく連絡が取れて Salt Lake City に遊びに来てもらいま

田崎晴明：WebRonza「今年のノーベル物理学賞のどこがした。その時の下心は、助手になって欲しいということですごいのか？

した。もし実現すれば私の方が教えてもらうことが多かっ「無数の単純な要素が生み出す物語」を読み解くたですから、助手の方が偉いという面白い研究室ができた

理論」と思います。しかし田崎さんはさっさと学習院大学に行っ

www.gakushuin.ac.jp/~881791/misc/WebRonzaTasaki20てしまいました。

16.html
初貝さんは 1989 年に着任した、初代の甲元研究室の助手です。彼は文献[6][13]の理論を発展させて、主に磁場中の■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

30ブロッホ電子の研究を行いました。彼の主な業績は境界のある格子に磁場をかけた系を研究したことです。境界にあ

私が初めて Shoucheng Zhang と Xiao-Gang Wen に会っる電子によるホール伝導度と、バルクによるホール伝導度

たのは、1987 年 Santa Barbara の KITP でした。当時私が等価であることを示しました。現在のトポロジカル絶縁は準結晶のワークショップで長期滞在していました。彼ら

体、トポロジカル超電導などの研究において、境界におけは Ph D を取り立ての若いポストドクでした。その当時はる現象は、中心的な役割を果たします。初貝さんの研究は

高温超伝導フィーバーが始まっていて、準結晶は少し下火

これらの先駆けとなるものです。

になりました。ある日、廊下を歩いていたらいきなりRobert Schrieffer がやってきて彼の spin bag モデルのこ押川さんとは共著の論文がありません。しかしそれに近とをまくしたててきました。あまり良く解らなかったのでかったことがあります。1994 年ごろ押川さんが私の研究したが、偉い先生が言うのでそれなりの理論ではないかと室にやってきてカイラルフェルミオンを格子上で定義する

思っていました。これに Zhang と Wen が飛びつき共同研

困難性を明確にしたニールセン・二宮の定理と量子ホール

究が始まりました。これが彼らが物性物理に転向するきっ効果の関連について話し始めました。その時はあまりよくかけになったのでしょう。Shrieffer-Wen-Zhang の失敗

解らなかったので、あとでよく教えてもらおうと思ってい作になるのです。(他のほとんどすべての理論がそうであました。少し時間がたったある日、隣の部屋に行ってみるるように。)また Zhang から Utah 大学に招待して欲しいと押川さんがパソコンの前に座って論文を書いていました。

と頼まれたので、コロキュウムをしてもらいました。これ

のぞいてみるとなんと著者に私の名前がのっていました。

が彼の初めての公式講演でした。このあと日本からなんの貢献もしていないので、残念ながら共著を辞退しま

Stanford 大学に数回訪問しています。

した。それが M. Oshikawa, Quantized Hall conductivityof Bloch electrons:Topology and the Dirac fermionPhys.

Santa Barbara では Jaques Friedel にも出会いました。あRev. B 50, 17357(1994)です。これは現在のトポロジーにるセミナーの前、椅子に座っていたら隣に Friedel が座ってよる物性物理につながる内容を含んでいます。このようなきました。偉い先生がそばに来たので敬遠したかったのでレベルの高い論文は大変印象的でした。

すが、いきなり何を研究しているかと聞かれ、のちに議論させていただきました。RVB 状態中のホールの振る舞いを佐藤さんは 1999 年に助手として来ていただきました。江調べていたのですが、これも高温超伝導フィーバーに巻き口徹さんの推薦です。私が Chicago 大学の大学院生だった

込まれていたからです。論文を書いて彼に見せました。序

頃 、 南 部 先 生 が い ら っ し ゃ り 江 口 さ ん は Asistant

文で高温超伝導では、これまで解明されていなかった強相Professor でした。お二人とも親しくさせていただいたの関が本質であると書いたのですが、このことが気に入らなですが、さすがに南部先生は恐れ多くて物理の議論はしまかったようです。彼は BCS 理論を高度に拡張することによせんでした。しかし江口さんとはよく議論させていただきり高温超伝導を理解できると言う立場でした。翌年パリにました。素粒子論出身の人が物性物理において顕著な業績

招待してくださり数ヶ月滞在しました。しかし Friedel は、を上げるのは日本ではあまりないことですが、アメリカで科学アカデミーや政府の仕事などで忙しく、物理の議論ははそのような例が少なからずあります。私が直接知っていできませんでした。もっぱら Gilles Montambaux と議論るのは Yong-Shi Wu, Shoucheng Zhang, Xiao-Gang Wen

して、3 次元の量子ホール効果の研究を行いました[21]。

などの人たちです。ですから佐藤さんに関しては期待する

日本に帰ってしばらくしてしてから Friedel との手紙のやことはあっても心配することはありませんでした。事実彼り取りによる共同研究が始まり、それが 10 年以上続き、はトポロジーによる物性物理で顕著な業績を上げています。

4 本の高温超伝導に関する論文があります[22]。しかしそこれには素粒子論のバックグラウンドも大いに役立っていれらは残念ながらあまり成功したとは言えません。しばしると思います。それに加えて佐藤さんは、研究室で行ってばパリを訪問して、2014 年に亡くなるまで非常に親しくきた院生の指導、研究にも力を尽くしてくれました。そのさせていただきました。

例は分子モーター[16]、化学ゲル[17]、Rashba model[18],グラフィン[19]、カントールセット中の光の伝搬[20]など

2016 年度のノーベル物理学賞は、ワシントン大学のです。

David J. Thouless(1/2)、プリンストン大学の F. Duncan

31

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

M.Haldane(1/4)、ブラウン大学の J. MichaelKosterlitz[5] M. Kohmoto, M. den Nijs, and L.P. Kadanoff,(1/4)の 3 氏にトポロジカルな相転移とトポロジカルな物質相

Hamiltonian Studies of the d=2 Ashkin-Teller Model.

の理論的発見に対して授与されました。Thouless の(1/4）

Phys. Rev. B24, 5229 (1981).

は TKNN 論文ですので、また 4 で割ると(1/16）になります。

[6] D.J. Thouless, M. Kohmoto, P. Nightingale, and M.

上で述べた通り、これにはトポロジーの概念がまだ入って

denNijs. Quantized Hall Conductance in a Two

いません。それを初めて明確にし、TKNN 数が Chern 数でDimentional Periodic Potential, Phys. Rev. Lett. 49,

あることを示したのは、私の単著論文です。逆空間、トー405 (1982).

ラスを底、波動関数の k-微分を connection それから
curvature を求め、位相幾何学の定理により Chern number[7] 甲元眞人『TKNN 論文とトポロジー』日本物理学会誌,
72, 195 (2017).

という理論は、通常 Thouless-Kohmoto-Nightingale-den[8] Y. Oono and M. Kohmoto, Crossover Behavior of

Nijs 理論と呼ばれています。Thouless のノーベル賞業績のTransport Properties of Dilute Polymer Solutions,

1／4 はまさにこの理論によります。そういうことで、今回Phys. Rev. Let. 49, 1397 (1982); Y. Osono and M.

の仁科賞、朝日賞受賞により、私の整数量子ホール効果のKohmoto,理論が評価されたことは大変光栄に思います。

Transport Properties of Polymer Solutions. I, DiluteRenormalization

Group

Theoryof

Solutions, J. Chem. Phys. 78, 520 (1983); Y. Oono and
この拙文にある人たちに多大な影響を受けたことは貴重な

M. Kohmoto, Renormalization Group Theory of

財産となりました。

Transport Properties of Polymer Solutions. II. J.

Leo P. Kadanoff, David J. Thouless, Bill Sutherland,

Chem. Phys. 2478 (1983).

Yong-Shi Wu, Jaques Friedel[9] M.Kohmoto, Metal-Insulator Transition and Scaling

渡部力、田崎晴明、初貝安弘、白石潤一、押川正毅、佐藤for Incommensurate Systems. Phys. Rev. Lett. 51,

昌利

1983.
[10] M. Kohmoto, Leo.P. Kadanoff, and C. Tang,

そして残念ながら触れませんでしたが、その他多くの優れLocalization Problem in One Dimension: Mapping

た共同研究者に恵まれたことは幸いでした。

and Escape, Phys. Rev. Lett. 50, 1870, (1983).
[11] M. Kohmoto and Y. Oono, Cantor Spectrum for an

参考文献

Almost Periodic Schroedinger Equation and a[1] M. Kohmoto and T. Watanabe, Collisional Excitation

Dynamical Map, Phys. Lett. 102A, 145 (1984).

Transfer in Near-Resonant Processes: Application to[12] M. Kohmoto, B. Sutherland, and C. Tang, Critical

H+D, J. Phys. B9, 2851 (1976); M. Kohmoto and T.

Wave Function and a Cantor- Set Spectrum of a One

Watanabe,Long-Range

Dimensional Quasicrystal, Phys. Rev. B35, 1020

Involving

Optically-Allowed

Interaction

Potentials

Excitation

He,

J.

(1987).

Phys.Soc. Jon. 42, 246 (1976); M. Kohmoto and[13] M. Kohmoto, Topological Invariant and theT.Watanabe, Penning Ionization of Optically Allowed

Quantization of the Hall Conductance, Ann. of Phys.

Atoms: He(21P) and Ar Systems, J. Phys. B10, 1875

160, 343 (1985).

(1977).
[2] M. Kohmoto and U. Fano, Orientation by Collision, J.
of Phys. B14, L447 (1981).

[14] J. Shiraishi, M. Kohmoto, and K. Maki, Stability of
the Vortex Lattice in D-Wave Superconductors,
Europhys. Lett. 44, 367 (1998); J. Shiraishi, M.

[3] M. Kohmoto and L.P. Kadanoff, Lower-Bound RSRG

Kohmoto, and K. Maki, Vortex Lattice Transition in

Approximation for a Large N System, J. Phys. A13,

D-Wave Superconductors, Phys. Rev. B59, 4497

3339 (1980).

(1999); Y. Morita, M. Kohmoto, and K. Maki,[4] L.P. Kadanoff and M. Kohmoto, SMJ’s Analysis of

Quasiparticle Spectra around a Single Vortex in a D-

Ising Model Correlation Functions, Ann. of Phys. 126,

Wave Superconductor, Phys. Lev. Lett. 78, 4841

371 (1980).

(1997); Y. Morita, M. Kohmoto, and K. Maki, Low-

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

32lying Excitation around a Single Vortex in a D-Wave
Superconductor, Europhys. Lett. 40, 207 (1997).
[15] M. Kohmoto and B. Sutherland, Electronic States ona Penrose Lattice, Phys. Rev. Lett. 56, 2740 (1986).
[16] H. Miki, M. Sato, and M. Kohmoto, Motion of
Molecular Motor and Chemical Reaction Rate, Phys.
Rev. E68, 61906 (2004).
[17] K. Ohira, M. Sato, and M. Kohmoto, Fluctuation in
Chemical Gelation, Phys. Rev. E75, 041402 (2007).
[18] D. Tobe, M. Kohmoto, M. Sato, and Y.S. Wu,
Distribution of Spectral-Flow Gaps in the Rash
Model with Disorder: Universality, Phys. Rev. B75,
245203 (2007).
[19] K. Esaki, M, Sato, M. Kohmoto, B.I. Halperin, Zero
Mode, Energy Gap, and Edge States of Anisotropic
Honeycomb Lattice in a Magnetic Field, Phys. Rev.
B12, 5405 (2009).
[20] K. Esaki, M. Sato, and M. Kohmoto, Wave
Propagation through Cantor-set Media: Chaos,
Scaling, and Fractal Structures, Phys. Rev. E79,
056226 (2009),[21] G. Montambaux, and M. Kohmoto, Quantized Hall
Effect in Three Dimensions, Phys. Rev. B41, 11417(1990).
[22] J. Friedel and M. Kohmoto, On the Nature of
Antiferromagnetism in the Co2 Planes of Oxide
Superconductors, Euro. Phys. J. B30, 427 (2002).

2018 年現在、
citations: 14,000
h-index: 49
i10-index: 105.

33

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞して極限コヒーレント光科学研究センター

近藤 猛

この度、科学技術分野の文部科学大臣表彰若手科学者賞

向依存性から、ｄ波対称性を持つ超伝導ギャップとは別に、を受賞する栄誉に恵まれました。本受賞の対象となった

これより遥かに大きなギャップが存在すること、即ちエネ「酸化物高温超伝導体における擬ギャップ状態の研究」は、ルギーギャップに 2 成分あることを見出し[1]、後者が高水谷宇一郎先生の研究室(名古屋大学)において、竹内恒博

温(T*)まで残る擬ギャップであることを示しました。ま先生指導の学生として単結晶試料を作成し、それを用いてた、擬ギャップが発達する方向(アンチノード方向)で、超辛埴先生のグループと共同研究を開始したことが発端とな伝導を特徴づける光電子スペクトルのコヒーレンスピーク

り花開いた研究です。水谷宇一郎先生、竹内恒博先生、辛の強度が著しく抑制されることから、超伝導と擬ギャップ

埴先生、Eric Hudson先生、Adam Kaminski先生、をはが互いに競合しつつ、フェルミ面上の異なる領域で発達すじめとする数多くの方々との協力により結実した成果でることを明らかにしました[2]。次に、単層、及び 2 層のあり、この場を借りて皆様に深く感謝申し上げます。以

物質系について光電子スペクトルから得られる状態密度

下、その研究内容について簡単にご紹介いたします。

の温度変化を系統的に調べることにより、電子対生成によ絶縁体である銅酸化物にキャリアを注入したときに発現るギャップが Tc より高温(Tpair)で生じていることを突き止する高温超伝導は、20 世紀後半の物理学の最大の発見の 1

め、ギャップの 2 成分描像を更に強固なものとしました[3]。

つであり、過去 30 年にわたって世界中で精力的な研究が即ち、上記の二つの考え方は相反するものではなく、共存行われてきました。特に、他の超伝導体と異なる著しい特する 2 種類のギャップのそれぞれの特徴をとらえたもので徴として、超伝導転移温度よりも高温から電子系のフェルあるという結論です。更に最近、2 層物質系において、擬

ミエネルギー近傍の状態密度が抑制される「擬ギャップ」

ギャップが現れないノード方向近傍の光電子スペクトルのと呼ばれる現象が注目を集めています。キャリア濃度が低詳細な解析を行い、Tc の約 1.5 倍の温度を境に、フェルミ

い場合により顕著になるこの擬ギャップ現象について、二面上のノード近傍のかなり広い領域において d 波対称性をつの説の間で長年にわたって論争が繰り広げられてきまし持つ電子対ギャップが発生することを見出しました。このた。第 1 は、擬ギャップの原因は超伝導の前駆現象である

電子対ギャップは Tc 以下で連続的に超伝導ギャップにつ電子対生成にあるという考え方です。通常は電子対が生成

ながり、このことから、Tc より高温から位相のそろわなされると位相が全てそろって超伝導が発現しますが、銅酸

い電子対が存在するという銅酸化物超伝導体の著しい特徴

化物では、超伝導が消失する高温においても位相のそろわが微視的に証明されました［4］。我々は同時に、電子間ない電子対が存在する温度領域があり、この領域で超伝導の散乱確率によって Tc が決定される機構に関する現象論

状態と同様な電子対生成によるエネルギーギャップが観測的なモデルを提案しました。この結果は、レーザーを光源されていると考えます。第 2 は、擬ギャップは電荷密度波とする光電子分光によって、従来に比べてエネルギー分解など超伝導とは異なる電子系の秩序によって発生するとい

能を一桁近く改善することで初めて得られた超精密なデーう考え方で、この場合、擬ギャップ状態は超伝導と競合すタに基づいています。

ると考えられます。我々は、キャリア濃度の異なる一連のビスマス系銅酸化物に対して詳細かつ精密な角度分解光電子分光実験を行い、この問題を解決しました。
我々はまず、超伝導転移温度 Tc と擬ギャップが現れる
温度 T*が大きく異なる単層物質(単位胞中に 1 層の銅酸素[関連論文][1] T. Kondo et al., Physical Review Letters 98, 267004(2007).

面を含む物質)を対象として、低温の超伝導状態における[2] T. Kondo et al., Nature 457, 296 (2009).

エネルギーギャップをフェルミ面上のさまざまな方向に対[3] T. Kondo et al., Nature physics 7, 21 (2011).

