2

ご挨拶Preface

4

沿革
History

6

年表
Chronology

8

組織・運営
Organization/Administration10

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

12

教育・論文
Education/Publication

13

予算・職員
Budget/Staff Members

14

新物質科学研究部門
Division of New Materials Science24

物性理論研究部門
Division of Condensed Matter Theory

33

ナノスケール物性研究部門
Division of Nanoscale Science42

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

47

先端分光研究部門
Division of Advanced Spectroscopy

55

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

60

物質設計評価施設
Materials Design and Characterization Laboratory69

中性子科学研究施設
Neutron Science Laboratory

76

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

83

計算物質科学研究センター
Center of Computational Materials Science

85

共通施設
Supporting Facilities

90

柏キャンパス地図
Kashiwa Campus Map

物性研究所は東京大学附置の全国共同利用研究所として 1957 年に設立され、物性科学分野における我が国の中核的研究機関としての役割を果たして来ました。六本木キャンパスにおける約 40 年間の活動を経て 2000 年に柏キャンパスに移転しました。移転の機会に建物をはじめインフラの整備ができたおかげで、柏では六本木時代に比べて格段に良好な実験環境が得られています。移転当初、大きな問題であった交通の便も、2005 年 8 月に「つくばエクスプレス」が開業してかなり改善されました。
柏移転以後の大きな動きとして、2004 年の国立大学法人化に続いて、2009 年には新たに共同利用・共同研究拠点の認定制度が施行されました。物性研も日本学術会議や物性委員会からのサポートレターを添えて申請を行い、認定を得て 2010 年 4 月から共同利用 ･ 共同研究拠点としての活動を開始しています。
共同利用・共同研究は物性研究所が創立以来行ってきたことですので本質的変化はありませんが、共同利用施設専門委員会の位置づけが「共同利用の課題採択の決定機関」として、より明示的になるなどいくつかの変更点がありました。
伝統的にはスモールサイエンスに属していると目される物性科学においても、近年では大型設備を用いた研究活動の比重が増しています。物性研究所は、一般の学部・研究科では維持運営が困難な大型研究施設のいくつかを運営し共同利用に供しています。放射光に関しては、SPring-8 の長直線部に垂直および水平の長尺アンジュレーターを配した東京大学アウトステーション物質科学ビームライン（BL07LSU）の建設が 2009 年 10 月に完了し、成果が出始めています。中性子に関しては、J-PARC 物質生命科学実験
施設 (MLF) の BL12 に KEK 物質構造科学研究所と共同で建設を進めていた高分解能チョッパー分光器(HRC) が 2010 年 3 月に完成し、いよいよ実験が軌道に乗り始めるというところで東日本大震災に見舞われました。同じく被害を被った JRR-3 の施設とともに復旧に全力を尽くしているところです。強磁場に関しては、ロングパルス用フライホィール付き直流電源が本格稼動し、100 テスラ非破壊パルス磁場の実現に向けてコイル開発が進んでいます。電磁濃縮法による破壊型パルス超強磁場については、最先端研究
基盤整備事業に採択されたことにより 1000 テスラの実現に向けて主バンクの増強が叶うこととなりました。次世代スパコンに関しては、物性研究所が戦略分野２「新物質・エネルギー創成」の代表機関として
分子研・東北大金研との協力のもとに計算物質科学イニシアチブ (CMSI) という組織を構成して計算物質科学を推進することとなり、それを担う所内の組織として計算物質科学研究センターを 2011 年 4 月に発足させました。
このような大型実験施設や大規模研究は、複数の研究機関の連携協力によるケースが多く、その運営に新たな仕組みの検討が必要となる局面も少なくありませんが、全国共同利用の基本精神を基軸として対処する所存です。設備・装置の高度化・大規模化に伴ってその運営により多くの人員が必要となるにもかかわらず、現実に起こっているのは定員削減による実数減です。このような状況に対処するには、物性研ス
タッフが「持続可能な最大限の努力」を行なう一方、所外の研究者の協力が不可欠です。また、共同利用が継続している装置であっても競争力が低下したものは場合によっては整理するなどの思い切った見直しが必要かもしれません。いずれにせよ、簡単な解決策はありませんが、物性研がより良く機能するためにどうすれば良いか、各分野の研究者コミュニティとの意思疎通を密にして検討を進めたいと考えています。
										2011 年 9 月
家 泰弘

THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

Institute for Solid State Physics (ISSP) was established in 1957
as a joint-use research institute attached to the University of Tokyoand has acted as a central organization in the field of materials
science in Japan. After 40 years of activity in Roppongi campus,
ISSP moved to Kashiwa campus and started afresh in 2000. Thanks
to new research buildings and renewal of research facilities, theresearch environment in Kashiwa by far exceeds that in Roppongi.
Transportation, one of the major problems at the time of relocation,
has been greatly improved after the opening of Tsukuba Express
railway in 2005.
Over the last couple of years, MEXT took the initiative inrenovating the joint-use research institute scheme in Japan. ISSP
was duly granted the authorization as a joint-use/joint-research

所長 Director

家 泰弘
IYE

Yasuhiro

institute in the new scheme. Since it is precisely what ISSP pursued since its establishment, it does not imply any
change in our mode of operation except that the Joint-Use Facility Committee is explicitly authorized as the decisionmaking committee on the issues of joint-use/joint-research activities.
In recent years, the relative weight of researches using large facilities has increased immensely even in the field ofmaterials science which is traditionally thought to belong to the so-called small science category. ISSP is in chargeof operating some of those large facilities which are difficult to maintain by ordinary university faculties. As for the
Synchrotron Radiation Laboratory, the Materials Science Beamline (BL07LSU) has been put into operation since
October 2009 at the SPring-8 Facility under the University of Tokyo Outstation Project. As for the Neutron Science
Laboratory, the construction of the High-Resolution Chopper Spectrometer (HRC) at the BL12 of J-PARC/MLF was
finished in collaboration with KEK in March 2010. However, the facility was hit by the March 11 Earthquake. The
restoration of the facility together with those at JRR-3 is currently underway. At the International Megagauss Science
Laboratory, the non-destructive long-pulse magnet project aiming at 100 tesla is vigorously pursued with the dc
generator with flywheel. As for the destructive ultrahigh magnetic field project aiming at 1000 tesla by the electromagnetic compression method, renewal and reinforcement of the main bank is granted recently by the MEXT. As for the
Next-Generation Supercomputer Project, ISSP has been selected as the representative institute to lead the research in
the Strategic Field 2, “New Materials and Energy Creation” by running the Computational Materials Science Initiative (CMSI) in collaboration with the Institute of Molecular Science and the Institute of Materials Research, Tohoku
University to encompass the fields of computational condensed matter science, molecular science and materials
science. To this end, the Computational Materials Science Research Center is established within ISSP in April 2011.
These large-scale facilities and projects tend to be conducted by cooperation of multiple research organizations. In
some cases it is necessary to device a new scheme for operation, which by itself is a challenge. We shall seek the ways
for ISSP to function better by keeping close contact with the research communities in the respective subfields.
								September 2011								Yasuhiro Iye, Director


THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

物性研究所は、「物性物理学」の研究推進のため、昭和

さらに平成 8 年度には、再び全面的な改組が行われた。

32 年 4 月 1 日に、全国物性研究者の要望と日本学術会議

そのねらいは、それまで開発された個々の極限環境や先進の勧告および、文部省と科学技術庁の合意に基づき、東京

的測定技術を組み合わせることにより新しい現象を追求し大学附置全国共同利用研究所として設立された。立ち遅れたり、表面・薄膜・微細加工物質などで代表されるメゾスていた我が国の物性分野の研究設備・体制を国際的水準

コピック、ナノスケールでの人工物質を対象とする新しいに高める拠点となるという設立当初の使命は、15 年ないし研究領域開拓をめざしたり、また計算機物理学の支援の下20 年でほぼ達成された。

に新物質を設計・合成するなど、伝統的な固体物理学の枠

次の目標は先端的実験技術を開発することに設定され、組みをこえる研究を展開し、それを発信する国際共同利用

そのための重点 5 計画のうち、まず超低温物性は昭和 55

研究所としての活動を志向することにある。この新研究体

年度に、超強磁場・極限レーザー・表面物性が昭和 59 年

制は、新物質科学、物性理論、ナノスケール物性（平成度に設備計画を終え、軌道放射物性設備計画も昭和 61 年

16 年に先端領域より名称変更）、極限環境、先端分光の 5度にその緒についた。研究計画の展開に伴い、組織上でも

大研究部門と軌道放射物性、中性子科学、物質設計評価

昭和 55 年に改組が行われた。従来の固有 21 部門を、超に関する 3 施設で構成されている。このほかに所外研究者

強磁場・極限レーザー・表面物性・超低温物性・超高圧をを一定期間所に迎えるための客員部門と外国人客員 2 名を含む極限物性部門、軌道放射物性部門、中性子回折物性

おき、所内外の交流・協力と、所の研究の活性化・流動化

部門、凝縮系物性部門、理論部門の 5 大部門に改め第 2を促進している。

世代に移行した。

平成 12 年 3 月に 43 年間活動を展開した六本木キャン

極限物性部門は、従来の実験装置では実現不可能な極パスから東京大学の第 3 極としての柏新キャンパスに全面限的状況を創ると共にその下での新しい物性の探索を行移転した。柏キャンパスでは、同時に移転した宇宙線研究なった。軌道放射物性は加速器を光源に、中性子回折物性所および、新設された大学院・新領域創成科学研究科と共部門は原子炉を線源に用いるため、それぞれ他の研究機関に、従来の枠をこえた新しい学問領域の推進を目指していの協力を得て研究を進めた。日本原子力研究所（現・日本る。平成 16 年には東京大学が法人化され、その中での全原子力研究開発機構）の研究用 3 号炉の改造に伴い、平国共同利用研究所としての新たな役割が期待されている。

成 2 年度から 4 年度まで大幅な性能向上が図られ、平成 5

更に、平成 18 年には国際超強磁場科学研究施設、平成年度から中性子散乱研究施設に拡充改組された。さらに平

23 年には計算物質科学研究センターが新設され、新たな成 15 年度には日米科学技術協力事業や茨城県東海村パル

一歩を踏み出した。

ス中性子源計画へ対応するために、中性子科学研究施設へと改組された。軌道放射物性研究施設は東京大学田無キャンパス内に設置された SOR-RING を運転し、また、高エネ
ルギー物理学研究所（現・高エネルギー加速器研究機構）
内に分室を設けビームラインと実験ステーションを維持してきた。平成９年に SOR-RING の運転が停止した後、各地の新しい光源の有効利用が今後の課題である。凝縮系物性部門は、理論部門と共に、自由な発想による研究と新たな萌芽の育成を目的としていたが、その中から具体化した物質開発構想により、平成元年度に同部門から分離、新設

六本木キャンパス物性研究所研究棟（1963 年）された新物質開発部門を中心に研究活動が進められた。

ISSP Main Building at Roppongi Campus（1963）

THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

The Institute for Solid State Physics (ISSP) of the
University of Tokyo was established on April 1 in1957 as a joint research laboratory based upon therecommendation of the Science Council of Japan andthe concurrence between the Ministry of Education,
Science and Culture and the Science and Technology
Agency in order to carry on basic research in condensed
matter physics. Within the first 15 to 20 years, ISSP
had achieved its original mission, that is to serve as
the central laboratory of materials science in JapanIn 1996, another major reorganization of ISSP intothe "third generation" took place, in order to pursue
new frontiers beyond the traditional disciplines andbecome an international center of materials science.
One example is to explore new phenomena in
combined environments of various extreme conditions,since individual technologies for high magnetic field,
low temperature and high pressure had reached certain
maturity during the "second generation". Anotherexample is the study of artificially designed materials

equipped with state-of-art facilities that were open
for all domestic researches in order to catch up on the
research in Japan with the international level.
The next goal was set to develop advanced experimental techniques that were difficult to achieve in most
university laboratories. The reorganization of ISSP intothe "second generation" took place in 1980. Division of
Physics in Extreme Conditions included groups in theareas of ultra-high magnetic field, laser physics, surface
science, ultra-low temperature and very high pressure.
It aimed to create extreme conditions and to explore
new phenomena. Neutron Scattering Laboratory wasconstructed in Tokai in collaboration with the Japan
Atomic Energy Agency. Its capability was significantly
improved during 1990 - 1992 due to renovation of theresearch reactor. In 2003, it was reorganized to Neutron
Science Laboratory. Synchrotron Radiation Laboratory operated the SOR-RING in the Tanashi Campusof the University of Tokyo and maintained beam lines
in the Photon Factory at the High Energy Accelerator
Research Organization (KEK) in Tsukuba. After the
shutdown closing of the SOR-RING in 1997, effective use of new light sources in Japan is an importantmission. Besides activities using such big facilities, theCondensed Matter Division and the Theory Division
maintained small groups motivated by individualinterests and ideas. Among these groups was formed
Materials Development Division in 1989 aiming at
exploring new materials and their novel properties.

such as thin films, materials fabricated on surfaces andmesoscopic systems with nanoscale structure. Focused
efforts are also planned on synthesis and characterization of new materials with the aid of computational
physics, which allows us to design and predict properties of new materials. Currently in ISSP, there are fiveresearch divisions (New Materials Science, Condensed
Matter Theory, Nanoscale Science (its name changed
from Frontier Areas Research in 2004), Physics inExtreme Conditions, and Advanced Spectroscopy)
and three research facilities (Synchrotron Radiation,
Neutron Science, and Materials Design and Characterization Laboratories). In addition, there is a visiting
staff division as well as two foreign visiting professor
positions.
ISSP was relocated to the new campus in Kashiwa
of the University of Tokyo in March 2000 after the 43
years of activities at the Roppongi campus in downtown
Tokyo. Here ISSP is aiming at creating new areas ofscience in collaboration with other institutions in
Kashiwa. Meanwhile the University of Tokyo wastransformed into a national university corporation in2004 and thus ISSP is expected to play new roles as a
joint research Laboratory in a university corporation.
In 2006, the ISSP established International MegaGauss
Sciene Laboratory and started serving as an international center of physics in high magnetic fields. In 2011,
Center of Computational Materials Science was established in the ISSP, for promoting materials science withadvanced supercomputers.

THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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 Radio and Microwave Spectroscopy, Theory II, and Crystallography I divisions

昭和 33 年

誘電体 ･ 光物性部門､ 理工研から振替

1958

			

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, and Nuclear
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, and Molecular
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

非晶体部門を無機物性部門に名称変更

1965

			

Solid Materials division was renamed as Inorganic Materials division

昭和 44 年 1969

中性子回析部門増設

			

Opening of Neutron Diffraction division

昭和 47 年

固体物性部門（客員部門）増設（22 部門となる）

1972

			

Opening of Solid State division (visiting staff), resulting in 22 divisions in total

昭和 50 年

軌道放射物性研究施設設置

1975

			

Foundation of Synchrotron Radiation Laboratory

昭和 54 年

超低温物性研究棟竣工

1979

			

Ultra-Low-Temperature Laboratory building completed

昭和 55 年

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）
、

1980

			

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, ultra-low temperaturesand 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工

Ultra-High Magnetic Field Laboratory and Laser Laboratory building completed


THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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 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

中性子散乱研究施設の新設

1993

Foundation of Neutron Scattering Laboratory
平成 7 年

1995

国際外部評価が実施される

			

Evaluation of scientific achievements of ISSP by an international external committee

平成 8 年

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､

1996

			

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 threefacilities; 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建設着工

			Construction of the new ISSP buildings in Kashiwa campus started

平成 9 年

中性子散乱研究施設で外部評価が実施される

1997

			

Evaluation of activities of Neutron Scattering Laboratory by the external committee

平成 11 年

柏キャンパスへの移転開始

1999

Relocation to Kashiwa campus started
平成 12 年

2000

移転完了

			

Relocation completed

平成 13 年

外国人客員新設

2001

			Opening of foreign visiting professorship

平成 15 年

中性子散乱研究施設が中性子科学研究施設に改組

2003

			

Reorganization to Neutron Science Laboratory from Neutron Scattering Laboratory			

物質設計評価施設で外部評価が実施される

			

Evaluation of scientific 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 was transformed into 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

外部評価が実施される

2005

			

Evaluation of scientific achievements of ISSP by the external committee

平成 18 年

国際超強磁場科学研究施設の新設

2006

			

Foundation of International MegaGauss Science Laboratory

平成 19 年

創立 50 周年記念事業

2007

			

Celebration of 50th anniversary

平成 22 年

共同利用・共同研究拠点として認可

2010

			

Start as a joint usage/research center

平成 23 年

計算物質科学研究センターの新設

2011

			

Foundation of Center of Computational Materials ScinenceTHE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

物性研究所は、東京大学の附置研究所であると同時

ルギー加速器研究機構内及び、兵庫県佐用郡佐用町のに、全国物性科学研究者のための共同利用研究所でもSPring-8 内に施設分室が置かれており、中性子科学ある。又、平成 22 年４月には共同利用・共同研究拠

研究施設の実験装置は茨城県東海村の日本原子力研究点として認可された。研究所の運営は、教授及び准教

開発機構内にある研究用原子炉に設置されている。ま授から構成される所員会の議決を経て所長が行うが、た、計算物質科学研究センターは兵庫県神戸市の理化

同時に共同利用施設の運営については、東京大学の内学研究所計算科学研究機構内に置かれたセンター分室

外からほぼ同数の委員により組織された物性研究所協に拠点を持つ。さらに、所内研究者や共同利用者が共議会が所長の諮問に応じて意見を述べ、外部研究者の通に利用できる施設として低温液化室、工作室、放射要望を伝達する機能を果たしている。更に物性研内外

線管理室、図書室、国際交流室などが置かれている。

の委員よりなる共同利用施設専門委員会が設けられ、本研究所の教授、准教授、助教の人事はすべて公募

共同利用、施設利用、研究会などの実行計画を審議しされ、物性研内外ほぼ同数の委員よりなる人事選考協ている。

議会の議決を経て所員会で決定される。なお、一部の物性研究所の研究体制は 5 研究部門、5 研究施設、職には任期がついている。

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

THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

Tsukuba, Ibaraki and in the SPring-8, Sayo, Hyogo, andthe Neutron Science Laboratory maintains apparatus
installed at the research reactor in the Japan Atomic
Energy Agency, Tokai, Ibaraki. In addition, the Centerof Computational Materials Science has a branch in

ISSP belongs to the University of Tokyo. At the sametime, its facilities are open to all domestic researchers
participating in joint research. In April 2010, ISSP
was duly granted the authorization as a joint usage/
research center. The administrative decisions are madeat the faculty meeting chaired by the director andattended by professors and associate professors. The

the RIKEN Advanced Institute for Computational
Science, Kobe, Hyogo, and most of the research activi-

ISSP Advisory Committee, consisting of nearly equal
numbers of members from and outside of the University of Tokyo to represent the interest of the outside

ties are performed in the Kobe branch. Apart from the
Research Divisions and Facilities, supporting facilities,
which include Cryogenic Laboratory, Machine Shop,

users, gives advice on various aspects of administration
upon inquiry of the director. The Advisory Committee

Radiation Safety Laboratory, Library and International
Liaison Office provide services to both in-house andfor Joint Research, consisting of both the in-house andoutside members, evaluates proposals for joint research,workshops, and allocation of fund for user activities.
Currently ISSP consists of five Research Divisions,five Research Facilities, Visiting Staff Division andForeign Visiting Staff Division. Among these, Synchrotron Radiation Laboratory has branches in the Highoutside users.
New research positions as professors, associate
professors and research associates of ISSP are advertised publicly. Candidates are selected by the Selection Committee consisting of nearly equal numbers of
in-house and outside members and then approved by
the Faculty Meeting. Some of the positions have finite

Energy Accelerator Research Organization (KEK),

terms of appointment.


THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

全国物性科学研究者に対し共同利用・共同研究を促

The facilities of ISSP are open to domestic
researchers, who are encouraged to submit joint

進するため、次のような制度が設けられている。
１．共同利用———所外研究者が本所の施設を使ってresearch proposals.  In addition, ISSP provides opportunities for young scientists including graduate students

研究を行いたい場合に、その便宜を図るための制度である。受け入れについては「共同研究」と「施設利用」
２．留学研究員———大学、官庁などの研究機関に在across the country to do research for extended periods.  
ISSP supports travel and 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２つの形態がある。

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

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）

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。

Number of subjects and researchers adopted to domestic joint research

共同利用のため外来研究者は、柏キャンパス内のVisitors for joint research can stay in the guest housein the Kashiwa campus (28 single and 2 twin  rooms).

