ご挨拶Preface

4

C

2

沿革
History

6

年表

8

組織・運営
Organization/Administration

10

O

Chronology

共同利用と国際協力
Joint Research and International Collaboration

12

教育・論文
予算・職員
Budget/Staﬀ Members

14

新物質科学研究部門
Division of New Materials Science21

物性理論研究部門

T

13

N

Education/Publication

Division of Condensed Matter Theory
31

ナノスケール物性研究部門
Division of Nanoscale Science

極限環境物性研究部門
Division of Physics in Extreme Conditions

48

E

41

先端分光研究部門
Division of Advanced Spectroscopy

軌道放射物性研究施設
Synchrotron Radiation Laboratory

61

N

56

中性子科学研究施設
Neutron Science Laboratory68

物質設計評価施設

78

国際超強磁場科学研究施設
International MegaGauss Science Laboratory

共通施設
Supporting Facilities86

柏キャンパス地図
Kashiwa Campus Map

S

81

T

Materials Design and Characterization Laboratory

目次

ご挨拶

ここに、２００６年版の東京大学物性研究所要覧をお送りします。物性研究所は１９５７年に創立されて以来４９年を経て、柏新キャンパスで２１世紀の研究活動を開始しています。この要覧は、物性研究所を知っていただくためにその歴史や、組織などの概要をご紹介するとともに、各研究室と研究支援施設の研究内容など現在の活動状況をまとめることを目的として毎年発行されています。
物性研究は物理学、化学、材料学などの境界領域に属し、現代の物質科学の基礎的な部分を担っています。物質の示す多様な性質、またそれらが様々な環境下で示す一見不可思議で驚きに満ちた諸現象を解明する物性研究は、人類の知的地平を切り開く学問の最前線の一つです。物性研究は基礎科学として重要なばかりでなく、そこから誕生した磁性体、半導体、超伝導体などが情報技術をはじめとする現代の科学技術を支えています。いわゆるナノサイエンス、ナノテクノロジーは、物性研究における基礎研究から応用技術への展開の最も典型的な例と言うことができます。
物質の性質を原子・分子、さらにはそれらを構成する原子核・電子といったミクロな観点から理解しようとする科学はいわゆる固体物理学を典型として発展してきましたが、最近では複雑系、あるいはランダム系といったソフトマターと呼ばれる領域も大きな研究分野として重要な位置を占めるようになってきました。こうした研究の流れは、将来的にはタンパク質などの生体物質系にも及ぶものと期待されます。実際そうした研究の芽は既に現れ始めています。
東京大学に附置された全国共同利用機関として約半世紀に及ぶ物質科学のセンターとして活動してきた実績の上に立って、物性研究所は新しい研究分野へも取り組んで行きたいと考えています。

2
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

Preface

This is the 2006 edition of the annual report of theInstitute for Solid State Physics, the University of Tokyo.
Our Institute, established forty-nine years ago in 1957,
has started its research activities in the new Kashiwa
campus since the turn of the century. This report not
only brieﬂy summarizes both history and organizationof our Institute but also conveys its present status bycollecting activities of laboratories and supporting sections.
Condensed matter research, dealing with interdisci-

所長

Director

上田

和夫

UEDA

Kazuo

plinary areas of physics, chemistry and materials science, constitutes the fundamentals of current materialscience. Since it enables us to understand diversity of materials and seemingly inscrutable surprising phenomena that manifest themselves in a variety of circumstances, it is one of the frontiersof intellectual horizons of human being. Besides such an aspect of basic science, it also plays animportant role in fostering modern technologies such as information technology by applicationsof magnetic materials, semiconductors and superconductors all of which were born in this research area. Speciﬁcally it may be mentioned that the so-called nanoscience and nanotechnology
representatively illustrate how the basic research in materials science develops into the modern
technological application.
The main ﬁeld of material science has been so-called solid state physics in which properties ofmaterials are investigated microscopically in terms of atoms and molecules or even their components, namely, nuclei and electrons. Recently, however, not only these hard materials but also
soft ones including complex systems and random ones are getting important and forming large
research subﬁelds. In future, we envisage that materials science will include biological materials
like proteins as one of its main streams. In fact there have already been seminal works in the
direction.
Based on the half-century activities as a national center of cooperative researches, the Institutefor Solid State Physics will continue our eﬀort to evolve into a worldwide center in the ﬁeld ofmaterial science including the new directions.

3
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

沿革
子顕微鏡室・共通放射線実験室（ＲＩ）・電子計算機室・第１期（昭和３２年〜昭和５５年）
量子論に基づいた物質の物理的・化学的性質に関する学

工作室）の５大部門制と２施設への移行が実施され、そ問が日本でも昭和初期に盛んになり、戦時中という状況下でして、客員部門も増設され、大型装置を利用しての共同

も物性論研究が意欲的に進められていた。しかし、終戦後利用研究も推進された。

の経済全般の荒廃の中で、研究機関の窮状は甚だしく、世極限物性部門は極限物性研究のための独自技術開発に界的水準には遠く及ばないものであった。昭和２５年の湯川重点をおき、世界的な極限値での実験環境を実現させた。

秀樹博士のノーベル賞受賞を契機として、科学技術発展へ

軌道放射部門では田無キャンパスにあった既存の実験施の機運が高まり、研究者が共同で利用できる研究所設立の設以外に、高エネルギー物理学研究所の放射光施設に物動きが起こり、学術会議から国に対して勧告が出された。そ性研究所分室を設け、高精度・高分解能の放射光物性実れを受けて、昭和２８年京都大学基礎物理研究所設立、昭験設備を設置し、共同利用に提供した。そして、新たな

和３０年東京大学原子核研究所設立、昭和３２年東京大学

高輝度光源計画を立案することとなった。中性子部門で物性研究所設立、となった。初代研究所長として、物性研

は日米科学協力協定を結んで、ブルックヘブン研究所及究所は設立準備段階から関わった茅誠司を迎えた ( 後東京びオークリッジ研究所に物性研究所の実験装置を設置し、大学総長 )。物性科学の基礎研究者ばかりでなく、工業界

実績を上げた。また日本原子力研究所の研究用３号炉のからの期待も背負って、物性科学研究の世界的水準への引改造に伴い、東海村の中性子散乱研究設備の大幅な性き上げと同時に、全国共同利用研究所として日本中の研究

能向上が図られ、東海村共同利用宿泊施設とともに、全者への研究環境の提供という大きな目的を課せられた。

国の中性子物性グループに実験環境を提供した。理論部

当初の２０部門 ( 後２２部門 ) ＊には物理 ･ 化学 ･工学の門と凝縮系部門は自由な発想による研究と新たな萌芽の研究者がその分野を越えて集められ、大型計算機室やヘリ育成を目的にして研究室単位で運営された。その中で高ウム液化室を含む１０実験室＊＊、工作室、エレクトロショッ

温超伝導研究の進展から、新物質開発計画が提唱され、

プ、共同利用宿泊施設という陣容に日本全国の物性研究者

化学分析室と試料作成室を統合した物質開発室が平成元の希望が託された。さらに昭和５０年には軌道放射物性実

年新物質開発部門に発展した。

験施設が加わった。

部門制への移行で、よりダイナミックに研究が展開され、物性科学の跳躍的発展が応用技術を媒体として、日本の先端研究と共同利用という二つの目的を遂行した。

経済復興に密接に結びついている歴史を振り返ると、この時期の物性研究所の果たした役割には多大なものがある。

第３期（平成８年〜平成１８年）
政府関係機関の地方移転の促進が唱えられ、その一環として物性研究所の移転が要請された。この状況を踏まえて移転を前提とした新たな将来構想が検討された。第３期では物質科学の総合的研究を展開し、物性研究の国際的拠点を目指すこととなった。物性科学研究の基本である、１．物質軸 ２．研究手法軸 ３．概念軸 という三軸が有機的に関連して全体を構成するように改組された。
１．新物質科学研究部門 ２．物性理論研究部門 ３．
先端 領域研究部門 ( 平成１６年ナノスケール物性研究部
門に変更 ) ４．極限環境物性部門 ５．先端分光研究部
門、６．付属施設：中性子散乱研究施設 ( 平成１５年中性子科学研究施設に改組 )、 軌道放射物性研究施設、物質設計評価施設、国際強磁場実験施設（１８年度設置）
７．
共通実験室（工作室・液化室・放射線管理室）
平成１２年、４３年間活動を展開した六本木キャンパス
から、東京大学柏キャンパスへ全面移転が完了した。平
成１６年に国立大学法人東京大学になり、より開かれた研究所としての活動を期待されている。

＊ 電波分光・理論Ⅱ・結晶Ⅰ・誘電体・光物性・極低温・磁気Ⅰ・半導体・分子格子欠陥・塑性・放射線物性・結晶Ⅱ・理論Ⅰ・固体核物性・界面物性・磁気Ⅱ・非晶体（無機物性）
・超高圧・理論Ⅲ・
中性子回折・固体物性（客員）：設置順＊＊低温液化室・化学分析室・試料作成室・電子顕微鏡室・超高圧共通実験室・強磁場実験室・共通放射線実験室（ＲＩ）・電子計算機室・中性子回折共通実験室・サイクロトロン実験室

第２期（昭和５５年〜平成８年）
科学技術の急速な発展と経済の復興にともない、全国の大学の物性研究環境も整ってきた。設立以来２０年を経過した物性研究所は、将来計画が議論され、大幅な変革がなされた。研究所の拡張・組織増ではなく、研究所の体制あるいは体質改善、即ち、物性研究の網羅ではなく、重点化と機動性を図る基本方針が決定され、次のように改組された。
１．極限物性部門：（超強磁場・超低温・極限レーザー・
超高圧・表面）２．軌道放射物性部門 ３．中性子回折物
性部門 ４．凝縮系部門 ５．理論部門 ６．２付属実験
施設：軌道放射物性研究施設・中性子散乱研究施設、７．
共通実験室（低温液化室・化学分析室・試料作成室・電4
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

Historyin addition to the facility in Tanashi Campus of the

The ﬁrst period (1957-1980)
Physical and chemical properties of materials

University of Tokyo. The Division of Neutron Dif-

were studied actively in Japan before and even dur-

fraction maintained experimental facilities in theing World War II. After the end of World War II,

Brookhaven and Oak Ridge National Laboratories.

however, the research activity in Japan could not

During renovation of the research reactor of the Ja-

regain the international level, because of the dif-pan Atomic Energy Research Institute, the Neutron

ﬁcult conditions in existing research institutes. In

scattering facility of ISSP in Tokaimura was signiﬁ-

order to promote the development of science andcantly improved. These facilities were operated ontechnology in Japan, a movement arose for the es-

the basis of joint research, open for domestic re-tablishment of a central laboratory of material sci-searchers, and produced remarkable achievements.

ence. Based upon a recommendation of the Science

The Condensed Matter Division and the Theory

Council of Japan, the Institute for Solid State Phys-

Division maintained small groups motivated by

ics (ISSP) was established in 1957. The original mis-individual interests and ideas. These groups weresion of ISSP was to bring the level of scientiﬁc re-consolidated in a Material Development Division in

search in Japan back to the international level and1989 with the aim of exploring new materials andto share its facilities with all domestic researchers.

their novel properties.

At establishment, ISSP started with 20 divisions(later increased to 22 divisions), ten experimental

The third period (1996-the present)

facilities (including the Computer Center and Cryo-In the context of transference of public institutes

genic Service Laboratory), and three supportingaway from the capital, the relocation of ISSP was

facilities. In addition, the Synchrotron Radiation

required. In connection with the relocation, a new

Laboratory was founded in 1975.

project aiming for an international research center supporting wide areas of material science was

The second period (1980-1996)

considered. The divisions and laboratories were re-

Accompanied by rapid development of scienceorganized, focusing on materials, methods, and re-and technology and economic recovery in Japan,

search concepts. Currently, ISSP has ﬁve research

universities had built up their own well-equipped

divisions (New Material Science, Condensed Matter

facilities. Twenty years after the establishment ofTheory, Nanoscale Science, Physics in Extreme

ISSP, the need to reorganize ISSP was discussed.

Conditions, and Advanced Spectroscopy) and four

The research system of ISSP was changed not only

research facilities (Neutron Science, Synchrotron

to extend research areas but also to improve mobil-

Radiation, Material Design and Characterization,

ity in research projects aiming intensive studies on

and International MegaGauss Science).

up-to-date research subjects. After the reorganiza-

The activity of ISSP in Roppongi finished 43

tion, ISSP had five divisions and two research fa-

years after the establishment. The relocation tocilities.

Kashiwa campus was completed in 2000. Mean-

The Division of Physics in Extreme Conditions

while the University of Tokyo was transformed into

aimed to develop original techniques, and succeed-a national university corporation in 2004. Now,

ed in realizing extreme experimental conditions of

ISSP is expected to play a new role as a joint re-

the world-record class. The Division of Synchrotron

search laboratory in a university corporation.

Radiation maintained the high-resolution spectroscopy facility in the Photon Factory at the HighEnergy Accelerator Research Organization (KEK)

5
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

年表 /Chronology
昭和32年

1957

共同利用研究所として発足
Establishment of ISSP as a joint research laboratory
電波分光 ･ 理論第２部門､ 理工研から振替：結晶第１部門新設
Opening of the Radio and Microwave Spectroscopy, Theory II, and Crystallography I divisions

昭和33年

1958

誘電体・光物性部門、理工研から振替
Opening of Ferroelectrics and Quantum Electronics, and Optical Properties divisions
極低温 ･ 磁気第１部門増設
Opening of Low Temperature and Magnetism I divisions

昭和34年

1959

半導体 ･ 分子 ･ 格子欠陥 ･ 塑性 ･ 放射線物性部門増設
Opening of Semiconductor, Molecular Physics, Lattice Imperfections, Plasticity, andNuclear Radiation divisions

昭和35年

1960

結晶第２･ 理論第１･ 固体核物性 ･ 界面物性部門増設
Opening of Crystallography II, Theory I, Solid State Nucleus, Surface Properties, andMolecular Science divisions
物性研究所開所式
Inauguration of ISSP

昭和36年

1961

磁気第２･ 非晶体 ･ 超高圧 ･ 理論第３部門 ･ 増設､ ２０部門となる
Opening of Magnetism II, Solid Materials, High Pressure, and Theory III divisions. Total ２０ divisions

昭和40年

1965

非晶体部門を無機物性部門に名称変更
The Solid Materials division was renamed as the Inorganic Materials division

昭和44年

1969

共同利用研究員宿泊施設竣功
Guest house completed
中性子回析部門部門増設
Opening of the Neutron Diﬀraction division

昭和47年

1972

固体物性部門（客員部門）増設（２２部門となる）
Opening of the Solid State division (visiting staﬀ), resulting in 22 divisions in total

昭和50年

1975

軌道放射物性研究施設設置
Foundation of the Synchrotron Radiation Laboratory

昭和54年

1979

超低温物性研究棟竣功
The Ultra-Low-Temperature Laboratory building completed

昭和55年

1980

従来の２２部門が極限物性部門（超強磁場、極限レーザー、表面物性、超低温物性及び超高圧）、
軌道放射物性部門、中性子回折物性部門、凝縮系物性部門ならびに理論部門の５大部門及び客員部
門１に再編成される
Reorganization of ISSP from 22 small divisions to ﬁve large divisions, Physics in Extreme
Conditions (including ultra-high magnetic field, laser physics, surface science, ultralow temperatures and very high pressure laboratory), Synchrotron Radiation, Neutron
Diﬀraction, Condensed Matter and Theory Divisions and one Visiting Staﬀ Division

昭和57年

1982

超強磁場 ･ 極限レーザー実験棟竣功
The Ultra-High Magnetic Field Laboratory and the Laser Laboratory building completed

6
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

平成元年

1989

新物質開発部門（時限１０年）が増設され､ ６大部門となる
Opening of the Materials Development Division
第１回ＩＳＳＰ国際シンポジウム ｢有機超伝導体の物理と化学｣ 開催（以降数年ごとに開催）
The 1st ISSP International Symposium on "The Physics and Chemistry of Organic Superconductors"

平成5年

1993

中性子散乱研究施設の新設
Foundation of the Neutron Scattering Laboratory

平成6年

1994

中性子散乱研究施設共同研究員宿泊施設竣功
Guest house for visitors to the neutron scattering laboratory completed

平成7年

1995

外部評価が実施される
Evaluation of scientiﬁc achievements of ISSP by the external committee

平成8年

1996

新物質科学､ 物性理論､ 先端領域､ 極限環境物性､ 先端分光の５大研究部門と軌道放射研究施設、
中性子散乱研究施設に新たに物質設計評価施設を加えた３施設に再編される
Reorganization into five divisions; New Materials Science, Condensed Matter Theory,
Frontier Areas Research, Physics in Extreme Conditions and Advanced Spectroscopy
divisions, and three facilities; Synchrotron Radiation, Neutron Scattering and Materials
Design and Characterization Laboratories
東京大学柏キャンパスにおける物性研究所実験棟一部着工
Construction of the new ISSP buildings at Kashiwa started

平成9年

1997

中性子散乱研究施設で外部評価が実施される
Evaluation of activities of the Neutron Scattering Laboratory by the external committee

平成11年

1999

柏キャンパスへの移転開始
Relocation to the Kashiwa campus started

平成12年

2000

移転完了
Relocation completed

平成13年

2001

外国人客員新設
Opening of foreign visiting professorship

平成15年

2003

中性子散乱研究施設が中性子科学研究施設に改組
Reorganization to the Neutron Science Laboratory from the Neutron Scattering Laboratory
物質設計評価施設で外部評価が実施される
Evaluation of activities of the Material Design and Characterization Laboratory by theexternal committee

平成16年

2004

東京大学が国立大学法人東京大学となる
The University of Tokyo has become a national university corporation
先端領域研究部門をナノスケール物性研究部門に名称変更
Division of Frontier Areas Research was renamed as Division of Nanoscale Science

平成17年

2005

外部評価が実施される
Evaluation of scientiﬁc achievements of ISSP by the external committee

平成18年

2006

国際超強磁場科学研究施設の新設
Foundation of the International MegaGauss Science Laboratory

7
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

組織

Organization
所員会（教授会）
Faculty

共同利用施設専門委員会

Advisory Committee for Joint Research

柏地区事務部

Administrative Oﬃce

人事選考協議会

Selection Committee

共通施設

Supporting Facilities

低温液化室

Cryogenic Laboratory

工作室

Model Shop

放射線管理室Radiation Safety Laboratory

図書室

Library

ストックルーム
Stock Room

国際交流室

International Liaison Oﬃce

物性研究所は、東京大学の附置研究所であると同時

運営
Administrationに、全国物性科学研究者のための共同利用研究所でもある。研究所の運営は、教授及び助教授から構成される所員会の議決を経て所長が行うが、同時に共同利用
施設の運営については、東京大学の内外からほぼ同数の委員により組織された物性研究所協議会が所長の諮問に応じて意見を述べ、外部研究者の要望を伝達する機能を果たしている。更に所員会の下部組織として物性研内外の委員よりなる共同利用施設専門委員会が設けられ、共同利用、施設利用、研究会などの実行計画を審議している。
物性研究所の研究体制は５研究部門、４研究施設、客員部門、外国人客員部門よりなる。このうち軌道放射物性研究施設に関しては茨城県つくば市の高エネル
ギー加速器研究機構内に施設分室が置かれており、中性子科学研究施設の実験装置は茨城県東海村の日本原子力研究所内にある研究用原子炉に設置されている。
また所内研究者や共同利用者が共通に利用できる施設
として低温液化室、工作室、放射線管理室、図書室、国際交流室などが置かれている。
本研究所の教授、助教授、助手の人事はすべて公募
され、物性研内外ほぼ同数の委員よりなる人事選考協
議会の議決を経て所員会で決定される。なお、一部の職には任期がついている。

8
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

所長

Director

協議会

ISSP Advisory Committee

附属施設

研究部門

Research Facilities

Research Divisions

客員

Visiting Staﬀ

外国人客員
軌道放射物性研究施設

新物質科学研究部門

Synchrotron Radiation Laboratory

Foreign Visiting Staﬀ

Division of New Materials Science

運営委員会

Advisory Committee

物性理論研究部門

Division of Condensed Matter Theory

中性子科学研究施設

Neutron Science Laboratory

運営委員会

ナノスケール物性研究部門

Advisory Committee

Division of Nanoscale Science

物質設計評価施設

Materials Design and Characterization Laboratory

極限環境物性研究部門

Division of Physics in Extreme Conditions

運営委員会

Advisory Committee

国際超強磁場科学研究施設

先端分光研究部門

International MegaGauss Science Laboratory

Division of Advanced Spectroscopy

運営委員会

Advisory Committee

ISSP belongs to the University of Tokyo. At theAtomic Energy Research Institute, Tokai, Ibaraki.

same time, its facilities are open for all domestic

In addition, supporting facilities, which include

researches participating in joint research. The

Cryogenic Laboratory, Model Shop, Radiation

administrative decisions are made at the faculty

Safety Laboratory, Library and International Liai-

meeting chaired by the director and attended byson Oﬃce provide services to both in-house andprofessors and associate professors. The ISSP Ad-

outside users.

visory Committee, consisting of nearly equal members from and outside of the University of Tokyo

New research positions as professors, associate

to represent the interest of the outside users, gives

professors and research associates of ISSP are ad-advises on various aspects of administration uponvertised publicly. Candidates are selected by theinquiry of the director. The Advisory Committee

Selection Committee consisting of nearly equal

for Joint Research, consisting of both the in-housenumbers of in-house and outside members andand outside members, evaluates proposals forthen approved by the Faculty Meeting. A part ofjoint research, workshops, and allocation of fundposition has its own ﬁnite term of appointment.

for user activities.
Currently ISSP consists of five Research Divisions, four Research Facilities, Visiting Staﬀ Division and Foreign Visiting Staff Division. Amongthese, the Synchrotron Radiation Laboratory has
a branch in the High Energy Accelerator Research
Organization (KEK), Tsukuba, Ibaraki and the
Neutron Science Laboratory maintains apparatus installed at the research reactor in the Japan

9
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

共同利用と国際協力
Joint Research and International Collaboration
各種研究員制度

Domestic Joint Research
The facilities of ISSP are open to domestic re-

全国物性研究者に対し共同利用・共同研究を促進す
るため、次のような制度が設けられている。

searchers, who are encouraged to submit joint

1．共同利用̶̶̶所外研究者が本所の施設を使ってresearch proposals. In addition, the ISSP provides

研究を行いたい場合に、その便宜を図るための制度で

opportunities for young scientist including gradu-

ある。受け入れについては「共同研究」と「施設利用」

ate students across the country to do research forの 2 つの形態がある。

extended periods. The ISSP supports travel and2．留学研究員̶̶̶大学、官庁などの研究機関に在research expenses for visitors.
The supercomputer system of ISSP is used via

籍する若い研究者に対し、長期にわたる本所への留学

internet by domestic researchers.

の機会を提供する制度である。本所の所員の指導のもとで半年以上研究を行う大学院生を対象とした長期留学研究員と、新技術の習得などを目的として滞在する
若手研究者のための短期留学研究員の制度がある。
3．嘱託研究員̶̶̶所外研究者に本所の研究計画ならびに共同研究の遂行上必要な研究を嘱託し、あわせて本所施設の利用の便宜を図るための制度で、期間は６ヶ月以内としている。
また物性研スーパーコンピュータシステムはインター
ネットを通じて全国の物性研究者の利用に供されている。
年間を通じて物性研究所に来所する研究者の延べ人

採択件数および採択人数（共同利用の一般・物質合成・中性子・
スーパーコンピュータおよび留学研究員と嘱託研究員の合計）数はおよそ 14,300 人・日（2002 年度統計）である。

Number of subjects and researchers adopted to domestic joint research

共同利用研究員宿泊施設

Guest House
Visitors for joint research can stay in the guest

共同利用のため外来研究者は、柏キャンパス内のhouse in the Kashiwa campus (single 28, twin 2

宿泊施設を利用することが出来る。（シングル 28 室、

rooms).

ツイン２室）

短期研究会

Workshop

物性研究上興味深い特定テーマについて２〜３日程

ISSP holds domestic workshops on speciﬁc sub-度の研究会を開き、集中的な討議を行うための制度でjects of condensed matter science typically with aある。全国の物性研究者の申請に基づき、共同利用施

two to three-day schedule and one hundred par-設専門委員会によって採択が審議決定される。

ticipants. Proposals for workshops are submitted
from researchers over the country and selected by
the Advisory Committee for Joint Research.

※以上の共同利用制度の詳細については本所共同利用係にお問い合わせください。
なお、３ヶ月毎に（平成 15 年度〜）発行されている「物性研だより」には、各種共同利用の公募や短期研究会の報告などが掲載されています。

短期研究会

workshops

10
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

国際交流・ISSP 国際シンポジウム International Activities and ISSP International Symposium
物性研究所は国際交流のセンターとしても重要な役

ISSP plays an important role as an international

割を担っている。1989 年から始まった ISSP 国際シ

center of condensed matter science. The table

ンポジウムのテーマおよび参加者数が表に示されていshows the title and the number of participants ofるが、今後も約２年に１回の開催が予定されている。

the ISSP International Symposium, which started

また物性研究所の特徴ある設備を活用した国際共同研in 1989 and is scheduled once in about every

究も活発に行われており、文部科学省の外国人研究員

two years. The unique facilities of ISSP have been

制度が利用されている。さらに 1981 年以来、中性子

used in many international collaborations. Many

散乱に関する日米協力事業の実施機関の役割を果たし

foreign researchers have been spending their earlyている。2003 年からは少し規模の小さい ISSP 国際

careers at ISSP supported by various fellowship

ワークショップも始まった。

programs sponsored by the Japan Society for Promotion of Science, the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, and otheragencies. ISSP has also

been coordinating theJapan-US cooperative research program on neutron scattering since 1981. A smaller scale international meeting, the ISSP international workshop,
started in 2003.

●テーマ
Title

第1回
1st
第2回
2nd
第3回
3rd
第4回
4th
第5回
5th
第6回
6th
第7回
7th
第8回
8th
第9回
9th

●開催期日
Date

有機超伝導体の物理と化学
The Physics and Chemistry of Organic Superconductors
酸化物超伝導体の物理と化学
The Physics and Chemistry of Cuprate Superconductors
固体表面における動的過程
Dynamical Processes at Solid Surface
強磁場における最前線
Frontiers in High Magnetic Field
レーザー物理と分光学の最前線
Frontiers in Laser Physics and Spectroscopy
高輝度光源を利用した物性研究の最前線
Frontiers in Synchrotron Radiation Spectroscopy
中性子散乱を利用した物性研究の最前線
Frontiers in Neutron Scattering Research
強相関電子系研究の最前線
Correlated Electrons
量子凝縮系研究の新展開
Quantum Condensed System

ISSP 国際シンポジウム

第1回
1st
第2回
2nd
第3回
3rd

1989.8.28 - 30

205 (34)

1991.1.16 - 18258 (11)

1992.4.21 - 23

162 (23)

1993.11.10 - 12

191 (38)

1995.11.8 - 10

182 (22)

1997.10.27 - 30

106 (21)

1998.11.24 - 27

130 (20)

2001.10.2 - 5

200 (25)

2004.11.16 - 19

120 (23)

ISSP International Symposium

●テーマ

●開催期日

Title

Date

メソ系及び低次元系での量子輸送
2003.8.13 - 21
Quantum Transport in Mesoscopic Scale and Low Dimensions
ゲルシンポジウム
2003.11.18 - 21
Gel Symposium
計算物理による量子臨界現象へのアプローチ
2006.7.17 〜 8.11
Computational Approaches to Quantum Critical Phenomena

ISSP 国際ワークショップ●参加者数 ( 外国人 )Participants(overseas)

ISSP International Workshop

11
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

●参加者数 ( 外国人 )Participants(overseas)

130 (20)150 (15)100 (15)

教育 / Education
物性研究所では、特色ある施設を利用して物性科学

ISSP contributes to the graduate education inに関連した大学院教育に力を注いでいる。物性研究所

condensed matter science using its unique facili-の教員は、研究分野に応じて、東京大学大学院理学系

ties. The faculties participate in the following de-

研究科物理専攻、化学専攻、地球惑星科学専攻、工学

partments of the graduate school of the University

系研究科物理工学専攻、あるいは新領域創成科学研究of Tokyo: Physics, Chemistry, Earth and Planetary

科物質系専攻に属しているが、これらの従来の枠を越Science, Applied Physics and Advanced Materi-

えた総合的視野に立つ若い物性科学研究者の養成に努

als. However, students are encouraged to develop

力している。物性研究所では、例年、物性科学入門講

their careers across the established disciplines. Ev-

座と大学院進学希望者のためのガイダンスを実施して

ery year introductory lectures on condensed mat-いる。

ter science and a guided tour are given to those
who are interested in graduate courses in ISSP.

修士課程

博士課程

Doctor Course

2003 年

2004 年

2005 年

2006 年

2003 年

2004 年

2005 年

2006 年

Physics

31

27

39

54

19

24

20

29

Chemistry

物理学専攻
化学専攻

Master Course

2

5

9

8

6

6

6

3

地球惑星科学専攻 Earth & Planet. Sci.

3

1

1

2

0

1

1

1

物理工学専攻

14

12

12

12

12

9

10

7

27

30

38

39

8

9

10

8

77

74

99

115

45

49

47

48

2004

2005

物質系専攻

App. Phys.
Adovanced Materials
合計

過去４年の専攻別大学院生数

Number of graduate students

論文統計 / Publication
600

物性研究所では、年間 350 から 500 編前後の学術文500献を発表している。2005 年度の学術文献 386 編の内訳
は、学術論文 299、会議録 46、解説記事 30、本（また400は本の一部）11 となっている。
300

About 350 to 500 scientific issues are published200

through annual activity in ISSP. The 386 articles

100

published in 2005 consist of 299 papers in refereed
journals, 46 proceedings, 30 reviews, 11 books.

0
2001

2002

2003

年間発表論文数（プロシーディング・解説記事含む）
Number of Scientiﬁc Papers (including proceedings and reviews)

12
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

予算 / BUDGET
平成１７年度（2005 fiscal year)
（D）
（C）
（E）
（A）
（B）

（A）人件費：文部科学省より（B）物件費：文部科学省より（C）奨学寄付金：民間等より（D）受託研究・共同研究：民間・他省庁等より（E）科学研究費：文部科学省より（A）Regular Budget (Personnel) from Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology（B）Regular Budget (Non-Personnel) from Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology（C）Grant-in-Aid from Private Industries（D）Grant-in-Aid from Governmental Agencies and Private Industries（E）Grant-in-Aid from Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, etc.

（A）

（B）

（C）

（D）

（E）

計

人件費

物件費

奨学寄付金

受託研究・共同研究

科学研究費

Total

平成17年度(2005)

1,374,411

1,982397

18,09080,620528,100

3,983,618

平成16年度(2004)

1,341,540

2,162,225

13,18069,574448,100

4,034,619

平成15年度(2003)

1,502,097

2,130,210

21,950149,079

348,500

4,151,836

平成14年度(2002)

1,527,173

2,237,894

6,584

61,352

344,700

4,177,703

平成13年度(2001)

1,571,857

2,095,185

14,376112,369

258,000

4,051,787

平成12年度(2000)

1,543,996

2,230,226

8,501

112,237

216,873

4,111,833

平成11年度(1999)

1,528,833

2,056,445

19,298100,200

192,600

3,897,376（単位：千円） (Unit：Thousand Yen)

予算額の推移

教職員数 / Staff Members
平成18年度採用可能数は、以下のとおりである。なお、（
FY2006 Number of staﬀs
教授
Professors
定員
Number of staﬀs

24 (4)）内は客員。

( )：visiting staﬀ
助教授
助手
技術職員
事務職員（柏地区全体）
Associate Professors Research Associattes Technial Associates Administrative Oﬃcials
28 (4)

40

36

13
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

69

合計
Total
197 (8)

新物質科学研究部門
Division of New Materials Science

酸化物高温超伝導体、フラーレンやカーボン
ナノチューブ、有機伝導体などの例に見られるように、「新物質」の発見はこれまでに何度となく物質科学の新しい局面を開いてきた。新奇な物性現象の発見はまた将来の新しい素材やデバイスの開発にもつながる。新物質科学研究部門
では、新しい物質を合成し、高度な技術を用いてその性質を測定することにより、新しい物質
観につながる物性現象を発見し解明することを目標としている。当部門は現在６つの研究室から成り、各研究室は自由な発想のもとに高品質の試料作成や精密物性測定、新しい物性測定技
術の開発などを行いつつ、物性測定グループと試料作成グループとの部門枠を越えた連携も心がけている。特に物質設計評価施設とは強い協力関係を保ちながら研究を推進している。当部門では現在、遷移金属酸化物、重い電子系物質、有機伝導体など強い電子相関を示す物質におけるスピン、軌道、電荷の秩序や揺らぎの効果がもたらす多彩な現象の解明を主要なテーマの１
つとしており、高圧下における物質合成や構造解析、極低温における輸送現象測定、精密磁化・比熱測定、核磁気共鳴、光学伝導度などにおいて高度な実験技術を駆使した研究が進められて
いる。

教

授

八木

健彦

助

手

D i s c o v e r i e s o f n e w m at e r i a l s h av e o f t e n
opened new horizons in materials science. Hightemperature oxide superconductors, carbon clusters
and nanotubes, and organic conductors are good
examples. New materials also lead to the future
development of new devices and technologies. The
goal of the Division of New Materials Science is to
uncover novel phenomena that lead to new conceptsof matter, through combined efforts of search,
synthesis and characterization of new materials.
Currently, our division consists of six groups.
Although each group has its own research styleand projects, we try to maintain close collaboration
between those groups working on production of highquality materials and those working on advanced
technology for measuring physical properties. In
particular, we keep strong collaboration with theMaterials Design and Characterization Laboratory.
One of the subjects of our current intensive researchis the effects of strong electronic correlation, inparticular, various ordered phases and fluctuations
involving spin, charge and orbital degrees of freedom,in transition metal oxides, heavy electron systems,
f-electron compounds and organic conductors.
Here, various advanced experimental techniques are
employed, such as high-pressure synthesis, structuralcharacterization, transport, magnetic and calorimetricmeasurements, nuclear magnetic resonance andoptical measurements.

岡田卓

Professor

Takehiko YAGI

Research Associate

Taku OKADA

教

瀧川

助

吉田

授

Professor

教授

Professor

仁

Masashi TAKIGAWA

榊原俊郎

Toshiro SAKAKIBARA

裕之

手

誠

Research Associate

Makoto YOSHIDA

助

井澤

手

公一

Research Associate

Koichi IZAWA

助

田山

手

孝

Research Associate

Takashi TAYAMA助

三田村 裕幸手

Research Associate

Hiroyuki MITAMURA

助

松田

助教授

田島

Associate Professor

Hiroyuki TAJIMA

Research Associate

Masaki MATSUDA

助教授

森

教 務 職 員村山

Associate Professor

Hatsumi MORITechnical Associate

Chizuko MURAYAMA

助教授

中辻

技術専門職員後藤

Associate Professor

Satoru NAKATSUJI

Technical Associate

Hirotada GOTO

初果
知

手

14
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

真生
千壽子
弘匡

新物質科学研究部門 Division of New Materials Science
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

八木研究室

教

Yagi Group

授

八木

健彦

Professor

Takehiko YAGI

助

岡田

手

Research Associate

卓Taku OKADA

High-pressure and high-temperature conditions, morethan 100 GPa and up to several thousand degrees, are createdin the laboratory and properties of materials under these
extreme conditions are studied. Pressure is one of the mostbasic parameters that controls property of materials. In theuniverse, very wide range of pressure conditions exist andmaterials change their properties dramatically dependingon the pressure. What we know about materials at ambientcondition are only a very small portion of the entire property.
For better understanding of materials, we are carrying out highP-T in-situ X-ray diffraction, as well as other physical property
measurements, and electron microscopy of recovered samples.
Synthesis of new materials using high-pressure conditions, andthe study of the Earth’s deep interior are also carried out.

