第 57 巻

第2号
2017 年 7 月

トポロジカル絶縁体表面で高効率スピン流を生成
なぜ高温超伝導体は界面で優れた特性を持つか？

­銅酸化物界面で超伝導転移温度が安定に最適化される機構を解明­

ゲルマニウム単原子シート｢ゲルマネン｣の原子配置の非対称化
3Dプリンタで空間に分布する物理量を可視化する技術を開発〜分子の中の電子密度分布を透明樹脂の中に描写〜

新種の鉱物、Bunnoite(豊石)について
高温高圧下における鉄の水素化の挙動を中性子でその場観察­地球形成初期にコアへ取り込まれた軽元素問題への挑戦­

電子のスピンを自在に操作 〜先端レーザー技術が拓く光スピン制御〜
結晶構造の乱れによる量子スピン液体状態の安定化

2017

第 57 巻第2号
2017 年 7 月

1contents
5

1

トポロジカル絶縁体表面で高効率スピン流を生成

4

なぜ高温超伝導体は界面で優れた特性を持つか？
−銅酸化物界面で超伝導転移温度が安定に最適化される機構を解明−

近藤 浩太、大谷 義近

三澤 貴宏

9

7

15

7

ゲルマニウム単原子シート｢ゲルマネン｣の原子配置の非対称化
深谷 有喜、松田巌

93D プリンタで空間に分布する物理量を可視化する技術を開発〜分子の中の電子密度分布を透明樹脂の中に描写〜
山崎 淳、古宇田 光

11

新種の鉱物、Bunnoite( 豊石 ) について14

高温高圧下における鉄の水素化の挙動を中性子でその場観察−地球形成初期にコアへ取り込まれた軽元素問題への挑戦−

浜根 大輔

飯塚 理子、
八木 健彦、
後藤 弘匡

17
11

21

18

33

35

37

電子のスピンを自在に操作〜先端レーザー技術が拓く光スピン制御〜

矢治 光一郎、黒田 健太

20

結晶構造の乱れによる量子スピン液体状態の安定化

22

国際会議 CEMS-QPEC Symposium on“Emergent Quantum Materials”にて
平井 大悟郎Best Poster Award 及び JPSJ Poster Prize を受賞して24

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム平成 28 年度秀でた利用 6 大高橋 竜太、川崎 聖治、リップマー ミック、平井 大悟郎
成果最優秀賞を受賞して26

平成 28 年度日本化学会進歩賞を受賞して上田

28

第 11 回日本物理学会若手奨励賞を受賞して橘高 俊一郎30

第 36 回表面科学学術講演会講演奨励賞を受賞して

黒田 健太

32
33

物性研に着任して

樋口 祐次
松永 隆佑

34

物性研を離れて

木俣

35
36
37

外国人客員所員を経験して39

客員所員を経験して

41
44【ISSP ワークショップ】○SPring-8 BL07LSU が照らしだす物質機能の起源○小角・反射率・高分解能研究会 〜JRR-3 の再稼働を見据えて ?

46【研究報告会】○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」

49【ISSP ワークショップ】○5d パイロクロア酸化物研究における最近の展開

酒井 明人、中辻

知

32

34

36

39
51 【物性研究所談話会】
53 【物性研究所セミナー】

67【物性研ニュース】
○人事異動
編集後記

顕

基

Xenophon Zotos
Marie Dʼangelo
Kedar Damle
加藤 浩之

トポロジカル絶縁体表面で高効率スピン流を生成

近藤 浩太、大谷 義近【背景】【トポロジカル絶縁体表面におけるスピン流生成】

電流とスピン流はスピンホール効果を通じて相互に変換

トポロジカル絶縁体の伝導特性は、そのフェルミ準位のされる。この効果は、1971 年に M. I. Dyakonov と V. I.

位置に強く依存する。図 1(a)に示すように、ディラック

Perel によって理論予測されていたが[1]、約 30 年後のコーン(Dirac cone)と呼ばれる二つの円錐形のエネルギー

2004 年になって初めて実験的に検証された[2]。その後の分散の頂点が接するディラック点(Dirac point: DP)よりも約 10 年間で金属薄膜の微細加工技術が著しく発展し、ス

高いエネルギーにフェルミ準位があればキャリアが電子のピンホール効果を利用した磁化反転[3]やマイクロ波発振

N 型トポロジカル絶縁体になり、低いエネルギー準位にあ[4]などの新しい磁化制御手法が次々と実現され、スピン

ればキャリアが正孔の P 型トポロジカル絶縁体になる。まホール効果はスピントロニクス素子に必要不可欠な物理現た、ディラック点からさらに離れた高いエネルギー準位で象のひとつとなった。特に、スピン流から電流が直交方向

は、バルクの伝導帯、逆に低いエネルギー準位では、バルに生成されるため、電流とスピン流の分離が容易となり、クの価電子帯の影響を受ける。

素子構造の簡素化に直結している。さらに、最近ではスピ

トポロジカル絶縁体(Bi1-xSbx)2Te3 (BST)のフェルミ準位

ン流を媒介させることで、熱や光から電流を取り出す手法

EF は、Sb 濃度(x)を調整することで、エネルギー分散の形が開拓され環境発電の観点からも注目されている[3, 4]。

を保ちながら規則的に変化することが知られている。図これらスピンホール効果を利用したスピントロニクス素子

1(b)に示すように、Sb 濃度(x)が 0 < x < 0.82 の BST 薄膜ででは、スピン流と電流間の相互変換効率が素子性能を決定

は、10K で測定したホール係数 RH は負の値を取り、その付ける。さらなる低消費電力スピントロニクス素子を実現

後、符合が反転し、0.88 < x < 1 では正の値を取る。このよ

し、かつデバイスの超薄膜化を目指すためには、これまで

うに、EF は Sb 濃度(x)に依存して N 型から P 型まで規則的以上に高効率な電流-スピン流変換現象の発見が求められに変化し、x = 0.84 付近でほぼディラック点に一致する。

ている。
ここ数年、スピンホール効果に代わる新たなスピン流生成の原理として、スピン分裂を伴う表面あるいは界面電子状態におけるエデルシュタイン(Edelstein)効果が注目を集めている[5-7]。この効果は、スピンホール効果と同様に電流と垂直方向に偏極したスピン蓄積が生じる現象であるが、その生成原理は全く異なる。トポロジカル絶縁体表面や、ラシュバ効果が存在する界面では、空間反転対称性が破れているためスピン軌道相互作用によって、スピン縮退が解けたバンド構造が形成される。特に、トポロジカル
絶縁体表面では、電子スピンにはその進行方向に対して垂直に仮想磁場が作用するため、”スピン運動量ロッキング”という特殊な電子状態が形成される。すなわち一方向に流図 1 トポロジカル絶縁体(Bi1-xSbx)2Te3(BST)薄膜の伝導特性れる電流はすべてその流れの方向に垂直にスピンを向けた

a, トポロジカル絶縁体(Bi1-xSbx)2Te3 の表面バンドとバルクバンド

電子（スピン偏極電子)を運ぶことになり、理想的にはス

構造 Sb 濃度が上昇するほどフェルミ準位は下がる b, ホール係数のピン流の生成効率を 100%近くまで向上させることができ

Sb 濃度依存性 c, BST 薄膜のキャリア密度(左軸)と移動度(右軸)灰色部分の組成比でフェルミ準位がディラック点近傍にある。

ると期待される。

1

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

トポロジカル絶縁体から生成したスピン流を計測するた正孔)によらず、常に同じであることを意味する[9]。このめに、図 2(a)に示す素子と測定回路を用いてスピントルク

振舞いは、スピンホール効果では観測されないトポロジカ

強磁性共鳴測定を行った。素子はトポロジカル絶縁体

ル絶縁体特有の性質である。この特性は、フェルミ円のシ(BST)/非磁性金属(Cu)/強磁性金属(NiFe)の三層構造であフトとキャリアが電子か正孔でスピン密度の増減が逆転する。素子面内に交流電流印加すると、エデルシュタイン効ることを考慮することで理解される。

果により BST 表面にスピン蓄積S0が誘起され、スピン

ここで、トポロジカル絶縁体表面から生成されるスピン蓄積は金属層(Cu/NiFe)へと拡散する。拡散スピン流は、流の大きさ(生成効率)に焦点をあてる。界面における電荷強磁性層の磁化にスピントルクを与える。このトルクによ-スピン変換係数は、印加した 2 次元の電流密度 jc (A/m)

る磁化の傾きを磁気抵抗の変化として検出することで、注と、界面から生成した 3 次元のスピン流密度 Js (A/m2)を入されたスピン流密度を見積もることができる。今回用い用いて qICS ≡ JS/jC と定義される。そのため qICS の単位

た BST/Cu/NiFe 三層構造では、NiFe 層と BST 層の間には長さの逆数(m-1)となる。仮に有限の界面膜厚を tint を仮

Cu 層が挿入されている。これにより、トポロジカル絶縁定すると、無次元数であるスピンホール角に相当する変換

体の表面電子状態は、強磁性体との直接交換相互作用と磁効率は qICS×tint と算出することができる。

性不純物の表面伝導層への混入から保護されている。

図 2(d)にスピントルク強磁性共鳴法で求めた qICS の Sb

図 2(b)にスピントルク強磁性共鳴法により測定した共鳴

濃度依存性を示す。まず Sb 濃度 x = 0.5, 0.7, 0.9 の BST

スペクトルを示す。赤で示すスペクトルが実験値である。

薄膜では、バルク内部は絶縁体で伝導は表面のキャリアのこのスペクトルは対称成分 V Sym (緑線)と非対称成分 V Antiみが担っている。この BST 薄膜における qICS を導出する(青線)に分離することができ、V Sym がスピン流による強と、0.45~0.57 とほぼ一定の値になる。次に、ディラック

磁性共鳴である。つまり、強磁性層に注入されたスピン流点近傍の Sb 濃度 x = 0.82, 0.88 の BST 薄膜では、qICS のの偏極方向とその大きさは、それぞれ V Sym の電圧符合と大きな減少が観測される。この原因については、ディラッ

大きさに対応する[8]。

ク点近傍ではフェルミ面のスピン偏極度が無限小になるために、界面でのスピン蓄積量が消失することに起因していると考えられる。実際、ディラック点近傍におけるスピン
偏極度の減少は、光電子分光法[10]や走査型トンネル電子分光法[11]による測定でも観測されている。最後に、バルク内部の伝導バンドあるいは価電子バンドを含む BST 薄膜(Sb2Te3(x = 0)と Bi2Te3(x = 1))では、バルクバンドと表面バンドの両方のキャリアが伝導に寄与する。しかし、バルクと表面の電気伝導度を、電気伝導測定から見積もることができないため、表面伝導層の膜厚を 1 nm、バルクと表面の伝導率が同じと仮定して qICS を算出すると、図 2(d)に示すようにバルク絶縁 BST 薄膜(x = 0.5, 0.7, 0.9)と同程
度から 2 倍程度の値が見積もられた。実際にはバルクの伝

図 2 スピントルク強磁性共鳴測定
a, ス ピ ン ト ル ク 強 磁 性 共 鳴 測 定 に 用 い た 試 料 構 造 (BST(8nm)/Cu(8 nm)/NiFe(10 nm))と測定回路 b, スピントルク強磁性
共鳴スペクトル c, VSym の Sb 濃度依存性 灰色部分の組成比でフェルミ準位がディラック点近傍にある. d, 電荷-スピン変換係
数 qICS の Sb 濃度依存性

導度は、表面に比べて非常に低いことが予想されるため、この値は過大評価された値と考えられる。
次に、トポロジカル絶縁体表面における有効界面膜厚について述べる。これまでに光電子分光を用いた先行研究により、トポロジカル絶縁体(Bi2Se3)の表面状態の膜厚依存

フェルミ準位 EF は、BST 薄膜の Sb 濃度を 0 から 1 ま性が調べられている。この研究によると、膜厚が 6 QL(~6で増加させると、徐々に減少する(図 1(a))。図 2(c)は、nm)で上下の表面状態同士の混成が始まり、ディラック

VSym の EF 依存性である。興味深いことに、検出された電コーンのギャップが開き始める。そして 2 QL(~2 nm)付近

圧符合は常に正の値を取る。これは BST 薄膜の表面で生で表面状態が消失することが報告されている[12]。このこ成されたスピン流の偏極方向が、キャリアの種類(電子かとから、上下の表面状態は 1 nm 程度の深さを持っている■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

2

ことが予測される。そこで、界面有効膜厚 tint を 1 nm と【謝辞】

仮定した場合のバルク絶縁の変換効率を見積もると、バル本研究成果は、理化学研究所(理研)創発物性科学研究

ク絶縁 BST 薄膜(x = 0.5, 0.7, 0.9)において 45 ~ 57%となっ

センター強相関量子伝導研究チームの吉見龍太郎基礎科学

た。この値は、これまで報告されている遷移金属における特別研究員、強相関界面研究グループの川﨑雅司グループ

スピンホール効果よりも大きな変換効率である。

ディレクター(東京大学大学院工学研究科教授)、強相関物

最後に、超低消費電力スピントロクスデバイスへの応用性研究グループの十倉好紀グループディレクター(東京大という観点から、スピン流伝導度について述べる。スピン学大学院工学研究科教授)、東北大学金属材料研究所の塚流伝導度は(電気伝導度)×(変換効率)で定義され、この値

﨑敦教授らとの共同研究によるものである。

が大きいほど、小さな電流でスピン流生成ができる(=低消費電力)ことを示している。今回測定したバルク絶縁
BST 薄膜(x = 0.5,0.7)では、スピン流伝導度は 18 (m)-1[1] M. I. Dyakonov and V. I. Perel, Sov. Phys. JETP 13,
467 (1971).

であった。この値はこれまでに遷移金属で報告されている[2] Y. K. Kato, et al.: Science 306, 1910 (2004). J.

スピン流伝導度(Pt 34 (m) -1,-Ta 0.8(m) -1,-W

Wunderlich, et al.: Phys. Rev. Lett. 94, 047204 (2005).

13 (m) -1) [13]と近い値になることがわかった。さらに、[3] K. Uchida, et al.: Nature 455, 778 (2008), Appl. Phys.

遷移金属(Pt, -Ta,-W)では、上記のスピン流伝導度をLett. 97, 172505 (2010)., H. Adachi, et al.: Phys. Rev.

得るためには、スピン拡散長(1~2 nm)よりも十分に厚いB 83, 094410 (2011).

必要があるため、遷移金属を BST 薄膜の界面膜厚(~ 1 nm)[4] K. Uchida, et al.: Nature Commun.s 6, 5910 (2015).

と同程度の膜厚にすると、スピン流伝導度は 1/3 程度に減

[5] V. M. Edelstein, Solid State Commun. 73, 233-235

少する。

(1990).

以上から、トポロジカル絶縁体の表面を用いた電荷-ス[6] C. H. Li, et al.: Nature Nanotech. 9, 218 (2014).

ピン変換現象をスピンホール効果の代わりに用いることで、[7] A. R. Mellnik, et al.: Nature 511, 449 (2014).

スピントロニクス素子の超薄膜化と低消費電力化を同時に[8] L. Liu, et al.: Phys. Rev. Lett.106, 036601 (2011).

実現する可能性が期待される。

[9] K. Kondou, et al.: Nature Phys. 12, 1027-1031 (2016).
[10] M. Miyamoto, et al.: Phys. Rev. Lett. 109, 166802【今後の展開】(2012).

本稿ではトポロジカル絶縁体表面状態を用いたスピン流[11] S. Souma, et al.: Phys. Rev. Lett. 109, 186804 (2012).

の生成およびスピン流検出に関する実験研究を紹介した。

[12] Y. Zhang, et al.: Nature Physcis 6, 584-588 (2010).

この様な特殊な表面状態を用いることで、従来のスピン[13] A. Hoffman, IEEE Transactions on Magnetics 49,

ホール効果と同等以上の効率でスピン流生成やスピン流の5172 (2013).

電気的検出が実現できることが理論と実験の両面から解明されてきた。前述したように、それらの変換効率は、フェルミ速度、スピン緩和時間が重要な物理因子となる。特にスピン緩和時間は、スピン分裂した界面に緩和時間の短い金属などを接合した場合には、変換効率が大きく変化する
ことが実験的にも示されている。これらの物理因子は、従来のスピンホール効果の大きさを決定する物理要因とは異なるものであり、これまでスピントロニクス分野で注目されてこなかった物質群へ目を向ける良いきっかけを与える。
ここでは触れなかったが、界面を用いる大きな利点は、外部電界により界面近傍の電子状態を制御できることである。
そのため、今後電場による界面スピン流・電流変換機能の制御に関する研究が一層盛んになることが予想される。

3

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

なぜ高温超伝導体は界面で優れた特性を持つか？
―銅酸化物界面で超伝導転移温度が安定に最適化される機構を解明

計算物質科学研究センター
１．はじめに

三澤 貴宏

ところが、最近、米国のボゾビッチ教授らのグループが、超伝導現象が凝縮系物理のなかで最も魅力的な現象の一

この常識を覆す実験結果を発表しました[1]。この実験でつであることは、この「物性研だより」を読む方に改めては、銅酸化物の母物質の絶縁体とキャリアをドープした金

説明する必要はないと思います。超伝導体の電気抵抗ゼロ

属とを張り合わせた構造の純良な界面を作成することで、を生み出す起源となるマイスナー効果を利用した磁気浮上

その界面で発現する超伝導を調べました。バルク結晶の銅の実験は見ていても非常に楽しい現象で、展示などでよく酸化物はキャリア濃度を大きくしすぎると(過ドープ領域)、

用いられています。実際、先日の物性研の一般公開で、銅通常金属のままで超伝導になりません。この実験では界面酸化物高温超伝導の磁気浮上を利用した電車のおもちゃがの片側(金属側)のキャリア濃度を超伝導にならない過ドー

子供に大人気だったのが印象的でした。私の息子(2.5 歳)

プ領域に保ちながら、そのキャリア濃度を 10%のオー

も、単に電車が好きというだけかもしれませんが、磁気浮ダーで大幅に変えました。そうすると界面の両側のバルク上を利用した高温超伝導体の電車のおもちゃをずっと見て結晶は、片側が絶縁体、もう片側は過ドープの金属で、どいました。電車を触って遊びたいのか、高温超伝導体に手

ちらも超伝導ではないのですが、界面でのほぼ原子層 1 層を伸ばして触ろうとするのを止めるのが大変でした(当然だけが超伝導になることが示されました。驚くべきことに、ですが、「高温」といっても-200 度程度なので触れば火金属側のキャリア濃度を大幅に変えても、この界面の超伝

傷してしまいます。)。

導転移温度が一定のままという劇的な現象が発見されまし

さて、この魅力的な超伝導現象をもっと高温で、できれた[図 1(b)]。

ば室温で実現したいというのは自然な発想で多くの人を魅了してきました。それが絵空事ではなくて、現実味をもって、真剣に検討されるようになったのは、1986 年のベド
ノルツとミュラーによる銅酸化物高温超伝導体の発見が契機となったのはよく知られたことでしょう。実際、この銅酸化物高温超伝導体の発見がなければ、磁気浮上を利用したデモンストレーションを気軽に行なうことも不可能なことを考えると、銅酸化物高温超伝導体の発見の偉大さが実感できます。

図 1：超伝導転移温度のドーピング依存性
超伝導転移温度のドーピング濃度依存性。(a)に示したように通常

２．銅酸化物界面でのドーピング濃度によらない超のバルク結晶の場合は超伝導の転移温度はドーム状になりますが、界面の場合は(b)のように金属部分のドーピング濃度を変化させて伝導

も、ほとんどバルク結晶の場合の最高転移温度に保たれることがさて、銅酸化物高温超伝導体では、電気を流さないモッ

最近の実験で示されていて[1]、大きな謎になっていました。

ト絶縁体に電気伝導を担うキャリアをドープすることで高温超伝導が生じることがよく知られています。銅酸化物にさらに、驚くべきことに、その一定の転移温度は、そのは数多くの化合物がありますが、超伝導転移温度がドーピ

銅酸化物(La2CuO4)でのバルク固体の場合のほぼ最高の超ング濃度に対してドーム型の依存性をもつというのは共通

伝導転移温度でした。金属側のキャリア濃度を変化させれの性質です[図 1(a)]。つまり、ある特定のドーピング濃度ば、界面のキャリア濃度も激しく変化すると単純には予想

でのみ超伝導転移温度が最適化されることは銅酸化物高温

できますから、この転移温度が最適値に保たれるという振超伝導体の「常識」でした。

る舞いは今までの常識を覆しました。この界面での転移温度がバルク結晶の最高温度のまま一定という優れた性質の■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

4

原因を明らかにすることができれば、界面自由度を利用することで超伝導転移温度を制御できる可能性があることを示しています。発見以来 30 年近くにわたって精力的に研究が行われていて、もう研究されつくされたと思っていた
銅酸化物高温超伝導体の界面で発見されたこの現象の驚きの大きさは、この論文のアブストラクトの最後にある次の表現からも伺い知ることができると思います[1]。
"cuprate superconductors have not run out ofsurprises"

図 2：界面に対する理論模型の解析 I(a) 銅酸化物高温超伝導体の界面を記述する理論模型を解析して、３．界面での超伝導の自発的最適化機構の解明

界面での超伝導の大きさを、金属側のドーピングに対してプロットした図。超伝導の大きさ(超伝導相関の遠距離部分)が、金属側

我々は、銅酸化物高温超伝導体の界面で発現した転移温のドーピング量を変化させても一定でほとんど変化していないこ

度一定の謎を解くために、まずは界面を記述するもっともとがわかります。さらに、この大きさはバルク結晶の場合の最大基本的な理論模型として積層したハバード模型の解析を行値に対応していて[(b)を参照]、超伝導の大きさが界面で自動的に最適化されていることがわかりました。

いました[2]。この際に、実験で用いられている銅酸化物(b) 固体(2 次元ハバード模型)での超伝導の大きさのドーピング依を忠実に再現する第一原理的な計算結果を参考にして理論

存性の計算結果。灰色の相分離領域では、超伝導は安定に存在出模型を構築しました。通常の銅酸化物をシミュレーション
するときは周期性を利用して、計算規模を削減することが来ないため、相分離領域の端(〜0.2)のところでの超伝導の大きさ
が固体の場合の最適値になります。界面では、ほとんどこの最適値の値に自動的に保たれていることがわかりました。

できますが、界面では積層方向に周期性がないために、計算規模が莫大になります。この困難はスーパーコンピュータを用いることで克服し、世界でも類をみない最大規模かつ最高精度のシミュレーションを実行しました。
その結果、固体の場合とは異なり、界面では超伝導の大きさが常に一定に保たれることを見出しました[図２(a)]。
これは、界面の実験結果と非常によく一致する結果です。
さらに、バルク結晶の場合の計算結果[図２(b)]と比較する
ことによって、バルク結晶の場合に内在していた相分離への不安定性が、界面という層状構造をとることで解消して、「層間相分離」というメカニズムによって、界面では超伝

図 3：界面に対する理論模型の解析結果 II

導が最適になる電子濃度に自発的に保たれ、超伝導の大き

銅酸化物高温超伝導体の界面を記述する理論模型の解析結果の模さがバルク結晶の場合の最適値になるという、モデルの式図。金属側のドーピング量を変えても（上部の色が金属側のドーピング濃度を表しています）、界面でのドーピング濃度及び、詳細によらない普遍的な機構があることを発見しました

超伝導の大きさが一定に保たれることを明らかにしました。また、[図 3]。この界面での超伝導の最適化機構解明は、バルク

超伝導は主に界面での銅の２次元平面で生じていることを明らか

結晶を含めた銅酸化物の超伝導そのものが、相分離やキャにしました。カラー目盛りの数値はおおよその銅原子あたりのキャリア濃度です。

リア濃度の不均一性と密接に関わって生じているという、
今までバルク物質だけでは難しかった高温超伝導機構の解

４．終わりに明にも役立つものです。またバルク固体と異なり、界面で今までの超伝導研究は、転移温度の高い新たな化合物を

は超伝導を最適化するにあたって注意深い制御の必要がな

探索するというバルク物質合成による研究が主流でした。

いことを意味しており、高特性超伝導を探索する研究の新しかし高温超伝導だけが持ち、その機構の本質から生じる

しい方向性を示しています。

特性を生かした制御が、人工構造において可能であること
がこの研究でわかりました。シミュレーションの助けを借りて得られる理論的指針のもとに、界面のような人工構造

5

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

を工夫し設計することによって、優れた特性の超伝導を探求する研究や、これに基づく新機能を持つデバイス応用の可能性探索に、今後はずみがつくと期待されます。近年は界面のような非周期系だけでなく、非平衡状態を利用した超伝導転移温度上昇へ向けた試みも行われははじめていて、
従来のバルク固体の枠を超えて、様々な観点から高温超伝導機構をあぶりだそうとする研究が多角的に行われています。この方向の研究がさらに進み、将来の物性研の一般公開では、子供が触っても火傷しないような真の「高温」超伝導体を使った展示が行われるといいなと考えながらこの文章を終わりにしたいと思います。