宿泊施設を利用することが出来る。
（シングル 28 室、ツイン２室）

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 subjectsof condensed matter science typically with a two to
three-day schedule and one hundred participants.  
Proposals for workshops are submitted by researchers度の研究会を開き、集中的な討議を行うための制度である。全国の物性研究者の申請に基づき、共同利用施
設専門委員会によって採択が審議決定される。

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 2011

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
center of condensed matter science.  The table shows

割を担っている。1989 年から始まった ISSP 国際シンポジウムのテーマおよび参加者数が表に示されて

the title and the number of participants of the ISSP
International Symposium, which started in 1989 and isscheduled once in about every two years.  The unique

いるが、今後も約２年に１回の開催が予定されている。また物性研究所の特徴ある設備を活用した国際共同研究も活発に行われており、文部科学省の外国人研

facilities of ISSP have been used in many international
collaborations.   Many foreign researchers have been
spending their early careers at ISSP supported by

究員制度や日本学術振興会による外国人招聘制度など
各種制度が利用されている。さらに 1981 年以来、中性子散乱に関する日米協力事業の実施機関の役割を果

various fellowship programs sponsored by the Japan
Society for Promotion of Science, the Ministry of
Education, Culture, Sports, Science and Technology,
and other agencies. ISSP has also been coordinating

たしている。この他にも少し規模の小さい国際ワークショップを行っている。

the US-Japan cooperative research program on neutron
scattering since 1981. In addition, ISSP organizes
smaller scale international meetings.

●テーマ

●開催期日

Title

第１回
1st

・
・
・

Date

有機超伝導体の物理と化学

The Physics and Chemistry of Organic Superconductors

第８回

強相関電子系研究の最前線

第9回

量子凝縮系研究の新展開

8th
9th

第 10 回
10th

第 11 回
11th・・・

Correlated Electrons

Quantum Condensed System

固体表面におけるナノサイエンス
Nanoscience at Surfaces

水素と水の物性科学

Hydrogen and Water in Condensed Matter Physics●参加者数（外国人）
Participants（overseas）

1989･8･28-30

205（34）

2001･10･2-5200（25）

2004･11･16-19

120（23）

2006･10･9-13

247（34）

2009･10･12-16

107（21）

・
・
・

・
・
・

ISSP 国際シンポジウム ISSP International Symposium
●テーマ
Title

●開催期日

●参加者数（外国人）

2010･2･8-12

192（78）

2010･3･5-6

37 （ 6 ）2010･7･1-3

94（15）

2010･8･9-27

107（45）

2010･9･8-1030（14）Date

物性と素粒子の対話

Condensed Matter Physics Meets High Energy Physics

量子固体の特性、固体超流動と量子渦状態の基礎研究

Quantum Solid properties, the Supersolid state, and the Vortex State

有機物質におけるスピンに関連した現象

Spin-related Phenomena in Organic Materials

ISSP ソフトマター物理国際ワークショップ

ISSP International Workshop on Soft Matter Physics (ISSP/SOFT2010)

日本 - スイス共同ワークショップ「強相関物質の理論の新潮流」

Japan-Swiss Joint Workshop "New Trends in Theory of Correlated Materials"

最近の国際ワークショップ Recent International Workshops
11
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

Participants（overseas）

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 facilities.  

の教員は、研究分野に応じて、東京大学大学院理学系

The faculties participate in the following departments of

研究科物理学専攻、化学専攻、地球惑星科学専攻、工the graduate school of the University of Tokyo: Physics,

学系研究科物理工学専攻、あるいは新領域創成科学研

Chemistry, Earth and Planetary Science, Applied

究科物質系専攻、複雑理工学専攻に属しているが、こPhysics, Advanced Materials, and Complexity Science

れらの従来の枠を越えた総合的視野に立つ若い物性科

and Engineering.  However, students are encouraged to

学研究者の養成に努力している。物性研究所では、例年、

develop their careers across the established disciplines.  

大学院進学希望者のためのガイダンスを実施している。

Every year a guidance and guided tour are given to

また、教養学部の学生を対象に物性科学入門として、

those who are interested in graduate courses in ISSP.

全学自由研究ゼミナール「物性科学の最前線」を開講

For undergraduate students, introductory lectures on

している。

condensed matter science are given as one of Seminars
in Komaba campus.
修士課程 Master Course

博士課程 Doctor Course

2008 年2009 年

2010 年

2011 年2008 年2009 年

2010 年

2011 年

物理学専攻 Physics

40

33

27

32

26

25

32

26

化学専攻 Chemistry

2

3

3

2

4

4

3

3

地球惑星科学専攻 Earth & Planet. Sci.

2

1

1

0

0

0

0

0

物理工学専攻 Appl. Phys.

9

10

7

11

4

3

2

4

物質系専攻 Advanced Materials

38

37

38

38

13

14

13

12

複雑理工学専攻 Complexity Sci. and Eng.
合

計

4

4

2

0

0

0

0

0

95

88

78

83

47

46

50

45

過去４年の専攻別大学院生数 Number of graduate students

物性研究所では、年間 350 から 500 編前後の学術文献を発表している。2010 年度の学術文献 403 編の内訳は、学術論文 357、会議録 32、解説記事 9、本（または本の一部）5 となっている。

About 350 to 500 scientific issues are publishedthrough annual activity in ISSP. The 403 articles
published in 2010 consist of 357 papers in refereed
journals, 32 proceedings, 9 reviews, 5 books.

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)

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

予算/Budget

平成 22 年度（2010 fiscal year）（Ａ）人件費：文部科学省より（Ｂ）物件費：文部科学省より（Ｃ）寄附金：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・日本学術振興会より（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 Corporations（Ｄ）Grant-in-Aid from Governmental Agencies and Private Corporations（Ｅ）Grant-in-Aid from Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, and Japan Society        for the Promotion of Science.

(A)

(B)

(C)

(D)

(E)

計

人件費

物件費

寄附金

受託研究・共同研究

科学研究費

Total

平成 22 年度（2010）

1,348,475

2,659,755

48,472

298,615

691,061

5,046,378

平成 21 年度（2009）

1,363,182

2,748,055

7,575

405,342754,798

5,278,952

平成 20 年度（2008）

1,517,658

2,559,789

8,592

322,093493,000

4,901,132

平成 19 年度（2007）

1,470,205

2,415,721

14,178239,450

478,600

4,618,154

平成 18 年度（2006）

1,447,491

2,422,618

15,430105,191

521,300

4,521,030

平成 17 年度（2005）

1,374,411

1,982,397

18,09080,620542,900

3,998,418

平成 16 年度（2004）

1,341,540

2,162,225

13,18069,574466,200

4,052,719

予算額の推移 Budget in recent years（単位：千円） （Unit：Thousand Yen）

平成 23 年 7 月１日 現在
教

現員

Number of staffs

Professors

授

Associate
Professors

准教授

Research

助

教

技術職員

事務職員

Administrative
Staff

合計

Associates

Technical
Associates

24

20

43

33

12

132

13
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

Total

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７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。

Discoveries of new materials have often opened
new horizons in materials science. High temperature oxide superconductors, carbon clusters andnanotubes, 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 uncovernovel phenomena that lead to new concepts of matter,through combined efforts of search, synthesis andcharacterization of new materials. Currently, ourdivision consists of seven groups. Although eachgroup has its own research style and projects, we try
to maintain close collaboration between those groups
working on production of high quality materials andthose working on advanced technology for measuringphysical properties.
In particular, we keep strong collaboration with
the Materials Design and Characterization Laboratory. One of the subjects of our current intensive
research is the effects of strong electronic correlation,in particular, 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.

教

授

八木

健彦

助

教

三田村

教

授

瀧川

仁

助

教

吉田

誠

教

授

榊原

俊郎

助

教

岡田

卓

教

授

森

助

教

松本

洋介

Professor
Professor
Professor
Professor

Takehiko YAGI

Research Associate

Masashi TAKIGAWA

Research Associate

Toshiro SAKAKIBARA

Research Associate

初果

Hatsumi MORI

Research Associate

裕幸

Hiroyuki MITAMURA
Makoto YOSHIDA
Taku OKADA
Yousuke MATSUMOTO

准教授

田島

裕之

助

教

木俣

基

准教授

中辻

知

助

教

橘高

俊一郎

特任講師

大串

研也

教  務  職  員

村山

千壽子

教授（客員）

吉村一良

技術専門職員後藤

弘匡

准教授（客員）

柄木良友

教授（外国人客員）

クレイ

Associate Professor
Associate Professor

Hiroyuki TAJIMA

Research Associate

Satoru NAKATSUJI

Research Associate

Project Assistant Professor Kenya OHGUSHI
Visiting Professor
Visiting Associate Professor
Visiting Professor

Technical Associate

Kazuyoshi YOSHIMURA

Technical Associate

Yoshitomo KARAKI

トルステン

Torsten R. CLAY

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

Motoi KIMATA
Shunichiro KITTAKA

Chizuko MURAYAMA
Hirotada GOTO

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

八木

健彦

Takehiko YAGI

Yagi Group教授

Professor

100 万気圧、数千度を越す超高圧高温状態を実験室内岡田卓

Taku OKADA

助教

Research Associate

High-pressure and high-temperature conditions, more than
100 GPa and up to several thousand degrees, are created in thelaboratory and properties of materials under these extreme
conditions are studied. Pressure is one of the most basic parameters that controls property of materials. In the universe, very
wide range of pressure conditions exist and materials change
their properties dramatically depending on the pressure. What
we know about materials at ambient condition are only a verysmall portion of the entire property. For better understanding ofmaterials, we are carrying out high P-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, and the study of the Earth’s deep
interior are also carried out.

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。

鉄とキセノンは約 120 万気圧以上でともに hcp 構造の金属となり、大気中のキセ
ノン欠損を説明するため、地球中心核の条件下で両者が合金を作るか否かが研究された。約 155 気圧に加圧され、キセノン中で 2000K に加熱された鉄の様子。

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。

Iron heated at 155 GPa and 2000K in xenon. Both of these materials become
hcp metal above about 120 GPa and in order to explain the “missing xenon
problem”, reactions of these materials were studied under the condition of
the Earth’s core.

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

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 Earth’s 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

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

瀧川

仁

Masashi TAKIGAWA

Takigawa Group教授

Professor

核磁気共鳴法（ＮＭＲ）を主な実験手段として、固体吉田誠

Makoto YOSHIDA

助教

Research Associate

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 (lowtemperature, high magnetic field and high pressures) to investigate transition metal compounds, rare earth compounds, andorganic solids.

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 ac 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。b 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。b 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
the quasi one-dimensional conductor β-Sr0.33V2O5, which exhibits a 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

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

榊原

俊郎

Toshiro SAKAKIBARA

Sakakibara Group教授

Professor物質の示す磁気現象は広い温度範囲にわたっている。

橘高

俊一郎

Shunichiro KITTAKA

助教

Research Associate

三田村

裕幸

Hiroyuki MITAMURA

助教

Research Associate

Magnetic phenomena in condensed matter extend over a wide
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 done yet. Our researchinterest lies in those magnetic materials having low characteristic temperatures, such as f electron compounds, heavy
fermions, quantum spin systems and geometrically frustrated
spin systems. In order to study these systems, we have developed
high sensitivity magnetometers which can be operated at very
low temperatures down to ~30 mK, and angle-resolved magnetization and specific heat measuring systems in rotating magnetic
fields which are powerful tools for detecting various anisotropic
properties.

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 17 T までの磁化測定が可能である。

重い電子超伝導体 CeCoIn5 の混合状態における比熱の磁場方向依存性およびこの実験から導かれるギャップ対称性。

The force-sensing capacitor used for the low temperature Faradaymagnetometer. Magnetization measurements can be done at low
temperatures down to 30 mK and in magnetic fields up to 17 T.

Field-angle dependence of the specific heat in the superconducting mixed
state of the heavy-fermion superconductor CeCoIn5, and the gap symmetry
deduced from the experiment.

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. f 電子化合物の多極子自由度に由来する秩序と揺らぎ
Multipole orderings and fluctuations in f electron systems
3. フラストレート磁性体の磁化過程
Magnetization of geometrically frustrated magnets
4. 量子スピン系の基底状態
Ground state properties of quantum spin systems

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

森

初果

Hatsumi MORI

Mori Group教授

Professor

分子性導体、磁性体および誘電体などの機能性分子性The syntheses and structural and physical properties formolecular functional materials such as molecular conductors,
magnets, and dielectrics have been studied. The attractive pointsof molecular materials are 1) that there is a variety of materials
since around 50 million kinds of molecules have been synthesized so far, 2) that molecules and intermolecular interactions
are designable 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 has investigated the curious molecular functional
materials based upon charge, lattice, spin, and molecular degreeof freedom by changing physical parameters with designed
molecules. Recently, we found new organic superconductors,
in which the superconducting state is competitive to the chargeordered state owing to the electron correlation and the bending
and stretching of designed molecules. (See the figures)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）約 5000 万種あ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外場応答が大きく、分子を媒介として電子―格子相互作用が大きいこと、４）電子間クーロン相互作用（電子相関）が大きく、電子の波
動性（伝導性）と粒子性（磁性）が競合す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特異な機能性を研究している。最近、分子の屈曲と伸縮の自由度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-(meso-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-ET2Cu(NCS)2] prepared by the electrocrystallization 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, and superconductivity was found at 4.3 K under 4.0 kbar.

研究テーマ Research Subjects

1.   分子の自由度を生かした新規有機（超）伝導体の開発と物性研究
Development and studies of structural and physical properties for novel organic (super)conductors based upon molecular degree of freedom
2. 固体中での動的なプロトン運動を利用した有機誘電体の開発と物性研究
Development and studies of structural and physical properties for organic dielectrics in use of proton dynamics
3. 磁性と伝導性が競合する金属錯体の開発と物性研究
Development and studies of structural and physical properties for novel metal complexes whose magnetism and conductivity are competitive
4. 分子性物質の外場（光、磁場、電場、温度、圧力）応答の研究
Studies of responses by external stimuli (light, magnetic and electric fields, temperature, pressure) for molecular materials

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

田島

裕之

Hiroyuki TAJIMA

Tajima Group

准教授

Associate Professor

分子集合体（特に有機薄膜および有機伝導体結晶）を

木俣基

Motoi KIMATA

助教

Research Associate

Our main subject is electrical properties on molecular assemblies 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. Now, we are intensively
studying MIM junctions with insulating layers of biomolecules,
spin-crossover complexes, and porphyrin complexes using
various experimental techniques.
Conducting molecular crystals: We are interested in chargetransfer salts of iron phthalocyanine and their derivatives. We
found giant negative magnetoresistance in this system in 2000.
We are studying their magnetic and electrical properties in orderto clarify the origin of this phenomenon.

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、有機薄膜の種類を代えることにより、無限のバ
リュエーションが可能である。生体関連物質、スピンク
ロスオーバー錯体、ポルフィリン化合物を用いた、光起電力や電界発光の実験を行っている。
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、巨大負磁気抵抗の起源を探る実験を行っている。

ITO/chlorophyll a:[Fe(dpp)2](BF4)2/Al の接合デバイスの電界発光スペクトルの温度依存性（印加電圧 3.5V）。内挿図は、689 nm の電界発光強度の温度依存性。

TPP[FePc(CN)2]2 の磁気トルクの温度依存性．12 K と 25 K のトルクカーブの反転は磁気転移による。

Electroluminescence spectra of the ITO/chlorophyll a:[Fe(dpp)2](BF4)2/Al
device at different temperatures under the applied voltage of 3.5 V. The inset
shows the temperature dependence of the EL intensity at 689 nm.

Magnetic Torque of TPP[FePc(CN)2]2 salt. The inversions of torque curve at
12 K and 25 K are due to magnetic transitions.

研究テーマ Research Subjects
1.   有機光起電力デバイスの作成および物性測定
The fabrication and characterization of organic photovoltaic devices
2. 有機発光ダイオードの作成および物性測定
The fabrication and characterization of organic light-emitting diode3. 電導性フタロシアニン錯体の作成および物性測定
The synthesis and characterization of conducting charge-transfer crystals of phthalocyanine

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

中辻

知

Satoru NAKATSUJI

Nakatsuji Group

准教授

Associate Professor

物性物理学のフロンティアは、新しい物理現象の発見

松本洋介

Yousuke MATSUMOTO

助教

Research Associate

The discovery of new phenomena is at the forefront ofresearch in condensed matter physics. This is particularly true
for the inorganic materials, which provide an important basis incurrent electronic and information technology research, whichkeep providing numbers of macroscopic quantum phenomena
due to correlations among the Avogadro numbers of electrons.
Thus, the search for new materials that exhibit new characteristics is one of the most exciting and important projects inthe materials research. We have synthesized new materials in
so-called strongly correlated electron systems including transition metal compounds and heavy fermion intermetallics. Ourinterest lies in quantum phenomena such as exotic superconductivity and spin liquid states close to a quantum phase transition, Berry phase effects in magnetic metals, and quantum spin
phenomena in magnetic semiconductors.

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、物質中の 1023 個もの電子が相互作用して創りだす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、特に遷移金属化合物や、重い電子系と呼ばれる金属間化合物の新物質開発に取り組み、量子相転移近傍に現れる新しいタイプの超伝導・スピン液体状態、磁性金属におけるベリー位相の効果、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 ΘW = 80 K に対応する比熱のピークに加え、
低温 T* = 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.   量子相転移近傍での新しい超伝導と金属スピン液体状態
Exotic superconductivity and spin liquid states near quantum phase transitions
2. 磁性金属におけるベリー位相の効果
Berry phase effects in magnetic metals
3. 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

20
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

新物質科学研究部門

Division of New Materials Science
http://ohgushi.issp.u-tokyo.ac.jp/

大串研究室

大串

研也

Kenya OHGUSHI

Ohgushi Group

特任講師

Project Assistant Professor

物質合成と物性測定を通して、電子相関効果に起因す

Our group focus on an exploratory synthesis and characterization of strongly correlated materials, which exhibit novel
quantum phenomena.
When electrons interact strongly with each other in a solid,
they form a many-body state, where each electron no longer
behaves as an individual electron. This many-body state often
shows intriguing phenomena such as zero resistance in superconductors and the fractionalized charge in quantum Hall
liquids. In order to search for a new quantum state in a matter,
we synthesize oxides, chalcogenides, and intermetallics, andinvestigate their electric, magnetic, and optical properties. Ourinterests extend from search for a new mineral into development of new functional materials. Our recent achievement is thefinding of a new metal-insulator transition system Ca1-xNaxIrO3.

る新奇な現象を示す物質を探索し、その物性発現の微視的機構を解明している。
電子間に強い相互作用が働く場合、各々の電子はその個性を失い、互いの関係性を重視した多体状態を形成する。このような強相関量子液体は、超伝導体における零抵抗や量子ホール液体における分数電荷などの不思議な性質を示す。我々は、新たな強相関量子液体の創製を目指して、酸化物、カルコゲン化物、金属間化合物の純良試料を育成し、それらの電気的、磁気的、光学的性質を調べている。同時に、地球科学で重要となる新鉱物の探索や、工学的応用を視野に入れた物質開発も行うなど、学際的な研究を推進している。最近の成果として、ポス
トペロブスカイト型酸化物 Ca1-xNaxIrO3 における金属絶縁体転移の発見が挙げられる。

強相関電子物質の単結晶。電荷注入により金属絶縁体転移を示すポストペロブス
カイト型酸化物 CaIrO3、高温超伝導体の母物質 SrFe2As2、温度－磁場平面で新奇な多重臨界現象を示すオリビン型硫化物 Mn2SiS4、反転対称性の破れた金属
Pb2Ru2O7。

金属絶縁体転移を示す Ca1-xNaxIrO3 の温度 -Na 量（T-x）平面における電子相図。
左挿入図： Ir の t2g 軌道における電子配置。右挿入図： ポストペロブスカイト構造。

Single crystals of correlated electron materials. CaIrO 3 post-perovskite,which exhibits the metal-insulator transition upon carrier doping, SrFe2As2,
which is a parent compound of the high-temperature superconductor,
Mn2SiS4, which exhibits a novel multicritical phenomena, and Pb2Ru2O7,
which is a polar metal.