100 万気圧、数千度を越す超高圧高温状態を実験室内で発生させ、さまざまな物質の極限条件下における結晶
構造や物性を研究するとともに、高圧力を利用した新物質の探索や、地球・惑星深部物質の研究を行っている。
圧力は温度と共に物質の状態を変化させるもっとも基本的なパラメータのひとつである。宇宙には超高圧から
超低圧（超高真空）まで広い圧力の世界が拡がっており、物質はその置かれた圧力に応じてその姿を大きく変える。
１気圧下でわれわれが見ている「物質」は、それが本来持つ多様な側面のひとつに過ぎず、物質の真の理解には広い圧力領域での研究が不可欠である。本研究室では、超高圧高温下におけるＸ線回折実験や物性実験、回収試料の電子顕微鏡観察などを通して、物質の多様な姿を明らかにすると共に、高圧力を利用して、常圧下では作ることができない新しい物質を合成したり、地球や惑星の深部に存在すると考えられている物質の構造や性質を明らかにする研究を推進している。

レーザー加熱ダイヤモンドアンビル装置を用いた超高圧高温実験の様子。2 個のダイヤモンドに挟んで 100 万気圧を超す圧力を加えた試料に、YAG レーザー光を照射し数千℃まで加熱する。

約 150 万気圧で観測された NaAlSiO4 の粉末Ｘ線回折パターンで、加圧・加熱に伴い、さまざまな変化が観察された。シンクロトロン放射光を用いることにより、超高圧下でも精密に結晶構造や格子を決定することができる。

High pressure and high temperature experiment using laser-heateddiamond anvil apparatus. A sample is squeezed between two diamonds andheated up to several thousand degrees by YAG laser irradiation.

High pressure in situ X-ray diffraction pattern of NaAlSiO4 obtained atabout 150 GPa. Various changes of the diffraction are found up to thispressure. Combination with synchrotron radiation made it possible to gethigh quality data under these extreme conditions.

研究テーマ Research Subjects
1. 酸化物や金属、地球・惑星深部物質等の超高圧高温下における相転移や物性の研究
Studies on phase transformation of oxides, metals and Earthʼs deep materials under high pressure and temperature
2. 高圧環境を用いた新物質の探索研究
Synthesis of new materials using high-pressure conditions
3. 超高圧高温実験技術の開発
Development of high pressure and temperature experimental techniques

15
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 Division of New Materials Science
http://masashi.issp.u-tokyo.ac.jp

瀧川研究室

教

Takigawa Group

瀧川

授

仁

Professor

Masashi TAKIGAWA

助

吉田

手

Research Associate

誠

Makoto YOSHIDA

We use nuclear magnetic resonance (NMR) as the major
experimental tool to investigate exotic phenomena caused bystrong electronic correlation in solids. A remarkable feature ofstrongly correlated electron systems is the competition among
various kinds of ordering such as superconductivity, ferroor antiferromagnetism, charge and orbital order. Quantum
phase transitions between these ground states can be causedby changing the external parameters such as magnetic field orpressure. Nuclei have their own magnetic dipole and electric
quadrupole moments, which couple to the magnetic field orelectric field gradient produced by surrounding electrons.
This makes NMR a powerful local probe for microscopic
investigation of the exotic order and fluctuations of multiple
degrees of freedom of electrons, i.e., spin, charge and orbital.
We use various NMR spectrometers in different environment(low temperature, high magnetic field and high pressures) toinvestigate transition metal compounds, rare earth compounds,
and organic solids.

核磁気共鳴法（ＮＭＲ）を主な実験手段として、固体内の強い電子間相互作用に起因する現象を研究している。
強相関電子系では、超伝導、強 ( 反強 ) 磁性､ 電荷秩序、
軌道秩序といった多彩な秩序状態が拮抗しており、磁場 ･圧力などの外的条件を変えることでこれらの間の量子相転移が起こり得る。原子核は固有の磁気モーメントや電気四重極モーメントを持っており、これらは周囲の電子が作る磁場や電場勾配を感じている。このためＮＭＲは、
固体内電子のスピン、電荷、軌道などの自由度が絡み合って現れる特異な秩序状態や揺らぎの性質を、ミクロに探る有力な実験手段となる。我々は色々な特色を持つパルスＮＭＲ測定装置を整備し、低温・強磁場・高圧などの外的環境条件と組み合わせて、遷移金属化合物、希土類化合物や有機固体を対象とした研究を行っている。

上田寛研究室（物質設計評価施設）で合成された針状単結晶から得られた 190K における高温金属相の 51V NMR ス
ペクトル。10.5 テスラの磁場を面内で回転したときの変化を示す。一つのサイトの共鳴線は電気四重極相互作用により 7 本に分裂する。
51
V NMR spectra at T=190 K (high temperature
metallic phase) obtained from a needle-shape single
crystal synthesized in the Y. Ueda’s laboratory(Materials Design and Characterization Laboratory).
Magnetic field of 10.5 T was rotated in the ac-plane.
A single site yields seven resonance lines split by theelectric quadrupole interaction.

190K におけるナイトシフトの角度依存性。 方向に隣り合うサイトの間に顕著なシフトの違いがあり、金属相であるにも関わらず、電荷分布の大きな濃淡が伝導軸方向に存在することを示している。

金属絶縁体転移を示す擬１次元伝導体 β-Sr0.33V2O5 の高温金属相における結晶構造。 軸方向に２倍周期で Sr が秩序化することにより、６種類のバナジウムサイトが生じる。

The crystal structure of the high temperature metallic phase of thequasi one-dimensional conductor β-Sr0.33V2O5, which exhibitsa metal-insulator transition. Ordering of Sr atoms doubling theperiodicity along the b-axis results in six inequivalent vanadiumsites.

Angular dependence of the Knight
shift at T=190 K. The pronounced
difference of the Knight shift between
the two sites neighboring along theb-axis indicates a large modulation ofelectronic charge distribution along
the conducting direction even in themetallic phase.

研究テーマ Research Subjects
1. 低次元、フラストレート・スピン系のダイナミクスと量子相転移
Dynamics and quantum phase transitions in low dimensional or frustrated spin systems
2. 特異な超伝導体
Exotic superconductors
3. 強相関電子系における電荷・軌道・多極子の秩序と揺らぎ
Ordering and ﬂuctuations of charge, orbital, and multipoles in strongly correlated electron systems
4. 磁性有機伝導体におけるスピンと電荷のダイナミクス
Spin and charge dynamics in magnetic organic conductors

16
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 Division of New Materials Science
http://sakaki.issp.u-tokyo.ac.jp

榊原研究室
Sakakibara Group

教

授

榊原

俊郎

Professor

Toshiro SAKAKIBARA

助

田山

手

孝

Research Associate

Takashi TAYAMA

助

三田村

手

Research Associate

裕幸

Hiroyuki MITAMURA

Magnetic phenomena in condensed matter extend over awide temperature range. In some systems like heavy fermions,interesting magnetic behavior is quite often observed at low
temperatures much below 1 K, where ordinary magnetic
measurements are difficult and not much work has been doneyet. Our research interest lies in those magnetic materials having
low characteristic temperatures, such as f electron compounds,
heavy fermions, quantum spin systems and geometricallyfrustrated spin systems. In order to study these systems, wehave developed high sensitivity magnetometers which can be
operated at very low temperatures down to ~30 mK, and angleresolved magnetization and specific heat measuring systems inrotating magnetic fields which are powerful tools for detecting
various anisotropic properties.

物質の示す磁気現象は広い温度範囲にわたっている。
その中で重い電子系などある種の物質系では 1 ケルビンよりも遙かに低い温度領域で興味深い性質を示す場合がある。このような温度領域では通常の磁気測定手段を適用することが困難なため未開拓の課題も多く、新しい物性現象が期待される。当研究室ではこのような低い特性
温度を持つ様々な物質系の磁気物性の研究を行っている。
具体的には f 電子化合物や重い電子系、量子スピン系およびフラストレートスピン系などが研究対象で、磁化や比熱測定を主な実験手段として研究している。この目的のために、我々は 30 ミリケルビンの極低温まで磁化測定が可能な高感度の磁力計や、様々な磁気異方性の検出に有効な角度分解の磁化測定装置・磁場中比熱測定装置など、独自の装置開発も行っている。

極低温ファラデー磁力計に用いるキャパシタンス荷重計。最低温 30 mK で 15 Tまでの磁化測定が可能である。

角度分解磁化測定装置で測定したスピンアイス化合物 Dy2Ti2O7 の 0.3K における磁化の磁場方向依存性。[111] 方向を中心に、アイスルールを破るスピンフリップ
転移が観測されている。

Force-sensing capacitance cell used for the low temperature Faradaymagnetometer. Magnetization measurements can be done at low
temperatures down to 30 mK and in magnetic fields up to 15 T.

Field angle dependence of the magnetization of the spin-ice compoundDy 2 Ti 2 O 7 obtained at 0.3 K by an angle-resolved magnetization
measurement system. Ice-rule breaking spin flip transitions can be seenaround the [111] direction.

研究テーマ Research Subjects
1. 重い電子化合物の磁性と超伝導
Magnetism and superconductivity in heavy electron systems
2. 希土類化合物における多重極秩序
Multipole orderings in f electron systems
3. フラストレートスピン系の基底状態
Ground state properties of geometrically frustrated spin systems
4. 量子スピン系の基底状態
Ground state properties of quantum spin systems

17
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 Division of New Materials Science
http://tajima.issp.u-tokyo.ac.jp

田島研究室
Tajima Group

助教授

田島

Associate Professor

Hiroyuki TAJIMA

助

松田

手

Research Associate

裕之
真生

Masaki MATSUDA

Our main subject is electrical properties on molecularassemblies especially on organic thin films and conducting
molecular crystals.
Organic thin films: In this subject, we are especially interested
in MIM (Metal-Insulator-Metal) junction. In spite of its
simple structure, MIM junction exhibits various interesting
phenomena, such as electroluminescence, photovoltaic effect. Bychanging insulating material and metal electrodes, tremendous
variations are possible in this device. In 2003, we succeeded infabricating a biomolecular light-emitting diode (BIODE) for
the first time. Subsequently, we are intensively studying BIODE
devices using various materials and experimental techniques.
Conducting molecular crystals: We are interested in chargetransfer salts of iron phthalocyanine and their derivatives. We
are studying their magnetic and electrical properties in order toinvestigate the effects of d-π interaction in this system.

分子集合体（特に有機薄膜および有機伝導体結晶）を対象とした電子物性の研究を行っている。
有 機 薄 膜 の 研 究 で は、 特 に MIM（Metal-InsulatorMetal）接合に興味を持っている。この接合は、最も単純なナノデバイスであるとともに、電界発光、光起電力をはじめとする各種現象が知られている。また接合に用いる金属、有機薄膜の種類を変えることにより、無限のバ
リエーションが可能である。われわれは、生体関連物質を用いた、EL 素子（BIODE）の作製に 2003 年に初めて成功した。電界発光の実験では、この成果を受けて、ポルフィリン化合物を含む各種生体関連物質を用いた研究を進めている。
有機伝導体結晶の研究では、伝導性鉄フタロシアニン
塩およびその関連物質を中心に、伝導を担うπ電子と磁性を担う d 電子の競合に由来する各種の現象を探索している。

TPP[FePc(CN)2]2 の磁気トルク

生体発光ダイオード中の hemin（ヘムを含む低分子）の電圧誘起転移

Voltage induced transition of hemin (a small molecule containing heme) in
BIODE

Magnetic torque of TPP[FePc(CN)2]2 salt

研究テーマ Research Subjects
1. 生体発光ダイオードの作製および物性測定
The fabrication and characterization of BIODE (Biomolecular-Light-Emitting Diode)2. 有機光起電力デバイスの作製および物性測定
The fabrication and characterization of organic photovoltaic devices
3. 伝導性フタロシアニン錯体の作製および物性測定
The synthesis and characterization of conducting charge-transfer crystals of phthalocyanine

18
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 Division of New Materials Science
http://hmori.issp.u-tokyo.ac.jp

森研究室

助教授

森

Associate Professor

Hatsumi MORI

初果

Mori GroupThe development and structural and physical properties
for molecular functional materials like molecular conductors,
magnets, and dielectrics have been studied. The attractive pointsof molecular materials are 1) that there is a variety of materials
since a few million kinds of molecules have been synthesized
so far, 2) that molecules and intermolecular interactions aredesignable and controllable, 3) that large response of externalpressure and electron-phonon coupling are observed due tosoftness of molecules, and 4) that large Coulomb interactions(electron correlation) reflect the magnetism as well as
conductivity in molecular conductors.
Our group studies the curious molecular functional materials
based upon charge, lattice, spin, and molecular degree of
freedom by changing physical parameters with designed
molecules. Recently, we found new organic superconductors,
in which the superconducting state is competitive to thecharge ordered state owing to electron correlation and shape ofdesigned molecules. (See the figures.)

分子性導体、磁性体および誘電体などの機能性分子性物質の開発とその構造、物性の研究を行っている。分子性物質の魅力は、１）数百万種あると言われている分子が単位であるため、物質が非常に多様であること、２）
その分子および分子間相互作用が設計・制御可能である
こと、３）分子は非常に柔らかいため圧力応答が大きく、分子を媒介として電子―格子相互作用が大きいこと、４）
特に伝導体で電子間相互作用（電子相関）が大きく、伝導性に加え、スピンが顔を出した磁性が表に現れることなどが挙げられる。我々も、分子をデザインすることにより分子間相互作用および電子相関など物性パラメータを少しずつ変化させて、電荷、格子、スピンに加え、分子の自由度が現れる、分子性物質ならではの面白い機能性を研究している。最近、化学修飾した分子の形状と電子相関のため現れるチェッカーボード型電荷秩序相と、圧力下で超伝導相が競合する新しい有機超伝導体（図参照）を見出した。

新規有機超伝導体 β-(
DMBEDT-TTF)2PF6 の電気抵抗の圧力依存性。常圧下、90 K で金属―絶縁体転移を起こすが、加圧と共に転移温度が降下し、4.0 kbar 下、
4.3 K で超伝導転移を起こす。

定電流電解法で作成した有機超伝導体 [κ-ET2Cu(NCS)2] の単結晶

Organic superconductor [κ-ET 2 Cu(NCS) 2 ] prepared by theelectrocrystallization method

Electrical resistivities under pressures for new organic superconductor,
β-(meso-DMBEDT-TTF)2PF6. The metal-insulator transition occurs at
90 K at 1 bar. By applying pressure, the transition was suppressed, andsuperconductivity was found at 4.3 K under 4.0 kbar.

研究テーマ Research Subjects
1. 新規有機伝導体および超伝導体の開発と構造・物性評価
Development and structural and physical properties of new organic conductors and superconductors
2. 有機―無機ハイブリッド磁性伝導体の開発と構造・物性評価
Development and structural and physical properties of organic-inorganic hybrid magnetic conductors
3. 有機物質と金属錯体の誘電応答の研究
Study of dielectric response of organic materials and metal complexes

19
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 Division of New Materials Science
http://satoru.issp.u-tokyo.ac.jp

中辻研究室

助教授

中辻

Associate Professor

Satoru Nakatsuji

知Nakatsuji Group

Discovery of new phenomena is at the forefront of theresearch of condensed matter physics. Inorganic materials, which
provide important basis for current electronic and information
technology, keep us surprised by numbers of novel quantum
phenomena due to correlation among macroscopic numberof electrons. Thus, the search for new materials that exhibit
new phenomena is one of the most exciting and significant
aspects of the material research. In our group, we synthesize
new materials in so-called strongly correlated electron systems
including transition metal compounds and heavy fermion
intermetallic compounds. Low temperature thermal andtransport measurements are used to study quantum phenomena
such as unconventional metallic and superconducting statesclose to spin and orbital orders and quantum spin phenomena
in magnetic semiconductors.

物性物理学のフロンティアは、新しい現象の発見にある。なかでも、現代の電子・情報社会を支える材料としての無機物質から、マクロな量子現象が続々と発見されており、物理と化学を駆使した新物質の開発こそが新しい量子現象を目指す物性物理の醍醐味であると言える。
私達は、無機材料の中でも特に遷移金属化合物や、重い電子系に代表される強相関電子系の新物質開発に取り組んでいる。低温の熱・輸送測定を用いることで、物質が生み出す量子現象、例えば、スピン・軌道の秩序と密接する新しいタイプの金属状態・超伝導状態、従来型のス
ピン秩序を抑えることで期待される、磁性半導体での新
しい量子スピン状態などに注目して研究を進めている。

私達が開発した２次元三角格子磁性半導体 NiGa2S4( 左上 ) ２次元性の強い結晶構造。( 右上 ) 結晶構造を反映した六角形の単結晶。
( 下 ) 磁気比熱の温度依存性。ワイス温度 1W = 80 K に対応する比熱のピークに加え、
低温 * = 10 K で現れるもう一つのピークは、新しいスピン状態の形成を示す。

Two-dimensional magnetic semiconductor NiGa2S4 developed in our group.
(Top left) Strongly two-dimensional crystal structure. (Top right) Hexagonal
shaped single crystal. (Bottom) Temperature dependence of the magnetic
specific heat. In addition to the conventional peak at the Weiss temperature of
80 K, the unusual peak at 10 K indicates the formation of the novel spin state
at low temperatures.

研究テーマ Research Subjects
1. 新しい遷移金属化合物の低温物性
Low temperature study of new transition metal based compounds
2. ２次元磁性半導体での量子スピン状態
Quantum spin states in two-dimensional magnetic semiconductors
3. 重い電子系での量子臨界現象、金属スピン液体状態
Quantum critical phenomena and metallic spin liquid state in heavy fermion systems

20
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物性理論研究部門
Division of Condensed Matter Theory
当部門では、現代の凝縮系物理学、統計物
理学、物質科学の最先端の問題を微視的な見地から活発に理論研究しているが、その目指すところは、実験を参照しつつ、相互作用する多体系の運動を捉える新概念の開拓、興味ある新現象の予言、そして、物質の本質を捉えた有用なモデルの提案である。
最近の研究対象は、遷移金属酸化物や有機伝導体におけるスピン電荷フォノン ( 軌道 )複合物性、低次元量子スピン系や近藤格子等の電子系（いわゆる強相関系）における量子相転移や量子臨界現象、金属絶縁体転移、重い電子系、現象論や微視的な立場から見た様々な物質中での超伝導、金属や半導体での動的物性への交換相関効果、表面での動的過程や触媒作用、そして、メソスコピック系における量子輸送や相互作用の問題など、多様である。
これらの理論研究は各人得意の方法を用いて遂行されているが、部門全体として見ると、
高等物理数学の解析手法、場の量子論的多体
摂動理論、そして、量子モンテカルロ法や密度汎関数理論に基礎を置く最先端の第一原理計算などの大規模数値計算手法等、殆ど全ての現代的理論手法がカバーされている。

教

授

高橋

實

助

In this division, we are conducting vigorous theoreticalresearch from a microscopic point of view on topics at
the forefront of contemporary condensed matter physics,
statistical physics, and materials science, in pursuit ofthe development of new concepts to describe collective
behavior of interacting systems, prediction of novel
interesting phenomena, and useful theoretical modelingof materials, in close contact with experimental groups.
The topics in recent research span such diverse areas
as spin-charge-phonon(-orbital) complex properties intransition-metal oxides and organic conductors, quantum
phase transitions and critical phenomena in the so-calledstrongly-correlated systems such as low-dimensional
quantum magnets and electron systems including the
Kondo lattice, metal-insulator transitions, heavy-fermion
physics, superconductivity in various materials fromboth phenomenological and microscopic points of view,exchange and correlation effects on dynamic properties
in metals and semiconductors, dynamic processes andcatalytic properties at surfaces, and quantum transport
and interactions in mesoscopic conductors.
In performing those pieces of research, individual
members employ calculation techniques in accordancewith their expertise and taste, but as a whole, the theory
group covers virtually all modern theoretical methods,
ranging from sophisticated analytical techniques inmathematical physics and formal many-body theory
to large computational approaches, such as quantum
Monte Carlo simulations and state-of-the-art ab-initio
calculation of electronic structures based on the density
functional theory.

城石

手

正弘

Professor

Minoru TAKAHASHI

Research Associate

Masahiro SHIROISHI

教

上田

助

藤井

授

和夫

手

達也

Professor

Kazuo UEDA

Research Associate

Tatsuya FUJII

教

髙田

助

前橋

授

康民

Professor

Yasutami TAKADA

教

押川

授

英明

Hideaki MAEBASHI

助

佐藤

正毅

Professor

Masaki OSHIKAWA

教

常次

授

手

Research Associate

宏一

Professor

Hirokazu TSUNETSUGU

助教授

甲元

Associate Professor

Mahito KOHMOTO

Research Associate

Masatoshi SATO

助教授

杉野

助

大谷

Associate Professor

Osamu SUGINO

助教授

加藤

Associate Professor

Takeo KATO

助教授（客員）

館山

眞人
修

手
手

Research Associate

昌利
実

Minoru OTANI

岳生
佳尚

Visiting Associate Professor Yoshitaka TATEYAMA

教授（外国人客員） セドラキャン アラ
Visiting Professor

Ara SEDRAKYAN

21
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物性理論研究部門

Division of Condensed Matter Theory
http://mtaka.issp.u-tokyo.ac.jp

高橋實研究室教

M. Takahashi Groupし い 問 題 で あ る。 ス ピ ン -1/2 反 強 磁 性 ハ イ ゼ ン ベ ル
j

j

j 1

( >0 ) の 場 合 に は、 長 い 間£ S Sj

最 近 接 相 関 S j  S j 1 ®  1/ 4 ln2 お よ び 第 ２ 近 接 相 関

この状況はここ数年間の研究で劇的に変化した。実際、2003 年に我々は相関関数を表す多重積分公式をボース コレピン法を用いて計算し、第３近接相関を得ることに初めて成功した。

1
4

より最近、我々は37
Z (3) 14Z (3)ln22
9125
Z (3) 2
Z (5) 25Z (5)ln2.
2
8

9ln2

変形 KZ 方程式に基づき相関関数を

城石

手

n

正弘

Masahiro SHIROISHI

j 1( >0 ), only the nearest-neighbor correlation

14

37
Z (3) 14Z (3)ln22
9125
Z (3) 2
Z (5) 25Z (5)ln2.
2
8

9ln2

More recently, based on the q-deformed KZ equations,
we have developed an algebraic method to calculate further
correlation functions. As a result, we have obtained the

ピン相関関数 S j  S j n ® は =7 まで、また emptiness

P(n) x  S zj
formation probability (EFP)j1
は =8 まで計算できた（Fig. 1）。

jS j  S j 3 ® 

代数的に計算する方法を開発し、現在までにスピン - ス

spin-spin cor relat ion f unc tions S j  S j n ® up to n=7
as well as the emptiness formation probabilities (EFP)n
P(n) x  S zj 1/2 up to n=8 (Fig. 1).

1/2

j1

また、同様な代数的方法を用いて、我々は 6 サイトまWe have also calculated all the matrix elements of the
reduced density matrix R n for n neighboring lattice sites up
to n=6, by means of the similar algebraic method. As oneof the important applications, we have evaluated the exact
values of the von Neumann entropy (Entanglement entropy)
S(n) x Tr R n log 2 R n of the n neighboring sublattices up ton=6 (Fig. 2), which measures how much the ground state isentangled.

での縮約密度行列 R n の行列要素を全て計算した。その一つの重要な応用として基底状態がどのくらい “ 絡み合っているか ” を測るフォン・ノイマンエントロピー（エンタングルメントエントロピー） S(n) x Tr R n log 2 R n を=6 まで計算できた

助

function S j  S j 1 ®  1/ 4 ln2 and the second-neighborcorrelation function S j  S j 2 ®  1/4 4 ln2 9 /4Z (3) had
been known for a long time. Here Z (s ) is the Riemann zetafunction.
This situation has been drastically changed in recent researches.
Actually, in 2003, we succeeded in calculating the third-neighborcorrelation function for the first time evaluating their multiple
integral formulas by use of the Boos-Korepin method,S j  S j 2 ®  1/4 4 ln2 9 /4Z (3) のみが知られていた。
ここで Z (s ) はリーマンのゼータ関数である。

S j  S j 3 ® 

實Exact evaluation of the correlation functions for interacting
quantum systems are critically significant, but very difficult
problem even for the exactly solvable models. As forthe spin-1/2 anti-ferromagnetic Heisenberg spin chain

る が、 そ の 厳 密 な 計 算 は 可 解 模 型 と い え ど も 大 変 難£ S S高橋

Minoru TAKAHASHI

Research Associate

相互作用をする量子系の相関関数は大変重要であグ鎖授Professor(Fig. 2)。

Fig. 2
ハイゼンベルク鎖の基底状態におけ る フ ォ ン・ ノ イ マ ン エ ン ト ロ
ピー .
が大きくなるにつれて( )~1/3log2 +const. と対数的に増大する。

Fig. 1
ハイゼンベルク鎖の基底状態における EFP.
が大きくな
るにつれてガウシアン的に急速に減衰する。

EFP for the Heisenberg
chain: It decays rapidly in a
Gaussian-like way.

von Neumann entropy for the
Heisenberg chain:
It b e h a v e s a s y m p t o t i c a l l y
S(n)~1/3log2n+const.

研究テーマ Research Subjects
1. １次元量子系のベーテ仮説法による研究
Study of one-dimensional quantum systems by the Bethe ansatz method
2. スピン波理論による低次元磁性体の研究
Study of low-dimensional magnets by the spin-wave theory
3. 量子モンテカルロ法の多体系への適用
Applications of the Quantum Monte Carlo method to many-body systems

22
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物性理論研究部門 Division of Condensed Matter Theory
http://ueda.issp.u-tokyo.ac.jp

上田和夫研究室
K. Ueda Group

教

授

上田

和夫

Professor

Kazuo UEDA

助

藤井

手

Research Associate

達也

Tatsuya FUJII

Strongly correlated electron systems which include high-Tc
cuprates and heavy-fermion compounds is one of the central
issues in the condensed matter physics. This problem concernswith various ground states of many body systems and quantum
phase transitions among them.
The simplest and most typical example of the quantum
phase transitions is the order-disorder transition in quantum
spin systems. Recently a new spin gap system, SrCu2(BO3)2,
was discovered. The orthogonal dimer Heisenberg model for
SrCu2(BO3)2 has been studied and various unusual properties
are found: the exact dimer ground state, almost localized triplet
excitations and magnetization plateaus. The S=1 Heisenberg
model on the pyrochlore lattice was also studied and importanceof spin-lattice coupling to lift the degeneracy is pointed out.
A new Hubbard type Hamiltonian with an orbital degeneracy
is proposed by us for CeTIn 5(T=Co,Rh,Ir) which is a new
heavy-fermion system. It is pointed out that the magnitude
of orbital splitting plays an important role as a controllingparameter for the spin fluctuation mechanism of unconventional
superconductivity observed in this system.
Transport phenomena through quantum dots define aninteresting many-body problem in a mesoscopic system. We
have developed theories of Kondo transport in both equilibriumand non-equilibrium conditions.

銅酸化物高温超伝導体、あるいは重い電子系などにおける磁性と超伝導の解明は、強相関電子系の問題と呼ばれ物性物理学の基本的課題である。ここでは多電子系が示す多様な秩序状態とそれらの間の相転移という量子多体問題を研究することになるが、最近当研究室で取り上げている研究テーマは以下のようなものである。
量子相転移の最も簡単で典型的な例は、スピン系の秩
序無秩序転移である。最近、SrCu2(BO3)2 が二次元的構
造を持つスピンギャップ系であることが発見されたが、われわれはその理論的モデルとして直交ダイマーハイゼ
ンベルグ模型の量子相転移、素励起、磁化過程をしらべ、その特徴を明らかにした。また、三次元におけるフラス
トレーションの最も強い系として、パイロクロア格子上のハイゼンベルグ格子を考察し、その疑似縮退が解けていく
過程におけるスピン・格子相互作用の重要性を指摘した。
強相関電子系における軌道自由度の果たす役割が最近注目されているが、新しい重い電子系の超伝導体である
Ce In5( =Co,Rh,Ir) に対して、軌道縮退のあるモデルを構築し、その磁性と超伝導について研究している。量子臨界現象のコントロールパラメータとして軌道の縮退度が重要な働きをしていることが明らかになった。
量子ドットの輸送現象は、メゾスコピック系における多体効果として大変興味深い。平衡、非平衡条件下におFig.1

ける近藤輸送現象の理論的研究を進めている。
電流が定常的に流れている量子ドット系での状態密度。Fig.1, 2
はそれぞれ =4, 6 の場合。電子相関が強くなってくると、バイアスをかけたときに近藤ピークは左右の化学ポテンシャル近傍での２つのピークへと分離する。

The density of states at the quantum dot with a finite bias
voltage in Fig.1 for U=4 and Fig.2 for U=6. In a relatively
strong correlation regime, the Kondo peak splits into double
peaks near the chemical potentials of leads when the bias
voltage is increased.

研究テーマ Research Subjects
1. 重い電子系のミクロな理論
Microscopic Theory of heavy fermion systems
2. 銅酸化物高温超伝導体の理論
Theory of high c superconductivity
3. フラストレーションの強いスピン系における量子相転移
Quantum phase transitions in spin systems with strong frustration
4. スピンと軌道の結合した系の量子臨界現象
Quantum critical behaviors in spin-orbit coupled systems
5. 量子ドットにおける近藤輸送現象
Kondo transport phenomena through quantum dots

23
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

Fig.2

物性理論研究部門

Division of Condensed Matter Theory
http://takada.issp.u-tokyo.ac.jp

髙田研究室

教

Takada Group

授

髙田

康民

Professor

Yasutami TAKADA

助

前橋

手

Research Associate

英明

Hideaki MAEBASHI

In the hierarchic structure of nature, condensed mattertheory is mainly concerned with the complex system of many
nuclei and electrons, interacting to each other through electromagnetic fields. This system is so complex that no rigorous
solution is allowed. It is, however, regarded as an astonishingly
simple one if we compare it with the systems in the upperhierarchy (the domain of biology) as well as those in the lower
one (the domain of high-energy physics). Thus we consider
it as one of the most fundamental problems in the whole
theory of physics to make its thorough investigation. With thisrecognition, we are constructing a theoretical framework forsolving this system faithfully from first principles, culminatingin the self-energy revision operator theory (SEROT) that may
supersede the density functional theory in the future. Some
practical approximations to SEROT are invented to investigate
the properties of the nucleus-electron complex system fromvarious aspects. Specifically, we surmise that a final resolution
will be obtained for the microscopic mechanism of high-Tc
superconductivity only by the investigation along this line.
Currently we do some basic works for the completion of sucha theory for superconductivity with paying special attention to
the competition between the attraction due to electron-phonon
interactions and the repulsion due to electron-electron Coulombinteractions.

自然の階層構造の中で物性理論の主たる対象は電磁相互作用をする多数の原子核電子複合系である。この系は容易に厳密解を許さないという意味で複雑ともいえる。
しかし、この系の上部階層（生物学の範疇）では当然のことながら、予想外にもこの系を生み出している下部階層（素粒子物理の範疇）でもずっと複雑な系を対象にしていることに比べれば際立って簡単な系である。それゆ
え、この系を究めることは全ての物理理論にとって基本的課題である。この認識の下に、原子核電子複合系を第一原理に忠実に解明する手段として密度汎関数理論やそれを越える理論体系（自己エネルギー改訂演算子理論と名付けた）を整備し、それを土台にこの系の量子物性を多角的に調べている。特に、高温超伝導機構の理論にしても、この線に沿った形で解明されない限り最終結論は得られないと考え、電子フォノン強結合性と電子相関との競合に注目しつつ、それらを共に取り入れた理論の完成に向けて、それに必要な各要素の基盤固めを行っている。

ポーラロンの有効質量 *：電子フォノン結合定数αの増加に伴い、ホルスタ
イン模型では急激に * は増大するが、Ee や Tt のヤーンテラー模型ではそれほど急激でない。特に内部自由度に関する保存則がある前者では * の増
大は抑制されるので、A の大きい 3d 電子系では t2g 電子よりも eg 電子の方がずっと動きやすいことになる。

Effective mass m * of a polaron: With the increase of the electronphonon coupling constant A, m* increases very abruptly in the Holsteinmodel, but it is not the case for the Ee and Tt Jahn-Teller systems.
In particular, a conservation law concerning the internal degrees of
freedom imposes a strong constraint on the rapid increase of m* in theformer model, implying that eg electrons move much faster than t2g
ones in 3d electron systems with large A.

研究テーマ Research Subjects
1. 自己エネルギー改訂演算子理論：交換相関効果と外部１体ポテンシャルに応じたその発現様式
Self-energy revision operator theory: Exchange-correlation eﬀects and their manifestation according to external one-body potentials
2. 時間依存密度汎関数理論：不均一電子ガス系の動的応答
Time-dependent density functional theory: Dynamic properties of the inhomogeneous electron gas
3. バーテックス補正付き強結合超伝導理論：電荷スピンフォノン複合系における超伝導
Strong-coupling theory for superconductivity with vertex corrections: Superconductivity in charge-spin-phonon complex systems
4. ポーラロン・バイポーラロン：ヤーンテラー系の特異性や非調和項の効果
Polarons and bipolarons: Characteristic features of a Jahn-Teller system and eﬀects of anharmonicity
5. 量子固体：高圧下固体水素での陽子の量子ゆらぎとその電子系への影響
Quantum solids: Quantum ﬂuctuation of protons and its eﬀects on electrons in solid hydrogen in high pressures

24
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物性理論研究部門 Division of Condensed Matter Theory
http://oshikawa.issp.u-tokyo.ac.jp

押川研究室

教

授

Professor

押川正毅

Masaki OSHIKAWA

Oshikawa GroupOur main focus is quantum many-body theory. Based on theclose correspondence among quantum many-body systems,
classical statistical systems and field theory, we pursue universal
concepts in physics. At the same time, we aim to give a unified
picture on experimental data and to make testable predictions.
For example, we study perturbation to the free boson field
theory in 1+1 dimensions systematically, in order to understandwide range of phenomena including field-induced gap, Electron
Spin Resonance and quantum wires, in a unified manner.
Recent development in understanding complex systems
motivates us to reexamine the fundamental concept of “order” instatistical physics. Through the development of an algorithm toidentify the order parameter without a prior knowledge, we are
seeking a deeper understanding of the “order”. They are not onlyof theoretical interest, but would also be important in realizing
stable quantum computers.
These studies are carried out based on international
collaborations.