５．謝辞
本研究は東京大学工学部物理工学科の今田正俊教授、野村 悠 祐 助 教 、 エ コ ー ル ・ ポ リ テ ク ニ ー ク の Silke
Biermann 教授との共同研究として行われました。また、
文部科学省の科学研究費補助金(16H06345, 16K17746),
HPCI 戦略プログラム(SPIRE)、計算物質科学イニシア
ティヴ(CMSI)および文部科学省ポスト「京」重点課題７「次世代の産業を支える新機能デバイス・高性能材料の創成」の助成を受けて行われました。スーパーコンピュータ
による計算には理化学研究所計算科学研究機構のスーパー
コ ン ピ ュ ー タ 「 京 」 ( 課 題番 号 : hp140215, hp150211,
hp150173, hp160201) 、 お よ び 東 京 大 学物 性 研 究 所 のスーパーコンピュータが使われました。

参考文献[1] J. Wu et al.,Anomalous independence of interface
superconductivity from carrier density. Nat. Mater.
12, 877–881 (2013).
[2] T. Misawa, Y. Nomura, S. Biermann, M. Imada, Selfoptimized superconductivity attainable by interlayer
phase separation at cuprate interfaces. Sci. Adv. 2,
e1600664 (2016).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

6ゲルマニウム単原子シート｢ゲルマネン｣の原子配置の非対称化

日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター
極限コヒーレント光科学研究センター

深谷 有喜
松田

巌

最近、グラフェンのハニカム構造の骨格をそのままに、

バックリングの大きさや基板との間隔などの詳細は不明な

炭素原子を同じ周期表 IV 族のより重い元素で置き換えた新ままであった。そこで我々は、表面敏感な構造解析手法で

奇原子シートの創製が試みられている。このうち、シリコ

ある全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法を用いて詳細な

ンとゲルマニウム原子で置き換えられた原子シートは、二原子配置の決定を試みた[9]。

重 結 合 の 接 尾 辞 を 意 味 す る “ene” を つ け て 、 そ れ ぞ れ“silicene(シリセン)”と“germanene(ゲルマネン)”と呼ばれる。シリセン、ゲルマネンもまたグラフェンと同様に線形のエネルギー分散を持つディラックコーンを有し、極めて高いキャリア移動度を発現することが理論的に予想されている[1,2]。これに加え、重元素由来の強いスピン軌道相互作用と、sp3 混成軌道に伴うバックリング配置(座屈構造)の相乗効果により、二次元トポロジカル絶縁体や量子スピン
ホール効果等の新奇なスピン物性の発現も期待されている[3]。
グラフェンはグラファイト(黒鉛)から剥離したものであり、元来自然界に存在するものである。しかしシリセンや

図１ Al(111)基板表面上のゲルマネンの構造モデル（(a)：これま

ゲルマネンでは、グラフェンにおけるグラファイトのようでに予想されていたもの、(b)：今回の新たに提唱したもの）。オレ

な母材が存在しないため、それらは人工的に合成するほかない。1994 年にはシリセン、ゲルマネンの先駆的理論研

ンジと黄色の丸はいずれも Ge 原子を表しているが、真空側に突出したものを黄色で強調している。灰色の丸は Al 原子である。

究[1]が報告されていたものの、試料合成の困難さからこ

本 研 究 で 用 い た TRHEPD 法 は 反 射 高 速 電 子 回 折れらは理論的な研究対象としてみなされていた。しかし、(RHEED)の陽電子版である(図 2)[10]。陽電子は電子の2012 年の Ag(111)表面[4,5]および ZrB2(0001)薄膜表面上

反粒子であり、電子と同じ質量、電荷、スピンを持つが、[6]でのシリセンの合成の成功を契機に、自然界には存在

電荷の符号は電子とは逆のプラスである。したがって、全しない人工的な原子シートの研究分野が一気に開花した。

ての物質の結晶ポテンシャルは陽電子に対して障壁として2014 年にはゲルマネンも合成され[7]、現在では様々な基働くため、陽電子ビームの物質中への侵入深さは電子に比板上でのシリセン、ゲルマネンの報告が相次いでいる。

べて低く抑えられる。特に、低視射角入射の場合には全反今回研究対象とした Al(111)表面上のゲルマネンは 2015

射が起こり、その時の侵入深さは 1 Å 以下(原子 1 個分)に

年に報告された[8]。80ºC に保たれた Al(111)表面上に Geなる。この表面敏感性が TRHEPD 法が原子シートの構造

原子を 1 原子層分蒸着すると、広く均一なゲルマネンが自解析に有用たるゆえんである。

己組織化する。このゲルマネンは、理想的な Al(111)の単結果として、Al(111)表面上のゲルマネンの構造はそも位格子に対して 3×3 の超周期構造をとる。当初、走査型ト

そも対称的ではなく非対称なものであることがわかった。

ンネル顕微鏡(STM)と第一原理計算を用いた複合的な解析

ロッキング曲線(視射角に対する回折スポット強度)の実験から、ゲルマネンの単位格子に含まれる 8 個の Ge 原子当値を図 3 の白丸で示す。先に提案された対称的な構造モデたり 2 個が真空側に緩和したバックリング構造を形成する

ルが正しいとすると、[112]と[110]の両入射方位で測定しと考えられていた(図 1(a))。この構造モデルでは、<110>

た一対のロッキング曲線(例えば、図 3(b)における-1/3 1/3に対して鏡面対称性をもつことが特徴である。しかし、ゲと 1/3 -1/3 スポット)は同じ形状になるべきであるが、実ルマネンの物性を決定する重要な構造パラメータである

際の測定ではそうはならなかった。したがってゲルマネン

7

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

の構造は、<110>に対して鏡面対称性を持たないことが実

謝辞

験結果から直ちに推測された。動力学的回折理論に基づく

本研究は、Baojie Feng(東大)、望月出海、兵頭俊夫(以上、詳細な強度解析から、単位格子内の 8 個の Ge 原子当たり

KEK)、社本真一(原子力機構)各氏との共同研究の成果で1 個(図 3(b)の 7 番)だけが真空側に緩和した非対称なバッある。本研究は、PFPAC 課題番号 2014S2-004 のもとでクリング構造であることが判明した(図 1(b))。ゲルマネン

実施された。

の構造の非対称化は、下地である Al(111)の対称性を引きずった結果と考えられる。今回の結果は、先の STM 像の参考文献

結果と矛盾するが、探針の電界効果によりあたかも対称的[1] K. Takeda and K. Shiraishi, Phys. Rev. B 50, 14916

な像として観測されたことがその原因と考えられる。したがって、今回決定した構造モデルがエネルギー的に最安定な基底状態であるが、それと鏡像関係にある原子配置(図3(b)の 7 番が下がり 2 番が突出したもの)や、先に提案された対称的な構造(図 3(a))が準安定構造として存在する可(1994).
[2] S. Cahangirov, M. Topsakal, E. Aktürk, H. Şahin, andS. Ciraci, Phys. Rev. Lett. 102, 236804 (2009).
[3] C.-C. Liu, W. Feng, and Y. Yao, Phys. Rev. Lett. 107,076802 (2011).

能性がある。今回、新材料ゲルマネンの骨格がわかったこ[4] P. Vogt, P. De Padova, C. Quaresima, J. Avila, E.

とにより、それがもたらす新奇物性の深い理解が進展する

Frantzeskakis, M. C. Asensio, A. Resta, B. Ealet, andものと期待される。

G. Le Lay, Phys. Rev. Lett. 108, 155501 (2012).
[5] C. -L. Lin, R. Arafune, K. Kawahara, N. Tsukahara,
E. Minamitani, Y. Kim, N. Takagi, and M. Kawai,Appl. Phys. Express 5, 045802 (2012).
[6] A. Fleurence, R. Friedlein, T. Ozaki, H. Kawai, Y.
Wang, and Y. Yamada-Takamura, Phys. Rev. Lett.
108, 245501 (2012).
[7] M. E. Dávila, L. Xian, S. Cahangirov, A. Rubio, and G.
Le Lay, New J. Phys. 16, 095002 (2014).
[8] M. Derivaz, D. Dentel, R. Stephan, M. -C. Hanf, A.
Mehdaoui, P. Sonnet, and C. Pirri, Nano Lett. 15, 2510

図 2 TRHEPD 法の実験配置図。10 keV のエネルギーを持つ陽電子ビームを試料表面にすれすれの視射角で入射させ、スクリー
ン上で回折パターンを観測する。ロッキング曲線の測定では、視射角を変えながら目的の回折スポットの強度を測定する。

(2015).
[9] Y. Fukaya, I. Matsuda, B. Feng, I. Mochizuki, T.
Hyodo, and S. Shamoto, 2D Mater. 3, 035019 (2016).
[10] A. Ichimiya, Solid State Phenom. 28&29, 143 (1992).

図 3 Al(111)基板表面上のゲルマネンからの TRHEPD ロッキング曲線（(a)：[112]入射、(a)：[110]入射）。丸は実験値を、実線は構造パラメータ最適化後の計算値を示す。それぞれの曲線の右側に回折スポットの指数を示す。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

8

～分子の中の電子密度分布を透明樹脂の中に描写～

附属計算物質科学研究センター【背景】

山崎 淳、古宇田 光

具体例として、フラーレン(C60)の場合を示します。まコンピュータとプログラムの発展に伴い、多数の原子かず、密度汎関数法(DFT)による分子シミュレーション計算

らなり複雑な構造を持つ分子構造のシミュレーションが可により、フラーレン分子の電子密度分布を計算します。つ能となっています。分子構造と分子機能の関係を検討する

ぎに、計算結果から得る電子密度等のデータを、分子モデ

場合、分子を構成する原子間の結合を担う電子密度分布

リング・可視化ソフトウェア[3]を用い、3 次元グリッド中(電子雲)が重要なカギを握っています。シミュレーションの物理量を定義するためのフォーマットである cube ファで得られた電子雲のデータはモニタ上では示すことができ

イル[4]に変換します。この cube ファイルを、新たに開発しますが、より電子の役割の理解を深めるためには電子雲をたプログラムで 3D プリンタ出力に必要な STL(Standard

描写した分子模型を製作することが考えられます。すでに、Triangulated Language)ファイルに変換しました。この

透明なガラスの中にレーザダメージでドットを形成して、変換した STL ファイルを用い、インクジェット型 3D プ

基本的な電子軌道に存在する電子雲を描写する技術が開発

リンタでフラーレンの分子模型を製作しました。製作に用されていますが、複雑な電子構造の描写はできず、原子やいた STL データを可視化した図面を図 1 に、3D プリンタ

原子間結合を示す構造体を同時に描写することはできませで作製した分子模型を図 2 に示します。上半分は電子雲、んでした。

下半分は、電子雲に炭素原子の球と炭素原子間結合を示す
棒(ボールスティックタイプ）の分子模型を重ねて作製し【電子雲の可視化】

ました。本分子模型により、「結合の手の数合わせのため

この課題を解決するため、電子雲のように空間に分散すに、炭素原子間の特定の結合部分に示されていた 2 重結合る物理量を、3D プリンタで出力可能なドット形状と密度には、実際には結合部分に電子密度の差があるわけではない」

変換するプログラムを開発しました。このプログラムによといった概念を直感的に理解することが可能となります。

り、インクジェット型の 3D プリンタ[1]を用いて、透明な樹脂中に物理量を描写することが可能となりました。[2]図１

STL ファイルを可視化ソフトで出力したフラーレンの電図 2

3D プリンタで透明樹脂中に形成した、フラーレン(C60)の

子雲シミュレーション結果。上半分は電子雲、下半分は電子雲に電子雲を描写した分子模模型(5cm 角)。図 1 のデータを用いて作

ボールスティックタイプの炭素原子模型を重ねている。

製した。

9

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

【応用】スーパーコンピュータによる高度な計算により、複雑な結晶構造を持つ磁石や超伝導物質の中の電子雲の状態と特性の関係が明らかになってきています。それらの複雑な結晶構造と電子雲の模型を本技術により 3D プリンタで可視化し、より高い性能を持つ材料開発のアイデア創出に活用しています。また、学会発表や研究会、授業等での説明の補助ツールとして、電子を可視化した本分子模型を用いる
ことで、分子の中の電子の役割の理解を促すことが可能です。また、本技術は、電子密度以外に、温度、電場、磁場、強度等の空間分布、建物や車の周囲の気流、空に浮かぶ雲、宇宙に広がる銀河などを透明樹脂中に描写することも可能
であり、今後、CAE(Computer Aided Engineering)を含めた幅広い領域での応用が期待されます。

【謝辞】
本研究は、文部科学省「HPCI 戦略プログラム：分野 2
新物質・エネルギー創成」(H23-27)で取り組んだ、スーパーコンピュータ「京」の計算結果を 3D プリンタで可視化する基本技術を、現在、取り組んでいる文科省「ポスト「京」重点課題「次世代の産業を支える新機能デバイス・
高性能材料の創成」(H27-31)と、「元素戦略磁性材料研究
拠点：基盤的計算機シミュレーション手法の検討」(H2433)のプロジェクト間連携で、応用技術に発展させた成果です。また、株式会社クロスアビリティの長代新治様、
千田範夫様、古川祐貴様、古賀良太様との共同研究として実施されています。

＜参考＞[1] 今回の試作は StratasysLtd.社製 Objet500Connex3(代
理店：丸紅情報システムズ株式会社)で作成。
[2] 山崎淳、古宇田光、長代新治、千田範夫、古賀良太、
月刊化学(2017.3)、39-42.
[3] 分子モデリング・可視化ソフトウェアは Winmostar™
（株式会社クロスアビリティ製）を利用。
[4] cube ファイルは量子化学計算ソフト Gaussian(http://
gaussian.com/)で使われるデータ出力形式。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

10新種の鉱物、Bunnoite(豊石)について

電子顕微鏡室はじめに

浜根 大輔

トは菱共有した八面体の縞状組織とそれをつなぐダイマー

2016 年 12 月 1 日、「新種の鉱物、Bunnoite(豊石)」のからなっている。この結晶構造は豊石が初めてなので、プレスリリースが公開された。新種誕生のニュースは瞬く「豊石型構造」と名乗ることができる。その字面はちょっ

間に全国に広がり、各新聞社の紙面に掲載されたほか TVと格好が良い。

ニュースとしても取り上げられた。この新種は鉱物学者：
豊遙秋博士の名を元に誕生している。豊博士の栄誉が世間へ伝わり、筆頭著者としてたいへんうれしく思う。そしてこのたびは物性研だよりへの執筆依頼を受けた。学術誌ではないこの場では多少ざっくばらんに書いてもよいだろう
か。発見の経緯や命名に関するエピソードにも触れよう。
以下に新種の鉱物 Bunnoite(豊石)を紹介したい。

豊石について高知県吾川郡いの町の北には加茂山という小山がそびえている。そこは二億年以上前には海底の砂や泥であった。

図 1．豊石結晶の拡大写真。全体が豊石の結晶。写真の横幅は約5 ミリ。

それが海洋プレートの運動によって陸側へ押しつけられ、そこからググッと地表に上がってきて今の姿になっている。
そうして出来た加茂山には鉄やマンガンを多く含む鉱物が濃集しており、昭和の初め頃には資源として盛んに採掘された。その堀跡は山の至る所に残されており、豊石もそういった場所から見つかった。豊石は濃緑色の葉片状結晶となることが多く、完全な劈開と松脂光沢がその特徴である(図 1)。新種という華やかな文言に比してその見た目は地味であることは否めないが、私は「渋い」と評している。
豊石はマンガン・アルミニウム・ケイ素・酸素・水素という地球ではきわめてありふれた元素で構成されながらも、
その化学組成と結晶構造は全く新規のものであった。鉱物は化学組成と結晶構造で定義されており、そのどちらか、
もしくは両方が新規なら新種(＝新鉱物)となる。これまで
私が関わった数多くの新鉱物の中で、化学組成も結晶構造も新規だったものは豊石だけである。豊石の研究は私に

図 2．豊石の結晶構造。四面体と八面体を主としたシートが交互に重なる。八面体シート内ではピラミッド型の多面体がペアになって、八面体で出来ている列をつなぐという結晶構造が特徴的。

とって初めての経験であり、また楽しかった。
豊石の理想化学式は Mn2+6AlSi6O18(OH)3 と表すことが名前に関するエピソード

でき、その結晶構造は三斜晶系の対称性を持つ。図 2 に豊

新鉱物は国際鉱物学連合の新鉱物・命名・分類委員会に石の結晶構造を示す。豊石の結晶構造は四面体シートと八おいて審査を受け、その承認を得る必要がある。もちろん

面体シートの互層構造となっており、四面体シート内では名前やその理由も審査される。ここでは豊石の名前につい6 個の四面体が結合したフラグメントが並び、八面体シーて、関係するエピソードを交えて紹介したい。

11

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

豊石は学名を Bunnoite と書いて「ブンノアイト」と発音

さて、豊博士の名前をもらいたいと決めたとして、それする。
「ite」の部分はギリシャ語で「石」を意味するため、を勝手に使うことは出来ない。存命の方の名前を鉱物名に和文で鉱物を表記する場合は「～石」となる。読者には予想採用する場合は、本人の同意を得てから申請するという外かもしれないが「石」は読み方として「セキ」と発音する。

ルールがある。そこで了解を得るために豊博士が畏友と称豊石だとその読みは「ブンノセキ」である。また「豊」と書する人物(申請者の一人)に連絡を依頼したのだが、それはいて「ブンノ」と読むこの発音は今では例が少ないが、豊後

私の失策になった。2014 年 4 月 1 日。その日は見ての通高田市や豊後水道の読みにその名残が見て取れるだろう。

りエイプリルフールであるが、別の理由で研究者界隈は騒一方で豊石の名前は地名ではなく人名に由来しており、然としていた。とある研究不正についての記者会見が注目

豊遙秋(ぶんのみちあき)博士(1942-)に因む(図 3)。豊氏された。大切なことを伝えるにあたりその日はふさわしくというのは平安時代から笙を生業とする雅楽の家系であり、ないというのが私の感性ではあるが、意に介さない人もいもともと「豊原(とよはら)」の名乗りであったものが、江る。かの畏友氏はよりにもよってそんな日に豊博士へ連絡

戸初期に一文字苗字が流行った影響を受けて「豊(ぶんの)」を取っていたのだった。後に豊博士から「本当に冗談かとの苗字へ変わったと伺っている。「とよ」と「ぶんの」は思った」と伝えられ、平謝りをした経緯がある。そして全く違う読みであり、なぜそう変化したかはわからない。

2014 年 9 月 8 日に豊石は新種として認められ、その承認

一方で「ぶんの」の「の」については、たとえば「源」を通知が届いた。通知かくにん！よかった。

「みなもとの」と読むのと同じ用法であったそうだ。また
豊博士の名前にある「秋」も通字であり、家系図上では
25 代以上も前から続いている。その「秋」は豊博士の子息にも受け継がれている。

発見の経緯
豊石が世に出たきっかけは写真だったように思う。100
ミクロンの物体を撮影して A0 サイズに拡大印刷してもにじみ無く解像する、そんな撮影装置を組み上げようと当時の私は試行錯誤をしていた。試作が出来るたびに鉱物を撮影するが、どうにも相性の悪いものがある。その中には2000 年 に 鉱物 学会 で報 告さ れた 高知 県産 アカ トレ 石
(Akatoreite)が含まれていた。後の豊石である。
本物のアカトレ石は 1969 年にニュージーランドから見つかった Mn2+9Al2Si8O24(OH)8 の化学組成式を持つ鉱物で、後年にイタリアからも見つかっている。高知県産アカトレ
石の特徴を写真で表現することの難しさに悩んでいたとき、

図 3．豊博士(左)と筆者(右)。2016 年に石川県小松市の山中にて撮影。

海外のアカトレ石がふと気になった。インターネットを使い調べたところ、それは同じ鉱物とは思えないほど鮮やかである(図４)。違う鉱物を手にしたのかという疑問が浮か

豊博士はこのような伶人の家系に生まれたのだが、小学生の頃に鉱物に興味をもち、(本人曰く道を踏み外したたび、高知県産アカトレ石を分析するも出てくるデータは公表されている内容と同じであった。

めに)秋田大学および東京大学大学院で鉱物学を修めた。
はじめ東京大学総合研究資料館に勤め、次いで地質調査所
地質標本館において勤務し、2003 年に定年退官された。
1994-2003 年の間には館長を務め、在職中は 6 種の新鉱物の発見に貢献すると共に、鉱物標本の整理に関する仕組みを構築していった。定年後はその経験を生かしながら活躍の場を広げている。たとえば死蔵されていた鉱物標本を再活用する技術を多くの大学で指導するなどしてきた。こういった豊博士の鉱物学への貢献を称えて、このたびの新種の名前として提案することに決めた。

■ ■■ ■ ■■ ■図 4．イタリア産のアカトレ石(橙色部)。写真の横幅は約 10 ミリ。

物性研だより第 57 巻第 2 号

12

豊石とアカトレ石は見た目が異なるものの、実は両者はデータとしての区別が難しい。どちらも格子サイズが大きめな三者晶系なので X 線回折線の数が多く、天然物であるが故のコンタミもあって決め手に欠く。分析データはどうであろうか。分析データは主に酸化物重量として出てくるのでその比較が大切であるが、豊石とアカトレ石の酸化物
重量は顕著な差がない(表１）。ただ豊石の酸化物重量を使ってアカトレ石型の組成式を組むとわずかなズレが生じる。一方でその程度のズレは誤差と考えることも可能で、判断が難しい。装置の調整と分析を何度繰り返しても結果は同じであった。そうなるとそのわずかなズレが決定的な違いのように思えてくる。いつしか高知県産アカトレ石は本来のアカトレ石とは似て非なる別の鉱物であるという確信を抱くようになり、集中して調べるようになっていた。
そうして豊石という新鉱物が誕生した。論文は Mineralogy
and Petrology 誌の 2016 年 12 月号に出版された[1]。
表１．豊石とアカトレ石の理想酸化物重量の比較。
豊石

アカトレ石

SiO2

41.72

37.17

Al2O3

5.90

7.88

MnO

49.25

49.37

H2O

3.13

5.57

Total (wt%)

100

100

おわりに
セレンディピティというほどではないが、新鉱物の研究は些細な出来事を契機として唐突に始まることが多い。豊石の場合は写真がきっかけであり、空腹の猫が新鉱物発見の端緒を開いたこともあった。いずれにしても鉱物はそれ自体や名前にもエピソードが満載されている。最近ではインターネットで情報が簡単に手に入るようになった。もしお気に入りの鉱物ができたなら名前の由来だけでも調べてみるとよいだろう。そこにはおもしろい物語が潜んでいるかもしれない。

参考文献
1.