The electronic phase diagram for Ca1-xNaxIrO3 (0 ≤ x ≤ 0.5) within a temperature-Na content (T-x) plane. Left inset: Schematic view of the electron
configuration among the t2g orbitals. Right inset: The post-perovskite structure.

研究テーマ Research Subjects
1.   高圧合成法を用いた新物質開発
Synthesis of new materials by using high-pressure apparatus
2. 強相関電子物質の物性解明
Studies on electronic properties of correlated electron materials
3. 放射光を用いた結晶構造と磁気構造の解明
Structural analysis by using synchrotron radiation

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

新物質科学研究部門

Division of New Materials Science

吉村研究室

吉村一良

Kazuyoshi YOSHIMURA

Yoshimura Group

客員教授

Visiting Professor

遷移金属元素を含む無機化合物を対象とし、物理化学

We research on searching for and synthesizing novel
inorganic compounds including transition metals from view
points of physical chemistry and chemical physics, which
exhibit novel quantum phenomena such as itinerant-electron
magnetism, high-Tc superconductivity and magnetic frustration effect, etc. Especially, our main targets are the systems withstrongly correlated electrons, which are expected to play important roles in the 21st century, with pursuing intensive developments of new synthetic methods. Furthermore, the nuclear
magnetic resonances (NMR) as well as some other microscopic
techniques are utilized in order to elucidate and to understandtheir intrinsic physical properties. To give actual examples, thetarget research systems are as follows: a) novel (high-Tc) andanisotropic superconductors and itinerant-electron magnets,b) low dimensional magnets with frustrations and quantum
spin systems (e.g., compounds with magnetic plateaus, spin gap
behaviors and/or magnon Bose-Einstein condensations), c) rareearth intermetallic compounds which show valence fluctuations,dense Kondo effects and/or heavy Fermion behaviors, d) novelcompounds synthesized by new synthetic methods.

的な見地から、遍歴電子磁性や高温超伝導、磁気フラス
トレート系など新たな量子現象を示す新物質を探索・開発することを目標にしている。特に 21 世紀の材料を担うと期待される強い電子相関をもった系を中心に研究を行っている。新しい合成法の開発も積極的に進めるほか、
核磁気共鳴法（NMR）等を駆使してミクロな視点から本
質的な物性の評価・理解の研究を行っている。具体的には、
a）新しい（高温）超伝導体や異方的超伝導体、遍歴電子
磁性体の探索・合成と物性

b）フラストレート系低次元系磁性体や量子スピン系化合物の合成と物性（例：磁化プラトーやスピンギャップ、マグノンのボーズ凝縮現象）c）希土類金属間化合物における価数揺動、高濃度近藤効
果、重いフェルミオン状態d）新合成手法の開発、それによる新無機化合物の合成。

新物質科学研究部門

Division of New Materials Science

柄木研究室

柄木

良友

Yoshitomo KARAKI

Karaki Group

客員准教授

Visiting Associate Professor

極低温での磁性、超伝導の研究を中心に行う。希釈冷

We study a variety of interesting phenomena at very low
temperatures. We are interested in interplay between nuclear
ferromagnetism and superconductivity, electric conductivity ofmetals with a large electric quadrupolar interaction, magnetic
ordering of frustrated spin system under the influence of nuclear
spin, and novel superconductivity emerging around a quantum
phase transition.
We have developed magnetization and electric conductivity
measurement systems with very low exciting current using
SQUID and employ this system to study the above phenomena,
which become pronounced at very low temperatures.

凍機による極低温環境での SQUID を用いた精密な磁気測定や電気伝導および比熱測定を行っている。
研究内容は核強磁性と超伝導の共存、核電気四重局相
互作用と電気伝導、カゴメ格子磁性体の基底状態に及ぼす核スピンの影響、p 波超伝導体のフラックスジャンプ、物性研究所中辻研究室と共同で量子相転移近傍に現れる
新しいタイプの超伝導など、極低温で現れる興味深い現象の研究を行っている。

22
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

新物質科学研究部門

Division of New Materials Science

クレイ研究室クレイ

トルステン

Torsten R. CLAY

Clay Group

外国人客員教授

Visiting Professor

当研究室では、強相関電子系に焦点を当て、特に磁気My research focuses on the theory of strongly correlated
electron systems, more specifically models for magnetic order,
charge order, and unconventional superconductivity. In manyof the systems I study, effects of both electron-electron andelectron-phonon interactions are important. Much of my priorwork has been to understand the unusual electronic properties of organic charge-transfer solid superconductors, but has
also recently included work on the effect of electron-electron
correlations in layered cobaltates and spinels. At the ISSP I will
be collaborating with the experimental group of Prof. H. Mori. I
hope to assist in understanding the properties of new molecularmaterials synthesized in her group and to expand my previous
work on charge ordering to include description of nonlinear
transport. Most of my work is computational in nature and I
also pursue the development of computational methods forstrongly correlated systems. Methods I currently use for latticemodel Hamiltonians include quantum Monte Carlo, exact
diagonalization, and variational methods including the use of
matrix-product state bases.

秩序、電荷秩序、超伝導などの理論研究を行っている。
実際、電子―電子および電子―格子相互作用を取り入れたハバードハミルトニアンを用いて、有機超伝導体や、層状コバルト化合物、スピネル化合物を研究している。
物性研究所では森実験グループとの共同研究で、電荷秩序系分子性物質における超伝導などの電子物性や、非線形伝導など非平衡科学についても拡張し、理論研究を展開する。また、我々は計算物理を専門とするので、強相関系を対象として、量子モンテカルロ、厳密対角化、変分法の理論手法開発についても取り組む。

23
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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。

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 modeling ofmaterials, 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 stronglycorrelated systems such as low-dimensional quantum
magnets and electron systems including the Kondo lattice,metal-insulator transitions, heavy-fermion physics, bothphenomenological and microscopic theories of superconductivity in various materials, exchange and correlation
effects on dynamic properties in metals and semiconductors, dynamic processes and catalytic properties atsurfaces, and quantum transport and interactions inmesoscopic conductors.
In performing those topics of research, individual
members employ calculation techniques in accordance with
their expertise and taste, but as a whole, the theory group
covers virtually all modern theoretical methods, ranging
from sophisticated analytical techniques in mathematicalphysics and formal many-body theory to large-scale
numerical computations, such as quantum Monte Carlosimulations and state-of-the-art ab-initio calculation ofelectronic structures based on the density functional theory.

教

授

上田

和夫

助

教

佐藤

昌利

教

授

髙田

康民

助

教

藤井

達也

教

授

押川

正毅

助

教

前橋

英明

教

授

常次

宏一

助

教

服部

一匡

准教授

甲元

眞人

助

教

野口

良史

准教授

杉野

修

助

教

多田

靖啓

准教授

加藤

岳生

准教授（客員）大谷実

Professor
Professor
Professor
Professor
Associate Professor
Associate Professor
Associate Professor
Visiting Associate Professor

Kazuo UEDA

Yasutami TAKADA
Masaki OSHIKAWA
Hirokazu TSUNETSUGU
Mahito KOHMOTO
Osamu SUGINO

Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate

Masatoshi SATO
Tatsuya FUJII

Hideaki MAEBASHI
Kazumasa HATTORI
Yoshifumi NOGUCHI
Yasuhiro TADA

Takeo KATO

Minoru OTANI

24
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

物性理論研究部門

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

上田和夫研究室上田和夫

Kazuo UEDA

K. Ueda Group教授

Professor

量子相転移の最も簡単で典型的な例は、スピン系の秩

藤井達也

Tatsuya FUJII

助教

Research Associate

The simplest and most typical example of the quantum
phase transitions is the order-disorder transition in quantum
spin systems. The orthogonal dimer Heisenberg model for
SrCu2(BO3)2 has been studied and various unusual properties
are found. The S=1 Heisenberg model on the pyrochlore latticeis also studied and importance of spin-lattice coupling to lift thedegeneracy is pointed out.
New superconductive materials were discovered in
β-pyrochlore compounds. A unique feature of this system is thestrongly anharmonic vibration of ions and we have shown that
it is the origin of unusual temperature dependences of resistivity
and NMR relaxation rates.
Recently effect of vibratins of a magnetic ion coupled with
conduction electrons is studied. It is shown that opening ofa new channel accompanied with phonons leads to a line ofcritical points of two channel Kondo effects.
Concerning the transport phenomena through quantum
dots, it is shown that generalization of the Kubo formula into
nonequilibrium situations is possible, which leads to a newtheoretical definition of the shot-noise. Concerning numerical
study of Kondo transport, a direct method to calculate current
with the time-dependant DMRG has been developed.

序無秩序転移である。最近われわれのグループで理論研究を展開した対象としては、二次元直交ダイマーハイゼ
ンベルグ模型の量子相転移がある。また、パイロクロア
格子上のハイゼンベルグ格子を考察し、その擬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明らかにした。
近年発見された β パイロクロア化合物の超伝導では籠状構造中にあるアルカリイオンの非線形格子振動が重要な役割をしていると考えられる。この物質系における電気抵抗、核磁気緩和率の特異な温度依存性が非線形格子振動によるものとして理解できることを明らかにした。
さらに、振動するイオンが磁性イオンである場合には、格子振動と近藤効果の絡み合いという新たな問題が生じる。局在軌道と伝導電子の混成に加え、フォノンを介して新たに生じるチャンネルによる２チャンネル近藤効果
が普遍的に見られることが明らかになった。
有限バイアス下における量子ドットの近藤輸送現象について、久保公式を非平衡定常状態に一般化し、ショットノイズが電荷 - 電流の相関関数で与えられることを明らかにした。また、非平衡定常状態の電流を時間依存の密度行列繰り込み群を用いて直接計算し、近藤輸送現象の数値的研究を進めている。

振動する磁性イオンのクーロン相互作用 (U) とフォノンを伴った混成強度 (V1) 空間での低温極限での振る舞い。繰りこまれたフェルミ鎖 (RF-chain)、s 波近藤効果(s-chK)、p 波近藤効果 (p-chK) と Yu-Anderson 近藤効果 (YAK) の振る舞いが見られる。境界線上では２チャンネル近藤効果が見られる。

Four regimes in the low temperature behaviors of Kondo effect of avibrating magnetic ion. On the boundary two-channel Kondo behaviors are
identified.

研究テーマ Research Subjects
1.   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
2. 振動する磁性イオンにおける近藤効果
Kondo effects of a vibrating magnetic ion
3. 量子ドットにおける近藤輸送現象
Kondo transport phenomena through quantum dots

25
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

髙田

康民

Yasutami TAKADA

Takada Group教授

Professor

自然の階層構造の中で物性理論の主たる対象は電磁相前橋

英明

Hideaki MAEBASHI

助教

Research Associate

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 theoryof physics to make its thorough investigation. With this recognition, we study this system faithfully from first principles
with mainly using the density functional theory and theGreen’s-function method. More specifically, we are constructing
a framework for calculating the superconducting transition
temperature from first principles with the aim of proposing ahigh-Tc mechanism.

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、密度汎関数理論やグリーン関数法を主たる手段として、この原子核電子複合系の量子物性を第一原理から忠実に解明する研究を行っている。
特に、超伝導転移温度の第一原理計算手法の確立とそれを駆使しての高温超伝導機構の提唱を目標としている。

超臨界液体金属 Rb におけるイオン相関関数 g(R) のイオン間平均距離 rs 依
存性。rs の増大と共に最近接イオン間距離 RNN は却って減少するという異常な実験結果は、低密度電子ガス系での強い交換相関効果を適切に考慮した理論でよく再現される。

Dependence of the ion correlation function g(R) on the mean interionic distance rs in the supercritical liquid metallic Rb. Theoretical
calculations taking proper account of the strong exchange-correlation
effect in the low-density electron gas reproduce the experiment very
well, including the anomalous behavior that the nearest-neighborinterionic distance RNN decreases as rs increases.

研究テーマ Research Subjects
1.   GWΓ 法：ワード恒等式を常に満たす電子自己エネルギーの計算手法の開発とその現実物質への応用
GWΓ method: Development of the calculation method for the electron self-energy always satisfying the Ward identity
and its application to actual materials
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. 超伝導転移温度の第一原理計算：密度汎関数超伝導理論での対相互作用汎関数の開発
First-principles calculation of the superconducting transition temperature: Proposal of a good functional form for thepairing interaction in the density functional theory for superconductors
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

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

押川

正毅

Masaki OSHIKAWA

Oshikawa Group教授

Professor

量子多体系の理論を中心として研究を行っている。量多田

靖啓

Yasuhiro TADA

助教

Research Associate

Our 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”
in statistical physics. For example, we study characterizationof topological phases, which has no local order parameters, interms of quantum entanglement. With these studies, we also aim
to develop an interdisciplinary field with quantum information
theory and quantum computation.
Much of our research is carried out in international collaborations.

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。たとえば、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
理現象の統一的な理解を目指している。
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」と言う統計力学における基本概念についての再検討を促している。たとえば、局所的な秩序パラメー
タが存在しないトポロジカル秩序相を量子エンタングル
メントによって同定する研究を行っている。このような研究により、量子情報理論や量子計算との境界領域の開拓も企図している。
これらの研究の多くは、国際共同研究として推進している。

磁場中の S =1 ハルデン鎖における磁化の温度依存性。量子モンテカ
ルロシミュレーションの結果は、古典論（実線）では見られない磁化の極小を示す。この極小は 1 次元スピンギャップ系に普遍的なものであることを理論的に明らかにした。

Temperature dependence of magnetization in S =1 Haldane
chain under magnetic fields. Quantum Monte Carlo simulation
demonstrates a magnetization minimum, which is absent in theclassical theory (solid curve). We elucidated theoretically thatthe minimum is a universal feature in one-dimensional spin gap
systems.

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. 共形場理論とその物性物理への応用
Conformal Field Theory and its applications to condensed matter physics
3. トポロジカル相と量子エンタングルメント
Topological phases and quantum entanglement
4. ナノ多孔体中の液体ヘリウム 4 の量子臨界現象
Liquid Helium 4 in nanoporous media and quantum critical phenomena

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

常次

宏一

服部

一匡

Hirokazu TSUNETSUGU Kazumasa HATTORI

Tsunetsugu Group教授

Professor

遷移金属化合物、希土類 ･ アクチノイド化合物などの助教

Research Associate

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, unconventional superconductivity anddensity waves are typical cases.
The present targets of our study include novel types ofquantum order and quantum fluctuations in frustrated spin andstrongly correlated electronic systems. In these systems, many
soft modes of fluctuations are coupled, which is characteristic tofrustrated systems, and this affects the nature of quantum phasetransitions, as well as electronic states and transport properties.
One of our recent works is about electric transport in strongly
correlated electron systems with geometrical frustration, particularly characteristics of optical conductivity near the critical end
point of Mott metal-insulator transition in the triangular-lattice
Hubbard model.

電子間クーロン相互作用が強い強相関電子系の物性の理論を研究している。クーロン相互作用が強い系においては、低温において興味深い磁性状態や異方的超伝導、密度波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を目標とする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、フラストレーション系における新しいタイプの量子秩序や量子ゆらぎである。フラストレーション系に特有の、多くのモードのソフトな揺らぎが結合している場合における秩序と臨界現象の特徴、電子状態や輸送現象がどのような影響を受けるのかを調べている。最近の成果として、幾何学的フラストレーションをもつ強相関電子系の典型例として、三角格子ハバード模型のモット金属絶縁体転移の臨界点近傍における電気伝導の研究を行った。

三角格子ハバード模型の金属絶縁体転移臨界点近傍の光学伝導度 σ(ω)。
温度一定で電子間クーロン斥力 U を弱めた時の絶縁体領域（青色）から金属領域（赤色）への変化。周波数 ω と U の単位は電子のホッピン
グパラメータ t.

Optical conductivity σ(ω) of the triangular-lattice Hubbard modelnear the critical point of metal-insulator transition. Variation
with decreasing Coulomb repulsion U from insulating region(blue) to metallic region (red). Units of frequency ω and U areelectron hopping parameter t.

研究テーマ Research Subjects
1.   d 電子、f 電子化合物など強相関電子系の電子状態
Electronic states of strongly correlated systems with d- or f-electrons
2. フラストレーション系の統計力学
Statistical physics of frustrated systems  
3. 量子磁性体の新奇量子相の理論
Theory of novel phases in quantum magnets
4. 非調和格子振動と超伝導
Anharmonic lattice dynamics and superconductivity

28
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

甲元

眞人

Mahito KOHMOTO

Kohmoto Group

准教授

Associate Professor

多体系においては、相互作用によって種々の興味深い佐藤昌利

Masatoshi SATO

助教

Research Associate

In many body systems, there appear many interesting
properties due to interaction. A recent example is the quantum
Hall effects on graphene. Also topological long-range correlations give rise to novel properties like gapless surface states in
topological insulators. Traditional theoretical approaches basedon the perturbation theory often fail to analyze these recently
found phenomena. For example, the non-perturbative field
theoretical approach succeeded in the study of the quantum Hall
effects. Our purpose is to develop the non-perturbative method
including field theories and the solution of the basic problems inphysics mentioned above.

性質が現われる。例えば、磁場中グラフェンの示す量子ホール効果は、最近の代表的な例である。また、トポロ
ジカル絶縁体のように量子論特有のトポロジカルな長距離相関により、ギャップレス表面状態のような新しい性質が現れる場合もある。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と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 2. 図 1 と同じもの。Φがゼロ付近を拡大している。

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 Hall 伝導度を表す。

Fig. 2. The same as Fig.1 for Φ~0.

Fig. 1. Energy spectrum with a magnetic flux Φ in thehoneycomb lattice

研究テーマ Research Subjects
1.   グラフェンにおける量子ホール効果
Quantum Hall effects on graphene
2. トポロジカル絶縁体
Topological insulator
3. 物性における位相不変量
Topological invariants in condensed matters
4. 位相的秩序
Topological order29
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

杉野

修

Osamu SUGINO

Sugino Group

准教授

Associate Professor

第一原理計算は、Schrödinger 方程式や電磁気相互作

野口良史

Yoshifumi NOGUCHI

助教

Research Associate

The first-principles calculation is recognized as a powerfultool to derive parameters of materials starting from basic principles of physics, such as Schrödinger equation and electromagnetic interaction. The frontier of the research is now shifting tophenomena concerned with electron correlation, excited states,
and non-equilibrium. Breakthrough will be brought from utilization of supercomputer power and quest for developing novel
computational method. Our group is doing such study based on
the density functional theory (DFT) and the many-body perturbation scheme. We are targeting fuel cells and solar cells to
study conditions for the ultimate energy transfer efficiency; thisis done by simulating non-equilibrium interfacial dynamics on“K computer”. We are also developing practical methods tosimulate excited state dynamics as well as high-precisionelectronic structure calculation code on the basis of two-body
Green’s function method.

用といった物理の基本方程式から物質のパラメータを導くことのできる強力な研究手法である。これからは、電子相関や励起状態、非平衡が絡む現象の探索に研究のフロンティアが移ろうとしている。ブレークスルーをもたらすのは、京コンピュータに代表されるスパコン性能の活用と、新奇計算手法構築へのたゆまぬ努力であろう。当研究室では、密度汎関数理論および多体摂動論という第一原理計算の二大体系に基づく研究を展開している。物質界面における非平衡エネルギー変換過程という立場から電池（燃料電池や太陽電池）の機能を追求し、究極の変換効率をもたらす条件を探る応用研究を京コン
ピュータで行っている。また、励起状態の動的過程を計算するための実践的な手法開発や、二粒子グリーン関数を用いた超高精度電子状態計算の基礎研究も行っている。

有効遮蔽体法の開発とそれを用いて行った白金・水溶液界面での電極触媒反応。

非断熱係数の計算手法の開発とそれを用いて行ったホルムアルジミンの光異性化反応過程。

Development of the effective screening medium method, which has enabledelectrocatalytic reaction dynamics simulation at Pt/solution interface.

Development of the nonadiabatic couplings, which has enabled photoisomerization dynamics of a folmaldimine molecule.