量子多体系の理論を中心として研究を行っている。量子多体系と古典統計力学系および場の理論の密接な関係を踏まえ、広範な系について成立する普遍的な概念を探求するとともに、実験結果の統一的な理解や新たな実験に対する予言も目標とする。例えば、1+1 次元での自由ボソン場の理論に対するさまざまな摂動を系統的に扱うことにより、磁場誘起ギャップ・電子スピン共鳴・量子
細線における伝導など 1 次元量子系における広範な物理現象を統一的に理解することを目指している。
一方、複雑な系のふるまいに関する近年の研究の進展
は、「秩序」という統計力学における基本概念についても再検討を促している。秩序パラメータを先験的知識無しに同定するアルゴリズムの開発等を通じて、秩序に関するより深い理解を得ることを目標にしている。これらの概念は、単に理論的な興味に留まらず、安定な量子コン
ピュータの実現に際しても重要となることが期待される。
これらの研究はいずれも国際共同研究として推進している。

三角格子上の量子ブラウン運動を表すダイアグラム。３本の量子細線の接合は物理的には全く異なる問題であるが、同じダイアグラムで表すことができ数学的に等価な問題となる。この対応関係を用いて、量子細線の接合における新しい低エネルギー固定点を見出した。

A diagram representing the quantum Brownian motion on atriangular lattice. Junction of three quantum wires, although
being a quite different physical problem, can be also represented
by the same set of diagrams and is mathematically equivalent
to the quantum Brownian motion. Exploiting this mapping,
we have found a new low-energy fixed point for the junction
problem.

研究テーマ Research Subjects
1. 低次元スピン系における電子スピン共鳴の場の理論による定式化
Field-theory formulation of Electron Spin Resonance in low-dimensional quantum spin systems
2. 共形場理論、量子ブラウン運動と量子細線の接合
Conformal ﬁeld theory, quantum Brownian motion, and junction of quantum wires
3. 非アーベル統計とトポロジカル秩序
Non-abelian statistics and topological order4. 強磁性と量子統計
Ferromagnetism and quantum statistics

25
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物性理論研究部門

Division of Condensed Matter Theory
http://tsune.issp.u-tokyo.ac.jp

常次研究室

教

授

Professor

常次

宏一

Hirokazu TSUNETSUGUTsunetsugu Group

Strongly correlated electron systems, particularly compounds
including transition-metal, rare-earth, or actinide elements,
are the main subjects of our research. In these systems where
electron-electron interactions are very strong, there appear
a variety of interesting phenomena at low temperatures, andvarious magnetic orders and unconventional superconductivity
are typical cases.
The present targets of our study include complex order in thesystems where spin and orbital degrees of freedom are coupled,and new type of quantum order in frustrated spin systems. In
particular, we study the order and critical phenomena in thesystems where many soft modes of fluctuations are coupled,which is characteristic to frustrated systems, and also theeffects of these anomalous fluctuations on electronic states andtransport phenomena.
It was recently discovered that conventional magnetic orderscenario is not appropriate to explain various low-temperature
properties in the triangular antiferromagnet NiGa 2S 4 with
spin-1, including neutron scattering, specific heat, and magnetic
susceptibility data. In our recent study on a corresponding
model, we have proposed the presence of spin nematic orderwhere magnetic quadrupoles are ordered and clarified that this
scenario can explain many of the properties consistently.

遷移金属化合物、希土類 ･ アクチノイド化合物などの電子間クーロン相互作用が強い強相関電子系の物性を理論的に研究している。クーロン相互作用が強い系においては、低温においてさまざまな磁性状態や異方的超伝導などの多種多様な物性が出現する。これらの複雑な物性の統一的な理解とともに新しい現象の発見を目指している。
主に研究しているテーマは、スピンと電子軌道などの自由度がカップルすることによって現れる複合秩序や、
フラストレート系における新しいタイプの量子秩序である。フラストレートした系に特徴的な、多くのモードのソフトな揺らぎが結合している場合にその秩序と臨界現象の特徴がどうなるか、電子状態や輸送現象がどのように影響するのかを調べている。
最近の研究の中では、スピン１の三角格子反強磁性体
においてスピン 4 重極が整列するネマティック秩序の存在を提唱した。対応する物質 NiGa2S4 の低温の中性子散乱実験、比熱や帯磁率のデータが、通常の磁気秩序描像
では説明できず、ネマティック秩序の存在を考えることでほぼ説明できることを明らかにした。

三角格子における３副格子スピンネマティック秩序。黒棒で表示したディレクターに垂直な円盤の上に、各スピンの揺らぎが制限されており異方的になっている。

Three-sublattice spin nematic order on a triangularlattice. Each spin has anisotropic fluctuations restricted
on a disk perpendicular to director (shown by a blackrod).

研究テーマ Research Subjects
1. 強相関電子系の電子状態
Electronic states of strongly correlated electron systems
2. 量子磁性体の理論
Theory of quantum magnets
3. 遷移金属化合物、希土類 ･ アクチノイド系化合物の研究
Study of transition metal compounds, rare earth compounds, and actinide systems
4. 複合自由度系の秩序と相転移
Order and phase transitions of systems with multiple degrees of freedom
5. フラストレーション系の統計物理学
Statistical physics of frustrated systems

26
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物性理論研究部門 Division of Condensed Matter Theory
http://kohmoto.issp.u-tokyo.ac.jp

甲元研究室
Kohmoto Group

助教授

甲元

Associate Professor

Mahito KOHMOTO

助

佐藤

手

Research Associate

眞人
昌利

Masatoshi SATO

In many body systems, there appear many interesting
properties due to interactions. Some examples are the highTc superconductors and the quantum Hall effects. Traditional
theoretical approaches based on the perturbation theory often
fail to analyze these recently found phenomena. For example,
the non-perturbative filed theoretical approach succeeded in
the quantum Hall effects. At present, our main subjects are
the anisotropic superconductivity like high Tc superconductor
and the fractional quantum Hall effect. Our purpose is thedevelopment of the non-perturbative method including the field
theory and the solution of the basic problems in physics likeabove.

多体系においては、相互作用によって種々の興味深い性質が現われる。例えば（高温）超伝導、磁場中の２次元電子の量子ホール効果は代表的な例である。このような比較的最近発見された現象では、摂動的な発想を基礎とした、いわゆる固体物理の伝統的な手法による理論的な解明は必ずしも成功しない例が多い。例えば量子ホール効果においては非摂動的な場の理論が大きな成果を挙げている。 場の理論を含めた非摂動的な手法を開発しながら、上記の様な物性理論における基本的な問題の解明を目的とする。

図 1. ハニカム格子における磁束Φとエネルギーの関係 .
図中の数字はは Hall 伝導度を表す

図 2. 図 1 と同じもの。Φがゼロ付近を拡大している。
Fig.2. The same as Fig.1 for Φ ~0.

Fig.1. Energy spectrum with a magnetic flux Φ inthe honeycomb lattice

研究テーマ Research Subjects
1. 高温超伝導
High-temperature superconductivity
2. 異方的超伝導
Anisotropic superconductivity
3. 物性における位相不変量
Topological invariants in condensed matters
4. 位相的秩序
Topological order27
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物性理論研究部門

Division of Condensed Matter Theory
http://sugino.issp.u-tokyo.ac.jp

杉野研究室
Sugino Group

助教授

杉野

Associate Professor

Osamu SUGINO

助

大谷

手

Research Associate

修実Minoru OTANIMain research subject is the first-principles density functional
approach to electronic structures of materials and theirdynamical processes. Recent activity covers (1) the transition
metal/ water interfaces including their structural and dielectric
screening properties as well as electrochemical and catalytic
reactions occurring at the interface, (2) excitation and nonadiabatic dynamics of molecules and surface adsorbates using
the time-dependent density functional theory, and (3) firstorder phase transitions of crystals and liquids. Our aim is toextend frontiers of the simulation to microscopically understandcomplex but rich variety of phenomena that have not beenaccessible with conventional computational approaches.
We, as a member of the MDC division, help supervising the
ISSP supercomputers for use of the joint research program. Ourgroup collaborates with Dr. Yoshihide Yoshimoto of MDC also
for scientific activities.

密度汎関数理論に基づく第一原理的計算手法を用いて、物質の電子状態や動的過程を主に研究している。ここ数
年間は特に金属 / 溶液界面の構造や遮蔽過程・触媒反応、
分子や表面系における励起・非断熱遷移過程、結晶や液体の一次相転移、などを行ってきた。特に計算手法・ア
ルゴリズムの研究を行い計算可能な研究対象を広げることに努め、それら新手法を用いてこれまで手の届かなかったような複雑な興味深い現象をミクロに理解することを目標としている。
物質設計評価施設を兼任し、同施設のスタッフと協力して物性研スーパーコンピュータの全国共同利用を推進している。同施設の吉本芳英助手とはまた研究上も密接な協力関係にある。

白金・水界面における水の電気分解過程。強い電場の下、水中のヒドロニウムイオン H3O+ が表面電荷に引き寄せられ表面に吸着、または吸着水素と結合する過程を追った第一原理分子動力学計算から。水の誘電効果と金属触媒効果が重要な役割を果たしている。

Electrolysis of water at the biased Pt(111)/water interface: A snapshot fromthe first-principles molecular dynamics simulation. Hydronium ion in thewater attracted by the surface charge is going to adsorb on the surface by
accepting one electron, or to bind with adsorbed hydrogen atom. Dielectric
property of water and catalytic property of the metal are found to play
important roles.

研究テーマ Research Subjects
1. 遷移金属・水溶液界面における構造、化学反応
Transition metal/water interfaces: Structural and dielectric properties and chemical reactions
2. 分子・表面系の励起、非断熱動的過程
Excitation and nonadiabatic dynamics of clusters and surface adsorbates
3. 物質の一次相転移
First-order phase transitions of materials

28
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物性理論研究部門 Division of Condensed Matter Theory
http://kato.issp.u-tokyo.ac.jp

加藤研究室

助教授

加藤

Associate Professor

Takeo KATO

岳生

Kato GroupThe main research subject is the theoretical study oftransport properties in mesoscopic systems, in which the mostcharacteristic feature is the quantum interference of electrons
revealed in microstructures. Recently, many new materials
and phenomena including quantum bits made in small
dots/superconductors, carbon nanotube, and spintronics has
been studied. The application to electronic devices has been
considered extensively. It is appealing that a novel experimentcan provide a new insight on understanding of fundamental
physics.
We are trying to study electron-electron interaction anddecoherence of electrons in these systems by combining
analytical approaches (Bosonization methods, nonequilibrium
Green’s function methods, etc.) with numerical approaches
such as the Monte Carlo method. We are also challenging todevelop new numerical algorithms for nonequilibrium transport
properties.
We are also studying electron-electron and electron-latticeinteractions in organic conductors. The spin-Peierls and chargeorder transition and related phenomena are analyzed by themean-field approximation and quantum Monte Carlo method.

メゾスコピック系の輸送特性の理論研究を行っている。
メゾスコピック系とは、電子の波としての性質が顕わになる現象に着目する研究分野であり、マイクロメートル
スケールで微細加工された電子系が主な対象である。特に近年は、量子ドットや微小超伝導体を用いた量子ビット、カーボンナノチューブ、スピン制御など、次世代への応用が期待されるさまざまな研究が進展しつつある。
この系の面白さは、アイディアと工夫によって、実験対象を「人工的に」制御できることにある。斬新な実験によって、これまでになかった物理の新しい視点が付け加わることもある。
メゾスコピック系の一つの重要なテーマは、電子間相互作用の取り扱いであり、ボゾン化法や非平衡グリーン関数法を元にした解析計算と、量子モンテカルロ法をはじめとした数値計算を組みあわせて、研究を行っている。
また非平衡状態を扱うことのできる数値計算手法の開発にも取り組んでいる。
メゾスコピック系以外にも、分子性導体などの電子間相互作用や電子・格子相互作用が大きい系の物性評価にも取り組んでいる。分子性導体で広く見られるスピンパ
イエルス転移や電荷秩序転移、およびその周辺で生じる
多彩な物性について、主に量子モンテカルロ法と平均場近似を用いた解析を行っている。

量子モンテカルロ法によって得られた、環境と結合した二重井戸系の相図。横軸は規格化したポテンシャル障壁の逆数 、縦軸は環境との結合の強さ A。結合の強さ
A を大きくしていくと、重ね合わせ状態が生じる領域、確率的トンネルを起こす領域、局在が起こる領域が順に現れる。

The phase diagram of dissipative double-well systems obtained by thequantum Monte Carlo simulation. For a fixed parameter of the inverse
potential barrier, there appear the coherent tunneling regime, incoherent
tunneling regime, and localized regime, as A increases.

研究テーマ Research Subjects
1. メゾスコピック系における輸送特性
Transport properties in mesoscopic systems
2. 量子ドット・一次元導体における電子間相互作用の理論
Theory of electron-electron interaction in quantum dots and wires
3. 分子性導体の有限温度物性の評価
Finite-temperature properties in organic conductors
4. 非平衡定常状態に対する数値計算手法の開発
Development of numerical algorithms for nonequilibrium steady states

29
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門Division
物性理論研究部門
Divisionof Condensedof New Materials
MatterScience
Theoryhttp://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

八木研究室
館山研究室

教

授

瀧川

仁

Professor

TAKIGAWA Masashi

教 授
客員助教授

榊原館山
俊郎佳尚

Professor
SAKAKIBARA
ToshiroVisiting
Associate Professor
Yoshitaka
TATEYAMA

Yagi GroupGroup
Tateyama

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

The subject of the research in my group is development,
demonstration and application of new first-principles
molecular dynamics (FPMD) techniques based on thedensity functional theory (DFT) for quantitative simulationsof redox (electron and proton transfer) reactions andphotoexcited dynamics that are elementary processes inmany of environmental, energy and biological issues such as
photocatalyst, fuel cell and photosynthesis. Redox reactionsin (aqueous) solution or on solution/solid interface can becharacterized by free energies, not total energies. We aretrying to develop FPMD methods to compute free energies
for such redox reactions, utilizing techniques in statisticalphysics and ideas in the electron transfer theories so far. For
the photoexcited dynamics, demonstration and extension of
the real-time propagation scheme of time-dependent DFT,
which recently attracts much attention, is being tackled.

光触媒、燃料電池、光合成などの環境・エネルギーに関連する諸問題への応用を念頭に、その素過程である酸化還元（電子移動・プロトン移動）反応および光励起ダ
イナミクスを定量的に取り扱うことのできる密度汎関数
理論ベースの新規第一原理分子動力学手法の開発・実証に取り組んでいる。溶液中または固液界面の酸化還元反応に対しては、統計力学の諸技術および電子移動に関する諸理論を組み合わせながら、反応性の決定のキーとなる自由エネルギー関連の諸物理量を精度よく求める手法の開発を行っている。光励起状態のダイナミクスに対しては、近年注目が高まりつつある時間依存密度汎関数理論の実時間発展形式についてその実証及び拡張に取り組んでいる。

新物質科学研究部門Division
物性理論研究部門
Divisionof Condensedof New Materials
MatterScience
Theoryhttp://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

八木研究室
セ
ドラキャン研究室
Yagi GroupGroup
Sedrakyan

教授

Professor

瀧川仁

TAKIGAWA Masashi

榊原俊郎
教 外国人客員教授
授
セドラキャンアラ
Professor
ToshiroVisiting Professor SAKAKIBARA
Ara SEDRAKYAN

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

During my 4 months stay in ISSP I had intensive discussions
in group of Prof. Kohmoto transitions in Quantum Hall effecton the basis of unconventional Hall effect on graphene.
It appeared that Hofstadter problem on honeycomb latticehas couple of interesting properties. First of all the model
possesses chiral factorization with the presence of zero modes
even for non-zero magnetic field. This fact reveals Z2 anomaly
ensuring the absence of the zero conductance in Quantum Hall
Effect. We revealed also Bethe Ansatz structure in the modeland have reduced the solution of the Hofstadter problem to theset of Elliptic Bethe Equations. The investigations of this Bethe
equations via analytic and numerical methods are on the way
Our efforts have resulted in the article, which we havepublished in Phys. Rev. B 73, 235118 (2006).
Moreover, our common investigations reveal a set of new
interesting problems in connection with unconventional Hall
effect on graphene, which we are going to investigate further.

物性研究所における４ヶ月の滞在中に甲元教授のグループにおいて、単層グラファイトの量子ホール効果等の問題について活発な議論を行った。
この問題はいくつかの興味深い面を持っている。それは chiral factorization を持ちたとえ磁場がないときにでも二つの zero mode があるということである。これにより Z2 の異常性が生じ、ホール伝導度が０でないことが保証される。また Bethe Ansatz 構造を発見した。これにより元々の問題が Bethe 方程式に帰着される。この方程式の解析的及び数値的研究を現在おこなっている。
我々の研究成果の一部は Phys. Rev. B 73, 235118(2006). にある。

30
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

ナノスケール物性研究部門
Division of Nanoscale Science
One of t he outst anding trends in mo der ncondensed matter physics is the rapid development
in studies of atomically controlled surfaces andinterfaces, artificial superlattices and microand nano-structures. The background of suchdevelopments is the advancement of key technologies
for epitaxial crystal growth, microfabrication, surface
characterization, and local sensing by use of scanningprobe microscopes.
The Division of Nanoscale Science consists ofseven laboratories --- Iye, Katsumoto, Otani, Komori,
Yoshinobu, Hasegawa and Lippmaa. The research
efforts of these labs are directed to various aspects ofnanoscale science.
The on-going research activities include- Study of low temperature quantum transport inmesoscopic structures of semiconductors, metals,
superconductors, magnetic materials and their hybrid
structures.
- Study of local electronic states and transportphenomena by scanning probe microscopes.
- Study of transport, magnetism and otherproperties of novel materials at solid surfaces.
- Study of dynamical processes such as chemical
reaction at solid surfaces at the atomic level andcreation of new material phases.
- Study of epitaxial growth of oxide thin films andtheir functional properties.

近年の物性物理学の発展で特筆すべきものの一つに、原子レベルで制御された表面・界面、
人工超格子、極微細構造など対象とする研究の著しい進展がある。この背景には、エピタキシャ
ル成長技術、極微細加工技術、各種の表面評価
手法、走査プローブ顕微鏡による局所測定技術、などの発達がある。
ナノスケール物性研究部門では、そのような技術を利用して、表面界面および人工物質人工構造を対象とするナノスケール・サイエンスに取り組んでいる。
研究活動として、・半導体・金属・超伝導体・磁性体などの微細構造およびそれらの複合微細構造において展開される低温量子輸送の研究、・走査プローブ顕微鏡を用いた局所電子状態
や伝導現象の研究、・固体表面において発現する新奇複合物質やナノスケール構造の物性、・固体表面における化学反応等の動的過程の原子レベルでの研究、およびそれを利用したナノスケール新物質の創製、・酸化物薄膜のエピタキシャル成長とその機能物性開拓、などが進行中である。

教

授

家

泰弘

助

手

遠藤

彰

Professor

Yasuhiro IYEResearch Associate

Akira ENDO

教

勝本

助

阿部

授

信吾

手

英介

Professor

Shingo KATSUMOTO

Research Associate

Eisuke ABE

教

大谷

助

木村

授

義近

手

崇

Professor

Yoshichika OTANI

Research Associate

Takashi KIMURA

助教授

小森

助

中辻

Associate Professor

Fumio KOMORI

Research Associate

Kan NAKATSUJI

助教授

𠮷信

助

山下

Associate Professor

Jun YOSHINOBU

Research Associate

Yoshiyuki YAMASHITA

助教授

長谷川

助

江口

Associate Professor

Yukio HASEGAWA

Research Associate

Toyoaki EGUCHI

助教授

リップマー ミック助

大西

Associate Professor

Mikk LIPPMAA

Research Associate

Tsuyoshi OHNISHI

助教授（客員）

河合

文夫
淳
幸雄

伸

手
手
手
手

寛
良之
豊明
剛

技術専門職員向井

Visiting Associate Professor Hiroshi KAWAI

Technical Associate

Kozo MUKAI

教授（外国人客員） エンティン - ウォールマン オラ

技術専門職員飯盛

Visiting Professor

Technical Associate

Takushi IIMORI

教授（外国人客員） アハロニー アムノン

技術専門職員

橋本

Visiting Professor

Technical Associate

Yoshiaki HASHIMOTO

技 術 職 員浜田Technical Associate

Masayuki HAMADA

Ora ENTIN-WOHLMAN

Amnon AHARONY

31
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

孝三
拓嗣
義昭
雅之

ナノスケール物性研究部門 Division of Nanoscale Science
http://iye.issp.u-tokyo.ac.jp

家研究室

教

Iye Group

授

家

泰弘

Professor

Yasuhiro IYE

助

遠藤

手

Research Associate

彰

Akira ENDO

We fabricate quantum structures based on high mobility twodimensional (2D) electron and hole systems formed at GaAs/
AlGaAs heterointerface, and investigate quantum transportphenomena. Recent research subjects include, oscillatory
magnetoresistance effect reflecting the miniband formation in
one-dimensional lateral superlattice, Aharonov-Bohm-type
effects in antidot arrays and single antidot system, ground statesof bilayer quantum Hall systems and 2D hole systems, nuclear
magnetic resonance and low-energy spin excitations in quantum
Hall regime. We also study the local magnetic field modulation
effects in ferromagnet/superconductor and ferromagnet/
semiconductor hybrid systems. The research activities are
conducted in close collaboration with Katsumoto group.

GaAs/AlGaAs へテロ界面の高移動度２次元電子系・正孔系をベースとした量子構造を作製し、そこに展開される量子輸送現象の研究を行っている。最近の研究テーマ
として、１次元平面超格子におけるミニバンド形成を反映した磁気抵抗振動効果、アンチドット格子系や単一アンチドットにおけるアハロノフ・ボーム効果、２層量子ホール系や正孔量子ホール系の基底状態、量子ホール領域における核スピン共鳴と低エネルギースピン励起、などがある。この他に、強磁性体 / 超伝導体や強磁性体 / 半
導体のハイブリッド構造における局所磁場変調効果についても研究を進めている。
研究活動は勝本研究室との緊密な協力関係のもとに進めている。

２次元電子系の量子ホール領域における 75As の抵抗検出核磁気共鳴 (RDNMR)。
ランダウ準位占有率 ν=1 付近において観測される「分散型線形」が ν=1 から遠ざかるにつれて消失する様子。

少数アンチドット格子系の量子ホール領域におけるアハロノフ・ボーム振動。２種類の振動は、アンチドットの周りに形成されるエッジ状態のスピン分離を反映したものである。

Resistively-detected nuclear magnetic resonance in 2D electron system inthe quantum Hall regime. The “dispersive” lineshape observed in the vicinityof ν=1 disappears as one moves further away from ν=1.

Aharonov-Bohm type oscillations in a small array of antidots fabricatedfrom 2D electron system in the quantum Hall regime. The two series ofoscillation reflect the spin-resolved edge states around the antidots.

研究テーマ Research Subjects
1. 空間変調構造下の２次元電子系における量子輸送現象
Quantum transport in 2DEG systems under artiﬁcial potential modulation
2. スピン自由度や２層自由度を持つ量子ホール系
Quantum Hall systems with the degrees of freedom of spin and two layer
3. 単一アンチドットおよびアンチドット格子におけるコヒーレント量子輸送
Coherent transport in single antidots and antidot arrays
4. 半導体／強磁性体ハイブリッド構造
Semiconductor/ferromagnet hybrid systems
5. 超伝導体／強磁性体ハイブリッド構造
Superconductor/ferromagnet hybrid systems

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

ナノスケール物性研究部門 Division of Nanoscale Science
http://kats.issp.u-tokyo.ac.jp

勝本研究室

教

Katsumoto Group勝本

授Shingo KATSUMOTO

助

阿部

手

Research Associate

超薄膜による超構造、量子ドットやメゾスコピック干
渉回路は様々なパラメーターを変化させることのできる
デザイン可能な量子多体効果の実験場であり、「量子情報」を扱うための道具でもある。本研究室では超薄膜の成長から電子線描画を使った微細加工、低温強磁場下での電気伝導測定までを一貫して行い、設計自由度の高い実験を行っている。量子ドットの多体効果、コヒーレント伝導、
スピン量子操作、量子 Hall 効果、希薄磁性半導体とそれを用いたスピントロニクスなど、多体効果、量子コヒー
レンス ( デコヒーレンス ) をキーワードに、幅広いテーマを手がけている。
家研究室とは緊密な協力関係にある。また､ 所内はもとより､ 他部局・他大学にも高品質半導体薄膜試料を提供している。

信吾

Professor

英介

Eisuke ABE

Artificial materials such as stuck of ultra-thin films(superstructures), quantum dots or a mesoscopic interference
circuits are laboratories for quantum many-body effects. We
can tailor the systems as well as vary the parameters during anexperiment. We begin with growing high-quality ultra-thin films
then proceed to electron beam lithography to produce such
quantum structures. The "throughout" fabrication brings us alarge freedom in designing the experiments. Our main subjects
are quantum many body effects, quantum coherence anddecoherence. More specifically, the Kondo effect in quantum
dots, coherent transport, coherent manipulation of electron
spins, quantum Hall effects, diluted magnetic semiconductors
and their applications to spintronics.
We are in collaboration with Iye-group. We provide highquality semiconductor superstructure samples to other divisions
in ISSP, and to other universities.

量子ドットを Aharonov-Bohm (AB)
リングに埋め込んだ系に現れた Fano
近藤効果。中央に位相シフトの π/2
ロックを示す平坦部があり、線形が磁場によって変化する。挿入図は試料の電子顕微鏡写真。

Fano-Kondo lineshape observedin the conductance of an
Aharonov-Bohm (AB) ring which
has a quantum dot on one arm.
The flat region at the center isdue to the phase shift locking to
π/2. The lineshape varies with themagnetic flux piercing the ring.
The inset is a micrograph of thesample.

高品質半導体超薄膜を成長するための分子線エピタキシー装置。

Molecular beam epitaxy machine to grow high quality
ultra-thin films of semicondutors.

研究テーマ Research Subjects
1. 量子ドットのコヒーレント伝導・スピン依存伝導
Coherent transport and spin-dependent transport through quantum dot systems
2. 量子ドットのスピン状態とエンタングルメント､ 量子デコヒーレンス
Quantum coherence/decoherence and spin states in quantum dots
3. 希薄磁性半導体を用いた単電子回路、スピン注入
Diluted magnetic semiconductors and their applications to single-electron circuits, spin injection
4. ２次元正孔系を用いた量子構造 ( 量子細線、量子ドット )Quantum structures based on two-dimensional hole systems

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

ナノスケール物性研究部門 Division of Nanoscale Science
http://www.riken.jp/lab-www/nanomag/indexjpn.html

大谷研究室

教

Otani Group

授

大谷

義近

Professor

Yoshichika OTANI

助

木村

手

Research Associate

崇Takashi KIMURA

ナノスケールの微小磁性体は、その形状やサイズを反Nano-scale magnets can have, according to their shape and映して、磁気渦や単磁区構造のような秩序状態にある磁

size, ordered domain structures such as magnetic vortices

区構造を取る。我々は実験的に、磁壁移動、磁化反転のand single domains. We experimentally study static and

量子的振舞いに対する知見を深めるために、ナノスケー

dynamic properties of nano-scale magnets, to obtain a better
understanding of the quantum behavior associated with domain

ル磁性体の静的及び動的磁気特性を研究している。

wall displacement and magnetization reversal.

また、ナノスケール磁性体から非局所手法を用いて取Moreover we employ non-locally produced spin-currents

り出されるスピン流を用いて、スピン注入磁化反転、ス

to study spintronic properties such as the spin injection

ピン蓄積、スピンホール効果等のスピントロニクス研究

magnetization reversal, the spin accumulation, and the Spin Hallを行っている。さらに、生体系に特徴的なポテンシャル

Effect. Furthermore we try to manipulate the motion of nano-

ラチェットを用いた磁壁運動の制御やスピン流制御の研

scale magnetic domain wall and conduction electron spins using

究も進めている。最終的にはこれらの技術やスピン注入

the principle of the potential ratchet characteristic of biologicalによって生じる新規な磁性を応用してスピントロニクス

systems.

素子に関する研究を進めている。

強磁性円盤中に生成する磁気渦のカイラリティーを決定するための非局所スピンバ
ルブ素子の走査電子顕微鏡 (SEM) 像とスピンバルブ信号の測定結果。図中数字で示した磁化状態はスピンバルブ信号曲線上の数字に対応する。

スピン流のみを用いた面内磁化反転素子の模式図と作製された素子の SEM 像。

Schematic diagram and scanning electron microscope image of a fabricatedmagnetic switching device operated by using only spin currents.

Scanning electron microscope image of a non-local spin valve device todetermine the spin chirality of a magnetic vortex confined in a magnetic
disk. The inset shows a spin valve signal where the numbers on the curve
correspond to magnetic configuration.

研究テーマ Research Subjects
1. ナノスケール磁性体のスピンダイナミクスに関する研究
Static and dynamic magnetic properties of nano-scale magnets
2. スピン注入及びスピントランスファーによって誘起される磁性に関する研究
Magnetism induced by spin injection and spin transfer
3. 非対称ポテンシャルを用いたナノスピントロニクス素子の研究・開発
Development of spintronic devices using asymmetric potential

34
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

ナノスケール物性研究部門 Division of Nanoscale Science
http://komori.issp.u-tokyo.ac.jp

小森研究室
Komori Group

助教授

小森

Associate Professor

Fumio KOMORI

助

中辻

手

Research Associate

文夫
寛

Kan NAKATSUJI

Electronic and magnetic properties of alloys, compounds andmaterials with nanometer-scale structure at solid surfaces arestudied by using scanning tunneling microscopy/spectroscopy(STM/STS), photoelectron spectroscopy and magneto-optical
Kerr-rotation measurement in an ultra high vacuum. Band
structures of the surface states and the chemical bonds arestudied by photoelectron spectroscopy using VUV light (Fig.1)
and soft-X-ray. The structures and the formation processesof surface nano-structured materials, and the atom processes
induced by electron tunneling (Fig. 2) or photo-excited carriers
are examined by STM.

固体表面に形成されるナノスケール物質、合金、化合物の電気的磁気的性質を明らかにすることを目標に、超高真空中で走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、光電子分光、
磁気カー効果測定を用いて研究を行なっている。極低温
ＳＴＭを用いたトンネル分光では局所的な電子状態を、
角度分解光電子分光ではフェルミエネルギー以下の電子状態を調べている。（Fig. 1） 磁気カー効果測定では、超薄膜や超微粒子強磁性体配列の磁気秩序形成および磁化回転現象を観測している。また、ナノスケール物質、表面合金や化合物の研究において重要な試料作成に関連して、電子状態測定と STM 観察により、これらの形成における動的原子過程を調べている。特に表面では、トンネ
ル電子やレーザー光によって励起された電子系のエネル
ギーが格子系へ緩和する過程を用いて、新奇な物質を作成することもできる。そこで、トンネル電子注入による原子操作（Fig. 2）の機構について研究している。

Fig.1

Fig.2

角度分解光電子分光によって調べた清浄な銅 (001) 面 (a) と窒素が部分的に吸着した銅 (001) 面 (b) の M 点付近の銅表面電子構造の比較。各図の一番上の黄赤色の太線が表面状態のバンド分散を表し、図 (b) の白い線が図 (a) の黒い線に対応している。図 (b) では、吸着した窒素原子によって銅清浄表面の格子が圧縮されるために、表面電子バンドのエネルギーが清浄な銅 (001) 面に比べて高くなり、ブリュ
アンゾーン境界の波数も大きくなる。

STM 探針からゲルマニウム (001) 清浄面表面空状態に電子を局所的にトンネル注入し、注入点から離れた位置の原子を移動させる様子を示すの STM 像。試料温度
80K で、図 (a) の白い点位置に電子を注入すると、数 10nm 離れた位置の位相欠陥が一次元的に移動する。図（b-e）のように、電子を注入するごとに、この移動が生じる。これは、表面状態励起電子が表面を伝播し、その電子系のエネルギーが電子格子相互作用により格子系に移ることによって生じている。

Band structures around M on clean (a) and partially N-covered (b)Cu(001) surfaces studied by ARUPS. The lattice of the clean Cu area on
the latter surface is compressed and the electronic structure changes. On
the N-covered surface, the Cu surface band shown as the upper yellowred curve in (a) shifts upward, and the wave number at the boundary of thesurface Brillouin zone increases as in (b).

Successive STM images of the same area of a Ge(001) surface including
a topological defect at 80 K. The defect moves after injecting tunneling
electron at the point of white circle in each image as in its right image. The
injected hot carrier propagates in the surface states and induces an atom
motion at the defect.

研究テーマ Research Subjects
1. 表面ナノ構造物質における電子状態の局所的な空間変化
Local electronic states at the surfaces of nano-structured materials
2. トンネル電子やレーザー光励起による表面現象
Surface dynamical phenomena induced by electron tunneling and photo-excitation
3. 表面ナノ構造物質の電子状態と磁性Electronic states and magnetism of nano-structured materials
4. 表面ナノ構造物質の形成過程
Formation processes of nano-structured materials at surfaces

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

ナノスケール物性研究部門 Division of Nanoscale Science
http://yoshinobu.issp.u-tokyo.ac.jp

𠮷信研究室
Yoshinobu Group

助教授

𠮷信

Associate Professor

Jun YOSHINOBU

助

山下良之

手

Research Associate

淳

Yoshiyuki YAMASHITA

Solid surfaces are intriguing, because novel structures andelectronic properties emerge as a result of symmetry breakingof bulk. In addition, surfaces play an important role as “lowdimensional reaction field”, on which we can provide atoms
and molecules and manipulate them deliberately. In order tofabricate atomically-controlled surface materials, we have tounderstand the dynamical behavior of atoms and moleculeson surfaces. The research of these subjects is closely related tothe basics of catalysis, semiconductor processes and molecularelectronics. In addition, we can simulate chemical reactions
on cosmic dust with laboratory experiments in ultrahighvacuum at low temperature. We have utilized surface vibrational
spectroscopy, photoelectron spectroscopy and scanningtunneling microscopy in order to investigate structures,reactions and electronic properties of atoms and molecules on
surfaces. Synchrotron radiation is also used to study electronic
structure of surface and interface.

表面の特徴は、バルクの対称性が破れ表面特有の構造や物性が現れることだけではなく、外部から原子・分子を自在に表面に供給し、新しい物質を構築できる「反応場」として利用できるところにある。最近では、原子・分子レベルで制御されたナノマテリアル（例えば、サイズの整ったクラスター、異方性の強い低次元化合物、配向の特定された分子凝集系など）や人工デバイス構造を作製することも可能となってきた。原子スケールで反応を制御するためには表面における物質移動や反応などを理解することが不可欠である。さらに、表面ダイナミクスの研究は、触媒反応・半導体プロセス・分子エレクトロニ
クスと密接に関連しており、宇宙における分子進化についても手がかりを与えてくれる。当研究室では、表面や界面における原子・分子の動的挙動、表面ナノ物質の構
築および表面界面の電子物性を、表面振動分光、光電子分光などの表面分光法と走査型トンネル顕微鏡を駆使して研究している。また、必要に応じて放射光（UVSOR、
KEK-PF、SPring-8）を用いた実験も行っている。

Si(100) 表面の非対称ダイマーへのエチ
レンの吸着過程。ポテンシャルエネルギー図とモデル図．前駆状態を表面振動分光で捕らえることに成功した ( 文献参照 )。

Precursor mediated adsorption of
ethylene on the asymmetric dimer on
Si(100) [Nagao et al., J. Am. Chem.
Soc. 126(2004)9922].

Si(100)c(4r2) に吸着したトリメチルアミン分子の STM像。トリメチルアミンは電子吸引性のサイトに選択的に吸着する。

An STM image of site-specific chemisorption oftrimethylamine molecules on Si(100)c(4r2).