して測定しました。そしてエネルギーギャップの異常な方[4] T. Kondo et al., Nature communications 6, 7699 (2015).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 1 号

34

第 23 回日本物理学会論文賞を受賞して量子物質研究グループ 中辻研究室

助教 酒井 明人、教授 中辻 知

この度、幸いにも第 23 回日本物理学会論文賞を受賞い

反強四極子秩序を示すことを明らかにしました。以上の結たしました。受賞対象となった論文は「Kondo Effects

果は後に中性子散乱、弾性定数、光電子分光、NMR など

and Multipolar Order in the Cubic PrTr2Al20 (Tr = Ti, V)」

様々な実験によっても確認されています。

です。以下では研究内容を簡単に紹介したいと思います。

さらに興味深いことに PrTi2Al20 ではフェルミ液体的振強相関 f 電子系は非フェルミ液体や重い電子超伝導などる舞いが見えているのに対し、PrV2Al20 では電気抵抗、多彩な現象を示すため多くの研究がなされてきました。こ

比熱、磁化などで非フェルミ液体的な振る舞いが観測されれらの現象には伝導電子が局在 f 電子のスピンを遮蔽するました。この違いは Ti を V に変えたことによる化学的圧

近藤効果が重要な働きをしています。一方、局在電子が軌

力・電子数の増加により、混成が強くなったことに起因す

道(電気四極子)自由度を持つ場合、通常の近藤効果とは異ると考えられます。実際に結晶場比熱のピークはなり、過剰遮蔽により非フェルミ液体を引き起こす四極子

PrV2Al20 のほうがよりブロードであり強い混成を示して近藤効果(2 チャネル近藤効果)が起きることが理論的に期います。また、後に行われた PrTi2Al20 の静水圧力下の測待されていました。しかし現実の物質で何が起きるかは理定では電気抵抗率が PrV2Al20 の常圧のものと似た振る舞解が進んでいませんでした。このような四極子の研究をす

いを示すことも確認されています。

るためには立方晶 f 2 物質で実現する、スピンを持たない
非磁性 Γ3 結晶場基底状態が最適です。これまで Pr(プラセオジム)化合物などでこの Γ3 状態は見つかっていました
が、混成効果が強いとはっきりわかる物質はありませんでした。また最初に理論的に実現が予言された U(ウラン)化合物では、混成は強いものの結晶場状態が明確に定まらないという問題点がありました。

この論文の発表の後、極低温度での超伝導の発見、高圧下重い電子超伝導の発見など実験的進展に加え、四極子近藤格子系の理論計算など理論の発展もありました。また最近では混成による新たな秩序状態の可能性が指摘されるな
ど、興味が尽きません。そもそも、強相関電子系において多極子の自由度がどのように局在状態から遍歴状態に移り変わるのかは、理論的には全く不明なことが多いのが現状

PrTr2Al20 (Tr = Ti, V)は立方晶であり、Pr を 16 個の Alです。一方で、我々の系の実験研究を通じて、その局在・が取り囲む籠状構造になっています。伝導電子を与える多遍歴の転移の過程で、新しい金属状態や超電導状態、さらにくの Al が近くにいるということは、それだけ混成のチャ

は、新規多極子秩序など、エキゾチックな量子状態の宝庫でンスが増えるため混成が強くなることが期待できます。まあることがわかってきています。我々の発見した系の量子物

たスピンを持たない Γ3 状態が実現し得る立方晶物質でも性の開拓が、多極子伝導系の理解の進展に少しでも寄与できあります。この物質群は結晶構造のみ知られておりました

るように、ますます研究に励んでいきたい思っております。

が、詳細な物性はわかっておりませんでした。我々はフラックス法により純良単結晶を合成し、様々な低温物性測定を行いました。その結果、PrTr2Al20 (Tr = Ti, V)が非磁性 Γ3 結晶場基底状態を持ち、かつ混成が強い初めての物質であることを明らかにしました。具体的には磁化率が低温で飽和傾向を示し(ヴァン・ヴレック常磁性)、エントロ
ピーが Rln2 で飽和傾向を示すことから非磁性 Γ3 二重項基
底状態であること、電気抵抗率が-lnT で上昇する近藤効
果を示すことから混成が強いことを示しました。さらに
PrTi2Al20 が 2.0K で強四極子秩序を、PrV2Al20 が 0.6 K で35

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

平成 29 年度日本化学会学術賞を受賞して凝縮系物性研究部門

森 初果

この度、大変光栄なことに、平成 29 年度日本化学会学

現在も、分子の自由度として、室温以上における分子の術賞受賞の栄誉に恵まれました。受賞対象となったのは、

回転や振動のダイナミクスを利用したプロトン伝導体の開「分子の自由度を利用したπ電子系機能物質の開拓」です。

拓、水素と電子のカップリングを利用した分子性伝導体、

日本化学会のホームページによると、「日本化学会では、

磁性体、誘電体の開発とその外場応答、塗布型オリゴマー

化学の基礎または応用のそれぞれの分野において先導的・伝導体の開発、分子分極を利用した電界効果型トランジス

開拓的な研究業績を挙げた者に対し、日本化学会学術賞をタの開拓など、分子にこだわり物質科学の地平線を広げて授与しております。
」ということです。

いく研究を行っております。化学と物理、さらには量子物「分子の特性を生かした、分子性物質ならではの機能発現を目指した物質開発」は、生涯をかけたテーマで、これまでの研究活動の成果が認められたことを大変嬉しく思う

質分野と機能物性分野の境界領域を開拓することを目指して研究を推進していく予定ですので、今後ともどうぞよろしくお願い致します。

とともに、共に研究の苦労および楽しみを分かち合った研究室のメンバー、および所内・所外の共同研究者の皆様に、心より感謝致します。また、この賞に推薦下さいました日
本化学会物理化学デビジョンの皆様に心より御礼申し上げます。

主な対象論文：1. "A New Ambient Pressure Organic Superconductor
Based on BEDT-TTF with Tc Higher than 10 K (Tc =10.4 K) ” , H. Urayama (Mori)*, H. Yamochi, G. Saito*, K.

分子を基盤とした π 電子系機能物質は、20 世紀に入っ

Nozawa, T. Sugano, M. Kinoshita, S. Sato, K. Oshima, A.

てから人間が作り出した優れた分子性機能物質であり、伝Kawamoto, and J. Tanaka, Chem. Lett., 17, 55-58 (1988).

導性・磁性・誘電性等をもち、外部刺激に対して巨大な応(Web of Science: 568 回引用)

答を示す物質群として、近年大きく発展しております。

2. “Systematic Study of the Electronic State in -type

21 世紀の快適な社会に向けて、高度な機能性を持つ分子

BEDT-TTF Organic Conductors by Changing the

性物質の発見、およびその機能性の理解は重要な課題です。

Electronic Correlation”, H. Mori*, S.Tanaka, and T.Mori,

高度に設計・制御できる「分子の自由度」(分子の形状、Phys. Rev. B, 57, 12023-12029 (1998). (Web of Science:

分子軌道とエネルギー準位、分子間相互作用、分子配列、269 回引用)

酸化還元能、プロトン授受能、分子分極、キラリティー

3. “Organic thyristor”, F. Sawano, I. Terasaki*, H.

他)に着目して、π 電子系機能物質の開拓を行ってきましMori, T. Mori, M. Watanabe, N. Ikeda, Y. Nogami, and Y.

た。その結果、世界で初めて転移温度が 10 K を超える有

Noda, Nature, 437, 522-524 (2005). (Web of Science: 156

機超伝導体等を発見し、分子配列制御による金属―絶縁体

回引用)

転移の制御指針の確立し、さらに水素ー電子カップリング

4. “Checkerboard-Type Charge-Ordered State of aSuperconductor,

-(meso-

分子性機能物質等の開拓と新機能実現に成功しました。さPressure-Induced

らに、結晶と電子構造を調べ、新たな物性・機能性の発現

DMBEDT-TTF)2PF6”, S. Kimura, H. Suzuki, T. Maejima,

機構を解明しました。その物質群は、強相関電子系や、外H. Mori*, J. Yamaura, T. Kakiuchi, H. Sawa, and H.

場による巨大機能応答、および動的な励起状態の研究分野

Moriyama, J. Am. Chem. Soc., 128, 1456-1457 (2006).

で、先導的な研究として大きな波及効果をもたらしました。

(Web of Science: 42 回引用)

そのため、これらの先駆的業績は、機能物性分野の研究の5. “Hydrogen bond-promoted metallic state in a purely

進展に大きく貢献し、国際的にも高く評価いただき、今回

organic single-component conductor under pressure”, T.

の受賞に至りました。

Isono, H. Kamo, A. Ueda, K. Takahashi, A. Nakao, R.

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

36

Kumai, H. Nakao, K. Kobayashi, Y. Murakami, and H.
Mori*, Nature Commun., 4, 1344(1-6) (2013). (Web of
Science: 58 回引用)

平成 29 年度日本化学会学術賞の表彰式。

37

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

第 12 回(2018 年)日本物理学会若手奨励賞(領域 9)を受賞して

極限コヒーレント光科学研究センター 近藤研究室 助教

黒田 健太

このたび第 12 回(2018 年)日本物理学会若手奨励賞(領将来の方向性に悩む D2 の春、次は時間分解二光子光電域 9)を受賞する栄誉に恵まれました。受賞の対象となっ子分光(2PPE)そしてドイツに住むべきだと決心しました。

た 3 つの論文は、私が大学院生時代に広島大学で行った研そ の き っ か け が 、「 Control over topological insulator

究、ポスドク時代にドイツマールブルグ大学で行った研究、

photocurrents with light polarization」という Nature

そして東京大学物性研に着任して行った研究になります。

Nanotechnology の論文です。トポロジカル絶縁体のディ

ここに全ての共同研究者の皆様に深く感謝申し上げます。

ラック表面状態の電流を光照射で発生させ、そして偏光で受賞対象となった研究課題は「光電子分光を用いたトポ
ロジカル絶縁体におけるスピン偏極表面電子とその光制御の研究」です。研究内容に関してはここまでに物性研だよりで紹介する機会がありましたので、本稿では主に研究経緯について述べたいと思います。

制御するというようなものです。先ほどの話でもありまし
たが、バルクと表面の伝導を見分けるのは困難です。見分
けるには、光励起されたディラック表面状態を直接的に観察する手法が必要です。この思考から、時間分解 2PPE にたどりつきました。この手法は、光学遷移を通して励起された電子の波数空間分布をバンド観察と併せて見ることが今から 10 年ほど前に発見された Z2 トポロジカル絶縁体できます。さらに、超短パルスレーザーのポンプ・プロー

は、現在世界中で猛烈な勢いで進んでいるトポロジカル物

ブ法を組み合わせれば、波数空間分布のダイナミクスまで

質探索のきっかけとなった物質です。大学院に進学する直追うことができます。そして、もし励起電子分布が波数空

前、指導教官だった木村昭夫先生から「Observation of a間で非対称であれば、それが光電流に対応することになりlarge-gap topological insulator class with a single Dirac

ますので、これを見ることで波数空間における超高速な表

cone on the surface」という Nature Physics の論文を渡面電流測定が可能になるわけです。そこで、2PPE のメッされました。
「黒田君の修士論文テーマです。
」と言われ、

カといえるドイツに行くために、海外学振に応募し、無事

トポロジカル？と修士論文に非常に不安になりながらも、に通りました。27 年住んだ広島を初めて離れることにな

ディラックコーンと呼ばれる綺麗なエネルギー分散が写っり、2014 年 4 月からマールブルグという小さい町へ引った角度分解光電子分光(ARPES)像に見惚れ、私の研究が越しました。2PPE の大家である Ulrich Höfer 先生が私のスタートしました。当時はトポロジカル絶縁体が発見され申請を受け入れて下さいました。当時、夏にはデータが出た直後で、ディラックコーンを形成する表面状態が優れただろうと、この実験を楽観視していました。気がつけば、輸送特性を示すと期待されておりましたが、結晶中の欠陥

年を越し 2015 年 1 月下旬になっていました。それまでにが原因で起こる電子ドープの結果、バルクの金属的伝導が非常に綺麗な 2PPE 像が出ていたので、決して実験が失敗

邪魔をして表面の特性が実験的に捉えられないことが問題していたのではありません。しかし、行った全ての実験ででした。そこで、修士論文では、Bi2Se3 という代表的なト示したのは、光電流が発生していないというものでした。

ポロジカル絶縁体に注目し、Mg を Bi と微量置換した単結

それまでに膨大な数の 2PPE をしていたので、光電流発生晶を作成しました。そして、放射光 ARPES で試料のフェルのコツはわかっていました。ですが、2015 年 3 月に物性ミ準位を詳細に決定することで、バルクは絶縁的で表面だ研へ着任する予定であったため、私にはそれを試す時間がけが伝導する理想的な単結晶合成に成功しました[1]。当時、残されていませんでした。諦めていたとき、着任時期を 4

木村先生の助言もあり、私は結晶合成もやる ARPES 屋とい

月にずらして欲しいと物性研から連絡をもらいました。すうスタンスで研究を進めておりました。それが功を奏して、ぐに Höfer 先生に、是非続きをやらせて欲しいと依頼をし博士号を取得するまでに新しいトポロジカル絶縁体をいくて、また快く受けいれて下さいました。このラッキー (?)

つか発見することができました [Kuroda et al., PRL 105,

な状況、そして Höfer 先生が神様のようにも見えて、これ146801 (2010)., Kuroda et al., PRL 108, 206803 (2012).]。

はうまく行くと確信しました。私が感じていた光電流発生■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

38

のコツは、ポンプ光を中赤外領域(MIR, ~300 meV)にして素晴らしい実験装置が必要でした。それができる恵まれた表面バンドの共鳴光学遷移を使うことでした。私の狙いは環境にいた、私は非常にラッキーな人間だと思います。そ的中で、ディラック電子の光電流が発生している瞬間を非して今、共同利用施設のスタッフで学生指導している教員

常に明瞭に捉えることに成功しました[2]。そして、MIRの立場になりました。是非、学生方にこれを味わって、楽の偏光で光電流の制御に成功するまでに時間はかかりませ

しんでもらいたいと思っています。そしてそのために、私んでした [Kuroda et al., PRB 95, 081103(R) (2017).]。

は良い装置を作らねばなりません。この願望を抱きつつ、

超短パルスレーザーのドイツ修行の後、2015 年 4 月に物性研近藤猛先生の研究室助教として着任しました。非常に丁度よいタイミングで、軌道放射施設助教の矢治さんが物性研小林研が開発した 10.7eV 高次高調波と上記 SARPESを繋いだ時間分解 SARPES の装置開発を始めました。まずは、完成まで突っ走る、これが今私の最大の喜びです。

開発したレーザースピン分解 ARPES(SARPES)装置が動[1] "Hexagonally Deformed Fermi Surface of 3D

き出していました。私は、大学院生時代に SARPES を

topological Insulator Bi2Se3", K. Kuroda, M. Arita, K.

やっていた事から、このグループに参加させてもらいましMiyamoto, M. Ye, J. Jiang, A. Kimura, E. E.

た。ドイツの光電流測定で、波長板をぐるぐる回してばかKrasovskii, E. V. Chulkov, H. Iwasawa, T. Okuda, K.

りやっていたので、レーザーSARPES でも波長板をたく

Shimada, Y. Ueda, H. Namatame and M. Taniguchi

さん回そうと思ったのがきっかけで、3 番目の研究が始まPhys. Rev. Lett. 105, 076802 (2010).

りました。これも的中で、波長板をぐるぐる回すと、それに併せて光電子のスピンもぐるぐる回る姿を観測しました[3]。装置が驚くほどに安定していたので、データの質は間違いなく世界一で、そしてシンプルかつビューティフル
な実験を行えました。この研究に対して、EPFL の Hugo
Dill 先生には “I like this experiment.” と国際会議のいたるところで宣伝して頂いております。

[2] "Generation of Transient Photocurrents in the
Topological Surface State of Sb2Te3 by Direct Optical
Excitation with Midinfrared Pulses", K. Kuroda, J.
Reimann, J. Güdde, and U. Höfer, Phys. Rev. Lett.
116, 076801 (2016).
[3] "Coherent control over three-dimensional spinpolarization for the spin-orbit coupled surface state of

物性研究所の助教に着任してから 3 年半が経ちました。

Bi2Se3", K. Kuroda, K. Yaji, M. Nakayama, A.

今回の受賞そしてそれに至るまでの経緯から、「実験データHarasawa, Y. Ishida, S. Watanabe, C.-T. Chen, T.

が人を成長させる」が私に当てはまると強く思います。それ

Kondo, F. Komori, and S. Shin, Phys. Rev. B. 94,には、シンプルかつビューティフルな実験データが必要で、165162 (2016).