研究テーマ Research Subjects
1.   電極水溶液界面の構造と電極触媒反応の動的過程
Structure of the electrode/solution interface and electrocatalytic reaction dynamics
2. 有効遮蔽体法の開発と電子移動過程および非線形光学応答の計算
Effective screening method and simulation of electron transfer and nonlinear optical processes
3. 多体摂動論に基づく第一原理計算手法の開発と電子励起状態計算
First-principles calculation of electronic excited state on the basis of many-body perturbation method

30
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

加藤

岳生

Takeo KATO

Kato Group

准教授

Associate Professor

本研究室では、電子間相互作用の影響が顕著となるメ

The main research subject is theoretical study of transport
properties in mesoscopic systems, in which the most characteristic feature is quantum interference of electrons revealed innanostructures. Recently, novel technology on quantum information, spintronics, and quantum optics has been intensively
studied in small semiconductors/superconductors. We areengaging in construction of fundamental theory and development of new numerical method for understanding of various
phenomena in this research field. We are especially focusing onstrong electron correlation in mesoscopic objects.
We are also trying to understand transport and dielectric properties in the presence of strong electron-electroninteraction in bulk materials by utilizing various theoreticalmethods. Recent activities in this direction are charge-ordering
phenomena in organic conductors and giant relaxor-type dielectric response in transition oxides.

ゾスコピック系を対象として、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、ナノスケールで微細加工された電子系を主な対象とし、電子の波としての特性が顕著となる系である。この分野では微細加工された半導体や超伝導体を舞台にして、量子情報制御・スピント
ロニクス・量子光学など、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。本研究室ではこれらの系の基礎理論の構築や計算手法の開発を行い、この分野における諸現象の理論的な理解を目指している。
本研究室ではメゾスコピック分野以外にも、電子間相互作用が物質の伝導特性や誘電応答に及ぼす影響を幅広い手法で取り扱っている。最近では、分子性導体における電荷秩序や強誘電性、遷移金属酸化物の巨大リラクサー
誘電応答の研究を行っている。

量子モンテカルロ法によって得られた量子ドットの動的抵抗の値。横軸は量子ドットと電極の間のポテンシャル障壁 V。障壁が小さい間はユニ
バーサルな動的抵抗 h/Ke2 の値をとるが、ある値を超えると急激に増大する（K は電子間相互作用の強さを表す指数）。これは絶対零度における量子相転移現象として理解できる。

Dynamic resistance in quantum dot obtained by quantum Monte
Carlo method. The horizontal axis indicates potential barrier
between a dot and a lead. It takes a universal value h/Ke2 for small
V (K is the Luttinger parameter), while it diverges for large V. Thisobservation can be interpreted by zero-temperature quantum
phase transition.

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. 電子間相互作用の強い低次元導体の理論
Theory of electron-electron interaction in low-dimensional conductors
3. 分子性導体の相転移現象と輸送特性
Phase transition and transport properties in organic conductors
4. 相互作用電子系の数値計算手法開発
Development of numerical algorithms for interacting electron systems

31
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

物性理論研究部門

Division of Condensed Matter Theory

大谷実研究室大谷実

Minoru OTANI

M. Otani Group

客員准教授

Visiting Associate Professor

第一原理シミュレーション手法を用いて、固液界面でSolid-liquid interface, particularly the interface between metalelectrode and water is the main subject of our research. Using
molecular dynamics simulations, we elucidate microscopic
detail of an electrochemical reaction.
Recently, to realize a sustainable energy society, a renewableenergy such as a fuel cell, a solar cell and hydrogen generationfrom sunlight and water has been extensively studied. Althoughthese are expected as an alternative to a fossil fuel, it is hard to
say that renewable energy technologies have become a substitution of conventional energy resources. One of the origins of
this problem is that it is difficult to find an effective, durable,
economical and abundant electrode catalyst. In our laboratory,
using the first principles molecular dynamics simulations, we
try to elucidate a microscopic detail of corrosion mechanisms
and a rate determining step of the reactions and contribute to adevelopment of a new efficient catalyst.

おこる電気化学反応の微視的機構解明および新たな計算手法の開発を行っている。
現在、持続可能なエネルギー社会を実現するために、
燃料電池、太陽光発電、太陽光による水素発生などの再生可能エネルギーに関する研究が積極的に行われている。
化石燃料に代わる代替エネルギーとして大いに期待されているが、まだ一般社会へ普及が進んでいるとはいい難い。その原因の一つとして、高効率かつ耐久性があり、また安価で大量に存在する電極触媒の探索が難しいということが挙げられる。本研究室ではこの問題に第一原理
シミュレーション手法を用いて、理論的にアプローチしている。微視的に反応を捕らえる事により反応の阻害要因や劣化機構を明らかにし、新たな触媒材料の開発に資する研究を目指している。

32
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

ナノスケール物性研究部門
Division of Nanoscale Science
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
能物性開発、

One of t he outst anding t rends in mo der ncondensed matter physics is the rapid development in studies of atomically controlled surfaces
and interfaces, artificial superlattices and micro andnano-structures. The background of such developments is the advancement of key technologies for
epitaxial crystal growth, microfabrication, surface
characterization, and local sensing by use of scanningprobe microscopes. In the Division of Nanoscale
Science, the research efforts of seven groups are
directed to various aspects of nanoscale science atsurfaces, interfaces, and artificial materials/structures.
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 other properties 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.

などが進行中である。

教

授

教

授

教

授

教

授

教

授

Professor
Professor
Professor
Professor
Professor

准教授

Associate Professor

准教授

Associate Professor

家泰弘

Yasuhiro IYE

勝本

信吾

大谷

義近

小森

文夫

𠮷信

淳

Shingo KATSUMOTO
Yoshichika OTANI

幸雄

Visiting Professor

Akihiko KUDO

工藤昭彦

准教授（客員）

江口

豊明

教授（客員）

Visiting Associate Professor

Toyoaki EGUCHI

教

助

教

助

教

助

教

助

教

Research Associate

Yukio HASEGAWA

リップマー

助

Research Associate

Research Associate

Jun YOSHINOBU

Mikk LIPPMAA

教

Research Associate

Fumio KOMORI長谷川助

Research Associate

Research Associate

ミック

技術専門職員Technical Associate

技術専門職員Technical Associate

遠藤

彰

中辻

寛

吉本

真也

高橋

竜太

新見

康洋

吉田

靖雄

向井

孝三

飯盛

拓嗣

Akira ENDO

Kan NAKATSUJI
Shinya YOSHIMOTO
Ryota TAKAHASHI
Yasuhiro NIIMI

Yasuo YOSHIDA
Kozo MUKAI

Takushi IIMORITechnical Associate

Yoshiaki HASHIMOTO

橋本

義昭

技術専門職員浜田雅之

技術専門職員Technical Associate

Masayuki HAMADA

33
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

家 泰弘

遠藤 彰

教授

助教

Yasuhiro IYEIye Group

Professor

GaAs/AlGaAs 半導体界面２次元電子系をベースとAkira ENDO
Research Associate

The principal research subject of our group is the quantum
transport in mesoscopic structures based on two-dimensional
electron system (2DES) at GaAs/AlGaAs heterointerface.
The ν=5/3 fractional quantum Hall (FQH) state is found to
be strongly suppressed in 2DES subjected to unidirectional
periodic potential modulation. As the modulation amplitude isincreased, the FQH state is overtaken by a stripe phase. Detailed
measurements of thermal-activation-type temperature dependence of the diagonal conductivity in the interger quantum Hall
regime have shown that the effective energy gap is reduced by
the broadening of the Landau subbands due to the modulation, and the effect disappears at the so-called flat-band condition. The a.c. conductivity measurements have revealed a novel
resonance phenomenon in the vicinity of interger fillings that is
attributed to the stripe phase. The Seebeck effect in the quantum
Hall regime is studied by a new technique to establish a gradientin the electron temperature while keeping the lattice temperature uniform.

したメゾスコピック構造における量子輸送現象の研究を行っている。２次元電子系に１次元周期ポテンシャル変調を付加した系において ν=5/3 分数量子ホール効果が強く抑制され、変調振幅の増大とともにストライプ相に遷移することを見出した。整数量子ホール領域における対角伝導度の熱活性型温度依存性の詳細な測定を行い、変調ポテンシャルによるランダウサブバンドの拡幅が実効
エネルギーギャップを減少させること、ならびにいわゆ
る平坦サブバンド条件においてその効果が消失することを示した。また、同系における高周波伝導度の測定を行い、整数占有率近傍においてストライプ相によるものと思われる新たな共鳴現象を見出した。格子温度を一様に保ったまま電子温度のみに勾配をつける手法を開発し、量子ホール領域における熱起電力の測定を行った。

１次元変調下の量子ホール系の高周波伝導で観測される共鳴現象。(a) は各占有率における σxx のスペクトル。（b）周波数 0.5GHz と 0.2GHz における σxx の磁場依存性。

２次元電子系のネルンスト係数の 40mK における測定データ（赤・実線）および、ρxx と ρxy から求めた計算値（青・破線）。

Resonant features in the a.c. conductivity of a quantum Hall system subjected to aunidirectional potential modulation. (a)σxx measured at different values of Landau levelfillings ν. (b)Magnetic-field dependence of at σxx 0.5 and 0.2 GHz.

The measured (red) and calculated (blue) Nernst coefficients(transverse thermopower) of 2DES at 40mK.

研究テーマ Research Subjects
1.   空間変調構造下の２次元電子系の量子輸送現象
Quantum transport in 2DEG systems under artificial potential modulation
2. 量子ホール系における熱伝効果と高周波伝導
Thermoelectric effects and a.c. transport in quantum Hall systems
3. グラファイト、グラフェンの量子伝導
Quantum transport in graphite and graphene34
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

勝本

信吾

Shingo KATSUMOTO

Katsumoto Group教授

Professor

超格子、ヘテロ接合、量子細線、量子ドットなどの半The main research topic in Katsumoto group is the quantum
phenomena, especially quantum many-body effects in artificial
structures such as nano-structures of semiconductors, metals,
ferromagnets, superconductors, etc., and also their hybrid structures fabricated by high-quality ultra thin film growth, electron
beam lithography, and AFM lithography. In such systems,
generally quantum phenomena appear more dramatically thanin uniform bulk materials. They are also important in industrial
applications. Research themes are 1) quantum decoherence asa many body effect, 2) coherent transport in quantum wires
and dots, especially the Kondo effect, the fractional quantum
Hall effect, 3) macroscopic quantum phenomena in mesoscopic
superconductors, 4) magnetic dynamics in nano-magnets, etc.
As applications of physics, quantum information processing
with spin-freedom, photovoltaic effect in nanostructures arestudied. The studies are in close collaboration with Iye group.

導体量子構造、微小超伝導体・磁性体に現れる量子現象、
量子多体効果の研究を行っている。具体的には微小ジョ
セフソン接合やマイクロ波共鳴器構造を使っての多体効
果としての量子デコヒーレンス現象の解明、近藤効果や分数量子ホール効果などの多体効果が量子ドット、量子細線などのコヒーレント伝導にどのように現れるか、逆に量子コヒーレンス回路を経由することで多体効果にどのような影響が生ずるか、などに興味を持ち、研究を進めている。また、これらの現象のデバイス応用にも関心があり、微小磁性半導体構造の量子効果、単電子帯電効果、超伝導を駆使したスピンエレクトロニクス、超構造の量子効果を使った高効率光電変換素子の研究も進めている。

超伝導単電子トランジスタの高周波応答。高周波に振幅変調を加え、応答をゲート
電圧、ソースドレイン電圧に対してプロットした。光子補助トンネル (PAJQP) によるピークが観察され、その解析がデコヒーレンス機構の解明につながる。

横結合型量子ドットで測定した２次元電子系の局所電子温度 ( 赤、青のデータは、挿入図のそれぞれ赤丸青丸の位置で測ったベース温度からの変化 )。グレー背景の部分が量子ホール領域で、無散逸伝導に伴い温度が下がっていることがわかる。

Response to amplitude modulation of microwave irradiation to a superconducting ultra-small Josephson junction as a function of the gate voltage andthe source-drain voltage. Analysis of photon assisted Josephson-quasiparticle tunneling sheds light on quantum decoherence.

Local electron temperature of a two-dimensional electron measured by sidecoupled quantum dots, placed at red and blue circles indicated in the inset.
The colors correspond to these two positions. Gray backgrounds indicate
quantum Hall regions, in which electron temperature goes down due to dissipationless currents.

研究テーマ Research Subjects
1.   量子ドット、量子細線のコヒーレント伝導
Coherent transport in quantum dot - quantum wire systems
2. 量子ドットスピンやメゾスコピック超伝導を用いた量子情報素子
Quantum information processing with electron spins in quantum dots, mesoscopic superconductors, etc.
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. 半導体超構造を用いた光電変換
Photovoltaic devices with semiconductor superstructures

35
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

大谷

義近

Yoshichika OTANI

Otani Group教授

Professor

ナノスケールの微小磁性体中には、その形状やサイズを反映
気渦はその中心に極性と旋回という 2 つの自由度をもち、それらを２次元配列させた「磁気人工格子（マグノニック結晶）」を設計・作製することにより次世代磁気記憶・演算素子として発展が期待される。我々はこれらナノスケール磁性体を作製し、その静的及び動的な基礎磁気物性を実験的に調べている。また、ナノスケール磁性体を利用して、電荷の流れを伴わない「純スピン流」と呼ばれるスピン角運動量のみの流れを作り出すことができる。この純スピン流を非磁性体金属や超伝導体に注入することで、スピンホール効果、スピン注入磁化反転、スピ
ン蓄積効果などさまざまな興味深い現象を観測することが可能となる。最終的にはスピン注入によって生じる新規なスピントロ
ニクス素子の研究開発を目指している。

(a) Schematic drawing for measurements of spin dynamics inmagnetic vortices fabricated with Py (Ni81Fe19) and an SEM
image of two Py disks. (b) MFM image of the two Py disks withthe same polarity and the corresponding schematic drawing. (c)AMR signals as a function of frequency with and without theright Py disk. By adding the right Py disk, one peak splits into
two peaks.

研究テーマ Research Subjects

康洋

Yasuhiro NIIMI

助教

Research Associate

Various domain structures such as magnetic vortices andsingle domains are formed in nano-scale magnets, dependingon their shape and size. The magnetic vortices, for example, have
two degrees of freedom, i.e., polarity and chirality, and allow us
to design an artificial magnetic lattice called “magnonic crystal”
consisting of several magnetic vortices. These are expected tobe next-generation magnetic memory and logic devices. We
fabricate nano-scale magnets to experimentally study theirfundamental static and dynamic magnetic properties. We also
use nano-scale magnets to produce “pure spin current” whichtransfers no electric charges but only spin angular momentums.
By injecting the pure spin current into non-magnetic metals
and superconductors, we are able to observe various interesting
phenomena such as the spin Hall effect, the spin injection
induced magnetization reversal, and the spin accumulation. We
aim to study and develop new types of spintronic devices using
the spin injection techniques.

した磁区構造が形成される。例えば磁気円盤中に生成する磁(a) スピンダイナミクスを測定するために作製された Py(Ni81Fe19) 磁気
渦円盤の走査電子顕微鏡 (SEM) 像と測定回路図。 (b) 同じ極性をもつ
2 つの Py 円盤の磁気力顕微鏡 (MFM) 像とその概念図。 (c) 右側の Py
円盤があるときとないときで測定された異方性磁気抵抗 (AMR) の周波数依存性。右側に Py 円盤を加えることで、ピークが 2 つに分裂している。

新見

CuIr 合金のスピンホール効果： (a), (b)CuIr 合金のスピンホール効果を測定するための素子の SEM 像と概念図。Py 細線から非局所に電流を流すと、純スピン流のみが Cu 細線を流れる。その大部分はスピン軌道相互作用の強い CuIr 内に吸収される
ため、スピンホール効果が電圧として検出できる。(c) CuIr 合金のスピンホール抵抗率の Ir 添加濃度依存性。それ単体ではスピ
ンホール効果を示さない Cu に Ir を添加すると、Ir 添加濃度に応じてスピンホール抵抗率が増加する。この傾きから CuIr のスピン流変換効率、すなわちスピンホール角が 2.1%であることがわかる。

Spin Hall effect (SHE) in CuIr alloys: (a), (b) SEM image and schematic of a spin Hall(SH) device. When an electric charge current is applied non-locally to a Py/Cu junction, only a pure spin current is induced along the Cu bridge. Most of the pure spincurrent is then absorbed into a CuIr wire because of its strong spin-orbit interaction.
As a result, one can detect the SHE as a voltage. (c) SH resistivity of CuIr as a function of Ir concentration. When Ir impurities are added to Cu showing no SHE, the SH
resistivity increases with increasing the Ir concentration. The slope yields the conversion efficiency from the charge to spin current, i.e. the SH angle of 2.1 %.

1.   ナノスケール磁気渦格子を用いたスピンダイナミクスの研究
Spin dynamics in nano-scale magnetic vortex lattice
2. スピンホール効果を用いたスピン流生成機構の研究
Study for the mechanism of spin current generation via spin Hall effect
3. スピン流を用いた磁気相転移
Magnetic phase transition using spin current
4. 強磁性 / 超伝導体複合素子におけるスピン注入
Spin injection into superconductor/ferromagnet hybrid devices

36
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

小森

文夫

Fumio KOMORI

Komori Group教授

Professor

固体表面に形成されるナノスケール物質の電気的磁気

中辻寛

Kan NAKATSUJI

助教

Research AssociateElectronic and magnetic properties of alloys, compounds andother materials with nanometer-scale structure at solid surfaces
are studied using scanning tunneling microscopy/spectroscopy(STM/STS), photoelectron spectroscopy and magneto-optical
Kerr-rotation/second harmonic generation measurement in an
ultra high vacuum. Band structures of the surface states andthe chemical bonds are studied by photoelectron spectroscopyusing ultraviolet light and soft-X-ray. Local atomic structures,formation processes of surface nano-structured materials anddynamical processes induced by electron tunneling or photoexcited carriers are examined by STM. The local structure
can be manipulated through electron-lattice interaction using
electronic excitation induced by tunneling electrons. The
surface electron scattering at an impurity atom is investigated byobserving the standing wave in an atomic scale.

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(MOKE)・第二高調波発生 (SHG) 測定を用いて研究を行なっている。STM を用いたトンネル分光では局所的な電子状態、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、MOKE/SHG 測定では磁性を調べている。
また、ナノスケール化合物の研究において重要な試料生成機構に関して、原子スケールの動的過程を調べている。
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移動緩和や不純物ポテンシャル散乱機構について研究している。

Cu(001) 表面上に作成した様々な SnCu 表面合金の STM 像。スズの平均密度は表面
銅原子密度 (ML) で規格化した。スズ密度が小さいうちは、スズ原子は銅原子とランダ
ムに置換し、1/5ML になると、狭い領域で周期的に配列する。さらに、スズ密度が大きくなるにつれて、まず異なる超構造 (1/3ML) が現れ、その後 , 表面銅原子が欠損したいくつかの超構造 (3/8ML,1/2ML, 5/8ML) が観察される。スズ密度が 2ML 程度になると、表面はスズ２重層に覆われ、周期超構造ができる。

Topographic images of ultrathin Sn-Cu alloys on the Cu(001) substrate. The
average tin density, which is normalized by the surface Cu density (= 1ML), is
given in each image. The tin atoms are incorporated in the surface, and narrow ordered areas are formed around 1/5 ML. With increasing the tin density,
another superstructure appears at 1/3 ML, and superstructures with Cu defects
at the surface layer are observed. (3/8ML, 1/2ML, 5/8ML) Further increase oftin density results in a new surface superstructure with tin bilayer at the surface.

二 種 類（U,L） の シ リ コ ン（Si）- ゲ ル マ ニ ウ ム（Ge） ダ イ マ ー を 含 む
Ge(001) 表面の凹凸 (A-D) 像。試料バイアス電圧は ± 0.5 V。正バイアスでは共に低く観測されるが、負バイアスでは、U ダイマーだけ高く観測された。
理論計算結果との比較により、右側モデル図に示したように、Si 原子は U(L)
ダイマーの上（下）側にあることがわかった。

Topographic (A-D) STM images of Si U- and L-dimers on the Ge(001)surface at 80 K for two sample-bias voltages ± 0.5 V. At + 0.5 V, theboth dimers are imaged lower than the pure Ge dimer while at - 0.5
V, Si U(L)-dimer is higher than (has the same apparent height as) the
pure Ge dimer. We identified the both dimers by comparing these STM
images with the local electronic states obtained by theoretical calculations for their optimized atomic structures. The corresponding schematic models for the dimers are given in the right column.