研究テーマ Research Subjects
1. 有機分子＝半導体表面ハイブリッド系の構築と吸着分子の電子物性
Organic molecules on Si surface as novel hybrid materials
2. 金属表面における原子・分子のダイナミクス
Dynamics of atoms and molecules on metal surfaces
3. 水分子と表面の相互作用；氷の表面界面における化学反応
Surface and interface chemistry of water ice
4. 微小領域電子ビームによる表面反応誘起と分析
Electron induced surface processes in nano-scale
5. 放射光分光による半導体表面界面の電子状態
Investigation of electronic states at semiconductor surface and interface

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

ナノスケール物性研究部門 Division of Nanoscale Science
http://hasegawa.issp.u-tokyo.ac.jp

長谷川研究室Hasegawa Group

助教授

長谷川

Associate Professor

Yukio HASEGAWA

助

江口

手

Research Associate

幸雄
豊明

Toyoaki EGUCHI

Using scanning tunneling microscope (STM) and atomic
force microscope (AFM), we investigate the properties of atoms
and electrons on surfaces with an aim of finding new physics innanometer scales.
Eliminating thermal fluctuations and disturbances, lowtemperature STMs allow us to measure surface electronic states
locally with very high energy and spatial resolutions and tocontrol them precisely by arranging individual atoms on surfaces
with the probe tip. Using the setups, we have observed electron
standing waves, screened potential and the Friedel oscillation,and the superconducting gap of individual nano-size particles.
By improving a force sensitivity of the AFM probe to theultimate level, we achieved the world-best high resolution AFM
imaging, and now use it for measuring surface electrostatic
potential accurately in a nanometer scale spatial resolution.
We are also engaged in developments of probe microscopes
under various extreme conditions, such as, ultralow temperature,high magnetic field, or under an irradiation of synchrotron
radiation light, and new functional and analytical methods withprobes such as AFM lithography.

走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）など探針（プローブ）を用いた顕微鏡を主たる手法として、表面での原子構造や組成・電子物性のナノス
ケール計測・物性評価を行うとともに、それらの制御を目指して研究を進めている。
ＳＴＭでは、液体ヘリウム温度以下の熱擾乱を抑えた条件下での顕微鏡操作により、原子を一つずつ動かし任意形状に配列させることによる表面電子状態の制御技術や高精度での局所電子状態測定技術などを駆使し、電子
定在波や遮蔽ポテンシャル・フリーデル振動、微小超伝導体のギャップ測定など、他の手法では観測不可能な現象の観測評価を行っている。またＡＦＭでは、力検出感度を限界にまで高めることにより世界最高分解能での表面原子像観察を可能とし、原子間力計測や表面電位（ポテンシャル）分布の精密測定に応用している。
超低温・磁場中・放射光下といった特殊環境下でのプローブ顕微鏡の開発、プローブ顕微鏡を使ったナノリソ
グラフィー法の確立、新たなプローブ分析手法の探索にも積極的に取り組んでいる。

銅 (111) 表面のＳＴＭ像。表面電子状態が表面上のステップや欠陥構造に散乱されて、電子定在波（周期：1.4nm）を形成している。

STM による原子マニピュレーション。銅 (111) 表面上で銅原子を一つずつ移動させ、M の文字を書いている。観察領域の大きさは 8nm r 8nm。

An STM image of Cu(111) surface. Electron standing waves, which areformed as a result of scattering and interference of surface electronic statesby steps and surface defects, are observed. The wave length of the oscillatory
structure is 1.4nm.

Atomic manipulation by STM: an alphabetical character of "M" is writtenwith 11 Cu atoms on Cu(111) surface. The size of the observed area is 8nm
r 8nm.

研究テーマ Research Subjects
1. 低温 STM による電子定在波・フリーデル振動など表面電子状態の研究
Low temperature STM on surface electronic properties by observation of electron standing waves and the Friedel oscillation
2. STM によるナノサイズ粒子の超伝導特性に関する研究
Superconductivity of nano-size particles by STM
3. AFM を用いた表面ポテンシャル測定・電気抵抗分布測定
Measurements of surface potential and electrical conductance by AFM
4. 新しいプローブ手法の開発とそれによる新奇の物性探索
Developments of new probe microscopes and its applications for exploring novel properties of materials

37
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

ナノスケール物性研究部門 Division of Nanoscale Science
http://lippmaa.issp.u-tokyo.ac.jp

リップマー研究室
Lippmaa Group

助教授

リップマー

Associate Professor

Mikk LIPPMAA

助

大西

手

Research Associate

ミック

剛

Tsuyoshi OHNISHI

研究グループと共同研究を行っている。

We study the growth and electronic behavior of transitionmetal oxide heterostructures. The physical properties of verythin oxide layers that are usually only a few unit cells thick, aredominated by size effects, as in nanodots or nanowires, andby interactions with neighboring atomic layers due to chargetransfer, exchange interactions, and crystal defects. Our aim is
to observe electronic phase transitions in thin interface layers,
induced by modulating the carrier concentration by electricfield effect. For this purpose, we develop oxide field-effecttransistors based on epitaxial oxide heterostructures that aregrown by pulsed laser deposition. In addition to the device
development, we also work on the development of improved
thin film growth techniques for complex oxides and collaborate
with various other groups on the characterization of the atomic
and electronic structure of oxide thin films.

(a) エピタキシャル酸化物 FET のデバイス構造。透過電子顕微鏡像はチャネル界面の詳細な情報を表している。(b) 強誘電 Pb(Zr,Ti)O3 カバーレイヤーの極性を反転させることで Nb ドープ SrTiO3 層のキャリア密度を変調したデバイス。

ゲートバイアスと温度を関数とした SrTiO3 FET のチャネル電流のプロット。チャ
ネルは 1.3V 以上のゲートバイアスで金属状態になっている。これは、絶縁体 - 金属の転移が FET の薄いチャネル層で起こったことを示している。

(a) The device structure of an epitaxial oxide FET. A transmission electron
microscope image shows details of the channel interface. (b) A device where
the carrier density in a thin superconducting Nb-doped SrTiO 3 layer ismodulated by changing the poling direction of a ferroelectric Pb(Zr,Ti)O 3
cover layer.

The channel current of a SrTiO3 FET plotted as a function of gate bias andtemperature. The channel becomes metallic above a gate bias of ~ 1.3 V,
showing that an insulator-to-metal transition occurs in the thin channel
layer of the FET.

遷移金属酸化物ヘテロ構造の作製とその電子物性について研究を行っている。数分子層程度の極薄い領域での物理特性は、ナノドットやナノワイヤーにおけるサイズ
効果や、電荷移動・交換相互作用・結晶欠陥などの隣り合う原子層との相互作用によって決まる。当研究室では電界効果によりキャリア密度を変調することで、薄い界面に電子的相転移を引き起こすことを目的としている。
この目的のために、パルスレーザー堆積法で作製したエピタキシャル酸化物へテロ構造をベースとした酸化物電界効果トランジスタを構築している。デバイス開発に加えて、複合酸化物の薄膜作製技術の向上にも取り組むとともに、酸化物薄膜の原子・電子構造を評価する多数の研究テーマ Research Subjects
1. 電子物性を伴った高品質な複合遷移金属酸化物薄膜の成長
The growth of complex electronic-quality transition-metal oxide thin ﬁlms
2. エピタキシャル酸化物ナノドットやナノワイヤーの成長ダイナミクス
Growth dynamics of epitaxial oxide nanodots and nanowires
3. 酸化物へテロ構造におけるキャリア密度の電界効果変調
Field-eﬀect modulation of carrier density in oxide heterostructures
4. 電界効果誘起の電子的相転移
Electronic phase transitions induced by ﬁeld eﬀect

38
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 DivisionDivision
ナノスケール物性研究部門
of New Materials
of Nanoscale
Science
Science
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

八木研究室
河合研究室

教

瀧川

授

仁

Professor

TAKIGAWA Masashi

教 授
客員助教授

榊原河合
俊郎伸

Professor
SAKAKIBARA
ToshiroVisiting
Associate Professor
Hiroshi KAWAI

Yagi Group
Kawai
Group

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

We conduct education and theoretical researches incondensed matter physics. In researches, we are focusing on the
dynamical processes on solid state surfaces.
Science of atomically controlled surfaces is one of mostimportant fields in modern condensed matter physics. The
advancements in experimental technologies including thescanning tunneling microscopy have contributed to investigationof the properties of the surfaces. The latest advancement enable
to observe and controle the dynamical processes on the surfaces
in the atomic level. Many of the dynamical properties are
dominated by the dynamical quantum processes. The theoreticalresearches on the dynamical processes on solid state surfaces
are increasingly growing to be important. The followings are
our research subjects.1)Structural phase transitions between
ordered phases on semicunductor surfaces under observationof scanning tunneling microscopy. 2) Vibrational excitations
on semiconductor surfaces induced by the tunneling current of
the scanning tunneling microscopy and the low energy electron
irradiation. 3) The excitation-induced cooling on semiconductor
surfaces. 4) Structural manipulations on semiconductor surfacesby the coherent quantum processes with electron-vibrationinteractions 5) Coherent remote manipulations on atomic
structures of solid surfaces.

本研究室では、固体物理学の理論研究に取り組んでいる。特に、固体表面での動的過程の研究を中心としている。
原子的なレベルで制御された表面の研究は、現代固体物理学の主要なテーマの一つである。最近、走査トンネ
ル顕微鏡などの実験技術の進歩により固体表面の性質が次々と明らかになってきた。また、近年の進歩により、固体表面の動的性質を原子レベルで観測・制御できるようになった。固体表面での動的性質の多くは、量子力学
的な動的過程に支配されている。そこで、固体表面での動的過程の理論的研究は、ますます重要になっている。
我々の研究室の主な研究テーマは、１）走査トンネル電子顕微鏡観測下における半導体表面構造相転移、２）走査トンネル電子顕微鏡の電流および低エネルギー電子線照射による半導体表面の振動励起、３）半導体表面における励起誘起冷却、４）電子̶振動相互作用を通じた量子コヒーレント過程による半導体表面構造操作、５）固体表面における原子構造の遠隔コヒーレント構造操作。

新物質科学研究部門 DivisionDivision
ナノスケール物性研究部門
of New Materials
of Nanoscale
Science
Science
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

教

授

瀧川

仁

Professor

TAKIGAWA Masashi

教榊原

エンティン-ウォールマン研究室
八木研究室
授Professor

Entin-Wohlman Group
Yagi Group

助教授
外国人客員教授

俊郎

SAKAKIBARA Toshiro

田島- ウォールマン
裕之
エンティン
オラ

Associate Professor
TAJIMA Hiroyuki
Visiting Professor
Ora ENTIN-WOHLMAN

1. The applicability of the equations-of-motion technique forquantum dots was analyzed. It was found that at the particlehole symmetric point the Green function is temperatureindependent due to a discontinuous change in the imaginary
part of the interacting self-energy, but this imaginary part obeys
the Fermi liquid unitarity requirement away from this special
point. However, the Friedel sum rule is considerably violated,and consequently the widely-used simplified version of thismethod fails to produce the Kondo correlations [Phys. Rev. B 73,
125338 (2006)].
2. By using an intricate lattice model to describe small coherent
mesoscopic Aharonov-Bohm interferometers, the conductancedata (taken in ISSP) was explained in great detail, including theshape of several Coulomb blockade peaks as function of themagnetic flux. [Phys. Rev. B 73, 195329 (2006)].

1. 量子ドットの近藤効果に対して、運動方程式近似がど
こまで適用可能か調べた。電子 - 正孔の対称点においては、相互作用自己エネルギーの虚部が不連続となるため、グリーン関数が温度に依存しなくなる。この点から離れると、この虚部はフェルミ液体の密度保存則に従って変化する。ところが、フリーデルの総和側が大きく破れてしまうため、バルクでは広く使用されている運動方程式法に基づく簡単な近似は近藤効果を再現しないことが明らかになった。
2. もつれた格子模型によりメゾスコピック AharonovBohm 干渉計を記述することで、物性研究所で得られた伝導度の実験データ ( 数周期にわたるクーロン振動の磁場依存性 ) を非常に詳細な点まで説明することに成功した。

39
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 DivisionDivision
ナノスケール物性研究部門
of New Materials
of Nanoscale
Science
Science
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

八木研究室
アハロニー研究室
Yagi GroupAharony
Group

教

授

瀧川

仁

Professor

TAKIGAWA Masashi

教

榊原

授

俊郎

Professor

SAKAKIBARA Toshiro

助教授
外国人客員教授

田島 裕之
アハロニー

Associate
Professor
Visiting Professor

TAJIMA
HiroyukiAmnon AHARONY

アムノン

During this visit, I spent most of the time collaborating withthe experimental group of Katsumoto and Iye, attempting tofind a theoretical interpretation for their data on the closed
Aharonov-Bohm interferometer with a quantum dot on one
branch. We found that although the conductance of such aninterferometer obeys the Onsager symmetry under magnetic
field reversal, it needs not be a periodic function of this field:
the conductance maxima move with both the field and the gate
voltage on the dot, in an apparent breakdown of ‘phase rigidity’.
These experimental findings were explained theoreticallyas resulting from multiple electronic paths around theinterferometer ring. Data containing several Coulomb blockade
peaks, whose shapes change with the magnetic flux, were fitted
to a simple model, in which each resonant level on the dot
couples to a different path around the ring. [Phys. Rev. B 74,
014430 (2006)].

物性研究所での滞在期間中、勝本研究室、家研究室と共同で、Aharonov-Bohm (AB) 干渉計の片方の腕に量子ドットを含む系の実験結果に対する理論的解釈を与えることに傾注した。実験結果からは、このような干渉計においては、磁場反転に対して対称な特性を示すオンサガー
相反性を満たす一方、磁場に対して完全に周期的な応答を示すとは限らない。すなわち、伝導度のピーク位置は、
磁場および量子ドットのゲート電圧の両方に依存して移動し、したがって「AB 位相の固定」と呼ばれてきた現象が破れていることになる。以上の実験結果を、干渉リン
グを周回する複数の電子経路を考えるモデルで理論的に説明した。更に、量子ドットの共鳴準位がそれぞれ別の周回経路と結合している、という、より簡単化されたモデルを考え、多数のクーロンピークを含むクーロン振動とその磁場による変化の実験結果に対してうまくフィッ
トさせることに成功した。

40
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

極限環境物性研究部門
Division of Physics in Extreme Conditions

物質を超低温、超高圧、強磁場、などの極限環境におくと、通常の状態とはまったく異なる性質を示す様になる。超低温における超流動や超伝導現象、超高圧における構造相転移や絶縁体・金属転移，強磁場における磁気相転移などが良く知られた例である。これらの著しい現象
は、しばしば従来の理論の枠組みの変更を促し、物性研究の新しい局面を切り開くものである。
物性研究所では、これまで多年にわたり各種の技術開発を行い、200 万気圧を越える超高圧、数 10 マイクロケルビンにおよぶ超低温、毎秒１回転の核冷凍システムなど世界最高水準の極限環境の実現に成功し、それらの下で多くの新しい現象を見出してきた。当部門では、これまで蓄積された技術をさらに発展させ、極限的な領域での物性を開拓するとともに、これらの極限環境と超伝導磁石による定常強磁場を組み合わせた多重極限環境での新しい物性研究を行っている。主な研究対象としては、
1）超低温・強磁場下の低次元量子流体・固体
2）回転する超流動ヘリウム、超流動固体
3）有機伝導体や半導体の低次元・メゾスコピック系
4）多重極限下における相関の強い 4f ・5f 電子系

教

キュービックアンビル型圧力発生装置。
多重極限状態（低温・強磁場・高圧）での物性測定が可能である。

Cubic anvil high pressure apparatus.
Cryostat for experiment in multiple
extreme condition of at low
temperature, high magnetic filed
and high pressure.

This division is organized to pursue the studyof physical properties of condensed matters under
extreme conditions such as ultra-low temperatures,
ultra-high pressures combined with steady highmagnetic fields up to 20 T. In addition to these
individual extreme conditions, physics under multiple
extreme conditions is also emphasized. Under these
conditions, novel phenomena, which cannot be
understood in terms of existing theories and thus
stimulate the creation of new concepts, are expected.
Discoveries of such phenomena have often opened up
new horizons in material science. Many outstanding
instruments developed in this division, for example,
are those which produce low temperatures down to a
few tens of μK, high pressures up to 200 GPa and highspeed rotation of cryostats at over 6 rad /sec. Thesemachines are frequently used in collaboration withmany scientists from all over Japan and abroad. Someof the main subjects are as follows,
1) Low dimensional quantum solid and liquid
under ultra-low temperatures and high magnetic
fields.
2) Liquid He in confined geometries under rotation,a possible supersolid 4He.
3) Low dimensional or mesoscopic systems suchas organic or semi conductors under ultra-highmagnetic fields.
4) Strongly correlated heavy electron systems suchas 4f or 5f inter-metallic compounds under multiple
extreme conditions.

石本

授

英彦

助

手

山口

明

Professor

Hidehiko ISHIMOTO

Research Associate

Akira YAMAGUCHI

助教授

久保田

助

柄木

Associate Professor

Minoru KUBOTA

Research Associate

Yoshitomo KARAKI

助教授

長田

助

大道

Associate Professor

Toshihito OSADA

Research Associate

Eiji OHMICHI

助教授

上床

助

辺土

Associate Professor

Yoshiya UWATOKO

Research Associate

Masato HEDO

助教授（客員）

稲田

技術専門員

五十嵐

Technical Associate

Takeshi IGARASHI

技術専門職員内田Technical Associate

Kazuhito UCHIDA

技術専門職員中澤Technical Associate

Kazuko NAKAZAWA

実
俊人
美也
佳彦

Visiting Associate Professor Yoshihiko INADA

助教授（客員）白浜圭也

Visiting Associate Professor Keiya SHIRAHAMA

助教授（客員）松原明

Visiting Associate Professor Akira MATSUBARA

教授（外国人客員） ブンコフ
Visiting Professor

手
手
手

ユーリ

Yuriy BUNKOV

41
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

良友
英二
正人
武
和人
和子

極限環境物性研究部門 Division of Physics in Extreme Conditions
http://ishimoto.issp.u-tokyo.ac.jp

石本研究室

教

Ishimoto Group

授

石本

英彦

Professor

Hidehiko ISHIMOTO

助

山口

手

Research Associate

明Akira YAMAGUCHI

Temperature (T), magnetic field (H) and pressure (P) are themost basic parameters which determine the state of condensed
matter. Particularly our facilities cover the temperatures all theway down to μK produced with a nuclear magnetic refrigerator.
Quest for novel quantum phenomena is carried out in such a lowtemperature region, combined with high magnetic field (< 20T) produced by a superconducting magnet. Main activities areon the experimental verification of basic concepts in condensed
matter physics such as 1) a quest for a new type of superfluidity
or magnetic order in the two dimensional quantum liquid andsolid 2) a spin fluid dynamics in superfluid 3He A1 phase. 3) thequantum tunneling of magnetization in nano-scale molecularmagnets. One of the recent results is a confirmation of gaplessspin liquid ground state in solid 3He adsorbed on graphite whichforms an ideal two dimensional anti-ferromagnetic triangularlattice. Investigation of its ground state in high magnetic fields
is under way. The other work in high magnetic fields is a spin
fluid dynamics in the superfluid 3H A 1 phase. A magnetic
fountain effect has been used to investigate the spin relaxation
phenomena. The results so far obtained suggest the existenceof minute minority spin pair condensate in the A1 phase as isshown in Fig 2.

温度・磁場・圧力は物質の様相を決める最も基本的なパラメーターである。当研究室では核冷凍による世界最先端の µK 温度域までの測定が可能で、超伝導磁石による定常強磁場（＜ 20 T），高圧など他の極端条件とも組
み合わせ、新しい量子現象の発見をめざしている。なかでも最もきれいで量子性の強い低次元量子流体・固体における新しいタイプの超流動や磁気秩序の探索、超流動
ヘリウム A1 相のスピンダイナミックス、ナノスケール分子磁性体での巨視的量子トンネル現象など物性物理における基礎的概念の検証に関する実験を行っている。最近の課題の一つは、グラフォイル界面に吸着された２次元
ヘリウム３である。とくに反強磁性領域の固体ヘリウム
3 は、三角格子による幾何学的形状のみならず多体交換相互作用の競合が存在するフラストレーションの強い系
で、基底状態がスピン液体であることが示唆されている。
10µK までの帯磁率測定からギャップレスであることが確かめられ、現在強磁場中の基底状態の探索が行われている。その他、磁場中でしか存在しない流動ヘリウム 3の A1 相については、磁気噴水効果を用いてスピン緩和の測定が行われ、ほとんど存在しないと言われてきた少数
スピン凝縮対の存在を示唆する結果が得られている。

Fig.2
超 流 動 3He A1 相 ( = 21 bars)
におけるスピン緩和時間

Spin latt ice relaxation ins u p e r f l u i d 3 He A 1 p h a s e
a s a f u n c t i on of re du c e dtemperature at 21 bars forvarious magnetic fields. T c1
and T c2 are the transition
temperatures from the normal
to A1 phase and from A1to A2.
phase.

Fig.1
強磁場・核断熱消磁冷凍機

A large nuclear demagnetization
refrigerator in high magnetic fields.

研究テーマ Research Subjects
1. 低次元ヘリウム３の磁性と超流動
Magnetism and superﬂuidity in low dimensional 3He
2. 強磁場中の偏極超流動ヘリウム３
Highly polarized superﬂuid 3He
3. 超低温・強磁場中のフェルミ流体中の荷電粒子
Heavy charged particles in neutral Fermi liquid under high magnetic ﬁelds
4. 分子磁性体おける量子磁化トンネリング
Quantum tunneling of magnetization in molecular magnet
5. 金属間化合物の核磁性と超伝導
Enhanced nuclear magnetism and superconductivity in intermetallic compounds

42
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

極限環境物性研究部門 Division of Physics in Extreme Conditions
http://kubota.issp.u-tokyo.ac.jp

久保田研究室Kubota Group

助教授

久保田

Associate Professor

Minoru KUBOTA

助

柄木

手

Research Associate

実
良友

Yoshitomo KARAKISuperfluidity in a Crystal?
Kubota was one of the few people who initiated condensed
matter experiments at micro-Kelvin ultra low temperatures.
Kubota group at ISSP conducts fundamental study on
Superfluidity and Quantized vortices under rotation down to
Ultra Low temperatures at the world highest speed bewlow
1K. Superfluidity is now seen in dilute gases (Bose Einstein
Condensation, BEC), in Quantum liquids, and very recently alsoin Quantum solids. Superfluidity really is a Quantum phenomenaof macroscopic scales. The phenomena of Non ClassicalRotational Inertia (NCRI), where some mass of the matter does
not rotate with its rotating container, has long been thought tobe peculiar to Bose Einstein condensates of certain liquids andgases, but recently it is observed also in bulk solid 4He. Solid
crystals have regular lattice ordering. In addition superfluidity
has an order in the momentum space simultaneously. This is aquantum phenomena at macroscopic scales.
Kubota group studies superfluidity of both fermion
systems (liquid 3He, etc) and Bose systems ( 4He systems, H
systems, etc) under extreme conditions including under theworld fastest rotation and ultra low temperatures. The group
investigates not only known systems of superfluidity, but also
new candidate systems to expect superfluidity and/or new

固体が超流動になる？
世界で初めてマイクロケルビンの超低温物性実験を行った一人である久保田は、本研究室では超低温までの広い温度範囲と、これまた独自に開発した技術で世界最高速の回転場の下で超流動と量子渦科学の基礎研究を行っている。
超流動現象は今や、希薄な気体 (BEC)、量子液体ばかりでなく、固体ヘリウム等の量子固体においても現実の現象として観測される様になった。これは結晶格子の規則性と超流動の運動量空間での秩序とが共存するという量子力学の世界特有の現象である。が、未だ様々な議論が戦わされている。超流動とは、私たちが目で見る事の出来る巨視的な大きさの系で実現している量子現象である。「非古典的回転角運動量」を持つと言う。これはミクロな原子の中で電子が原子核の周りを旋回するのと同様に、減衰する事のない量子化した流れを、目に見えるサ
イズで持続する事を意味している。久保田研では世界で初めて固体超流動の渦糸観測を行なっている。
久保田研では、4He( ボーズ粒子 ) 及び 3He( フェルミ粒子 ) 系の超流動を超低温のもと、回転下など極端な環境

quantum phenomena. And actually
studying solid He under rotation.
Superfluidity mediated by vacancy
excitations other than solid 4 He
is also of great interest. The groupcooperates with many groups ofnational and international teams
for such activities.

下に置いて超流動の本質を解明するとともに、固体ヘリウムなどの新たな系での超流動、量子渦系などの量子現象の発見、解明を目指して研究している。この研究には、電荷を持たない超流動体に制御した量子渦糸を生成させるため写真の様な世界にまたとない超低温回転冷凍機を用いて行っている。特殊装置を用いたこれらの実験的な、またその解明のため理論的な国内外のグループとの共同研究が進んでいる。

a) 毎秒６回転の高速回転稀釈冷凍機 , 及び b) 毎秒１回転迄の超
低温回転冷凍機。どちらも世界最高の性能を誇る。

a)ISSP High Speed (up to 6 rev/sec) rotating dilution
cryostat and b)ISSP Ultra low temperature rotating cryostat.
Both of them enjoy the world record high speed.
a)研究テーマ Research Subjects
1. 超流動と量子渦科学の基礎研究
Fundamental study of superﬂuidity and quantized vortices
2. 新しい超流動と量子現象の探査と解明
Search for new superﬂuids and quantum phenomena
3. 超低温物性研究
Condensed matter study down to ultra low temperatures

43
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006b)

極限環境物性研究部門 Division of Physics in Extreme Conditions
http://osada.issp.u-tokyo.ac.jp

長田研究室
Osada Group

助教授

長田

Associate Professor

Toshihito OSADA

助

大道

手

Research Associate

俊人
英二

Eiji OHMICHITransport study of low-dimensional or nano-structure
electron systems under high magnetic fields: To search for new
phenomena in electron systems with small spatial structures, toclarify their mechanisms, and to control them for application.
We have a great interest in quantum effects, topological effects,
or many-body effects relating to commensurability among
electron orbital motions, vortices (magnetic flux), and spatial
structures (topology). In low-dimensional systems such asorganic crystals or artificial semiconductor superlattices, andtheir micro-fabricated nano-structures, we flexibly explore newtransport phenomena and electronic states using precise fieldrotation or MEMS probes. We also propose new experimental
methods to study electronic structures and develop new microscale measurement techniques.

低次元・ナノ構造電子系の強磁場伝導物性。低次元系
やナノ構造など微小な空間構造を持つ電子系が、磁場中で示す新現象の探索・解明と制御・応用に関する研究を行っている。特に電子軌道運動・磁束（電子渦）・系の空間構造（トポロジー）の整合性に絡んだ量子効果・幾何効果・多体効果に興味がある。具体的には、有機導体な
どの低次元結晶や半導体超格子などの人工低次元系、及びそれらを微細加工したナノ構造を対象として、磁場方位依存性の精密測定やマイクロマシン素子を利用した微細計測などを手段として、新しい伝導現象や電子相に関する研究を機動的に行っている。また新しい電子構造研
究手法の提案や微細計測技術の開発も行っている。

100 ナノグラムの微小単結晶試料をセットしたカンチレバーの走査電子顕微鏡像。市販の AFM 用カンチレ
バーを利用して精密磁気トルク測定が可能となった。

Scanning electron microscope
image of the micro-cantilever onwhich a small sample crystal withthe mass of 100ng is mounted.
Precise magnetic torquem e a s u r e m e nt h av e b e c o m epossible using commerciallyavailable AFM cantilever.

半導体超格子の層間磁気抵抗の磁場方位依存性。(a) コヒーレントな層間結合を持つ場合（層間トンネル頻度
が散乱頻度より高い場合）。(b) インコヒーレントな層間結合を持つ場合。層状物質の層間磁気抵抗の角度依存性のバックグラウンドの振舞いが層間コヒーレンスの違いに起因することを示した実験である。

Dependence of interlayer magnetoresistance on magnetic field orientations in semiconductor
superlattices. (a)Case of coherent interlayer coupling (interlayer tunneling occurs much frequently
than scattering). (b)Case of incoherent interlayer coupling. This is the experiment which shows thatthe background angle-dependence of interlayer magnetoresistance depends on the coherence ofinterlayer coupling in layered conductors.

研究テーマ Research Subjects
1. 層状物質の角度依存層間磁気伝導の局所性と層間コヒーレンス
Interlayer coherence and local natures in angle-dependent magnetotransport in layered conductors
2. 低次元有機導体の磁場中電荷・スピン密度波状態
Charge/spin density wave phases under magnetic ﬁelds in low-dimensional organic conductors
3. 多層量子ホール系のカイラル表面状態
Chiral surface state in multilayer quantum Hall systems
4. 低次元物質等の人工微細構造の作製と物性
Fabrication and transport studies of artiﬁcial micro-structures of low-dimensional conductors
5. 電場磁場中ブロッホ電子系におけるカオスと電気伝導
44
Chaos and electron transport in Bloch electron systems undermagnetic and electronic ﬁelds

44
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

極限環境物性研究部門 Division of Physics in Extreme Conditions
http://uwatoko.issp.u-tokyo.ac.jp

上床研究室
Uwatoko Group

助教授

上床

Associate Professor

Yoshiya UWATOKO

助

辺土

手

Research Associate

美也
正人

Masato HEDO

The group of the high pressure has been studying various
materials at low temperature, under high pressure and in thepresence of high magnetic fields. Nowadays, low temperatureand ultra-high pressure techniques have become popular as
an indispensable method for research in solid state physics.
Through these techniques, the study of strongly correlated
electron systems, which is one of the most important themes inmodern solid state physics, has been undertaken. The creationof such an experimental environment is not always easy andthe development of the techniques itself is often a challenging
attempt. Considering that many mysterious phenomena
observed in the strongly correlated electrons systems result fromthe electron-phonon and electron-electron interactions in asolid, we foresee the discovery of various unknown phenomena
under multi-extreme condition, since the degree of theseinteractions strongly depends on the inter-atomic distances andthe density of electronic states.

高圧力下物性測定は、これまで見いだされている物性研究における数奇物性現象の起源解明、さらには新しい事象の発見につながる可能性を内在している魅力的な研究の一つである。特に、強相関電子系物質を研究している研究者を中心とした物性研究に於いては、極低温および強磁場に超高圧力を組み合わせた多重極限環境は、物性研究をする上での多くの情報をもたらす最良の環境であると思われる。しかし、物性研究に求められる、“ 精密さ ”を満足した多重極限を作り出すことは、極めて困難であり、特に、超高圧力発生技術の遅れがその足枷となっている。
当研究室では、超高圧力技術の開発そのものに挑戦的に取り組み、低温や高磁場と同様な手軽さで、高精度の超高圧を発生することを目指し、極低温および定常強磁場を駆使した極限環境下での物性研究を進めている。結晶固体には格子の振動の自由度と、電子の電荷、スピン、軌道という基本的な自由度があり、強相関電子系物質ではこれらが複雑に絡み合いながら種々の相互作用が競合している。「極低温、超高圧力下で、物質はどの様な性質を見せるのか ? また、その出現機構はどうなっているのか ?」。圧力下比熱、電気抵抗、磁化、x 線回折、中性子回折などの測定を通して下記の研究テーマを進めている。
また、物性研究所の役割の一つである共同利用も活発に行っている。
新 し く 開 発 さ れ た Palm Cubic
Anvil 圧 力 装 置。 重 量 が 従 来 の10 分の 1 になったが、発生圧力は従来と同様に 8GPa 程度発生することが可能である。

圧力誘起超伝導体 CeRhSi3 の圧力下比熱測定の結果。1.1 GPa 以上の圧力下において超伝導転移に伴う新しいピークが出現した。加圧とともに超伝導転移温度は上昇している。本研究により、CeRhSi3 の圧力誘起の超伝導相がバルクなものであることが明らかとなった。

The weight became 10 times
smaller than the Old Cubic
A nv i l app ar atu s , but c angenerate up to 8 GPa, as sameas the previous one.

A result of specific heat measurements under high pressure on
the pressure induced superconductor CeRhSi 3 . A new peak
due to superconducting transition appears at P = 1.1 GPa. The
superconducting transition temperature rises with increasingpressure. In this study, it became clear that pressure-induced
superconductivity of CeRhSi3 is a bulk property.

研究テーマ Research Subjects
1. 多重極限環境下での新規物性現象の探索
Search for new physical phenomena under multi-extreme conditions
2. 強相関系物質における圧力誘起相転移の物性研究
Study of the pressure induced phase transitions in strongly correlated electron systems
3. 多重極限下における精密物性測定手段の開発
Development of the physical property measurement systems under the multi-extreme conditions
4. 10GPa 級超高圧力発生技術と極低温精密物性測定
The 10GPa-class high pressure generating technology and the physical property measurements in the dilution
refrigerator temperature range

45
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 Division
極限環境物性研究部門
Divisionof Newof Physics
Materials
in Extreme
ScienceConditions
教 授
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp
Professor
教 授
客員助教授

八木研究室
稲田研究室

瀧川

仁

TAKIGAWA Masashi

榊原稲田
俊郎佳彦

Professor
SAKAKIBARA
ToshiroVisiting
Associate Professor
Yoshihiko
INADA

Yagi Group
Inada
Group

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

We will develop new types of cryostats to promote in studiesof the strongly correlated electron systems under the highpressure. They are designed to be compact and easy to coolwithout large mechanical pump outside of the cryostat. The 3He
cryostat and the 3He-4He dilution refrigerator with charcoal
absorption pump and JT effect have the advantage of keeping
high conductance of gas flow and small heat leak, therefore they
can perform well in cooling power.
In the heavy fermion strongly correlated electron systems,
characteristic temperatures are usually very low, so it isnecessary to measure at very low temperature of below 0.1 K. We
will apply the new cryostats to measure the magnetization under
the high pressure with a piston-cylinder cell and diamond-anvilcell.

当研究室では、機動性の高いスティック式冷凍機を開発し、圧力下磁気物性の研究を行っている。強相関電子系物質を主な研究対象として量子臨界現象を研究している。圧力装置は、ピストンシリンダー型圧力装置およびダイヤモンドアンビル型圧力装置を対象に装置開発を行っている。高圧下物性研究では、圧力、温度、磁場等のパラメータを頻繁に変化させながら実験を行なうため、簡便に冷却できるコンパクトな冷凍機が必要である。
当研究室では、活性炭吸着ポンプと JT 効果を利用した
3

He-4He 希釈冷凍機および 3He クライオスタットを試作

し圧力下磁気測定に利用している。機械的ポンプを使用しないため軽量コンパクトであり、ガスのコンダクタン
スおよび熱リークに有利であることから冷却能力の優れたクライオスタットが製作可能である。この特徴を活かし、引き抜き磁化測定等の様々な物性測定に応用する予定である。強相関重い電子系では極低温測定が必要不可
欠であり、開発する冷凍機が活躍すると期待している。

新物質科学研究部門 Division
極限環境物性研究部門
Divisionof Newof Physics
Materials
in Extreme
ScienceConditions
教 授
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp
Professor
教
授
客員助教授

八木研究室
白浜研究室

瀧川

仁

TAKIGAWA Masashi

榊原白浜
俊郎
圭也

Professor
SAKAKIBARA
ToshiroVisiting
Associate Professor
Keiya SHIRAHAMA

Yagi Group Group
Shirahama

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

Novel quantum phenomena such as supersolidity andquantum phase transition have been recently discovered inhelium quantum fluids and solids. These findings open a new
avenue in condensed matter physics of 21-st century. In orderto create new concepts in low temperature quantum physics,
we study and search for quantum phenomena in helium andhydrogen.
In ISSP, collaborating with Kubota laboratory, we examine“supersolid” dynamics in solid helium using the ISSP High
Speed rotating dilution refrigerator. Torsional oscillator
studies under rotation are underway. In Keio University, we
study strongly correlated Bose systems realized by “helium
nanostructures”, in which 4He (or hydrogen) is confined invarious porous materials. We pursue new quantum phenomena,
including quantum phase transition, Bose glass and supersolidity,by performing thermodynamic and mechanical measurements.