2017 年 6 月にドイツで開催された Ultrafast Surface Dynamics 10 で Höfer 先生達と登山に行ったときの写真。下段左から二番目が筆者。一番右が、松田(巌)研学生の伊藤俊君。
上段左から 4 番目が Höfer 先生。その後ろにいるのが、マールブルグ大学滞在時にお世話になった Güdde 先生。

39

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

平成30年度文部科学大臣表彰科学技術賞を受賞して

物質設計評価施設

廣井 善二

この度、研究業績「新奇超伝導体および量子磁性体の物

タッフの方々、および、一緒に研究を楽しんできた共同研

質探索に関する研究」により、平成 30 年度文部科学大臣

究者によるものです。この場を借りて心から感謝します。

表彰の科学技術賞を受賞しましたので、その報告をさせて私の寄与ははっきり言ってほとんどありませんが、居なく頂きます。本賞は科学技術に関する研究開発、理解増進等なると研究室が消滅するのでゼロでもありません。定年をにおいて顕著な成果を収めた者に与えられるものであり、迎える 2026 年 3 月まであと 7 年半となり、残された時間

4 つの部門(開発部門、研究部門、科学技術振興部門、技で何をすべきか、何ができるか思案中の今日この頃です。

術部門、理解増進部門)に分かれています。私が受賞した

まあ、「適当」に頑張っていく所存ですので、今後とも皆のは研究部門であり、我が国の科学技術の発展等に寄与す様のご協力の程、何卒よろしくお願い申し上げます。

る可能性の高い独創的な研究又は開発を行った者に与えられるものです。本年度は 137 件の応募があり、43 件が選ばれました。このような栄えある賞を頂くことは大変な光栄であり、文科省の関係者の方々や選定委員会の先生方に御礼申し上げます。
授賞式は平成 30 年 4 月 17 日に文部科学省において、林芳正文部科学大臣のご臨席のもとに行われました。写真はその時のものであり、賞状と一緒に立派な盾を頂きました。不謹慎で済みませんが、当日ちょっと面白かったのは、林大臣が壇上でお話を始めると、周りのおじさん達が一斉にスマホで写真を撮り始めたことです。皆さん、お若い。さらに式が終わると、大勢が壇上へと列をなし、各機関の広報と思しきカメラマン達による写真撮影会が始まりました。私の写真はたまたま出会った知り合いとの相互ス
マホ撮りです。
さて、今回の受賞には応募当時に所長をされていた瀧川先生をはじめ多くの方々のお世話になりました。特に、総務係におられた竹山牧子さん(現在は新領域創成科学研究科人事担当)には申請書類を丁寧に査読してもらい、適確なコメントを頂きました。この賞のように対象が全学問分
野に渡る場合には、専門外の人に如何にアピールできるかが重要になると思われます。その意味で、竹山さんのフレッシュな目を通して感じたことを率直に指摘してもらったことが受賞の大きな原動力となりました。感謝です。
この種の文章では受賞業績について書くべきなのでしょうが、簡単にしておきます。要するに、1998 年以前の京大時代とそれ以降の物性研での新物質開発を通して得られた成果を、合わせ技で評価して頂いたものと認識しております。その全てがこれまで研究室に在籍した学生さんとス■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 1 号

40文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞して極限コヒーレント光科学研究センター

和達 大樹

この度、平成 30 年度文部科学大臣表彰 若手科学者賞が存在し、すなわちほとんどすべての磁気周期が共存するを受賞する栄誉に恵まれました。本受賞の対象業績となっ状態であることを解明しました。これは多くの磁気周期がた「共鳴軟 X 線散乱による遷移金属酸化物の新しい秩序状

近いエネルギーを持つ「悪魔の階段」状態であり、3d の態の研究」は、ブリティッシュコロンビア大学の研究員でスピン系では初めての悪魔の階段の発見となりました。

あった頃に開始し、現在まで継続しているものです。ここに全ての共同研究者の皆様に深く感謝申し上げます。

最近では、SPring-8 にある東京大学物性研究所の軟 X
線ビームライン BL07LSU において、時間分解型の測定

遷移金属化合物は、高温超伝導、巨大磁気抵抗効果、に取り組んでいます。例えば図 1 のように、レーザー照射

マルチフェロイック性、金属絶縁体転移などの興味深い性

により鉄白金薄膜の磁化が消える消磁のダイナミクスを明質のために、多くの興味を集めている系です。多彩な性質

らかにしました[2]。今後は X 線自由電子レーザーを用い、の背景にはほとんどの場合、電荷/スピン/軌道の秩序現象

ピコ秒以下の領域のさらなる時間分解能の高い測定につなが起こっており、このような秩序現象をどのように観測す

げたいと考えています。

るのかが、現在の物性物理学において大きなテーマとなっています。X 線回折は古くから用いられてきた実験手法であり、X 線は主に物質中の電子の電荷に散乱されることか
ら、物質の結晶構造や格子定数の決定に用いられてきました。一方で、軌道やスピンの秩序を観測するために開発されてきたのが共鳴軟 X 線回折です。
例えば、Mn 3d 状態に直接アクセスできるように、Mnの 2p から 3d の吸収端のエネルギーを用いた X 線回折が、共鳴軟 X 線回折です。Mn の 2p から 3d の吸収端のエネ
ルギーの X 線が吸収され、Mn 2p の電子が 3d の非占有状

図 1：時間分解測定で観測された鉄白金薄膜の磁化の時間変化の態に遷移します。励起された Mn 3d の電子は Mn 2p にダイナミクス。

残ったホールと再結合し、X 線が放出されます。その結果、始状態と同じ状態となります。ここで、Mn 2p の内殻がスピン軌道相互作用によって 2p3/2 と 2p1/2 に 10 eV 程度[1] “Observation of a Devil's Staircase in the Novel Spin-

分裂していることが原因で、X 線でも磁気的なシグナルがValve System SrCo6O11”, T. Matsuda, S. Partzsch, T.

得られることになります。

Tsuyama, E. Schierle, E. Weschke, J. Geck, T. Saito,

共鳴軟 X 線回折は強力な実験手法ですが、これまではよく知られた典型物質の秩序を軟 X 線で測定しなおしたよS. Ishiwata, Y. Tokura, and H. Wadati, Phys. Rev.
Lett. 114, 236403 (2015).

うな研究例が多く、新しい物理的な情報には乏しい面があ[2] “Capturing ultrafast magnetic dynamics by time-

りました。私は、共鳴軟 X 線回折により、新しい秩序状態

resolved soft x-ray magnetic circular dichroism”, K.

の観測や、新しい物理描像に到達することができました。

Takubo, K. Yamamoto, Y. Hirata, Y. Yokoyama, Y.

典型的な研究例としては、巨大磁気抵抗を示す新しいコバ

Kubota, Sh. Yamamoto, S. Yamamoto, I. Matsuda, S.

ルト酸化物 SrCo6O11 の共鳴軟 X 線散乱により詳細な磁気Shin, T. Seki, K. Takanashi, and H. Wadati, Appl.

構造を決定しました[1]。磁化が磁場の関数として 1/3 プ

Phys. Lett. 110, 162401 (2017).

ラトーを示すことから、3 倍周期の磁気構造のみが期待されていましたが、実際にはほとんどすべての分数のピーク

41

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

外国人客員所員を経験してYing RAN
Boston College, Chestnut Hill, MA 02467, USA
ying.ran@bc.edu
I met Prof. Oshikawa for the first time in 2008 when heas solving the sign-problem in quantum Monte Carlo andvisited UC Berkeley where I was a postdoc scholar. Of

new field-theoretical ways to view Lieb-Schultz-Mattis

course I knew his work even before that since Prof.

constraints. I had inspiring discussions and exchanged

Oshikawa made many deep contributions in quantum

ideas with other members at ISSP, including Prof.

condensed

his

Nakatsuji and Prof. Kawashima. In addition, I had thegeneralization of the Lieb-Schultz-Mattis theorem tochance to meet with many visitors to ISSP, including

higher dimensions and his work on one-dimensional

scholars from other institutions in Japan, as well as

symmetry protected topological phases. More recently,international visitors. I also participated in the workshop

due to the fast developments in topological states of“Novelmatter, I had interacted with Prof. Oshikawa in many

Multipoles andworkshops, as well as during his visit to Boston College

dynamical research environment in ISSP.

mattertheories.

These

includePhenomena in Quantum Materials driven by
Topology”. All these demonstrate thein Fall 2017. I learned a lot of physics from numerous
discussions with him and we collaborated together with

As a consequence of these interactions, together with

Yuan-Ming Lu at Ohio State University in a work: theProf. Oshikawa and Dr. Haruki Watanabe, we initiatedquantized Hall conductivity constrained by the magnetic

some exciting new projects during my stay. One projecttranslation symmetry.

is about using optics as a probe for dynamics in novel
states of matter in strongly correlated materials.

While I visited Japan a few times previously for

Another project is on algebraic ways to diagnose andconferences, my stay at ISSP as a visiting professor fromgeneralize Lieb-Schultz-Mattis-type constraints.

Jan 2018 to Apr 2018 during my sabbatical leave gaveme the first opportunity to deeply interact with the

I find myself very comfortable embedded into thescientific community in Japan. ISSP has an impressive

Japanese culture. In fact, I grew up watching manyrecord of contributions in quantum condensed matter

Japanese cartoons which were my favorites. I also

physics and topological states of matter. For instance,

happened to visit ISSP during the beautiful spring

apart from theoretical experts, experimental experts

season: participated in two bike tours organized by Prof.

at ISSP have revealed new correlation-driven Weyl

Oshikawa, I witnessed the spectacular plum and cherry

semimetal

materials,

forinstance,

Mn3Sn(Prof.

blossoms.

Nakatsuji’s group).
I would like to thank ISSP for giving me this wonderful
My stay in ISSP had a wonderful and memorable

opportunity. I also would like to thank Yasuhiro Tada,

experience in terms of both science and culture. I

Masahiko Yamada, Atsuko Tsuji and Yuko Ishiguchi forjoined the seminars as well as the informal after-lunch

their warmhearted help during my stay.

discussions in Prof. Oshikawa’s group. During these
discussions I interacted with a lot of young talented
scholars who work on various interesting projects, such

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

42物性研究所短期研究会｢新世代光源で切り拓く物質科学と生命科学の融合
領域｣ の報告
報告者：松田 巌（東京大学物性研究所）
期間：2017 年 3 月 7 日(火)場所：東京大学物性研究所 6 階 大講義室
webpage: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/labs/sor/workshop2017_3/index.html
提案代表者：松田 巌（東京大学物性研究所）
共同提案者：有馬孝尚（東京大学放射光分野融合国際卓越拠点）
原田慈久、辛 埴、小森文夫、和達大樹（東京大学物性研究所）
X 線放射光分光・回折の測定技術が著しく発展し、最近

新分野開拓を目指した珍しい短期研究会であったにも関では固・液・気体及び各界面における様々な現象の「そのわらず 66 名もの参加者が集まり、活発にご議論いただい場」観測が実現してきた。新世代放射光光源ではさらにナた(図 2)。本研究会後、参加者と物性研スタッフとの共同

ノスケールの微小光スポットの生成やエネルギー分光の高研 究 も 開 始 さ れ 、 実 際 の 放 射 光 実 験 も SPring-8

分解能化なども同時に達成し、今後より精密かつ多角的な

BL07LSU でも行われることとなった。今後、実験及び理物性測定が可能となる。これらの先端計測技術はこれまで論両方において生命科学と物質科学の融合は不可欠であり、物質科学の先端研究を中心に利用されてきたが今後は生命本研究会は放射光分野における推進として大変意義高いも科学分野にも大きな応用展開が期待される。そこで各分野のとなった。

の一線で活躍する研究者を招いた研究会を開催し、さらに最後に、本短期研究会の実施に際し、提案者らの研究室

SPring-8 BL07LSU の成果を報告する ISSP ワークショッのスタッフおよび学生、さらには SOR 施設事務部の方な

プ(開催日 3 月 8 日)を連日で催した。生命科学、物質科

ど多くの方々からご協力をいただきました。この場を借学、放射光科学の 3 分野の研究者が集い、融合領域にて展りて御礼申し上げます。

開すべき科学と技術を議論した。
短期研究会では「新世代光源と融合領域について」「生体関連物質」「バイオインスパイアード材料」のセッションを設けた。「新世代光源と融合領域について」のセッションでは、生命科学と物質科学の両分野で重要な「X 線イメージング」と「大規模計算」が取り扱われ、さらに東北放射光計画の新たな光源性能による研究展開が提案された。「生体関連物質」のセッションでは、生体現象を分子レベルで解明する放射光実験及び量子化学計算を中心に議論が行われた。「バイオインスパイアード材料」セッショ
ンでは軟 X 線放射光分光と相性の良い「バイオ界面系」をメイントピックとし、放射光に限らず近接場分光・プロー
ブ顕微鏡など幅広い分野の研究者（海外招待講演者を含む）にご講演いただいた。本分野は放射光分野では比較的新し
く、今後の探求すべきテーマと放射光を用いた具体的な実験アプローチが検討された。

43

物性研だより第 58 巻第 2 号

図 1 連日で行われた短期研究会(右)とISSP ワークショップ(左)の報告書冊子■■■ ■ ■ ■■

図 2 集合写真(平成 29 年 3 月 7 日)

プログラム
Session 1
10:20-10:25

はじめに【進行】松田 巌（東大物性研）

全体趣旨説明松田 巌（東大物性研）

10:25-10:30

所長挨拶
瀧川 仁（東大物性研）

10:30-10:35

来賓挨拶
高田 昌樹（東北大多元研、SLiT-J-UC）

Session 2
10:35-11:05

新世代光源と融合領域について【座長】虻川 匡司（東北大）

光科学の新しい地平を拓く東北放射光計画
高田 昌樹（東北大多元研、SLiT-J-UC）

11:05-11:35

大規模第一原理シミュレーションが拓く機能物性研究
杉野 修（東大物性研）

11:35-12:05

X 線位相イメージングの展望
百生 敦（東北大多元研）

12:05-13:10

昼食■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

44Session 3
13:10-13:40

生体関連物質【座長】原田 慈久（東大物性研）

鉄硫黄クラスターの生合成
藤城 貴史（埼玉大）

13:40-14:10

生体内での一酸化窒素還元の分子機構
城 宜嗣（兵庫県立大、理研）

14:10-14:40

イオンポンプ蛋白質に関わる量子化学計算の現状
恒川 直樹（東大分生研）

14:40-15:10

光合成光化学系Ⅱにおける可視光を利用した水分解の仕組み
沈 建仁（岡山大）

15:10-15:25
Session 4
15:25-15:55

記念撮影・休憩

バイオインスパイアード材料【座長】松田 巌（東大物性研）

複雑・生体界面の階層構造と機能
田中 求（ハイデルベルク大、京都大）

15:55-16:25

DDS ナノ粒子の溶液中での精密構造解析
櫻井 和朗（北九州市立大）16:25-16:55

プローブ顕微鏡・近接場光学を用いたバイオ界面の解析
林 智広（東工大）

16:55-17:25

バイオ界面のナノ構造が誘起するタンパク質吸着・細胞接着
高井 まどか（東大工）

17:25-17:30

閉会挨拶
豊島 近（東大分生研）

17:40-19:10

45

懇談会物性研 6 階ラウンジにて物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

物性研究所短期研究会

物性研究所スパコン共同利用・CCMS 合同研究会「計算物質科学の今と未来」報告
日時：2018 年 4 月 2 日（月）－ 3 日（火）場所：東京大学物性研究所 6 階 大講義室
URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/seminar/all2.html? ptype=seminar & pid =4202
所外組織委員：星健夫（鳥取大学）、泰岡顕治（慶應義塾大学）、羽田野直道（東京大学）
所内組織委員：尾崎泰助、川島直輝、杉野修、野口博司、笠松秀輔、野口良史、樋口祐次、森田悟史、渡辺宙志

本研究会は、物性研で運用する全国共同利用スーパー

員がプログラムを作成した。2 件の特別講演を含む 16 件

コンピュータの成果報告会で毎年開催してきているものの口頭講演と、32 件のポスター講演からなり、参加者は、である。ここ数年は、計算物質科学研究センター

1 日目が 85 名(学内 49 名、学外 36 名)、2 日目が 78 名

(CCMS)の活動報告会を兼ねて開催している。共同利用(学内 48 名、学外 30 名)で、延べ 163 名を数えた。近年、に関しては、2015 年度に主力ハードウェアであるシステ

物性科学分野においても、機械学習を応用した研究が盛ム A、B を更新した。今回の報告会は更新後 3 年目の終んにおこなわれるようになってきているが、今回の研究

わりにあたり、新機種導入の効果が顕著に表れるべき時

会では、こうしたトレンドにフォーカスして、離散幾何期にあたっている。また、今年 1 月にはシステム C を更学の観点から物性発現機構の解明に取り組んでおられる

新し、4 月から正式に供用を開始した。計算物質科学研究

東北大高等研の小谷元子教授と電子顕微鏡などの観測結センターの活動としても、2017 年には主な大型プロジェ

果と機械学習の連携によって成果をあげておられる東大

クトの中間評価を終え、これまでの成果を基にしたプロ

生産技術研の溝口照康准教授に特別講演をお願いした。

ジェクト後半の展望を開くべき時期にあたっている。口

口頭講演の各セッション、ポスターセッションともに活頭講演(招待講演)については、所外組織委員に講演者の発な質疑応答が行われた。(川島記)推薦を依頼し、推薦された候補者を中心に、所内組織委--- プログラム --2018 年 4 月 2 日（月）-----セッション 1----13:00-13:10