研究テーマ Research Subjects
1.   表面ナノ構造物質の電子状態、伝導および磁性Electronic states, conduction and magnetism of nano-structured materials
2. トンネル電子やレーザー光励起による表面動的現象
Surface dynamical phenomena induced by electron tunneling and photo-excitation
3. 表面ナノ構造物質の形成過程
Formation processes of nano-structured materials at surfaces

37
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

𠮷信

淳

Jun YOSHINOBU

Yoshinobu Group教授

Professor

表面界面の特徴の一つは、バルクの対称性が破れ表面吉本真也

Shinya YOSHIMOTO

助教

Research Associate

Solid surfaces are intriguing objects, because novel structures and electronic properties emerge as a result of symmetry
breaking of bulk. In addition, a solid surface plays an importantrole as a “low dimensional reaction field”, on which we canprovide atoms and molecules and manipulate them deliberately.
In order to fabricate atomically-controlled surface materials,
we have to understand the dynamical behavior of atoms andmolecules on surfaces. The research of these subjects is closely
related to the basics of catalysis, semiconductor processes andmolecular electronics. In addition, we can simulate chemical
reactions on cosmic dust with laboratory experiments in ultrahigh vacuum 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 (KEK-PF, SPring8 etc.) is also
used to study electronic structure of surface and interface.

特有の構造や物性が現れることだけではない。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」として利用できることが特徴である。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、ナノスケー
ルで人工デバイス構造を作製することも可能になってきた。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。
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（吸着、拡散、成長、脱離）、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や独立駆動４探針電気伝導測定法を駆使して研究している。シンクロトロン放射光（KEK-PF、SPring8 など）を用いた実験も積極的に行っている。

時間分解赤外反射吸収分光（TRIRAS）により決定された Pt(997)
表面における吸着 NO 分子のポテ
ンシャルエネルギー面

Si(100)c(4×2) 表 面 に 位 置 選 択 に 吸 着 し た 2 メ チ ル プ ロ ペ ン の
STM 像

The potential energy surfaceof adsorbed NO species onPt(997)

STM image of the regioselective cycloaddition reaction of
2-methylpropene with the asymmetric dimer on Si(100)c(4×2)

研究テーマ Research Subjects
1.   有機分子＝固体表面ハイブリッド系の構築と表面電子物性
Organic molecules on solid surface as novel hybrid systems
2. 金属表面における原子・分子の動的過程の研究
Dynamical processes 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. 放射光分光による表面および界面の電子状態
Investigation of electronic states at surface and interface
5. 表面ナノ構造物の構築と局所電気伝導Electronic states and conductivity of nano-scale structures on surfaces

38
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

ナノスケール物性研究部門

Division of Nanoscale Science
http://hasegawa.issp.u-tokyo.ac.jp/

長谷川研究室長谷川幸雄

Yukio HASEGAWA

Hasegawa Group

准教授

Associate Professor

走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（Ａ吉田靖雄

Yasuo YOSHIDA

助教

Research Associate

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 f luctuations and disturbances,
low-temperature 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.

ＦＭ）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：1.4 nm）を形成している。

ナノサイズ Pb アイランド構造の低温 STM 像と、磁場下でのトンネル分光による超伝導ギャップ分布の測定から得られた量子磁束（渦糸）

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 1.4 nm.

Low temperature STM image of nano-size Pb island structure, and an realspace image of quantized magnetic flux (vortex) obtained from tunnelingspectra showing a superconducting gap under magnetic field

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
Dynamical processes of atoms and molecules on metal surfaces
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. 放射光励起 STM によるナノスケール元素分析・化学分析
Elemental / chemical analysis in nanometer scale using synchrotron-radiation assisted STM

39
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

リップマー ミック 高橋

Lippmaa Group

Ryota TAKAHASHI

Associate Professor

Research Associate

准教授

エピタキシャルなヘテロ界面を持つ薄膜、ナノ構造、竜太

Mikk LIPPMAA

助教

Thin films, nanostructures, and thin interface layers inepitaxial heterostructures offer interesting ways of controlling the electronic phases that appear in oxide materials. The
presence of multiple different phases that can be stabilized inoxides by small changes in carrier density, slight lattice distortions or by various external applied fields has brought about
the possibility of developing useful new functional electronic
devices for sensing and data storage.
The purpose of our work is to study the phase transition
mechanisms in various oxide materials in restricted geometries.
In most cases, we use transport measurements to probe for thepresence of metal-insulator transitions under various forms ofexternal excitations, such as electrostatic carrier accumulationin field-effect and ferroelectric devices or by applying controlledlevels of strain on thin film materials. Some of the examples
that we are currently working on are the strain-driven metalinsulator transition in vanadates, generation of two-dimensional
high-mobility quantum wells in titanates, and the stabilizationof ferromagnetic order in ultrathin manganites.

界面層を作製する面白みの１つとして酸化物材料の電子状態を制御することができる点があげられる。酸化物ではキャリア濃度や格子歪みの微小な変化または様々な外場によって多種多様な相を安定化させることが可能であり、結果としてセンサーや記憶素子などの新しい機能を持つエレクトロニクスデバイスの開発へと繋がる。
本研究室では様々な酸化物材料が局所的に閉じ込めた空間において相転移が起こるメカニズムの探索を行っている。輸送特性の評価から電界効果型トランジスタや強誘電体材料を用いた電界効果または薄膜結晶の歪みによって誘起される金属 - 絶縁体転移を観察している。特に最近の研究では、VO2 薄膜の歪みによって誘起される
金属 - 絶縁体転移、チタン系酸化物の 2 次元高移動度ナ
ノ構造の作製、マンガン系酸化物の極薄膜における強磁性秩序の安定化に関する実験を進めている。

基板結晶を曲げることで、動的な歪みを薄膜結晶に印加しながら輸送特性を評価する装置を立ち上げた。実験例として VO2 薄膜に圧縮応力を印加した
時の結果を示す。約 0.02%の応力で薄膜の抵抗が変化する様子を観察することができる。動的な歪み応力の周波数依存性を調べることで、VO2 薄膜の金属相と絶縁相の境界におけるドメインの生成過程と成長過程のダイナミクスを理解することができる。

Dynamic harmonic or stepwise strain can be applied on thin film samples by bending acrystal. As demonstrated for the case of a thin VO2 film, a compressive strain of about
0.02 % is sufficient to generate an easily detectable resistance response. By analyzing
the frequency dependence of the strain response, we can study the dynamics of domain
nucleation and growth at the boundary between the metallic and insulating phases.

研究テーマ Research Subjects

SrTiO3 にデルタドープしたチャネル層を持つ電界効果型トランジス
タを作製した。低温において優れたスイッチング特性と高い移動度 ( 挿入図 ) が実現した。約 3 ボルトのゲート電圧を印加することで、金属- 絶縁体転移が誘起される。

A SrTiO3-based field-effect transistor with a strongly deltadoped channel shows excellent low-temperature switching
characteristics and very high mobility (inset). A transition
between an insulating and metallic channels occurs at a gatebias of about 3V.

1.   酸化物へテロ界面での薄膜成長ダイナミックス
Thin film growth dynamics at oxide heterointerfaces
2. 酸化物ナノ構造の作製
Growth of oxide nanostructures
3. 酸化物電界効果デバイス
Oxide field-effect devices
4. 酸化物光触媒の開発
Development of oxide photocatalysts

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

工藤研究室

工藤

昭彦

Akihiko KUDO

Kudo Group

客員教授

Visiting Professor

エネルギー・環境問題の観点から、太陽光エネルギーをScience and technology to develop solar hydrogen production
from water and carbon dioxide fixation are very important fromviewpoints of energy and environmental issues. Photocatalytic
water splitting is a candidate for the solution. This reaction
is regarded as artificial photosynthesis because light energy
is converted to chemical energy by this reaction. In general,semiconducting metal oxides, nitrides, and sulfides are usedas photocatalyst materials. Photocatalysts function only whenphotoabsorption, carrier migration, and surface reaction simultaneously proceed. Thus, suitable bulk and surface propertiesare required for the photocatalyst materials. We have studied todevelop new photocatalyst materials aiming at solar water splitting applying strategies of original band engineering and crystal
engineering by doping and substitution with foreign elements,and making a solid solution. Photocatalytic fixation of carbon
dioxide has also been explored employing newly developedmaterials. The clarification of the elementary steps of thesereactions is also challenging topic. This research contributes toultimate green sustainable chemistry.

使った水素などの燃料を合成する技術や、二酸化炭素の削減・資源化技術の早急な開発が強く望まれている。その解決策として光触媒を用いた水の分解反応が注目されている。
この反応は、光を化学エネルギーに変換することから人工光合成と呼ばれている。光触媒材料として、一般に半導体的特性を持つ金属酸化物、窒化物、硫化物が用いられる。
そして、その光触媒機能は、光吸収・電荷移動・表面反応という過程が完結することにより発現する。すなわち、光触媒材料のバルクと表面の特性が重要である。われわれは、
独自のドーピング、元素置換、固溶体形成などのバンドエ
ンジニアリングやクリスタルエンジニアリングにより、水からのソーラー水素製造を目指した新たな光触媒材料を開発している。さらに、二酸化炭素の還元反応に活性な光触媒系の開発も行っている。そして、これらの反応の素過程を解明することも重要な課題となっている。これらの研究は、究極のグリーンケミストリーに貢献すると期待される。

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

江口研究室

江口

豊明

Toyoaki EGUCHI

Eguchi Group

客員准教授

Visiting Associate Professor

ナノクラスターとは、数個から数百個の原子・分子がNanoclusters, the size range of 1 - 10 nm, can be regarded as
the smallest and tunable function units, and has been attracting
a vast range of interest because of their unique electronic,
magnetic and catalytic properties. Detailed investigations into
the evolution of the electronic structure from individual atoms
to structures of selected sizes and shapes can be accomplishedby combining imaging and spectroscopy of the scanning probe
microscope (SPM), photoemission spectroscopy (PES) andphotoemission electron microscopy (PEEM). We will explore
to newly design the cluster-based, nano-assembled functional
systems and focus to establish new nano-material science
consisting of nanoclusters through fine controlled synthesis,
designer assembly, characterization of advanced functional
nanoclusters.

集合した、数ナノメーターサイズの大きさの超微粒子である。原子・分子より大きく、バルクよりも小さいナノク
ラスターは、そのどちらとも異なる特異的な性質や機能を有することから、触媒、電子デバイス、磁気デバイスなどへの応用が期待されている。我々は、単一組成のナノク
ラスター物質を精密集積体として固体表面に均一に集積制御し、原子配列と電子物性の相関として走査プローブ
顕微鏡、光電子分光、光電子顕微鏡などにより原子レベルで正確に測定する。特に、ナノスケール領域での電子物性の評価計測法の高度化を図り、ナノクラスター物質の新奇物性を正確に測定することによって、原子数、組成を規定したナノクラスター物質が示す固有の機能的特性を電子物性の点から明らかにすることを目指している。
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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

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 10 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 underultra-low temperatures and high magnetic fields.
2) Liquid He in confined geometries under rotation,
the vortex state and the supersolid state in hcp solid 4He.
3) Low dimensional or mesoscopic systems suchas organic conductors or semiconductors under highmagnetic fields.
4) Strongly correlated heavy electron systems suchas magnetic compounds or superconductors undermultiple extreme conditions.

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。
当部門では、これまで多年にわたり各種の技術開発を行い、10 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 2 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。現在、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磁性・超伝導体

教

授*

八木

健彦

助

教

鴻池

貴子

教

授*

榊原

俊郎

助

教

松林

和幸

技術専門職員内田和人

Professor

Takehiko YAGIProfessor

Toshiro SAKAKIBARA

准教授

久保田

准教授

長田

俊人

准教授

上床

美也

教

奥田 雄一

Associate Professor
Associate Professor
Associate Professor

授（客員）Visiting Professor

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

Visiting Professor

Research Associate
Technical Associate

Takako KONOIKE
Kazuyuki MATSUBAYASHI
Kazuhito UCHIDA

Toshihito OSADA
Yoshiya UWATOKO
Yuichi OKUDA教授（外国人客員） 光旱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。

実

Minoru KUBOTA

Research Associate

曹Guang-Han CAO* 新物質科学研究部門と併任 /concurrent with Division of New Materials Science42
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

極限環境物性研究部門

Division of Physics under Extreme Conditions
http://kubota.issp.u-tokyo.ac.jp/

久保田研究室久保田実

Minoru KUBOTA

Kubota Group

准教授

Associate Professor

固体でありながら超流動性を示す固体超流動現象、或Supersolid state of matter with both solid and superfluid
properties, and this state as well as spin-polarized superfluid3
He-A1 phase caused by spin supercurrent are examples of thesystems studied by the Kubota group sometimes in cooperation
with other groups. These states are unique under extreme conditions in our laboratory which may not be realized in any otherplace in the universe.
Discovery of the Landau State Like State in hcp solid 4He:
The phenomena which occur in solid 4He are in active discussions from various different view points. Among them Kubota
group is unique in discovering the vortex fluid (VF) state below
an onset temperature To and also the transition into the supersolid state from the VF state which was indicated in different
physical quantities studied by precision torsional oscillator(TO) techniques : 1). The drive velocity Vac dependent hysteretic behavior was found below a characteristic temperature Tc2). “logVac linear” dependence appearing in the “equilibrium”
branch of the hysteretic behavior, where Vac is the drive velocity
of TO at the outer edge of the cylindrical sample and its unique
T dependence and the jump at Tc. 3). Finding of vortex lines
penetration in the “equilibrium” branch of the hysteresis and its
absence in the “excited” branch. The “excited” state was found to
expel external vortex lines penetration either under AC or DC
rotation just as in the Landau state. Landau state is just a corresponding state of Meissner state in superconductors.

3は spin 超流動流に依ってもたらされる He-A1 相高 spin
偏極超流動状態等等、超低温高圧下、或は強磁場中超低温等の他の宇宙空間では実現不可能な多重極限状態で発現する新現象の研究を行なっている。
六方最密構造の固体ヘリウム 4 中での Landau 状態様状態の発見：固体ヘリウム 4 中で起こる現象は、現在様々な視点から研究が沸騰している。その中で、固体中に熱的に励起される量子渦液体状態が To 以下で存在し、そこからバルクの超流動性を持った「超流動固体」状態への
Tc での転移を、複数の独立な物理量の変化で観測しているのが当研究室である。我々は精密な捻り振子実験から複数の同一の試料に対して次の独立な測定を行い同じ Tcでの転移を見出した： 1). 駆動速度に依る履歴現象の Tc
以下での出現、2).「平衡状態」での駆動速度 Vac の対数に比例する応答のユニークな温度依存性の発見と、その急変化、3).「平衡状態」に装置全体を回転させる事によって渦糸の侵入を観測。更に、4). 履歴現象の一方のブラン
チ「励起状態」
が、外部からの AC 及び DC 回転の影響を「弾く」
Landau 状態と同様の性質を持っている事を見出した。
Landau 状態は、超伝導の Meissner 状態に対応する。
左図は DC 回転下の余分な TO の散逸量の回転角速度 Ω に対する微分係数の温度依存性を示す。これは渦糸密度当たりの規格化した散逸を与える筈であり、渦芯の周りの超流動密度流れに比例すべきである。
このグラフはそのユニークな温度依存性を示して居り、TO の周波数変化から得られる非回転下の NLRS 非線形回転感受率の履歴応答部分 ( 右図 ) の温度変化と対比される。全く独立な物理量の観測であるが、そこに共通している事は、Tc 〜 75 mK 以下で現れその独特の T 依存性である。この事は、 両者に Tc 以下で現れる超流動固体密度 ρss が関与している事を示唆する。この事は「励起状態」が外部からの渦糸を寄せ付けない Landau 状態様の状態である事を示して居る。事実、「励起状態」では、「平衡状態」が渦糸の侵入を引き起こすのに対して、それが AC 及び DC 回転の双方に対して観測されない事から確認された。

The extra energy dissipation under DC rotation divided by rotational speed Ω would give a normalized energy dissipation per unit of vortex line density(left),which should be proportional to the supersolid density ρss. It gives a unique T dependence and is compared with the hysteretic component of the TO response(right). It supports the idea that the hysteretic component of NLRShys as the order parameter of the SS state, and probably is proportional to or is just the supersolid density ρss. This is confirmed by the observation of the excited state under DC rotation, where no sign of vortex lines penetration nor extra dissipation
below Tc under DC rotation, suggesting the existence of a Landau state like state.

研究テーマ Research Subjects
1.   固体ヘリウム 4 の超流動固体と量子渦状態の基礎研究 : 渦液体状態から超流動固体状態への転移
Quantized vortex state in solid 4He and transition from vortex fluid to 3D supersolid state
2. 超流動ヘリウム３、超伝導の量子渦及び織目構造科学の基礎研究、ヘリウム 3-A1 相のスピン超流動等
Fundamental study of Fermion superfluidity, superconductivity, quantized vortices and textures, spin super current and spin polarized state in 3He-A1 phase
3. 新しい超流動と量子現象の探査と解明 : PdHx 系の新水素相図の構築
Search for new superfluids and quantum phenomena: PdHx system

43
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

極限環境物性研究部門

Division of Physics under Extreme Conditions
http://osada.issp.u-tokyo.ac.jp/

長田研究室

長田

俊人

Toshihito OSADA

Osada Group

准教授

Associate Professor

低次元・ナノ構造電子系の量子伝導。磁場やナノ空間

鴻池貴子

Takako KONOIKE

助教

Research Associate

Transport 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,
and many-body effects relating to singularity of band structure
and commensurability among electron orbital motions, vortex(magnetic flux) configuration, and spatial structures (topology).
Our targets are low-dimensional conducting crystals such asgraphene (monolayer graphite) and organic conductors (TMTSF
or BEDT-TTF families), and artificial semiconductor/superconductor micro-structures fabricated by advanced processing
techniques like MBE or EB. We flexibly explore new transportphenomena and electronic states by electric, magnetic, andthermal measurements using precise field rotation, miniature
pulse magnet, MEMS probes, etc. under magnetic fields andlow temperatures. Recently, we have concentrated our studies
on quantum transport of relativistic Dirac electrons in grapheneand organic conductors.

構造中の電子系が示す新しい電子状態や伝導現象の探索・解明・制御に関する研究を行う。バンド構造の特異性や、
電子軌道・磁束（電子渦）配置・系の空間構造（トポロジー）の間の整合性に関連した量子効果・幾何効果・多体効果に興味がある。研究対象はグラフェン（単原子層グラファ
イト）や有機導体などの低次元結晶、MBE 法や EB リソ
グラフィー法を用いて作製した半導体・超伝導体の人工ナノ構造である。全磁場方位依存性の精密計測、小型パルス磁石による強磁場計測、MEMS 素子による微細計測など、低温強磁場下の電気的・磁気的・熱的測定を主な実験手段とする。最近はグラフェンや有機導体中に見られる相対論的ディラック電子の量子伝導に関する研究を行っている。
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
抗の角度依存性の違いを層間
コヒーレンスに関連付けた実験である。

グラフェン（単原子層グラファイト）の半整数量子ホール効果。ホー
ル抵抗をゲート電圧（電子密度）と磁場の関数として表した図で、
ホ ー ル 抵 抗 が h/(4n+2)e2 の 高 さの平坦部を持つことがわかる。写真は測定したグラフェン FET 素子。
中央の濃い部分が単層グラフェン
で、基板自体がゲート電極として働く。

Dependence of interlayer
magnetoresistance onmagnetic 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 experiment relates theangle-dependence of interlayer magnetoresistance tothe coherence of interlayer
coupling in layered conductors.

The half-integer quantum Hall
effect in graphene (monolayer
graphite). Hall resistance is plotted as a function of gate voltage(electron density) and magnetic
field. Hall resistance shows
plateaus with the height ofh/(4n+2)e2. Inset is the microscope image of the measured
graphene FET device. The darkpart in the center is monolayer
graphene, and the substrate
works as a gate electrode.