D. Nishio-Hamane et al., Mineral. Petrol. 110, 917(2016).

13

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

1. 東京大学大学院理学系研究科 地殻化学実験施設

飯塚 理子、八木 健彦

2. 物質設計評価施設 高圧合成室
研究の背景

後藤 弘匡

は、地球の始源物質に見立てた水を含むケイ酸塩と鉄の混

地球の内部は、私たちが生活する表層部とは大きく異な合試料の中性子回折測定を行い、高温高圧下の固体の鉄にる極限の高温高圧環境にある。現在の地球中心核(コア)は水素が取り込まれ、鉄水素化物を形成する様子を世界で初鉄が主成分の固体から成り、温度圧力は 360 GPa, 5000 度

めて直接観察することに成功した[9,10]。

以上にも達する。その密度は、純鉄に比べて数%ほど低い
ことが地震波速度の観測結果から知られており、この密度欠損は軽元素が溶け込んでいるためだと考えられている

実験結果
原始地球を模した環境を再現しようとする我々の試料は、[1]。鉄に固溶した元素の候補として Si, S, C, O, H が挙げ

高温高圧下で著しい体積変化を伴う複数の反応を起こすた

られ、様々な実験的研究がなされてきたが、どの元素がいめ、圧力媒体も極めて大きな変形を起こす。またこの変形

つ、どの程度溶け込んだかは未だによく分かっていない。

に伴い、回折線の取り出し口となるアンビルギャップが狭宇宙存在度が最大、かつ最も軽い元素である水素は、地められるため、従来の高圧セルでは十分な回折強度が得ら

球内部にも水として大量に含まれており、これが鉄に固溶れなかった。そこで、安定した高温高圧発生が可能で、かした場合に密度を低下させる効果は極めて大きいことが予つ試料体積とアンビルギャップを大きくとれる新しいアン

想される。高圧下では水素の溶解度が劇的に増加して鉄水ビルとセルアセンブリの開発を行った。(詳細は別稿

素化物が生成するが、水素の代わりに水を入れても鉄の水[10,11]に譲るが、上述した条件を満たすために新しく導素化が起こることが実験的に明らかにされている。このこ入したパーツ類の形状を最適化し、サンプルカプセル等のとから、原始地球形成時に水分があれば水素化した鉄が生

材質の選定には非常に苦労したことを一言付け加えておき

成され、これが地球コアに取り込まれるというシナリオがたい｡)次に、開発した高圧セルに、モル比で提唱された[2]。しかし、鉄は常温常圧相に戻る際に水素

Fe:SiO2:Mg(OD)2=2:1:1 になるように、鉄ロッドの周りをを吐き出すため、回収した試料から高圧下で鉄に固溶してSiO2 と Mg(OD)2 の混合粉末で固めた試料を封入し、室温

いた水素量を直接定量することはできない。そのため、回で約 5 GPa まで加圧した後に 1000K まで段階的に加熱を

収試料中の鉄から水素が発泡して抜けた痕跡[3]や、放射行いながら、中性子回折パターンの測定を行った。比較の

光 X 線を利用した高温高圧その場観察実験により測定されために、Mg(OD)2 の代わりに MgO を用いた、水分を含また鉄の体積膨張[4,5 他]などから、様々な仮定の下で高圧ない試料に対しても同様の実験を行った。

下における鉄への水素固溶量が求められてきた。しかし、この実験により得られた中性子回折パターンを図 1 に示

いずれも間接的な見積りしかできず、高圧下で鉄に水素がす。水を含む系では、昇温途中でまず含水鉱物のどのように、どの程度取り込まれるかは、依然として未知Mg(OD)2 が脱水分解を起こした後に、鉄が常圧相(bcc 相)のままだった。

から高圧相である fcc 相へと変化したことが確認された(図茨城県東海村の大強度陽子加速器施設(J-PARC)にある1a）。その後圧力と温度を約 4 GPa, 1000K に保ち、この高温高圧ビームライン(BL11, PLANET)では、X 線では検fcc 相の格子体積の時間変化を詳しく調べると、回折線の出できない水素を直接観察できる強力なパルス中性子線と、シフトとともに徐々に体積が増加していく様子が観察され様々な高圧装置を組み合わせることにより、地球深部に相た(図 1c)。一方の水分を含まない系では、鉄の体積がほ当する高温高圧下での中性子その場観察が行える[6,7]。

ぼ不変だった(図 1b,d)ことから、水分を含む系では鉄が近年、この設備を利用した鉄－重水素系の回折測定から、水素を取り込み、鉄水素化物 FeHx となって体積が膨張し鉄が水素を取り込む様子がリアルタイムで観察され、そのたことが分かった。取得した鉄水素化物 fcc 相の中性子回量を決定する研究[8]が行われるようになった。今回我々

折データに対してリートベルト結晶構造解析を行い、水素■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

14

の量を求めたところ、温度を保持してからおよそ 10 時間
後には約 0.79 wt.%の水素が含まれていることが分かった。
この重水素量は、町田ら[8]の 6.3 GPa，988K で求められた重水素量 2.24 wt.%よりも少なく、放射光 X 線を用いて10 GPa 以上で求められた値と比べても、非常に小さな値となった。その理由としては、今回の実験の温度圧力条件が低いこと、また鉄と水素の単純系ではなく反応に水が関与する多成分系であるために、水素化物の生成速度が遅かったことが考えられる。図 2 に示す回収試料の SEM 観察からは、水分を含む試料系にのみ、鉄中に溶け込んでいた水素が減圧中に発泡して抜けた跡を示す丸い空孔が粒界に沿って見られた。さらに SiO2 と MgO, Fe が反応してできた鉄に富んだケイ酸塩のオリビン(Fe, Mg)2SiO4 と鉄との間に、酸化鉄 FeO の薄い層が確認された。このことか
ら、Mg(OD)2 から吐き出された水と鉄との酸化還元反応
により、FeHx とともに生成した FeO が鉄の周囲に被膜を図 2 鉄－ケイ酸塩－水系の高温高圧中性子実験で得られた回収形成したために、鉄の水素化が阻害されたと考えられる。

試料の電子像（上図、赤枠および黒枠がそれぞれの拡大図)と(下図)SEM-EDS による元素マッピング分析の結果。鉄中には水素が抜けた後の空孔が見られた。ケイ酸塩部分には、MgO と SiO2が反応してオリビン(Fe, Mg)2SiO4 とパイロキシン MgSiO3 が生成し、水素を含んだ鉄の周りを酸化鉄 FeO の薄い層が覆っていた。

本研究の結果から、高温高圧下で含水鉱物の脱水が起きて水が供給されれば、~4 GPa, 1000K という比較的低い
温度圧力条件下の固体の鉄にも有意に水素が溶け込むことが明らかになった。このことは、太陽系で地球が形成された時に、始源物質が集積して徐々に温度が上がっていく初期の段階で、水素は他の軽元素に先駆けて鉄へと溶け込み始めていたことを示唆している。これを基に我々は、原始
地球が進化する過程で、まず初めに鉄に水素が固溶し、温度が更に上がって溶融した鉄水素化物に他の軽元素が次々と溶け込みながら地球の中心へ沈んでいき、コアを形成したという地球史のコア－マントル分化過程における新たなシナリオを提唱した。

今後の展開
図 1 中性子回折パターンの温度－圧力－時間変化。(a)水を含んだ系と(b)水を含まない系。水を含んだ系では、温度圧力の変化と今後の展望として、コア－マントルの分離過程や他の軽ともに含水鉱物 Mg(OD)2 の脱水を経て、鉄が bcc 相(黒線)から元素の溶融鉄への溶解の可能性をより詳しく検証していく

fcc 相(赤線)へ相転移が起きた。(c),(d) 3.9 GPa-1000 K で 10 時ためには、純鉄とケイ酸塩の系ばかりではなく、水素化し間保持した時の fcc 相の 111 と 200 回折ピーク((a)と(b)の図中の太枠で囲った部分)の変化。#1～#9 はそれぞれ約 1 時間毎に得らた鉄とケイ酸塩との間での複数の軽元素の分配を調べるこれた回折線。水を含んだ系でのみ徐々にシフトしていき、水素をとが重要となる。さらに、より高い温度圧力領域を調べる

取り込んだことによる顕著な体積膨張が観察された。

ことも必要である。本研究の結果は、地球コアにおける軽元素の謎について、これからの研究の展開に大きな示唆を与えるものであると捉えている。PLANET を用いた中性

15

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

子回折実験のメリットを生かしつつ、水素を含めた多軽元
素の高温高圧下での挙動とその反応過程について、今も探索を続けている。
本研究の詳細な内容は、R. Iizuka-Oku, T. Yagi, H.
Gotou, T. Okuchi, T. Hattori, and A. Sano-Furukawa(2017) Hydrogenation of iron in the early stage of Earth’s
evolution. Nature Communications, 8, 14096, DOI:
10.1038/ncomms14096. から閲覧できます。

謝辞
中性子実験に向けた新しい高圧セルアセンブリの開発を含むオフラインの高温高圧実験は、物性研究所高圧合成室の 500 トンプレスを用いて行われました。また、回収試料の分析は電子顕微鏡室の SEM-EDS を用いました。本研
究は、日本原子力研究開発機構 J-PARC センターの服部高典 主任研究員と佐野亜沙美 副主任研究員、岡山大学惑
星物質研究所の奥地拓生 准教授との共同研究として行わ
れ ま し た 。 J-PARC MLF の 実 験 課 題 (2013B0034,
2014A0049, 2014B0044)で中性子実験を行い、科学研究費補助金基盤研究 A(No. 25246037)と JSPS 特別研究員
PD の研究奨励費の支援を受け、実施されました。ここに感謝申し上げます。

参考文献[1] J. P. Poirier, Phys. Earth Planet. Inter. 85, 319-337(1994).
[2] Y. Fukai, Nature 308, 174 (1984).
[3] T. Okuchi, Science 278, 1781-1784 (1997).
[4] K. Sakamaki et al., Phys. Earth Planet. Inter. 174,
192 (2009).
[5] T. Yagi, T. Hishinuma, Geophys. Res. Lett. 22, 19331936 (1995).
[6] A. Sano-Furukawa et al., Rev. Sci. Instrum. 85,
113905 (2014).
[7] T, Hattori et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
780, 55-67 (2015).
[8] A. Machida et al., Nature Commun. 5, 5063 (2014).
[9] R. Iizuka-Oku et al., Nature Commun. 8, 14096(2017).
[10] 飯塚理子ら、日本中性子科学会「波紋」、27, 104108 (2017).
[11] 山田明寛ら、高圧力の科学と技術 26, 99-107 (2016).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

16電子のスピンを自在に操作～先端レーザー技術が拓
く光スピン制御～

著者：矢治 光一郎、黒田 健太
態が鏡映面に対して対称な波動関数(  sym )を、s 偏光励【はじめに】
電子は、電気的な性質である電荷と磁気的な性質である

起(ベクトルポテンシャルの対称性が奇)では始状態が鏡映

スピンという二つの性質を併せ持つ。従来のエレクトロニ

面に対して非対称な波動関数(  asym )を選択的に励起す
る。したがって、p 偏光と s 偏光でスピンの向きが反転すクス分野では、電子の電荷としての性質のみを利用してきたが、これと併せてスピンも制御できれば、より高速かつ
低消費電力でデバイス応用できるのではないかと考えられるということは、波動関数の対称成分と非対称成分がそれ
ぞれ反対向きのスピンと結合していることを意味している。

活発に研究が行われている。これまでスピンを制御するた

そして、Bi(111)のスピン縮退が解けた表面電子状態の固めに磁場、電場、光、熱がよく使われてきた。一方、電子有関数は、  sym, と  asym, あるいは  sym, と  asym,

には位相があり、この自由度もスピン制御のために利用での線形結合で書ける。一般に、スピン軌道相互作用と鏡映きるのではないかと考えられる。
強いスピン軌道相互作用によってスピン偏極した表面状









態を持つ物質の代表例として、トポロジカル絶縁体やラシュバ型スピン分裂をもつ表面が挙げられる。これらの表面電子状態ではスピン方向は電子の運動量によって決まるというのが標準的なモデルである。ところが電子の軌道に着目すると、その対称性によって結合するスピンの向きが異なる「スピン軌道エンタングルメント」という状態にある。本研究では、スピン軌道エンタングルメント状態にある電子バンドからレーザーの偏光を利用してアップスピン
電子とダウンスピン電子を同時に光励起して重ね合わせる
ことにより、自在にスピンの向きを制御できることを解明した[1,2]。

【実験結果】
試料には、その表面電子状態が強いスピン軌道相互作用
によりスピン偏極していることが知られている Bi および
Bi2Se3 単結晶を用いた。実験は東京大学物性研究所・極限
コヒーレント光科学研究センターにおいて開発されたレー
ザー光励起によるスピン・角度分解光電子分光 (laserSARPES)装置を用いて行われた[3]。図 1(a)の幾何学配置で測定された Bi(111)単結晶薄膜表面の M 鏡映面上におけるスピン分解バンド図を図 1(b,c)に示す[4]。鏡映面垂直方向のみに表面電子状態のスピン偏極が観測され、 点に

対してスピンの向きは反転している。ところが、p 偏光励

図 1 (a) SARPES 測定の幾何学配置の概略図。(b) p 偏光条件およ起と s 偏光励起では観測される全てのスピン偏極の向きがび(c) s 偏光条件で測定された Bi(111)のラシュバ分裂表面電子状態


反対になっている。光学遷移のパリティ選択則によると、のスピン分解バンド図。赤色と青色はお互いに反対向きのスピン

p 偏光励起(ベクトルポテンシャルの対称性が偶)では始状をあらわす[4]。点線は表面電子バンドを示したガイド線。

17

物性研だより第 57 巻第 2 号■■ ■■ ■ ■ ■

対称性の帰結として、(i)スピンは鏡映面に対して垂直方の各成分を合成することによりスピンベクトルを求めるこ

向を向き、(ii)波動関数の対称成分と非対称成分がそれぞとができ、その向きはに依存して回転し、その大きさはれ反対向きのスピンと結合し、(iii)対称・非対称成分それ

1 になる。

ぞれのスピン偏極度は|1|になるが、(iv)これらが混ざり同様の実験をトポロジカル絶縁体 Bi2Se3 のスピン偏極合った系では全スピン偏極度は|1|にはならない、という

表面電子状態に対しても行った[図 2(c)]。その結果、Px とことが言える[2]。

Py の振る舞いは Bi とよく似ているが、Pz の符号は反対に次に、鏡映対称性が破られた場合には SARPES で観測なっている。したがって、Bi2Se3 から放出された光電子のされる光電子スピンはどうなるだろうか。例えば、図 2 (a)スピンベクトルの回転方向は Bi とは異なっていることがのように、p 偏光や s 偏光では測定の幾何学配置も含めてわかる。入射する偏光に対して光電子のスピンベクトルが鏡映対称性が保たれているが、直線偏光の電場ベクトルをどのように回転するかは物質によって異なる。

鏡映面に対して傾けると測定の幾何学配置の鏡映対称性をそれではなぜこのように直線偏光の電場ベクトルの向き破ることができる。ここで、光の入射面に対して電場ベク

により光電子のスピンベクトルの方向は回転するのであろ

トルがなす角をとする。図 2 (b)に、レーザー光の直線偏うか。図 3(a),(b)に示すように、p 偏光(s 偏光)励起では光

光の電場ベクトルを p 偏光と s 偏光の間で回転させて測定

電子はアップ(ダウン)スピンを持つ。一方、直線偏光を傾した Bi のスピン偏極表面電子状態からの光電子のスピンけると入射光は p 偏光と s 偏光の両方の成分をもつので、偏極度を三次元的に解析した結果を示す。  = 0°, 90°,

図 3(a),(b)の過程が同時に起きる。つまり、図 3(c)に示す

180°の p 偏光及び s 偏光配置では、スピン偏極度の y 成分

ように、一つのバンドのある波数 k における  sym, k とPy が±1 になっており、これは始状態のスピンベクトルのasym, k をある終状態へ同時に励起しているので、始方向と同じである。また、 = 60°及び 120°付近で Py はゼ状態と終状態それぞれのエネルギーと波数は同じだが異なロになっている。一方で、スピン偏極度の x，z 成分 Px,z
る二つの経路がある、ということになる。これはコヒーレ


は = 0°, 90°, 180°ではゼロであるが、がそこからずれる

ントな過程であり、アップスピン電子とダウンスピン電子と現れはじめ、 = 60°, 120°で極値をとる。スピン偏極度の波動関数を重ね合わせなければならない。一般に、アッ

図 2 (a) 測定の幾何学配置における鏡映面と直線偏光の電場ベク
トルの向きの関係図。光の入射面と光電子の検出面は一致しており、これらは試料の鏡映面に対して平行になっている。両矢印は電場ベクトルの向きをあらわし、左図が p 偏光、中図が s 偏光、右図では電場ベクトルが鏡映面に対して傾けられている。
電場ベクトルと鏡映面がなす角をとする。(b) Bi(111)の表面電子バンドの波数 k4 から放出された光電子の三次元スピン偏極度
Px,y,z [2]。実線カーブは、文献 2 中の式(4)を用いたフィッティン
グ結果である。(c) Bi2Se3 の表面電子バンドのから放出された光電子の三次元スピン偏極度 Px,y,z [1]。各シンボルが実験値で、実線カーブがフィッティング結果である。

■ ■■ ■■■■

図 3 スピン軌道エンタングルメントとレーザー光を用いた光電子のスピン回転の概念図。(a) p 偏光励起における光電子スピン。
(b) s 偏光励起における光電子スピン。(c) 電場ベクトルを任意の角度にした時には，アップスピンを持つ光電子とダウンスピンを持つ光電子が干渉しスピンベクトルが三次元的に回転する。

物性研だより第 57 巻第 2 号

18



プスピン電子(スピノル y と定義)とダウンスピン電子

3. K. Yaji, A. Harasawa, K. Kuroda, S. Toyohisa, M.

(スピノル y と定義)の重ね合わせは、その複素係数のNakayama, Y. Ishida, A. Fukushima, S.Watanabe, C.

比の絶対値 u と位相差をパラメータとして、y  ue i y とあらわされる。ここで、y 方向をスピン
量子化軸にとっている。この式は、アップスピン状態とダChen, F. Komori and S. Shin, Rev. Sci. Instrum. 87
4. 矢治光一郎、黒田健太、小森文夫、辛埴、固体物理 52,

ウンスピン状態を重ね合わせることで任意の方向を向いた

559 (2017).

(2016) 053111.

スピン状態を作り出すことができるということを意味している。したがって、直線偏光の回転角を変化させれば同時励起される  sym, k と asym, k の比を変えることができ、に依存して光電子のスピンベクトルの方向が回
転する。





【まとめと展望】
本研究では、スピン軌道エンタングルメント状態にある
電子バンドからアップスピン電子とダウンスピン電子を同時に光励起すると、それらの干渉により任意の向きのスピンを作り出すことができる“光スピン制御”の基本原理を解明した。今回のデモンストレーションでは、励起光として 7eV の光を利用したため、光励起された電子は光電子として真空中に飛び出してしまっていたが、励起光のエネ
ルギーをもっと低くすれば電子を固体内に留めておくことがでる。この場合でも同様の概念が使えると予想している。
本研究成果は、光だけでなく電子の位相の自由度も利用したスピン制御の新しい概念として多岐にわたる応用と発展が期待される。

【謝辞】
本研究は、辛埴、小森文夫、原沢あゆみ、豊久宗玄、石田行章、中山充大、近藤猛、小林功佳の各氏との共同研究により行われました。また、真空紫外レーザー光システムの開発では、渡部俊太郎、Chuangtian Chen の各氏にお世話になりました。本研究は JSPS 科研費 26287061、15K17675 の助成を受けて行われました。

【参考文献】
1. K. Kuroda, K. Yaji, M. Nakayama, A. Harasawa, Y.
Ishida, S. Watanabe, C.-T. Chen, T. Kondo, F. Komori
and S. Shin, Phys. Rev. B 94 (2016) 165162.
2. K. Yaji, K. Kuroda, S. Toyohisa, A. Harasawa, Y. Ishida,
S. Watanabe, C. T. Chen, K. Kobayashi, F. Komori and
S. Shin, Nat. Commun. 8 (2017) 14588.

19

物性研だより第 57 巻第 2 号■■ ■■ ■ ■ ■

結晶構造の乱れによる量子スピン液体状態の安定化

量子物質研究グループ
研究の背景と経緯

酒井 明人、中辻 知

研究内容

水を高温から冷却していくと、熱エネルギーによる本研究グループは、パイロクロア格子上のスピンが示す

H2O 分子の運動は徐々に抑制され、気体(水蒸気)から液

トポロジカルな量子相の開拓を進めてきました。そのなか

体(水)、そして最終的には固体(氷)へとその状態を変えまで、パイロクロア磁性体 Pr2Zr2O7 の磁性を担う 3 価のプラ

す。同様に、通常の磁性体を絶対零度まで冷やすと、スピセオジウムイオン(Pr3+)が、アイスルール(図 2(a))に従うス

ンは向きの決まった固体状態となります。一方、最近の磁ピン配列を示すこと(図2(b))、さらには、強い量子揺らぎに性体の研究において、スピンを特殊な配置に並べることに

より最低温においてもスピンが完全には凍結せず量子スピより、低温までスピンの向きが決まらずにいつまでも液体

ン液体的に振る舞うこと(図 2(c))を見出してきました。

の状態が保持されるという特異な状態が現れることが理論的に予言され、量子スピン液体として大きな注目を集めています。その有力な探索の舞台として知られているのが、
スピンアイスと呼ばれる磁性体の関連物質です。スピンア
イスは、パイロクロア格子上に配置されたイジングスピン
が、スピンに平行方向の強磁性相互作用のみを持つ場合に現れる古典的な磁気状態(図 1)で、巨視的縮退を残したま
まスピンが凍結するという特異な性質を持ちます。さらに
最近では、何らかの方法(例えばスピン垂直方向の交換相互作用)で量子揺らぎを増強しアイス状態を融解すること
で量子スピン液体が実現するという理論的提案がなされ、

図 2．(a)氷（アイス）、(b)スピンアイス、(c)量子スピンアイスの図
氷におけるプロトン変位とスピンアイスにおける磁気モーメントは 1 対 1 に対応しており、ともに 2-in 2-out のアイスルールを満たす。この古典的に凍結した状態に量子力学的横磁場が加わることで量子揺らぎが増強された状態は量子スピンアイスと呼ばこれを検証する実験的研究が世界各国で精力的に展開されれ、異なる 2-in 2-out 状態が重ね合さった量子スピン液体状態ています。しかし、これまでにスピンアイスをベースとしになると期待される。今回の研究で、実は乱れが量子力学的横磁た量子スピン液体の候補物質はいくつか見出されてきまし

場を加えることが明らかになった。

たが、どのような起源で量子スピン液体的な振る舞いが生じているのかは分かっていませんでした。

そこで本研究では、スピンアイス関連物質 Pr2Zr2O7 における強い量子揺らぎの起源を調べるため、大型の単結晶試料を合成し、これを用いて絶対零度近傍(50 mK)に至るさ
まざまな温度および磁場下における高分解能非弾性中性子
散乱実験を行いました。その結果、低エネルギー領域において、図 3(a)に示すような波数に依存する非弾性中性子散乱パターンが観測されました[1]。過去の研究においても観測されたこのパターンは、本実験で用いた単結晶においてもスピン間の強磁性相互作用によるスピンアイス相関が存在していることを意味しています[2]。一方、図 3(c)に示すように、より高いエネルギー領域においては、波数に

図 1．パイロクロア格子

依存しない非弾性中性子散乱成分が存在することが新たに判明しました。本物質の磁性を担う Pr3+イオンはノンク
ラマースイオンであるため、その磁気的性質は結晶構造の■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

20

乱れに極めて敏感です。その結果、理想的なパイロクロア
構造におけるPr3+イオンは磁気的な二重項としての性質

定説に一石を投じる今回の成果は、量子スピン液体を示す
磁性材料の開発に新たな指針を与えるものと期待できます。

を有する一方、構造の乱れがある場合はこの二重項が 2 つ

今回見出した乱れによる量子スピン液体と、純良試料で期の非磁性一重項状態に分裂すると考えられます。波数に依待される量子スピン液体の相違点を明らかにすることは、存しない非弾性中性子散乱の存在は、構造の乱れによる二量子スピン液体の全容を解明する上で大変重要です。最近

重項の分裂が生じていることを強く示唆しています。一方、の研究により、Pr と Zr の組成比を制御することによって、我々の実験とほぼ時期を同じくして、新しい理論が定式化

パイロクロア構造の乱れを広範囲に制御できることが分され、この構造の乱れによる二重項の分裂は、Pr3+に量子

かってきました。組成比の精密制御により乱れのより少な

揺らぎを促す実効的な横磁場がかかっていることに対応すい試料を合成し、これを用いた詳細な物性測定を行うことるため、この乱れによる 2 重項の分裂が量子スピン液体をで、量子スピン液体の理解が飛躍的に向上すると考えられ安定化することが示されました[3]。そこで、古典スピンます。これにより、将来的には、量子スピン液体のエンタ

アイス状態をもたらす強磁性相互作用に、乱れに起因する

ングルメントを利用したスピントロニクス、量子コン

実効的横磁場を加えたスピンモデルを用いて実験結果を解

ピュータの次世代デバイスへの応用などに繋がるものと期析したところ、全ての実験結果を合理的に説明可能である

待されます。

ことが分かりました(図 3(b)(d))。このことは、今回用いた試料中に存在する結晶構造の乱れが、量子スピン液体状態を安定化している可能性を強く示唆しています。

[1] J.-J. Wen, S. M. Koohpayeh, K. A. Ross, B. A.
Trump, T. M. McQueen, K. Kimura, S. Nakatsuji, Y.
Qiu, D. M. Pajerowski, J. R. D. Copley, and C. L.
Broholm, Phys. Rev. Lett. 118, 107206 (2017).
[2] K. Kimura, S. Nakatsuji, J-J. Wen, C. Broholm, M. B.
Stone,

E.

Nishibori

&

H.

Sawa,

NatureCommunications 4, 1934 (2013).
[3] Lucile Savary and Leon Balents Phys. Rev. Lett. 118,087203 (2017).