Opening

13:10-14:00【特別講演】小谷元子（東北大学）

14:00-14:30【巻頭論文講演】越智正之（大阪大学）“離散幾何学による物質探索への挑戦”“第一原理波動関数理論トランスコリレイティッド法の開発と固体 ZnO への適用”
14:30-15:00

篠原康（東京大学）“固体 GaSe からの高次高調波発生の原子論的シミュレーション”

15:00-15:20

コーヒーブレイク■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

46-----セッション 2----15:20-15:50

島村孝平（神戸大学）“非平衡不規則系における化学反応過程の理解を目的とした 第一原理分子動力学法の開発と応用”

15:50-16:20

榊原寛史（鳥取大学）“モデルマップ RPA 法の開発と多軌道系への適用”

16:20-16:50

奥村久士（分子科学研究所）“アミロイドベータペプチドの凝集の分子動力学シミュレーション”

16:50-18:00

ポスターセッション

18:30-20:30

意見交換会（ららぽーと花あかり）

2018 年 4 月 3 日（火）-----セッション 3 ----9:40-10:30【特別講演】溝口照康（東京大学）“機械学習、計算機シミュレーションおよび原子分解能計測による結晶界面解析”

10:30-11:00【巻頭論文講演】福島孝治（東京大学）“詳細つりあい条件を破るモンテカルロ・サンプリング法の現状”

11:00-11:30

中村統太（芝浦工業大学）“ガウスカーネル法を用いて生データから臨界点を求める、物理量を求める”

11:30-12:00

野村悠祐（東京大学）“機械学習を用いた量子多体系の基底状態計算”

12:00-13:00

昼食-----セッション 4 ----13:00-13:30【巻頭論文講演】大久保毅（東京大学）“並列モンテカルロ法によるフラストレート磁性体におけるトポロジカル転移の探求”

13:30-14:00

大槻東巳（上智大学）“アンダーソン転移の高精度数値計算”

14:00-14:30

浅野優太（ISSP）“希薄高分子溶液のカルマン渦の分子動力学シミュレーション”

14:30-15:00

コーヒーブレイク-----セッション 5 ----15:00-15:30

北尾彰朗（東京工業大学）“PaCS-MD によるタンパク質のダイナミクスと離合集散”

15:30-16:00

高江恭平（東京大学）“流体粒子ダイナミクス法の GPGPU 化”

47

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

16:00-16:30

品岡寛（埼玉大学）“量子格子模型プログラムパッケージ DCore (integrated DMFT software for CORrelated Electrons)の開発”

16:30-16:35

Closing--- ポスターセッション --2018 年 4 月 2 日（月）16:50 ~ 18:00

P-1 “有向浸透臨界現象におけるエントロピーから見たユニバーサリティクラス”
原田健自（京都大学）
P-2 “第一原理シミュレーションによる二酸化炭素還元反応過程の研究”
森川良忠（大阪大学）
P-3 “変形 Lennard-Jones 系のスピノーダル”
渕崎員弘（愛媛大学）
P-4 “磁化率解析法によるスピンギャップ有無の判定”
坂井徹（兵庫県立大学）
P-5 “Ga 添加型 Nd 焼結磁石界面に対する第一原理的研究”
立津慶幸（東京工業大学）
P-6 “フラストレート量子スピン系の磁気励起とスピン伝導”
大西弘明（日本原子力研究開発機構）
P-7“強相関フェルミオン系における収束半径ゼロのファインマン・ダイアグラム級数の総和法と量子モンテカルロ
法への応用”
大越孝洋（東京大学）

P-8 “テンソルネットワークくりこみ群を用いた 磁化の高次モーメント計算と有限サイズスケーリング”
森田悟史（ISSP）
P-9 “カーボンナノチューブのプラズモン誘起電子放出の TDDFT シミュレーション”
内田一樹（東京理科大学）
P-10 “第一原理計算による一次元 Rashba 効果を示す新たな表面系の探索”
田中友規（東京工業大学）
P-11 “二準位系を介したフォノン輸送の連続時間量子モンテカルロ法による解析”
山本剛史（ISSP）
P-12 “チタニア表面における欠陥誘起の酸素還元反応”
山本良幸（ISSP）
P-13 “非ハミルトン系における Velocity Verlet 法の安定性”
渡辺宙志（ISSP）
P-14 “TDDFT による単原子層物質の角度分解二次電子放出スペクトル”
上田純裕（東京理科大学）
P-15 “第一原理計算・レプリカ交換モンテカルロ法結合フレームワークの開発とイオン結晶の不規則性への応用”
笠松秀輔（ISSP）
P-16“共振器系で起こる光双安定性の微視的模型による記述”
白井達彦（ISSP）■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

48

P-17 “GUI 支援ツール C-Tools による電子状態計算の実行経過時間の評価”
吉澤香奈子（高度情報科学技術研究機構）
P-18 “有限要素法を用いた解析接続によるグリーン関数の評価方法”
福田将大（ISSP）
P-19 “Peculiar honeycomb bonding structures in silicene and borophene revealed by the absolutebinding energies of core electrons”
Lee Chi-Cheng （ISSP）
P-20 “空間相関をもつランダム場イジング模型の臨界現象と有効次元の解析”
藤堂眞治（東京大学）
P-21 “OpenMX Viewer - a web-based crystalline and molecular graphical user interface program”
リーヨンティン（ISSP）
P-22 “量子格子模型プログラムパッケージ HΦによる量子多体系の実時間発展”
山地洋平（東京大学）
P-23 “キタエフの量子スピン液体の新たな広がりと有限温度励起ダイナミクス”
山地洋平（東京大学）
P-24 “テンソルネットワーク法を用いたキタエフ模型の基底状態の記述”
金子隆威（ISSP）
P-25 “スピン分解アンフォールディング法による表面ラシュバ状態の解析”
山口直也（金沢大学）
P-26 “ハーフホイスラー化合物 CoMSb(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn)における異常ネルンスト効果の第一原理的研究”
見波将（金沢大学）
P-27 “Z2 不変量の第一原理計算コードの開発と 2 原子層 Bi(111)への応用”
澤端日華瑠（金沢大学）
P-28 “不十分な実験データを利用した結晶構造探査”辻本直人（東京大学）
P-29 “スピントロニクス材料の原子構造、磁気状態、電子状態の解析”
小田竜樹（金沢大学）
P-30 “Potts 模型における弱い 1 次相転移の数値的診断について”
飯野隼平（ISSP）
P-31 “並列テンソルネットワーク法の開発と 2 次元量子スピン模型への応用”
大久保毅（東京大学）
P-32 “Zinc blende-like 型構造を持つ GaSe についての計算”
新田寛和（北陸先端科学技術大学院大学）

49

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

50

物性研究所短期研究会

ガラス転移と関連分野の最先端研究

日時：2018 年 5 月 10 日(木)～2018 年 5 月 12 日(土)場所：物性研究所本館 6 階 大講義室(A632)

研究会提案代表者：山室修（物性研）
共同提案者：田中肇（東大生産研）、金谷利治（KEK, J-PARC）、宮崎州正（名大院理）、早川尚男（京大基研）、
深尾浩次（立命大理工）、野嵜龍介（北大院理）、巾崎潤子（東工大物質理工）、新屋敷直木 (東海大理)
ガラス転移は 21 世紀に残された物性物理学の最後のフ
ロンティアと言われるほど魅力的なテーマである。それは、有限温度で液体の緩和時間が発散する(ように見える)という極めて異常な現象であると同時に、その状態に至るには無限大時間が必要というある種ロマンチックな困難さを伴うからであろう。近年、この緩和時間の問題に挑戦するいくつかの新しい方法も試みられている。実験的には蒸着法で低エンタルピー・高密度の安定ガラスを作成する方法、理論的にはランダムピニングで実効的なガラス転移温度を引き上げる方法などがこれにあたる。
高温あるいは低圧からガラス転移に向かう際の顕著な変化の一つは静的・動的不均一性の成長であるが、この起源を解明するための種々の構造解析、誘電緩和測定、計算機シミュレーションなども盛んに行われている。また、蛋白質の動的転移、粉体のジャミング転移、スピングラ
ス転移、電荷ガラス転移などの関連した現象も活発に研究されている。物質寄りに見れば、液体―液体転移など

新しい世代、新しい分野の研究者を加え、より包括的か
つ将来に向けた議論を行うことを目的とした。
本研究会の特徴の一つは、講演者を招待講演者で固めるのではなく、世話人が推薦した一部の講演者を除き、大部分の講演者を一般募集することである。最終的に、口頭発表 43 件、ポスター発表 45 件が集まった。実験と理論の比率はほぼ半々である。できるだけ口頭発表の希望に応えるように、今回は発表時間を従来の 30 分から 25分に短縮した。参加者数は、初日 110 名(学内 29 名、学外 81 名)、2 日目 120 名(学内 36 名、学外 84 名)、3 日
目 100 名(学内 26 名、学外 74 名)であった。ガラス転移は物性研にとってはあまり馴染みのないテーマであるため、学内からの参加者が少ないことは覚悟していたが、学外からの参加者は予想以上であり、これまでのガラスの研究会で最大規模となった。ガラス分野の研究の活発さと本研究会への大きな期待が感じられた。

の観点で水は依然として興味深い対象であるし、イオン研究会初日は、吉信副所長挨拶と世話人代表による趣

液体など新しいガラス形成物質も見つかっている。ガラ

旨説明に引き続き、ガラス・過冷却液体の基本的な実験

ス自身の物性としても、従来のボゾンピークなどの低エのセッションから始まった。最初に山室と辰巳氏による

ネルギー励起の問題に加え、エイジングや結晶化の問題

蒸着ガラスの構造と熱的性質に関する発表があった。蒸も再注目されている。さらには材料科学や食品科学など

着法によって作成された剛体的直線分子 CS2 のガラス構の応用分野においても、ガラス転移の概念は重要である。

造が結晶に近いものであるという結果は、まだ解明され以上の様な状況において、ガラス転移に関わる実験、理論、計算機シミュレーションの研究者、さらには、蛋
白質、粉体、固体物理などの周辺分野の研究者が一同に会し、現状を確認し合うとともに、将来の研究の方向について議論することは非常に有意義である。物性研では、2000 年頃から 3～4 年に一度、国内最大のガラス関係の研究集会として、短期研究会を開催してきた。今回、3 年ぶりに行う本研究会では、これまでの参加者以外にも、

51

物性研だより第 58 巻第 2 号ていない分子ガラスの基本構造についての強いメッセー
ジである。猿山氏はα緩和の緩和時間が緩和的に変化す
る珍しい現象について発表した。野嵜氏は誘電緩和により、齋藤氏は放射光γ線を用いた準弾性散乱により、β緩和(Johari-Goldstein 緩和)の特徴とその起源に関する発表を行った。続いて、液体・ガラスの理論・計算機シミュレーションのセッションが行われた。ここでは比較的ベテランの研究者がこれまで積み上げてきた手法を活かした新たな取り組みについて発表した。田中氏による■■■ ■ ■ ■■

過冷却液体における方位秩序形成と遅いダイナミクスのを中心に行われている Swap Monte Carlo 法に関するも関連や吉野氏による並進自由度と回転自由度の関連を調ので、通常は時間がかかりすぎて到達できない低温の過べた研究は、いずれも実在のガラス形成系を扱う上で重冷却液体の構造・エントロピーを得るための挑戦的な研要な観点であり印象に残った。小田垣氏は自由エネル究であった。次のセッションでは生体系物質・電子系ガギーランドスケープ描像により、先の猿山氏の結果を含ラスの発表が行われた。水野氏の発表は、細胞質の粘性

め、系が温度変調する場合の感受率の応答について論じが生理的濃度に向かって、ガラスのように発散するといた。古川氏はガラス形成液体の Fragile/Strong の問題をう、普通のガラスの研究者が聞くとびっくりするようなレオロジーの観点から議論した。初日の最後は粉体・内容であった。平田氏は RISM 理論の第一人者であるが、ジャミング・レオロジーのセッションで、この分野を代最近行っている 3D-RISM 理論と一般化ランジュバン方

表する早川氏、大槻氏、川崎氏の 3 名が講演を行った。

程式に基づくタンパク質の動力学転移の研究について発粉体やコロイド分散系で粒子の充填率を上げていくと粘表した。鹿野田氏らはフラストレーションにより最安定性率がべき的に発散する現象がジャミング転移であるが、な電子配置が自明でない電子系でガラス状態(電子ガラ

本セッションの発表(次のセッションの池田氏の発表も)ス)が発現することを見出しているが、今回は通常の原子はこの現象を真正面から理論的に扱った研究であり、非系のガラスとの比較だけでなく、電子の量子性により生常に聞き応えがあった。

じる幾つかの現象について発表した。このセッションで2 日目の最初は、前日の続きであったが、この日は主には、ガラス転移現象の広がり、一般性を強く感じた。

流体におけるシアによる粘性の増加(シアシックニング)

3 日目はガラス転移の実験研究の主流とも言うべき高分や減少(シアシニング)に関する発表がされた。桂木氏の子・ソフトマターのセッションで始まった。新屋敷氏は

発表は、実際に粉体(ガラスビーズ層)からステンレス棒

誘電緩和から高分子と溶媒(水およびアルコール)のダイを引き抜く実験と組み合わせた内容であり面白かった。

ナミクスと両者の相関について、高野氏は熱分析からガ瀬戸氏の研究はコロイド分散系の流動特性を粒子の微細ラス転移温度の分子構造(側鎖のアルキル鎖長)依存性に構造に基づき論じたもので、とても本質的な内容である

ついて、浦川氏は誘電緩和から高分子の各階層のダイナと感じた。栗田氏の発表はソフトジャミング系とも分類

ミクス(主鎖全体運動、セグメント運動、局所緩和)につされる液体中の気泡に関するもので、気泡形状に対する

いて最近の研究を発表した。いずれも高分子系の骨太なドライ・ウェット転移や気泡の崩壊現象が実験的に示さ研究で、聞き応えがあった。このセッションの最後に講れた。2 番目のセッションでは、水とネットワークガラス

演した岩宮氏は企業の研究者で、実際に製品に用いられに関する発表が行われた。金氏の発表は精密な MD シているガラス質薄膜に関する講演を行った。また、製品

ミュレーションによる過冷却水のダイナミクスによるもが実際に水をはじくデモを行い聴衆を大いに喜ばせた。

の、村上氏の発表はテラヘルツ分光による逆ミセル中の次の液液転移・ポリアモルフィズムのセッションでは 4

過冷却水のダイナミクスによるものであり、その対比が名が発表した。もちろん液液転移はガラス転移ではない面白かった。小野寺氏と小原氏はどちらもＸ線または中が、液体状態における(対称性の変化を伴わない)顕著な性子線によるガラスの構造解析の専門家であるが、小野

物性変化であり、多くの場合その機構に局所構造変化が寺氏は構造因子(特に FSDP)の系統的な理解について、関係していることは共通である。この分野を長年研究し小原氏は様々な解析法を駆使した高密度シリカガラスのている鈴木氏は伝統的な過冷却水の液液臨界点に関して、構造解析について発表した。午後の最初は、ガラス・過渕崎氏は彼が最近発見した高圧でのヨウ化錫の液液転移

冷却液体分野の若手研究者のセッションとなった。古府について、そして水口氏はシリカ細孔内に閉じ込められ氏の発表は、中性子散乱法を用いて液体中の分子拡散のたシクロヘキサンの液液転移について発表した。午後のQ 依存性の全貌を明らかにしたという画期的な内容で最初は、イオン伝導体・イオン液体のセッションであっあった。岩下氏の発表は、通常は逆空間で議論されるこた。イオン伝導体の第一人者である河村氏は、結晶も含とが多い液体のダイナミクスを実空間・実時間 g(r,t)で行めたイオン伝導体の一般的なイントロに続き、リチウムうメリットを提示したもので、非常に新規性の高い研究

塩水溶液のイオン伝導度と拡散係数の関係を論じた。こであると感じた。尾澤氏の発表は、現在モンペリエ大学の分野の MD シミュレーションの専門家である巾崎氏は、■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

52多孔体中のイオンダイナミクス(しばしば加速されるのがで学生や若いポスドクが増えているのは何よりうれしい興味深い)に関する発表を行った。大規模な MD シミュことである。彼らのやる気に満ちた話を聞くと、この研レーションを得意とする芝氏は、長いアルキル鎖をもつ究会をこれからも継続していかねばと感じた次第である。

イミダゾリウム系イオン液体で現れる液晶相の形成とそ懇親会でシニア代表でご挨拶をいただいた平田文男先生のダイナミクスについて発表した。本研究会の最後は、にもこの場を借りてお礼を申し上げたい。