研究テーマ Research Subjects
1.   グラフェンおよびゼロギャップ有機導体におけるディラック電子系の量子伝導
Quantum transport of Dirac electron system in graphene and zerogap organic conductors
2. 層状物質の角度依存磁気伝導と層間コヒーレンス
Interlayer coherence and angle-dependent magnetotransport in layered conductors
3. 多層量子ホール系におけるカイラル表面状態の量子伝導
Quantum transport of chiral surface state in multilayer quantum Hall systems
4. 低次元有機導体の磁場中電荷およびスピン密度波状態
Charge and spin density waves under magnetic fields in low-dimensional organic 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
Chaos and electron transport in Bloch electron systems under magnetic and electric fields

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

極限環境物性研究部門

Division of Physics under Extreme Conditions
http://uwatoko.issp.u-tokyo.ac.jp/

上床研究室

上床

美也

Yoshiya UWATOKO

Uwatoko Group

准教授

Associate Professor

高圧力下物性測定は、これまで見いだされている物性

松林

和幸

Kazuyuki MATSUBAYASHI

助教

Research Associate

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 temperature andultra-high pressure techniques have become popular as an indispensable method for research in solid state physics. Through thesetechniques, the study of strongly correlated electron systems,
which is one of the most important themes in modern solid statephysics, has been undertaken. The creation of such an experimental environment is not always easy and the development of
the techniques itself is often a challenging attempt. Consideringthat many mysterious phenomena observed in the strongly
correlated electrons systems result from the electron-phonon andelectron-electron interactions in a solid, we foresee the discoveryof various unknown phenomena under multi-extreme condition,
since the degree of these interactions strongly depends on theinter-atomic distances and the density of electronic states.

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、物質はどのような性質を示すのか ? 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 以下になったが、発生圧力は従来と同様に 8GPa 程度発生
し、0.5K までの温度で測定することが可能である。

The New Palm Cubic
Anvil high pressure apparatus. Weight became a
10 times smaller than Old
Cubic Anvil apparatus,but, can make up to 8GPasame as before one.

研究テーマ Research Subjects

圧力誘起鉄系超伝導体 EuFe2As2 の温度・圧力相図。鉄の反強磁性秩序が抑制されると超伝導が出現するが、Eu の反強磁性秩序との競合によりリエントラントな超伝導転移を示す。また、より高圧相では超伝導は消失し、Eu の磁性は強磁性状態へと変化することを見いだした。

Pressure-temperature phase diagram of EuFe2As2. Applying pressure leads to acontinuous suppression of the antiferromagnetism associated with Fe moments
and the antiferromagnetic transition temperature becomes zero at PC ～ 2.5-2.7
GPa. Pressure-induced re-entrant superconductivity only appears in the narrow pressure region in the vicinity of P C due to the competition between
superconductivity and the antiferromagnetic ordering of Eu2+ moments. The
antiferromagnetism of Eu2+ moments changes to ferromagnetism above 8 GPa.

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. 超高圧力発生技術と極低温精密物性測定
The high pressure generating technology and the physical property measurements in the dilution refrigerator temperature range

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

極限環境物性研究部門

Division of Physics under Extreme Conditions

奥田雄一研究室奥田雄一

Yuichi OKUDA

Y. Okuda Group

客員教授

Visiting Professor

超流動 3He-B では、Ｐ波対凝縮による超流動が実現しSuperfluid 3He-B is a well known topological superfluid.
The surface Andreev bound state of 3He-B is an edge statecorresponding to the topology of the bulk wave function. Theinteresting point is that the surface bound state has propertiesof Majorana fermion. The linear dispersion of the bound stateis already confirmed, but the further experiments, such as theshear mode acoustic impedance under magnetic field, and thesusceptibility anisotropy, should be performed to clarify the
Majorana properties.
Solid 4He is grown from the superfluid phase by applying thepressure above 25 bar in the low temperatures. Since the growthcoefficient goes up divergently towards T=0, the crystal changes
its shape very quickly in the low enough temperatures. Such anenormous growth rate can open a new physics, in which the
crystal shape could couple with the quantized vortices in thesurperfluid during its rapid growth or melting. Such an experiment could be done by the rotating dilution refrigerator at ISSP.

ていることが確立しているだけでなく、そのバルク状態では時間反転対称性が満たされ等方的なギャップが開いている。このように 3He-B は典型的なトポロジカル超流動体であり、そのエッジ状態として表面 Andreev 束縛状態が存在する。このエッジ状態は、反粒子と粒子の区別のつかない
Majorana Fermion になっている。すでに音響インピーダンスの研究によりこのエネルギーは波数 k に比例していることが示されている (Majorana cone）。さらに、表面束縛状
態の帯磁率の磁場異方性 (Ising spin 的 ) 及びインピーダン
スの磁場依存性の実験を進行させ、理論的に予言されている Majorana fermion の性質を検証していこうとしている。

一方、固体 4He は超流動 4He から 25 気圧の圧力を印加して生成される。100 ｍＫ以下の極低温においては、その結晶成長係数が発散的に増大しているため、固体でありながら液体のように形を自由に変えている。結晶成長が高速に起こるため、超流動状態の量子渦とのカップリングが重要になり、結晶成長と量子渦という極めて興味深い絡みによる新しい物理が開くと期待している。その際には物性研の回転希釈冷凍機が有力な装置になる。

極限環境物性研究部門

Division of Physics under Extreme Conditions

曹研究室

光旱

曹

Guang-Han CAO

Cao Group

外国人客員教授

Visiting Professor

近年、遷移金属化合物において、磁気秩序、電荷秩序や超伝導等の興味深い物性現象が多数報告されている。
これらは、バンド構造やその電子相関の大きさに支配されて起こる現象であると理解されているがその詳細は明らかにされていない。圧力は、これらの発現機構を探る
ための理想的なコントロールパラメータとなり得ることがよく知られている。本研究室では、遷移金属化合物系
における圧力効果の研究を行い、その物性の起源を明らかにすることを目的としている。
鉄系超伝導体の発見は、銅系酸化物超伝導体に次ぐ高温超伝導体であるため多くの研究者の注目を集めている。
これまでの研究により、この超伝導が電子相関とマルチバンドに関係していることが明らかになりつつあり、これらは圧力でコントロール可能である。研究室では、鉄系超伝導物質およびその関連物質であるが、鉄を含まない物質の圧力効果の研究を行い、超伝導の発現機構を明らかにするとともに、新規超伝導物質の探索を行う。
46

There are different kinds of competing phases (orders) whichshow antiferromagnetic, ferromagnetic, spin-density wave,
spin-glass, charge ordered, charge-density wave and superconducting ground states in complex transition-metal compounds.
It is widely believed that electron correlation and band structure
play important roles in governing the electronic states. As is
known, pressure is an ideal “clean” tuning parameter to control
electron itinerancy and band width. Therefore, it is our aim totune the ground states in transition-metal compound systems byapplying pressures.
Iron-based pnictide system has attracted great much attention
because of the discovery of the second high-temperature superconductivity. It was demonstrated that electron correlation andmulti-band were mostly related to the superconductivity. We will
choose some related system, including non-ferrous compounds,
to explore novel electronic phases and phenomena by means of
the physical property measurements under high pressures, lowtemperatures and even high magnetic fields.

THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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、時間分解光電子分光、
顕微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
・ 新型レーザーと超精密レーザー制御による新しい分光法の研究
・ 強レーザー場とコヒーレント軟Ｘ線による
アト秒分光・イメージングの研究などを推進している。

教

授

末元

助

教

馬場

基芳

教

授

辛

助

教

中嶋

誠

教

授

高橋

敏男

助

教

白澤

徹郎

准教授

秋山

英文

助

教

望月

敏光

准教授

小林

洋平

助

教

小澤

陽

准教授

板谷

治郎

助

教

石田

行章

教授（客員）

塚本

史郎

助

教

石井

順久

准教授（客員）小嗣

真人

技術専門職員金井輝人

技術専門職員

橋本

光博

技術職員

伊藤

功

Professor
Professor
Professor
Associate Professor
Associate Professor
Associate Professor
Visiting Professor

徹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 andelectron 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:• Ultrafast dynamics of wave-packets and photoinduced phase transitions.
• Ultra-thin low-threshold quantum-wire lasers, andfirefly bioluminescence.
• Study on ultra-high resolution photoemission andtime-resolved photoemission.
• Study of X-ray optics, surfaces, interfaces andnano-materials by X-ray scattering/diffraction.
• Laser development and precise control fornext-generation spectroscopy• Attosecond spectroscopy and imaging using strong
laser fields and coherent soft x-ray pulses

Tohru SUEMOTO

埴Shik SHIN
Toshio TAKAHASHI
Hidefumi AKIYAMA
Yohei KOBAYASHIJiro ITATANI

Shiro TSUKAMOTO

Visiting Associate Professor Masato KOTSUGI

Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate

Research Associate
Technical Associate

Technical Associate
Technical Associate

Motoyoshi BABA
Makoto NAKAJIMA
Tetsuroh SHIRASAWA
Toshimitsu MOCHIZUKI
Akira OZAWA
Yukiaki ISHIDA

Nobuhisa ISHII
Teruto KANAI

Mitsuhiro HASHIMOTO
Isao ITO47
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

先端分光研究部門

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

末元研究室

末元

徹

Tohru SUEMOTO

Suemoto Group教授

Professor

パルスレーザー光源を用いた分光法は、固体における中嶋誠

Makoto NAKAJIMA

助教

Research Associate

馬場基芳Motoyoshi BABA

助教

Research Associate

Optical methods based on pulsed lasers are indispensable forinvestigation of ultrafast phenomena in solids.
While, the ultrafast technique has been developed mainlyin the visible and near infrared region, the spectral range is
growing to long wavelength (mid infrared, terahertz) andshort wavelength (EUV, soft X-ray), recently. Our group is
engaged in investigation of excited states and their dynamics invarious materials i.e., inorganic oxides, organic complexes andbio-molecules, taking full advantage of the pulsed light sourcesfrom THz to soft X-ray region.
For this purpose, we developed transient absorption/reflection spectroscopy in visible and infrared regions, femtosecond
luminescence spectroscopy, terahertz time-domain spectroscopy, and soft-X-ray time-resolved interferometery.
Our main interest is the dynamics of electron-lattice relaxation, magnetic ordering, and photoinduced phase transitions.
Wavepacket dynamics of the atoms in solids is investigated byluminescence up-conversion method and the time developmentof the wavepacket shape and splitting phenomena are observed.
Terahertz pump-and-probe method is developed and applied tophotoinduced phase transitions and spin related phenomena to
study their dynamical behavior.

非常に高速の現象を研究するために必須である。可視から近赤外領域で発展した超高速技術は、赤外やテラヘル
ツの長波長領域、紫外や軟 X 線といった短波長領域へと拡張が進んでいる。当研究室では、テラヘルツから軟 X線にいたる波長領域で各種の短パルス光源を使い、無機
酸化物、有機錯体から生体分子にいたる幅広い物質群において、励起状態およびそのダイナミクスを研究している。この目的を達成するために、主な手法として可視赤外領域における過渡吸収・反射分光、フェムト秒時間分
解発光分光、テラヘルツ波時間領域分光、時間分解軟Ｘ
線干渉計測などを開発し用いている。
現在、電子格子緩和、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。和周波ゲートによる発光の時間分解により、原子の波束形状の時間発
展、分裂現象などを超高速で追跡している。また、テラヘルツ電磁波をプローブとして用いたポンプ・プローブ
時間分解分光法の開発を進め、光誘起現象やスピン共鳴のダイナミクスの研究を行っている。

(a) 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ムービー。縦軸（エネルギー）は原子の変位に相当しており、波束が減衰振動を行うと同時に 300fs 近辺で分裂している様子がわかる（赤矢印）。(b) 断熱ポテンシャル面上での波束運動。右上から出発した波束がポテンシャル障壁の頂上で２方向に分裂する。(c) フェムト秒時間分解発光測定装置の中心部分。

(a) Movie of the wavepacket taken for the self-trapped excitonsin quasi-one-dimensional Pt complex (Pt-Br) by means of timeresolved luminescence. Ordinate (energy) corresponds to the deviation of the atoms from the equilibrium position. The damped oscillation and a splitting of the wave-packet at 300 fs are clearly seen.
(b) Wave-packet motion on an adiabatic potential energy surface.
The wave-packet proceeds to the left and splits on top of the potential energy barrier. (c) The central part of the femotosecond luminescence measurement optics.

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Atomic movie based on ultrafast luminescence spectroscopy
2. 時間分解赤外・テラヘルツ分光法による光誘起相転移のダイナミクス
Dynamics of photoinduced phase transitions by time-resolved infrared and terahertz spectroscopy
3. 軟 X 線干渉計による固体表面形状の時間分解観測
Time-resolved observation of surface morphology by a soft X-ray interferometer48
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

先端分光研究部門

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

辛研究室

辛

埴

Shik SHIN

Shin Group教授

Professor

紫外光から軟Ｘ線レーザーの特長を利用した光電子分

石田行章

Yukiaki ISHIDA

助教

Research Associate

We are developing laser-photoemission spectroscopy in orderto know the electronic structure of the materials, using vacuumultra-violet light and soft x-ray. Photoelectron can measure thewhole information of the electrons in solids, such as energy,
momentum, time, space and spin.
Ultra-high resolution laser-photoemission spectroscopy
has been developed and we obtained the resolution of about
ΔE=150μeV. This is the highest resolution of the world in thephotoemission spectroscopy. Ultra-high resolution photoemission spectroscopy is closely related with the transport properties of the solids. We can discuss electron-phonon or -magnon
interaction in solids. We observed superconducting gaps andpseudo-gaps of the strongly correlated materials in momentum
space. We are also developing the new time-resolved photoemission spectroscopy in order to know the photo-induced
phenomena in superconductors, transition metal compounds,
organic materials, and semiconductors. Furthermore, we are
now developing photoelectron microscope in order to know
the nano electronic structure in solids. Our aim is to have thenanometer size microscopy of electronic states.

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。
光電子分光は固体電子が持つエネルギー、運動量、時間、場所、スピンの全ての情報を知ることのできる実験方法である。
レーザーの持つ単色性を利用して新たに開発されたレーザー光電子分光は 150μeV のエネルギー分解能を有し、世界最高である。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運動量空間で知ることができる。また、固体中のフォノンやマグノン等の固体中の素励起との結合を知ることもできる。一方、レーザーのパルス的時間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行っている。超伝導体、遷移金属化合物、有機物、半導体などの光誘起現象を研究している。また、レーザーの持つ大強度や微小スポットサイズを利用してナノ構造の電子状態を知る顕微光電子分光を行っている。ＳＴＭにせまる
ようなナノメートル領域の空間分解能を目指している。

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-dimensional 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 spectroscopy thathas the highest resolution of the world

研究テーマ Research Subjects
1.   軟Ｘ線レーザー極超高分解能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. 軟Ｘ線レーザー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 phenomena
3. 軟Ｘ線レーザー光電子顕微鏡によるナノ構造の電子状態の研究
Laser photoelectron microscopy on electronic states of nanomaterials

49
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

先端分光研究部門

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

高橋研究室

高橋

敏男

Toshio TAKAHASHI

Takahashi Group教授

Professor

X 線などの回折・散乱の基礎研究とその応用。とくに白澤徹郎

Tetsuroh SHIRASAWA

助教

Research Associate

Fundamental studies on X-ray, neutron, and electron diffraction, in particular intended for the development of new methods
to solve the structure of surfaces, interfaces, and nano structures by using interference phenomena. Aiming to solve thephase problem in surface X-ray diffraction, we have developed
new methods, such as a direct imaging of interface atoms frommeasured X-ray diffraction intensities, a characterization of
meso-scopic range strain field utilizing multiple X-ray diffraction phenomenon, and X-ray fluorescence holography. Thesemethods are applied for such as surface quasi-one dimensional
metal, metal silicides, organic films.
A recent topic is the development of a new method for quick
measurement of surface X-ray diffraction profile aiming fortime-resolved measurements of dynamic phenomena at surface
and interface, that is collaborated with other researchers.

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っている。
回折散乱の実験では、観察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い、一般には観察した散乱強度デー
タから直ちに試料の構造を再構成することは困難である。
この回折散乱における位相問題の解決に関連づけて、実験データから直接的に界面原子層をイメージングする方法の開発や、多波回折条件を利用する方法や蛍光 X 線ホ
ログラフィなどを行っており、これらを擬一次元金属、金属シリサイド界面、有機薄膜などに適応して新しい知見を得ている。
また、表面・界面からの X 線散乱強度分布を迅速に測定する新しい実験方法を他研究機関と共同で開発しており、これを用いた表面・界面のダイナミクスの観察を目指している。

測定した X 線回折強度分布から直接イメージングした、鉄シリサイド超薄膜の界面シリコン原子。

位相回復アルゴリズムを用いて、測定した X 線回折強度分布から再構成した
Si(553) 表面上の Au 一次元鎖の電子密度マップ。

Interfacial Si atoms in an iron silicide ultra-thin film, that is directly
reconstructed from experimental x-ray diffraction data.

Electron density map of the one-dimensional structure of the Au-Si(553)
surface, reconstructed from measured X-ray diffraction data by using aphase and amplitude retrieval algorism.

研究テーマ Research Subjects
1.   回折散乱法を利用した結晶表面・界面構造、ナノ構造の解析
Studies on surfaces, interfaces and nano-structures by diffraction/scattering
2. 表面界面など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

50
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

先端分光研究部門

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

秋山研究室

秋山

英文

Hidefumi AKIYAMA

Akiyama Group

准教授

Associate Professor

サイズや形に依存して変化する量子力学的な物性の光望月敏光

Toshimitsu MOCHIZUKI

助教

Research Associate

Advanced laser spectroscopy on the basis of lasers andmicroscopy is developed and applied to semiconductor quantum
wires (QWRs) and other nano-structures, in order to understand and control their optical properties quantum mechanicallywhich vary 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, we are developing experimental techniques such as sensitive luminescence
detection, absolute luminescence-yield measurements, transmission/absorption measurements of single nano-structures,
micro-spectroscopy, imaging, and solid-immersion microscopy.
Recently, some of these techniques have been applied to study of
bioluminescence of fireflies, jelly fish, and sea fireflies as well asluminol chemiluminescence in collaboration with biologists andindustry researchers.

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) andsea firefly (Yokosuka, Japan).

研究テーマ Research Subjects
1.   電流注入及び光励起型の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. 半導体量子構造およびデバイスの作製、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

51
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

先端分光研究部門

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

小林研究室

小林

洋平

Yohei KOBAYASHI

Kobayashi Group

准教授

Associate Professor

最先端レーザーの研究開発とその応用を行っている。

小澤陽

Akira OZAWA

助教

Research Associate

We are studying about advanced laser technologies and theirapplications. Both ultimate technologies of ultrashort pulse
generations and ultra narrow-band laser generations are mixed,
the optical frequency comb then was born ten year ago. It
opened up a new research area such as carrier-envelope-phasedependent phenomena, attosecond physics, precision spectroscopy by using a femtosecond light source, and high-repetitionand high-intensity physics. It could create wide field of applications in the physics, metrology, medical science, and astronomy.
We are developing an Yb-fiber laser-base optical frequency
comb, XUV frequency comb, and high-power fiber chirped
pulse amplifier system for these applications. The higher repetition rate of >2GHz laser oscillator is also studied.