低温物理学におけるヘリウムの研究は長い歴史を持つが、近年当研究室でナノ多孔体中ヘリウムにおいて量子相転移が発見され、また米国で固体ヘリウム 4 が「超流動」的な振る舞いを示すことが見いだされるなど、新しい現象が続々と発見され新たな研究展開の舞台となっている。当研究室では 21 世紀の新しい物性物理学の潮流を生み出すべく、ヘリウムを中心とした量子流体・固体の実験研究を独自の視点で展開している。物性研究所においては久保田研究室と協力して、固体ヘリウムの「超流動ダイナミクス」を回転希釈冷凍機を用いて研究している。現在複数の捻れ振動子を用いた実験が進行中である。
また、種々のナノ多孔体にヘリウム 4 や水素を加圧して閉じこめることで新しい「強相関ボース粒子系」を創成し、量子相転移 ( 超流動絶縁体転移 )・ボース凝縮と超流動の分離などの新奇な量子多体現象の研究を行っている。
これらの研究は科学研究費特定領域研究「スーパークリー
ン物質で実現する新しい量子相の物理」の計画研究として行われている。

46
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 Division
極限環境物性研究部門
Divisionof Newof Physics
Materials
in Extreme
ScienceConditions
教 授
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp
Professor
教 授
客員助教授

八木研究室
松原研究室

榊原松原
俊郎明

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

Study of superfluid helium 3 in aerogel under rotation.
Helium 3 is a fermion and its superfluid state is a p-wave
superfluid. It is important in the condensed matter physics
field. In ISSP, we research the properties of superfluid 3He
under rotation using the rotating demagnetization cryostat
which belongs to Kubota-group of ISSP. Superfluid 3He has
several different phases and we measure the magnetic andhydrodynamic properties of each phase of superfluid 3He
under rotation using cw-NMR techniques. Recently "aerogel"can be treated as an impurity against superfluid 3He but
the phase of superfluid 3He in aerogel is not identified. We
want to identify the state of superfluid 3He in aerogel with
HPD state, in which nuclear spins rotate coherently, withparameters such as temperature and the rotation speed. We
also research the effects of aerogel and rotation to textures ofsuperfluid 3He, and the vortex structure and vortex dynamics
of superfluid 3He in aerogel.

新物質科学研究部門 Division
極限環境物性研究部門
Divisionof Newof Physics
Materials
in Extreme
ScienceConditions
教 授
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp
Professor

八木研究室
ブンコフ研究室
Yagi Group
Bunkov
Group

制限空間中の超流動 3He のスピン - 質量回転
私は、フランス、グルノーブル CNRS からやって来た。そも
そも２０年前、モスクワのカピッツァ研究所の私のグループがHPD、即ち超流動 3He の磁気的に励起されたコヒーレントな量
子状態を発見した。この状態では、磁化は不均一な磁場のもとでも均一な歳差運動を行なう。私は、また、ヘルシンキ工科大学の超流動ヘリウム 3 の初期回転実験にも参加した。そこでは多数の様々な異なる種類の量子渦が見つかった。グルノーブルではアエ
ロジェルと言う希薄な多孔質ガラス中に入れた超流動ヘリウム 3の超流動が圧迫される現象を研究している。
しかし、当地、東京大学物性研の久保田先生のグループでのみ、最も複雑な超流動ヘリウム 3 実験は可能である。これこそアエロ
ジェル中の超流動ヘリウム 3 の回転下の HPD 研究だ。この実験
から一体何を研究する事が出来るだろうか？ ヘリウム 3 では超流動転移に依って壊れる３つの対称性がある。即ち、ゲージ対称性、スピン、及び軌道回転対称性である。アエロジェルはゲージ対称性と相互作用する。HPD はスピン系と相互作用し、回転は軌道の対称性と作用する。我々は、これら３つの対称性間のクロ
スオーバーを研究する事が出来る。今、正に我々は最初の実験結果を得たところで、これから、そのユニークな特性の解明が始まろうとしているところで、今後の展開がおもしろい。

仁

TAKIGAWA Masashi

Professor
SAKAKIBARA
ToshiroVisiting
Associate Professor
Akira MATSUBARA

Yagi Group Group
Matsubara

回転下におけるエアロジェル中の超流動ヘリウム 3 の研究
ヘリウム 3 はフェルミ粒子であり，その超流動状態は p 波のクーパーペアが担い、超伝導との類似など実験・理論の両面において物性物理学において重要な役割を果たしている。物性研究所においては久保田グループが所有する回転核断熱消磁冷凍機を用いて、物性研究所、京都大学、大阪市立大学が共同で、回転下における超流動ヘリウム 3 の様々な状況下での物性測定を行っている。特にエアロジェルと呼ばれる高空孔率（98%以上の空孔率）の物質が超流動ヘリウム 3 に対して不純物のように振舞うとされており、そのエアロジェル中の超流動ヘリウム 3の回転下での振舞いを調べている。これまでに cw-NMR を用いた実験により、渦のピニング効果やその移動のダイナミクスの回転速度や温度に対する依存性について測定を行ってきた。今回
フランスの CNRS の Bunkov 氏と共に HPD と呼ばれる超流動
ヘリウム 3 - B 相におけるコヒーレントモードを用いて、エアロ
ジェル中の超流動ヘリウム 3 の相がどのような状態であるかの同定やエアロジェルによる織目構造への影響、回転に対する織目構造の変化や量子渦の生成機構やその構造について測定を行い、不純物の超流動ヘリウム 3 に対する効果を研究する。

瀧川教
授
外国人客員教授

瀧川仁

TAKIGAWA Masashi

榊原
ブンコフ俊郎ユーリ

Professor
Visiting
Professor

SAKAKIBARA
Yuriy
BUNKOVToshiro

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

Spin-mass rotation of superfluid 3He at restricted geometry.
I have come from CNRS, Grenoble, France. 20 years ago
my group in Kapitza institute, Moscow, have found HPD, themagnetically excited coherent quantum state of superfluid3
He. In this state the magnetization precess homogeneously
even in inhomogeneous magnetic field. I have also
participated in first investigations of superfluid 3He underrotation in Helsinki University of Technology. Many different
types of quantum vortices were found. In Grenoble, we are
studying the suppression of superfluid 3He by aerogel, whichplays a role of impurities.
But only here, in ISSP, in group of professor Kubota, weare able to make the most complicated experiment with 3He
possible. That is the HPD studies of superfluid 3He in aerogel
under rotation. What can we learn from this experiment?
There are three symmetries, which are broken in 3He at
superfluid transition: gauge symmetry, spin and orbit rotation
symmetries. Aerogel interacts with gauge symmetry, HPD
interacts to spin system and rotation interacts to orbital
symmetries. We are able to study the crossover of all threesymmetries. Now we have got the first results and starts toanalyse its unique features.

47
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

先端分光研究部門
Division of Advanced Spectroscopy

先端分光部門では、X 線からテラヘルツにいたる幅広いエネルギー範囲において、新しい分光計測手法や先端的な光源を開発し、それらを用いた物性研究を行っている。柏キャンパスにおいては、大規模なクリーンルームと除振床を設置した先端分光実験棟を有し、極限的性能を持つレーザーの開発や、レーザーを用いた物性研究を行っている。また、シンクロトロン放射光を用いる実験は、フォトンファクトリー（筑波）、SPring-8（兵庫県）などに恒常的に装置を設置して行っている。
現在、主なテーマとして、・超短パルス高出力レーザーによる高光電場
下の物理と、アト秒パルス発生の研究
・高出力レーザーによる高密度プラズマを用いた軟 X 線レーザーの開発
・超高速分光による波束ダイナミクスと光誘起相転移の研究・超微細低しきい値量子細線半導体レーザーの開発と顕微分光、ホタル生物発光の研究
・高分解能光電子分光、軟 X 線発光、共鳴逆光電子分光を用いた固体の電子状態の研究
・X 線光学、X 線回折・散乱を利用した表面・界面・ナノ構造の研究などを推進している。

教

授

渡部

俊太郎

助

手

Light is a versatile tool for investigation of thematerials such as semiconductors, metals, organicand biological materials as well as strongly-correlated
electron systems. Recent developments in lasers
and electron accelerators along with the novel
measurement techniques have been providing us
innovative experimental tools.
Our division is responsible for the advanced
spectroscopy applied to material researches and also
the development of new coherent light sources basedon laser technology over a wide spectrum range from
X-ray to terahertz. Most of the research activities
on the development of new lasers with an extreme
performance and the application to material scienceare directed in a specially designed building with alarge clean room and an isolated floor in Kashiwa
Campus. The experiments utilizing the synchrotron
radiation are performed at beamlines in Photon
Factory (Tsukuba) and SPring-8 (Hyogo).
The main current subjects are as follows:•Physics under ultra-high optical field andattosecond pulse generation.
•Development of advanced soft X-ray lasers andrelated physics under ultra intense radiation.
•Ultrafast dynamics of wave-packets and photoinduced phase transitions.
•Ultra-thin low-threshold quantum-wire lasers,and firefly bioluminescence.
•Study on ultra-high resolution photoemission andsoft X-ray emission spectroscopies.
•Study of X-ray optics, surfaces, interfaces andnano-materials by X-ray scattering/diffraction.

足立俊輔

Professor

Shuntaro WATANABE

Research Associate

Shunsuke ADACHI

教

末元

助

中嶋

授

徹

手

誠

Professor

Tohru SUEMOTO

Research Associate

Makoto NAKAJIMA

教

辛

助

石坂

授

埴

Professor

Shik SHIN

教

高橋

授

手

香子

Research Associate

Kyoko ISHIZAKA

助

馬場

敏男

Professor

Toshio TAKAHASHI

助教授

黒田

Associate Professor

Hiroto KURODA

Research Associate

Motoyoshi BABA

助教授

秋山

助

吉田

Associate Professor

Hidefumi AKIYAMA

Research Associate

Masahiro YOSHITA

教授（客員）

萱沼

技術専門職員金井

Visiting Professor

Yosuke KAYANUMA

Technical Associate

Teruto KANAI

技術専門職員

橋本

Technical Associate

Mitsuhiro HASHIMOTO

寛人
英文教授（外国人客員） ニング

洋輔

Visiting Professor

クン・ゼン

Cun-Zheng NING

手
手48
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

基芳
正裕
輝人
光博

先端分光研究部門 Division of Advanced Spectroscopy
http://watanabe.issp.u-tokyo.ac.jp

渡部研究室

教

Watanabe Group授俊太郎

Shuntaro WATANABE

助

足立

手

Research Associate

超短パルス ( サブ 10 フェムト秒 ) 高出力 (20 TW 級 )渡部

Professor

俊輔

Shunsuke ADACHI

Development of ultrashort high-power lasers and its
application to multiphoton processes such as ionization andhigh-order harmonic generation is being performed. Coherent
XUV and soft X-ray radiation by high-order harmonics is used
for nonlinear, time-resolved spectroscopy.
The wavelength of harmonics reaches down to the water
window (4.4nm) and the pulse width is as short as femtoseconds(10-15second). The peak brightness is much higher than that ofsynchrotron radiation.
Based on this advantage, two-photon above thresholdionization in rare gases has been observed for the first timein the XUV region (25-28 eV). In addition, attosecond pulses(860 as) have been generated by using the 9th harmonic of aultrashort (~8 fs), blue (400 nm) laser and the pulse shape andphase were determined uniquely by frequency-resolved opticalgating (FROG) using two-photon above-threshold ionization.
This will open the door to nonlinear, time-resolved spectroscopy
in the XUV and soft X-ray regions.

高繰り返し (5 kHz) レーザーの開発とそれを用いた超高光電場 ( 原子内電場の 100 倍 ) と物質の相互作用の研究を行っている。特に、高次高調波を用いたコヒーレント
XUV、軟 X 線の発生とそれを用いた固体分光の研究を行っている。
高次高調波の次数は 300 次以上に達し、その波長は水の窓 (4.4 nm) に至る。しかも放射光と異なり、超短パル
スでコヒーレントな光源である。この性質を利用し、軟X 線領域のフェムト秒非線形分光、時間分解分光の研究を展開している。
最近 XUV 域 ( 光子エネルギー 25-28 eV) において希ガスの２光子超閾イオン化を初めて観測した。超短パルス(8 fs) ブルーレーザー (400 nm) の９次高調波により 860
アト秒のパルス ( アト秒：10-18 秒 ) を発生し､ ２光子超閾イオン化を用いた周波数分解光ゲート法 (FROG) により、波形と位相を同時に決定することに成功した。これは XUV 域の非線形・時間分解分光への重要な一歩である。

周波数分解光ゲート（FROG）法によるアト秒パルスの測定

Attosecond pulse measurement by frequency-resolved optical gating.
Fig.1

2 分割した高調波 (28eV) の遅延を変えて得られる 2 光子超閾イ
オン化の電子スペクトル。10 階調の等高線で表してある。

Fig.2

Electron spectra of two-photon above-threshold ionization
versus optical decay between two harmonic replicas (28 eV).
The map was expressed by contours with 10 steps.

Fig.1 から再生したアト秒パルスの波形 ( 青 ) と位相 ( 赤 )。破線はフーリエー
限界パルス。

Pulse shape (blue) and phase (red) retrieved from Fig.1. The dashedline corresponds to the Fourier transform-limited pulse.

研究テーマ Research Subjects
1. 超短パルス高出力レーザーの開発
Development of ultrashort, high-power lasers
2. 多光子過程（高次高調波、多光子イオン化）の研究
Research on high-order harmonics and multiphoton ionization
3. XUV、軟 X 線領域のフェムト秒非線形・時間分解分光
Nonlinear, femtosecond spectroscopy in the XUV and soft X-ray regions
4. XUV、軟 X 線アト秒パルスの発生
Attosecond pulse generation in the XUV and Soft X-ray regions

49
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

先端分光研究部門

Division of Advanced Spectroscopy
http://suemoto.issp.u-tokyo.ac.jp

末元研究室

教

Suemoto Group

授

末元

徹

Professor

Tohru SUEMOTO

助

中嶋

手

Research Associate

誠

Makoto NAKAJIMA

Various ultrafast laser sources have been invented anddeveloped recent days. However, it is essential to develop
corresponding measurement techniques including control of thesample condition, when we want to fully utilize the advantagesof the advanced laser sources. The aim of our group is not only
to achieve highest records but also to apply the newest ultrafast
spectroscopy techniques to wide range of materials. For thispurpose, we prepared tunable short pulse sources along with low
temperature, high magnetic field and microscope facilities. Our
main interest is the dynamics of electron-phonon relaxation,
magnetic ordering and photo-induced phase transitions. Socalled "time-domain spectroscopy" is the highlight of the present
activity. We can observe the atomic vibration including the phase
information and the time evolution of the wave packet shapeby using ultrafast luminescence and reflection measurements.
Recently, we initiated terahertz pump & probe spectroscopy to
study the dynamics of photoinduced phase transitions.

レーザー技術の発展によりさまざまの超短パルス光源が実現されているが、物性研究においてその性能を十分に発揮させるには、光源以外の周辺技術の開発が重要である。当研究室では、極限的な物性測定を追及すると同時に、幅広い物質群に新しい超高速分光方法を適用することを目標としている。このために、波長可変光源、低温測定、磁場下測定、顕微測定装置などの整備を進めている。現在、電子格子緩和、磁気秩序形成、光誘起相転移など興味ある現象をダイナミクスの視点から研究しているが、最も重点をおいているのは、素励起スペクトルを時間領域で観測する「実時間領域分光」である。(i) 和周波ゲートによる発光の時間分解、(ii) 反射プローブによるコヒーレント励起分光により、原子の振動、波束形状の時間発展などを超高速で追跡することができるようになっている。さらに、テラヘルツ電磁波を用いたポンプ・
プローブ時間分解分光法による光誘起相転移のダイナミ
クスの研究を開始している。

擬１次元白金錯体（Pt-Br 系 ) における自己束縛励起子発光の時間応答から得られた波束の軌跡。発光エネルギーの 0.6eV は Br イオ
ンの約 0.2A の実空間振幅に対応している。垂直の断面は波束の形
状 |Ψ|2 を表す。

Trajectory of the wave-packet obtained from the timeresolved luminescence data of self-trapped excitons inplatinum complex (Pt-Br). Photon energy of 0.6 eV
corresponds to about 0.2 A in real space amplitude. The
vertical cross-section shows the wavepacket shape |Ψ|2.

研究テーマ Research Subjects
1. 超高速発光分光による波束運動の実時間観測とアトミック ･ ムービーの制作
Atomic movie based on ultrafast luminescence spectroscopy
2. 疑一次元金属錯体における励起子緩和
Exciton relaxation process in quasi-one-dimensional metal complexes
3. 光誘起相転移のダイナミクス
Dynamics of photoinduced phase transitions
4. テラヘルツ電磁波による時間分解分光
Time-resolved spectroscopy using terahertz radiation

50
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

先端分光研究部門 Division of Advanced Spectroscopy
http://shin.issp.u-tokyo.ac.jp

辛研究室

教

Shin Group

授

辛

埴

Professor

Shik SHIN

助

石坂

手

Research Associate

香子

Kyoko ISHIZAKA

The electronic structure of the materials is studied by using
vacuum-ultra-violet light and soft X-ray. Especially, we aredeveloping laser-photoemission spectroscopy. Ultra-highresolution laser-photoemission spectroscopy has been developed
and we obtained about ΔE=0.36meV. This is the highest
resolution of the world in the photoemission spectroscopy.
Ultra-high resolution photoemission spectroscopy is closely
related with the transport properties of the solids. We observed
superconducting gaps and pseudo-gaps of the strongly
correlated materials. We are also developing the new timeresolved photoemission spectroscopy in order to know thephoto-induced phenomina.
We study the baio-materials, such as protein and DNA.
The electronic structures of these materials are closely relatedwith the functions of the biomaterials. Soft X-ray emission
spectroscopy is very powerful for the study of these materials.

紫外光から軟Ｘ線のエネルギー領域の光物性を開拓することによって、固体の電子状態の研究をしている。特に、近年は紫外レーザーを光源として用いた光電子分光を開発しながら物性研究を行うことに力を入れている。
新たに開発されたレーザー光電子分光は 0.36meV のエネルギ−分解能を有し、世界最高である。光電子分光
は物質の物性を決定するフェルミ面近傍の電子状態を知ることのできる極めて有力な方法である。超伝導体や強相関物質のギャップや擬ギャップ等を観測し、輸送現象に直接関係した電子状態を知ることができるようになった。一方、レーザーの時間的特性を利用してフェムト秒
領域の時間分解光電子分光法を開発して、遷移金属化合
物、有機物、半導体などの光誘起現象によるダイナミクスを研究している。
一方、タンパク質等の生体物質の電子状態は化学結合状態と深く関係し、タンパク質の機能性を研究する上で極めて重要である。軟Ｘ線発光分光を用いて、この様な研究が初めて可能になってきた。蛋白中の遷移金属の果
たす微妙な役割や、ＤＮＡの持つ動的な機能性の研究を始めている。

光電子分光で観測した１次
元有機伝導体 TTF-TCNQ のフェルミ面の温度変化

Temperature dependenceof the Fermi surface of the
one-demensional organic
conductor TTF-TCNQ

世界最高のエネルギー分解能を持つ極超高分解能光電子分光装置

The experimental system for the laser-photoemission spectroscopythat has the highest resolution of the world

研究テーマ Research Subjects
1. 極超高分解能のレーザー光電子分光による超伝導体、低次元物質、新物質等の電子状態の研究
Ultra-high resolution laser-photoemission study on the superconductors and the low dimensional materials
2. レーザーを用いた時間分解光電子分光による光誘起現象の研究
Time-resolved laser-photoemission study on the photo-induced phenomina
3. 軟Ｘ線発光分光により、生体物質等の電子状態の研究
Soft X-ray emission study on the biomaterials

51
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

先端分光研究部門

Division of Advanced Spectroscopy
http://ttaka.issp.u-tokyo.ac.jp

高橋敏男研究室

教

授Professor

高橋敏男

Toshio TAKAHASHI

T. Takahashi Group

Fundamental studies on X-ray and neutron diffraction, inparticular intended for the development of new methods tosolve the structure of surfaces, interfaces and nano structuresby using interference phenomena. For instance, we have been
studying the surface structure and phase transition of metals
on semiconductor systems using synchrotron X-ray diffraction.
We have been also developing new methods to solve the phaseproblem. Methods utilizing interference phenomena and manybeam conditions in surface X-ray diffraction have been applied
to solve surface and interface structures.

Ｘ線などの回折・散乱の基礎研究とその応用。とくに干渉現象を利用して、結晶の表面や界面の構造、ナノ構
造などを解明する方法の開発を行い、その結果を利用して興味ある試料について新しい知見を得ている。
たとえば、表面Ｘ線回折法を利用して半導体表面上の金属２次元構造や１次元鎖状構造の解析、およびそれらの相転移の研究を行っている。また、位相問題に関する研究も進めている。回折散乱の実験では、観測されるのは散乱波の振幅ではなく強度である。このため、散乱波が本来もっていた位相情報が消えてしまうという位相問
題が発生する。この位相問題は、結晶の構造解析では直接法などによりかなり解決しているが、表面や界面ではまだ研究が進んでいない。表面Ｘ線回折において干渉効
果や多波回折条件を利用する方法、蛍光Ｘ線ホログラフィなどの研究を行っている。
他方、Ｘ線レーザの開発とともに今後の発展が期待される非線形光学現象の研究を進めている。

Si(111)-6r1-Ag 表面で観測された CTR 散乱。鏡面反射に相当する 00 ロッドに沿った積分
回折強度。横軸はロッド上の点を指定する指数で、l=3、l=9 は、それぞれ、Si 基板の 111、
333 ブラッグ点に相当する。それぞれのブラッグ点の前後で非対称な強度変化をしている。
この結果を解析すると Ag 原子は Si 基板の Si ２重層を基準にして 3.1Å の高さに位置していることが分かった。

CTR(Crystal Truncation Rod) scattering obtained for the Si(111)-6r1-Ag surface.
The result indicates that Ag atoms locate at 3.1 Å measured from the top of the Si
double layer of the substrate.

Si(111)-6r1-Ag 表面のパターソン図。微小角入射Ｘ線回折法により観測された非整数次反射の積分回折強度より計算された。図の赤い矢印線Ａは、この表面における原子間ベクトルに対応し、Ag-Ag 原子間のベクトルに相当すると考えられる。

Patterson map calculated from integrated intensities observed for the Si(111)-6r1-Ag surface. The arrow in red, indicating
an interatomic vector, corresponds to the vector between two Ag atoms on the surface.

研究テーマ Research Subjects
1. Ｘ線回折を利用した結晶表面・界面構造、ナノ構造の研究
Studies on surface, interface and nano-structures by diﬀraction/scattering
2. 新しい人工物質の構造評価法の開発
Development of new methods to study the surfaces and interfaces
3. Ｘ線領域における非線形光学など新しい光学分野の開拓
Optical phenomena such as nonlinear optics in X-ray wavelength region
4. Ｘ線回折物理、Ｘ線・中性子光学、干渉計
X-ray diﬀraction physics, X-ray and neutron optics, and X-ray interferometry

52
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

先端分光研究部門 Division of Advanced Spectroscopy
http://kuroda.issp.u-tokyo.ac.jp

黒田研究室
Kuroda Group

助教授

黒田

Associate Professor

Hiroto KURODA

助

馬場

手

Research Associate

寛人
基芳

Motoyoshi BABA

Extensive studies on physics to generate of coherent Soft
X-ray and Soft X-ray lasers are being carried out. Studies ona new scheme of transient collisionally pumped longitudinal
Ni-Mo 18.9 nm laser, which was first developed by our groupand opened a new trend in Soft X-ray laser, are continued.
Furthermore, highly directive higher harmonic generation(HHG) of Soft X-ray using a pre-plasma in ablation mode arealso developed and found out it is very interesting as a newphysics and also efficiency and other characteristic are desirable.
We have shown up to 71 st of Ti:S (11.19 nm) by vanadium
plasma and found out strong single harmonic enhancement
due to strong resonance effect in indium and tin plasma. Nanomaterial formation and controlling by polarization was alsostudies by using femtosecond laser system.

コヒーレントな軟 X 線および軟 X 線レーザーの生成お
よび物理的解明の研究を遂行している。波長 18.9nm における過渡的縦型 Ni 様モリブデン軟 X 線レーザーの発振に世界で初めて成功し、高度化の追求を行っている。
さらに新たな軟 X 線領域における光源開発として非線形媒質にレーザー励起アブレーションプラズマを用いた高次高調波の発生と、その高効率化 • 短波長化を行っており研究が大きく進展した。バナジウムをターゲットに用いたときに 71 次（波長：11.19nm）高調波を得、またインジウムを用いたときに波長 61nm、スズを用いたとき 47nm さらに 37nm の波長域において一つの特定次数の強力高調波生成に成功した。また、レーザーアブレーション法を用いたナノ構造創成にも成功している。

ホウ素レーザーアブレーションターゲットを用いた高次高調波スペクトル。チタン
サファイアレーザーを基本波とした 65 次高調波まで観測された。

インジウムレーザーアブレーションターゲットを用いたときの制御高調波スペクト
ル。波長 61.26nm における 13 次高調波のみが共鳴増幅により強度増幅されている。

High-order harmonic spectrum from boron laser ablation plume. The 65th
harmonic is obtained by irradiating Ti:sapphire laser.

Spectrum of high-order harmonic generation from the laser ablation indium
plume irradiated by femtosecond laser pluse. The enhancement of the 13th
harmonic is due to strong resonance with the strong radiative transition of
In II.

研究テーマ Research Subjects
1. 波長 18.9nm における Ni 様モリブデン X 線レーザーの高度化
Physics and development of Ni-Mo 18.9nm X-ray laser
2. レーザーアブレーションターゲットを用いた制御高次軟 X 線高調波の生成物理と高度化
New scheme of ablation controlled plasma and anomalous enhancement of single harmonic due to strong resonance
3. FRET、FLIM の蛍光を用いたタンパク質の相互作用理解
FRET and FLIM of luminous proteins
4. レーザーアブレーション法を用いたナノ構造形成と新しい物性
Formation of nano-structure on crystal surface with femtosecond laser pulse irradiation

53
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

先端分光研究部門

Division of Advanced Spectroscopy
http://aki.issp.u-tokyo.ac.jp

秋山研究室
Akiyama Group

助教授

秋山

Associate Professor

Hidefumi AKIYAMA

助

吉田

手

Research Associate

英文正裕Masahiro YOSHITA

Advanced laser spectroscopy on the basis of lasers andmicroscopy is developed and applied to semiconductor quantum
wires and other nano-structures, in order to understand andcontrol their optical properties quantum mechanically whichvary with their size and shape.
The structures of current interest are T-shaped GaAs quantum
wires. We are currently aiming at making the world thinnest andcleanest quantum-wire semiconductor lasers that have superiorlaser performances such as low threshold currents. Experimental
findings and problems there provide us fruitful physics subjects
related to 1D physics, many-body physics, lasers, crystal
growth, material science, and semiconductor device physics andengineering. FET-type doped quantum wire devices are realized
and studied for optical physics of 1D many electrons.
For the above studies on small nano-structures, weare developing experimental techniques such as sensitive
luminescence detection, absolute luminescence-yieldmeasurements, transmission/absorption measurements ofsingle nano-structures, micro-spectroscopy, imaging, and solidimmersion microscopy. Recently, some of these techniques
have been applied to study of bioluminescence of fireflies, jelly
fish, and sea fireflies as well as luminol chemiluminescence incollaboration with biologists and industry researchers.

サイズや形に依存して変化する量子力学的な物性の光学的な理解と制御を目的に、半導体量子細線を中心とした量子ナノ構造とそれを用いた半導体レーザーについて、
レーザー分光と顕微分光を主として用いた研究を行っている。
GaAs 薄膜量子井戸構造をＴ型につないだような量子構
造では、Ｔ型の交点が量子細線として働く。現在、この手法を用いて世界一細くかつ均一な量子細線半導体レーザーを作り、低しきい値電流などの優れた性能を検証しようと研究を進めている。そこで出会う実験事実や問題
点新発見などは、1 次元物性、電子正孔系多体問題、レーザー、結晶成長、物質科学、半導体デバイスなど様々な分野に関わる物理研究の題材を提供してくれる。FET（電界効果トランジスタ）型のドープ細線構造も実現し、一次元多体電子系の光学物理も調べている。
上記の研究のため、微細なナノ構造の発光を高感度に検出する技術、絶対量を定量計測する技術、ナノ構造の透過吸収を計測する技術、顕微分光や画像計測の技術、ソリッドイマージョン顕微技術などを開発している。最近は、それらの技術をもちいて、ホタルやクラゲやウミホタルの生物発光やルミノール化学発光などの研究を、生物学の専門家や民間会社と共同で進めている。

単一 T 型量子細線の透過吸収
スペクトルTransmission/absorption
spectrum of a T-shaped
single quantum wire

ホタル ( 有馬温泉、日本 ) とウミホタル ( 横須賀、日本 )Firefly (Arima, Japan) and sea
firefly (Yokosuka, Japan)

研究テーマ Research Subjects
1. 超微細低しきい値量子細線レーザーの作製と顕微分光
Ultra-thin low-threshold high-quality semiconductor quantum-wire lasers and their micro-spectroscopy and imaging
2. 1 次元高密度電子正孔系および電子系の光学応答と多体相互作用効果
Optical physics and many-body physics of dense electron-hole or electron systems in 1D
3. 半導体量子構造の高品質化、構造評価、顕微分光計測、画像計測
Material physics and development of high-quality semiconductor nano-structures via microscopy
4. ホタル・クラゲ・ウミホタルなどの生物発光と生物化学発光計測標準
Bioluminescence of ﬁreﬂy, jelly ﬁsh, sea ﬁreﬂy, etc. and bio/chemiluminescence measurement standards

54
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門Division
先端分光研究部門
Divisionof Advancedof New Materials
Spectroscopy
Science
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

八木研究室
萱沼研究室
Yagi Group Group
Kayanuma

可 視 域（~eV） か ら 硬 Ｘ 線 領 域 (~keV) に わ た る 光 励起状態のダイナミックスを理論的に研究している。特に最近は、超短パルスレーザーを用いた超高速時間分解応
答、非共鳴強レーザー照射下での固体のバンド変調効果(dressed-band eﬀect)、軟Ｘ線領域における軽元素の内殻励起子共鳴発光と原子移動ダイナミックス、数 keV 程度の硬Ｘ線による軽元素光電子スペクトルに見られる反跳効果 (X-ray Mössbauer eﬀect) などの理論研究に取り組んでいる。時間軸およびエネルギー軸でのスペクトル
分解能の向上に伴い、予想もしなかった新しい光励起効果が現れてくるのを、多くの実験家との共同研究により解明している。
また、東京大学およびアウグスブルク大学の研究グルー
プと共同で、時間をあらわに含む外場により駆動される電子のコヒーレントダイナミックスの理論を研究している。一例として、位相相関をもつ Landau-Zener 型非断熱遷移を利用した qubit 操作の提案や、circuit QED における qubit Landau-Zener dynamics の解析および予言を行っている。

八木研究室
ニング研究室Yagi Group
Ning
Group

影響するかについて、ハートリーフォックレベルと電子散乱の効果を入れたレベルを比較して研究している。我々は、電子電子散乱と電子フォノン散乱をコンシステントに取り入れるとサブバンド間遷移のスペクトル形状がバ
ンド間遷移に比べて著しく変わることを示している。
サブバンド間遷移をもちいて２光子レーザーを実現する方法を研究している。この素子ではクーロン相互作用が重要な役割を果たし、３サブバンド間の遷移においてサブバンド間プラズモンモードの結合により新たな光透明性が表れることが示されている。
物性研究所においては、秋山研究室と共同で量子細線のバンド間遷移分光の研究を進めている。彼らは GaAs
量子細線における最良の分光実験データを得ており、古くから関心の持たれている励起子モット転移の問題や１次元系における光学利得の起源に関して、新たな理解の展望を拓きつつある。秋山研究室と協力して、実験デー
タの解釈に努め、励起子・励起子分子・電子正孔プラズ
マ系の相転移やクロスオーバーに切り込む新しい実験の検討や提案を進めている。

授

瀧川

仁

Professor

TAKIGAWA Masashi

教 授
客員教授

榊原
萱沼

Professor
Visiting
Professor

SAKAKIBARA
ToshiroYosukeKAYANUMA助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

俊郎
洋輔
裕之

We are investigating theoretically the dynamical problems in thephoto excited state of matter ranging from optical region to hard
X-ray region in the energy scale. Specifically, our recent interest
is focused upon such topics as the ultra fast relaxation dynamics
by ultra short light pulse excitation, the band renormalization
effect in semiconductors under an intense off resonant infraredlaser field, the dynamical symmetry breaking in the core exciton
state of light element materials observed by the resonant X-ray
emission spectrum, the recoil effect analogous to the Mössbauer
effect observed in high resolution XPS spectra for a hard X-ray
irradiation. These works are being carried out in collaboration
with a number of experimental groups, and we are enjoying to
see unexpected new phenomena emerge at every steps of the
improvement of experimental resolution both in the time domain
and the energy domain.
We are also studying various aspects of the coherent quantum
dynamics driven by time-dependent external fields. This subject isbeing studied in collaboration with theoretical groups in Augsburg
University and the University of Tokyo. For example, we haverecently proposed a novel method of qubit manipulation by using
the correlated Landau-Zener nonadiabatic transitions.