図 3．絶対零度近傍(50 ミリケルビン)における非弾性中性子散
乱強度マップ(a)(b)低エネルギー領域(0.2meV)における実験および計算結果。散乱強度は波数に強く依存し、またそのパターンはスピン
アイス相関を持つ磁性体に特有のものである。(c)(d)高エネル
ギー領域(0.55meV)における実験および計算結果。散乱強度は波数に依存しない。

今後の展開
今回、スピンアイス関連物質 Pr2Zr2O7 において、結晶構造の乱れにより量子スピン液体状態が安定化している可能性を実験的に見出しました。従来の研究では、構造の乱れはスピンのガラス状態への凍結を引き起こし、量子スピ
ン液体の形成を阻害するものと考えられてきました。この21

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

国際会議 CEMS-QPEC Symposium on “Emergent
Quantum Materials”にて Best Poster Award 及びJPSJ Poster Prize を受賞して平井 大悟郎国際会議 16th CEMS-QPEC Symposium on “Emergentとがわかりました。レニウムの軌道状態を計算すると、軌Quantum Materials”にて”Best Poster Award”及び”JPSJ

道の対称性と光の偏光方向の関係によって光の吸収が選択

Poster Prize”を受賞する栄誉に恵まれました。受賞の対象的に起こるため、偏光方向によって全く違う色を示すこととなった研究は、「Ca3ReO5Cl2 における多色性」に関すが明らかになりました。

るものです。最近私が合成した新物質が、見る方向によっ

以上のことから、多色性という特殊な性質を示すためのてまったく異なる色を示すという面白い性質を示すことに

条件の 1 つとして、レニウムの周りの酸素がピラミッド型

気付き、どうしてこんなことが起こるのだろうという興味に結合し、その反対側に塩素イオンがあることが重要であでスタートした研究です。研究を行うにあたり、物性研内

ることがわかりました。この上下で非対称なピラミッド型

外の共同研究者の方々に大変お世話になりました。所内での結合により、偏光方向と吸収する光に選択性が生じます。

は、X 線室の矢島さん、電子顕微鏡室の浜根さん、秋山研

また、5d 電子の状態が可視光のエネルギーに相当する適の金さんと秋山先生、PCoMS の河村さんと三澤さん、そ当なエネルギー分裂をもつことも重要であることが明らか

して廣井先生に、所外では新領域有馬研の阿部助教と有馬になりました。さらに、カルシウムという第 4 の元素がレ先生にお世話になりました。特に、有馬先生には研究の初

ニウムと酸素が作る多数のピラミッドの間に入っており、期段階から相談にのって頂き、光物性の初歩的な部分からピラミッド間の距離を保つ役割を果たすことで美しい発色

丁寧に教えていただきました。この研究は、共同研究者のを助けています。

方々の貢献がどれひとつ欠けても成し遂げられませんでした。共同研究者の皆様に、この場をお借りして深く感謝申

私はこれまで、5d 遷移金属化合物において発現する、し上げます。また、この研究を通して物性研の人的ネット

スピン軌道相互作用と電子相関が複合して現れる物性に着ワークの強力さを実感いたしました。以下に、研究内容に目し物質開発を行ってきました。さまざまな化合物の合成

ついて簡単に紹介させていただきます。

を行う中で、意図せず今回の物質が合成できました。初めてこの物質ができたときの驚きは、これまで物質合成を

私たちの身の回りにある物質はさまざまな理由で色をも行ってきたなかでも一二を争うものでした。目的としていちます。なかでも宝石のような無機化合物のほとんどは、た物質は黒い結晶のはずでしたが、取り出してみると茶色

電子がエネルギーのより高い準位に励起されるときに特定と緑色の結晶が混ざっており、明らかに合成は失敗していのエネルギーをもつ光を吸収し、発色します。例えば、ルました。とりあえず、何が合成できたのか調べようと茶色

ビーは、コランダムという透明な鉱物の中に遷移金属元素

い結晶を取り上げると、茶色い結晶を持っていたはずなののクロムが微量に含まれたものであり、クロムの 3d 電子に、顕微鏡には緑色の結晶が見えていました。ピンセット

が光によって励起される際に緑色の光を吸収するため、緑で結晶をいじくりまわしているうちに、茶色と緑の結晶がの補色である赤色になります。

同じものであることがわかり、鳥肌がたったのを覚えてい私が合成に成功した新物質 Ca3ReO5Cl2 は、5d 電子をもます。

つ元素としてレニウム(Re)を、陰イオンとして酸素(O)と5d 化合物は、これまであまり物質開発が行われてこな

塩素(Cl)を含む化合物です。この物質の色は見る方向にかったこともあり、まだまだ新物質発見の余地があります。

よって緑から茶色に変化し、さらに入射光の偏光により、今回のように自然が見せてくれる“予想もしない性質”を信号機のように赤・黄・緑の 3 つの全く異なる色を示すこ

楽しみにしながら、今後も物質開発を続けて行きたいと思とを発見しました。光学特性を詳しく調べたところ、レニいます。

ウムの 5d 軌道に 1 つだけ存在する電子が、エネルギーの
高い空の 5d 軌道へ励起されるときに可視光を吸収するこ■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

22[関連論文]“Visible” 5d Orbital States in a Pleochroic Oxychloride”,
Daigorou Hirai, Takeshi Yajima, Daisuke NishioHamane, Changsu Kim, Hidefumi Akiyama, Mitsuaki
Kawamura, Takahiro Misawa, Nobuyuki Abe, Takahisa Arima, and Zenji Hiroi, J. Am. Chem. Soc. 139,
10784 (2017).

受賞式の様子と賞状。 (左)”Best Poster Award”が東京大学 岩佐義宏教授から、(右)”JPSJ Poster Prize”が上田和夫 JPSJ 編集委員長から授与された。

23

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム平成
28 年度秀でた利用 6 大成果最優秀賞を受賞してナノスケール物性研究部門

高橋 竜太、川崎 聖治、リップマー ミック2017 年 2 月 17 日に東京ビッグサイトで開催された第15 回ナノテクノロジー総合シンポジウムにおいて、文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム平成 28 年度秀
でた利用 6 大成果の授賞式がありました。今年度は全国の1,100 を超える候補者の中から、筆者らの成果は 6 大成果に採択された上、さらにその 6 大成果の中から最優秀賞に選ばれました。受賞業績は「超高効率水素製造光触媒を実現した新奇薄膜構造の発見とその構造解析」です。図 1 の表彰文によると、ナノプラットフォームのユーザー機関と実施機関との連携によるナノテクノロジーを駆使したイノ
ベーションに繋がる成果に表彰される賞であります。このような栄えある賞をいただくことは、大変名誉なことであり、共同研究者の先生方、そして山本剛久先生をはじめとする名古屋大学のナノテクノロジープラットフォームの方々に、この場を借りてお礼を申し上げます。
受賞にあたった水分解光触媒は酸化物半導体を水の中に入れ、バンドギャップ以上の光を照射すると水素と酸素を発生する化学反応を示す材料で、1970 年代に本多先生、藤嶋先生によって発見されました 1。水素は環境に優しい
サステーナブルなエネルギー源として注目されており、効率よく製造するためのプロセスの 1 つとして水分解光触媒の研究が盛んに行われています。筆者らが“水分解光電極”の研究を開始したのは、今回の受賞に当たった研究を主に行ってきた川崎氏(現在、ローレンスバークレー研究所、博士研究員)が東京理科大学理学部工藤研究室より卒論生として我々の研究室に参加した 2010 年にさかのぼります。
工藤研究室では、多結晶性の粉末サンプルを利用し、新しい可視光応答光触媒材料や助触媒材料の探索を進めています 2。光触媒試料を単結晶性のエピタキシャル薄膜で作製することによって、試料表面を原子レベルで規定することができる、電圧を試料に有効的に印加することが可能になる、電荷分離したホールと電子の再結合を抑制できるなど様々なメリットが得られます。筆者らが有する酸化物ベースのナノ構造や単結晶薄膜の成膜技術 3,4,5 を組み合わせ、
水分解光電極を高機能化しようと考えたのが共同研究を始

図 1 ナノテクノロジープラットフォーム秀れた 6 大成
果最優秀賞の賞状特に受賞した研究では水分解光電極の効率を向上するた
めにナノサイズの金属ピラー(直径約 5nm)を酸化物半導体内部に埋め込んだ新しいナノコンポジット結晶をデザインし、かつ簡便な手法で作製することに成功しました 5,6。
Ir 金属と SrTiO3 の界面にはショットキー接合が形成し、光励起されたホール電子対をホールと電子に分離する層として機能します。3 次元的な電荷分離層が光触媒薄膜の中に無数に分散することで、非常に高い水分解効率を得ることができました。量子収率を測定してみたところ、
400nm から 600nm の広い可視光領域で 80%を超える内部量子収率(試料の吸収した光がどれだけ効率よく水分解反応に関与したかを示す指標)が達成されていることがわ
かりました。今後の研究では、材料選択によって、より高い効率を示す水分解光電極が作製できるものと期待しています。

めるきっかけになりました。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

24

参考文献
[1] A. Fujishima and K. Honda, Nature, 238, 37 (1972).
[2] A. Kudo and Y. Miseki, Chem. Soc. Rev. 38, 253 (2009).
[3] リップマーミック、応用物理、75、303 (2003).
[4] 高橋竜太、松本祐司、セラミック、45、724(2010).
[5] 高橋竜太、リップマーミック、固体物理、52、105(2017).
[6] S. Kawasaki, R. Takahashi, T. Yamamoto, M.
Kobayashi, H. Kumigashira, J. Yoshinobu, F. Komori,A. Kudo, and M. Lippmaa, Nat. Commun. 7, 11818(2016).

25

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

平成 28 年度日本化学会進歩賞を受賞して凝縮系物性研究部門 森研究室

上田 顕

この度、「プロトン・π電子授受能を活用した新規機能ました。このような水素の動的な挙動・ダイナミクスは、性有機結晶の開発」という題目にて、平成 28 年度の日本

固体中の O∙∙∙H∙∙∙O などの水素結合内でしばしば見られて化学会進歩賞を受賞する栄誉に浴しました。本賞は、日本

おり、ある種の誘電体における(反)強誘電-常誘電転移の化学会の各賞の一つであり、化学の基礎または応用に関す起源でもあることから、物質科学分野でも古くから研究さる優秀な研究業績を挙げた若手研究者(37 歳未満)に授与れています。しかしながら、電気伝導性や磁性などの電子されるものであります。受賞対象となった表題の研究テー

物性研究とはほとんど無縁の存在であり、π電子と水素あ

マは、物性研に着任後開始したものであり、数多くの貴重

るいはプロトンの相関現象・物性の開拓は本分野の長年のなご助言・ご支援をいただきました森 初果 教授に深く御課題でありました。

礼申し上げます。また、物性研究所の皆様ならびに所内外の多くの共同研究者の皆様にも感謝申し上げます。

今回筆者らは、プロトンおよび電子授受能を有する有機分子を用いて、独自の方法で結晶育成を行うことで、水素ダイナミクスを有する新しいタイプの有機伝導体結晶の開発に成功しました。そして、放射光を用いた詳細な X 線構
造解析ならびに物性測定の結果、大変興味深いことに、低温下(185 K)において水素結合内の重水素が変位し、さらにこれを引き金として、電荷秩序転移・物性スイッチングが生じることを見いだしました [1,2]。これは、π電子間のクーロン相互作用に起因する従来の電荷秩序転移とは原理的に異なる新現象であります。また、これとは対照的に、
軽水素を介して水素結合させた同形物質では、同様の水素の変位や相転移現象は極低温まで観測されませんでした。
すなわちこれらの結果は、固体物質中における水素の量子性・ダイナミクスを制御することによって、そのπ電子物

山本 尚 日本化学会会長（右）から表彰楯を受け取る上田氏

性を制御できることを示しており、大変画期的な成果であると言えます。また、上述の有機分子が有するプロトンお題目にもありますように本研究では、有機伝導体を中心

よび電子授受能を活用したもう一つの展開として、高分極とした新規な機能性有機結晶の開発に取り組みました [1-4]。

性を有する新奇な有機半導体分子系を創出することにも成有機伝導体は、その構成要素となる有機分子の高い設計性、功しています [3]。

構造多様性に由来する多様な集積構造・電子構造をとるこ

以上のように、プロトンとπ電子に着目した物質開発研とができ、電気伝導性のみならず、磁性、誘電性などの多究により、従来の有機伝導体では見られなかった特異な現彩な物性・機能を示すことから、長年にわたって物質科学

象、物性・機能性の開拓に成功し、分子性物質科学分野の研究者の注目を集めています。重要なこととして、これら新たな一面・可能性を見いだすことができました。今後さの物性・機能の起源は有機分子が持つπ電子であり、π電らに物質開発を進め、また物性物理や表面科学、理論の専子の相互作用の度合いや様式によって物性・機能が決定づ

門家とも連携することで、「水素」と「π電子」が織りな

けられています。このような背景のもと、本研究では、新すこの新しい物質・物性科学を深化・発展させていきたい

しいタイプの有機伝導体の開発という観点から、従来着目と考えています。

されてきたπ電子物性・機能に加え、水素あるいはプロトンの動的な挙動・ダイナミクスを有する系の構築を目指し■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

26他の受賞者との集合写真。前列中央が上田氏受賞対象論文：[1] “Hydrogen-Bond-Dynamics-Based Switching ofConductivity and Magnetism: A Phase Transition
Caused by Deuterium and Electron Transfer in a
Hydrogen-Bonded

PurelyOrganic

Conductor

Crystal”, A. Ueda, S. Yamada, T. Isono, H. Kamo, A.
Nakao, R. Kumai, H. Nakao, Y. Murakami, K.
Yamamoto, Y. Nishio, H. Mori, J. Am. Chem. Soc. 136,
12184 (2014). (highlighted in JACS spotlights)[2] “Modulation of a Molecular -Electron System in a
Purely Organic Conductor that shows HydrogenBond-Dynamics-Based Switching of Conductivity
and Magnetism”, A. Ueda, A. Hatakeyama, M.
Enomoto, R. Kumai, Y. Murakami, H. Mori, Chem.
Eur. J. 21, 15020 (2015).
[3] “Unexpected Formation of ortho-Benzoquinonefused

Tetraselenafulvalene(TSF):

Synthesis,

Structures, and Properties of a Novel TSF-based
Donor-acceptor Dyad”, A. Ueda, H. Kamo, H. Mori,
Chem. Lett. 44, 1538 (2015).
受賞記念論文：[4] “Development of Novel Functional Organic Crystals
by Utilizing Proton- and -Electron-Donating/Accepting Abilities”, A. Ueda, Bull. Chem. Soc. Jpn.
90, 1181 (2017).

27

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

第 11 回日本物理学会若手奨励賞を受賞して凝縮系物性研究部門

橘高 俊一郎この度、第 11 回日本物理学

エネルギーの準粒子励起が起こるので、フルギャップ超伝

会若手奨励賞(領域 8)を受賞

導とは一風変わった性質が見られます。実際に、準粒子のする栄誉に恵まれました。

低エネルギー励起を示唆する実験結果が次々と報告され、2010 年 4 月に物性研究所の助重い電子系超伝導はギャップにノードを持つ異方的超伝教に着任して以来、継続して導であると定着しつつありました。

行ってきた研究が評価され、超伝導ギャップにおいてノードが現れる場所は、対形成大変嬉しく思っております。

メカニズムと密接に関係します。例えば、<110>方向に榊原俊郎先生をはじめとしてノードを持つ dx2-y2 波超伝導の場合、Q = ()の磁気揺らお世話になった多くの方々にぎが電子間引力の有力候補の一つになります。そのため、この場をお借りして深く感謝申し上げます。

超伝導ギャップ構造の解明は重要な研究課題の一つに位置

受賞の対象となった研究課題は「磁場方位制御下の精密づけられます。その構造を実験的に調べる手段として、比熱測定による重い電子系超伝導の研究」です。重い電子

我々は「磁場方位制御下の精密比熱測定」に取り組んでき系とは、強い電子間相互作用のために伝導電子の有効質量ました。比熱は有効質量が大きい準粒子バンドの状態密度が自由電子の千倍近くにまで増強された物質群のことを指を主に反映するため、重い電子系超伝導を研究する強力なします。重い衣をまとった「準粒子」は互いに相互作用しプローブになります。磁場中では、ドップラー効果によりながらゆっくりと結晶中を移動し、多彩な量子現象を起こ

ノード周りに低エネルギーの準粒子が顕著に励起されます

します。その一つが「一風変わった」超伝導です。「ふつが、その量がノード方向と磁場の間の角度に依存することう」の超伝導では、結晶中を移動する電子が正の電荷をもが 1999 年に理論研究から提唱されました。この原理を利

つ格子を引き寄せて、そこに別の電子が引き寄せられるこ用して、磁場方位を変えながら比熱(準粒子状態密度)を測とにより s 波型フルギャップの電子対が形成されます。同定すればノードの位置を特定することができます。ただし、一サイトの電子に引力が働くことになりますが、格子が揺

熱揺らぎなどの影響を抑える必要があるため、超伝導転移

らぐ間(~10-13 秒)に自由電子は 100 nm も進めるので対の温度 Tc の 1/10 以下の低温まで測定することが重要になり相手となる電子とのクーロン斥力は無視できます。一方、ます。ところが、重い電子系物質はフェルミ温度が低く、重い電子系の場合には、格子が揺らぐ間に準粒子は 0.1

Tc も 1 K 以下であることが多いため、ノード構造の研究にnm しか進めないのでクーロン斥力が働き、「ふつう」のは 0.1 K 以下の極低温実験環境の構築が急務となっていま

超伝導の発現は期待できません。

した。

では、なぜ重い電子系で超伝導が実現するのでしょうか。

私が 2010 年に榊原研究室に着任した当時は、希釈冷凍上で述べたように、重い電子系では格子揺らぎの遅延効果

機での準断熱法による比熱測定装置が立ち上げられ、0.1でクーロン斥力を避けることはできません。それならば、K の低温まで測定が可能になったところでした。そこで、離れた電子に引力が働いて対形成すればよいと考えるのがより極低温での高精度比熱測定を実現するために、高感度自然です。同一サイトで対形成する確率がゼロになる条件

比熱測定用セルの開発やノイズフィルターの改良、緩和法

は、超伝導ギャップが波数空間で積分したときにゼロになによる比熱測定法の導入などを行って、40 mK 以下までることです。つまり、ギャップが波数空間で符号を変える

比熱測定が可能な環境を整えました。それを用いて、

非 s 波の超伝導であれば、「空間的」にクーロン斥力を避

CeIrIn5(Tc = 0.4 K)や URu2Si2(Tc = 1.5 K)など、様々な重けた対形成が可能になります。非 s 波超伝導のほとんどは、い電子系超伝導体のノード構造を研究し、対形成メカニズ

ある波数でギャップがゼロになり、それを境にギャップのムに迫る成果を挙げてきました。中でも、今回の受賞で高符号を変える「ノード」を持ちます。ノードの周りでは低く評価された研究が、CeCu2Si2 におけるフルギャップ超■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

28

伝導の発見です。CeCu2Si2(Tc = 0.6 K)は 1979 年に史上初た経験・技術を存分に活かし、独自のアプローチで物性物めて発見された非従来型の超伝導体で、近年まで CeCoIn5

理学の発展に貢献していきたいと考えています。

や銅酸化物高温超伝導体との類似性から磁気揺らぎを引力としたラインノード d 波超伝導体であると考えられてきま

受賞対象論文した。研究を開始した 2012 年当時は、ラインノードが[1] "Superconducting gap structure of CeIrIn5 from field-<110>方向にある dx2-y2 型と<100>方向の dxy 型に議論は絞

angle-resolved measurements of its specific heat"

られており、ギャップ対称性の問題は最終局面を迎えていS. Kittaka, Y. Aoki, T. Sakakibara, A. Sakai, S.

ました。この問題に決着をつけるために、CeCu2Si2 の純

Nakatsuji, Y. Tsutsumi, M. Ichioka, and K. Machida

良単結晶の比熱を 40 mK の極低温まで測定し、磁場中でPhys. Rev. B 85, 060505(R) (2012).

準粒子の励起構造を調べました。その結果、予想外なこと[2] "Multiband superconductivity with unexpectedに、極低温比熱の温度・磁場・磁場角度依存性はいずれもdeficiency of nodal quasiparticles in CeCu2Si2"

フルギャップ超伝導体に典型的な振る舞いを示すことを見

S. Kittaka, Y. Aoki, Y. Shimura, T. Sakakibara, S.

出しました。一見ラインノード的であった中間温度領域のSeiro, C. Geibel, F. Steglich, H. Ikeda, and K.

比熱の温度依存性(C/T T)は大小 2 つのギャップを仮定す

Machida Phys. Rev. Lett. 112, 067002 (2014).

れば説明可能であることを数値計算から示し、CeCu2Si2[3] "Evidence for chiral d-wave superconductivity inが予想外の多バンドフルギャップ超伝導体であることを発

URu2Si2 from the field-angle variation of its specific

表しました。本研究成果は最古の重い電子系超伝導体のheat" S. Kittaka, Y. Shimizu, T. Sakakibara, Y. Haga,

ギャップ対称性に関する従来の定説を覆すものであり、新E. Yamamoto, Y. Onuki, Y. Tsutsumi, T. Nomoto, H.

たな超伝導発現機構の必要性を強く示唆しています。

Ikeda, and K. Machida J. Phys. Soc. Jpn. 85, 033704

重い電子系ではフルギャップ超伝導の前例がなかったに(2016).

もかかわらず、実は元祖の重い電子系超伝導体でフルギャップ超伝導が実現していたという事実は大変な驚きでした。その発見は、小さい方のギャップを検出できる 80
mK 以下の極低温まで実験を行ったからこそ成し遂げられたもので、極低温実験環境を構築した直後に研究の機会を得られたことが幸運でした。そして何より、最近まで
CeCu2Si2 は試料の質が問題となってきましたが、2010 年にドイツの Geibel 教授のグループにより純良単結晶の育成手法が確立され、その試料を提供して頂けたことが大きかったと思っています。改めて、多くの関係者の方々のご支援に感謝申し上げたいと思います。
最後に、物性研究所の助教に着任してから早 7 年半が経ちました。これまでは研究に集中してきましたが、そろそろ「卒業」も意識する時期となってきました。チャンスは限られる時代ですが、今回の受賞を励みに次の一歩を踏み出していきたいと思っています。思う存分研究に打ち込める物性研究所だからこそ、試行錯誤に多くの時間を費やして独自の技術や装置を発展させることができました。最近
は共同利用の研究を契機に思いがけない発見もあり、新たな研究テーマの開拓に繋げることもできました。様々なテーマの研究に携わる機会が多いことも物性研究所に在籍する研究者の特権だと思います。今後も物性研究所で培っ29

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

第 36 回表面科学学術講演会講演奨励賞を受賞して極限コヒーレント光科学研究センター
この度、第 36 回表面科学学術講演会において講演奨励
賞新進研究者部門を受賞いたしました。受賞タイトルは、

近藤研究室 助教 黒田 健太

ク表面状態の超高速光学励起とその緩和ダイナミクスに着目しました。

「トポロジカル絶縁体におけるディラック表面状態の超高速ダイナミクス」で、この研究は、私が広島大学で博士課

その結果、MIR 励起によって、占有状態から非占有状程を修了した後、2014 年 4 月から近藤研の助教として着態へディラック点をまたぐディラック表面電子の直接光学任するまでの 1 年間に、ドイツマールブルグ大学の Ulrich

遷移を見出しました(図 1）。また、ディラック表面状態のHöfer 先生率いる研究室へ日本学術振興会海外特別研究員

ヘリカルスピンテクスチャーを反映して、運動量空間として派遣されたときに行ったものです。お世話になった、±k||で非対称にディラック電子が励起占有する様子をフェUlrich Höfer 先生と Jens Güdde 先生に感謝いたします。

ムト秒で分解して観測しました。波数空間におけるこの非以下、研究内容について簡単にご紹介いたします。

対称な電子占有は、スピン偏極したネットの表面電流に対応します[1]。さらに、MIR の偏光を波長板で変化させな

本研究では、中赤外領域(MIR)の短パルスレーザーを時

がら 2PPE 測定を行った結果、この直接光学遷移が MIR

間角度分解二光子光電子分光(2PPE)と組み合わせて、三の偏光に依存しており、偏光可変 MIR レーザーを用いた次元トポロジカル絶縁体の表面で形成されるスピン偏極し表面電流の制御、「光電流制御」を実証しました[2]。次に、たディラック表面状態の「光電流制御」の直接観測を行い2PPE 測定のポンプ-プローブ法を用いて、MIR 励起で発ました。近年のスピントロニクス研究において、高いスピ

生した光表面電流の波数空間における超高速表面輸送測定

ン偏極度を有した電子状態の創出と制御は重要な課題とを行いました。この測定により、励起された伝導電子がなっています。その中でも、三次元トポロジカル絶縁体の2.6ps の時間スケールで弾性散乱されて表面電流が緩和し表面で形成されるスピン偏極ディラック電子が注目されてていることがわかりました。これは、散乱が抑制されたいます。この表面電子状態は、強いスピン軌道相互作用にディラック表面電子の平均自由行程が 0.75 μm にも達する

よってスピンの方向が運動量 k|| にロックされており、スことを意味しています[3]。

ピンヘリカルなテクスチャーを k 空間で形成します。さらに、時間反転対称性によって後方散乱が抑制されるため、
高移動度を示すスピントロニクス材料として期待されています。これまで、三次元トポロジカル絶縁体でディラック
コーン型のエネルギー分散を持った表面状態及びそのスピ
ンテクスチャーが角度分解光電子分光やスピン分解光電子分光などの実験手法を用いて実証されてきました。本研究で用いた実験手法の 2PPE では、占有状態のエネルギー分
散を直接決定できる従来の角度分解光電子分光に加えて、タイミングをずらした二つのレーザーパルスを利用したポンプ-プローブ法により、非占有状態へ励起された電子占有分布の変化をフェムト秒の時間スケールで追跡することが可能となります。私は、300meV 程度の波長可変 MIR
レーザーパルスをポンプ光として組み合わせた時間分解

図 1：観測された MIR 励起によるスピン偏極ディラック電子の直接光学遷。

2PPE 測定を行い、トポロジカル絶縁体 Sb2Te3 のディラッ■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

30

[1] “Generation of Transient Photocurrents in the
Topological Surface State of Sb2Te3 by direct opticalexcitation with midinfrared pulses”, K. Kuroda, J.
Reimann, J. Güdde, and U. Höfer, Phys. Rev. Lett.
116, 076801 (2016).
[2] “Ultrafast energy- and momentum-resolved surface
Dirac photocurrents in the topological insulator
Sb2Te3”, K. Kuroda, J. Reimann, K. A. Kokh, O. E.
Tereschenko, A. Kimura, J. Güdde, and U. Höfer,Phys. Rev. B 95, 081103(R) (2017).
[3] “Momentum space view of the ultrafast dynamics ofsurface photocurrents on topological insulators”, K.
Kuroda, J. Reimann, J. Güdde, and U. Höfer, Proc.
SPIE 10102, 101020Q-1 (2017).