もう一度ガラス・過冷却液体に関するセッションに戻り、
主にガラスにおける励起現象について講演が行われた。
ガラス特有の低エネルギー励起であるボゾンピークの起源は、ガラス転移と同じく未だ良く分かっていない。小島氏は典型的なガラス形成物質であるグリセロールの低温および高圧でのボゾンピークについて発表し、水野氏は MD シミュレーションにより広い周波数領域の固有振動を調べ、ボゾンピークと連続体近似領域のフォノンについて論じた。森氏はテラヘルツ分光によるフラクトン
励起に関する発表を行った。本研究会の最後の演者は白井氏で、ガラスの残留エントロピーと熱力学第 3 法則に関する非常に基本的な内容で研究会を締めくくった。
初日と 2 日目の午後に行われたポスターセッションでは、口頭発表の内容に近いテーマから全く異なるテーマ

最後に、本ワークショップの企画・準備・開催・報告の各段階で、多くの物性研事務部および中性子科学研究施設の方々にご協力いただいた。特に、旅費・宿泊の事
務全般を一人で担当してくれた山室研秘書の本田裕子さん、ホームページ・web 登録システムの管理をしてくれた山室研大学院生の楡井真実君、プログラム・予稿集の編集を担当してくれた山室研特任研究員の秋葉宙さん、
当日の受付や要旨集の作成で力を貸してくれた中性子科学研究施設補佐員室の伊東順子さんと鈴木麻理恵さんに、この場を借りて感謝したい。
以下に研究会でとった何枚かの写真とプログラムを掲載する。講演予稿集については、まだ残部がかなりある
ので、世話人代表に連絡をいただければお送りします。

(例えば強誘電―反強誘電相転移やスピン液体)まで、非常に幅広い発表が行われた。約 20 件の発表に対して 2 時間という余裕のあるプログラムであったため、口頭発表者を中心とした比較的シニアの研究者と若手研究者の間で非常に密な議論が繰り広げられた。なお、申込時に口頭発表を希望された方のうち 6 名にポスターに変更していただいた。そのことについてここでお詫びしておきたい。
以上のように、発表内容はガラス転移の基礎理論から
生物系や強相関電子系の実験まで非常に多岐にわたって
おり、しかも物性研内部の研究テーマからはかなり異なっていたにもかかわらず、全てのセッションで休憩時
間がほとんど無くなるほど活発な討論が行われた。これは、発表者の方々が専門外の聴衆に配慮した話をされたこと、逆に聴衆の方々は初歩的な質問や全く異なる立場からの質問を遠慮無くして頂いたことによる。研究会の参加者全員に心から御礼申し上げる。
2 日目の 18 時半からカフェテリアで開催した懇親会についても少し触れておく。冒頭の森所長のご挨拶に続き、食事と歓談が行われたが、今回は初めて参加される方が多く、単なるお疲れさま会ではなく、有意義な情報交換ができたと感じた。特に最近ガラス分野(特に理論分野)

53

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■

■

集合写真

講演会場

講演会場

ポスターセッション

懇親会■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

54

5 月 10 日（木）10 : 00 ~ 18 : 50

（20 分講演 ＋ 5 分討論 ＝ 25 分／人）

10 : 00 ~ 10 : 15

副所長挨拶（信 淳）・趣旨説明（山室 修）【セッション 1】 10 : 15 ~ 12 : 20

ガラス・過冷却液体 1

1. 山室 修（東大物性研）

単純分子のガラスおよび過冷却液体の構造

2. 辰巳 創一（京工繊大）

蒸着ガラスの低温異常性に見る蒸着ガラスの不均一性

3. 猿山 靖夫（京工繊大）

温度変化に対する α 過程緩和時間の遅れの現象論的考察

4. 野嵜 龍介（北大院理）糖・糖アルコールガラスにおける副緩和過程の振舞い

5. 齋藤 真器名（京大複合原科研）

Johari-Goldstein β 緩和の微視的な観測とそのフラジリテ指数との関係性

12 : 20 ~ 13 : 30

昼休み（世話人会）【セッション 2】 13 : 30 ~ 15 : 35

ガラス・過冷却液体 2

6. 田中 肇（東大生研）

過冷却液体における方位秩序形成と遅いダイナミクス

7. 小田垣 孝（科学教育総）

温度変調応答について

8. 吉野 元（阪大サイバー）

並進と回転自由度ガラス転移の平均場理論

9. 古川 亮（東大生研）

fragile-strong ガラス形成液体間のレオロジーに見られる質的な違いについて

10. 高田 章（旭硝子）

ガラスの非平衡状態を記述する分配関数の理論モデルに関する研究

15 : 35 ~ 17 : 35

コーヒーブレイク&ポスター発表 1【セッション 3】 17 : 35 ~ 18 : 50

粉体・ジャミング・レオロジー1

11. 早川 尚男（京大基研）

濃厚サスペンションのレオロジーの理論

12. 大槻 道夫（阪大基礎工）

周期剪断を受けた粉体における Shear Jamming

13. 川崎 猛史（名大理）

ジャミング転移点近傍における粒子軌道の可逆性に関する非平衡相転移

座長

深尾 浩次

座長

宮崎 州正

座長

吉野 元

5 月 11 日（金）8 : 45 ~ 18 : 15
【セッション 4】 8 : 45 ~ 10 : 25

粉体・ジャミング・レオロジー2

14. 池田 昌司（東大総合文化）

ジャミング転移における粘性発散と緩和時間の増大の対応関係

15. 桂木 洋光（名大環境）

粉体層からの棒引き抜き抵抗とシアー・ジャミング

16. 瀬戸 亮平（京大院工）コロイド分散系のマイクロストラクチャーと非ニュートン流動特性

17. 栗田 玲（首都大東京）

泡沫ダイナミクスの液体分率依存性

10 : 25 ~ 10 : 40

コーヒーブレイク【セッション 5】 10 : 40 ~ 12 : 20

水・ネットワークガラス

18. 金 鋼（阪大基礎工）

過冷却水において水素結合はどのように切断するのか？：自由エネルギー

座長

早川 尚男

座長

鈴木 芳治

曲面の鞍点を通過しない遷移経路の検出
19. 村上 洋（量子科学機構）

ナノ拘束水の室温ガラス状態

20. 小野寺 陽平（京大複合原科研）

ガラス・液体・アモルファス物質の回折パターンの系統的な理解

55

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

21. 小原 真司（物材機構）

高温・高圧下から合成された永久高密度シリカガラスの構造とダイナミクス

12 : 20 ~ 13 : 20

昼休み

【セッション 6】 13 : 20 ~ 15 : 00

ガラス・過冷却液体 3

22. 古府 麻衣子（J-PARC）

ガラス形成液体における自己拡散過程の空間スケール依存性23. 岩下 拓哉（大分大理工）

実空間で視る液体の原子レベルダイナミクス

24. 尾澤 岬（モンペリエ大）

Swap Monte Carlo 法によるガラス転移の次世代シミュレーション研究25. 西川 宜彦（東大総合文化）

格子気体模型のガラス転移と動的性質

15 : 00〜17 : 00

コーヒーブレイク&ポスター発表 2【セッション 7】 17 : 00 ~ 18 : 15

生体系物質・電子系ガラス

26. 水野 大介（九大院理）アクティブガラスとしての細胞、および、細胞質の力学的性質

27. 平田 文男（豊田理研）

タンパク質の平均自乗変位の温度依存性に関する統計力学理論

28. 鹿野田 一司（東大院工）電子系ガラスに見る量子性

18 : 30 ~ 20 : 30

懇親会

座長

座長

田中 肇

新屋敷 直木5 月 12 日（土）8 : 45 ~ 16 : 20
【セッション 8】 8 : 45 ~ 10 : 25

高分子・ソフトマター

29. 新屋敷 直木（東海大理）

高分子溶液中の水とアルコールの誘電緩和とガラス転移

30. 高野 敦志（名大院工）一連のポリ(4-n-アルキルスチレン)類のガラス転移温度の分子構造依存性

31. 浦川 理（阪大院理）高分子ダイナミクスの階層性とガラス転移32. 岩宮 陽子（超越化研）

超越ガラス技術とその応用（超越グラスコート）

10 : 25 ~ 10 : 40

コーヒーブレイク【セッション 9】 10 : 40 ~ 12 : 20

液－液転移・ポリアモルフィズム

33. 鈴木 芳治（物材機構）

実験によるポリオール水溶液の液-液臨界点の位置の予測

34. 渕崎 員弘（愛媛大理工）

ヨウ化錫の水型ポリアモルフィズム

35. 水口 朋子（京工繊大）

拘束系のシクロヘキサンの液液転移

36. 梶原 行夫（広大総合）

ガラス転移の起源を液体－液体相転移に求める

12 : 20 ~ 13 : 20

昼休み

【セッション 10】 13 : 20 ~ 14 : 35

イオン伝導体・イオン液体

37. 河村 純一（東北大多元研）

ガラス・過冷却液体のイオン伝導度と拡散係数

38. 巾崎 潤子（東工大物質）

分子動力学による多孔質系のイオンダイナミクスの動的不均一性の研究

39. 芝 隼人（東北大金研）

イオン液体におけるメソ液晶構造形成と動力学の分子シミュレーション■ ■■ ■ ■■ ■

座長

座長

座長

野嵜 龍介

巾崎 潤子

金谷 利治

物性研だより第 58 巻第 2 号

56

【セッション 11】 14 : 35 ~ 16 : 15

ガラス・過冷却液体 4

40. 小島 誠治（筑波大物質工）

生体凍結保護物質グリセロールの常温高圧と常圧低温におけるガラス状態の

座長

山室 修

研究
41. 森 龍也（筑波大物質工）

テラヘルツ時間領域分光によるフラクトン励起の検出42. 水野 英如（東大総合文化）

ガラスにおける固有振動状態とフォノン振動

43. 白井 光雲（阪大産研）

ガラス物質の残留エントロピーと熱力学第三法則

16 : 15 ~ 16 : 20

クロージングポスター発表 1（5 月 10 日（木）15 : 35 ~17 : 35）
P.1.

寺島 幸生（鳴門教大）

水素結合性液体のガラス転移過程における活性化エネルギーの変化とフ
ラジリティ

P.3.

中村 統太（芝浦工大工）

スピングラスの正しいシミュレーション法

P.5.

Nandi Manoj Kumar（名大理）Role of the Pair Correlation Function in the Dynamical Transition
Predicted by Mode Coupling Theory

P.7.

松尾 隆祐（阪大院理）

応力・長さ・温度変化の同時測定によるエラストマー変形の熱力学的記述

P.9.

石野 誠一郎（東大生研）

非相加系のガラス転移と結晶化

P.11.

阿部 洋（防衛大）イオン液体のガラスのアニオンサイズ効果

P.13. 田村 建斗（京工繊大）

様々な物質を用いた真空物理蒸着によるガラス形成の試み

P.15. 柴崎 裕樹（物材機構）

高圧熱処理による金属ガラスの構造・特性変化

P.17. 大平 遼（京工繊大）

超高感度 DSC を用いたアニーリング効果の検証

P.19. 岩下 靖孝（九大）

パッチ粒子によるコロイダルガラス

P.21. 森 勇介（阪大基礎工）

ジペプチドの構造変化における反応経路と反応座標

P.23. 友重 直也（阪大基礎工）

高分子融体のガラス化過程：構造とダイナミクス

P.25. 中村 壮伸（産総研）

共変性原理に基づく自由エネルギー地形の構築と状態遷移の記述

P.27. 葉 韋廷（名大理）Reproducing Reversible-Irreversible Transition of Dilute Sheared
Suspension from a Deterministic Set of Equations － Effect ofHydrodynamic and Non-Hydrodynamic Interaction

P.29. 藤井 慎季（東海大）

Poly(vinyl pyrrolidone)アルコール溶液と水溶液における溶質と溶媒の誘電緩和とガラス転移

P.31. 西山 枝里（千葉工大）

アモルファス高分子における熱力学的フラジリティーと協同的再配向領域

P.33. 横田 麻莉佳（千葉工大）

アモルファス高分子熱容量の分子振動解析

P.35. 山田 類（東北大学際研）

回復熱処理手法を通じた金属ガラスの構造若返りと結晶化

P.37. 佐々木 海渡（東海大）

ポリビニルメチルエーテルのエンタルピー緩和と誘電緩和

P.39. 水野 勇希（東大物性研）

Ｘ線と中性子で観た CS2 ガラスおよび液体の分子配向相関

P.41. 楡井 真実（東大物性研）

超高エントロピー液体・アルキル化テトラフェニルポルフィリンのガラ
ス転移と分子運動P.43. 浅野 優太（東大物性研）

分子動力学法による複雑流体中のカルマン渦の解析

P.45. 伊藤 功（東大物性研）

高精度レーザーによる低熱膨張材料(ガラス、セラミックス)の経年変化測定

57

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

ポスター発表 2（5 月 11 日（金）15 : 00 ~17 : 00）
P.2.

島田 真成（東大総合文化）

アモルファス固体における低周波局在振動の空間構造

P.4.

高江 恭平（東大生研）

立体斥力と双極子相互作用の競合による強誘電－反強誘電相転移P.6.

簑口 友紀（東大総合文化）

ヘリウム物理吸着薄膜のガラス様応答と超流動アニーリング

P.8.

蒲沢 和也（CROSS）

フラストレート磁性体の(古典)スピン液体状態の振る舞いについて

P.10. 菊本 元気（京工繊大）

高分子とそのダイマー混合系のガラス転移

P.12. 萱野 智洋（京工繊大）

粉末 X 線回折を用いた蒸着フェノールフタレインガラスの構造の温度変化の検証

P.14. 光元 亨汰（阪大サイバー）

ランダム充填パッチコロイド系の回転自由度のダイナミクス

P.16. 小林 美加（東大生研）

ガラスの熱応力破壊現象

P.18. 山口 毅（名大院工）

低分子液体の Cox-Merz 則：分子形状の影響

P.20. 髙橋 東之（茨城大院理工）プロトン伝導から見た水素結合系のガラス転移現象

P.22. 菊辻 卓真（阪大基礎工）

過冷却水中における水素結合が形成するネットワーク構造と破断プロセスの関係

P.24. 山口 優太（東大地震研）

一定圧力条件下における引力を持つ粉体のレオロジー

P.26. 川合 將義（KEK）

超越グラスコート技術でこどもたちを守りたい

P.28. Gubarevich Anna（東工大）

Charge correlations in the water-in-salt systems studied by molecular
dynamics simulation

P.30. 嶋屋 拓朗（東工大理）

高密度バクテリア集団における動的不均一性の解析とその展望

P.32. 藤村 順（千葉工大）

種々の測定で観測したアモルファススチレンオリゴマーの緩和現象

P.34. 村中 正（愛知工大）

ガラスと過冷却液体における「流れ」

P.36. 高塚 将伸（東海大）

広帯域誘電分光法による Poly (ethylene imine)水溶液の液体からガラス状態における高分子と水の分子ダイナミクス

P.38. 秋葉 宙（東大物性研）

水素吸蔵・放出処理による PdPt 合金ナノ粒子の固溶化過程

P.40. 名越 篤史（国士館大）

メソポーラスシリカ細孔内の有機溶媒の熱容量挙動

P.42. 川上 直也（東大新領域）

原子間力顕微鏡による氷表面の原子分解能観察

P.44. 樋口 祐次（東大物性研）

粗視化分子動力学法による結晶性高分子のガラス転移■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

58物性研究所短期研究会

量子情報・物性の新潮流－量子技術が生み出す多様な物性と情報処理技術－

研究会提案者
押川正毅（東京大学物性研究所）
佐々木寿彦（東京大学）
富田隆文（京都大学）
中田芳史（東京大学）
根来 誠（大阪大学）
2018 年 7 月 31 日～8 月 3 日の四日間に渡り、表題の研算実験・量子物性に関するご講演をいただいた。このこと究会を開催した。本研究会では、量子物理を情報論的な観によって「量子と情報」に関する基礎的な視点を皆で共有

点から理解することに主眼を置き、量子情報を中心に物性することが出来たと考えている。研究会の初日は、午前は物理、統計物理、高エネルギー物理等の関連する研究者を

冷却原子関連の実験・理論に関して、午後は量子多体系の一堂に介して新たな研究交流を生み出すことを目指した。

数値計算手法や複雑な量子多体系における情報の流れ、量

近年、「量子と情報」という考え方は急激に物理学全体

子通信理論に関するコアな話題など、多様な内容に関してに浸透しつつあり、物理学と情報学が融合した新フロン

発表していただいた。二日目は、量子情報理論の基調講演

ティアの開拓に繋がっている。事実、ここ十年で、量子現から始まり、午前は量子情報・高エネルギー物理・量子物

象を情報という観点から捉えることで、トポロジカル秩序

性を巻き込む分野横断型トピックとして注目されている量の理解の深化やテンソルネットワークを用いた数値計算手

子ブラックホールと情報の話を、午後は量子計算・量子ア法の開発、量子カオスの新理解など、数多くの基礎物理のルゴリズムを中心にした発表をいただいた。最終日は、基進展が得られている。その一方で、量子系を情報処理の媒調講演として超伝導系を用いた量子コンピュータ実装に関体として利用するという観点から、量子コンピュータや量して発表していただき、その後、量子暗号・量子通信など