超短パルスから単色まで非常に幅広い時間―周波数ダイ
ナミックレンジを自由に操作し、新しい分光法を開拓してゆく。光位相が精密に制御された極短パルスレーザー
による高次の非線形光学効果を駆使した光科学を展開する。例えば、高次高調波によるコヒーレント XUV 光発生
およびそれを用いた超精密分光の開拓などを行っている。
応用分野としてはレーザー光電子分光、アト秒非線形分
光、精密・高強度物理、光周波数コム、原子分子の精密分光、
光原子時計などが考えられる。量子エレクトロニクスに限らず非常に広い分野の応用を考えている。現在、
Yb ファ
イバーレーザーを用いた光周波数コムの開発、ハイパワー
Yb ファイバー CPA システムや 2GHz 以上の超高繰り返
しレーザーシステムの開発を行っている。又、大型コヒー
レント XUV 光源開発も進めている。

Yb ファイバーレーザーをベースとした光周波数コムの装置

Optical frequency comb based on an Yb-fiber laser

研究テーマ Research Subjects
1.   超短パルスレーザーシステムの研究開発及びレーザーの超精密制御
Development and precise control of ultrashort pulse laser system
2. 高繰り返し－高強度物理
High-rep rate, high-field physics
3. 精密分光
Precision spectroscopy

52
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

先端分光研究部門

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

板谷研究室

板谷

治郎

Jiro ITATANI

Itatani Group

准教授

Associate Professor

短波長域での超高速光科学の創成を目指して、先端的石井順久

Nobuhisa ISHII

助教

Research Associate

We study ultrafast phenomena in strong optical fields using
high-peak-power ultrashort-pulse lasers, aiming to establish
ultrafast optical sciences in short wavelength (extreme ultraviolet to soft x-ray). In particular we focus on the generation andapplication of high harmonics that are produced by atoms or
molecules exposed to intense laser fields. Following are the main
research topics:
Attosecond physics — high harmonic generation (HHG) isbased on the coherent interaction between strong laser fields
and atoms (or molecules). It is a promising route to produce
attosecond optical pulses. We study the fundamental processof HHG for producing, controlling, and measuring attosecond
pulses, which will become the foundation of attosecond
spectroscopy.
Molecular Dynamic Imaging — high harmonics are temporally and spatially coherent light. Furthermore, their generation
processes contain coherent interactions between strong laser
fields and electrons. We study how these coherences can be
exploited for imaging molecular orbitals of gas-phase moleculesand scattering imaging of nanostructures in solids.

な高強度超短パルスレーザーの開発と、それを用いた強レーザー場中の超高速現象に関する研究を行っている。
特に、強レーザー場中の原子や分子から発生する「高次高調波」と呼ばれるコヒーレント短波長光の発生と応用に関する実験的研究を行っている。現在、以下に述べる
二つの研究分野を推進している。
アト秒物理学の開拓 ― 高次高調波は原子や分子が強レーザー場中でイオン化する際に発生するコヒーレント
な短波長光であり、アト秒領域の極短パルスを発生するための手法として期待されている。本研究室では、強レーザー場中での原子分子の量子力学的な振る舞いを理解し制御することによって、アト秒領域の短波長光を発生し、それを利用した原子分子や凝縮系の電子状態の超高速分光の確立を目指している。
分子動画 ― 高次高調波は時間的・空間的なコヒーレン
トな光であり、その発生機構には光電場に対する電子のコヒーレントな応答が埋め込まれている。本研究室では、これらの光や電子の高度なコヒーレンスを利用した新しい計測手法に関する研究を行っている。特に、気相分子の電子状態の超高速イメージング手法と凝縮系の時分割
散乱イメージングを目指している。

強レーザー場中の原子からの高次高調波発生の概念図。連続準位中の電子波束と束縛状態の電子の波動関数の干渉によって振動する双極子が誘起され、アト秒の光が放射される。

Illustration of the elementary process of high harmonic
generation. Electron wavepackets in the continuum
interfere with the bound-state electrons to induce oscillating dipoles that emit high harmonic photons.

研究テーマ Research Subjects
1.   高強度超短パルスレーザー光源の開発
Development of intense ultrafast lasers
2. 高次高調波によるアト秒コヒーレント短波長光の発生と制御
Generation and control of attosecond short-wavelength light via high harmonics
3. 高次高調波を用いた超高速イメージング技術の開発
Novel molecular dynamic imaging using high harmonics

53
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

先端分光研究部門

Division of Advanced Spectroscopy

塚本研究室

塚本 史郎

Shiro TSUKAMOTO

Tsukamoto Group

客員教授

Visiting Professor

近年注目されている量子ドットなどのナノ結晶成長に

High-density arrays of Quantum dots (QDs) can easily begrown by 'self-assembled' methods. These QDs are strong candidates for advanced semiconductor quantum devices. However,the precise mechanism of 'self-assembled' is not understood,
which hampers control over QD size, density and distribution forparticular applications. Therefore, in situ evaluation techniquefor observing the growth process is necessary and indispensable.
The techniques, RHEED and RDS, which use the electron beamor light, respectively, has already been put to practical use, andthese are used widely now. However, even though the atomic level
control for layer by layer growth is enabled, the three dimensions
growth cannot be evaluated at atomic-level and real-space by thesetechniques. Here, STM is good technique to observe the surface inatomic level but it dislikes vibrations and material depositions. So,
usually its observation is after transporting the sample from MBE
growth chamber to the STM though a gate valve, resulting that thetemperature of the sample is returned to room temperature. Since
the real in situ observation cannot be done with this ordinary
method, we develop "STMBE" system in which the STM is placedcompletely inside MBE growth chamber, and with this system,
the surface structure is analyzed centering on the in situ STM
observation of the InAs QD self-assemble process on GaAs(001).
Moreover, using these analyzed data, we are doing the research ofa site-controlled single QD by this STMBE system.

は原子レベルでの均一性が要求され、その成長過程をその場で観察する評価手法は必要不可欠である。すでに電子線や光などを用いる手法（例えば、RHEED、RDS）が実用化され、広く使われている。しかし、この手法では、layer by layer で２次元成長する薄膜の原子レベル
評価・制御を可能としても、３次元成長する量子ドット
を実空間・原子レベルで評価するには不十分である。その点 STM が有望であるが、振動や原料蒸着を嫌う STM
は、通常 MBE などの成長装置とはゲートバルブ等で仕切られた別の真空容器に設置されており、成長後、温度を室温に戻してから、STM 室に搬送して観察を行う手法が一般的である。しかし、これではその場観察は行えない。
そこで本研究室では、MBE と STM を一容器内に完全合併した「STMBE」装置の開発に取り組み、この STMBE装置を用いて、InAs 量子ドット成長表面の原子レベルその場 STM 観察を中心に、半導体表面構造の解析を行っている。また、その技術を応用して、高品質な単一量子ドッ
トのその場成長に関する研究も行っている。

先端分光研究部門

Division of Advanced Spectroscopy

小嗣研究室

小嗣

真人

Masato KOTSUGI

Kotsugi Group

客員准教授

Visiting Associate Professor

光電子顕微鏡は試料表面の形状のみならず、電子状態、

Photoemission electron microscopy (PEEM) has been of
powerful visualization tool of solids. For example, it can provide
us sample shape, electronic state, magnetic domain structure,
lattice structure and chronological structure, with the resolutionof several tens nanometers.
In the currently conducting project, construction and utilization of new aberration correction PEEM is in progress as
collaboration with Prof. Shin group. The use of aberration
correction mirror is enables us to compensate the chromatic andspherical aberration of photoelectons simultaneously, and ultrahigh resolution of 2nm is expected. We are currently developing
improvement of lateral resolution by introducing the knowledge
accumulated in SPring-8 and Max Planck Institute of Microstructure Physics. The utilization of ultramicroscopy is expected
to reveal the fine structure of magnetic domain wall motion in
the field of nanospintronics, or the chemical bonding state oforganic materials in natural rocks or meteorites.

磁区構造、結晶構造、時間応答などを数十 nm の空間分解能で直接可視化できるため、世界的に活発に研究開発が行われている。
東京大学物性研究所では、先端分光研究部門辛埴教授との共同研究として、レーザーを励起光源とした新しい
光電子顕微鏡の建設と利用研究を推進している。本装置には球面収差補正鏡が新しく装備されており、放出光電子のエネルギー収差と球面収差を同時に補正することが行えるため、2nm レベルの高い空間分解能が期待されて い る。 こ れ ま で SPring-8 や Max Planck Institute ofMicrostructure Physics で培われた光電子顕微鏡に関する技術を導入し、高い空間分解能を目指したチューニング
を行っており、本装置の利用により、ナノスピントロニク
スや惑星有機化学など様々な研究展開が将来期待される。
54

THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

軌道放射物性研究施設
Synchrotron Radiation Laboratory
高エネルギー加速器から制動輻射で発生する極紫外線から軟Ｘ線領域の光（放射光）は、物質の性質（電子状態）を調べるうえで重要な役割を果たしている。特に挿入光源 ( アンジュレータ ) から発生した高輝度放射光は吸収分光、光電子分光、発光分光などの軟 X 線分光実験を高分解能で行うことを可能にし、さまざまな物性の微視的解明などに重要な役割を果たしている。このため、放射光は現代物質科学に不可欠なプローブとなっている。本施設の測定系グループは SPring-8 に播磨分室を開設し、同放射光施設に世界最高性能の軟Ｘ線アンジュレータビ−ムライン（東京大学放射光アウトステーション物質科学ビームライン）を
建設・整備して、高輝度軟Ｘ線放射光を利用する
最先端の物性科学研究を推進している。また高エネルギー加速器研究機構（KEK）内につくば分室を置き、フォトンファクトリー（KEK-PF）に設置した 2 つの真空紫外・軟 X 線ビームラインの管理も行っている。軌道放射物性研究施設ではこれら全ての実験ステーションにおいて全国共同利Synchrotron radiation, especially from insertion
devices, has provided researchers with a powerfulprobe, easily tunable over an extreme wide range ofenergy and wavelength to understand the complex
world of atoms, molecules and solid states. The
members of Synchrotron Radiation Laboratory(SRL) have been playing an essential role to promoteadvanced synchrotron radiation sciences using
brilliant light sources in vacuum ultraviolet and soft
X-ray regimes. The SRL opened a branch laboratory
at the SPirng-8 to operate the new high-brilliancesoft X-ray beamline BL07LSU of the University ofTokyo. At the Photon Factory, SRL maintains an
undulator, two beamlines and three experimental
stations, which are fully opened to outside users.
The in-house staffs of SRL not only serve the outsideusers with technical support and advices, but also
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
for advanced and future synchrotron light sources.

用実験を提供するとともに、放射光を利用した先
端的物性研究や新しい分光実験技術の開発も行っている。一方、本施設の加速器グループは、次世
代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。
柿崎

明人

助

教

髙木

宏之

准教授

松田

巌

助

教

山本

達

教

有賀

哲也

助

教

矢治

光一郎

シュ- ジュン

助

教

藤澤

正美

技術専門職員

福島昭子

技術専門職員澁谷孝

技術専門職員

原沢あゆみ

技術専門職員篠江

憲治

技術専門職員工藤博文

教授（施設長）

Professor (Director)

Associate Professor

授（客員）Visiting Professor

Akito KAKIZAKI
Iwao MATSUDA
Tetsuya ARUGA教授（外国人客員） タン
Visiting Professor

Shu-Jung TANG

Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate

Technical Associate
Technical Associate
Technical Associate
Technical Associate
Technical Associate

Hiroyuki TAKAKI
Susumu YAMAMOTO
Kohichiro YAJI

Masami FUJISAWA

Akiko FUKUSHIMA
Takashi SHIBUYA
Ayumi HARASAWA
Kenji SHINOE

Hirofumi KUDO

55
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

軌道放射物性研究施設

Synchrotron Radiation Laboratory

柿崎研究室

測定系グループ

http://kakizaki.issp.u-tokyo.ac.jp/
松田
（巌）
研究室
http://imatsuda.issp.u-tokyo.ac.jp/

Solid State Spectroscopy Group

測定系グループは２つの研究室（柿崎研究室、松田The solid state spectroscopy group consists of two laboratories, the members of which are promoting advanced solidstate spectroscopy using synchrotron radiation in soft X-ray
and vacuum ultraviolet region. They operate a branch laboratory at the SPring-8 to maintain the new high-brilliance soft
X-ray beamline BL07LSU of the University of Tokyo, where
time-resolved soft X-ray spectroscopy is utilized to study the
dynamics in surface chemistry and in various photo-induced
surface phase transitions. The solid state spectroscopy groupalso operate Tsukuba branch and maintain two bending-magnet
and undulator beamlines, connected with 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). The current interests at
KEK-PF are in the spin dependent surface electronic structuresof quantum films, topological insulators and transition metal
magnetic thin films. A new chemical imaging technique fornanometer-scale materials has been developed by combining
scanning tunneling microscopy and synchrotron radiation
X-ray.

（巌）研究室）で構成され、高輝度放射光を利用した先端的物性研究や新しい実験技術の開発・研究を共同で行っている。SPring-8 に播磨分室を開設し、同放射光施設に世界最高性能の軟Ｘ線アンジュレータビ−ムライン（東京大学放射光アウトステーション物質科学ビームライン
BL07LSU）を建設・整備し、高輝度軟Ｘ線放射光を利用する最先端の物性科学研究を推進している。播磨分室ス
タッフは現在 BL07LSU で超短パルスレーザーと高輝度
放射光パルスを組み合わせた時間分解軟Ｘ線分光実験用
ステーションを立ち上げ、表面化学反応や表面相転移のダイナミクス研究を行っている。また、KEK-PF に設置しているつくば分室では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 基のビームライン実験ステーション
を維持・管理している。

トポロジカル絶縁体 Bi1-x Sbx のエッジ状態の高分解能スピン・波
数分解光電子分光スペクトル：(a) アップ・スピンのスペクトル、（b）
ダウン・スピンのスペクトル、（c）スピン偏極度。スピン偏極したエッジ状態のバンド分散が確認できる。

高効率スピン VLEED 検出器を付けた高分解能電子分光分析器。
KEK-PF BL-19A の高輝度放射光を利用して高分解能スピン分解
光電子分光実験を行う。

High-resolution spin- and momentum-resolved photoemission spectra of edge states of a topological insulator Bi1-x Sbx.
Energy dispersions of the spin-split edge states are observedin (a) up-spin and (b) down-spin spectra. (c) is the spinpolarization of the edge states.

A new spin-resolved photoemission spectrometer with
VLEED spin detector, which enables us to measure spectrawith very high energy- and momentum resolutions.

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

柿崎

明人

Akito KAKIZAKI

教授

Professor

松田巌Iwao MATSUDA

准教授

Associate Professor

藤澤正美

Masami FUJISAWA

助教

Research Associate山本達

Susumu YAMAMOTO

助教

Research Associate

矢治

光一郎

Kohichiro YAJI

助教

Research Associate

測定系グループは、これらの全てのビームラインにおいて共同利用実験をサポートするとともに、放射光を利用する先端的物性研究も行っている。同グループで開発した世界最高性能のスピン検出器を用いた高分解能スピ
ン分解光電子分光によりトポロジカル絶縁体や量子薄膜、遷移金属磁性薄膜などのスピン電子状態を調べているほか、逆光電子分光による非占有電子状態解析や放射光 X
線と走査トンネル顕微鏡を組み合わせた元素イメージン
グの開発なども行われている。

SPring-8 BL07LSU 時間分解軟 X 線分光実験ステーション。
飛行時間型 2 次元角度分解電子分析器を備えた測定槽内のサンプルに超短パルスレーザーと高輝度軟 X 線放射光を照射して高速時間分解光電子分光実験を行う。

SPring-8 BL07LSU の 8 台の Figure-8 アンジュレーター。
本挿入光源より連続偏角可変型不等刻線間隔平面回折格子分光器を経て、各実験ステーションに高輝度軟 X 線が供給される。

Time-resolved soft X-ray spectroscopy apparatus at
SPring-8 BL07LSU utilizing simultaneous radiation ofhigh-brilliance synchrotron radiation and ultra-shortpulse laser. Time-resolved photoemission spectra aremeasured at an analyzer chamber equipped with a twodimensional time of flight electron energy analyzer.

Figure-8 undulators installed in SPring-8, which provide
high-brilliance synchrotron radiation into the beamline
BL07LSU.

研究テーマ Research Subjects
1.   時間分解軟Ｘ線分光実験の開発と表面ダイナミクスの研究
Developments of time-resolved soft X-ray spectroscopy and researches on surface dynamics
2. 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スピン電子状態の研究
Spin-dependent surface electronic states studied by spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy andmagnetic linear- and circular-dichroism
3. 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
4. 光電子分光と in situ 表面電気伝導測定による固体表面上低次元構造体の電子輸送現象の研究
Electron transports in low-dimensional structures on solid surfaces studied by a combination of photoemission
spectroscopy and in situ surface conductivity measurements

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

軌道放射物性研究施設

Synchrotron Radiation Laboratory

加速器グループ髙木

宏之

Hiroyuki TAKAKI

Accelerator Physics Group

助教

Research Associate

我々のグループの主な研究テーマは、放射光の光源とOur main research subjects are particle accelerators dedicatedas synchrotron radiation sources. We study these acceleratorsand develop advanced accelerator components, subsystems
and technologies. One of our recent activities is research of anext-generation light source based on an energy recovery linac(ERL), which is expected to be superior in brilliance, coherence
and time resolution to the existing synchrotron light sources
based on electron storage rings and can be a powerful driver
for a free electron laser(FEL). We are studying beam dynamics
in ERLs and developing ERL components such as a superconducting RF cavity and a fiber laser for driving a photocathodeelectron gun in collaboration with some other facilities. We also
participate in construct of a polarization-controlled undulator
for a material-science beam line of the University of Tokyo at
SPring-8 and developing a electromagnetic phase shifter for fast
helicity switching of the circularly-polarized undulator radiation. Furthermore we are studying a new injection scheme basedon a pulsed sextupole magnet in collaboration with KEK-PF.

なる粒子加速器である。我々はこれらの光源加速器の研究を行うとともに、将来に向けた先端的な光源加速器要
素や光源加速器技術の開発を進めている。最近の活動の１つとしては、輝度、コヒーレンス、時間特性で蓄積リング型の既存放射光源を凌駕するものと期待されるエネ
ルギー回収型リニアック（ERL）による次世代放射光源の研究がある。ERL は自由電子レーザー（FEL）の強力なドライバーにもなりうる。現在、ERL におけるビー
ム力学の研究と超伝導加速空洞や光陰極電子銃用ファイ
バーレーザーなどの要素開発を他機関と共同して進めている。また同時に、東京大学が SPring-8 に建設する物質
科学ビームラインのための偏光制御軟 X 線アンジュレー
タの建設にかかわり、高速円偏光切替用電磁石移相器の開発を行っている。さらに、KEK-PF と共同してパルス
六極電磁石を用いた新しい入射方式の研究も行っている。

次世代放射光源に向けて試作された超伝導加速空洞（左）と開発中の光陰
極電子銃用ファイバーレーザーシステム（右）。

SPring-8 に設置された東京大学物質科学ビームラインの偏光制御アンジュレータ（左）と高速円偏光切替のための移相器プロトタイプの磁場測定（右）。

A fabricated prototype for a nine-cell superconducting RF cavity (left)
and a developed Yb fiber laser system for a photocathode electrongun (right) towards a next-generation synchrotron light source.

A polarization-controlled undulator installed at SPring-8 for the material science
beamline of the University of Tokyo (left) and a phase shifter prototype developed
for fast helicity switching of the undulator radiation at ISSP (right).

研究テーマ Research Subjects
1.   高輝度光源
High-brilliance synchrotron light source
2. 次世代放射光源
Next-generation synchrotron light sources
3. 先端的な加速器要素技術の研究開発
Research and development of advanced accelerator components, subsystems and technologies
4. 加速器におけるビーム物理
Beam physics in accelerators

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

軌道放射物性研究施設

Synchrotron Radiation Laboratory

有賀研究室

有賀

哲也

Tetsuta ARUGA

Aruga Group

客員教授

Visiting Professor

近年、半導体スピントロニクスの実現に向けた研究がOne of the steps in developing semiconductor spintronics is
to generate spin-polarized electrons in a semiconductor. For thisaim, the Rashba-type spin-orbit interaction has the great potential. The Rashba effect has been firstly studied on two-dimensional
electron gas formed in semiconductor heterojunctions. On theother hand, the Rashba spin splitting energies on solid surfaces ismuch larger than those in semiconductor heterojunctions. Spinand angle-resolved photoelectron spectroscopy (SARPES) is oneof the most powerful techniques to investigate the spin-dependent
electronic structure of such surfaces. In collaboration with Solid
State Spectroscopy Group of SRL-ISSP, we will carry out SARPES
experiments with a new SARPES spectrometer. The spectrometer
adopts the very-low-energy-electron-diffraction (VLEED) typespin detector, the efficiency of which is approximately 200 times
higher than that of conventional Mott-type spin polarimeter. We
study the Rashba spin splitting of semiconductor surfaces covered
with various elements by using high-efficiency and -resolution
SARPES equipped with VLEED-type spin polarimeter. We obtainseveral remarkable results concerning the physical origin of the
Rashba spin splitting of the surface state bands as well as the
spin-dependent conductivity on the semiconductor surfaces.