31

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

物性研に着任して物質設計評価施設

樋口 祐次

2017 年 4 月 1 日付けで物質設計評価施設野口研究室の拡散距離)を得ることもできました。理学から工学、物理助教に着任いたしました樋口祐次と申します。どうぞよろから化学、生体分子から固体材料と大きく分野が変わるこ

しくお願いいたします。簡単に自己紹介とこれまでの研究とにより、非常に多くのことを学ぶことができました。とを紹介させていただきます。

くに工学や化学の発想を得ることができたのは大きな収穫

私は京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻
で博士の学位を取得しました。学部四年生から六年間、吉となりました。私自身は高分子材料の劣化と破壊現象の研究を行っていました。

川研一教授にご指導いただき、DNA の構造転移の研究を工学や化学の視点を取り入れることにより、2013 年 10

行っていました。DNA は良溶媒から貧溶媒(高温から低月から 2017 年 3 月まで科学技術振興機構さきがけ研究員温)へと条件を変えると、密度をオーダーパラメータとしを兼任することができました。東京大学教授加藤隆史研究て不連続な構造転移を示すことが知られています。不連続

総括の「分子技術と新機能創出」領域で多くのことを学びな構造転移における平衡論からダイナミクスまで幅広く研ました。企業の方とお話しする機会や、高分子材料の研究究を行ってきました。初めの一年半は蛍光顕微鏡を用いて者と議論する機会も増え、物理的なシンプルなモデルと実DNA 構造転移におけるヒステリシスの研究を行っていま際の材料物性とのギャップを意識することになりました。

したが、修士一年生の途中からシミュレーションに興味をこの期間を通じ、計算も大規模化することができ、ポリエ

持ち、そこからは計算を中心に研究を続けています。シンチレンの変形・破壊プロセスをシミュレーションで定性的プルなモデルを発展させ、実際の生体内の条件に近づけたに再現することに成功しました。シミュレーションではポ時に構造転移がどのように変化するのかに興味を持ち研究

リエチレン等の結晶性高分子の機械的特性は定性的な再現を行ってきました。細胞内のような閉じ込め空間では構造すらできていなかったことから、大きな一歩になったと思

転移の不連続性が失われること、長鎖での構造転移においいます。久保先生や加藤先生のご指導から、物理的なモデては気相固相転移から液相が出現すること、二重らせんのルに原子スケールの情報を取り入れる重要性を見出しまし影響を取り入れたトポロジーの効果を考慮し、ねじれによた。

り DNA のタンパク質への巻きつきを制御できること、な

東北大学は実学尊重を理念として掲げていること、上記

どを明らかにしました。吉川先生には自由に研究をさせてのさきがけ研究においても実際の材料を意識することを強いただき、研究の楽しさや自立して研究をする重要性を学く求められたことから、基礎的な研究からアウトプットまぶことができました。

で強く意識するようになりました。実学の中にも理学から学位取得後は東北大学の久保百司教授の元で六年間助教として仕事をさせていただきました。久保研究室は量子化見て興味深く未解決の問題は多く存在し、理学が実学に役立つ面が多くあると確信して研究を進めております。

学計算を用いてセラミックスを中心とした材料の研究を

今後は材料から生体分子まで幅広い物性研究を通し物性行っています。原子スケールの加工プロセスでは、「加工研究所へ貢献したいと思います。とくに理学から実学へ、の際の衝撃、摩擦、応力などを考慮した化学反応ダイナミ

化学の視点を取り入れた物理モデルの確立を目標にして新クス」、「ミクロな現象がマクロなスケールに与える影響」

しい研究分野を切り開いていきます。これまでの研究に加が課題となっています。量子分子動力学法を用いて結晶成え、野口先生と協力してソフトマターの自己集合プロセス

長プロセス、エッチングプロセス、摩擦プロセスにおけるやモデリング等を研究し、研究の視野・知識を広げていき

化学反応ダイナミクスを久保先生、研究室の学生と研究したいと思います。ご指導ご鞭撻のほど何卒よろしくお願いてきました。私の物理の知識を活用することで計算結果のいたします。

統計的な解析や、原子スケールの物性値と理論モデルを用いることで実験結果と比較可能なマクロな物性値(応力や■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

32物性研に着任して極限コヒーレント光科学研究センター
2017 年 7 月 1 日付で極限コヒーレント光科学研究セン
ターに准教授として着任いたしました。
思い返せば子供のころ好きだった教科は数学や歴史だったはずで、あと文章を書くのも好きでしたが、物理を含む

松永 隆佑という原動力になっている気がしています。初心忘るべからずを胸に、怠惰な学生だった過去の自分に研究の楽しさと物理学の面白さを思い知らせるような仕事をしていきた
いと思います。

理科全般はむしろ苦手な方だった記憶しかありません。そ

物理学と研究への興味という点でかなり晩成だった私のの私が大学入学後すぐに自分の数学の才能のなさを思いやる気を引き出して下さったのは、大学院生の頃に師事し知って、半ば逃げるように進んだのが物理の道でした。した京都大学化学研究所の金光義彦先生でした。金光先生はかし大学の物理にはなかなかついていくことができず、物性研の故塩谷繁雄先生の下で光物性を学び、学位を取得「なぜ講義も教科書もこんなにわかりにくい説明ばかりなされました。当時の六本木と今の柏の違いはありますが、のか」「こんな難しい事を勉強して一体何になるのか」とかつて師匠の育った物性研で私が新しく研究室を立ち上げ、思いながら、講義をさぼってサークル活動に没頭し、悶々研究と教育を任される立場になったことは感慨深く思いまと過ごしてばかりいました。レーザーになんとなく惹かれす。私も物性研での研究活動を通して、物理学の基礎と研て光科学に関わり、大学院にも進学しましたが、当初は博究の思考プロセスをよく学んだ学生を世に送り出し、次世士課程に進むことは全く考えられませんでした。しかし研代の研究者を育てていくことに貢献したいと思っています。

究に長時間携わるようになって机の上の勉強からいったん

いつか光物性の初学者向けの教科書を書くことがひとつの離れ、実験室で自分の手を動かして作業していくことで、夢です。天才的な先人達が遺した名著の数々には及ばなく

世界中のまだ誰も知らない自然科学の最先端に触れることても、人一倍苦労して物理を学んだ私だからこそ書ける教ができ、その結果を一つの作品のようにまとめあげて人に科書があるのではないかと考えています。

伝えることの楽しさを知ってからどんどん研究の面白さにとはいえ現状は今後のことを考えながら四苦八苦し、研のめりこんでいきました。かつて教科書を読んでもなかな究室の立ち上げで七転八倒しながら、A 棟と D 棟の間で右か頭に入ってこなかった量子力学や統計力学の難しい概念

往左往する毎日です。この短い期間の間にも色んな方々にが、研究者の実際の会話にどう組み込まれ活用されている

支えられながらようやく仕事を進めています。今後ともよかに直に触れるたびに少しずつ腑に落ちるようになって、ろしくお願い致します。

全体の雰囲気が掴めるようになってから物理学への興味が本格化していったように思います。研究のためにと教科書を手に取って勉強するようになり、一つ一つ理解を進めて今に至りますが、振り返ってみればむしろ勉強するために研究があったのかもしれません。
今でも夜遅くや休日まで研究に時間を費やすとき、ふと「自分のこの研究テーマは本当に価値があるのか」「他の人には面白さがわからないんじゃないか」と思い返す瞬間がたびたびやってきます。頭の片隅には、学問をどこか冷めた目で見る大学生の頃の自分がまだいるように感じます。
この私の「初心」は一見すると疫病神のようにネガティブ
ですが、この批判的な初心が私の研究を監視してくれることが、「専門家だけでなく多くの人に意義や面白さが伝わるような研究がしたい」「もっとわかりやすく表現したい」

33

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

物性研を離れて東北大学・金属材料研究所・磁気物理学研究部門 木俣 基
（元 田島研究室・大谷研究室 助教）
2017 年 1 月末に物性研を退職し、東北大学金属材料研

め、30T 級ハイブリッドマグネット、25T 超伝導マグネッ究所に着任しました木俣基と申します。物性研には 2010

トといった大型設備も有しており、25T マグネットでは私

年 1 月からの 7 年 1 ヶ月お世話になり、その間、約 3 年間が着任してから二軸回転抵抗プローブの作製を行い、磁場を田島研(現在は兵庫県立大に異動)、約 4 年間を大谷研の方位を任意に精密制御できる実験が可能になりました。金

助教として勤務させていただきました。一粒で二度美味し

研の装置も物性研同様、共同利用可能ですので、もし興味い(?) 経験が出来たことは幸運であったと思います。在任のある方はご連絡いただければ幸いです。また物性研には中は多くの方にお世話になりました。この場を借りてお礼

今後も研究会等でお邪魔することもあるかと思いますが、を申し上げたいと思います。

今後ともどうぞよろしくお願い致します。

田島研ではそれまで携わってきたバルク物性計測を離れ、有機半導体薄膜を用いた研究へとシフトすることになり、半導体基板や真空蒸着装置など、それまで縁がなかった対象に戸惑いつつも有意義な経験をさせていただきました。
とりわけ田島先生には自由に発想することの重要性を教えていただいたと感じております。田島研での研究の後半に有機スピントロニクスの実験を始めた頃、ちょうど田島先生の異動が決定し、大谷研に引き取っていただくことになりました。
大谷研では充実した設備を用い、微細加工や成膜に関する多くの経験を得ることができました。また、近年注目されるスピン流やスピンホール効果といった最新の物理現象の基礎を学ぶことができた点も大きいと考えています。特に後半から携わっていた集束イオンビームを用いた微細加工は、こちらでも活用していきたいと考えており、私の中では非常に大きな発展性を持った技術となっています。また大谷先生はじめ研究室メンバー(理研含む)の皆様と活気ある環境の中で楽しく過ごすことができ、大変励みになりました。また他の研究室の助教の皆様とは助教会を通じて楽しい時間を過ごさせていただき、さらに事務の方々にも日々の伝票や調達等で大変お世話になりました。
最後に金研での近況報告と宣伝を少しさせていただきた
いと思います。金研では磁気物理学研究部門(野尻研)に所属しており、強磁場を利用した物性研究が主な課題です。
強磁場というと物性研にもパルス強磁場の施設があります
が、野尻研ではパルス磁場に加えて、隣接する「強磁場センター」の所有する定常強磁場環境も相補的に利用できます。強磁場センターでは多数の超伝導マグネット群をはじ■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

34外国人客員所員を経験してXenophon Zotos
Department of Physics, University of Crete
70013 Heraklion, Greece
zotos@physics.uoc.gr
I was introduced to the scientific approach andsecretaries, Ms. Mayumi Matsushita and Atsuko Tsuji of

exceptional skills of Japanese scientists already during

my host group and Ms. Yuko Ishiguchi and Ayano

my Ph.D. work studying the seminal works of Profs.

Hashiguchi of the International Liaison Office, that

Minoru Takahashi and Masuo Suzuki. It was followed

made my stay comfortable and enjoyable.

by a post-doc term with Prof. Kazumi Maki in the States
where

I

was

acquainted

with

his

Japanese

About visiting Japan, a while after I arrived, I was asked

during

my

stay

in

by my colleagues what made me more impression. My

Switzerland to Japanese colleagues, by now friends. My

spontaneous answer was the politeness of people and thefirst visit to Japan was in 2004 attending a workshop invariety of seafood ! - of which I am great fun. In the

Sendai and a summer school in Tokyo organized by Prof.

meantime, with my wife that visited for 3 weeks, we had

Masaki Oshikawa and having the first opportunity to get

the opportunity over the ”Golden Week” and a couple ofa glimpse at the life and culture in Japan.

weekends to visit the impressive cultural places in Tokyo,

students/collaborators

andKyoto and Nikko, shrines, temples, museums, which isThis three month long visit to ISSP, kindly organized bywhat tourists do.

my host Prof. Hirokazu Tsunetsugu, was really my firstopportunity to live and work in Japan. Scientifically, it

But also, to enjoy a walk through the Rikugien garden -was very intense and fruitful.

distinctly Japanese, to enjoy the nature in a hiking

discussions

with

Prof.

Daily hourlong

Tsunetsugu,

openednew

through Ryuokyo valley, to wonder through the lively

directions in my research plans as well as on common

neighborhoods of Tokyo, a clean and safe metropolis - a

projects.

It was also very good timing as there arecontradiction in terms for other parts of the world - , toserious developments in the dynamics of integrable

be impressed by the perfectly organized and punctual

systems that we are cur-rently pursuing.

Interaction

metro and trains, to meet passers-by ready to help a lostwith members of his group (in particular Dr. Tatsuhiko

tourist, to have dinner at simple restaurants and meet

Ikeda and others at the ISSP Theory Department) wasvery friendly locals eager to start a conversation, to seevery cordial and scientifically interesting. Presentations

the very hard working but also fun loving people, to haveof and attending seminars at ISSP and discussions at thesome delicious ”street food” (e.g. takoyaki), to note theUniv. of Tokyo with Profs. S. Miyashita, M. Ogata, S.

particularities of Japanese daily life.

Aoki were very constructive. And with the opportunity
to attend the March Japanese Physical Society Meeting

And all this was possible due to the hospitality of my hostin Osaka I witnessed a vibrant Japanese physical society

and ISSP which I believe, besides being an outstanding

working at the frontiers of science.

center of physics, gives an opportunity to appreciate theunique Japanese culture.

And all this of course would not have been possible
without the kind, friendly and efficient assistance of the35

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

外国人客員所員を経験してMarie D’angelo
Paris Institute for Nanosciences
University Pierre and Marie Curie / National Center for Scientific Research
4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05, France
dangelo@insp.jussieu.fr
I had the opportunity to stay at the Institute for Solidradiation). This time, we performed experiements on

State Physics as a visiting professor in the group of

cubic silicon carbide 3C-SiC(001) surface and we could

Professor Iwao Matsuda from May to August 2017.

evidence an effect of surface reconstructions on therelaxation of the surface photovoltage. This first results

I first met Professor Iwao Matsuda in Elettra, the Italianof time-resolved photoemission on silicon carbide

synchrotron, sixteen years ago. At that time I was a PhD

surfaces encourage us to go further and will lead to newstudent in Paris, working on silicon carbide surfaces

experiments on BL07LSU in the coming years.

using

Photoelectron

Spectroscopy

andScanning

Tunneling Microscope. After that, I had several

I would like to mention here that this study was part ofopportunities to meet Prof. Matsuda in Elettra. I reallythe international collaboration work of Ms. Myriam

appreciated his way of working: very dynamical,

Lachheb, a French M1 student from Pierre and Marie

rigourous, efficient and demanding also, but always theCurie University who spent three months in ISSP. For

beamtimes were quite enjoyable with lot of fun andthe last two years, Professor Matsuda has welcomed andlaughs.

trained three master students from my university. I am
really grateful to him and to ISSP to give such uniqueThus, at the end of my PhD I decided to join Professor

opportunity to young people to work in a stimulating

Shuji Hasegawa’s group in which Professor Matsuda wasenvironment on world top-class experimental setups andworking then. I spent two years in the University of

in a country that for most of them, they didn’t know

Tokyo as a postdoctoral researcher and went back to

before.

France in 2005 when I got a position as Associate
Professor in the Paris Institute of Nanosciences.

I believe that with this kind of initiative we are sowing
seeds that will bear beautiful fruits in near future.

Since then, I have been collaborating with Professor
Matsuda on different thematics of surface science and we

To end with, I would like to thank all people in ISSP that

alreadyoxides,have made my stay in ISSP -and more generally in

topological insulators or wide band gap semiconductors.

Japan- very pleasant, enjoyable and fruitful. I have been

workedtogetheronperovskite

welcomed in the best conditions with my family and weDuring my four-month stay at ISSP, I had the opportunity

will be going back to France with our heads full ofto use the Time-Resolved Photoemission facility of the

precious memories.

BL07LSU beamline in SPring-8. This state-of-the-art
setup combines ultra-short laser pulse, synchrotron

My sincerely thanks to ISSP and Professor Iwao

radiation light and time-of-flight analyzer, allowing

Matsuda for this wonderful opportunity.

measurement of carriers dynamics in crystals as fast as
the 50 ps range (the pulse- width of the synchrotron■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

36外国人客員所員を経験してKedar Damle
Department of Theoretical Physics
Tata Institute of Fundamental Research
To start with the basics: I spent the last three months atcorresponding English edition---and this has nothing to

ISSP (today is my last day here), having taken up an

do with typeset as far as I can tell---rather, it is perhaps

invitation to spend some time here as a Visiting Professor.

a tribute to the high information density of Kanji),

Although the initial invitation from the University ofseminars are in Japanese unless the speaker specificallyTokyo was for a year's appointment at ISSP, my colleague

warns the audience by submitting an abstract in English,

at ISSP, Masaki Oshikawa, who had been in touch withkeyboards, in spite of having only the usual limited

me about this possibility, readily agreed to a curtailed

number of keys, are used at breathtaking pace to produce

three month appointment and set in motion the well-a variety of Kanji characters (and perhaps Hiragana andoiled ISSP machinery that works behind the scenes to

Katakana characters as well?) whose number vastly

make such visits possible in practical terms.

exceeds the available keys---how this is done remains amystery to me, although I have shamelessly peered over

After a hectic couple of weeks making arrangements for

Masaki's shoulder on multiple occasions in the last three

this unusually long (from my point of view!) absence frommonths while he wrote emails predominantly in Kanji

my home base, the Tata Institute of Fundamental

script at breakneck speed sitting at the back of someResearch in Mumbai (India), where I serve on theseminar---loudspeakers embedded into the false ceilings

Natural Sciences Faculty, I arrived here looking forwardof the building helpfully provide a detailed Japaneseto the possibility of spending time discussing physics

summary of the day's colloquium an hour or so before itwith Masaki (whose work I have long admired from afar)

is to begin, and every supermarket trip becomes a gameand his group, but frankly a bit apprehensive about theof roulette, with one never quite knowing what's being

thought of living for three months in a culture whose

proclaimed in bright red letters on that attractive looking

three scripts I cannot read, and language I cannot

package of chips!

understand--- the thought of being effectively illiterate
for three months weighed heavily somewhere in the

At this point, the uninitiated reader will perhaps find it

subconscious, since I was aware that Japan has a long

hard to imagine how an effectively unlettered person

and proud tradition of carrying on in all spheres of

could possibly function over the period of an extended

activity using their own language as the primary means

visit at a level that would make such a visit fruitful andof communication and record-keeping.

productive in professional terms. But for the initiated,
who have already experienced the perhaps uniquely

Japan did not disappoint in this regard, nor did ISSP.

Japanese combination of enormous attention to detail

Coming from a country that has ended up adopting(the Japanese are one people who truly have nothing toEnglish as the primary means of communication andlearn from ``The Checklist Manifesto'' of Atul Gawande),

dissemination of information at least in university

incredibly warm hospitality, and ingrained helpfulness

settings, it was quite an education to see a whole new

and unfailing politeness that goes well beyond theworld, where every conceivable book has a Japaneseordinary, it will come as no surprise that I look back on

edition (often much much smaller in size than thethree months well-spent, with old projects taking on new37

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

twists, new ones starting from discussions over coffeewith Masaki and his group, and the unexpected bonus of
having Naoki Kawashima and some of his group willingand interested in helping me explore something I've been
wanting to clear up for some time now.
This is hardly the forum to dwell on details of these
discussions, or our hopes for bringing to fruition some ofwhat we discussed at ISSP---Time will tell, and theinterested can always check on the arXiv in perhaps ayear's time from now! Rather, let me close this note bydoffing my hat (yes, I did go and buy a hat, since this isa country where hats and caps of all manner are worn at
the slightest hint of the sun!) to the people at ISSP, who,
for me, have been the personification of the warm
hospitality,

ingrained

helpfulness

andunfailing

politeness, and the attention to detail which I mentioned
earlier: These are the administrators working in the
Division of Condensed Matter Theory, the International
Liaison Office, the Kashiwa International Office, and theKashiwa Campus Central Administration.
To all of them I say here:''Arigatou Gozaimasu''.

July 19 2017■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

38客員所員を経験して大阪大学大学院理学研究科

加藤 浩之

2016 年度後期に松田巌所員のホストで客員准教授としする分子を、単に清浄表面に吸着するだけでは実現しませてお世話になりました。また、客員期間中は松田巌所員をん。これに対し、金基板上のアルカンチオレート自己組織

はじめ、 信淳所員、森初果所員、そして各研究室のス化単分子膜(SAM)は大気中や溶液中でも、化学的に安定にタッフの方々と、とても有益な実験と議論をさせていただ

存在することが知られています。ですので、H+アクセプ

きました。厚く御礼申し上げます。

ターとなる官能基で終端したアルカンチオレート SAM を客員所員として、「電子－プロトン相関分子膜の創出と基板側に構築すれば、指針 i と ii を同時に満足すことがで

機能性の研究」の課題を進めました。電子－プロトン相関

きると考えられます。H+アクセプターとなる官能基には、分子の研究は、森所員のグループが世界に先駆けて成功さ

いくつかの候補がありますが、H+移動したときの確認しせた金属的な導電性を示す分子性結晶に端を発します。分

易さから、まずは、イミダゾールで終端した SAM(Im-子はカテコール(Cat)とテトラチアフルバレン(TTF)が融SAM)を採用しました。イミダゾールは H+を受け取ると合した分子(Cat-TTF)の誘導体であり、結晶は Cat-TTF

イミダゾリウムカチオンとして安定化することが知られて誘導体から部分的に脱水素化して得られる層状結晶です。

います。一方、先述のように Cat-TTF 誘導体は電子供与

ここで重要なことは、水素結合(…)で結ばれた 2 つの Cat

的な TTF 部位の作用で H+ドナーとして働くこと考えられ部位の間で、水酸基が O-H…O の配置を取り、H 原子がます。よって、可能性として、H+ドナーである Cat-TTF

プロトン(H+)として安定位置へシフトすることです。TTF

誘導体膜と H+アクセプターである Im-SAM とに H+の安部位は電子を供与し易く、電子を受けた Cat 部位は H+を定サイトがそれぞれ存在し、H+移動前後の状態を作り分放出し易くなります。このため、電子－プロトン相関が生けられると期待されます。

じ、結晶中の H+位置に応じた電子状態の変化が生まれ、実験でも、森研究室からご提供いただいた Cat-TTF 誘

導電性に大きな変化が現れます。それでは、この興味ある導体を Im-SAM 上に成膜することができて、これを物性

分子の単分子膜を表面上に実現したら、能動的に H+移動研究所の方々と、詳しく分析することが出来ました。分析を誘起して物性を制御できるのではないだろうか。このよでは、まず信研究室の吉本真也所員に、X 線光電子分光

うな命題を基に、松田所員を中心とする共同研究がスターによる定量解析を行っていただきました。これによって、トし、本研究課題にたどり着くことができました。この共Im-SAM に吸着した Cat-TTF 誘導体膜が単分子層である同研究にあたり、信所員から所外の私にお声を掛けていことを確定することが出来ました。私の方で行った振動分

ただいたことを、とても感謝しております。物性研究所は光の結果と合わせて検討すると、分子膜の設計どおり、

常に物性研究の中心にありますが、これは、新たな課題へ

Cat 部位の OH 基が強い水素結合で Im-SAM に吸着して挑戦する研究グループを柔軟に所内外のメンバーで立ち上いることが結論されます。一方、松田研究室の山本達所員

げる(本研究のような)取り組みや、それを支援する客員所には、放射光を用いた X 線吸収分光を行っていただきまし員の制度が充実していることに裏打ちされているのではな

た。結果として、やはり設計どおり、Im-SAM 中のイミ

いかと思います。

ド N 原子が Cat 部位の OH 基と水素結合していることを

H+移動を起こして導電性を大きく変える分子膜を表面確認することができました。

上に構築するために、本研究課題では 2 つの指針を立てま

次に、「H+移動を誘起できるか」が焦点となりますけ

した： (i) Cat-TTF 誘導体を H+ドナー分子膜とし、H+ア

れども、残念ながら今のところ答えはノーです。この検証

クセプターとなる官能基を高密度に表面側に構築、(ii) 大

でも、吉本所員にご尽力いただきました。分子膜への印加

気中でも安定した分子膜。通常、清浄表面に吸着した分子

電場を走査して得られる導電特性の変化から H+移動の有膜は、大気に曝すと基板表面が酸化するなどの影響で、そ無を検討しましたが、測定可能な範囲で H+移動の痕跡をの構造を保つことが出来ません。よって、指針 ii は、注目確認することは出来ませんでした。問題は、現状の分子膜39

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

が H+移動を起こすのに必要な電場に耐えられず、膜構造が変化してしまうことにあると考えています。この解決には、H+移動を起こす電場強度を知る必要がありますが、理論計算からそのヒントを得ることができました。2016年度前期に客員所員を勤められた立川仁典教授(横浜市立大)に共同研究に加わっていただいて、電界中にある Cat
分子とイミダゾール分子間の H+移動について、孤立二量体として高精度の量子計算を行っていただきました。結果は、現在の印加電場の 2～3 倍です。本課題では Cat-TTF
誘導体を用いているので、H+移動はもっと低い電界で起きるはずです。したがって、H+移動を誘起するために、分子膜の構造安定性を向上することと、より水素結合が強くて H+移動しやすい官能基の分子膜を構築することで対処できるであろうと考えています。この分子膜の構築には、市販試薬では困難ですので、現在、森研究室の上田顕所員に試薬の合成を進めていただいています。本研究課題は、
今後も「H+移動による物性制御」の実現に向けて、研究を進めていきたいと考えています。
客員所員の期間中は、とても高いレベルの研究を進めることができました。くわえて、プロフェッショナルな方々との研究はとても良い刺激になりましたし、本活動を進める中で物性研究所を中心とする研究者の皆様とより強い研究交流のネットワークを築けたことが、私にとって何よりの恩恵であったと感じております。この度、このような素晴らしい研究機会を与えてくださった関係者の皆様に、改めて御礼を申し上げます。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