子暗号、量子通信などの量子技術の開発も盛んに行われて量子情報サイドのトピックスから量子熱力学に至るまで、いる。「量子系の物理」と「量子技術開発」は、量子現象

広範囲の話題について発表・議論を行った。このように発を情報の流れとして「理解」するのか「活用」するのか、

表内容を羅列するとスコープが極めて広い研究会であったという目的の差異はあるにしろ、本質的には統一的な“言ことが再認識されるが、事前に設けたチュートリアル講演

語”で理解可能なものである。そのような 共通言語の整やプログラム構成の工夫、また、各ご講演者のご尽力によ

備を通じて量子物理の発展は更に加速すると考えられるが、り、専門外の研究者でも理解できる発表内容が多く、講演

その第一歩として「量子を舞台にする様々な分野の研究者

後の活発な議論に繋がっていた。研究会後に行ったアンが交流し、異なる分野の研究を理解しあうきっかけを作りケート結果でも、参加者の大多数が研究会の内容に満足したい」と考え、今回の短期研究会を企画するに至った。

ており、普段はあまり耳にすることがない研究内容に触れ、本研究会では、理論・実験を問わず様々な分野の研究者に招待講演をお願いし、「量子と情報」をキーワードに公募した一般講演にも多くの分野からのご応募をいただいた。

今後の研究活動に活かしていくよい機会を提供できたのではないかと考えている。
その一方で、一部の研究者からは「異なる分野の発表は、異分野交流を促進するためにスコープを広くとったことも研究の動機が理解しづらい」という率直なコメントもいたあり、分野間のバランスを保ちつつプログラムを作成する

だき、国内における量子情報と伝統的な物理のギャップはのは容易ではなかったが、結果として、講演中・講演後を小さくないことも実感した。欧米では、すでに「量子と情問わず分野の垣根を超えるような活発な議論が交わされる報」という名の下で多くの分野が共同する下地が整いつつなど、極めて盛況な研究会となった。本研究会では、分野あるため、今後、世界的な研究潮流に後れを取らずに量子横断型ということを考慮して 7 月 31 日をチュートリアル

系の新たな理解・新分野の開拓へと繋げていくためには、の日と設定し、量子情報基礎・量子コンピュータ・量子計

分野横断型研究会の定期開催や滞在型研究会など、より長59

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

期的な研究交流を続けることが重要であろう。本研究会で最後に、本研究会は、東京大学物性研究所共同利用制度

は学生を中心に旅費支援も行ったが、若い学生らが「量子および CREST グローバル量子ネットワーク（代表 井元と情報」という研究視点を早い段階で習得し、Quantum信之）のご支援のもと開催されました。この場を借りて感Native とでも呼ぶべき新しいタイプの研究者へと成長し謝いたします。また、研究会開催に多大なご尽力をいただてくれることを願ってやまない。

いた物性研究所の辻様、加藤様、菱沼様、光冨様、薩埵様、本研究会では、3 件のチュートリアル講演、28 件の招そして小芦研究室の学生には深く感謝いたします。

待・一般講演と 56 件のポスター発表を行い、計四日間で延べ 664 名の参加者があった。特に学生を含めた若手研究者の参加者が多く、当該分野への興味の高さや盛り上がりが感じられた。その関心や熱意を元に、本研究会で耳にした異なる分野の考え方や知識を今後のイノベイティブな研究へと繋げていただければ、世話人としてこれ以上の幸せはない。

全体での集合写真

聴衆で溢れんばかりの会場■ ■■ ■ ■■ ■夜遅くまで盛況だったポスターセッション

物性研だより第 58 巻第 2 号

60

【プログラム】
7 月 31 日（火）9:00 - 10:00

受付

10:00 - 11:00

小芦雅斗（東大）

11:00 - 11:15

休憩

11:15 - 12:15

小芦雅斗（東大）

12:15 - 13:30

昼食

13:30 - 14:30

杉山太香典（東大）

14:30 - 14:45

休憩

14:45 - 15:45

阿部英介（慶応大）

15:45 - 16:00

休憩

16:00 - 17:00

押川正毅（東大物性研）

量子情報理論基礎 1/2
量子情報理論基礎 2/2
量子コンピュータとノイズ
量子計算実験基礎
量子情報と物性8 月 1 日（水）9:00 - 9:45

受付

9:45 - 10:00

オープニング

10:00 - 11:00

中島秀太（京大）

11:00 - 11:20

休憩

冷却原子系を用いた量子シミュレーション

11:20 - 11:50

中川賢一（電通大）

冷却リュードベリ原子を用いた量子多体系シミュレータ

11:50 - 12:20

内野瞬（早稲田大）

強く相互作用する冷却フェルミ原子気体におけるメゾスコピッ

12:20 - 13:25

昼食

13:25 - 14:10

川島直輝（東大物性研）

テンソルネットワーク法の情報処理

14:10 - 14:40

原田健自（京大）

エンタングルメント分岐とその活用

14:40 - 15:00

休憩

15:00 - 15:45

伊與田英輝（東大）

孤立量子多体系における熱平衡化と量子情報の非局在化

15:45 - 16:30

宮寺隆之（京大）

量子測定における同時操作不可能性

16:30 - 16:50

休憩

16:50 - 17:20

松本啓史（NII）

Smoothed α-Renyi divergences and divergence rates

17:20 - 17:50

東浩司（NTT）

量子インターネットの理論限界と面積則

18:00 - 20:00

懇親会

ク伝導

8 月 2 日（木）9:00 - 9:20

受付

9:20 - 10:20

小川朋宏（電通大）

10:20 - 10:40

休憩

10:40 - 11:25

吉田紅（ペリメータ研究所）

Efficient decoding for Hayden-Preskill protocol

11:25 - 11:55

若桑江友里（電通大）

One-shot partial decoupling 定理とその応用

11:55 - 12:55

昼食

12:55 - 13:40

大関真之（東北大）

量子アニーリングを用いた不器用なクラスタリング

13:40 - 14:10

藤井啓祐（京大）

Stoquastic ハミルトニアンによる断熱量子計算の量子加速

14:10 - 14:30

休憩

14:30 - 15:15

ルガル・フランソワ（京大）

量子分散計算15:15 - 15:45

竹内勇貴（NTT 基礎研）

高接続性ハイパーグラフ状態の検証とその量子計算への応用

15:45 - 16:05

休憩

16:05 - 16:35

笹川崇男（東工大）

16:35 - 17:45

ポスタープレビュー

17:45 - 19:45

ポスターセッション

61

物性研だより第 58 巻第 2 号

量子情報スペクトル理論の発展と応用

誤り耐性量子計算に向けたトポロジカル電子物質・物性の開拓■■■ ■ ■ ■■

8 月 3 日（金）9:00 - 9:20

受付

9:20 - 10:20

田淵豊（東大）10:20 - 10:40

休憩

10:40 - 11:10

富田章久（北大）

量子暗号鍵配送―最近の研究開発動向

11:10 - 11:40

小布施秀明（北大）

トポロジカル相と対称性を活用した量子状態制御：量子超伝導量子コンピュータ：開発と実装

フォークによるアプローチ
11:40 - 12:40

昼食

12:40 - 13:25

松枝宏明（仙台高専）

ホログラフィック原理と情報幾何・エンタングルメント

13:25 - 13:55

白石直人（慶応大）

量子純粋状態の熱平衡化のシナリオを巡って

13:55 - 14:15

山崎隼汰（東大）

量子符号化・復号の非局所性の定量化

14:15 - 14:35

休憩

14:35 - 15:05

高橋優樹（東大）

単一イオンと光共振器の強結合

15:05 - 15:35

武田俊太郎（東大）

大規模な光量子コンピュータをいかに実現するか

15:35 - 15:55

休憩

15:55 - 16:25

田島裕康（電通大）

大偏差状態の熱力学法則

16:25 - 16:45

水田郁（京大）空間並進による離散時間結晶

16:45 - 17:15

辻直人（理研 CEMS）

量子状態統計における揺らぎの定理

17:15 - 17:30

クロージング■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

62物性研究所談話会

標題：Dark-Matter Challenges of the Solid State.
日程：2018 年 4 月 12 日(木) 午後４時～午後 5 時
場所：物性研究所本館 6 階大講義室 (A632)
講師：Piers Coleman
所属：Center for Materials Theory, Dept Physics and Astronomy, Rutgers University
要旨：
At the turn of the 20th century, physicists faced an uncanny range of unsolved problems: simple questions, such as
why hot objects change color, why matter is hard and why the sun keeps on shining, went unanswered. These problems
heralded a new era of quantum physics. What was truly remarkable about discovery in this heroic era, was theintertwined nature of research in the lab and in the cosmos: solving superconductivity really did help answer why thesun keeps on shining, while looking at the stars provided clues as to why matter is hard.
The challenges facing us today, epitomized by our failure to quantize gravity and the mysteries of dark matter andenergy, are not just problems facing particle physics and astronomy, but problems that challenge physics to its core.
What is perhaps less well known, is that physics in the lab and cosmos remain just as intertwined as they were ahundred years ago.
I will talk today about the less well-known dark matter challenges of the solid state, epitomized by the strange metals
with linear resistivity that accompany high temperature superconductivity, the recent discovery of insulators with
Fermi surfaces and quantum criticality. the solid-state version of a black hole in the phase diagram. The solution ofthese laboratory-scale problems fundamentally challenge our understanding of emergent quantum matter, and they
are no less intertwined with their cosmological counterparts than they were a hundred years ago.
I will highlight three Dark-Matter challenges that have arisen in heavy fermion physics[1-4], emphasizing theirconnections with other strongly correlated quantum materials and discussing some of our recent theoretical efforts tomake progress on them: quantum criticality, hidden order and the possibility of new classes of broken symmetry
outside the Hartree-Fock/BCS paradigm and topology, including the mystery of SmB6 and the possibility that thisinsulator contains a new kind of neutral, yet diamagnetic Fermi surface [5].
[1] Piers Coleman, “Heavy Fermions and the Kondo Lattice, a 21st Century Perspective”, arXiv: 1509. 05769 (2015).
[2] Joe Thompson and Zachary Fisk, “Progress in Heavy Fermion Superconductivity: Ce115 and other materials”, J.
Phys. Soc. Jpn. 81, 011002 (2012).
[3] Philipp Gegenwart, Qimiao Si and Frank Steglich,”Quantum criticality in heavy-fermion metals”, Nature Physics
4, 186. 197 (2008).
[4] Maxim Dzero et al, “Topological Kondo Insulators”, arXiv 1506.05635, Ann. Rev. Cond. Matt. Phys., Volume 7:249280 (2016).
[5] B. S. Tan et. al, “Unconventional Fermi surface in an insulating state”, Science 349, 287-290 (2015).

63

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

【講師紹介】Piers Coleman 教授はこれまで物性物理の分野において様々な潮流を生む概念を提出されてきたことで世界的に知られる理論家である。さらに、東京大学物性研究所も含め世界 20 か国 75 以上の拠点を持つ International Institute forComplex Adaptive Matter(I2CAM)の所長としても活躍されている。一方、アメリカ物理学会と英国物理学会の Fellow
であられ、また、これまで様々な若手の学校を開き、次世代の教育にも大きく貢献されている。

標題：平成 30 年度前期客員所員講演会
日程：2018 年 4 月 19 日(木) 午前 10 時～午後 12 時 10 分
場所：物性研究所本館 6 階大講義室 (A632)
10:00-10:10

所長挨拶（森 初果：物性研究所長）

10:10-10:40

石井 史之（金沢大学理工研究域数物科学系)「第一原理計算によるスピン変換物質デザイン」

10:40-11:10

山口 博則（大阪府立大学理学系研究科)「有機ラジカル系によって実現する多彩な量子スピンモデルの低温物性」

11:10-11:40

摂待 力生（新潟大学理学部)「高圧・強磁場下での重い電子系反強磁性体 CePt2In7 のメタ磁性の研究」

11:40-12:10

松本 祐司（東北大学大学院工学研究科)「パルスレーザー堆積法によるナノ構造化機能性酸化物薄膜の創製」■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

64物性研究所セミナー

標題：中性子セミナー：Kitaev Quantum Spin Liquid and Its Beyond
日程：2018 年 4 月 13 日(金) 午後 1 時 30 分～午後 3 時
場所：物性研究所本館 6 階第 5 セミナー室(A615)
講師：Dr. Sungdae Ji
所属：Max Planck POSTECH Center
要旨：
The Kitaev quantum spin liquid (QSL) model has fascinated condensed matter physicists for a decade because they
are exactly solvable, provide a variety of QSL phases, and are relevant for transition metal compounds such as irridates
and ruthenates. This model implements the exchange frustration by bond-dependent Ising-like spin interaction on theideal two-dimensional honeycomb lattice resulting in an exactly solvable topological QSL ground state and fractional
spin excitations represented by noble Majorana fermions. In the past decade, experimental realization of the Kitaev
QSL model has been eagerly pursued and now it becomes a challenging to explore exotic quantum phases appearing
in real materials due to additional perturbative spin interactions.
In this talk, I will present the experimental evidences of Majorana fermions in a layered van der Waals compound αRuCl3. Neutron and x-ray diffraction measurements reveal that the low-temperature crystal structure forms theperfect Ru-honeycomb lattice, which provides an ideal platform for the Kitaev honeycomb quantum spin lattice.
Extensive thermodynamic and neutron spectroscopic measurements directly demonstrated Majorana fermionicexcitations as a result of thermal fractionalization of Jeff = ½ pseudospins, which is well reproduced by numericalsimulations obtained from the Kitaev model. Furthermore, I will present recent progress in pursuit of exotic quantum
phases and critical behaviors invoked by an external magnetic field or pressure on this material.

標題：国際強磁場科学セミナー：2018 年度 第 1 回：Determining the Fermi Surface of High-Temperature
Superconductors and Other Low-Dimensional Materials
日程：2018 年 4 月 17 日(火) 午後２時〜
場所：物性研究所本館 6 階第 4 セミナー室 (A614)
講師：Assoc. Prof. Paul A. Goddard
所属：Warwick University, UK／ Oxford University, UK
要旨：
I will discuss recent magnetotransport data on an underdoped high-temperature superconductor. To assist with thediscussion I will first describe how one goes about mapping the Fermi surface of quasi-two-dimensional materials
using high magnetic field measurements, focussing particularly on the technique of angle-dependent
magnetoresistance.
This will be illustrated using the results of earlier experiments on an organic superconductor, for which a full
determination of the Fermi surface was possible.
I will then contrast this with the more challenging measurements performed onYBa2Cu3O6+x and explain what
conclusions can be drawn in this case.

65

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

標題：理論セミナー：Reverse engineering Hamiltonian from spectrum
日程：2018 年 4 月 20 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：藤田 浩之
所属：東大物性研究所
要旨：
Handling the large number of degrees of freedom with proper approximations, namely the construction of the effective
Hamiltonian is at the heart of the condensed matter physics. Here we propose a simple scheme of constructing
Hamiltonians from given energy spectrum using the supervised learning technique. Taking the Hubbard model at thehalf-filling as an example, we show that we can find the reduced description, namely the effective spin model, of the
Hubbard model in a way that the estimation bias and error are well controlled. We reproduce the effective model at(t/U)^6 obtained previously by arduous perturbative calculations, just by minimizing the error in the spectrum(semi-)automatically using the supervised learning algorithms. We also show that the same approach is useful toconstruct the entanglement Hamiltonian of a quantum many-body state from its entanglement spectrum, taking the
ground states of the S=1/2 two-leg Heisenberg ladders, as an example. We find the qualitative difference of theentanglement Hamiltonian in the two different phases of that model which has not been known previously. Comparedto the known approach based on the full diagonalization of the reduced density matrix, our approach is computationallymuch cheeper thus offering a way of studying the entanglement nature of large (sub) systems.
[1] H. Fujita, Y. O. Nakagawa, S. Sugiura, and M. Oshikawa, Phys. Rev. B 97, 075114 (2018).