新物質科学研究部門Division
先端分光研究部門
Divisionof Advancedof New Materials
Spectroscopy
Science
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

クーロン多体相互作用がナノ構造の発光や吸収にどう

教

教

授

瀧川

仁

Professor

TAKIGAWA Masashi

教 授
外国人客員教授

榊原 俊郎
ニング
クン・ゼン

Professor
Visiting
Professor

SAKAKIBARA
ToshiroCun-Zheng
NING

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

One of the emphases of our research is how Hartree-Fock levelmany-body interactions can modify gain and absorption features ofsemiconductor nanostructures, and further beyond, how scattering
effects change the spectral lineshape. We have shown recently
how a consistent treatment of electron-electron and electronphonon scatterings can dramatically affect the spectral lineshape ofintersubband transitions, more so than for interband transitions.
In connection with intersubband transitions, our interest is also toinvestigate how a new type of device, the so-called two-photon laser canin principle be made based on semiconductor intersubband transitions.
Coulomb interactions play an important role in the operation ofsuch a device. We have shown Coulomb interaction in intersubband
transitions with three subbands can lead to a new transparency due tothe coupling of various intersubband plasmon modes.
In terms of interband transitions, my present interest at ISSP is the
spectroscopy of quantum wires in collaboration with Akiyama group.
They have recently obtained the best spectroscopy data ever on GaAs
quantum wires which could shed new light on the understanding of
the long standing issue of exciton-Mott transitions and the scenario
of how optical gain occur in a one dimensional system. We areworking for understanding their experimental data and for designing
new experiments to further provide more insights into the phasetransitions or cross-over involving exciton, biexciton, and plasma.
55

THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

軌道放射物性研究施設
Synchrotron Radiation Laboratory

高エネルギー加速器から放射される極紫外から軟Ｘ線領域の光（放射光）は、物質の性質（電子状態）を調べるうえで不可欠である。特に、アンジュレータなどの輝度の高い放射光を利用した極紫外・軟Ｘ線領域の吸収、光電子分光、発光分光などの実験は、物質の機能発現を微視的に解明する重要な役割を果たしている。本施設の測定系グループは、高エネルギー加速器研究機構（KEK）内に分室を設置してフォトンファ
クトリー・リング（KEK-PF）に設置した３つの実験ステーションを使って KEK と協同で全国共同利用実験に提供するとともに、放射光を利用する先端的物性研究や新しい実験技術の開発・研究を行っている。加速器グループは、先端的放射光源に関する技術開発と加速器物理研究を行っている。また、極紫外・軟Ｘ線放射光を利用する最先端の施設を建設する計画（東京大学
アウトステーション計画）を推進し、光源加速器とビ­ムライン分光光学系の設計・開発研究も行っている。

教

授（施設長）

Professor (Director)

柿崎明人

Akito KAKIZAKI

助教授

中村

Associate Professor

Norio NAKAMURA

助教授（客員）

伊藤

典雄

健二

Visiting Associate Professor Kenji ITO

助教授（客員）小林幸則

Visiting Associate Professor Yukinori KOBAYASHI助

手Synchrotron radiation from insertion devices
provides researchers with a powerful probe, easily
tunable over an extreme wide range of energies andwavelength to understand the complex world of
atoms, molecules and solid states. The Synchrotron
Radiation Laboratory (SRL) has a branch laboratory
in the High Energy Accelerator Research Organization(KEK) at Tsukuba. The branch laboratory maintains
an undulator called Revolver, two beamlines andthree experimental stations, which are installed in
the Photon Factory (PF) and fully opened to outsideusers. The in-house staffs of SRL not only serve theoutside users with technical support and advices, butalso carry out their own research works on advanced
solid state spectroscopy as well as instrumentation.
The accelerator group is studying accelerator physics
and developing the accelerator related technology foradvanced and future synchrotron light sources. The
members of SRL has been playing an essential role in
the new beamline project of the University of Tokyo
to promote advanced synchrotron radiation sciencesusing brilliant light sources in vacuum ultraviolet andsoft X-ray regimes.

奥田太一

Research Associate

Taichi OKUDA

助

藤澤

手

正美

Research Associate

Masami FUJISAWA

助

阪井

手

寛志

Research Associate

Hiroshi SAKAI

助

髙木

手

宏之

Research Associate

Hiroyuki TAKAKI

技術専門職員福島Technical Associate

Akiko FUKUSHIMA

技術専門職員澁谷Technical Associate

Takashi SHIBUYA

昭子
孝

助教授（外国人客員）ヤノヴィッツ クリストフ 技術専門職員

原沢

Visiting Associate Professor Christoph JANOWITZTechnical Associate

Ayumi HARASAWA

技術専門職員篠江

Technical Associate

Kenji SHINOE

技術専門職員

工藤Technical Associate

Hirofumi KUDO

技 術 職 員伊藤Technical Associate

Isao ITO

56
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

あゆみ
憲治
博文
功

軌道放射物性研究施設 Synchrotron Radiation Laboratory
http://kakizaki.issp.u-tokyo.ac.jp

測定系グループ
Solid State Spectroscopy Group

教

授

柿崎

明人

Professor

Akito KAKIZAKI

助

奥田

手

Research Associate

太一

Taichi OKUDA

The solid state spectroscopy group consists of twolaboratories, the members of which are promoting advanced
solid state spectroscopy using synchrotron radiation in soft
X-ray and vacuum ultraviolet region. They operate, maintainand improve two undulator beamlines and three experimental
stations at the Photon Factory (KEK-PF); an angle-resolved
photoelectron spectrometer (BL-18A), a spin- and angleresolved photoelectron spectrometer (BL-19A) and a soft X-ray
emission spectrometer (BL-19B). Their current interests are thesurface magnetism of transition metal thin films, the imaging of
nano-structure materials by means of photoelectron emission
microscopy (PEEM), unoccupied electronic states of surfaces by
a k-resolved inverse photoelectron spectroscopy, etc.

測定系グループは２つの研究室で構成され、高輝度放射光を利用する先端的物性研究や新しい実験技術の開発・研究を行っている。測定系グループでは、KEK-PF に設置した偏向電磁石からの放射光を使う角度分解光電子分光実験装置 (BL-18A) 、リボルバー型アンジュレータからの高輝度放射光を利用するスピン・角度分解光電子分光
実験装置 (BL-19A) と軟Ｘ線発光分光実験装置 (BL-19B)の 3 基の実験ステーションを維持管理し、共同利用実験に提供している。これらのビームラインの年間利用者数
は 200 人を超えている。また、東京大学が計画している
極紫外・軟Ｘ線領域の高輝度放射光施設のビームライン、
分光光学系の設計や建設・整備の中心的な役割を担っている。
最近の主な研究テーマは、スピン分解光電子分光実験
による遷移金属薄膜の構造と表面磁性、光電子顕微鏡による磁気イメージ観察、角度分解光電子および逆光電子分光による表面電子状態解析、放射光を利用する走査トンネル顕微鏡の開発などである。

LaB6(001) 表面の角度分解逆光電子分光スペクトル。La 5d と４f 状態に起因する表面電子状態がフェルミ準位近傍（A）と 6.8 eV（E）にみられる。バルクの La 5d および４f 電子状態のエネルギー位置および表面４f 状態のエネル
ギーシフトの大きさを解析した結果、表面 La 層の電荷密度がバルク La に較べ
て大きくなっていること、そのことが LaB6(001) 表面の低い仕事関数の原因となっていることが分かった。

k-resolved inverse photoemission spectra of LaB6(001). The surface statesoriginated from La 5d and 4f states are observed near the Fermi level (A)and 6.8 eV above it, respectively. Analyzing the energies of the featuresin the spectra, it was deduced that the low work function of LaB6(001)surface is caused by the higher charge density of La atoms in the topmost
surface than those in bulk due to the electron transfer from subsurface tothe topmost La layer.

研究テーマ Research Subjects
1. スピン分解光電子分光および磁気円二色性実験による表面磁性の研究
Surface magnetism studied by spin-resolved photoemission and magnetic linear- and circular-dichroism
2. 光電子および逆光電子分光実験による金属および半導体表面・界面の電子状態の研究
Electronic structures of metal and semiconductor surfaces studied by means of photoelectron and inverse photoelectron spectroscopy
3. 光電子顕微鏡による微小試料、微小領域のイメ­ジングと電子状態の研究
Imaging of nano-structure materials by means of photoelectron emission microscope (PEEM)
4. 極紫外・軟Ｘ線高輝度放射光を利用するビームライン・分光光学系の設計開発
Design and feasibility study of soft X-ray and VUV beamlines for undurator radiation

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

軌道放射物性研究施設 Synchrotron Radiation Laboratory
http://nakamura.issp.u-tokyo.ac.jp

加速器グループ
Accelerator Physics Group

助教授

中村

Associate Professor

Norio NAKAMURA

助

髙木

手

典雄
宏之

Research Associate

Hiroyuki TAKAKI

助

阪井

手

Research Associate

寛志

Hiroshi SAKAI

Our research subjects are particle accelerators mainly usedas synchrotron radiation sources, especially high-brilliancesynchrotron light sources and next-generation synchrotron lightsources such as Energy Recovery Linacs (ERLs). We study beamphysics in these accelerators and also design and develop theiradvanced accelerator components and subsystems. Our recent
activities are research and development of a high-resolution
beam profile monitor using two X-ray zone plates, coppercoated insertion-device vacuum chambers for suppression of
the resistive-wall wake fields, a multipole-magnet girder for lowemittance lattices, a high-performance beam position monitor
for beam orbit stabilization, a new orbit correction method
uniting global and local orbit corrections, an initial-beamloading compensation system for high-intensity electron linacs
like Free Electron Lasers (FELs), a HOM-damped RF cavity
adopted in the ASP(Australian Synchrotron Project) light sourceand novel insertion devices and so on. These are very importantfor generation and stabilization of low-emittance electron beams
and high-brilliance photon beams, which are common featuresof the most advanced synchrotron light sources. Furthermore
R&D of a superconducting RF cavity for ERLs just started.

我々の研究テーマは放射光源を中心とした粒子加速器であり、特に高輝度放射光源やエネルギー回収型ライナック（ERL）などの次世代放射光源が対象となる。我々はこれらの加速器におけるビーム物理を研究するとともに、それらの先端的構成要素の設計・開発を行っている。X
線ゾーンプレートを用いた高分解能電子ビームプロファ
イルモニタ、電子ビームのウェイク場を抑制するための挿入光源用銅メッキチェンバー、低エミッタンスラティスのための多重極電磁石用共通架台、軌道安定化のための高性能ビーム位置モニタ、局所補正と全体補正を統合する新しい軌道補正方法、自由電子レーザー（FEL）のような大強度ライナックのための初期ビーム負荷補正シ
ステム、オーストラリア放射光施設で採用された高次モード減衰型高周波加速空洞、新しい挿入光源などの研究開発が最近の活動内容である。いずれも最先端放射光源に共通の特徴である低エミッタンス電子ビームと高輝度放射光の生成と安定化にとって非常に重要なテーマである。
さらに、エネルギー回収型ライナック用の超伝導加速空洞の研究開発が新たに始まった。

４つのダミー電磁石を載せた低エミッタンスラティス用多重極電磁石共通架台（左）とその３次元構造解析の例（右）。

Photograph of multipole-magnet girder with 4 dummy magnets for lowemittance lattices (left) and a result of 3D structural analysis of this girder(right).

内面を銅メッキされたステンレス製真空チェンバーの超高真空試験用セットアップ。

Setup of ultra-high vacuum test for copper-coated stainless steel chamber.

研究テーマ Research Subjects
1. 高輝度放射光源
High-brilliance synchrotron light sources
2. 次世代放射光源
Next-generation synchrotron light sources
3. 先端的加速器構成要素の開発
Developments of advanced accelerator components and subsystems
4. 加速器におけるビーム物理
Beam physics in accelerators

58
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 Division
軌道放射物性研究施設
Synchrotronof NewRadiation
Materials Laboratory
Science
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

八木研究室
伊藤研究室

瀧川

仁

TAKIGAWA Masashi

教 授
客員助教授

榊原伊藤
俊郎健二

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

We, at the Photon Factory of the Institute of Materials
Structure Science, have developed the beamline technology tohandle synchrotron radiation in the vacuum ultraviolet andsoft X-ray region from the 2.5-GeV PF storage ring for studying
electronic structures in gas phase and condensed phase. In
the Synchrotron Radiation Laboratory of the ISSP, they areplanning to construct some beamlines, which are to be installedat existing high-brilliance synchrotron radiation facilities. It isurgently demanded to design undulator beamlines for soft X-ray
region. We will develop R&D on such beamlines of grazing
incidence optics with active control optical elements, based theexperience at the Photon Factory.

物質構造科学研究所放射光科学研究施設（PF）では、2.5GeV 電子蓄積リングから発生する真空紫外および軟 X
線領域の放射光を用いてあらゆる物質系の電子物性に関する研究を行うための同領域におけるビームライン技術の開発を行ってきた。東京大学物性研では、既存の放射光源施設に高輝度放射光を利用するビームライン・実験
設備を建設・整備することを計画しており、アンジュレー
タを利用する新しい分光光学系の設計・開発研究が急務となっている。そこで、PF で得られた経験を、軌道放射物性研究施設で検討されている能動光学素子を用いた新
しい斜入射分光器の研究開発に活かしていきたい。

新物質科学研究部門 Division
軌道放射物性研究施設
Synchrotronof NewRadiation
Materials Laboratory
Science
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

八木研究室
小林研究室

教

授

瀧川

仁

Professor

TAKIGAWA Masashi

教 授
客員助教授

榊原小林
俊郎幸則

Professor
SAKAKIBARA
ToshiroVisiting Associate Professor
Yukinori KOBAYASHI

Yagi GroupGroup
Kobayashi

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之(1) We study the lattice design and the beam dynamics of thearc section in the energy recovery linac, which is expected as
one of the 4th generation light source. The arc section has rollsof preserving the high quality (low emittnace, low energy spreadand so on) of the electron beam generated by the electron gun,producing the synchrotron light and recovering the energy
efficiently in the main linac. To obtain the optimum lattice
we examine the effects of the emittnace deterioration for thecoherent synchrotron radiation (CSR) and the cause of the beamloss due to the higher order energy deviation cooperating withthe accelerator physics group (Nakamura group).
(2) We have developed new injection system using a single
multipole pulsed magnet for the top-up operation in highbrilliance synchrotron light sources. The system enables us toinject the beam with only one pulsed magnet without a local
bump produced by several pulsed dipole magnets. We havesucceeded in the beam injection using a single quadrupole
pulsed magnet at the PF-AR. Next we are developing a pulsed
sextupole magnet, and going to demonstrate the beam injection
using the sextupole at the PF ring cooperating with theaccelerator physics group (Nakamura group).

（１）蓄積リング型高輝度光源を上回る性能を有すると期待される ERL (Energy Recovery Linac：エネルギー回収型ライナック ) 放射光源のための周回部ラティス設計およびビームダイナミックスの研究をしている。周回部には、電子銃で発生した電子ビームの品質（低エミッタンス、
低エネルギー分散）を保持し、放射光を発生させ、高効率でエネルギー回収を行わせるという役割がある。そのために必要な最適なラティスおよび品質を劣化させる
Synchrotron

授

Professor

Professor
SAKAKIBARA
Visiting
Associate Professor
Kenji ITOToshiro

YagiGroup
Ito
Group

CSR（Coherent

教

Radiation）の影響やビー

ムロスの原因となるエネルギーのずれによる高次の影響
等のビームダイナミックスを加速器グループ（中村研究室）と密接な協力関係のもと調べている。
（２）蓄積リング型高輝度光源における Top-Up 運転のための新しい入射方式の開発研究を行っている。この新しい入射方式は、従来のように数台のパルス偏向電磁石によるパルスバンプを用いた方式とは異なり、パルス多極電磁石（四極電磁石や六極電磁石）を用いた方式で１台のパルス電磁石で入射を可能にする。パルス四極電磁石を用いたビーム入射はすでに PF-AR において成功しており、現在は加速器グループ（中村研究室）と協力してパルス六極電磁石による入射方式を PF リングで試験することを検討している。

59
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 Division
軌道放射物性研究施設
Synchrotronof NewRadiation
Materials Laboratory
Science
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

八木研究室
ヤノヴィッツ研究室
Yagi Group
Janowitz
Group

教

授

瀧川

仁

Professor

TAKIGAWA Masashi

教 授
外国人客員教授榊原俊郎 クリストフヤ
ノヴィッツ

Professor
Visiting
Professor

SAKAKIBARA
ToshiroChristoph
JANOWITZ助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

We have been studying the dimensionality effects andcharge ordering in Bi-cuprates by means of photoelesctron
spectroscopy. In ISSP, we characterized the samples we hadbrought from my home institute, the Institute of Physics of the
Humboldt University Berlin, by mean of magnetic susceptibility
measurements with SQUID, EDX to obtain oxygen content
of the samples, etc. We had four-weeks beamtime at thebeamline 18A in Photon Factory. We were able to obtain very
important results on the disappearance of the Fermi surface
on BiSrLaCuO-high temperature superconductors in a special
region of hole doping, the so called static stripe phase. It was
found that in this stripe phase the maximum intensity near the
Fermi energy occurs in the second Brillouin zone. This makes
the results similar to that from the other HTc superconductor
with the sripe phase (Nd)LaSrCuO and proves the universal
behaviour of high Tc’s in the doping regime of this stripe phase.

Bi- 系銅酸化物高温超伝導体でみられる次元性や電荷秩序について放射光を利用する光電子分光実験によって研究している。物性研では、フンボルト大学から持参した試料のキャラクタリゼーションのために SQUID
による磁化測定、Ｘ線解析による構造解析などを行った。フォトンファクトリー BL-18A では４週間の実験を行うことができ、BiSrLaCuO- 高温超伝導体の静的ストライプ相とよばれるホールドープ量が特別な値を持つ領域でフェルミ面が消えるという極めて重要な実験結果を得た。このストライプ相ではフェルミ準位の光電子スペ
クトル強度が第 2 ブリルアンゾーンに起因するものであることも分かった。このことは他の高温超伝導体である(Nd)LaSrCuO でも観測され、このストライプ相に共通の振舞であることを示している。

60
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

中性子科学研究施設
Neutron Science Laboratory

Science 1961, the ISSP has been playing a central
role in neutron scattering activities in Japan not only
by performing its own research programs but also by
providing a general user program for the universityowned various neutron scattering spectrometers
installed at the research reactor of JAEA (Tokai). In
the JRR-3 reactor (20MW), the university group owns
13 spectrometers, and the Neutron Science Laboratory(NSL) provided a general user program. Under
this program, close to 300 proposals are submitted
each year, and the number of visiting users under
this program reaches over 6000 (person-day/year).
Major research areas are solid state physics (strongly
correlated electron systems, high Tc superconductors,
heavy Fermion systems, low dimensional magnetism,high-pressure physics etc.), fundamental physics andneutron beam optics, polymer, chemistry, biology, andmaterials sciences. The NSL also operates the U.S.Japan cooperative program on neutron scattering, andsupports the development of the neutron-beam basedmaterial sciences in Japan.

中性子は透過力に優れ、微小磁石の性質を持つので、原子の中心にある原子核やその周りにある電子のつくる磁場と力を及ぼし合う。この性質を利用して物質による中性子の散乱のされ方を測定し、物質内の原子や磁気モーメントの配列や運動の様子を知る実験方法を「中性子散乱」という。物性研究所の中性子科学研究施設
では中性子散乱実験による物性研究のための全国共同利用を推進してきた。現在、日本原子力
研究開発機構の研究用原子炉 JRR-3 に大学が設置する中性子散乱装置は 13 台を数え利用規模
は年間約 300 課題、6,000 人・日に達している。
当施設の実施する全国共同利用により、高温超伝導体の研究、フラストレートした磁性体や重い電子系、低次元磁性体等の様々な磁性体の研究をはじめとして、高分子・コロイドの構造や相転移、生体物質の高次構造と機能の研究など、
ハードマテリアルからソフトマテリアルまでを含む幅広い物質や材料の基礎研究が中性子散乱を用いて盛んに行われている。また、当施設では日米協力事業「中性子散乱分野」の実施機関としても活動し、我国の中性子散乱研究の発展に貢献している。

教

授（施設長）

Professor (Director)

教

日本原子力研究開発機構の研究用原子炉
JRR-3 に設置された中性子散乱実験装置群。
この原子炉から２本の熱中性子導管と３本の冷中性子導管が左方向に引き出され、隣接するガイドホールの中性子ビーム実験装置群に中性子を供給している。

The reactor hall of JRR-3. The eightneutron scattering instruments areattached to the horizontal beam tubes
in the reactor experimental hall. Twothermal and three cold guides are
extracted from the reactor core towards
the guide hall located to the left.

吉澤

柴山

授

英樹

Hideki YOSHIZAWA

助

手

大原

泰明

Research Associate

Yasuaki OOHARA

助

西

手

正和

Research Associate

Masakazu NISHI

助

阿曾

手

尚文

Research Associate

Naofumi ASO

助

松浦

充弘

Professor

Mitsuhiro SHIBAYAMA

助教授

廣田

Associate Professor

Kazuma HIROTA

Research Associate

Masato MATSUURA

助教授

山室

技術職員

川村

Associate Professor

Osamu YAMAMURO

Technical Associate

Yoshihisa KAWAMURA

助教授

佐藤

技術職員

渡辺

Associate Professor

Taku J. SATO

Technical Associate

Satoshi WATANABE

助教授（客員）

高倉

和馬
修
卓
洋礼

手

直人
義久
聡

技術職員

浅見

Visiting Associate Professor Hiroyuki TAKAKURA

Technical Associate

Toshio ASAMI

教授（外国人客員） ヴァクルーシェフ セルゲイ

事務職員

後藤

Visiting Professor

Administrative Staﬀ

Munetoshi GOTO

Sergey B. VAKHRUSHEV

61
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

俊夫
宗利

中性子科学研究施設 Neutron Science Laboratory
http://yoshizawa.issp.u-tokyo.ac.jp

吉澤研究室
Yoshizawa Group

教

授

吉澤

英樹

Professor

Hideki YOSHIZAWA

助

大原

手

泰明

Research Associate

Yasuaki OOHARA

助

阿曾

手

Research Associate

尚文

Naofumi ASO

Metal-insulator transition in transition-metal oxides has
drawn much attention because it is a phenomenon whichreflects interplay among spin, charge, lattice, and orbital
degrees of freedom. Our group has been performing systematicinvestigations of such transition-metal oxides in view ofinfluence of charge/orbital ordering, spin ordering, andstructural transitions to transport property. The triple axis
neutron spectrometer owned by the ISSP is shown in the left
figure below. With use of these spectrometers, the hole-doping
dependences of the incommensurability and the transition
temperature of the stripe ordering for hole concentration
x up to x = 0.5 have been observed in the highly-doped
La2-xSrxNiO4 which is one of the isomorphic compounds of theHigh Tc cuprate superconductors. The ordering temperatures ofthe stripe charge as well as spin orderings have the maximums
at x = 1/3, and they decrease beyond x = 1/3. Although
the incommensurability is approximately linear to the holeconcentration, close inspection of the data indicates that theincommensurability exhibits a subtle deviation from the linear
relation for both sides of x = 1/3. Such an exotic stripe ordering
exisits widely in the two-dimensional transition-metal oxides.

遷移金属酸化物の示す金属・絶縁体転移は、スピン・
電荷・格子・軌道状態などが密接に関連して生じる現象
として大きな注目を集め盛んに研究されている。当研究室では遷移金属酸化物の示す電荷・軌道秩序や磁性および構造相転移と電気伝導との関連などを中性子散乱をもちいて系統的に研究している。左下の図は、日本原子力
研究開発機構（JAEA) の研究炉に設置された物性研究所の中性子分光器のうちの 1 台である。中性子散乱実験では、このような分光器を使用して物質の非弾性散乱スペ
クトル等を測定する。右下の図は、高温超伝導を示す銅
酸化物の一つである La2- Sr CuO4 と同型の結晶構造を持つ La2- Sr NiO4 の系において観測されるストライプ秩
序のドープ濃度依存性を =1/2 までの高ドープ領域まで測定した結果得られたストライプ秩序の形成温度とスト
ライプ秩序のストライプの間隔のホール濃度依存性を示したものである。ストライプ秩序と付随した磁気秩序の転移温度はともに =1/3 で極大を示したあと減少に転ずる。またストライプ秩序の間隔はホール濃度に比例して広がるが、詳細に見てやると =1/3 の前後で特徴的なずれを示し、 =1/3 の濃度の特殊性を際だたせている。こ高温超伝導を示す銅酸化物の一つで あ る La2-xSrxCuO4 と 同 型 の 結
く、広く低次元遷移金属酸化物で存在していることが最 晶 構 造 を 持 つ La2-xSrxNiO4 の 系
において観測されたストライプ秩
序のドープ濃度依存性。ストライ
近の研究で明らかにされつつある。
プ秩序の転移温度と付随した磁気秩序の転移温度は x=1/3 で極大を示したあと減少に転ずる。またストライプ秩序の周期は
x=1/2 までドープ濃度と近似的に線形な関係をしめすが、詳細に見てやると x=1/3 の前後で特徴的なずれを示し x=1/3 の濃度の特殊性を際だたせている。この特異な振舞いは、ストライプ内のキャリアー濃度の変化と関係があることがホール効果の測定
結果から示唆されている。

のようなストライプ秩序は高温超伝導酸化物ばかりでな

日本原子力研究開発機構（JAEA) の研究炉 JRR-3に設置された物性研究所の 3 軸型中性子分光器。

Triple-axis spectrometer installed at the JRR-3
in the Japan Atomic Energy Agency, Tokai,
Ibaraki.

Doping dependence of the stripe ordering in highly-doped
La2-xSrxNiO4, which is an isomorphic compounds of oneof High Tc cuprate superconductors La2-xSrxCuiO4. Unlike
the expectation from the previous studies, the transition
temperatures of the stripe charge and spin orderings exhibit
the maximums at x = 1/3, and decreases above x = 1/3. The
periodicity of the stripe order is approximately linear in x,
but the systematic deviation from the linearity around x =1/3 strongly indicates that it is related to the change of thecarrier concentration within the stripes, being consistent
with recent Hole-coefficient measurement.

研究テーマ Research Subjects
1. 遷移金属酸化物が示す金属・絶縁体転移や、その際に出現する磁気秩序・電荷秩序・軌道秩序などの中性子散乱による研究
Neutron scattering study of metal-insulator transition, magnetic ordering, charge/orbital orderings in transition-metal oxides
2. 超伝導体におけるスピン揺動の影響の微視的研究
Microscopic study of inﬂuence of spin ﬂuctuations in magnetic superconductors
3. クラスレート型熱電結晶における格子振動の研究
Lattice dynamics of thermoelectro-clathrates

62
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

中性子科学研究施設 Neutron Science Laboratory
http://shibayama.issp.u-tokyo.ac.jp

柴山研究室

教

授

Professor

柴山充弘

Mitsuhiro SHIBAYAMA

Shibayama Group

Polymers, gels, colloids, and liquid crystals are classified tosoft materials, which undergo various transitions in response toa slight change of an environmental variable. We are interested
in the physics of soft-matter, particularly in the physics of gelsand micro-emulsion. Nano-order structure investigations andstudies on dynamics of soft matter are carried out with state-ofthe-art equipments, such as the small-angle neutron scattering
instrument (SANS-U; upgraded in 2003) and the neutron
spin-echo spectrometer (iNSE; upgraded in 2004). Other
scattering techniques, such as dynamic/static light scattering,
microscopy, mechanical/thermal analyses, UV/IR spectroscopy,
and rheological studies, are also employed if necessary. Current
interests cover (1) inhomogeneities in polymer gels, (2)hydrophobic interactions in polymer gels and block copolymer
solutions, (3) pressure-induced phase transition of soft-matter,(4) structure investigation of slide-ring gels and nanocomposite
gels, (5) oil gelators, and (6) structure and dynamics ofmolecular chaperone.

ソフトマターとは、我々の身の回りの物や生体物質を構成する高分子・ゲル・コロイド・液晶などに代表される物質・材料のことである。磁性体や超伝導物質などのハードマターでは超高圧や極低温という極限環境において特異的な物性を示すのに対し、ソフトマターでは常温・常圧付近で興味深い物性を示し、多様な機能を果たす。
特に生命機構の解明や自己組織化の本質を理解するには「ソフトマターの物理」が重要である。
柴山研究室では高分子ゲル、マイクロエマルションを対象として、ソフトマターにおける分子結合相関系の物理の構築・体系化を目指している。特に最近では、ゲルの不均一性の研究のほか、疎水性相互作用の原理の探求、
驚異的な力学物性をもつ環動ゲルや有機̶無機ハイブ
リッドナノコンポジットスーパーゲルの構造解明、オイ
ルゲル化剤のゲル化機構の研究、分子シャペロンの研究などを行っている。
世界有数の二次元位置測定小角中性子散乱装置
SANS-U と中性子スピンエコー測定装置 iNSE を中心に、
静的動的光散乱装置 (SLS/DLS ALV-5000、３台 )、力学・
熱物性測定装置、レオメーター、偏光顕微鏡などを用いて、ナノオーダーの構造解析からナノ秒から数千秒までのダ
イナミクスをカバーした幅広い研究を展開している。
異なる臨界相溶温度をもつブロック鎖からなるブロック共重合体水溶液の温度̶圧力
相図。常圧では、温度の上昇とともに分子オーダーでのミクロ相分離が起こる。一方、
常温で静水圧を加えていくと、ブロック鎖の個性が発現しないままゆらぎが増大し、二次転移を伴うマクロ相分離が起こる。このことから、疎水性相互作用は常圧において特徴的な相互作用であることがわかる。

Pressure-Temperature (T-P) phase diagram for A-B diblock copolymer
aqueous solution. By increasing T at ambient pressure, the system undergoes
microphase separation, indicating the presence of strong hydrophobic solvation(SHS). On the other hand, a macrophase separation takes place by pressurizing
at ambient temperature, suggesting weak hydrophobic solvation (WHS) at highpressures. This observation suggests that hydrophobic interaction is exclusively
important at ambient pressure, i.e., the atmospheric environment.

研究テーマ Research Subjects
1. 機能性高分子ゲルの構造とダイナミックス、体積相転移、ゾルーゲル転移
Structure and dynamics, phase separation, and sol-gel transition of functional polymer gels
2. ソフトマターの圧力誘起相転移現象の研究
Pressure-induced phase transition of soft-matter
3. 疎水性相互作用と相転移に関する分子論的研究
Molecular studies on the relationship between hydrophobic interaction and phase transition
4. 環動ゲルやナノコンポジットゲルの構造とダイナミクス
Structure and dynamics of slide-ring gels and nanocomposite gels
5. 分子シャペロンの構造とダイナミクス
Structure and dynamics of molecular chaperone

63
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

中性子科学研究施設 Neutron Science Laboratory
http://hirota.issp.u-tokyo.ac.jp

廣田研究室
Hirota Group

助教授

廣田

Associate Professor

Kazuma HIROTA

助

松浦

手

Research Associate

和馬
直人

Masato MATSUURA

Our main subject is to study the spatial structures anddynamic properties of the internal degrees of freedom ofelectron (charge, spin and orbital) by neutron and X-ray
scattering. We mainly focus on the charge, spin and orbital
degrees of freedom in strongly correlated electron systems,
nanoscale spatial structures in relaxors, and the spin dynamics
of impurity-doped high-Tc superconductors. These systems
often exhibit intrinsically heterogeneous structures due tocompetitive and cooperative correlations among internal degrees
of freedom. They are also very susceptible to an external field,
which disturbs a subtle balance among various interactions. To
properly describe the order parameters and clarify the timespace structures of such systems, we have our own neutron and
X-ray spectrometers as well as material synthesis and analysis
laboratory.

我々は、電子の内部自由度（電荷・スピン・軌道）が格子上で形成する空間構造とそのダイナミクスが、固体の巨視的な物性に決定的な影響を与えると考えている。
具体的には、強相関電子系の電荷・スピン・軌道自由度、
リラクサー誘電体のナノスケール空間構造、不純物をドープした高温超伝導体のスピンダイナミクスなどを研究している。これらの系では、内部自由度間に働く相関の競合と協力によって、本質的に不均質な状態（intrinsic
heterogeneity）をとる傾向がある。また、外場のわずかな変動に対して、複数の相互作用の間の微妙なバランスが崩れることで、極めて大きな応答を示すことがある。
そのような場合の秩序変数の記述や時空間構造の解明のために、試料育成・微量分析から中性子散乱実験まで一貫した研究体制を構築している。

15

La1.85Sr0.15Cu1-yAyO4

E (meV)10 Zn
y = 0.017

free

5
spin gap0
10 Ni
y = 0.029
5
0-0.3 -0.2 -0.1

0

0.1 0.2 0.3

q (r.l.u.)
Zn と Ni 不純物をドープした高温超伝導体 La1.85Sr0.15CuO4 の低温磁気励起：Znはスピンギャップ内に新しい状態を作るのに対し、Ni は磁気励起全体を低エネル
ギー側へリノーマライズしている。

プラズマ発光分析装置：少量の試料に含まれる元素を極めて高い精度で定量分析できる。

Induction Coupled Plasma Spectrometer: ICPS can quantitatively analyze
the elements in a very small sample with an extremely high accuracy.

Spin excitations for Zn or Ni impurity-doped high Tc superconductor
La1.85Sr0.15CuO4 at low temperatures: Zn induces a novel in-gap state, while
Ni renormalizes the spin excitations to lower energies.

研究テーマ Research Subjects
1. 強相関電子系の電荷・スピン・軌道自由度の空間構造とダイナミクス
Spatial structures and dynamic properties of strongly correlated systems
2. リラクサー誘電体のナノスケール構造
Nanoscale structures in relaxors
3. 不純物をドープした高温超伝導体のスピンダイナミクス
Spin dynamics of impurity-doped high- superconductors
4. 中性子散乱関連の装置、実験手法およびデータ収集システムなどの開発
Development of neutron-scattering instrument, experimental techniques and analyses

64
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

中性子科学研究施設 Neutron Science Laboratory
http://yamamuro.issp.u-tokyo.ac.jp

山室研究室

助教授

山室

Associate Professor

Osamu YAMAMURO

修

Yamamuro GroupWe are studying chemical physics of complex condensed
matters, especially glasses and supercooled liquids, water andaqueous solutions, room temperature ionic liquids, and clathratecompounds. Glass transition is a mysterious phenomenon inwhich supercooled liquids solidify without structural change.
This phenomenon cannot be explained by current physics.
Furthermore, glasses have many unsolved problems (e.g., boson
peaks) derived by their structural disorder. Water (aqueous
solutions) is the most familiar and important material forhumans and also exhibits various unique phenomena derived
by hydrogen bonds. Room temperature ionic liquids, foundrecently, exhibit many interesting physical properties originatingfrom the competing electrostatic and van der Waals interactions
and the entropy effect due to orientational disorder of ions.
Our interest in clathrate compounds is quantum mechanicalmotions of guest molecules weakly hindered by host lattices.
These substances are investigated from neutron scattering, heat
capacity, and dielectric measurements. Our aim is to find simple(?) rules involved in complex systems from the three different
points of view, structure, dynamics, and thermodynamic. We arealso developing new neutron spectrometers and calorimeters.

本研究室では複雑凝縮系の化学物理を研究している。
現在の主な対象は、ガラス・過冷却液体、水・水溶液、
常温イオン液体、包接化合物である。ガラス転移は過冷
却液体が構造変化を起こさずに固化する不思議な現象であり、現在の物理学の理論では説明できない。また、ガラスにはボゾンピークなど構造不規則性に由来する多くの未解決問題が存在する。水（水溶液）は人類にとって最も身近で重要な物質であるが、水素結合が織りなす様々な特異物性を示す。常温イオン液体は最近発見された希有な液体で、静電力とファンデルワールス力の競合およびイオン配向のエントロピー効果から、様々な新しい物性が現れる。包接化合物では、ホスト格子に弱く束縛されたゲスト分子の量子化された運動に興味が持たれる。
これらの物質に対して、中性子散乱、熱容量、誘電緩和などを測定し、構造・ダイナミクス・熱力学の３視点から、複雑な物質に内在する単純（？）な法則を明らかにすることを目指している。また、物性研究とともに、新しい
中性子分光器や熱量計の開発も行う。

イオン液体の熱容量（bmim は 1-butyl-3-methylimidazolium の略）。
全ての物質でガラス転移が見いだされた。

低温蒸着法で作成したアモルファス包接水和物の中性子散乱スペクトル。低エネル
ギー励起強度がゲスト分子のサイズおよび濃度の増大とともに減少している。

Heat capacities of several ionic liquids (bmim: 1-butyl-3methylimidazolium). We have found a glass transition in every
substance.

Neutron scattering spectra of amorphous clathrate hydrates prepared by
low-temperature vapor-deposition. The intensity of low-energy excitations
is reduced with increasing size and concentration of guest molecules.