40

ISSP ワークショップ

SPring-8 BL07LSU が照らしだす物質機能の起源

日時：2017 年 3 月 8 日（水） 10：00～17：30
場所：東京大学物性研究所 6 階大講義室
世話人：和達 大樹、辛報

埴、小森 文夫、松田 巌、原田 慈久

告：和達 大樹

東京大学物性研究所軌道放射物性研究施設では SPring-

高まっていることがあります。最近放射光分光測定におい8 に播磨分室を設置し、建設・整備を行った高輝度軟 X 線ても、励起状態・非平衡状態の時間分解測定や、動作・反ビームライン BL07LSU を利用して放射光利用実験を行っ

応中でのオペランド観測などが盛んとなっており、これらています。本 ISSP ワークショップでは、時間分解光電子の新しい測定法の開発によって物性物理学の新局面が生ま

分光、3 次元ナノ光電子分光、軟 X 線発光分光の 3 つのエ

れつつあります。本ワークショップでは、時間分解測定やンドステーションとフリーポートを利用した共同利用実験

オペランド測定から生まれる新しい研究分野や、化学反応からの最新の研究報告に加え、時間分解測定やオペランド

や生体系の研究への具体的なアプローチへの期待など、将測定から生まれる新しい研究分野、あるいは化学反応、生来的な方向性を明確に打ち出せることを目指しました。参体系の研究への具体的なアプローチなど、「物質機能の解加者は 70 名であり、一日にわたり非常に活発で有意義な明」を基軸として将来的な方向性を明確に打ち出すことを議論がなされました。また、ポスターセッションも開催さ目指した研究会を行いました。この背景には、最近の物性れ、優秀な学生発表者 2 名にポスター賞を授与するなど、物理学において物質の基底状態を追う物性研究のみでなく次世代の人材育成にも重点を置きました。

励起状態・非平衡状態などの動的な性質への関心が急速に41

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

プログラム(敬称略)
Session1 はじめに【進行】和達 大樹（東大物性研）
10:00～10:05 開会挨拶 広島大、VSX 懇談会会長 木村 昭夫
10:05～10:10 挨拶 JASRI 常務理事 田中 良太郎
10:10～10:20 東京大学連携研究機構放射光分野融合国際卓越拠点と共同利用
有馬 孝尚（東大新領域、東大放射光機構長）
Session2 利用研究の展開【座長】松田 巌（東大物性研）
10:20～10:50 偏光スイッチングを利用した非自明な磁気構造とスピンダイナミクスの観測平田 靖透（東大物性研）
10:50～11:20 放射光が切りひらく生命機能解明
深井 周也（東大分生研）
11:20～11:50 特別講演 1 高精度ミラーを用いた軟 X 線のナノ集光
三村 秀和（東大工）
11:50～12:10 ポスターショートプレゼンテーション
12:10～13:00 昼食
13:00～14:30 ポスターセッション（投票）Session3 研究成果報告 1【座長】吉田 鉄平（京都大）
14:30～15:00 省エネ・創エネ・蓄電デバイスのオペランドナノ分光
尾嶋 正治（東大放射光）
15:00～15:30 オペランド軟 X 線分光の高度化・協奏が拓く触媒科学
山本 達（東大物性研）
15:30～16:00 特別講演 2 コヒーレント共鳴軟 X 線散乱による磁気テクスチャの観測
山崎 裕一（東大工）
16:00～16:20 記念撮影・休憩
session4 研究成果報告 2【座長】小澤 健一（東工大）
16:20～16:40 高速光・電子デバイス開発を指向した二次元電子系の時間分解光電子分光
吹留 博一（東北大）
16:40～17:00 弱強磁性 α-Fe2O3 の共鳴非弾性軟 X 線散乱における磁気円二色性
宮脇 淳（東大物性研）
17:00～17:20 顕微高分解能二次元光電子分光による局所構造と電子状態の解析
田口 宗孝（奈良先端大）17:20～17:30 閉会挨拶 ポスター賞授与 東大物性研 辛 埴■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

42Session1 では、広島大の木村氏（VSX 懇談会会長）との測定により α-Fe2O3 の弱強磁性の起源が明らかにされJASRI 常務理事の田中氏の挨拶の後、東京大学連携研究機る様子が示されました。奈良先端大の田口氏による顕微高構放射光分野融合国際卓越拠点の有馬機構長による東大ア

分解能二次元光電子分光による局所構造と電子状態の解析

ウトステーションビームラインの概要についての説明があの講演では、機能性物質における活性サイトの構造物性解りました。放射光連携研究機構は 2016 年 11 月 30 日をもっ析の数例が紹介されました。

て発展的に解消し、12 月 1 日より連携研究機構放射光分野

最後に東大物性研の辛氏による閉会挨拶とポスター賞の融合国際卓越拠点に移行したことなども報告されました。

授与式も行われ、東大物性研松田研究室博士課程 3 年の久Session2 ではまず、東大物性研の平田氏による偏光ス

保田雄也氏と、同原田研究室修士課程 2 年の王浩氏がポスイッチングを利用した磁性研究についての講演がありましター発表賞を受賞しました。本ワークショップは、最先端た。SPring-8 BL07LSU における軟 X 線領域で初めてのの研究活動を通じて、次世代の人材育成にも大きく貢献し

光学遅延変調法による磁気光学カー効果の測定などが報告ています。

されました。次に東大分生研の深井氏による放射光が切り

今年は 70 名という多くの参加者により活発な討論がさひらく生命機能解明の講演がありました。放射光を用いた

れ、SPring-8 BL07LSU さらには物質機能に焦点を当て

構造生物学の進展から、X 線自由電子レーザーを使った構た物性研究に多くの注目が集まっていることが顕著に表れ

造解析までの展開が示されました。次に、東大工の三村氏ていました。今後、新物質や新規デバイスなどの合成・開による「高精度ミラーを用いた軟 X 線のナノ集光」の特別

発研究とより密接に手を携えながら、BL07LSU などの放講演がありました。軟 X 線領域におけるミラーを二段で用

射光や次世代の軟 X 線光源を駆使することにより、物質科

いる集光システムの開発などが紹介されました。その後、学の新分野開拓につなげてゆくことの必要性を強く感じさ

ポスター発表を行う大学院生よるポスターショートプレゼ

せるワークショップでした。

ンテーション 16 件を行い、昼食休憩を挟んでポスター
セッションとなりました。BL07LSU を利用した研究と今後の利用を目指した研究など多岐にわたるポスター発表があり、多くの活発な議論が行われました。最後にポスター賞のための投票を行いました。
Session3 では 2 件の長期課題からの講演がありました。
東大の尾嶋氏による省エネ・創エネ・蓄電デバイスのオペ
ランドナノ分光の講演では、電池材料に対する電圧印加によるオペランド充放電実験などへの取り組みが示されました。東大物性研の山本氏によるオペランド軟 X 線分光の高度化・協奏が拓く触媒科学の講演では、二酸化炭素の水素化反応や中間水の観測などが紹介されました。その後、東大工の山崎氏により「コヒーレント共鳴軟 X 線散乱による
磁気テクスチャの観測」の特別講演がありました。共鳴軟X 線小角散乱による磁気スキルミオンなどのスピンテクス
チャの観測、スパースモデリングによる高速ダイナミクス
計測などへの展開が示され、コヒーレンスの高い軟 X 線光源の必要性などが強く感じられました。
Session4 では 3 件の一般課題からの講演がありました。
東北大の吹留氏による高速光・電子デバイス開発を指向した二次元電子系の時間分解光電子分光の講演では、グラフェンのキャリアダイナミクスの研究が報告されました。
東大物性研の宮脇氏による弱強磁性 α-Fe2O3 の共鳴非弾性軟 X 線散乱における磁気円二色性の講演では、磁場中で43

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

ISSP ワークショップ

小角・反射率・高分解能研究会〜JRR-3 の再稼働を見据えて〜
世話人代表 中性子科学研究施設

柴山 充弘

中性子科学研究施設は、その前身である中性子散乱研究や大学が置かれている現状、将来の中性子散乱研究の方向

施設発足時(1993)より、日本原子力研究開発機構(JAEA)性などが、あちこちで議論され、楽しいひとときとなったの研究用原子炉 JRR-3 を用いた中性子散乱全国共同利用(写真 2：懇親会の一コマ)。2 日目は、主として若手研究を推進し、多くの研究者に中性子散乱実験の場を提供して者からのサイエンスの発表が 14 件続き、活発な質疑応答

きた。しかし、2011 年 3 月に起こった東日本大震災以降、があった。最後は、高分子理論の専門家である太田隆夫京

共同利用はほぼ完全停止状態にある。施設では、中性子導

都大学名誉教授からの総括、それに続いて意見交換があっ管の高度化をはじめ、多くの散乱実験装置やアクセサリのた。総括では、ソフトマターのサイエンスは国際的にも非保守・高度化を絶え間なく行い、JRR-3 の再稼働に備え常な勢いで進歩しているが、日本の研究も J-PARC や海

る一方、海外の実験施設を利用した研究を行なっている。

外施設を利用することで、その進歩に大きく寄与している、

また、ユーザーに対しても、原子力専攻と協力し、海外実とのコメントがあった。一方で、中性子散乱研究のロード

験支援プログラムを実施している。

マップが見えない、JRR-3 に関するホームページがどこにこうした中、2016 年 6 月、JAEA から 2018 年度末のあるか見つけにくい、より成果の公表を積極的にすべきだ、

JRR-3 再稼働の発表があった。そこで、再稼働に備えてといった注文が出された。さらに、今後は実験家と理論家

共同利用の準備、ならびに約 6 年にわたる研究のブランクの交流をもっと促進してほしいとのコメントが出された。

を埋めるべく、施設側、装置関係者、ユーザーの垣根を超

また、会場からは、現在、共同利用制度は曲がり角に来てえたワークショップシリーズを開催することにした。第 1 回

おり、JRR-3 と J-PARC のコラボ、組織的なコラボ、教育は、2016 年 10 月 7-8 日に、「磁性・強相関電子系分野の的なコラボなど、が今後ますます重要になってくるとの意

中性子散乱研究の新展開 〜JRR-3 再稼働を見据えて〜」

見などがあった。これらの貴重な意見を共同利用に反映しを開催した。今回、その第 2 段として、2017 年 4 月 24-ていければと、世話人一同、再認識した(写真 3：集合写真)。

25 日に「小角・反射率・高分解能研究会 〜JRR-3 の再稼働を見据えて〜」を開催した。皮肉にも、後者について

今回の研究会は６年ぶりであり、しかも JRR-3 が稼働

は、大震災のひと月前に同名の研究会を開催している。そしていない中での開催であったが、装置担当者やユーザーの研究会では、高度化したばかりの装置群を前にして、今に呼びかけると、どなたからも積極的な参加、講演受諾を後の研究動向や共同利用のあり方、新しい装置の紹介など、いただいた。やはり、物性研中性子散乱共同利用には、

明るい話題が満載であった。一方、今回の研究会は、「いざ、鎌倉！」の精神が生きているようで、再稼働に向JRR-3 再稼働が確定しない状態が続く中での開催となっ

けて地道に準備している関係者として、今回の研究会開催

たが、初日が 59 名、二日目が 47 名と、当初予定を大きくは、大変、勇気づけられるものであった。中性子科学研究上回る多くの参加者に恵まれ、最新のサイエンス動向や装施設としては、会場から頂いたご意見や提言を今後の共同置の高度化など、活発な意見交換がおこなわれた研究会と利用に生かしていきたいと考えている。参加者の方々には、なった(写真 1：ワークショップ風景)。

新年度早々で、色々と忙しい時期での開催にもかかわらず、

6 年前の前回研究会と同様、1 日半のプログラムでは、研究会に出席いただき、成果の発表と忌憚のない意見交換

JRR-3 や J-PARC の施設報告に続き、小角散乱、反射率、を行っていただいたことにお礼を申し上げる。近い将来、高分解能装置群の順で装置責任者からの報告があった。そまたこの研究会を開催できるよう、共同利用を推進していれぞれの装置について、高度化はもとより、J-PARC

きたいと思える研究会であった。最後に、この研究会の運MLF 装置群との比較や役割分担についても説明があった。

営に携わった中性子科学研究施設の事務・技術補佐員、学続いて、ポスター発表及び懇親会が６階のラウンジで開催

生、スタッフにもお礼を申し上げたい。

された。美味しい中華料理を食べながら、研究の話、施設■ ■■ ■ ■■ ■平成 29 年 10 月

物性研だより第 57 巻第 2 号

44写真1：ワークショップ風景

写真2：懇親会の一コマ

写真 3：集合写真

45

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

研究会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」
日時：2017 年 4 月 3 日（月）4 日（火）場所：物性研究所本館 6 階 大講義室(A632)

主催：東京大学物性研究所スーパーコンピュータ共同利用、計算物質科学研究センター
協賛：ポスト京重点課題（7）、計算物質科学人材育成コンソーシアム PCoMS
所内組織委員：野口博司（准教授）、川島直輝（教授）、杉野修（准教授）、渡辺宙志（助教）、笠松秀輔（助教）、野口良史（助教）、森田悟史（助教）
所外組織委員：大槻東巳（上智大学 教授）、北尾彰朗（東京大学 准教授）
、森川良忠（大阪大学 教授）

物性研究所のスーパーコンピュータ共同利用の成果報告

その他に、スパコンで大規模計算を精力的に行なっていると計算物質科学研究センター(CCMS)のシンポジウムを合若手を中心に第一原理計算から、生体系の計算まで幅広い

わせた物性物理の大規模計算に関する研究会を開催した。

内容の招待講演をして頂いた。研究会では口頭発表だけで研究会では、特別招待講演 2 件、招待講演 15 件、30 件のなく、ポスター発表においても、活発な議論が行われた。

ポスター発表が行われ、103 名(延べ人数 161 名)の参加者

また、物性研スパコンの利用促進のためのソフトウエアがあった。

高度化プロジェクトを平成 27 年度から物性研で行なって最近、物性関係でも機械学習の利用が注目されているのいるが、その概要紹介が吉見一慶先生により行われ、そので、特別講演では機械学習について講演して頂いた。まず、後、平成 28 年度に整備されたソフトウエアの一つである

初日に大関真之先生によるスパースモデリングのチュート

汎用多変数変分モンテカルロ法のソフトウエア mVMC にリアルがあり、初心者にもわかりやすく説明をして頂いた。

ついて三澤貴宏先生による講演が行われた。整備されたソ

2 日目には横山大作先生に具体例として、将棋、囲碁へ

フトウエアの一覧は物性研のスパコン HP にあるので、興の機械学習の応用について講演して頂いた。将棋と囲碁味のある方はご覧下さい。

で好ましい探索手法が異なるなど興味深い内容であった。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

46【プログラム】
4 月 3 日（月）13:00-13:10

Opening

13:10-13:35

笠松秀輔（東京大学）

縞状ドメイン構造を有する強誘電体薄膜キャパシタにおける「負のキャパシタンス」発現の第一原理シミュレーション

13:35-14:00

柚木清司（理化学研究所）

幾何学的フラストレーションがない正方格子スピン 1/2 反強磁性ハイゼンベ
ルグ模型の励起スペクトル：マグノン vs.スピノン

14:00-14:25

濱本雄治（大阪大学）

van der Waals 密度汎関数法による有機-固体界面の鏡像状態の研究

14:25-14:50

横田泰之（理化学研究所） 古典 MD 計算と原子間力顕微鏡によるイオン液体/固体界面の構造評価

14:50-15:05

break

15:05-15:55

大関真之（東北大学）【特別講演】今日から始めるスパースモデリング-計測革命と計算革命-

15:55-16:05

吉見一慶（東京大学）

東京大学物性研究所 2016 年度ソフトウェア開発・高度化プロジェクトについて

16:05-16:30

三澤貴宏（東京大学）

多変数変分モンテカルロ法のオープンソフトウェア mVMC の開発

16:30-18:00

Poster Session

18:30-20:30

懇親会

4 月 4 日（火）10:00-10:50

横山大作（東京大学）

10:50-11:05

break

11:05-11:30

石塚良介（大阪大学）

MD/DFT 自己無撞着法を用いたイオン液体の有効電荷解析

11:30-11:55

優乙石（理化学研究所）

全原子細胞質モデルと大規模分子動力学計算による細胞内生体分子ダイナミ
クスの理論的解明

11:55-12:20

原田隆平（筑波大学）

生物学的レアイベントを再現/予測する効率的構造サンプリング手法の開発

12:20-13:30

lunch

13:30-13:55

吉田恒也（京都大学）

13:55-14:20

古賀昌久（東京工業大学） SU(N)ハバード模型における秩序相の解析

14:20-14:45

山門英雄（和歌山大学）

超球面探索法の結晶構造予測への応用

14:45-15:10

森田悟史（東京大学）

テンソルネットワーク法の並列計算ライブラリの開発

15:10-15:25

break

15:25-15:50

村島隆浩（東北大学）

複雑流体のための大規模マルチスケールシミュレーションの開発

15:50-16:15

徳田直子（名古屋大学）

3 次元ゲノム動力学シミュレーションによる転写活性分布解析

16:15-16:40

樋口祐次（東北大学）

大規模粗視化分子動力学法を用いたポリエチレンにおけるラメラ構造の変形・破壊シミュレーション

16:40-16:45

Closing47

物性研だより第 57 巻第 2 号【特別講演】大規模ゲーム木探索における並列・分散計算の適用

強相関トポロジカル絶縁体・超伝導体の研究■■■ ■ ■ ■■

【ポスター発表リスト】
P-1“磁化率の計算によるスピンギャップ解析”坂井徹(兵庫県立大学)
P-2“金属ナノクラスターの長寿命化を実現するグラフェン担体材料の開発”長谷川瞬(北海道大学)
P-3“相境界決定のための高効率 2-相シミュレーションの提案”渕崎員弘(愛媛大学)
P-4“高分子材料の破壊と補強に関する粗視化 MD シミュレーション”萩田克美(防衛大学校)
P-5“Pascal と Knights Landing の性能比較”中川恒(ISSP)
P-6“高強度フェムト秒レーザー照射二層ベンゼンの剥離ダイナミクスの第一原理計算”内田一樹(東京理科大学)
P-7“解析接続の中間表現による虚時間データの圧縮”品岡寛(埼玉大学)
P-8“テンソルネットワーク法における General Entanglement Branching”原田健自(京都大学)
P-9“分子動力学法を用いた希薄高分子溶液の流れ解析”浅野優太(ISSP)
P-10“GUI 支援ツール C-Tools による第一原理シミュレーションのユーザビリティ向上について”吉澤香奈子(高度情報科学技術研究機構)
P-11“Bi 酸化物ならびに貴金属のヘテロ構造におけるラシュバ効果の第一原理計算”山口直也(金沢大学)
P-12“ドーナツ状ナノ Fe3O4 薄膜の磁化特性・ドメイン構造の計算”小畑修二(東京電機大学)
P-13“スパースモデリングによる量子モンテカルロデータの解析接続”大槻純也(東北大学)
P-14“ラシュバ・ドレッセルハウス型スピン軌道相互作用が誘起する六重 Q 磁気秩序”岡田健(東京大学)
P-15“スピントロニクス材料および分子性磁性体の原子構造、磁気状態、電子状態の解析”小田竜樹(金沢大学)
P-16“4 体相関を埋め込んだ AGP 波動関数理論”川崎愛理(ISSP)
P-17“相関電子系への強電場照射による超伝導秩序の増大とその動的安定性”井戸康太(東京大学)
P-18“Selective segregation at grain-boundary structural units in MgO スピン系の厳密対角化パッケージの並列化と高精度化”井上和俊(東北大学)
P-19“ジルコニア表面における欠陥誘起の酸素還元反応活性”山本良幸(ISSP)
P-20“半導体中ミュオニウムの電子構造計算”見波将(金沢大学)
P-21“Weak phonon-mediated pairing in BiS2 superconductor from first-principles” 明石遼介(東京大学)
P-22“量子格子模型プログラムパッケージ HΦ と数値ライブラリ Kω の応用：スピン液体近傍における熱励起とスピン励起”
山地洋平(東京大学)
P-23“長距離相互作用に近似を用いたモンテカルロ法”五十嵐亮(東京大学)
P-24“ナノグラフェンからの二次電子放出の量子動力学機構”上田純裕(東京理科大学)
P-25“希土類永久磁石における化合物磁性：第一原理計算と有限温度モデル計算”松本宗久(ISSP)
P-26“フラストレート量子スピン鎖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-27“テンソルネットワーク法によるカゴメ格子量子スピン模型の磁化過程計算”大久保毅(ISSP)
P-28“実空間密度汎関数法にもとづく Car-Parrinello 分子動力学法の GPGPU 実装”重田育照(筑波大学)
P-29“[n]CPP 分子の光学特性”野口良史(ISSP)
P-30“CO2 Dynamics from Formate Decomposition on Cu(111)”森川良忠(大阪大学)■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

48

ISSP ワークショップ

5d パイロクロア酸化物研究における最近の展開

日時：2017 年 8 月 2 日
場所：物性研究所 6 階セミナー室（本館 A615 室）

世話人：岡山大学

小林 達生、物性研

広井 善二

本研究会は、最近活発に研究が行われている一連の 5dあるとされ、超伝導には奇パリティ成分が含まれると期待

パイロクロア酸化物について、その電子物性の理解を深めされる。さらに高圧下で高温の相転移を抑えたときに多極るために企画された。5d5 系の Ln2Ir2O7 は九工大の松平グ子パリティ揺らぎが増強され、エキゾチックな超伝導状態

ループや中辻グループにより all-in/all-out(AIAO)型反強が出現すると予想されており。現在、実験および電子状態

磁性相への金属絶縁体転移を示す系として注目され、時間計算が進行中である。また、5d0.5 系の CsW2O6 において反転対称性の破れに伴うワイル半金属状態の出現が期待さは、電荷不均化と 3 量体分子軌道形成を伴う新しいタイプれている。5d3 系の Cd2Os2O7 は同様の AIAO 磁気秩序との金属絶縁体転移が見つかっている。以上のように、様々

金属絶縁体転移を示し、その転移機構は未だに未解明の問な電子フィリングをもつ 5d パイロクロア酸化物を舞台と題である。両者の物性は極めてよく似ているため共通の物

して、5d 電子特有の多彩な電子物性が明らかになりつつ理があると思われるが、電子フィリングの違いからフェルある。

ミ面の詳細は異なっており、謎として残されている。さら本研究会では、これらの 5d パイロクロア酸化物系およにこれらの物質においては、強磁性金属的な AIAO 磁壁のびその他の 5d 電子系物質について集中的な討議が行われ、存在が示唆され、興味深い研究対象となっている。一方、

特にパイロクロア酸化物を舞台とした電子の特異な振る舞

5d2 系の Cd2Re2O7 は 2001 年に超伝導が見つかって以来、いについて理解を深めることができた。さらに 5d 電子系

活発な研究が行われたが、最近になって新たな理論提案がにおける物質開発、物性探索の現状と展望について議論があり大きな注目を集めている。本物質では高温で空間反転行われた。参加人数は 40 名程度となり、所外から講演者

対称性を破る構造転移があり、これが「スピン軌道結合金

以外の参加者も多く、非常に有意義な研究会となった。

属」特有のフェルミ液体不安定性による遍歴多極子転移でプ ロ グ ラ ム
10:00

広井善二

10:10

大槻 匠

物性研

パイロクロア型イリジウム酸化物 Pr2Ir2O7 の新展開 −バルクから薄膜へ−

10:40

門野 良典

物構研

Cd2Os2O7 の All-In-All-Out 基底状態における電荷スピン交差ダイナミクス

11:10

廣瀬 陽代

物材機構

Cd2Os2O7 における磁壁の物性

11:30

平井 大悟郎

物性研

5d 系における多極子秩序 −ダブルペロブスカイトの物性−

はじめに

12:00 昼食
13:10

岡本 佳比古名大型パイロクロア酸化物 CsW2O6 の相転移

13:40

天野 春樹・澤 博

名大放射光単結晶 X 線回折でみた型パイロクロア CsW2O6 の構造相転移

13:50

田中・瀧川

物性研

単結晶 CsW2O6 の 133Cs-NMR 測定

14:00

求 幸年

物工

電子相関が引き起こすスピン軌道物性49

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

14:30

休憩

15:00

山浦 淳一

東工大

Cd2Re2O7 の構造と物性 −これまでの理解とこれからの展望−

15:30

松林 康仁

物性研

結晶育成、高圧ラマン散乱、ドハース・ファンアルフェン効果実験

15:50

小林 達生

岡山大

Cd2Re2O7 における高圧下での超伝導状態

16:10

長谷川 巧

広島大

第一原理計算で探る Cd2Re2O7 の構造不安定性

16:40

播磨 尚朝

神戸大

フェルミ面について

17:10

議論

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

50

物性研究所談話会

標題：平成 29 年度 前期客員所員講演会
日時：2017 年 4 月 20 日(木)午前 9 時 30 分～午前 11 時 50 分

場所：物性研究所本館 6 階 大講義室（A632）
要旨：9:30-9:40
9:40-10:00

所長挨拶（瀧川仁：物性研所長）

春山 純志（青山学院大学

理工学研究科）「２次元原子層物質のスピン物性研究」
10:00-10:20

有田 亮太郎（理化学研究所 創発物性科学研究センター）「反強磁性における異常ホール効果のクラスター多極子による解析」

10:20-10:40

ZOTOS, Xenophon （University of Crete, Greece)「Unconventional dynamics in low dimensional quantum magnets」