標題：理論インフォーマルセミナー：物質・材料科学分野におけるデータ駆動型研究 – 機械学習による有効モデル推定、
力場推定、ニオイセンサシグナル解析 –
日程：2018 年 4 月 25 日(水) 午後３時～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：田村 亮所属：物質・材料研究機構/東京大学
要旨：
現在、物質・材料科学分野ではデータ駆動型研究が注目されている。物質・材料科学には、構造データ、実験測定データ、第一原理計算データといった様々な種類のデータが存在している。これらのデータの取得には長時間測定や長時間シミュレー
ションが必要な場合が多く、簡単にデータを収集することが困難である。そのため、既知データを機械学習のトレーニング
データとすることで未知データを推定し、物質・材料開発の高速化を目指す研究が、材料科学におけるデータ駆動型研究である。
講演者は、物質・材料科学分野の様々な部分の高速化及び、物質・材料開発に重要な情報の抽出を目指し、様々な種類のデータを対象としたデータ駆動型研究を実施している。本講演では、実験測定データを入力としたベイズ統計による有効モデル推定や、第一原理計算結果を入力としたガウシアンプロセス回帰による力場推定、ニオイの特徴を抽出するためのニオイセンサシグナル
解析など講演者が携わったいくつかの事例を紹介し、物質・材料科学と機械学習の融合研究の可能性について議論する。
参考文献[1] T. Suzuki, R. Tamura, and T. Miyazaki, Int. J. Quant. Chem. 117, 33 (2017).
[2] R. Tamura and K. Hukushima, Phys. Rev. B 95, 064407 (2017).
[3] K. Shiba, R. Tamura, G. Imamura, and G. Yoshikawa, Sci. Rep. 7, 3661 (2017).
[4] R. Tamura and K. Hukushima, PLoS ONE 13, e0193785 (2018).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

66標題：理論インフォーマルセミナー：Numerical Evidence of Emergent Symmetry in Spin-1/2 Heisenberg
Chain
日程：2018 年 4 月 27 日(金) 午後５時～午後６時
場所：物性研究所本館 6 階第 5 セミナー室 (A615)
講師：Pranay PATIL
所属：Department of Physics, Boston University
要旨：
The antiferromagnetic Heisenberg chain is expected to have an extended symmetry, [“SU” (2) ×”SU” (2)] ⁄Z_2, in theinfrared limit, whose physical interpretation is that the spin and dimer order parameters form the components of acommon 4-dimensional vector. Here we numerically investigate this emergent symmetry using quantum Monte Carlosimulations of a modified Heisenberg chain (the J-Q model) in which the logarithmic scaling corrections of theconventional Heisenberg chain can be avoided. We show how the two- and three-point spin and dimer correlation
functions approach their forms constrained by conformal field theory as the system size increases and numericallyconfirm the expected effects of the extended symmetry on various correlation functions.
This talk will be based on work presented in arXiv:1803.02041.

標題：理論セミナー：固体における高次高調波の発生機構
日程：2018 年 4 月 27 日(金) 午後２時～午後３時
場所：物性研究所本館 6 階第 5 セミナー室 (A615)
講師：玉谷 知裕
所属：東京大学物性研究所
要旨：
原子分子気体における高次高調波発生は紫外から X 線領域におけるアト秒パルス光源としての有用性から現在までに盛んに研究されて来た[1]。それに対して近年、高強度 THz 光の発生が可能となり半導体を初めとする凝縮系を用いた高次高調波発生が注目されている[2]。これは THz 光における光子エネルギーが半導体の典型的なバンドギャップエネルギーと比較して非常に小さく、さらに安定した電場波形を形成できることから高次高調波発生に対する高効率な制御が実現できると期待されるためである。しかしながら、このような実験的進歩にも関わらず高強度 THz 光照射下での凝縮系における高次高調波の理論は未だ十分ではない。何故なら、高強度 THz 光照射下のキャリアダイナミクスは非摂動的非線形光学過程であるのみならず、非断熱的過程をも包括する必要があるからである。以上の状況を踏まえ、本講演では、半導体に高強度 THz 光を照射した際のキャリアダイナミクスを非摂動的かつ非断熱的に記述し、それによって生じる高次高調波発生のメカニズムを理論的に解明する[3, 4]。さらにそれらを踏まえ、グラフェン[5]や遷移金属ダイカルコゲナイド[6]における高次高調波の特異な性質を説明する。
Reference[1] T. Brabec and F. Krausz, Rev. Mod. Phys. 72, 545 (2000).
[2] O. Schubert et al., Nature Photon. 8, 119-123 (2014).
[3] T. Tamaya, A. Ishikawa, T. Ogawa, and K. Tanaka, Phys. Rev. Lett. 116, 016601 (2016).
[4] T. Tamaya, A. Ishikawa, T. Ogawa, and K. Tanaka, Phys. Rev. B 94, 241107(R) (2016).
[5] N. Yoshikawa, T. Tamaya, and K. Tanaka, Science 356, 736 (2017).
[6] T. Tamaya, S. Konabe, and S. Kawabata, arXiv:1706. 00548.

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物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

標題：国際強磁場科学セミナー：2018 年度 第 2 回：Quantum tricritical points, quantum wing critical points
and more in the phase diagram of metallic quantum ferromagnets
日程：2018 年 5 月 8 日(火) 午後２時〜
場所：物性研究所本館 6 階第 4 セミナー室 (A614)
講師：Dr. Valentin Taufour
所属：University of California, Davis campus
要旨：
Studies of the temperature-pressure (T-p) phase diagram of metallic quantum ferromagnets have revealed thatferromagnetic quantum criticality is avoided in two ways [1]: either the transition becomes of the first-order at a
tricritical point before being suppressed such as in UGe2 [2,3], or a transition to modulated magnetic phases appear
such as in LaCrGe3 [4]. We have shown that the addition of a magnetic field (H) can restore quantum criticality at theend of “wings” in the T-p-H phase diagram in both UGe2 and LaCrGe3 [5]. Our careful study of the “wings” near thetricritical point reveal new rules that apply to the T-p-H phase diagram [6]. We discuss our experimental T-p-H phase
diagrams of UGe2, LaCrGe3, and CeTiGe3 and how these compounds illustrate different strength of quantum
fluctuations based on recent theoretical results [7].
[1] M. Brando et al. Rev. Mod. Phys., 88, 025006 (2016).
[2] V. Taufour et al. Phys. Rev. Lett. 105, 217201 (2010).
[3] H. Kotegawa et al. J. Phys. Soc. Jpn., 80, 8, 083703 (2011).
[4] V. Taufour et al. Phys. Rev. Lett. 117, 037207 (2016).
[5] U. S. Kaluarachchi et al. Nature Communications 8, 546 (2017).
[6] V. Taufour et al. Phys. Rev. B 94 060410 (2016).
[7] Belitz et al. Phys. Rev. Lett. 119, 267202 (2017).

標題：中性子セミナー：中性子散乱を用いたスピン起源の交差相関物性研究
日程：2018 年 5 月 15 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：中島 多朗
所属：理研創発物性科学研究センター
要旨：
物質中の磁気モーメントが織りなす多彩な秩序構造とそれが生み出す交差相関物性現象が近年注目を集め，盛んに研究されている。例としてはフラストレーション系における強いスピン・格子結合現象や、マルチフェロイック系におけるス
ピン起源の電気分極の発現、磁気スキルミオンなどの非共面的磁気秩序が誘起する新奇な伝導現象などがあげられる。このような交差相関現象を研究する上で中性子散乱が果たす役割について、以下の 3 つの視点でまとめ、今後期待される研究についても議論したい。
(1) スピンと非共役な外場下における磁気秩序の変化の検出
交差相関系を中性子散乱を用いて研究する際には、単に基底状態の磁気構造を決めるだけでなく、多彩な外場下での磁気構造の“変化”を精度よく検出することが求められる。本講演では三角格子反強磁性体 CuFeO2 における一軸応力誘起磁
気相を中性子三次元偏極解析を用いて探査した結果を紹介する。また、近年注目を集める磁気スキルミオン物質に対する一軸応力効果を J-PARC の中性子散乱装置を用いて研究した例も紹介したい。
(2) 極限環境での励起状態観測への挑戦、光学測定と中性子非弾性散乱の相補性
前述の磁気構造と同様に、磁気励起の研究においても、磁場・電場・圧力などの外場下での中性子散乱に対する期待は今後高まると予想される。これについて、前述の CuFeO2 の磁気励起に対する磁場(及び非磁性不純物)効果を国内外の中■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

68

性子非弾性散乱装置 C1-1(JRR-3), CTAX(HFIR), LET(ISIS)を用いて系統的に観測した例を紹介する。また、近年進歩が著しいテラヘルツ分光などの光学測定と中性子非弾性散乱を相補的に用いることで、スピン・格子・分極などが結合した
興味深い励起状態に対する多面的な理解を得ることができる。一例として偏極中性子三軸分光器 PTAX(HFIR)を用いて行ったマルチフェロイック・ヘキサフェライトのエレクトロマグノンの研究を紹介する。
(3) 非平衡・過渡現象の観測
定常状態における磁気秩序・励起を中性子散乱で探査する手法は、測定・解析ともに系統的に整備されつつある。しかし過渡現象や非平衡過程については(すでに先駆的な研究はあるものの)まだ多くの開拓の余地があると考えられる。本発表では磁気スキルミオンの代表物質である MnSi について、電流パルスによる試料の急加熱・急冷と J-PARC のパルス中性子を組み合わせた時分割測定によって磁気相転移の kinetics を研究した例を紹介する。

標題：極限コヒーレント光科学セミナー：微生物型ロドプシンの光機能メカニズム研究
日程：2018 年 5 月 15 日(火) 午前 10 時〜
場所：物性研究所本館 6 階第一会議室 (A636)
講師：井上 圭一
所属：東京大学物性研究所
要旨：
微生物型ロドプシンは細菌や古細菌、一部の真核生物など、主に単細胞の微生物が持つ、光受容型の膜タンパク質である。微生物型ロドプシンは 7 回膜貫通型の共通構造の内部に発色団である all-trans 型のレチナールを結合しているが、このレチナールが光を吸収すると 13-cis 型へと異性化し、さらにその構造変化をトリガーとして様々な生理機能が光で発現する。その機能は非常に多岐にわたり、光駆動型のイオンポンプや、光開閉式チャネル、走光性センサー、光依存的な遺伝子発現制御などの機能を持つロドプシンが知られている。我々はこれまでに主にレーザー分光を中心とした、物理化学的な解析により、それぞれの微生物型ロドプシンが非常に似通った構造様式を持ちながら、どのように異なった機能を発現するのか、その構造機能相関をもたらす要因について研究を行ってきた。最近では光エネルギーを使って細胞外にNa+イオンを輸送する Na+ポンプ型ロドプシン[1,2]や、細胞内に H+を輸送する内向き H+ポンプ型ロドプシン[3]を新たに発見し、さらにその輸送メカニズムや、これらの分子をもとに機能を改変した新規分子ツールについて研究を行った。講演ではこれらの結果について紹介するとともに、近年様々なグループによってレーザー分光を用いて調べられた微生物型
ロドプシンの研究例や動向についても概説する。
[1] K. Inoue, et al., Nature. Commun. 4, 1678 (2013)[2] H. E. Kato et al., Nature 521, 48 (2015)[3] K. Inoue et al., Nature. Commun. 7, 13415 (2016)

標題：機能物性セミナー・理論セミナー：3D phase field simulation for macropinocytosis of amoeboid cells
日程：2018 年 5 月 18 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：斉藤 稔所属：東京大学大学院理学系研究科
要旨：
Macropinocytosis is clathrin-independent endocytosis and allows internalization of large volume of extracellular fluid.
Dictyostelium discoideum and tumor cells show constitutive macropinocytosis for uptake of nutrients fromextracellular fluid. With help of recent advance of microscopy for 4D observation, macropinocytosis has been considered69

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

to be driven by self-organizing pattern of actin polymerization on the membrane. However, it remains still unknown
how crown-like (or macropinositosis cup) structure forms, how it closes and what chemical reactions make it possible.
From theoretical perspective, we introduce a mathematical model based on phase-field method for simulating 3D
morphodynamics of macropinocytosis. The proposed model with the help of GPU enables reaction-diffusion process ofmembrane localized proteins and large membrane deformation simultaneously.
Simulation results indicate that simple chemical reactions including actin polymerization lead to drastic membrane
deformation, which results in an engulfment of extracellular fluid. In addition, depending on parameters, not only
macropinocytosis but also CDR (circular dorsal raffle) like behaviors appear.
This study provides a new insight for constitutive macropinocytosis as a self-organization phenomenon via feedback
between drastic deformation of membrane and reaction-diffusion on it.

標題：極限コヒーレント光科学セミナー：鏡像準位のスピンテクスチャと表面スピン流の光制御
日程：2018 年 5 月 30 日(水) 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：荒船 竜一
所属：物質・材料研究機構国際ナノアーキテクトニクス研究拠点
要旨：
外部磁場を用いずに電子のスピンを制御するーこれは近年大きな発展を遂げているスピントロニクス研究におけるチャ
レンジの一つである。このときスピン軌道相互作用は最も重要な相互作用である。スピン軌道相互作用を通し、さまざまな方法でスピン制御のデモンストレーションが行われている。光によるスピン制御は、高い制御性、高速応答など注目すべき多くの特徴をもち”オプトスピントロニクス”はスピントロニクスの中でも重要なブランチの一つとなっている。
我々は表面科学、表面分光の観点からオプトスピントロニクスに寄与したいと考えて、2 光子光電子分光を用いた研究を進めている。本セミナーではがこれまで取り組んできた結果を紹介する[1,2,3]。代表的な非占有表面状態である鏡像準位におけるスピン分裂をどのようにして測るか、そのスピン分裂状態をどのようにスピンコントロールに応用できるか、と言った点について議論したい。
参考文献：[1] T. Nakazawa, et al., Phys. Rev. B, 94, 115412 (2016).
[2] R. Arafune et al., Phys. Rev. Lett., 117, 239701 (2016).
[3] R. Arafune et al. (in preparation)■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

70日時：2018年5月31日（木）午後１時～２時30分
場所：物性研究所本館６階 Ａ615号室
題目：理論インフォーマルセミナー：第一原理計算を用いた点欠陥、粒界なの種々欠陥の原子・電子構造解析
講師：小川 貴史
所属：ファインセラミックスセンター
要旨：
材料に付随する種々様々な欠陥がもたらす物性を制御するには、その原子構造・電子状態を把握し、起こっている現象に潜むメカニズムを理解し、それを元に制御指針を探るステップが必要となる。近年、計算機性能の向上に加え、計算手法についても様々発展してきており、第一原理計算を用いた欠陥解析の有効性は高くなってきているが、「どのような解析が有効か」、「実験とどのように連携するか」という点については注目する現象・対象に依るところも大きく、まだ不確
実な部分が多い。本発表では、高温構造材料であるアルミナの粒界イオン拡散に関連する解析や、半導体やイオン伝導体
における荷電キャリアの熱平衡欠陥状態に関する解析を中心として、我々の最近の試みと成果を紹介する。
題目：理論インフォーマルセミナー：第一原理計算によるエネルギーデバイスの材料設計
講師：桑原 彰秀
所属：ファインセラミックスセンター
要旨：
近年のエネルギー情勢の変化に伴い、その高効率利用と低環境負荷を実現可能とする革新的なエネルギーデバイスの創出が求められている。第一原理計算は与えられた原子配置のもとで、対象とする物質の電子系のエネルギー状態や諸物性に関する定量的な情報を得ることができる計算手法であり、物性発現メカニズムの解明に有効であり、材料設計の指針を得ることもできる。本講演では、第一原理計算を用いたエネルギーデバイスの研究事例として、プロトン伝導性酸化物燃料電池材料における欠陥形成挙動の解明、リチウムイオン 2 次電池におけるイオンダイナミクスの第一原理計算等の内容に関して紹介する。

標題：理論セミナー：トポロジカル熱電変換物質デザインへ向けた異常ネルンスト係数の第一原理計算
日程：2018 年 6 月 1 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：石井 史之所属：金沢大学大学院 自然科学研究科 数物科学専攻、東京大学物性研究所
要旨：
新たな物性の起源として、電子状態のトポロジーが注目を浴びている。多くの第一原理電子状態計算プログラムに初めて導入された Bloch 波動関数のトポロジーに関連した計算手法は、1993 年に提案された電気分極を計算する King-Smithと Vanderbilt によるベリー位相の方法[1]である。我々はこれまで、ベリー位相の方法、それを拡張したベリー曲率、ト
ポロジカル不変量（Chern 数, Z2 数）の計算手法の第一原理電子状態計算プログラムへの実装とその応用[2-5]に取り組んできた。本講演では、それらの熱電変換現象への応用例について紹介する。
我々は、熱電変換材料の高効率化を模索する新たな方向性として、ベリー曲率由来の異常ホール係数のフェルミ準位依存性が重要となる、異常ネルンスト係数の大きな系の物質デザインをめざしている。その取り組みとして、スカーミオン
結晶モデル[4]、酸化物薄膜スカーミオン結晶[6]、ハーフホイスラー強磁性体[7]についての我々の最近の研究を紹介し、ベリー曲率が誘起する巨大な熱電変換効果を示す物質、トポロジカル熱電変換物質デザイン指針の構築についての展望を述べる。
[1] R.D. King-Smith and D. Vanderbilt, Phys. Rev. B, 47, 1651(1993).
71

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

[2] F. Ishii and T. Oguchi, J. Phys. Soc. Jpn., 71, 336 (2002).
[3] F. Ishii, N. Nagaosa, Y. Tokura, and K. Terakura, Phys. Rev. B 73, 212105 (2006).
[4] Y. P. Mizuta and F. Ishii, Sci. Rep., 6, 28076(2016).
[5] H. Sawahata, N. Yamaguchi, H. Kotaka, and F. Ishii, Jpn. J. App. Phys., 57, 030309 (2018).
[6] Y.P. Mizuta, H. Sawahata, and F. Ishii, arXiv:1803.08148.
[7] S. Minami, F. Ishii, Y.P. Mizuta, and M. Saito, arXiv:1804.00297.