研究テーマ Research Subjects
1. ガラス転移、ボゾンピークなど不規則凝縮系のダイナミクス
Dynamics of disordered condensed systems, such as glass transitions and boson peaks
2. 水および関連物質（クラスレート水和物など）の構造とダイナミクス
Structure and dynamics of water and related materials such as clathrate hydrates
3. 常温イオン液体の熱力学的性質とダイナミクス
Thermal and dynamical properties of room temperature ionic liquids
4. 包接化合物中のゲスト分子のダイナミクス
Dynamics of guest molecules in clathrate compounds
5. 新しい中性子分光器と熱量計の開発
Development of new neutron spectrometers and calorimeters

65
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

中性子科学研究施設 Neutron Science Laboratory
http://sato.issp.u-tokyo.ac.jp

佐藤研究室

助教授

佐藤

Associate Professor

Taku J. SATO

卓

Sato Group

Using neutron scattering we study dynamics of atoms andspins in materials that have large remaining fluctuations at low
temperatures preventing trivial long-range order. We aim toelucidate origins of the fluctuations and resulting non-trivial
ordering scheme.
Here, as an example of recent study, observation of localized
collective magnetic excitations in the f-Zn-Mg-Tb magnetic
quasicrystal will be described. A quasicrystal is a highlyordered solid without translational invariance. It is expectedthat magnetic moments in the quasicrystal may behave
differently than those in the periodic crystal. Figure 1 shows
the magnetic excitation spectrum in the f-Zn-Mg-Tb magnetic
quasicrystal; a broad peak around 2.5 meV is readily seen,
indicating existence of a certain collective excitation mode.
Figure 2 shows Q-dependence of the integrated intensity of thebroad inelastic peak. The Q-dependence can be explained bycollective excitations localized in dodecahedral spin clusters.
Not only the neutron scattering but also macroscopic
measurements, such as electrical resistivity and magnetic
susceptibility measurements, are carried out in our group. We
also work on crystal growth, as well as development of new
neutron scattering techniques.

我々は中性子散乱を用いて固体中の原子やスピンの運動を研究している。多くの物質では低温で原子やスピンは静止
し長距離秩序を示すが、中には種々の原因で低温まで大きな揺らぎを持つものがある。このような物質の揺らぎの原因やそこから現れる特異な秩序状態を解明する事が目的である。
最近の研究例として f-Zn-Mg-Tb 準結晶磁性体に於ける局在磁気励起モードの観測を紹介する。準結晶とは、その原子配列が並進対称性を持たないにもかかわらず高い秩序を持つという特殊な固体である。準結晶中に磁気モーメントが置かれた場合、周期的な結晶中に置かれた場合とは異なる振る舞いが期待されるため、その運動や秩序化について精力的な研究が行われている。Fig. 1 に f-Zn-Mg-Tb 準結
晶磁性体の磁気励起スペクトルを示す。2.5 meV 程度に幅の広い非弾性散乱ピークが観測されており、何らかの協力的な磁気励起モードが存在する事が分かる。Fig. 2 にはこのピークの積分強度の逆格子空間中の分布を示す。この強度分布は正 20 面体磁気クラスターに局在する協力的スピン
励起モードで説明されることが分かった。
我々は中性子散乱のみならず、磁化測定や電気抵抗測定等を駆使して研究を行っている。試料育成や新しい中性子
散乱分光法の研究も進めている。

Fig.1
Fig. 2単結晶準結晶試料を用いて測定された
磁気励起ピーク強度の Q 依存性。

f-Zn-Mg-Tb 磁性準結晶の磁気励起スペクトル。多結晶試料での測定結果。

Q-dependence of the integrated
intensity of the broad inelastic peak,measured using a single grain of the
f-Zn-Mg-Tb quasicrystal.

Magnetic excitation spectrum
in the f-Zn-Mg-Tb magnetic
quasicrystal. Polycrystalline
sample was used.

研究テーマ Research Subjects
1. 準結晶等の非周期系物質の原子、スピンダイナミクス
Atom and spin dynamics of quasiperiodic systems
2. 相互作用がフラストレートしているスピン系の磁気揺動
Spin ﬂuctuations in geometrically frustrated magnets
3. 新規な物性を示す物質探索および中性子散乱による評価
Neutron scattering study on new materials with novel physical properties
4. 中性子を用いた新しい実験手法の開発
Development of neutron scattering techniques

66
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門 Neutron
中性子科学研究施設
Division Scienceof New Materials
Laboratory
Science
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

八木研究室
高倉研究室

教

授

瀧川

仁

Professor

TAKIGAWA Masashi

教 授
客員助教授

榊原高倉
俊郎洋礼

Professor
SAKAKIBARA
Visiting
Associate Professor
Hiroyuki Toshiro
TAKAKURA

Yagi GroupGroup
Takakura

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

Structural knowledge is essential for understanding thephysical properties and tailoring application of condensed
matter. However, understanding of atomic structures is still notenough for aperiodic crystals, especially quasicrystals. One of
the subjects of our current intensive research is the structure
determination of quasicrystals and structurally complex alloy
phases including approximant crystals to quasicrystals using
laboratory X-rays, synchrotron X-rays and neutrons. We
also develop structure determination method of aperiodic
crystals. As the future perspective of our research, we intend
to understand not only static structure, but also dynamical
structure of non-periodic ordered materials. We are incollaboration with Sato-group.

凝縮系物質の物性の理解やその応用には構造の知識が必要不可欠であるが、非周期結晶は３次元的な周期構造を持たないため、構造に関する理解が十分には進んでいない。われわれは非周期結晶のうち、特に構造の理解が進んでいない準結晶の高次元結晶構造解析を、実験室系
X 線、放射光 X 線および中性子回折の手法を用いて行っている。それと並行して、高次元結晶構造解析手法の開発、準結晶に関連した構造複雑結晶の構造決定も進めている。当面の目標は、現在までに発見されているすべての準結晶の平均構造（静的構造）を明らかにすることであり、将来的には、動的構造の理解へと発展させ、現実の周期系と非周期系物質における物性の違いを明らかにするための基礎となる構造モデルの提出を目指している。
佐藤研究室とは緊密な協力関係にある。

新物質科学研究部門 Neutron
中性子科学研究施設
Division Scienceof New Materials
Laboratory
Science
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp

教授Professor

瀧川仁

TAKIGAWA Masashi

榊原俊郎
教 外国人客員教授
授
ヴァクルーシェフセルゲイ

ヴァクルーシェ
八木研究室フ研究室

Professor
ToshiroVisiting Professor SAKAKIBARA
Sergey B. VAKHRUSHEV

Yagi Group Group
Vakhrushev

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

I was visiting ISSP for four months to cooperate with theProfessor Hirota's group in the field of the mesoscopic structureof relaxor ferroelectrics and nanocomposite materials. We haveobtained new information related to the initial formation of
the region with correlated ionic displacements in the relaxors.
In particular we have carried out 2 experiments studying theneutron diffuse scattering in the model relaxor PbMg1/3Nb2/3O3(PMN). We have clearly identified the Burns temperature(~635K in PMN) as the temperature of the arising of the
diffuse scattering both transverse and anisotropic. Analyzing
the structure factor behavior we have succeeded in showing
polarization and deformation related components appear
simultaneously. We now continue the analysis of the new data
together with those independently obtained earlier in the ISSP
and the Ioffe Institute. We also have performed small angle
experiments on several nanocomposite materials. We haveobserved substantial decrease of the SANS intensity on heatingof the NaNO2/porous-glass system that in combination withthe other results can be tentatively interpreted as the result of
the percolation of NaNO2 clusters. We made plans of futurecollaboration with a special emphasis on the combined neutronsynchrotron radiation experiments.

物性研究所に滞在した４ヶ月間、廣田研究室と協力してリラクサー誘電体のメゾスコピック構造とナノ複合物質の研究を行った。我々は、リラクサー内において相関するイオン変位を擁する領域の形成過程に関する新しい情報を得た。リラクサーのモデル物質 PbMg1/3Nb2/3O3(PMN) について中性子散乱を行い、Burns 温度（PMNでは約 635K）で散乱ベクトルに直交する成分と異方的な成分の２つの散漫散乱が出現することを明らかにした。
また、構造因子の解析から、分極とひずみに関する成分が同時に出現することを示した。現在は、これまでに物性研究所と Ioﬀe 研究所で独立に得られた結果を踏まえながら、今回新しく得られたデータの解析を進めている。
我々はさらに、いくつかのナノ複合物質について小角散乱実験を行った。NaNO2/ 多孔質ガラス系では、温度上昇とともに小角散乱強度が激減することが分かった。他の実験結果と比べることで、NaNO2 クラスターがパーコ
レーションを起こすためと解釈した。今後は、特に中性子散乱と放射光Ｘ線散乱を組み合わせた共同研究を計画
している。

67
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物質設計評価施設
Materials Design and Characterization Laboratory (MDCL)
物 質 設 計 評 価 施 設 で は、 物 質 の「 設 計（Design）」、具体的な物質の「合成（Synthesis）」、
合 成 さ れ た 物 質 を 総 合 的 に 調 べ る「 評 価（Characterization）」の３つの研究をサイクル（DSC サイクル）のように有機的に連携させる
ことにより、新しい物性・機能を持つ物質の開発を目指している。本施設は物質設計部と物質合成・評価部よりなり、物質設計部には電子計
算機室、物質合成・評価部には物質合成室、化学分析室、Ｘ線測定室、電子顕微鏡室、電磁気
測定室、光学測定室の６実験室がある。物質設
計部では、最先端の物性専用のスーパーコン
ピュータを駆使して原子間の相互作用によって生み出される様々な協力現象を解明しつつ新物質の設計を行い、物質合成・評価部では物質の合成、単結晶育成およびその組成の分析や結晶構造評価を行い、また、新しく開拓された物質
群の電気的・磁気的・光学的性質の総合評価を行っている。これら物質の総合的評価の結果は設計および合成にフィードバックされ、DSC サ
イクルを通して新しい物質の開発が行なわれる。
本施設の全国共同利用は、物質設計評価施設運
営委員会により運用されている。

教授（施設長）

上田

寛助

Professor (Director)

Yutaka UEDA

教

髙山

授

植田

浩明

Research Associate

Hiroaki UEDA

助

岡本

一

Professor

Hajime TAKAYAMA

教

廣井

授

手

The aim of MDCL is to promote materials science
with the emphasis on the “DSC cycle” where DSC
represents three functions in developing newmaterials, Design, Synthesis and Characterization.
The MDCL consists of two divisions; Materials
Design Division (MD-D) and Materials Synthesis
and Characterization Division (MSC-D). The
Supercomputer Center of ISSP (SCC-ISSP) belongs
to MD-D, while in MSC-D there are six sections
for joint-use; Materials Synthesis Section, Chemical
Analysis Section, X-ray Diffraction Section, Electron
Microscope Section, Electromagnetic Measurements
Section, and Spectroscopy Section. In MD-D, bymaking use of its supercomputer system, novel
mechanisms behind various cooperative phenomena
in condensed matter are explored, and theoreticaldesigns of new materials as well as those of materials
with new nanoscale structure are developed. In
MSC-D, various new materials are synthesized,
single cr ystals are grown and the structural,electromagnetic and optic properties of the materials
are characterized. The characterization results are
immediately fed back to the synthesis and to thedesign of materials. Through this DSC cycle we aim
to develop new materials with new functions. Almost
all the facilities of the MDCL are open to domestic
scientists through the User Programs conducted by
the Steering Committees of the MDCL.

善二

手

佳比古

Professor

Zenji HIROI

Research Associate

Yoshihiko OKAMOTO

助教授

川島

助

鈴木

Associate Professor

Naoki KAWASHIMA

Research Associate

Takafumi SUZUKI

教

岡部

助

吉本

授（客員）

直輝
豊

手
手

隆史
芳英

Visiting Professor

Yutaka OKABE

Research Associate

Yoshihide YOSHIMOTO

助教授（客員）

陰山

助

富田

洋

Visiting Associate Professor Hiroshi KAGEYAMA

助

手

山浦

淳一

Research Associate

Jun-Ichi YAMAURA

助

小黒

手

手

裕介

Research Associate

Yusuke TOMITA

助

石田

手

晏穂

Research Associate

Yasuho ISHIDA

勇

Research Associate

Isamu OGURO

技術専門員

市原

技術専門員

北澤

Technical Associate

Masaki ICHIHARA

Technical Associate

Tsuneo KITAZAWA

技術専門職員小池

技術専門職員礒部

Technical Associate

Masayoshi KOIKE

Technical Associate

Masahiko ISOBE

技術専門職員山内

技術専門職員矢田Technical Associate

Touru YAMAUCHITechnical Associate

Hiroyuki YATA

技 術 職 員木内

技 術 職 員福田Technical Associate

Yoko KIUCHI

Technical Associate

Takaki FUKUDA

正樹
正義
徹
陽子

68
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSI20CS 06

恒男
正彦
裕行
毅哉

スーパーコンピュータ システムＡ

Supercomputer
Hitachi SR11000/48 model J1

物質設計評価施設 Materials Design and Characterization Laboratory
http://yueda.issp.u-tokyo.ac.jp

上田寛研究室Y. Ueda Group上田寛

Yutaka UEDA

助

植田

手

浩明

Hiroaki UEDA

Our primar y research effort has been focused upon
the development of inorganic materials possessing novel
electromagnetic properties such as superconductivity, metalinsulator transition, charge/orbital order and various quantum
spin phenomena. The transition metal oxides and chalcogenide
have been mainly synthesized under various atmospheres
and single crystals of them have been grown by FZ and flux
methods. The nonstoichiometry, structure, phase transitionand physical properties have been studied by TG-DTA (DSC),
X-ray and neutron diffraction, electron microscopy, electricalresistivity and magnetic susceptibility measurements etc. Our
recent outcomes are the finding of (1) quantized magnetization
plateaus caused by Wigner crystallization of triplets (magnons)
in 2D frustrated system SrCu2(BO3)2 with Shastry-Sutherland
lattice, (2) novel charge order transition and devil’s flower typephase diagram in NaV2O5 with a trellis lattice, (3) charge ordertransitions and pressure-induced superconductivity in quasi 1D
conductors β-A0.33V2O5 (A = Li, Na, Ag, Ca, Sr, Pb), (4) new
charge/orbital order transitions and room temperature CMR
in A-site ordered perovskite manganites RBaMn2O6, (5) novel
phase transitions caused by the interplay among charge, orbital,
spin and lattice degrees of freedom in 3D frustrated spineloxides, (6) metal-insulator transitions in hollandite vanadates,
A2V8O16 (A = K and Rb).

様々な雰囲気下での合成と単結晶育成および構造、相平
衡・相転移、電気的・磁気的性質について研究し、超伝導、金属―絶縁体転移、電荷 ･ 軌道秩序、量子スピン現象な
ど新奇な物性を示す無機化合物の開発研究を行っている。
当研究室で最近新たに発見、合成された物質としては、（１）シャストリー・サザーランド格子を持つ２次元
フラストレート系物質 SrCu2(BO3)2、（２）トレリス格子を持つ NaV2O5、（３）擬１次元導体バナジウムブロンズ
0.33V2O5 (授

Professor

Research Associate

遷移金属を含む酸化物、カルコゲン化物などについてB-

教= Li, Na, Ag, Ca, Sr, Pb)、（４）新規 A

サイト秩序型ペロフスカイト Mn 酸化物 RBaMn2O6、（５）
３次元フラストレート系スピネル酸化物、（６）ホランダ
イト型バナジウム酸化物、などが挙げられる。これらの物質において、それぞれ、（１）励起トリプレットのウィ
グナー結晶化と磁化プラトー現象、（２）新奇な電荷秩序転移と “ 悪魔の花 ” 相図、（３）電荷秩序転移と圧力誘起
超伝導、（４）新規電荷・軌道秩序転移と室温巨大磁気抵抗、（５）軌道秩序の絡んだスピン―パイエルス的相転移と磁場誘起相転移、（６）金属―絶縁体転移、を見出している。

β-Li0.33V2O5 の 圧 力 − 温 度 ( ) 相 図。
AF.L.R.O：反強磁性秩序、C.O.：電荷整列
非金属相、S.C.：超伝導相。圧力により電荷整列相は抑えられ、超伝導相が現れる。
２種類の超伝導相が存在する。
Pressure-temperature (P-T) phase
diagram of β-Li 0.33 V 2 O 5 . AF.L.R.O:
antiferromagnetic order, C.O.: chargeordered phase, S.C.: superconducting
phase. The charge ordered phase issuppressed under high pressure and thesuperconducting phase appears. Thereexist two kinds of superconducting
phase in β-Li0.33V2O5.

超高圧物性測定装置「圧太郎」と試料部の拡大図。

Physical property measurement system under ultra-highpressure, “Oshitaro”, and the enlarged sample part.

研究テーマ Research Subjects
1. 遷移金属を含む酸化物、カルコゲン化物等の合成と不定比性および相平衡の研究
Synthesis of transition metal oxides and chalcogenides by controlling stoichiometry and phase equilibrium
2. 構造およびＸ線回折のその場観察による構造相転移の研究
Study on structure and phase transition byobservation of X-ray and neutron diﬀractions and electron microscopy
3. 電気的・磁気的性質の評価と化学結合および電子相関効果の研究
Study on novel electromagnetic properties related to correlated electrons
4. 雰囲気制御や反応前駆体の開発および極端条件下での合成による新物質の開発
Synthesis of new materials under various conditions including high-pressure

69
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物質設計評価施設 Materials Design and Characterization Laboratory
http://takayama.issp.u-tokyo.ac.jp

髙山研究室Takayama Group

教

授

髙山

一

Professor

Hajime TAKAYAMA

助

吉本

手

芳英

Research Associate

Yoshihide YOSHIMOTO

助

富田

手

Research Associate

祐介

Yusuke TOMITA

Mainly by ‘numerical experiments’, we are studying peculiar
cooperative phenomena in various complex systems. They
are randomly frustrated systems such as a spin glass where
ferro- and antiferro-magnetic interactions are randomly
distributed, random quantum spin systems where the interplay
between randomness and quantum nature plays a key role, andnanoscopic magnetic systems where the finite-size effect is of
crucial importance.
‘Numerical experiments’ here mean that “we look at nature
created by a microscopic, theoretical model by means ofmethods of computational physics”. They are powerful methods
particularly for studying random systems and/or finite systems.
By developing new algorithms, by which complex systems canbe efficiently simulated within available computer resources,and by making use of appropriate models and algorithms, wehave found various new phenomena and/or mechanisms such as
glassy dynamics in spin glasses, a peculiar freezing process in amagnetic dipolar cube, and so.

相反する強磁性相互作用と反強磁性相互作用とが混在するスピングラスを典型とする競合ランダム系、不規則性と量子性とが競合・共存するランダム量子スピン系、
さらに、形状などの表面効果・有限サイズ効果が本質的な役割を演ずるナノ磁性体などに関して、それぞれの系に普遍的な現象を新たに発見し、その出現機構を明らかにすべく、「数値実験」を主とする研究を進めている。
ここでの「数値実験」とは、種々の計算物理的手法を用いて、“ 微視的な理論模型に伴われる自然を数値シミュ
レーションで見る ” ことを意味し、解析的な理論手法がごく限られている上記のランダムな系や有限サイズ系については極めて有力な研究手法である。当研究室では、より複雑な多体系をより短時間でシミュレートするためのアルゴリズムの開発を進めるとともに、最近、スピン
グラスおよび有限サイズ磁気双極子系における新奇な磁化凍結過程など、興味深い現象を見出している。

磁気双極子間相互作用のみを有する立方体上の古典スピン系における ʼ 稜から内部へ ʼ のスピン凍結過程 ( は各サイトの時間平均されたスピンの大きさ )。バルク立方晶での基底状態スピン
配位は連続縮退の O(3) 対称性をもつが、結晶軸に平行に切り出された立方体双極子系では陵上のスピンが強磁性鎖をなす配位が安定となる。双極子間相互作用が実空間におけるスピン間の相対位置にもよるためであり、そのことに帰着される、次のような新奇なスピン凍結過程が見出された：陵上のスピン凍結(d)、それを核とした磁区の成長 (b)、16 個の磁区の相対配置の選択 (c：丸印の磁区が反転 )、基底状態へ凍結 (a)。

‘From-edge-to-interior’ spin freezing in a dipolar cube
(system only with the dipole-dipole interaction). The
lowest energy spin configuration in a bulk cubic crystal has
the continuous O(3) symmetry, which is reduced to theZ2 symmetry on an edge of a dipolar cube. We have found
the following spin-freezing process which is attributed tothis symmetry reduction: first freezing of edge spins (d),growth of magnetic domains from the edges (b), inversionof some domains (indicated by a circle in (c)) to reach thelowest energy multi-domain state (a).

研究テーマ Research Subjects
1. スピングラスにおける相転移とダイナミクス
Phase transition and dynamics in spin glasses
2. 量子（ランダム）スピン系における量子相転移
Quantum phase transition in quantum (random) spin systems
3. ナノ磁性体の相転移様現象とダイナミクス
Phase-transition-like phenomena and dynamics in nanomagnets
4. 複雑な系に対する新しい計算物理的手法の開発
Development of new computational methods for complex systems

70
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物質設計評価施設 Materials Design and Characterization Laboratory
http://hiroi.issp.u-tokyo.ac.jp

廣井研究室

教

Hiroi Group

授

廣井

善二

Professor

Zenji HIROI

助

岡本

手

Research Associate

佳比古

Yoshihiko OKAMOTO

The remarkable discovery of high-T c superconductivity
and the following enthusiastic research in the last decade haveclearly exemplified how the finding of new materials would givea great impact on the progress of solid state physics. Now the
related topics are spreading over not only superconductivity but
also unusual metallic behavior which is generally seen near the
metal-insulator transition in the strongly correlated electron
systems. We believe that for the next few decades it will become
more important to explore novel physics through searching for
new materials.
Transition-metal oxides are one of the most typical systems
where the effect of Coulomb interaction plays a critical role on
their magnetic and electronic properties. Especially interestingis what is expected when electrons localized due to the strong
Coulomb repulsion start moving by changing the bandwidthor the number of carriers. We anticipate there an unknown,
dramatic phenomenon governed by quantum fluctuations.
One of the topics we study now is a quantum spin lattice basedon triangle geometry where a magnetic frustration tends tosuppress ordinary long-range order and may lead to an unusual
spin liquid ground state. Recently, we found superconductivity
for the first time in the pyrochlore oxides Cd2Re2O7 and AOs2O6(A = K, Rb, Cs) which crystallize in such a three-dimensionally
frustrated lattice.

高温超伝導の発見とその後の研究の流れは、新物質の発見が如何に物性物理学に大きなインパクトを与えるかを如実に示した。その波紋は超伝導研究のみならず、強相関電子系一般における局在 - 非局在の概念の確立や磁性と伝導性の興味深い相関の研究へと大きな広がりを見せている。新物質探索を通して未知の物理現象を見出し、物性物理学の新しい方向を切り開くことは今後ますます重要になると考えられる。
遷移金属酸化物は強相関電子系の宝庫である。特に小さなスピン量子数を持つ低次元系（量子スピン系）において、強いクーロン反発によって局在しているｄ電子がキャリア数やバンド幅の制御によって動き始める時、量子効果による劇的な現象が期待される。本研究室では、様々な遷移金属酸化物の構造と物性の間に見られる相関に着目しながら、新物質探索を行い、強相関電子系の物
質科学の面白さを研究している。特に注目しているのは三角形を基本としたスピン格子で、そこでは磁気的なフラストレーションによって長距離秩序が抑えられ、量子揺らぎが効いた新規な基底状態が期待される。最近、３次元フラストレーション格子を有するパイロクロア酸化物 Cd2Re2O7 や AOs2O6 (A = K, Rb, Cs) において新たに超伝導転移を発見した。

β パイロクロア酸化物超伝導体 AOs2O6 の電気抵抗。超伝導転移温度は 3.3K (Cs)、6.3K (Rb)、9.6K (K) である。
Superconducting transitions observed in resistivity for the
β-pyrochlore oxide superconductors AOs2O6. The Tc is 3.3 K, 6.3
K and 9.6 K for A = Cs, Rb and K, respectively.

研究テーマ Research Subjects
1. 新しい量子スピン系及び強相関電子系物質の開発
Search for a new material realizing a quantum spin system or a strongly correlated electron system
2. 光キャリア注入による強相関電子系の物性制御
Photocarrier injection to strongly correlated electron systems to control their electronic properties
3. 高温超伝導体
High- c superconductors
4. 大型単結晶育成及び単結晶薄膜の作製
Growth of large single crystals and thin ﬁlms of transition-metal oxides

71
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物質設計評価施設 Materials Design and Characterization Laboratory
http://kawashima.issp.u-tokyo.ac.jp

川島研究室
Kawashima Group

助教授

川島

Associate Professor

Naoki KAWASHIMA

助

鈴木

手

Research Associate

直輝
隆史

Takafumi SUZUKI

We are developing new numerical methods for many-bodyproblems and investigating problems of condensed matterphysics and statistical mechanics.
Developments in computer technology that started in the
middle of the 20th century bring forth the third category ofphysics, namely, the computational physics. This new category
is playing a complementary role to the other two traditional
ones, experimental and theoretical physics. The computational
physics is particularly powerful in dealing with many bodyproblems. We have been developing new Monte Carlo methods
for quantum spin, boson and fermion models defined on alattice, and solved several problems. For example, we extended
the cluster algorithm to novel models that cannot be expressed
as a simple Heisenberg model, such as the bilinear-biquadraticmodel and the SU(N) models. The bilinear-biquadratic model,
in particular, is a recent focus of attention since it may be themodel of the super-cooled atom system trapped in an opticallygenerated lattice. Besides the quantum models, we are also
working on the classical frustrated systems, such as spin glasses.

本研究室では物性論で現れるさまざまな多体問題の数値解法とそれを通じた物性基礎論の研究を行っている。
２０世紀半ばからスタートした計算機技術の急速な進展に伴って、従来の実験物理学、理論物理学を補うもの
として、計算物理学と呼ばれる研究分野が成立しつつある。計算機を援用した物理学研究の手法は特に多体問題の解法において威力を発揮し、多くの成果をあげてきている。本研究室では、格子上で定義された量子スピン系、
ボーズ粒子系、フェルミ粒子系に対する新しいモンテカ
ルロ法の開発を行い、従来困難であったいくつかの問題を解決し、また現在も未解決の問題に取り組んでいる。
たとえば、ループ・クラスタ更新と呼ばれる量子モンテ
カルロ法があるが、我々はこれを biquadratic 相互作用項をもつモデルや SU(N) 対称性を持つモデルなど通常のハイゼンベルクモデルでは表現できないモデルに拡張し、基底状態や臨界現象を解明した。このようなモデルに対応する物理系を実験的に創出する試みも近年非常に盛ん
で、たとえば、biquadratic 相互作用モデルは光学的に作られた格子上に極低温に冷やされた原子を配置したときに起きる現象のモデルとして注目されている。この他、
本研究室ではスピングラスなどの古典ランダム系の研究も行っている。

２次元 SU(N) ハイゼンベルクモデル
において実現されるＶＢＳ状態。線
の濃淡はスピン対ごとの相関の強さを示す。基本表現モデルにおいては、
このような状態が N=5 以上で出現する。これに対して N=4 以下では基底状態は単なるネール状態である。

The VBS state that appears int he t wo - d i m e ns i on a l SU ( N )Heisenb erg mo del. A darker
line corresponds to a spin pairs
with stronger correlation. In themodel with the fundamental
representation, the VBS state
becomes the ground state for N=5
or larger. For N=4 or smaller, on
the other hand, the ground state is
the simple Neel state.

ＶＢＳ状態における秩序変数の出現確率分布。横軸は x 方向のダイマー秩
序変数、縦軸は y 方向のダイマー秩序変数に対応し、赤色が濃いほど出現頻度が高いことを示す。

The probability distribution of the dimerization order parameter.
The horizontal or vertical direction in the figure corresponds to thedimerization in the x or y direction, respectively. The brighter red
indicates high probability.

研究テーマ Research Subjects
1. 新しい量子相の探索と量子臨界現象
Search for novel states in quantum systems and quantum critical phenomena
2. 多体問題の数値解法の研究、特に量子モンテカルロ法の新手法の開発
Numerical methods for many-body physics, in particular, new quantum Monte Carlo techniques
3. スピングラス
Spin glasses

72
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

新物質科学研究部門Materials
物質設計評価施設
Division
Designof Newand Materials
Characterization
ScienceLaboratory教 授
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp
Professor
教

八木研究室
岡部研究室

授
客員教授

瀧川

仁

TAKIGAWA Masashi

榊原岡部
俊郎豊

Professor
ToshiroVisiting ProfessorSAKAKIBARA
Yutaka OKABE

Yagi Group
Okabe
Group

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

The concept of scaling is important in phase transitions. I
study the scaling properties, critical phenomena and dynamics
of phase transitions for random and frustrated systems. The
emphasis is put on the computational physics approach; thedevelopment of new Monte Carlo algorithms and optimization
algorithms are explored. For example, I have recently proposed
the algorithm of nonequilibrium reweighting, and examined
the Monte Carlo algorithms to calculate the density of states. I
also investigate the scaling properties of the diluted XY modeland the Potts model with next-nearest-neighbor interactions.
Moreover, the hybrid algorithm for the dynamics of nanomagnets and the mean-field theory for the exchange bias
phenomena are studied.

相転移現象においてはスケーリングの概念が重要であるが、ランダム性やフラストレーションのある系の相転移のスケーリングの性質、臨界現象、そのダイナミクスなどを研究している。研究手段として、解析的なアプ
ローチと共に、計算物理学的な手法（シミュレーショ
ン）に力点をおいており、新しいモンテカルロアルゴ
リズムや最適化アルゴリズムの開発などを推進している。具体的な問題として、最近、非平衡 reweighting 法の提唱、状態密度を求めるモンテカルロアルゴリズムの検討を行い、一方、希釈 XY モデル、次近接相互作用のあるポッツモデルなどにおけるスケーリングの性質、ナノ磁性体のダイナミックスにおけるハイブリッド法の応用、交換バイアスの平均場理論などを手がけている。

新物質科学研究部門Materials
物質設計評価施設
Division
Designof Newand Materials
Characterization
ScienceLaboratory教 授
http://yagi.issp.u-tokyo.ac.jp
Professor
教

八木研究室
陰山研究室

授
客員助教授

瀧川

仁

TAKIGAWA Masashi

榊原

俊郎
陰山

洋

Professor
SAKAKIBARA
ToshiroVisiting Associate Professor
Hiroshi
KAGEYAMA

Yagi Group
KageyamaGroup

助教授

田島

Associate Professor

TAJIMA Hiroyuki

裕之

The research of my group directs the development of
topotactic low-temperature synthetic routes, such as ionexchange reactions, redox reactions, for the rational designof new inorganic compounds that have improved or new
properties. In particular, we found that ion-exchange reactionsof layered perovskites are useful to create low-dimensional
magnetic systems, as metastable phases that are not formed
by a conventional high-temperature reaction method. Amongthe advantages of this method are (i) magnetic materials (e.g.,(CuCl)LaNb 2 O 7 ) are obtainable starting even from nonmagnetic precursors (e.g., RbLaNb2O7), (ii) one can design
magnetic lattices of interests such as square lattice and triangularlattice in a rational way, just as molecular chemists do, (iii)
obtained ion-exchanged materials are generally of high quality
and are stoichiometric, in contrast to (de)intercalated materials,
so that one can investigate the low-dimensional magnetism
whose properties are known to be easily destroyed by a tiny
amount of defects. To date we have obtained, for example, aseries of S = 1/2 square-lattice antiferromagnets with a rangeof physical properties including a spin-liquid behavior in(CuCl)LaNb2O7, a stripe magnetic ordering in (CuBr)LaNb2O7,
a 1/3 magnetization plateau in (CuBr)Sr2Nb3O10. Such strategies
can be expanded to obtain multi-magnetic-layer systems, andinorganic-organic hybrids with potential multifunctionalities.

当研究室の中心テーマは，低温合成法を用いてトポタ
クティックに新しい構造を設計し、優れた機能（磁性、
電気伝導、光触媒、イオン伝導など）を獲得することにある。特に、イオン交換法によりこれまでに多くの低次元磁性体を得ることに成功している。この手法の利点は、非磁性の母体からでも磁性体が（相図の枠組みを超えて）得られること、高温セラミック法のように研究者の長年の経験や直感に頼らずに（分子を扱う有機化学者がするように）計画的に物質設計ができること、定比反応なのでわずかな欠損に敏感な低次元磁性体の磁性研究にも十分耐えられることなどである。これまでにイオン交換型
層状ペロブスカイト (CuCl)LaNb2O7 のスピン液体状態、(CuBr)LaNb2O7 のストライプ秩序、(CuBr)Sr2Nb3O10 の1/3 磁化プラトーなど多彩な現象を見いだした。これらの現象の解明のほか、単結晶イオン交換体の合成、新たな反応ルートの開拓を精力的に進めている。

73
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物質設計評価施設
物質設計部 (Materials Design Division)

電子計算機室Supercomputer Center

担 当 所 員杉野修

担 当 所 員川島直輝

担 当 所 員髙山一Chairperson : O. SUGINO

助

手

吉本

芳英

Research Associate : Y. YOSHIMOTO

Contact Person : N. KAWASHIMA

助

手

富田

裕介

Research Associate : Y. TOMITA

Contact Person : H. TAKAYAMA

助

手

鈴木

隆史

Research Associate : T. SUZUKI

助

手

石田

晏穂

Research Associate : Y. ISHIDA

技術専門職員矢田裕行

Technical Associate : H. YATA

技 術 職 員福田毅哉

Technical Associate : T. FUKUDA

2. 所内ネットワーク関連

1. 全国共同利用スーパーコンピュータ
電子計算機室では計算物性物理学専用のスーパーコン

本室では、物性研究所 LAN、および、電子メールサー

ピュータシステムを、スーパーコンピュータ共同利用委

バ、ファイルサーバ、WWW サーバ（物性研ホームペー

員会の審議に基づき全国の物性研究者の共同利用に供しジ http://www.issp.u-tokyo.ac.jp）他の各種サーバの管ている。現在のシステムは平成 17 年３月に更新された

理運用を行い、大学院生を含めた所内に提供している。

もので、密結合により高いノード単体性能を持つ計算機

物性研ネットワークでは東京大学キャンパスネットワー（Hitachi SR11000 model J1/48）と高い総処理能力を持

ク (UTnet) を通したインターネットへの接続のため、ファつ疎結合並列計算機（SGI Altix3700Bx2/1280）を核とイアウォールの設置、電子メールに関するウイルスの検した複合システムである。本室では、システムのベンダー

査と除去、ウイルス対策ソフトウエアの所内への配布なと協議しながら高度なシステム性能を維持するとともに、どのセキュリティ対策を行っている。また、所内でのコ

全国ユーザからの相談に応ずるなどして、システムの管

ンピュータおよびネットワーク関係の Q&A、テレビ会議

理運用を行っている。スーパーコンピュータの利用申請システムなどの機器の管理と利用促進、本館の各フロアに つ い て は、 ホ ー ム ペ ー ジ（http://www.issp.u-tokyo.