10:40-10:50

休憩

10:50-11:10

瀧本 哲也（新潟大学 工学部）
「強相関電子系における様々な秩序とトポロジカル相」

11:10-11:30

萩田 克美（防衛大学 応用物理学科）「計算科学を活用した中性子小角散乱データのシミュレーション解析」

11:30-11:50

渕崎 員弘（愛媛大学 理工学研究科）「古典粒子系シミュレーションの未踏領域への挑戦」

標題：ベレジンスキー・コステリッツ・サウレス転移とハルデン現象－2016 年ノーベル物理学賞の奇妙な背景
日時：2017 年 5 月 25 日(木)午後 4 時～場所：物性研究所本館 6 階 大講義室（A632）
講師：押川 正毅
所属：物性研究所・量子物質研究グループ
要旨：2016 年のノーベル物理学賞は、「トポロジカル相転移と物質のトポロジカル相の理論的発見」に対して、サウレス、
コステリッツ、ハルデンの 3 氏に授与された。ハルデン氏の主要な受賞業績は、量子反強磁性スピン鎖の定性的な性質
はスピン量子数が半奇数か整数かによって全く異なり、整数スピンの場合には励起ギャップ(「ハルデンギャップ」)を持つという予言である。ほとんどの教科者や解説では、ハルデン氏のこの理論的発見は、量子スピン鎖の有効的な場の理論である非線形シグマ模型が持つトポロジカル項に基づいたものとされていた。
しかし、ハルデン氏本人の回顧や、失われていた「幻の論文」の発見によって、ハルデン氏による当初の発見の経緯
はそれとは大きく異なり、同時にノーベル物理学賞の授賞対象となったベレジンスキー・コステリッツ・サウレス(BKT)転移の理論と密接に関係していたことが明らかになった。
本講演では、おそらく当時としてはあまりに斬新すぎたために奇妙な運命をたどったハルデンギャップの発見の経緯とともに、その物理的内容をなるべくわかりやすく解説したい。また、ハルデンギャップの発見がその後の物理学の発展に与えた影響についても議論したい。

51

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

標題：Structural and Dynamical Transition in Functional Materials
日時：2017 年 6 月 21 日(水)午後 4 時～午後 5 時

場所：柏図書館メディアホール
講師：Dr. Ramaprosad Mukhopadhyay
所属：Bhabha Atomic Research Centre, Mumbai, India
要旨：
Phase transition in condensed matter is an interesting phenomenon from both experimental and theoretical pointof view. It can occur either on application of temperature, pressure or field. There exists variety of nomenclature todelineate various kinds of transitional behavior, particularly regarding order of a transition etc. Phase transition has
been studied by using macroscopic and microscopic probes. Dynamical transition, viz, order-disorder, sublattice
melting, etc. is related to motion of atoms and molecules, leads to many applications. In this context, diffusion
or reorientation of a molecular species is of interest in various functional materials. Diffusion is actually a stochastic
process. Such a process over a time scale ca 10-10 – 10-13 sec is conveniently studied using neutron scattering
technique. It is particularly suited for studying the dynamics in hydrogenous materials (viz. organic, polymer, soft
matter and biological systems etc.) as hydrogen has large scattering cross section. It offers unique possibility ofanalyzing spatial dimensions of atomic or molecular processes in their development over time. The time-scale of the
dynamical motion, its geometry as well as the nature of the hindering potential can be obtained from the neutron
scattering data. Molecular dynamics simulation studies are very useful for further insight in the underlying processes
as it does not suffer limitations of an experimental setup.
We have studied various systems, for examples, atomic or molecular diffusion (translation and rotation) in
crystalline systems, confinement of molecules in nano pores, like clay, zeolites, molecular sieves, metal organic
framework etc; polymer based membranes, molecular magnets; nano-metal clusters; micelles and vesicles (a model
biological systems) etc. Some of the recent results as obtained from neutron scattering experiments and molecular
dynamics (MD) simulation will be discussed.

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

52物性研究所セミナー

標題：理論インフォーマルセミナー：Density of States and Gap of Generic Quantum Hamiltonians
日時：2017 年 4 月 12 日(水) 〜
場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室（A615）
講師：Dr. Ramis Movassagh
所属：IBM
要旨：
We propose a method, inspired by Free Probability Theory and Random Matrix Theory, that predicts the eigenvalue
distribution of quantum many-body systems with generic interactions [1]. At the heart is a “Slider”, whichinterpolates between two extremes by matching fourth moments. The first extreme treats the non-commuting terms
classically and the second treats them ‘free’. By ‘free’ we mean that the eigenvectors are in generic positions. We
prove that the interpolation is universal. We then show that free probability theory also captures the density of statesof the Anderson model with an arbitrary disorder and with high accuracy [2]. Theory will be illustrated by numericalexperiments.
[Joint work with Alan Edelman]
Time permitting we will prove that quantum local Hamiltonians with generic interactions are gapless [3]. In fact,
we prove that there is a continuous density of states arbitrary close to the ground state.
The Hamiltonian can be on a lattice in any spatial dimension or on a graph with a bounded maximum vertex degree.
We calculate the scaling of the gap with the system’s size in the case that the local terms are distributed according
to gaussian β−orthogonal random matrix ensemble.
References:[1] Phys. Rev. Lett. 107, 097205 (2011)[2] Phys. Rev. Lett. 109, 036403 (2012)[3] R. Movassagh “Generic Local Hamiltonians are Gapless”, (2017) arXiv:1606.09313v2 [quant-ph]

標題：セミナー：新学術領域研究 J-Physics トピカルミーティング「局在多極子と伝導電子の相関による新現象」
日時：2017 年 4 月 17 日(月) 午前 9 時～2017 年 4 月 18 日(火) 午後 4 時
場所：物性研究所本館 6 階 大講義室（A632）
要旨：
これまでスピン自由度による量子物性・量子相が精力的に研究されてきたが、最近の研究により電子の持つ多極子自由度が特異な現象の起源となることが理解されて始めている。特に、原子サイトに局在した多極子が伝導電子と混成することにより、新しい金属相、たとえば、異常金属状態や非従来型の重い電子超伝導が誘起され大変注目を集めている。
また局在 f 電子の価数の量子臨界ゆらぎが特異な磁気相関を誘起することも明らかになってきた。さらには、この多極子の自由度を単一の原子サイトからマルチサイトのクラスターに拡張することで、反強磁性体で近年発見された巨大異常ホール効果の一般的な理解に役立つこともわかってきた。
本研究会では J-Physics 新学術領域の研究活動が３年目に入るこの節目の時期に、これまでの成果と現状の課題を共有することで今後の研究指針を明らかにし、領域内外の研究協力をより活発にすることを目的にする。

53

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

標題：極限コヒーレント光科学セミナー：X-ray spectromicroscopy: A powerful technique for probing
nanostructures
日時：2017 年 4 月 21 日(金)午後 1 時 30 分〜

場所：SPring-8 会議室（TV 会議 物性研究所第一会議室）
講師：Dr. Carla Bittencourt
所属：Universite de Mons
要旨：
Engineering of surfaces and interfaces of nanostructures remains a central goal of modern solid state physics andchemistry, since atomically controlled interfaces play a key role in the performance of nanodevices. Limitations incharacterisation and theoretical modelling tools have been a major obstacle to the development of controllable device
interfaces. Technology is now entering a period of convergence between theory and characterisation tools, traditional
spectroscopic techniques are being combined with microscopy to characterise individual nanoobjects.
In the first part of this talk we will discuss nanoscale spectroscopy using polarized X-rays by NEXAFS-TXM. We
present image stacks and polarization-dependent NEXAFS spectra from individual titanate nanoribbons. The fullfield transmission X-ray microscope (TXM) installed at the beamline U41 in BESSY II (Berlin Germany) generates
high-resolution, large-area NEXAFS data with high collection rate. This new high-resolution NEXAFS-TXM
technique opens the way to advanced nanoscale science studies.

Novel X-ray optics is also revolutionising the well-established X-ray photoelectron spectroscopy allowing the characterisation of isolated nanostructures such as carbon
nanotubes or graphene. In the second part of the talk we will discuss recent results on doping of carbon
nanostructures recorded at the beamline ESCAMICROSCOPY at Elettra (Trieste–Italy).
Nanoscale spectroscopy with polarized X-rays by NEXAFS-TXM(2012) Nature Photonics 6, 25–29 Nitrogen
implantation of suspended graphene flakes: Annealing effects and selectivity of sp2 nitrogen species(2014)Carbon,
73, pp. 371-381.
Fluorination of suspended graphene(2017)Nano Research (just accepted) Nitrogen ion casting on vertically aligned
carbon nanotubes: Tip and sidewall chemical modification(2014)Carbon, 77, pp. 319-328

標題：理論セミナー：非慣性系のスピントロニクス
日時：2017 年 4 月 21 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：松尾 衛所属：東北大学材料科学高等研究所
要旨：
近年の微細加工技術の進展に伴い、固体中にナノ構造を作り込むことによりスピン角運動量の流れ「スピン流」の制御が可能となり、スピン流を媒介とする様々な物性研究が精力的に行われるようになった。我々はこれまでにスピン流生成に利用されてこなかった、物体の巨視的な回転運動に伴う力学的角運動量とスピン角運動量との相互変換機構の探求を目指している。
回転運動する物質は非慣性系なので、その物質中のスピン伝導を調べるにはスピントロニクスを非慣性系に拡張する必要がある。本講演では巨視的運動として剛体回転運動[2,3,4,5]、弾性変形運動[6]、流体運動[7]を対象に、力学的角運動量から
スピン角運動量への変換機構によってもたらされるスピン制御およびスピン流生成法を理論と実験の両面から紹介する。
[1] S. Maekawa, S. O. Valenzuela, E. Saitoh, and T. Kimura, ed., “Spin Current”, Oxford, 2012.
[2] M. Matsuo et al., Phys. Rev. Lett. 106, 076601 (2011).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

54

[3] H. Chudo et al., Appl. Phys. Expr. 7, 063004 (2014).
[4] M. Ono et al., Phys. Rev. B92, 174424 (2015).
[5] Y. Ogata et al., Appl. Phys. Lett. 110, 072409 (2017).
[6] M. Matsuo et al., Phys. Rev. B87, 180402(R) (2013).
[7] R. Takahashi et al., Nature Physics 12, 52 (2016).

標題：理論セミナー：Melting of three-sublattice order: How does a KT phase pinch-off?
日時：2017 年 4 月 25 日(火) 〜
場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室（A615）
講師：Prof. Kedar Damle
所属：Tata Institute of Fundamental Research, Mumbai / ISSP
要旨：
On lattices with triangular symmetry, competition between different antiferromagnetic interactions results in amacroscopic degeneracy of low energy configurations for easy-axis magnets. Small perturbations or quantum
fluctuations then seed a three-sublattice ordered state which breaks lattice and spin symmetries. The question in thetitle has to do with the temperature-driven transition from this long-range ordered state to a high temperatureparamagnet: In addition to a direct first order transition, which is certainly possible, two other scenarios are possible
on general (symmetry) grounds: a two-step melting process, with an intermediate Kosterlitz-Thouless (KT) phase, ora sequence of two second-order transitions. After introducing this physics, I will try and outline a couple of questions(and some partial answers) about the multicritical point(s?) at which the intermediate KT phase pinches-off to give
way to either a first-order transition line or two second-order transition lines.

標題：機能物性セミナー：三次元分子解像度の１分子蛍光顕微鏡
日時：2017 年 4 月 26 日(水)午後２時～午後３時

場所：物性研究所６階第２会議室
講師：藤芳 暁
所属：東京工業大学大学院 物性物理学専攻
要旨：
人類は 400 年にわたり多種多様な顕微鏡を発明してきた。しかし、その中に生命現象がおこっている細胞内部の三次元情報を分子レベルで観ることができるものはない。たった一つの生命現象にも、無数の分子が関わっており、その実体を知るには細胞内部で何が起こっているのかを正確に観察するが必須がある。そこで、我々はこの十年間、対物レン
ズの独自開発から研究をはじめ、合計 20 台のクライオ蛍光顕微鏡を開発してきた[1-5]。ごく最近、極限的な光学性能を持ち、0.05 nm のイメージ安定性を持ったクライオ蛍光顕微鏡の開発に成功した。この顕微鏡により、生体染色色素の三次元位置をオングストロームの精度で１分子観察することに成功した。これは既存法の精度よりも１－２桁高く、分子を見分けられる精度である。セミナーでは、上記の成果に加えて、光活性化酵素の１分子分光[1,3]、再構成したミ二光合成系の１分子分光[4]、タンパク質の赤外１分子観察法の開発[2]などの研究成果についても紹介する予定である。
References[1]S. Fujiyoshi, et al., Phys. Rev. Lett. 100, 168101, (2008).
[2]S. Fujiyoshi, et al., J. Phys. Chem. Lett. 1, 2541, (2010).
[3]S. Fujiyoshi, et al., Phys. Rev. Lett. 106, 078101, (2011).
[4]D. Uchiyama, et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 11615, (2011).
[5]H. Inagawa, et al., Sci Rep 5, 12833, (2015).

55

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

標題：極限コヒーレント光科学セミナー：第 51 回：Ultrafast manipulation of magnetic structures probed by
x-rays
日時：2017 年 4 月 27 日(木)午前 9 時 30 分～午前 10 時 30 分

場所：SPring-8 会議室（TV 会議 物性研究所第一会議室）
講師：Dr. Urs Staub
所属：Swiss Light Source, Paul Scherrer Institut
要旨：
Being able to manipulate magnetic structures in non-trivial ways such as by the application of a magnetic field, isinteresting from fundamental point of view as well as from that of applications. Manipulating them on ultrafast timescales is even more exciting and challenging. Here I like to address the ultrafast magnetization dynamics ofantiferromagnets, for which a microscopic understanding of the spin dynamics can be obtained by x-ray (resonant)diffraction using ultra-short x-ray pulses, today obtainable on X-ray-Free-Electron-Laser (XFEL) sources, such as the
LCLS and SACLA. I will give examples on ultra-fast demagnetization on simple elemental Ho [1], on CuO, [2,3]which are in strong contrast to the results obtained on TbMnO3. [4] At the end I hope I will show you the potential
to obtain ultrafast all optical switching in oxides by switching the magnetic structure and the ferroelectric
polarization in a multiferroic. [5][1] L. Rettig et al., submitted.
[2] S. L. Johnson et al., Phys. Rev. Lett. 108, 037203 (2012).
[3] U. Staub et al., Phys. Rev. B 89, 220401(R) (2014).
[4] J. Johnson et al., Phys. Rev. B in press (arXiv:1507. 06628).
[5] T. Kubaka et al., Science 343, 1333 (2014).

標題：機能物性セミナー：海洋性細菌の持つ微生物型ロドプシンによる光を使ったイオン輸送の多様性とメカニズム
日時：2017 年 4 月 27 日(木)午前 11 時～午後 0 時

場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室（A615)
講師：井上 圭一
所属：名古屋工業大学、JST・さきがけ
要旨：
海洋や湖沼、河川などに棲む多くの細菌や古細菌、または藻類などは微生物型ロドプシンと呼ばれる光受容型の膜タ
ンパク質を持つ。全ての微生物型ロドプシンは発色団として all-trans 型のレチナールをタンパク質内部に結合している。
そしてこのレチナールが光を吸収すると 13-cis 型へと異性化する共通の光反応を示し、その際に得られる光のエネル
ギーを使って、様々なタンパク質機能が発現される。中でも特に幅広い生物種で見られるのが光を使ってプロトンを細胞外側へ輸送する外向きプロトンポンプ型ロドプシンであるが、近年我々は海洋性の細菌においてナトリウムイオンを外向きに輸送するものや、内向きにプロトンを輸送するロドプシンがあることを発見した[1,2]。このことは海洋環境中でロドプシンが行うイオン輸送が、これまでに考えられていたものより極めて多様性に富むことを示唆している。またこれらの分子について分光学的および構造生物学的な研究を行うことで、ロドプシンがレチナールの異性化という共通したプロセスからどのように異なったイオンを選択して輸送するかという、そのメカニズムについても明らかにされつつある[2,3]。これらの知見は光で生物の神経伝達などの生理応答を制御するオプトジェネティクス分野で用いられる新規分子ツールの開発にも重要であり、それに向けたロドプシンの機能改変・制御などについても紹介する。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

56【参考文献】[1] Inoue K. et al. Nature Commun. (2013) 4, Article number: 1678.
[2] Inoue K. et al. Nature Commun. (2016) 7, Article number: 13415.
[3] Kato H. E. et al. Nature (2015) 521, 48-53.

標題：量子物質セミナー：NaCaNi 2 F 7 : A kinetically arrested spin liquid
日時：2017 年 5 月 16 日(火)午前 11 時〜

場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室 (A615)
講師：Dr. Kemp Plumb
所属：Department of Physics & Astronomy | Institute for Quantum Matter Johns Hopkins University
要旨：
Spin-liquids are peculiar states of matter in that they do not break any symmetries of the high temperature,magnetically disordered state, but nevertheless represent a distinct phase. The spin-liquid state is defined by the
emergence of excitations which carry fractional quantum numbers and can be measured directly using neutron
spectroscopy. While the existence of a spin-liquid for Heisenberg spins on the pyrochlore lattice was first speculated
by Jacques Villain nearly 40 years ago, there have been no controlled experimental realizations — either classical or
quantum — of this model. In real materials, the spin-liquid is more often than not preempted by small perturbations
or intrinsic disorder that stabilize a broken symmetry state. In this talk, I will discuss a new material, NaCaNi2F7,
which realizes the isotropic spin liquid of Villain but with the additional complication of random Na+ – Ca2+ charge
disorder in the crystal structure. We use neutron scattering and calorimetric measurements to uncover the magnetic
correlations in this material and fully determine the magnetic Hamiltonian. The ionic disorder creates a rugged
energy landscape that acts to freeze a small fraction of the magnetic degrees of freedom in time. However, the energy
scale set by this disorder is small, and the Heisenberg interactions prevail. In fact, only 40% of the available moment
is frozen, and the magnetism in NaCaNi2F7 is dominated by a persistently fluctuating component. These
measurements provide the first experimental confirmation of Villain’s prediction and a new insight into the interplay
between disorder and magnetic exchange interactions in highly frustrated magnets.

標題：理論インフォーマルセミナー：Manybody topological invariants for fermionic topological phases
日時：2017 年 5 月 16 日(火)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：Ken Shiozaki
所属：RIKEN
要旨：
I present a way to define the manybody topological invariant (“order parameter”) for some classes of fermionic
topological phases protected by point group symmetries. We introduced the “partial point group transformation”,
which is defined by the point group transformation on a subregion that is closed under the point group transformation.
The topological invariant appears as the complex U(1) phase of the ground state expectation value of the partial point
group transformation. Since such a topological invariant is made only from the ground state and the symmetry
operator, it is applicable to systems with interaction and disorder. I explain why such the quantity gives the
topological invariant from the viewpoints of (i) the topological quantum field theory and (ii) the surface gapless theory.
I also show the numerical calculations of our topological invariants for some simple free fermionic ground states.
57

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

Refs:
Hassan Shapourian, KS, Shinsei Ryu, arXiv:1607.03896
KS, Hassan Shapourian, Shinsei Ryu, arXiv:1609.05970

標題：セミナー：つくばソフトマター研究会 2017
日時：2017 年 5 月 16 日(火) 午前 10 時～2017 年 5 月 17 日(水) 午後３時 50 分
場所：物性研究所本館 6 階 大講義室（A632）
講師：三宅 隆所属：産業技術総合研究所、物質・材料研究機構
要旨：
物理・化学・生物・工学と分野の垣根を越えてソフトマターの研究に関して議論することを目的とし、つくばエクスプ
レス沿線の大学、研究所を中心として開催する。
関係 URL： http://noguchi.issp.u-tokyo.ac.jp/ts2017/

標題：ナノサイエンスセミナー：Image states and energy dissipation on Bi 2 Te 3 surface
日時：2017 年 5 月 23 日(火)午後１時 30 分〜

場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室 (A615)
講師：Ms. Dilek Yildiz
所属：バーゼル大学(スイス)
要旨：
Topological insulators (TIs), belonging into the family of intercalated compounds, have a bandgap in the bulk thatmakes the crystal insulator, whereas their surfaces (or edges) are conducting. While protected topological statesmight offer promising playground to observe exotic physical phenomena like Majorana fermion bounded state [1] ormagnetic monopoles [2], the effect of friction on topologically protected surface is yet to be reported.
Here we study energy dissipation onto Bi2Te3 surface by means of pendulum geometry oscillating cantilever of
combined AFM/STM [3]. While STM shows well understood image potential states, AFM reports on huge dissipation
peaks occur due to charging/discharging of those states by the oscillating tip. Huge dissipation peaks occur few nm
above the surface and are localized at relatively large voltages as expected for image states. Moreover the energy
dissipation depends on the local defect density.In order to understand the frictional response of Bi2Te3 in TI phase as
well as its frictional response when the TI phase is partially or fully suppressed, we probe surfaces with different
defect density and under external magnetic field. The results show extremely strong dependence of dissipation on
external magnetic field since the peaks are shifted to lower energies as the magnetic field increases.
[1] R. Pawlak, et al., Probing atomic structure and majorana wavefunctions in mono-atomic Fe-chains onsuperconducting Pb-surface, npj Quantum Info 2, 16035 (2016)[2] M. Z. Hasan and C. L. Kane, Topological insulators, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).
[3] M. Kisiel, et al., Suppression of electronic friction on Nb films in the superconducting state, Nature Materials 10,
119 (2011).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

58標題：量子物質・ナノスケールセミナー：第 6 回：スピン依存トンネル伝導が関わるナノスピントロニクス素子の進展
日時：2017 年 5 月 25 日(木)午前 11 時～午後 0 時

場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室 (A615)
講師：介川 裕章
所属：国立研究開発法人 物質・材料研究機構磁性・スピントロニクス材料研究拠点
要旨：
巨大磁気抵抗素子(GMR 素子)やトンネル磁気抵抗素子(TMR 素子)はスピントロニクス技術を用いた代表的な素子として知られ、これまで高密度な磁気記録の実現(ハードディスク)や不揮発磁気メモリなどへの応用に重要な役割を果たしてきた。これらの磁気抵抗素子は強磁性体間の相対磁化方向の制御のみで電気抵抗を変化させることができ、動作に
原子移動や化学反応などを伴わないことから、高速動作と無限回の状態書換えが可能という特長を有する。これらの素子において良好な磁気抵抗効果を得るためには、スピン偏極した伝導電子を非磁性体層を介して隣の強磁性体へ効率的に輸送することが要求される。特に、TMR 素子では非磁性体に絶縁体(トンネルバリア)を用いるため、トンネル電流の制御のため原子面厚さスケールでの構造最適化を必須とする。そのため薄膜成長技術とナノスケール微細加工技術の向上に加え、新材料の導入が特性の向上に極めて大きな役割を果たしてきた。例えば TMR 素子では、トンネルバリア材料の発見が大きな飛躍につながっており、アルミナ(1995 年頃)、MgO(2001～2004 年頃)が発見され、実用上の大きなブレイクスルーとなった。また、これらの技術向上に付随して新しい現象、例えばスピン移行トルクによる磁化状態制
御や強磁性層/トンネルバリア界面に誘起する垂直磁気異方性など、興味深い現象が明らかになっている。これらの新現象は基礎的な興味にとどまらず、素子応用を目指した実用研究も近年盛んに行われている。
本セミナーでは TMR 素子を中心に、スピン依存伝導が関わる磁気抵抗素子の歴史的経緯から最新の動向までを、特に材料の観点から概括したい。また著者らがこれまでに関わってきたスピネル(MgAl2O4)系トンネルバリア[1]や高スピン分極強磁性材料と知られる Co 基ホイスラー合金の利用[2]などについて紹介したい。
[1] H. Sukegawa et al., Appl. Phys. Lett. 96, 212505 (2010); H. Sukegawa et al., Phys. Rev. B 86, 184401 (2012); M.
Belmoubarik et al., Appl. Phys. Lett. 108, 132404 (2016); H. Sukegawa et al., Appl. Phys. Lett. 110, 122404 (2017).
[2] R. Shan et al., Phys. Rev. Lett. 102, 246601 (2009); W. Wang et al., Phys. Rev. B 81, 140402(R) (2010); Z. Wen etal., Adv. Mater. 26, 6483 (2014); T. Scheike et al., Appl. Phys. Express 9, 053004 (2016); H. Sukegawa, Appl. Phys.
Lett. 110, 112403 (2017).