標題：量子物質セミナー：Charge density wave order in YBa 2 Cu 3 O 6 . 67 induced by uniaxial stress.
日程：2018 年 6 月 7 日(木) 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：Clifford Hicks
所属：Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, Dresden, Germany
要旨：
High-temperature superconductivity requires both strong electronic interactions, and a mechanism by which theseinteractions are prevented from inducing an alternative, static electronic order. Therefore the study of competing
phases is an important part of the study of high-temperature superconductors. In underdoped cuprates, it is wellestablished that there are strong susceptibilities to both superconductivity and charge density wave order. It is notclear whether these orders are best described as mutually incompatible, different manifestations of the same pairing
interaction, or different components of a composite order parameter. In this talk, I will present elastic and inelastic Xray data on the underdoped cuprate YBa2Cu3O6.67 (Tc = 65 K), that show compression along the a axis by ~1% induces
static, three-dimensional CDW order. Upon reducing the temperature, the CDW disappears and is replaced bysuperconductivity, indicating strong competition between these states.

標題：理論インフォーマルセミナー：量子導体における情報量の完全計数統計と最大通信路容量
日程：2018 年 6 月 18 日(月) 午後３時 30 分〜
場所：物性研究所本館 6 階第 5 セミナー室 (A615)
講師：内海 裕洋
所属：三重大学 工学部 物理工学科
要旨：
2 端子量子ドットを対象に、部分系の自己情報量のゆらぎの分布と、最大通信容量を議論する。前半では、非平衡定常状態における Renyi エンタングルメント・エントロピーを、レプリカ法により計算する方法を丁寧に説明する。まず複製した Keldysh 経路上において、グリーン関数を導入する[1]。レプリカ空間についてフーリエ変換すると、完全計数統計理論[2]における計数場が現れる。その結果、Renyi エンタングルメント・エントロピーは電流キュムラント生成関数を用いて表すことができる[3]。
後半では、量子導体の通信路容量を議論する。部分系の局所的な熱量の測定後の縮約密度行列の対数として、条件付き自己情報量の演算子を導入する。その確率分布のフーリエ変換は Renyi エンタングルメント・エントロピーを解析接続したものとなる。最大通信路容量は 0 次の Renyi エンタングルメント・エントロピーで表され、それは分割数となることを示す。また定常状態では、縮約密度行列と部分系の局所熱量演算子は可換としてよいことを議論する。
[1] Yu. V. Nazarov, Phys. Rev. B 84, 205437 (2011).
[2] D. A. Bagrets, Y. Utsumi, D. S. Golubev, G. Schoen, “Full Counting Statistics of Interacting Electrons”, ed. by W. P.
Schleich and W. Herbert, Wiley-VCH, Berlin (2007).
[3] Y. Utsumi, arXiv:1804.04328, Phys. Rev. B 96, 085304 (2017), Phys. Rev. B 92, 165312 (2015).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

72標題：極限コヒーレント光科学セミナー：時間分解顕微光電子分光による有機ナノ薄膜表面・界面の電子ダイナミクス計測
日程：2018 年 6 月 19 日(火) 午後４時～午後５時
場所：物性研究所本館 6 階第一会議室 (A636)
講師：渋田 昌弘
所属：慶應義塾大学理工学研究科慶應義塾基礎科学・基盤工学インスティテュート
要旨：
機能性有機分子薄膜を用いた太陽電池、電界効果トランジスタ等の電子デバイスは、低コスト、軽量、フレキシブルな次世代エレクトロニクス・スピントロニクスの基盤技術として幅広く研究が行われている。有機薄膜あるいは基板－有機
薄膜界面において、エネルギー、時間、空間すべての次元で高精度な手法により電子物性を明らかにすることは、機能性の起源である電荷注入、電荷分離、再結合などの素過程を原理から理解し、機能を先鋭化する上で極めて重要な課題である。本研究では、代表的な機能性有機分子であるフラーレン(C60)の蒸着薄膜[1,2]や、簡便な溶液プロセスで機能性秩序膜を構築できる化学修飾アルカンチオール自己組織化単分子膜[3]などを対象とし、キャリアー(電子)の通り道となる非占有準位の局所分光と励起電子のダイナミクス計測を自ら開発した時間分解顕微光電子分光を駆使することで達成した。セ
ミナーでは上記の研究成果を紹介するとともに、これまでに得られた知見から、“柔らかい”有機分子を対象にした時間分
解顕微光電子分光では、非破壊で分子の電子準位を選択的に光励起することが重要であり,紫外・可視光領域にわたる幅
広い波長可変性(200-700 nm)を備えた高繰り返し(>1 MHz)フェムト秒光源の構築が不可欠であることを併せて紹介する。
文献[1] M. Shibuta, et al., Sci. Rep. 6, 35853 (2016).
[2] M. Shibuta, et al., Appl. Phys. Lett. 109, 203111 (2016).
[3] M. Shibuta, et al., ACS Nano 11, 4307 (2017).

標題：極限コヒーレント光科学セミナー：ネマティック電子状態の超高速光応答
日程：2018 年 6 月 21 日(木) 午前 10 時～午前 11 時
場所：物性研究所本館 6 階第一会議室 (A636)
講師：下志万 貴博
所属：国立研究開発法人理化学研究所
要旨：
自発的に回転対称性が破れた電子状態は、液晶とのアナロジーからネマティック電子状態と呼ばれ、銅酸化物や鉄系超伝導体の高温超伝導相近傍に発現する未知の秩序として注目されている。鉄系超伝導体では、スピンや軌道自由度における異方性の発達が格子変形を伴いながら電子ネマティック秩序を引き起こす機構が提唱されている。特に超伝導転移温度が最高となる最適組成では、ネマティック揺らぎが低温に向けて発達する振る舞いが物質の種類を超えて普遍的に見いだされており、超伝導発現との関連も指摘されている。これまで我々は角度分解光電子分光(ARPES)により、FeSe の電子
ネマティック秩序相における二回対称なフェルミ面や、バンド構造における軌道分極を明らかにしてきた[1,2]。本講演では、時間分解 ARPES を用いて観測した FeSe におけるネマティック電子状態の超高速光応答を紹介する。フェムト秒
レーザー照射によるネマティック秩序の超高速融解と、その後に現れる「ネマティック軌道揺らぎ」を見出した[3]。後者は、レーザー照射強度に対して臨界的挙動を示す減衰の速い振動現象として観測され、固体の新たな励起状態である可能性が示唆される。講演では以上の結果について説明するとともに、最後に現在我々が開発を進めている時間分解電子線
回折および時間分解電子顕微鏡について、得られ始めている最新の成果とともに紹介する[4,5]。
[1] T. Shimojima et al.,Phys. Rev. B 90, 121111(R) (2014).
[2] Y. Suzuki, T. Shimojima et al.,Phys. Rev. B 92, 205117 (2015).
[3] T. Shimojima et al., submitted.
73

物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

[4] A. Nakamura, T, Shimojima et al.,Structural Dynamics 3, 064501 (2016).
[5] S. Ideta, T. Shimojima et al.,Science Advances, accepted.

標題：理論セミナー：Resummation of diagrammatic series with zero convergence radius for the unitary
Fermi gas
日程：2018 年 6 月 22 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：Dr.Takahiro Ohgoe
所属：Department of Applied Physics, the University of Tokyo
要旨：
Feynman diagrams are powerful tools for studying various fields of physics. Still, the analysis usually involves
approximations, because only some types of diagrams or low-order diagrams are considered there. However, the Monte
Carlo method for unbiased sampling of Feynman diagrams has been recently developed. On the other hand, thediagrammatic series sometimes have zero radius of convergence. The question is whether it is still possible to makeaccurate predictions by summing up Feynman diagrams.
In this talk, we report high-precision results obtained by the bold-line diagrammatic Monte Carlo method for theunitary Fermi gas with zero convergence radius. We derive the large-order asymptotic behavior of the diagrammaticseries, and we give mathematical arguments and numerical evidence for the resummability of the series by aspecifically designed conformal-Borel transformation that incorporates the large-order behavior. Combining this new
resummation method with diagrammatic Monte Carlo evaluation up to order 9, we obtain new results for the equationof state, which agree with the ultracold-atom experimental data, except for the 4-th virial coefficient for which ourdata point to the theoretically conjectured value.
Reference:
R.Rossi, T. Ohgoe, K. Van Houcke, and F. Werner, arXiv:1802. 07717

標題：理論インフォーマルセミナー：量子基礎論における弱値の解釈と弱測定の精密測定への応用
日程：2018 年 6 月 28 日(木) 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：李 宰河
所属：東京大学生産技術研究所
要旨：
量子論の時間対称形式における可観測量(英：Observable)の値として Aharonov らの提唱になる弱値[1]概念は、その測定手法として提案された弱測定法[2]を応用した精密測定実験の成功報告[3-4]を契機として、近年大きく注目を浴びることとなった。本講演では、非専門家の方々を対象として、弱値概念および弱測定法の導入的な解説を行う。最初に、弱値概念の歴史的な出自を踏まえた上で、これをより標準的な量子論の枠内で理解する方策として、弱値の量子的な条件付期待値としての解釈[5]を紹介する。また、量子論における不確定性関係と弱値との間の関わりについて紹介し、弱値が分散型(Robertson-Kennard 型)と時間・エネルギー型の両不確定性関係を結ぶ役を担うことを見る[6]。次に、弱測定法について、これを広く条件付き量子測定として一般的に捉えることで、これが量子的な条件付期待値の測定手法として理解できることを見る。最後に、精密測定における弱測定法の有用性を論ずる上での誤差評価模型[7]を紹介し、弱測定法が従来の測定法の精度限界を超えることを理論的に実証した上で、併せて実験データの検証結果[8]を見る。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 58 巻第 2 号

74

参考文献
[1] Y. Aharonov, P. G. Bergmann, and L. Lebowitz, Phys. Rev. 134, B1410 (1964).
[2] Y. Aharonov, D. Z. Albert and L. Vaidman, Phys. Rev. Lett. 60, 1351 (1988).
[3] O. Hosten and P. Kwiat, Science 319, 787 (2008).
[4] P. B. Dixon, D. J. Starling, A. N. Jordan, and J. C. Howell, Phys. Rev. Lett. 102, 173601 (2009).
[5] J. Lee and I. Tsutsui, Prog. Theor. Exp. Phys. 2017 (5): 052A01 (2017).
[6] J. Lee and I. Tsutsui, Phys. Lett. A 380: 2045-2048 (2016).
[7] J. Lee and I. Tsutsui, Quantum Stud.: Math. Found. 1, 65 (2014).
[8] Y. Mori, J. Lee and I. Tsutsui, in preparation.

標題：理論セミナー：平衡および非平衡条件で電子相関により誘起される超伝導と空間不均一性
日程：2018 年 6 月 29 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：井戸 康太
所属：東京大学物性研究所
要旨：
これまでの常圧下における超伝導への最高転移温度は銅酸化物で実現された約 130K であるが、この最高転移温度はここ数十年でほとんど変化していない。この原因の一つとして、より高い転移温度を生み出すために必要なキャリア間に働く有効引力は、相分離や長周期の電荷秩序などの電荷不均一状態を同時に引き起こしてしまうということが挙げられる。
この困難を乗り越えるために、我々は超伝導を制御・増大させるための新しい方法を考える必要がある。
近年、光を用いて物質の格子モードを選択的に励起させることによって、室温領域においてでもギャップ形成などの超伝導的な性質を示すことが実験的に報告された[1]。これらの研究は、非平衡性を利用することによって室温超伝導を実現させるという可能性を切り開いた。
本研究では、格子モードの詳細によらず、相関電子系の特性に基づく機構により、非平衡性を利用した新たな超伝導増大の可能性を提示することを目指した。本目的を達成するために、二次元強相関電子系における空間一様な d 波超伝導状
態とストライプや相分離などの電荷不均一状態の競合について着目し、多変数変分モンテカルロ法[2,3]を用いて二次元
Hubbard 模型の数値解析を行った。まず、基底状態におけるそれらの競合について詳しく調べた[4]。その結果、相互作用を大きくすることによって急激に超伝導が強まる空間一様な状態は、強相関領域においては電荷不均一性の発達により不安定になることを明らかにした。続いて非平衡状態の解析を行った[5]。平衡下では実現されない強い超伝導状態は、
高強度のレーザーを照射することによって動的に実現できることを示した。本講演では、数値計算手法の詳細や光によって超伝導状態が動的安定化する機構についても説明する。
Reference[1] W. Hu et al., Nat. Mater. 13, 705 (2014), S. Kaiser et al., Phys. Rev. B 89, 184516 (2014), M. Mitrano et al., Nature
530, 461 (2016).
[2] D. Tahara and M. Imada, J. Phys. Soc. Jpn. 77, 114701(2008).
[3] K. Ido, T. Ohgoe, and M. Imada, Phys. Rev. B 92, 245106 (2015). [4] K. Ido, T. Ohgoe and M. Imada, Phys. Rev. B
97, 045138 (2018). [5] K. Ido, T. Ohgoe, and M. Imada, Sci. Adv. 3, e1700718 (2017).

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物性研だより第 58 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

人 事 異 動【研究部門等】○平成 30 年 9 月 1 日付け
（採 用）
氏

名

春 山

所
潤

属

職

名

備

考

機能物性研究グループ

助教

産業技術総合研究所 博士研究員から

職

名

備

○平成 30 年 10 月 1 日付け
（採 用）
氏

名

出 倉

所
駿

属

凝縮系物性研究部門

特任助教

考

京都大学大学院理学研究科化学専攻 教務補佐員から○平成 30 年 10 月 1 日付け
（兼 務）
氏

名

所

藤 堂 眞 治属

附属計算物質科学研究センター

職

名

備

考

教

授

職

名

係

長

東京学芸大学総務部人事課 専門職員へ

職

名

備

本務：東京大学大学院理学系研究科
期間：平成 30 年 10 月 1 日～平成 31 年 3 月 31 日

【事務部】
○平成 30 年 8 月 1 日付け
（転 出）
氏

名

所

齋 藤 智 之

属

共同利用係

備

考

（着 任）
氏
三 橋

名

所
舞

共同利用係

■ ■■ ■ ■■ ■

属

一般職員

考

新規採用

物性研だより第 58 巻第 2 号

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編 集 後 記
今号では、何と言っても甲元先生の受賞記事です。受賞記事と言っても、ほぼ先生の半生の話しで、冒頭の語りべ調に始まり、著名な先生、赤裸々に語られる人間関係、研究や環境の展開などにすっかり惹き込まれ、そしてその率直な物言いに「物理学者」の生き様を感じ、また、ラストが。。。私には少々難解な研究の話しはありましたが、あっという間に読んでしまいました。
さて、現在、外国人客員所員としてジョンズホプキンス大学(JHU)のアーミテージ教授が滞在されています。今回の大槻特任研究員の記事はアーミテージ教授との共同研究で、同JHU との共同研究の成果としては肥後特任研究員の記事もあります。JHU の物理・天文学
科とは、頭脳循環プログラムからの経緯で MOU を結ぶことになりました。また、本号の冒頭の記事を書かれた石田助教は、記事の中にも書かれていますが、東大の国際展開事業として韓国の理研とも例えられる基礎科学研究院の強相関グループ(ソウル大学内)に、今年の4 月から 1 年半の予定で派遣されております。このグループとも学術協定及び MOU を結んでおります。この秋に国際共同研究・共同利用拠点の申請があり、残念ながら採択はされなかったのですが、今後、国際的な取組による共同研究の成果が、この物性研だよりに益々紹介されることになっていくと思います。
最後に１つ。短期研究会「量子情報･物性の新潮流」では、記事にもありますが、非常に沢山の若い研究者、特に学生が集まり、私は会場に居たのですが、まさに熱気があり何かが起こりそうな雰囲気を感じた研究会で、とても印象的でした。
鈴 木 博 之