に設置された大型レーザープリンタの管理なども行ってac.jp/center/）を参照されたい。

いる。さらに、
広報・出版委員会の下で、物性研ホームペー
ジ、物性研要覧、アクティビティレポートなどの電子情

The Sup ercomputer C enter (SC C-ISSP) op erates a
supercomputer system, which serves all researchers oncondensed matter physics in Japan with no charge throughUser Programs supervised by the Supercomputer Steering
Committee. The present system, installed in March 2005,
consists of two parts: a system of high performance nodes
powered by closely united processors (Hitachi SR11000 model
J1/48) and another system of sparsely connected processors withhigh total arithmetic performance (SGI Altix3700Bx2/1280).
While the Center responds to questions and inquiries from all
the users on daily basis, it also maintains high performance ofthe system in cooperation with the venders, Hitachi and SGI.

報の収集管理を行っている。
The Center also operates the local area network in ISSP, ande-mail servers, file servers, WWW servers for the ISSP home
page (http://www.issp.u-tokyo.ac.jp), and other servers, tosupport all the users in ISSP. It takes severe measures of network
security of the ISSP, which is connected to the internet via
UTnet (the campus network of the University of Tokyo) by, forexample, monitoring electronic traffics for virus infection andby distributing anti-virus softwares to in-house users.

物性研究所共同利用スーパーコ
ンピュータシステム構成図

The Supercomputer Systemat the SCC-ISSP.

スーパーコンピュータ

システムＢ （SGI Altix3700Bx2/1280）

The supercomputer system B (SGI Altix3700Bx2/1280)

74
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

Materials Design and Characterization Laboratory
物質合成・評価部 (Materials Synthesis and Characterization Division)

物質合成室
Materials Synthesis Section

化学分析室
Chemical Analysis Section

担 当 所 員廣井善二

Contact Person : Z. HIROI

担 当 所 員上田寛

Contact Person : Y. UEDA

技術専門員

北澤

恒男

Technical Associate : T. KITAZAWA

技 術 職 員木内陽子

Technical Associate : Y. KIUCHI

技術専門職員小池正義

Technical Associate : M. KOIKE

技術専門職員礒部

正彦

Technical Associate : M. ISOBE

本室では、新物質の合成、既知物質の良質化、単結晶

本室では、物性研究に有用な物質についての化学分析育成など研究用試料の合成を行っている。また、各種高や新しい物質の分析方法の検討および化学的手法による

温電気炉や単結晶育成炉、試料調整加工機などを所内外

材料の精製および調整を行うと共に、秤量・分析・化学の共同利用研究機器として供している。

処理に関わる各種機器を所内外の共同利用に供している。

The main purposes of the Materials Synthesis Section are tosynthesize new compounds and to prepare well-characterized
samples and single crystals of various materials. Various kindsof furnaces are provided for crystal growth experiments.

The Chemical Analysis Section is engaged in determining thechemical composition of specimens and in purifying chemical
reagents for preparation of high quality specimens. The
analytical equipments, several types of automatic balance and asystem for preparation of ultra-high purity water are provided
for chemical analysis experiments.

主要設備
フローティングゾーン単結晶育成炉、単結晶引上炉、各種電気炉（抵抗

主要設備

加熱式ブリッジマン炉、フラックス炉、アーク溶解炉、シリコニット炉）、

走査電子顕微鏡―Ｘ線マイクロアナライザー、誘導結合高周波プラズマ、精密切断機
真空蒸着装置（10-6 Torr）

発光分光分析装置、各種顕微鏡、電子天秤、真空蒸着装置、研磨器、電位差滴定装置、純水製造装置、凍結乾燥機

Main Facilities
Floating-zone furnaces, Czochralski pulling apparatus with an

Main Facilities

induction heating system, Bridgman-type furnace, Ar-arc furnace,

SEM-EDX/WDX, ICP-AES, Microscopes, Automatic balances,

Furnace for ﬂux method, Ultra-high vacuum deposition apparatus,

Potentiometric titration apparatus, Various apparatuses for sample

and Cutting machine.

preparation, The system for preparation of ultra-high purity water,
and Freeze-dried machine.

単結晶引上炉

走査電子顕微鏡―Ｘ線マイクロアナライザー

Czochralski pulling apparatus with an induction heating system

SEM-EDX/WDX

75
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

物質設計評価施設
物質合成・評価部 (Materials Synthesis and Characterization Division)

Ｘ線測定室
X-ray Diffraction Section

電子顕微鏡室Electron Microscope Section

担 当 所 員廣井善二

Contact Person : Z. HIROI

担 当 所 員上田寛

Contact Person : Y. UEDA

助

山浦

淳一

Research Associate : J. YAMAURA

技術専門員

市原

正樹

Technical Associate : M. ICHIHARA

手

興味深い物性を示す物質の開発や評価において、結晶

電子顕微鏡は物質の微細構造評価の有力な手段である。

構造解析は極めて重要な位置を占める。本室では、Ｘ線

本室では、格子像レベルでの透過像を観察するため、高回折を用いて、新規物質の結晶構造や温度による構造変分解能形と電界放射形分析電子顕微鏡を備え、物質の微化など物質構造の研究を行うと共に、所内外の研究者に

細構造研究を行うと共に、設備を所内外の利用に供し、対して施設利用の提供、依頼研究を行っている。

共同利用研究や依頼研究を行っている。
The Electron Microscope Section supports electron diffraction
measurements, lattice image observation and microscopic
analysis of various solid materials, both crystalline and noncrystalline with atomic-scale resolution, by using a highresolution electron microscope and an electron microscope with
an X-ray micro-analyzer.

The main purposes of the X-ray Diffraction Section are
structural analysis and identification of the powder andsingle crystal specimens for solid state physics. By using the
4-circle diffractometer equipped with the warped imaging
plate diffractometer and a refrigerator the structural analysis isperformed in the temperature range of 7-300 K.

主要設備

主要設備

200 kV 電界放射形分析電子顕微鏡、低温・高温ホルダー、集束イオン

四軸型Ｘ線回折計、イメージングプレート型Ｘ線回折計、粉末Ｘ線回折装置、ラウエカメラ、ワイセンベルグカメラ

ビーム装置、薄膜試料作成のための種々の装置

Main Facilities

Main Facilities

Automatic 4-circle X-ray diﬀractometer, Warped imaging plate

200 kV electron microscope with an X-ray micro-analyzer,

diﬀractometer, Powder X-ray diﬀractometer, Monochromated Laue

High- and low-temperature holders, Focused ion-beam milling, andcamera, and Weissenberg cameras.

Various apparatuses for sample preparation

極低温用イメージングプレート型Ｘ線回折計

200 kV 電界放射形分析電子顕微鏡

Imaging plate type X-ray diffractometer for low temperature application

200 kV electron microscope with an X-ray micro-analyzer

76
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

Materials Design and Characterization Laboratory
物質合成・評価部 (Materials Synthesis and Characterization Division)

電磁気測定室Electromagnetic Measurements Section

担 当 所 員家

担 当 所 員瀧川

担 当 所 員
助

手

泰弘

光学測定室
Spectroscopy Laboratory

Contact Person : Y. IYE

担 当 所 員田島 裕之

Contact Person : H. TAJIMA

仁

Contact Person : M. TAKIGAWA

担 当 所 員末元 徹

Contact Person : T. SUEMOTO

廣井善二

Contact Person : Z. HIROI

小黒勇

Research Associate : I. OGURO

汎用性のある光学測定機器を備え、所内外の共同利用

本室では、物質の基本的性質である電気的磁気的性質に供している。

を、温度および磁場の広い範囲にわたって測定するとともに、磁気特性測定装置、物理特性測定装置、超伝導磁

The Spectroscopy Section offers joint-use facilities forstandard optical measurements. The facilities can be used formeasurements of conventional absorption spectrum in the UV,
visible and IR regions, luminescence and its action spectrum,and Raman scattering.

石などの設備を所内外の共同利用に供している。
The Electromagnetic Measurements Section offers various
facilities for measurements of electric and magnetic propertiesof materials. The followings are types of experiments currently
supported in this Section: electrical resistivity, magnetoresistanceand Hall effect, magnetization, magneto-quantum oscillatory
phenomena, a.c. susceptibility, magnetic torque, and NMR.

主要設備
可視紫外分光光度計、赤外分光光度計、ラマン分光光度計、波長可変パルスレーザー光源
Main Facilities
UV and VIS absorption spectrometer, IR spectrometer, Raman

主要設備

spectrometer with Ar ion laser, Tunable dye laser equipped

１５/ １７テスラ超伝導マグネット、スプリット型５テスラ超伝導マグwith excimer laser, and Monochromator and related electronic

ネット（ヘリウムフリー）、振動試料磁化測定装置（ＶＳＭ）、１６/ １８

instruments.

テスラ高均一超伝導マグネット（ＮＭＲ）、ＳＱＵＩＤ磁化測定装置（ＭＰＭＳ）
、汎用物性測定装置（ＰＰＭＳ）、クロスコイル型超伝導マグネット
Main Facilities
Superconducting magnet (15/17 T), Split type superconducting
magnet (5 T), Vibrating sample magnetometer (VSM), Highhomogeneity superconducting magnet (16/18 T) for NMR
experiments, SQUID magnetometer (7 T), PPMS (physicalproperties measurement system), and Cross-coil-type
superconducting magnet.

磁気特性測定装置

光学測定機器SQUID magnetometer (MPMS)

Spectrometers (Room A468)

77
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

国際超強磁場科学研究施設
International MegaGauss Science Laboratory

当施設ではパルスマグネットを用いて強力な磁場を発生し、様々な物質（半導体、磁性体、金属、絶縁体など）の性質を変化させ、その電子状態を調べている。パルス磁場には、80 テスラ（非破壊世界最高）までの非破壊型磁場と 100 テス
ラ以上 600 テスラ程度（室内世界最高磁場発生）まで発生できる破壊型（一巻きコイル法、電磁濃縮法）がある。前者は精密な物性計測（電気伝導、光学、磁化測定など）を担い、他の極限物理環境（高圧、低温）と組み合わせた実験や国内外の強い磁場を必要とする物性研究などに共同利用施設として寄与している。世界最大の直流発電機 (210 MJ) を用いた超ロングパルス（１〜 10 秒程度）や非破壊 100 テスラ磁場発生の開発も進めている。後者の破壊型装置では、
超強磁場という量子極限状態での新しい物性を探索する研究を行っている。

爆破保護室内に設置した「電磁濃縮法」による超強磁場発生装置。室内磁場発生装置としては世界最高 600 テスラ強の世界記録を保持している．中心に主コイル、両サイドに種磁場発生マグネットがセットされる。主コイルには 5 メガジュールの巨大コンデンサー電源から 40
キロボルト、600 万アンペアの電流が投入できる。磁場発生時間はマイクロ秒の時間であり、発生後コイルも含め周辺は破壊されるため、破壊型短パルス磁場発生装置である。磁気光学測定や磁気電気伝導測定などの物性研究に利用されている。

The aim of this laboratory is to study the physicalproperties of matter (such as semiconductors,
magnetic materials, metals, insulators) under ultrahigh magnetic field conditions. Such a high magnetic
field is also used for realizing the new material phaseand functions. Our pulse magnets can generate up
to 80 Tesla by non-destructive way (the world recordof the non-destructive magnet), and from 100 up to
600 Tesla (the world strongest as an indoor record)by destructive (the single turn coil and the electromagnetic flux compression) methods. The former
offers physical precision measurements (the electroconductance, the optics, and the magnetization).
The multiple extreme physical conditions combining
high fields with ultra-low temperature and ultra-highpressure are also available, and are open for domestic
and international scientists. The magnet technologies
are intensively devoted to the quasi-steady long pulse
magnet (an order of 1-10 sec) energized by the world
largest DC generator (210 MJ), and also to a 100 Tesla
nondestructive magnet. Whereas, the latter facilities(destructive ones) are oriented for developing new
horizons in material science realized under suchextreme quantum limit conditions.

An ultra-high magnetic field generation system for the electromagnetic flux compression method settled inside of theprotection house for explosion. The system has generated over
600 Tesla, which is the world record as an indoor operation. A
primary coil is settled at the center sandwiched by two seed coils
aside. The 5 mega-joule giant condenser bank power supply
injects 40 kilo-volts and 6 mega-ampere current into the primarycoil. The operation is a pulse mode with duration of microsecond order. This is called a destructive pulse magnetic field
generation system since the coil and surrounding materials aredestroyed after a shot. This system currently serves for magnetooptical measurements and magneto-transport measurements forsolid-state physics.

教

授（施設長）

嶽山

正二郎

Professor (Director)

Shojiro TAKEYAMA

教

金道

授

Professor

浩一

Koichi KINDO

助

手

Research Associate

助

手

小嶋

映二

Eiji KOJIMA

鳴海康雄

Research Associate

Yasuo NARUMI

技術専門職員

川口

Technical Associate

Koushi KAWAGUCHI

技 術 職 員松尾Technical Associate

Akira MATSUO

技 術 職 員澤部

Technical Associate

Hironobu SAWABE

78
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

孝志
晶
博信

国際超強磁場科学研究施設 International MegaGauss Science Laboratory
http://takeyama.issp.u-tokyo.ac.jp

嶽山研究室

教

Takeyama Group

授

嶽山

正二郎

Professor

Shojiro TAKEYAMA

助

小嶋

手

Research Associate

映二

Eiji KOJIMA

Solid state magneto-photophysics involving photons,
electrons, spins, and their complex states is our main researchsubject realized in semiconductor and magnetic nano-composite
structures and in ultra high magnetic fields. Our main scheme
is the magneto-optical measurements, which are used forclarifying various phenomena governed by electron correlationand many body interactions. Our materials of research covertype II quantum structures (high density excited states), carbon
nano-tubes (optical detection of Aharonov-Bohm effect), dilutemagnetic materials (spin related phenomena), and the spinel
oxside (a frustrated spin system). Magneto-optical properties ofthe exciton complexes, such as a charged exciton, a biexciton,
and multi-excitons as well as the exciton Bose-Einsteincondensate are the targets to be elucidated by means of thelinear and nonlinear magneto-optics under ultra high magnetic
field.

破壊型超強磁場発生法である電磁濃縮法や一巻きコイ
ル法を用いたメガガウスパルス磁場発生開発を行っている。室内では世界最高磁場発生を実現している。また、
このような量子極限環境下での物性測定手法の開発とともに、さまざまな物質の物性計測と解析を推進している。
光学的観測手段を用いてメガガウス領域で発現する新しい物質相の探索など物性物理の開拓を進めている。半導体タイプ II 量子構造での高密度光励起強磁場磁気光学、
カーボンナノチューブを用いた超強磁場アハラノフ・ボー
ム効果の光学的観測、半導体／磁性体複合ナノ構造を主な研究対象として超強磁場下で実現する光・電子・スピンが絡む複合励起物性や電子相関や多体問題が支配する現象などを追求している。超強磁場下で安定化が期待されている励起子ボーズ・アインシュタイン凝縮相の発見を志向した研究や、フラストレート量子スピン系の超強磁場ファラデー回転による磁気構造の解明なども展開している。

電磁濃縮法超強磁場発生実験で開発中の新コイルの写真。新コイルを用いた
3 MJ エネルギー投入での 520 T の磁場発生を記録したピックアップコイルの信号とコイルに流れた電流の時間変化を示す。

一巻きコイル法で発生した磁場波形と試料からのファラデー回転信号。120 T 近
傍でスピン 1/2 プラトーへの磁気一次相転移が観測された。測定はこの系のネー
ル温度 12 K より低い 5 K で行った。

The injected primary current and a pick-up coil signal showing obtained
magnetic fields up to 520 T. A backdrop is a picture of a newly designed
primary coil with an inner wall of a cupper sheet employed for the electromagnetic flux compression techniques.

A waveform of the magnetic field obtained by a single-turn coil and the
Faraday rotation signal through the sample. The first order transition to thespin1/2 plateau was successfully observed at 120 T at 5 K, which was well
below the Néel temperature TN (=12 K).

研究テーマ Research Subjects
1. 破壊型超強磁場発生と物性計測技術開発
Developement for destructive ultra-magnetic ﬁeld magnets and solid-state physics measurements
2. 高密度光励起状態での磁気光学効果
Magneto-optics of high-density optically excited states
3. カーボンナノチューブの磁気光学
Magneto-optics of carbon nano-tubes
4. 超強磁場励起子相関
Exction correlation under extremely high magnetic ﬁelds

79
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

国際超強磁場科学研究施設 International MegaGauss Science Laboratory
http://kindo.issp.u-tokyo.ac.jp

金道研究室

教

Kindo Group

授

金道

浩一

Professor

Koichi KINDO

助

鳴海

手

Research Associate

康雄

Yasuo NARUMI

We carry out precise measurements under non-destructive
pulsed high magnetic fields that are generated by capacitor banks
installed at the facility. Various magnets have been developed atuser’s requests. Up to now, available field conditions for users are
as follows.
1. Short pulse magnet: Pulse duration 6 ms, maximum field 70 T
2. Long pulse magnet: Pulse duration 30 ms, maximum field 65 T
Short pulse magnet is used mainly for magnetization
measurements on insulating materials and Long pulse magnet isused for magnetization and magneto-resistance measurements
on metallic materials. Our magnet has been breaking the world
record of non-destructive magnetic field and we continue todevelop a new magnet aiming at the new world record of 100
T. A four-year project has been started from 2006 to generate
long pulsed field with the duration of 1-10 seconds by use of thelargest DC generator equipped with flywheels.
We are in collaboration with many researchers in otheruniversities or institution by developing or supplying magnets.
Recent topic is the development of X-ray diffractometer underpulsed field that is collaborated with SPring-8 in Harima.

当施設に設置されたコンデンサー電源を用いて、非破壊パルス強磁場を発生し、その強磁場下で精密な物性測定を行う。様々な用途に応じて、特殊なパルスマグネッ
トの開発を行っており、現在、ユーザーが利用可能な磁場条件は以下の二種類である。
①ショートパルスマグネット：パルス幅 6 ミリ秒、最大磁場 70 テスラ②ロングパルスマグネット：パルス幅 30 ミリ秒、最大磁場 65 テスラ
ショートパルスマグネットは主に非金属の磁化測定に用いられ、ロングパルスマグネットは金属試料の磁化測定および磁気抵抗測定などに用いている。当研究室で製作されたマグネットは非破壊パルス強磁場の世界記録を更新しており、現在も 100 テスラの発生を目指した開発を行っている。また、平成 18 年度より４カ年計画で実施中の超ロングパルス強磁場計画に向けた技術開発も行っている。この計画は、世界最大のフライホイール付き直流発電機を電源として用いることでパルス幅が 1 〜 10秒の磁場発生を目指すものである。
これ以外にも他研究機関との共同研究により様々な
パ ル ス マ グ ネ ッ ト の 開 発・ 供 給 を 行 っ て い る。 特 に、
SPring-8 と共同開発を行った強磁場下Ｘ線回折測定装置
は最新のトピックスのひとつである。

SPring-8 の BL19LXUに設置されたパルス強磁
場中 X 線回折測定装置の写真。

A picture of theexperimental set-up
for X-ray diffraction
measurements underpulsed high magnetic
field installed in thebeamline BL19LXU at
SPring-8.

70T マグネットによる磁気抵抗測定の例。

An example of magneto-resistance by use of a 70 T magnet.

研究テーマ Research Subjects
1. 量子スピン系物質の磁性研究
Study on magnetism of quantum spin systems
2. 強相関伝導物質の磁性と伝導の研究
Study on magnetism and conductivity of strongly correlated electron systems
3. 非破壊 100 テスラマグネットの開発
Development of non-destructive 100 T-magnet
4. 超ロングパルスマグネットの開発
Development of ultra-long pulse magnet

80
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

共通施設
Supporting Facilities

物性研究所には研究活動を円滑に進めていく
ために、いくつかの共通施設が設けられている。
低温実験に不可欠な液体ヘリウムや液体窒素を製造・供給する低温液化室、様々な機械工作を行う工作室、X 線装置や放射性試料の管理を行う放射線管理室、本や雑誌を多数取り揃え、科学文献や情報の供覧・管理を行う図書室、研究上頻繁に必要となる実験用の消耗品や文具類を多数取り揃えたストックルーム、物性研究所に在籍する外国人研究者に関する様々な業務を助We have various facilities in order to support
research activities. Cryogenic Service Laboratory forsupplying liquid helium and liquid nitrogen, Model
Shop for various machining, Radiation Laboratory
for the safety in experiments that utilize X-ray, γ-ray
and radioactive materials, Library, Stock Roomfor supplying common expendables, International
Liaison Office for supporting foreign researchers,
and Publication Section for advertisement andpublication. In each facility, several stuffs are working
under supervision of corresponding committee.

ける国際交流室、ホームページや要覧・アクティ
ビティレポートに関する業務を行う広報出版委
員会などである。これらの共通室の運営は、それぞれ対応する委員会の委員長が責任者となり、担当の技術職員または非常勤職員により実際の業務が行われる。

低温委員長

榊原

Chairperson
Cryogenics service

Toshiro SAKAKIBARA

俊郎

工作委員長

末元

Chairperson
Model shop

Tohru SUEMOTO

徹

放射線管理委員長

高橋

Chairperson
Radiation lab.

Toshio TAKAHASHI

敏男

図書委員長

金道

Chairperson
Library

Koichi KINDO

浩一

技 術 職 員土屋Technical Associate

Hikaru TSUCHIYA

技 術 職 員鷺山

Technical Associate

Reiko SAGIYAMA

技術 専 門 職 員

岡部Technical Associate

Kiyonobu OKABE

技 術 職 員山崎Technical Associate

Jun YAMAZAKI

研究支援推進員

今井Technical Staﬀ

Tadao IMAI

研究支援推進員

榎本Technical Staﬀ

Yasumichi ENOMOTO

研究支援推進員村貫Technical Staﬀ

Seiji MURANUKI

技術 専 門 職 員

野澤Technical Associate

Kiyokazu NOZAWA

係

光
玲子
清信
淳
忠雄
泰道
静二

渡邉

清和

長

留美

Administrative Staﬀ

Rumi WATANABE

一 般 職 員曽我Administrative Staﬀ

Noriko SOGA

管理委員長（ストックルーム） 廣井 善二

事務補佐員

四十住

Chairperson
Stock room

Zenji HIROI

Administrative Staﬀ

Hideko AIZUMI

国際交流委員長

高橋

事務補佐員

亀田

Chairperson
International liaison oﬃce

Minoru TAKAHASHI

Administrative Staﬀ

Akiko KAMEDA

広報出版委員長

勝本

技術補佐員

石塚

Chairperson
Publication and advetisement

Shingo KATSUMOTO

Technical Staﬀ

Mizue ISHIZUKA

實

信吾

典子
英子

秋子

みづゑ

81
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

共通施設
低温液化室
Cryogenics Service Laboratory

工作室
Model Shop

低温委員長

榊原

俊郎

Chairperson: T. SAKAKIBARA

工作委員長

末元

徹

Chairperson: T. SUEMOTO

技 術 職 員土屋光

Technical Associate: H. TSUCHIYA

技術専門職員岡部清信

Technical Associate: K. OKABE

技 術 職 員鷺山

玲子

Technical Associate: R. SAGIYAMA

技 術 職 員山崎淳

Technical Associate: J. YAMAZAKI

研究支援推進員

今井忠雄

Technical Staﬀ: T. IMAI

低温液化室は液体ヘリウムと液体窒素を供給し、あわ研究支援推進員榎本泰道

Technical Staﬀ: Y. ENOMOTOせて低温技術に関するサービスや柏キャンパス全体の高研究支援推進員村貫静二

Technical Staﬀ: S. MURANUKI

圧ガスボンベの管理も行っている。液体ヘリウムは物性研究に必要で、研究者や学生に供給される。蒸発し工作室は，研究上緊急を要する工作物の加工、研究用

たヘリウムガスは回収し、精製して再液化に利用する。

の特色ある装置と部品の製作及びその改良、そして装置

2005 年度の液体ヘリウムの生産量と供給量はそれぞれ設計の相談と助言を行っている。また、研究者自らが研312,000L、228,000L で あ る。 液 体 窒 素 は 外 部 よ り 購

究に必要な機械工作を行うための研究者工作室も設置さ入し、供給している。2005 年度の液体窒素の使用量はれている。

666,000L となっている。

The model shop consists of a machine shop, a glass shop anda supporting machine shop, which are equipped with various
facilities for designing, metal and ceramic machining, and glass
blowing. They supply researchers required various original
devices and instruments.

The aim of this laboratory is to supply liquid helium andliquid nitrogen, and to give general services concerning
cryogenic techniques. The laboratory also takes care of highpressure gas cylinders used in Kashiwa Campus. Liquid helium
is produced by the laboratory’s own liquefier and supplied to theresearchers and students. The evaporated helium gas is recovered
and purified in this laboratory for recycling liquefactions. In
the 2005 fiscal year, 312,000L of liquid helium was produced asa total and 228,000L was supplied to the users. Liquid helium
is transferred from the 6,000L storage vessel to various small
storages with the centrifugal immersion pump system. Liquid
nitrogen is purchased from outside manufacturers. The suppliedliquid nitrogen was 666,000L in the same year.

主要設備
機械工作室 ： 5 軸制御マシニングセンター、ＮＣ旋盤、
操作フライス盤、放電加工機
ガラス工作室：ガラス旋盤、マッフル型電気炉、超音波加工機、
ダイヤモンドバンドソー
研究者工作室：万能旋盤、精密小型旋盤、フライス盤、ボール盤
Main Facilities
Machine shop: Five-Axis Universal Machining Center,
Numerically Controlled Lathe,
Numerically Controlled Milling Machine,
Electric Discharge Machining Tool,

主要設備
Main Facilities
ヘリウム液化装置（リンデ） Helium liqueﬁer system (Linde)

200L/hr

液体ヘリウム貯槽

Liquid helium storage vessel

6,000L

液体窒素貯槽Liquid nitrogen storage tanks

20,000L

回収用ヘリウムガス圧縮機

Helium gas recovery compressor

190m3/hr

移動用ヘリウムガス容器

Liquid helium transport containers
500L, 250L, 100L etc.

遠心式ヘリウム汲上ポンプ

Centrifugal liquid helium pump system 20L/min

Glass shop:

Lathe for Glass Work, Polishing Tool,
Ultrasonic Machining Tool

Supporting Machine Shop: Universal Lathes, Precision Lathes,Milling Machines

ヘリウム液化機、貯槽および遠心汲み上げポンプ

NC 旋盤による作業

Helium liquefier, storage and transfer system

Numerically Controlled Lathe82
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

Supporting Facilities

放射線管理室Radiation Safety Laboratory

図書室
Library

高橋

敏男

Chairperson : T. TATAHASHI

図書委員長

金道

浩一

Chairperson : K. KINDO

技術専門職員野澤（放射線取扱主任者）

清和

Technical Associate: K. NOZAWA

係

長

渡邉

留美

Administrative Staﬀ: R. WATANABE

員

曽我

典子

Administrative Staﬀ: N. SOGA

放射線管理委員長(Radiation Protection Supervisor)

一般職

放射線管理室は、物性研究所における放射性物質（Ｕ

物性研究所図書室は研究所設立の目的に沿い、所内研

等核燃料物質を含む）や放射線発生装置（Ｘ線装置を含究者の研究や大学院生の教育とともに、全国の共同利用

む）の取扱において、放射線取扱者の放射線障害を防止し、研究者のために、物性科学を中心とした資料を多数所蔵

安全を確保することを目的として設置されている。そのし、利用に供している。

ため、放射線取扱に関わる全所的な放射線管理業務とし所蔵資料はインターネットで検索できる。所蔵資料以て、放射性物質や放射線発生装置の新規使用、変更及び外にも東京大学内で公開されている電子ジャーナルや廃止に伴う法律手続き、監督官庁に提出する放射線管理

データベースが利用できる。

報告書等の作成、放射線管理区域の線量測定、Ｘ線装置

また未所蔵資料については図書館間相互利用による文等の定期検査の実施及び放射線取扱者の被ばく線量や特献複写、現物貸借サービスを行い資料の提供に努めてい別健康診断の記録、放射線取扱者の教育訓練等を行ってる。

いる。また、当室には、Ｕ、Th などの非密封核燃料物質

The ISSP Library holds many documents concerningmaterials science for researchers. The online catalogue can beused to find books and journals held in the Library. The IT
facility gives the access to many electronic journals and online
databases. If an item is not available locally, the Library canarrange an inter-library loan.
Service hours: Monday-Friday 9:30-17:00

や 22Na 密封線源を用いた研究などができる実験室や各種放射線（Ｘ線を含む）検出器を備えている。
The aims of this laboratory is to protect researchers from
irradiation due to radioactive source, X-rays, γ-rays and thelike and to provide rooms for radiation experiments andradiochemical operations by use of unsealed U, Th and sealed
22
Na source. Various types of survey-meters are provided.

概要

主要設備

面積

：783m2

蔵書数：59,561 冊（平成 17 年度末現在）

化学実験室（非密封核燃料物質を解放で扱える物性研究所唯一の実験（洋書 54,679 冊、和書 4,882 冊、製本雑誌を含む）

室）、ポジトロン実験室（22Na 密封線源を用いた低速ポジトロンビームに

雑誌種類数 ：715 種（洋雑誌 621 種、和雑誌 94 種）

よる実験が行える）、熱蛍光線量計、Ge 半導体検出器、α線検出器、液体

開室時間：平日 9:30-17:00（時間外利用

シンチレーションカウンター、各種サーベイメーター等、汚染検査室（ハ座席数：24 席（内 8 席は LAN ケーブル、電源コンセント設置）

ンドフットクロスモニターによる汚染の確認）

検索用端末 ：4 台
複写機

Main Facilities
The rooms for radiation experiments and radiochemical
operations (unsealed U, Th and sealed

22

Na source), various types

：3 台

運営

：図書委員会

職員数：3 人（非常勤職員含む）

http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/labs/tosyo/

of survey-meters, and, 7ch hand-foot-clothing monitor.

ハンドフットクロスモニター

図書室

The 7ch hand-foot-clothing monitor

Library83
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

6:00-24:00）

共通施設
ストックルーム
Stock Room

善二

国際交流室
International Liaison Office

管理委員長

廣井

事務補佐員

四十住 英子 Administrative Staﬀ: H. AIZUMIChairperson: Z. HIROI

国際交流委員長

高橋

實

Chairperson: M. TAKAHASHI

事 務 補 佐 員亀田秋子

Administrative Staﬀ: A. KAMEDA

ストックルームは、回路部品、真空部品、薬品など実

物性研究所における国際交流にかかわる業務を行う。

験に共通して必要とする消耗品、その他文房具などの共国際交流委員会のもと、外国人客員所員の募集、招聘、通物品をそろえている。研究者の便宜を図るため自動払

宿 舎 の 管 理、 物 性 研 究 所 国 際 ワ ー ク シ ョ ッ プ の 募 集，

い出しシステムを用いて 24 時間オープンしており、必要

ISSP 国際シンポジウムの運営に関する業務やノウハウのな物品を迅速かつ安価に入手することができる。使用頻蓄積などを行っている。その他、日常の外国人滞在者の度は高いが、一般市場で入手が容易でないものや、一括

生活支援や、さまざまな情報提供をしている。

購入によりコストダウンできる物品も在庫の対象である。

「国際交流」
外国人訪問者の支援

在庫品目と価格はウェブページで参照できる。

（住居・学内外・諸事務手続き、日常生活等）

The stock room supplies stationery and parts that arecommonly used in reseach and experiments at low cost. By theautomated system control, it is open 24 hours.
The list of the items and prices is shown on the webpage of
ISSP.

研究プロジェクトの申請・実施に関する事務「国内交流」
客員所員の支援（事務手続き・住居の準備）
リクレーションの企画・実施
The International Liaison Office handles various international
matters at ISSP under the supervision of the Committee forinternational affairs. The major functions are the coordinationof a visiting professorship program, the assistance in ISSP
international symposiums, and the accumulation of “know-how”
for continuous improvement of our services. The Office also
serves as an information center for researchers from abroad.

ストックルーム

国際交流室

Stock RoomInternational Liaison Office84
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

航空写真 Aerial Photo

柏の葉

上空 3000 メートルより

Kashiwanoha area: Taken at an altitude of 3000 meters85
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

柏キャンパス地図 /Kashiwa Campus Map●東京大学物性研究所●東京大学新領域創成科学研究科
ISSP
Graduate School of Frontier Science
A 本館
G 基盤科学研究棟◯◯
Main Building
Transdisciplinary Sciences
B 低温・多重極限実験棟
H 基盤科学研究実験棟◯◯
Cryogenic/Multiple Extreme Conditions Laboratory
Transdisciplinary Sciences (Experimental Building)
C 極限環境実験棟
I 生命科学研究棟◯◯
Ultrahigh Magnetic Field Laboratory
Integrated Biosciences
D 先端分光実験棟
J 環境学研究棟◯◯
Advanced Spectroscopy Laboratory
Enviromental Studies
E 軌道放射実験棟（SOR 実験棟）
K 細胞シミュレーション棟◯◯
Synchrotoron Radiation Laboratory
Computational Biology●共用施設
Supporting Facilities
L 柏総合研究棟◯
General Research Building
M 環境安全研究センター柏支所◯
Environmental Science Center, Kashiwa Branch
N 柏図書館◯
Kashiwa Library
O 福利・厚生棟◯
Cafeteria and Shop
P 共同利用研究員宿泊施設◯
Guest House●東京大学宇宙線研究所
Institute for Cosmic Ray Research
F 宇宙線研究所◯
Institute for Cosmic Ray Research

は入口
Entrance

E
M

H

B

C

D

K

●東葛
テクノプラザTokatsu
Techno Plaza

J

I

G

O

駐車場 Parking

N

A

F

駐車場 Parking

駐車場 Parking

O

L
P

守衛所
Gate House

国立がんセンター
National Cancer Center

柏の葉公園北●国立がんセンター
東病院

Kashiwanoha Koen Kita

National Cancer Center Hospital East

東大前●柏の葉公園Kashiwanoha Park

Todai Mae86
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2006

■東京大学物性研究所
The Institute for Solid State Physics,
The University of Tokyo〒 277-8581 千葉県柏市柏の葉 5-1-5
5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 277-8581
TEL：( 04 ) 7136-3207
http：//www.issp.u-tokyo.ac.jp
交通案内●つくばエクスプレス 柏の葉キャンパス駅西口から■徒歩の場合 約25分
■タクシー利用の場合 約5分■バス利用の場合、東武バス「柏の葉公園循環」
または「江戸川台駅東口行き」
で約10分「東大前」下車 徒歩約1分●JR常磐線柏駅西口から■バス利用で、東武バス「国立がんセンター行き」
で約25分◯柏の葉公園経由の場合「東大前」
下車 徒歩約1分◯税関研修所経由の場合「国立がんセンター」
下車 徒歩約4分●東武野田線江戸川台駅東口から■徒歩の場合 約35分
■タクシー利用の場合 約5分■バス利用の場合、東武バス「柏の葉キャンパス駅西口行き」
で約6分「東大前」下車 徒歩約1分●羽田空港から■高速バス利用で、「柏駅西口行き」
約75分「国立がんセンター」下車

徒歩約4分●常磐自動車道柏I.C.から車で約5分

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■附属軌道放射物性研究施設つくば分室（高エネルギー加速器研究機構内）
Tsukuba Branch of Synchrotron
Radiation Laboratory〒 305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801
TEL：(029)864-1171■附属中性子科学研究施設
Neutron Science Laboratory〒 319-1106 茨城県那珂郡東海村白方 106-1
106-1 Shirakata, Tokai, Ibaraki 319-1106
TEL：( 029 ) 287-8900

東京大学物性研究所要覧
2006年10月
表紙・裏表紙・見返し写真提供：市原正樹、吉本芳英、Marat Gaifullin