標題：機能物性セミナー：人工生体膜チップが実現する膜輸送体の 1 分子生物物理研究
日時：2017 年 5 月 25 日(木)午前 11 時〜

場所：物性研究所本館 6 階 第 4 セミナー室 (A614)
講師：渡邉 力也
所属：東京大学 大学院工学研究科
要旨：
生体膜には分子を輸送する膜タンパク質“膜輸送体”が存在し、人間を含む多細胞生物が生存するうえで必要とされる“恒常的な細胞内外の環境”を維持している。近年、その生理的重要性から膜輸送体に関連する疾患が多数報告されており、各々が持つ機能だけでなく物性や作動機序を同時に解明することが学術・産業の両面において急務とされている。この背景をうけ、昨今では膜輸送体の作動機序に関する研究が盛んに行われているが、輸送機能を高感度に解析することは困難であり、依然として不明な点が多い。この膜輸送体研究における問題を解決するため、近年、細胞膜を模倣した“人工生体膜チップ”が世界中で盛んに開発され、また、それらを基盤とした膜輸送体のための 1 分子機能解析システムが確立しつつある[1,2,3]。本セミナーでは、最新の人工生体膜チップの開発状況を紹介するとともに、膜タンパク質の作動機序に関する 1 分子生物物理研究、および、それらに立脚した創薬などの応用研究における将来展望を提示したいと考えている[4,5]。

59

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

参考文献
1, Watanabe et al., Nature Communications (2014b) 5, 4519.
2, Watanabe et al., Nature Communications (2013) 4, 1631.
3, Watanabe et al., IEEE Transactions on Nanotechnology (2016) 15, 70-73.
4, Watanabe et al., Scientific Reports (2014) 4, 7076.
5, Watanabe et al., Lab on a Chip (2016) 16, 3043-3048.

標題：理論セミナー：Absolute binding energies of core levels in solids from first principles
日時：2017 年 5 月 30 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：尾崎 泰助
所属：東京大学物性研究所
要旨：
The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is one of the most important and widely used techniques in studying
chemical composition and electronic states in the vicinity of surfaces of materials. In spite of the long history of XPS
and its importance in materials science, a general method has not been developed so far to calculate absolute binding
energies for both insulators and metals, including multiple splittings due to chemical shift, spin-orbit coupling, andexchange interaction, on equal footing.
Here, we propose a general method to calculate absolute binding energies of core levels in metals and insulators, basedon a penalty functional and an exact Coulomb cutoff method in a framework of the density functional theory [1]. It isdemonstrated that the absolute binding energies of core levels for both metals and insulators are calculated by the
proposed method in a mean absolute (relative) error of 0.4 eV (0.16 %) for eight cases compared to experimental values
measured with XPS within a generalized gradient approximation to the exchange-correlation functional. Recent
applications of the method including silicene [2], borophene, and platinum atoms will also be discussed in comparison
with experimental data together with analysis of the initial and final state effects based on an energy decomposition
method.
[1] T. Ozaki and C.-C. Lee, Phys. Rev. Lett. 118, 026401 (2017).
[2] C.-C. Lee, J. Yoshinobu, K. Mukai, S. Yoshimoto, H. Ueda, R. Friedlein, A. Fleurence, Y. Yamada-Takamura, andT. Ozaki, Phys. Rev. B 95, 115437 (2017).

標題：理論インフォーマルセミナー：Anisotropic Magnetic Interactions and Spin Dynamics in CPB – AnExperimental and Theoretical Study
日時：2017 年 6 月 5 日(月) 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：Frank Göhmann
所属：Bergische Universität Wuppertal
要旨：
The absorbed intensity of microwaves penetrating a quasi 1d spin chain compound, as measured e.g. in ESR
experiments, is determined by the imaginary part of the dynamical susceptibility of the compound. The latter is hardto calculate over the full range of experimentally available values of temperature and magnetic field, even in for the■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

60integrable 1d Heisenberg chain. Theoretically more accessible quantities are the moments of the normalized intensity.
As suggested by Maeda, Sakai and Oshikawa in 2005 the first two moments determine the resonance shift, measured
in ESR experiments on systems that can be seen as small perturbations of the Heisenberg chain. Combining
perturbation theory, high-temperature expansions and scaling arguments with exact results I shall discuss
applicability and limitations of a general method of moments applied to close to isotropic systems. The resulting
insight will then be used for a detailed analysis of ESR and thermodynamic data for the spin chain compoundCu(py)2Br2 (CPB), where (py) stands for the pyridine molecule NC5H5. The analysis allows us to fully and precisely
determine the g-tensor and to identify directions and magnitude of the magnetic anisotropies of this compound.

標題：極限コヒーレント光科学セミナー：第 52 回振動分光の医学への応用
日時：2017 年 6 月 5 日(月)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：長島 優要旨：
近年のレーザー技術の急速な発展を追い風に、光を用いて分子そのものの振る舞いを観察できる振動分光法を応用し、医学における疾患の病態研究や診断につなげる試みが活発化している。従来より分子の同定法として、物理学・化学・
生化学の分野で広く用いられてきた振動分光法であるが、生体組織を対象にした顕微分光イメージングを医学研究に役立てようとする際には、いくつかの新しい工夫が必要になる。特に、非常に多くの分子が混在する環境である細胞や組織の内部で測定した振動スペクトルは、複数の分子由来の信号の重ね合わせとなるため、単純にスペクトル波形の比較
だけで分子の同定ができない場合が出てくることになる。本講演では、演者の専門である神経内科領域の疾患を対象に、ラマン分光法を用いた疾患病態研究の実際について紹介する。加えて、生体組織の観察において、振動スペクトルが本来持っている分子特異性の情報を最大限引き出すアイデアと、それを実現する顕微鏡の原理について紹介する予定である。
[1] Nagashima, et al., J Chem Phys. 134, 024525 (2011).

標題：理論セミナー：First-principles calculation of magneto-optical effect
日時：2017 年 6 月 6 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：赤井 久純
所属：東京大学物性研究所
要旨：
Thanks to the development of a new technique of polarization modulation of synchrotron radiation experiment,
efficient measurements of magneto-optical effects of magnetic surfaces and interfaces become now possible [1]. In
particular, the measurements using resonant scattering such as resonant magneto-optical Kerr effects (RMOKE)
combined with this technique are now powerful tools to investigate the detailed electronic and magnetic propertiesof these systems. In the first part of this talk, first-principles calculations on X-ray absorption and magnetic
circular dichroism (XMCD), X-ray resonant scattering and resonant MOKE are briefly reviewed. In the second part,the results of first-principles calculation related to the RMOKE experiments that have been performed recently
by Matsuda’s group (ISSP) are presented. The difficulty of the calculation of such spectra with photon energy of ~1
keV lies in the fact that it is necessary to perform accurate relativistic calculations of the deep cores as well as valence

61

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

states up to ~100 eV above the Fermi edge in the same framework. Also since the magnetic dichroism is usually muchsmaller than the absorption or scattering itself, rather precise calculations are required. In order to cope with these,
the KKR Green’s function method combined with the linear response theory has been exploited. If time is allowed,
the efforts to extend the study to non-linear optical effects targeting the resonant second harmonics generation will
be explained.
Reference：[1] Y. Kubota, et al. to be submitted (2017)

標題：セミナー：2 次元ナノ材料上の自己組織化ペプチドによるバイオ・ナノ界面
日時：22017 年 6 月 8 日(木)午前 11 時～午後 0 時

場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室 （A615）
講師：早水 裕平
所属：東京工業大学 物質理工学院 材料系
要旨：
タンパク質などの生体分子は、その特異な分子構造や電子構造から生体内でさまざまな機能を発現する。また、往々にしてその分子構造がダイナミックに変化し、それに伴い電子構造も変化する。我々は、この生体分子のダイナミック
な特性と、これまで発展してきたエレクトロニクスを組み合わせた新たなエレクトロニクスの創生を目指して研究を行っている。グラフェンや２次元遷移金属カルコゲナイドに代表される２次元ナノ材料は、その物性の理解が進み、広い分野での応用が期待される。中でも、バイオセンサなどへのバイオ応用に向けた期待は高く、生体分子と 2 次元ナノ材料の界面に関する理解はその重要性を増している。近年我々は、グラファイトに特異的に吸着し、単分子厚の自己組織化膜を形成するペプチド[1]の開発に成功した。グラフェン電界効果型トランジスタの表面に吸着させたペプチドによってグラフェンの電子特性がどのように変化するかを定量的に調査した結果、ペプチドを用いたバイオセンサの開発にも成功している[2,3]。また、近年では、二硫化モリブデンなどの 2 次元金属カルコゲナイド物質を基板に使用することにより、半金属特性を有するグラフェンと比して、半導体特性を有するナノシート上でのペプチドの振る舞いやその影響によるナノシートの電気・光特性の変化について、詳しく調査してきた[4,5]。特に、乾燥した雰囲気ではなく固液界面におけるペプチドの振る舞いについて注力して研究を行い、ペプチドのダイナミックな物性が明らかになってきている。中でも、水溶液の pH や電解質の濃度や種類によってペプチドの自己集合に変化が出ることや、また、二硫化モ
リブデンの発光特性に大きな影響が出ることが解った。これらの結果は、電気化学的な観点からも現象を理解することの重要性を示唆している。
【参考】
1. C. R. So, Y. Hayamizu, H. Yazici, C. Gresswell, D. Khatayevich, C. Tamerler, and M. Sarikaya, “Controlling Self
Assembly of Engineered Peptides on Graphite by Rational Mutation,” ACS Nano, 6 (2) 1648-1656 (2012)
2. T. R. Page, Y. Hayamizu, C. R. So, and M. Sarikaya, “Electrical Detection of Biomolecular Adsorption on Sprayed
Graphene Sheets”, Biosens. Bioelectron.,33 (1) 304-308 (2012)

3. D. Khatayevich, T. Page, C. Gresswell, Y. Hayamizu, W. Grady, and M. Sarikaya, “Selective detection of target
proteins by peptide-enabled graphene biosensor” Small 10 (8), 1505-1513 (2014)
4. Hayamizu, Yuhei, et al. “Bioelectronic interfaces by spontaneously organized peptides on 2D atomic single layermaterials.” Scientific Reports 6 (2016).
5. 早水裕平 「自己組織化ペプチドによるバイオ・ナノ界面の研究」応用物理 第 85 巻 第 12 号 p.1010 (2016).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

62標題：国際強磁場科学セミナー：2017 年度第２回：Biosensing Applications of Digital Photocorrosion in
GaAs/AlGaAs Nano-Heterostructures
日時：2017 年 6 月 14 日(水)午後 4 時〜

場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室 (A615)
講師：Prof. Jan J. Dubowski
所属：Interdisciplinary Institute for Technological Innovation (3IT), Université de Sherbrooke
要旨：
Etching of semiconducting materials at rates approaching atomic level resolution is of high interest to theadvancement of technologies addressing fabrication of low-dimensional devices, tunability of their optoelectronic
properties and precise control of device surface structure. The so-called digital etching that takes advantage of a selflimiting reaction has the potential to address some of these challenges. However, conventional applications of thisapproach proposed almost 30 years ago, require specialized and expensive equipment, which contributed to a
relatively slow progress in penetration of digital etching to micro/nanofabrication processing schemes. We haveobserved that for photoluminescence (PL) emitting materials with negligible dark corrosion, it is possible to carry out
PLmonitored photocorrosion in cycles analogous to those employed in digital etching. The advantage of this approachis that photocorrosion of materials, such as GaAs/AlGaAs heterostructures, could be carried in a water environment.
This digital photocorrosion (DIP) process could be carried out in cycles, each approaching sub-monolayer precision. I
will discuss fundamentals of DIP and, in particular, mechanisms responsible for achieving high-resolution etch rates
of semiconducting materials. For instance, we have demonstrated a successful dissolution of a 1-nm thick layer of
GaAs embedded between Al0.35Ga0.65As barriers in a 28% NH4OH:H2O, and we claimed that under optimized
conditions a further enhanced resolution is feasible. The nm-scale depth resolution achieved with DIP and lowcost of
the instrumentation required by this process is of a potential interest to specialized diagnostics, structural analysis
of multilayer nanostructures and, e.g., revealing in situ selected interfaces required for the fabrication of advanced
nano-architectures. We have explored the sensitivity of DIP to perturbations induced by electrically charged
molecules, such as bacteria, immobilized on semiconductor surfaces. Here, I will highlight our recent studies on
detection of Escherichia coli and Legionella pneumophila bacteria immobilized on antibody functionalized
GaAs/AlGaAs biochips. I will also discuss the application of this approach for studying antibiotic reactions of bacteria
growing on biofunctionalized surfaces of GaAs/AlGaAs biochips.

標題：量子物質・ナノスケールセミナー：第 7 回：規則合金をベースとしたスピントロニクス材料研究の現状と課題
日時：2017 年 6 月 16 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：関 剛斎
所属：東北大学金属材料研究所 磁性材料学研究部門
要旨：
異種原子が秩序をもって空間配列した規則合金は、無秩序な配列の不規則合金には無い優れた機能性を発現するため、
スピントロニクスデバイスの高性能化や多機能化に資するキーマテリアルとなる。本セミナーでは、高い一軸磁気異方性(Ku)を示す規則合金を中心とし、ナノサイズでの磁化ダイナミクスや材料開発に関する話題を提供する。まず、代表的な高 Ku 材料である L10 型 FePt 規則合金について、Ni-Fe 合金(パーマロイ)と交換結合させたナノディスクにおける「磁気渦運動によって誘起される磁化反転」[1]を説明する。そして、新規材料開発の観点から「原子層レベルで積層制御された高 Ku 材料の創製」[2]について紹介する。規則合金スピントロニクスが抱える今後の課題についても議論したい。
[1] W. Zhou, T. Seki et al., Phys. Rev. B 94, 220401(R)-1-5 (2016).
[2] T. Seki et al. (submitted).
63

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

標題：機能物性セミナー：タンパク質‐配位子相互作用における動的構造解析と新規イメージング技術
日時：2017 年 6 月 22 日(木)午前 11 時〜

場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室 (A615)
講師：佐藤 文菜
所属：自治医科大学・助教
要旨：
アロステリックタンパク質の代表格であるヘモグロビンは、結合配位子の個数に依存して自身の分子構造、及び配位子との親和性を大幅に変化させることが知られている[1]。しかし、タンパク質研究の歴史上非常に古い分子であるにもかかわらず、その構造変化の過程を詳細に原子レベルで観測した例はなく、親和性制御の機構についても未だ不明な点が多い。我々は、配位子解離過程の構造変形を詳細に捕らえるべく、これまで類似タンパク質にて実績のある低温での動的結晶構造解析[2-3]をヘモグロビンに対して行い、分子変形の定量的な解析を行った。その結果、ヘモグロビンの各
サブユニット内での段階的な構造変化が伝播し、分子全体の協同的な四次構造変化へと拡張していく様子を追跡することができた。また、近年我々は室温でのポンプ‐プローブ Laue 回折実験[4]、蛍光 X 線ホログラフィー法によるタンパ
ク質の原子イメージング[5]等も行っており、本セミナーでは新たな研究成果とその展望についても紹介したい。
[1] M. F. Perutz, Sci. Am. 239 (1978) 92-125.
[2] A. Tomita et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA 106 (2009) 2612-2616.
[3] A. Tomita et al., Acta. Cryst. A66 (2010) 220-228.
[4] 富田文菜 他, 日本結晶学会誌 56 (2014) 253-258.
[5] A. Sato-Tomita et al., Rev. Sci. Inst., 87 (2016) 063707.

標題：物質・物性セミナー：第 8 回ディラック半金属と熱電変換材料
日時：2017 年 6 月 23 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：岡本 佳比古
所属：名古屋大学工学研究科高等研究院
要旨：
冷媒ガスを用いた気体圧縮方式にとって代わる次世代の冷凍技術として、伝導電子の熱輸送を利用した冷却：熱電冷
却にかかる期待は大きい。現在、室温付近で動作する Bi2Te3 系の材料を使用したペルチエ素子として限られた用途で実用化されている。より低温、例えば液体窒素温度付近で実用できれば、用途が大きく広がると期待される。低温で高い性能を示す材料を得るためには、極めて小さいバンドギャップをもつ物質において新材料開発を行う必要がある。
一方、バンドギャップの大きさがちょうどゼロになった状態が安定に存在するゼロギャップ半導体が、ディラック半金属またはワイル半金属と呼ばれ、近年大きく注目されている。世界的に物質探索が進み、新たなディラック・ワイル
半金属が毎日のように報告されている。この状況は、特異な電子物性の発現だけでなく、熱電変換材料の開発にとってもブレイクスルーが起こりうるチャンスと考える。
セミナーでは、このような発想に基づき、我々のグループで開拓してきたディラック半金属と熱電変換材料に関する最近の成果、特に CaAgAs と CaAgP [1,2]、Ca3SnO [3]、Ta4SiTe4 [4]について報告したい。
[1] A. Yamakage, Y. Yamakawa, Y. Tanaka, and Y. Okamoto, J. Phys. Soc. Jpn. 85, 013708 (2016).
[2] Y. Okamoto, T. Inohara, A. Yamakage, Y. Yamakawa, and K. Takenaka, J. Phys. Soc. Jpn. 85, 123701 (2016).
[3] Y. Okamoto, A. Sakamaki, and K. Takenaka, J. Appl. Phys. 119, 205106 (2016).
[4] T. Inohara, Y. Okamoto, Y. Yamakawa, A. Yamakage, and K. Takenaka, Appl. Phys. Lett. 110, 183901 (2017).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

64標題：理論インフォーマルセミナー：圧縮センシングとその成否診断
日時：2017 年 6 月 26 日(月)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：中西(大野) 義典
所属：東京大学大学院総合文化研究科
要旨：
実験データを解析すると何らかの結果が得られるが、その結果はどのように受け入れられているだろうか。ひょっとすると、慎重になりすぎて必要以上にデータ獲得を行うあまり、非効率な実験計画を立てているかもしれない。もしくは、不十分なデータによる誤った解析結果が、偶然にも予想と一致しているだけかもしれない。本セミナーではこうした問題について圧縮センシング(Compressed Sensing, CS)の成否診断を題材に議論したい。
CS とは統計科学を活用して実験計測を効率化する手法の総称であり、近年ではスパースモデリング(Sparse
Modeling, SpM)に基づくものが物性研究をはじめ様々な分野に広がりを見せている(たとえば走査トンネル顕微・分光法による準粒子干渉実験[1])。SpM は、計測対象を適切な基底で表現したときに非零成分がごく少数すなわちスパースであるということを活用する。SpM による CS では、閾値となるデータ量を境に解析結果が失敗から成功へと相転移的に切り替わることが知られている[2,3]。しかし、閾値を知るためには、計測対象がどの程度スパースであるかを予め知っておく必要があり、問題である。
本セミナーでは、我々が提案する CS の成否を診断する手法を紹介する[4]。本手法は、交差検証と呼ばれるオーソ
ドックスな統計手法を、これまでには見られない方法で用いることにより、計測対象のスパース度を事前に知らなくとも、いわばデータ駆動的に、診断することができる。
文献：[1] Y. Nakanishi-Ohno, M. Haze, Y. Yoshida, K. Hukushima, Y. Hasegawa, and M. Okada, J. Phys. Soc. Jpn. 85,
093702 (2016).
[2] D. L. Donoho and J. Tanner, Proc. Natl. Acad. Sci. 102, 9446—9451 (2005).
[3] Y. Kabashima, T. Wadayama, and T. Tanaka, J. Stat. Mech. 2009, L09003 (2009).
[4] Y. Nakanishi-Ohno and K. Hukushima, in preparation.

標題：LASOR セミナー：Heavy Fermions”as observed by photoemission and interpreted by the “PAM”
日時：2017 年 6 月 27 日(火)午後４時〜

場所：物性研究所本館 6 階 第 5 セミナー室 (A615)
講師：Konrad MATHO
要旨：
The general context of this seminar is the experimental and theoretical study of “Heavy Fermion” systems: Metallic
compounds containing rare earth (RE) ions such as Ce and Yb. The experimental method considered is photoemission,as carried out either in angle integrated (“PES”) or angle resolved (“ARPES”) mode. The Periodic Anderson Model(“PAM”) has frequently been employed to interpret the spectra. The subject, started half a century ago, is still
surprisingly lively and full of new challenges.
I have collaborated with Clemens Laubschat’s group at the TU Dresden in Germany. My theoretical contribution
was to consult a PhD student in the group, Alla Chikina, in the development of a computer code for the PAM thatuses our phenomenological Continued Fraction Method (CFM) [1]. The CFM was generalized from the Hubbard
model to the PAM and the code was tested in comparison with results from Dynamical Mean Field Theory [2]. The
benchmarking was carried out in the “Kondo Lattice” regime of the PAM, which is characterized by the presence of65

物性研だより第 57 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

a “large” Fermi surface (FS). The physical meaning of this concept is explained in terms of Luttinger’s counting
principle [3].
The PAM englobes other scenarios, beyond the Kondo Lattice, such as charge transfer and mixed valent regimes.
An overview of possible spectra is presented, as calculated with our code [4]. The PAM predicts damped van Hove
singularities in the quasiparticle density of states. One of the new challenges is to demonstrate their presence in the
PES data.
A detailed discussion of ARPES and PES results on YbRh2Si2 [5] and YbNiSn [6] uses an “asymmetric KL” scenario.
We conclude that Doniach’s KL model, based on a single Kramers doublet per RE ion, is not applicable. The excited
4f levels under the cristalline electric field exert a strong influence in stabilising the large FS at temperatures wellbeyond the Kondo temperature of a Kramers doublet.
[1] R. Hayn, P. Lombardo, and K. Matho, Phys. Rev. B 74, 205124 (2006).
[2] A. Benlagra, T. Pruschke and M. Vojta, Phys. Rev. B 84, 195141 (2011).
[3] R. M. Martin, Phys. Rev. Lett. 48, 362 (1982); J. Appl. Phys. 53, 2134 (1982).
[4] A. Chikina, PhD Thesis, Dresden (2016) and t.b.p.
[5] K. Kummer et al., Phys. Rev. X 5, 011028 (2015).
[6] A. Generalov et al., Phys. Rev. B (accepted May 2017).

標題：量子物質セミナー：四極子秩序と d 波超伝導
日時：2017 年 6 月 28 日(水)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：服部 一匡
所属：首都大学東京理工学研究科物理学専攻
要旨：
強相関電子系における軌道自由度は d、f 電子系において 90 年代から活発に研究が行われており、様々な新奇物質の発見や新しい現象の提案が行われている。本講演では最近四極子近藤格子系として注目を集めている Pr1-2-20 系の四極
子秩序を念頭に、これまでに行った理論研究とモンテカルロ法を用いた有効古典模型に対する解析を紹介する[1]。また最近の研究として、多軌道系における反強磁性フント結合や異常に大きな軌道間相互作用が、局所的な高エネルギー状
態の積分から自然に導出されることを議論する。
具体例として、Pr1-2-20 系物質に関連した立方晶の２軌道ハバード模型について、乱雑位相近似を用いて解析を行った。四極子や八極子の秩序の他に、種々の超伝導が発現するが、その対称性が 2 体の結晶場準位と強い相関を持っていることを見出した[2]。講演では、四極子の秩序を扱うときの注意点についても丁寧に議論する予定である。
[1] KH and H. Tsunetsugu, J. Phys. Soc. Jpn. 83, 034709 (2014), 85,094001 (2016).
[2] KH, T. Nomoto, T. Hotta, and H. Ikeda, unpublished.

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 57 巻第 2 号

66

人 事 異 動【研究部門等】○平成 29 年 5 月 1 日付け
（採 用）
氏

名

酒 井 明 人

所

属

職

名

量子物質研究グル―プ

助

教

職

名

備

考

物性研究所 量子物質研究グループ 特任助教から○平成 29 年 6 月 1 日付け
（採 用）
氏

名

尾 崎 泰 助所

属

附属物質設計評価施設

教

授

職

名

備

考

物性研究所 附属計算物質科学研究センター
特任教授から○平成 29 年 7 月 1 日付け
（採 用）
氏

名

所

属

備

考

小 濱 芳 允附属国際超強磁場科学研究施設

准 教 授

物性研究所 附属国際超強磁場科学研究施設
特任助教から

松 永 隆 祐附属極限コヒーレント光科学研究
センター

准 教 授

東京大学大学院理学系研究科 助教から

○平成 29 年 8 月 1 日付け（所属変更）
氏

名

三田村 裕 幸所

属

附属国際超強磁場科学研究施設

職

名

助

教

職

名

備

考

物性研究所 凝縮系物性研究部門 助教から

【事務部】
○平成 29 年 7 月 1 日付け
（転 出）
氏

名

岩 村 ときわ

所

属

物性研究所

副事務長

備

考

本部監査課監査支援室 副課長へ

（転 入）
氏

名

大 島 潤 二

67

所
物性研究所

物性研だより第 57 巻第 2 号

属

職

名

専門職員

備

考

独立行政法人日本学術振興会 サンフランシスコ研
究連絡センター 副センター長（本部国際企画課
係長）から

■

■

■ ■ ■ ■■

編 集 後 記「まずは本号の発行が遅れてしまいましたことお詫び申し上げます。その間、「物性研だより」の最新号を期待する読者の声をたくさん頂戴することができました。大変ありがたく思っております。物性研からはたくさんの成果が生まれており、今年度も予定通り４号発行致します。今後、通常の定期発行に戻りますので引き続き御愛読の程よろしくお願い申し上げます。
さて、本号でも先端研究を分かりやすく解説する記事がたくさんありますが、試料の電子顕微鏡観察で普段お世話になっている浜根氏の記事では研究現場の舞台裏も紹介されています。偉大な成果を歴史に残す際に潜む意外な（？）障壁を、読者は知ることになるでしょう。
」

松 田巌