活発に進められ、半導体中にスピン偏極した電子を作り出す Rashba 効果の利用が考えられている。固体表面の場合、Rashba 効果による表面電子状態のスピン分裂が半導体ヘテロ接合界面における二次元自由電子ガスなどと比べてはるかに大きいため、さまざまな半導体表面のRashba 効果の研究が極めて高いスピン偏極度をもつ電子を作り出すことに繋がると期待されている。
本研究室では、軌道放射物性施設と共同で、高効率
VLEED スピン検出器を備えたスピン分解光電子分光実験装置を利用し、半導体表面に種々の元素を吸着した系について、Rashba 効果によりスピン偏極した表面電子状態の研究を行っている。すでに表面電子状態のスピン分裂の発現機構や表面固有の電子スピンに依存する伝導特性について新たな知見が数多く得られており、今後の研究の発展を期待している。

軌道放射物性研究施設

Synchrotron Radiation Laboratory

タン研究室

タン

シュ - ジュン

Shu-Jung TANG

Tang Group

外国人客員教授

Visiting Professor

薄膜や固体表面は低次元電子系の物理現象の研究対象

Thin films and solid surfaces have been interesting
playgrounds to investigate physical properties of a low-dimensional electronic system. My group have made the electronic
structure studies by angle-resolved photoemission spectroscopy
measurements using synchrotron radiation at National Synchrotron Radiation Research Center (Taiwan). We have investigated electronic properties of quantum-well states in ultrathin
metal films on semiconductor substrates and surface-states ofsemiconductor surfaces. During my stay in ISSP, I extend our
research to their electron dynamics through collaborations
with the group of Prof. I. Matsuda. Various photo-induced
phenomena at surfaces, such as the surface photo-voltage
effect, are studied by time-resolved photoemission experiments
using high-brilliant soft X-ray at SPring-8. Superconductivityof nanometer-thick metal films, regulated by the substrate, isexamined by the homemade magneto transport measurement
system at the Kashiwa campus.

として興味深い。私の研究グループでは台湾放射光施設
National Synchrotron Radiation Research Center において、放射光を用いた角度分解光電子分光法でその電子構造研究を行ってきた。これまで、半導体基板上に成長させた金属超薄膜内の量子井戸状態や半導体表面の表面状態などの電子物性について調べてきた。このたびの東
京大学物性研究所客員所員としての滞在にあたり、私は
松田巌所員のグループと共に、本研究を電子ダイナミク
スへと展開する。SPring-8 放射光施設 BL07LSU において、高輝度軟 X 線を用いた時間分解光電子分光法により、表面光起電力効果などの様々な光誘起現象を調べる。また、
柏キャンパスでは松田巌研究室が建設した表面磁気伝導測定装置を用いて、基板で制御されたナノメートル厚の金属超薄膜の超伝導転移を検証する。
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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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、最先端の物性研究専用のスーパーコ
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うとともに、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。

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 forjoint-use; Materials Synthesis Section, Chemical
Analysis Section, X-Ray Diffraction Section, Electron
Microscope Section, Electromagnetic Measurements Section, and Spectroscopy Section. In MD-D,
by making 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 structures are developed. In
MSC-D, various new materials are synthesized, single
crystals 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 the design of materials.
Through this DSC cycle we aim to develop newmaterials 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.

教

授（施設長）

廣井

善二

技術専門員

北澤

恒男

教

授

上田

寛

技術専門職員

小池

正義

教

授

川島

直輝

技術専門職員

礒部

正彦

准教授

野口

博司

技術専門職員

山内

徹

准教授 *

杉野

修

技術専門職員

矢田

裕行

助

教

山浦

淳一

技術専門職員

福田

毅哉

助

教

富田

裕介

特任専門職員

浜根

大輔

助

教

岡本

佳比古

学術支援専門職員

荒木

繁行

助

教

芝

学術支援専門職員

山地

令子

助

教

渡辺

宙志

助

教

松田

佳希

Professor (Director)
Professor
Professor

Associate Professor
Associate Professor
Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate

Zenji HIROI

Yutaka UEDA
Naoki KAWASHIMA
Hiroshi NOGUCHI
Osamu SUGINO
Jun-Ichi YAMAURA
Yusuke TOMITA
Yoshihiko OKAMOTO

隼人

Hayato SHIBATechnical Associate
Technical Associate
Technical Associate
Technical Associate
Technical Associate
Technical Associate
Technical Associate
Technical Associate
Technical Associate

Tsuneo KITAZAWA
Masayoshi KOIKE
Masahiko ISOBE
Touru YAMAUCHI
Hiroyuki YATA

Takaki FUKUDA
Daisuke HAMANE
Shigeyuki ARAKI
Reiko YAMAJI

Hiroshi WATANABE

Yoshiki MATSUDA*               物性理論研究部門と併任 /concurrent with Division of Condenced Matter Theory

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

廣井

善二

Zenji HIROI

Hiroi Group教授

Professor

高温超伝導の発見とその後の研究の流れは、新物質の

岡本

佳比古

Yoshihiko OKAMOTO

助教

Research Associate

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.

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 3.3 K (Cs)、6.3 K (Rb)、9.6 K (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. スピン 1/2 カゴメ格子反強磁性体の基底状態
Ground state of the spin-1/2 kagome antiferromagnet
3. 高温超伝導体
High-Tc superconductors

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

物質設計評価施設

Materials Design and Characterization Laboratory
http://yueda.issp.u-tokyo.ac.jp/

上田寛研究室上田寛

Yutaka UEDA

Y. Ueda Group教授

Professor

遷移金属を含む酸化物、カルコゲン化物、フッ化物な

Our primary research effort has been focused upon the development of inorganic materials possessing novel electromagnetic
properties such as superconductivity, metal-insulator transition,
charge/orbital order and various quantum spin phenomena. The
transition metal oxides, chalcogenides and fluorides have beensynthesized under various atmospheres and single crystals ofthem have been grown by FZ and flux methods. The nonstoichiometry, structure, phase transition and physical properties havebeen studied by TG-DTA (DSC), X-ray and neutron diffraction,
electron microscopy, electrical resistivity and magnetic susceptibility measurements etc. Our recent outcomes are the findingsof (1) quantized magnetization plateaus caused by Wigner
crystallization of triplets (magnons) in 2D frustrated system
SrCu2(BO3)2 with Shastry-Sutherland lattice, (2) novel chargeorder transition and devil’s flower type phase diagram in NaV2O5
with a trellis lattice, (3) charge order transitions and pressureinduced 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 spinel oxides, (6) novel metal-insulatortransitions in hollandites, K2M8O16 (M = V and Cr).

どについて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
β -A0.33V2O5 (A = 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）軌道秩序のからんだスピン―パイエルス的相転移と磁場誘起相転移、（６）
新奇な金属―絶縁体転移、などを見出している。

K2Cr8O16 の電気抵抗 (ρ) と磁化率 (χ)。K2Cr8O16 はキュリー温度
180 K の強磁性金属で、95 K で強磁性を維持したまま絶縁体に転移する。これははじめての強磁性金属―絶縁体転移の観測である。

Temperature dependences of resistivity (ρ) and magnetic susceptibility (χ) of K2Cr8O16. K2Cr8O16 is a ferromagnetic metal
with TC = 180 K and undergoes a transition to an insulator at
TMI = 95 K, retaining ferromagnetism. This is the first observation of ferromagnetic metal-insulator transition.

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、フッ化物等の合成と不定比性および相平衡の研究
Synthesis of transition metal compounds by controlling stoichiometry and phase equilibrium
2. Ｘ線回折、中性子回折、電子顕微鏡（電子線回折）のその場観察による構造相転移の研究
Study on structure and phase transition by in situ observation 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

62
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

川島

直輝

Naoki KAWASHIMA

Kawashima Group教授

Professor

本研究室では物性研究所スパコンや神戸の京コン

松田佳希

Yoshiki MATSUDA

助教

Research Associate

Our group investigates fundamental problems in condensed
matter physics, such as critical phenomena in quantum magnets
and superfluid, based on massively parallel computation on ISSP
supercomputers and "K-computer" in Kobe. For example, there
is a contraversy concering the nature of the quantum phasetransition between Neel state and VBS state. The 1/N expansion
theory predicts a continuous transition with novel emergent
U(1) symmetry whereas numerical calculation of a field theoretical model suggests a very weak first order transition. Our recent
computational results are in favor of the continuous transition
and we are planning a larger computation on K-computer for
more conclusive results. In addition, the list of our researchsubjects includes novel quantum states and supersolids inultra-cold atoms trapped in optical lattices, computation ofentanglement spectrum of a VBS state, and developement of
new methods for quantum frustrated systems based on tensor
network.

ピュータなどの大規模並列計算機を利用して、量子磁性体や超流動体における量子臨界現象など、物性論で登場する基本的な問題の解明を行っている。一例としては、ＳＵ（Ｎ）ハイゼンベルクモデルを題材として、ネール
状態からＶＢＳ状態への量子相転移の様相の解明がある。
これについては、臨界点直上における漸近的 U(1) 対称性の出現や、対称性の破れの範疇に入らない量子臨界現象、非常に弱い量子１次転移、など様々な可能性が議論されている。最近の我々の計算結果は 1/N 展開が予想する臨界現象が実現されていることを示唆しているが、より確度の高い計算を計画中である。この他、光格子にトラップされた極低温原子系における量子臨界現象や新しいタ
イプの超流動相の研究、ＶＢＳ状態におけるエンタング
ルメントスペクトルの計算、テンソルネットワーク法に基づくフラストレート系にも適用可能な新しい数値計算手法の開発、などを行っている。

通常のＳＵ（２）対称性をＳＵ（Ｎ）対称性に拡張した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。

ボーズハバードモデルの相図。 t はホッピング項の係数、U は斥力相互作用の強さである。赤線は凝縮温度，青線はギャップの大きさを表す。

The VBS state that appears in the two-dimensional SU(N) Heisenberg
model. A darker line corresponds to a spin pairs with stronger correlation.

Phase diagram of the Bose-Hubbard model. The red curve is the condensation temperature T/U, and the blue one is the gap. Both are plotted against
t/U, where t is the hopping amplitude and U is the onsite repulsion.

研究テーマ Research Subjects
1.   新しい量子相と量子相転移の探索
Search for novel quantum phases and quantum transitions
2. 多体問題の数値解法の研究，とく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

63
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

物質設計評価施設

Materials Design and Characterization Laboratory
http://noguchi.issp.u-tokyo.ac.jp/

野口研究室

野口

博司

Hiroshi NOGUCHI

Noguchi Group

准教授

Associate Professor

ソフトマター、生物物理を計算機を駆使して研究して芝隼人

Hayato SHIBA

助教

Research Associate

We study soft-matter physics and biophysics theoretically andnumerically. Our main target is the physics of biomembrane andcells under various conditions. We develop membrane models
and hydrodynamics simulation methods.
We found the shape transitions of red blood cells and lipid
vesicles in shear and capillary flows using mesoscale hydrodynamic simulations: discocyte-to-parachute, stomatocyte-toprolate, and prolate-to-discocyte, etc. We also clarify the several
fusion and fission pathways of the membrane using coarsegrained molecular simulations. In particular, the pathway via
pore opening on the edge of stalk-like connection was newly
found by us, and later supported by an experiment.

いる。特に、生体膜や細胞のダイナミクスの解明に力を入れている。そのためのシミュレーション手法の開発、改良も行っている。
例えば、赤血球や脂質膜からなる小胞のさまざまな環
境下での形態変化を調べている。これまで、流れによって赤血球がパラシュート状やスリッパ状に変形すること
や、脂質小胞が形態変化に伴い、運動モードの転移を起こすことなどを明らかにしている。
また、生体膜の融合、分裂過程についても研究している。
生体内では膜の融合、分裂が物質運搬のために頻繁に起こっている。その過程を粗視化分子模型を用いてシミュ
レーションし、これまで言われていなかった経路も新しく発見した。融合の物理的な機構の全容解明に取り組んでいる。

細管を流れる赤血球のスナップショット。赤血球はこのようなパラシュート状に変形して毛細血管内を流れる。

融合途上の生体膜のスナップショット。球（紫）に外力を加えて、膜を挟み込み、融合を誘起。脂質分子は疎水部分（黄）と親水部分（赤）からなる。

Snapshot of red blood cell in capillary flow. Red blood cells deform to theparachute shape in microvessels of our body.

Snapshot of fusing bilayer membrane. The fusion is induced by external
force on the particles (purple). Lipid membrane consists of hydrophobic(yellow) and hydrophilic (red) parts.

研究テーマ Research Subjects
1.   流れによる赤血球の変形
Flow-induced deformation of red blood cells
2. 生体膜の融合、分裂
Fusion and fission of biomembrane
3. 脂質膜の自己集合、形態転移
Self-assembly and morphological transition of lipid membrane
4. ２次元粒子系での融解転移
Melting transition in two dimensions

64
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

Materials Design and Characterization Laboratory
物質設計部 (Materials Design Division)

電子計算機室Supercomputer Center
担 当 所 員担 当 所 員担 当 所 員
助

教

助

教

助

教

助

教

野口
川島
杉野

博司
直輝
修

富田

裕介

芝

隼人

渡辺
松田

宙志
佳希

矢田

Chairperson : H. NOGUCHI

技術専門職員Contact Person : N. KAWASHIMA

技術専門職員Contact Person : O. SUGINO

学術支援専門職員

Research Associate : Y. TOMITA

学術支援専門職員

福田
荒木
山地

裕行
毅哉
繁行
令子

Technical Associate : H. YATA
Technical Associate : T. FUKUDA
Technical Associate : S. ARAKI
Technical Associate : R. YAMAJI

Research Associate : H. WATANABE
Research Associate : H. SHIBA
Research Associate : Y. Matsuda

1. 全国共同利用スーパーコンピュータ
富田 助教

電子計算機室では計算物性物理学専用のスーパーコン
ピュータシステムを、スーパーコンピュータ共同利用委員会

渡辺 助教

1. Joint-Use Supercomputer System
The Supercomputer Center (SCC) operates a supercomputer
system available to all researchers of condensed matter physics
in Japan. One can submit a proposal for a User Program to
the Supercomputer Steering Committee, and once granted
he/she can use the facility with no charge. The main system
was renewed in July 2010. It consists of two systems: SGI ICE
8400EX (3840 CPU x Intel Xeon 5570) and NEC SX-9, 64CPU.
In addition to maintaining high performance of the system incooperation with the venders (Hitachi and SGI), the SCC also
responds to questions and inquiries from users on daily basis.
2. In-House Networks and related missions
The SCC 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). We, forexample, monitor electronic traffics for virus infection and by
distributing anti-virus softwares to in-house users.
3. MEXT, HPCI Project
We support Center of Computational Meterials Science, ISSP,
which is responsible to the project "Novel materials and energy
resources", by providing and managing computer resources.

の審議に基づき全国の物性研究者の共同利用に供している。スパコンシステムは 2010 年 7 月に更新された結果、疎結合並 列計 算 機（SGI ICE 8400EX、3840 CPU x Intel Xeon
5570）にベクトル型計算機（NEC SX-9, 64CPU）を加えた複合システムである。システムのベンダーとの密な連絡によって高度なシステム性能を維持するとともに、全国ユーザからの相談にきめ細かく応じながら、システムの管理運用を行っている。スーパーコンピュータの利用申請については、ホームページ (http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/supercom/） を参 照されたい。
2. 所内ネットワーク関連
本室では、
物性研究所 LAN、
および、
電子メールサーバ、ファ
イルサーバ、WWW サーバ（物性研ホームページ http://www.
issp.u-tokyo.ac.jp）他の各種サーバの管理運用を行い、大学院生を含めた所内に提供している。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ク (UTnet) を通したインター
ネットへのため、ファイアウォールの設置、電子メールに関するウイルスの検査と除去、ウイルス対策ソフトウエアの所内への配布などのセキュリティ対策を行っている。また、所内でのコンピュータおよびネットワーク関係の Q&A、テレビ会
議システムなどの機器の管理と利用促進なども行っている。
３．ＨＰＣＩ戦略プログラム（旧「次世代スパコンプロジェ
クト戦略プログラム」）の支援
計算資源の管理・運用などを通じて当該プログラム分野２「新物質・エネルギー創成」の推進をサポートしている。

スーパーコンピュータ システムＢ（SGI Altix ICE 8400EX/3840 cpu）

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 system B（SGI Altix ICE 8400EX/3840 cpu）

The Supercomputer System at the SCC-ISSP.

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

物質合成室
Materials Synthesis Section
担 当 所 員
技術専門員
技 術 専門職員
技 術 専門職員

廣井
北澤
礒部
小池

善二
恒男
正彦
正義

化学分析室
Chemical Analysis Section

Contact Person : Z. HIROI

担 当 所 員Technical Associate : T. KITAZAWA

特任専門職員Technical Associate : M. ISOBE

技術専門職員Technical Associate : M. KOIKE

技術専門職員

上田
浜根
礒部
小池

寛

大輔
正彦
正義

Contact Person : Y. UEDA
Technical Associate : D. HAMANE
Technical Associate : M. ISOBE
Technical Associate : M. KOIKE

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 purpose of the Materials Synthesis Section is tosynthesize new compounds, well-characterized samples andsingle crystals of various materials. Various kinds of furnaces areprovided 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 a systemfor preparation of ultra-high purity water are provided forchemical 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）、

主要設備

真空蒸着装置（10-6 Torr）、精密切断機

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

Main Facilities

滴定装置、純水製造装置、凍結乾燥機

Floating-zone furnaces, Czochralski pulling apparatus with an
induction heating system, Bridgman-type furnace, Ar-arc furnace,

Main Facilities

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

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

and Cutting machine.

Potentiometric titration apparatus, Various apparatuses for sample
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

66
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

Ｘ線測定室
X-Ray Diffraction Section
担 当 所 員
助

教

廣井
山浦

善二
淳一

電子顕微鏡室Electron Microscope Section

Contact Person : Z. HIROI

担 当 所 員Research Associate : J. YAMAURA

特任専門職員

上田
浜根

寛

大輔

Contact Person : Y. UEDA
Technical Associate : D. HAMANE

電子顕微鏡は物質の微細構造評価の有力な手段である。
本室では、格子像レベルでの透過像を観察するため、高山浦 助教

分解能型と電界放射型分析電子顕微鏡を備え、物質の微

興味深い物性を示す物質の開発や評価において、結晶細構造研究を行うと共に、設備を所内外の利用に供し、構造解析は極めて重要な位置を占める。本室では、Ｘ線

共同利用研究や依頼研究を行っている。

回折を用いて、新規物質の結晶構造や温度による構造変The Electron Microscope Section supports electron diffraction measurements, lattice image observation and microscopic
analysis of various solid materials, with the atomic-scale resolution by using a high-resolution electron microscope and anelectron microscope with an X-ray micro-analyzer.

化など物質構造の研究を行うと共に、所内外の研究者に対して施設利用の提供、依頼研究を行っている。
The main purposes of the X-ray Diffraction Section are structural analysis and identification of powder and single crystal
specimens for solid state physics. By using a 4-circle diffractometer equipped with a warped imaging plate and a refrigerator
structural analysis is performed in the temperature range of
2-300 K.

主要設備

機 200 kV 電界放射形分析電子顕微鏡、200 kV 電子顕微鏡 (LaB6 タイプ )、
低温・高温ホルダー、集束イオンビーム装置、薄膜試料作成のための種々の装置

Main Facilities

主要設備

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

四軸型Ｘ線回折計、CCD システム、イメージングプレート型Ｘ線回折計、

electron microscope with a LaB6 gun, High- and low-temperature

粉末Ｘ線回折装置、ラウエカメラ、ワイセンベルグカメラ

holders, Focused ion-beam milling, and Various apparatuses forsample preparation.

Main Facilities

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

diffractometer, Powder X-ray diffractometer, Laue camera, andWeissenberg camera.

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

67
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

電磁気測定室Electromagnetic Measurements Section
担 当 所 員担 当 所 員担 当 所 員
技 術 専門職員

家

泰弘

瀧川

仁

山内

徹

廣井

善二

光学測定室
Spectroscopy Section

Contact Person : Y. IYE

担 当 所 員Contact Person : M. TAKIGAWA

担 当 所 員

田島
末元

裕之
徹

Contact Person : H. TAJIMA
Contact Person : T. SUEMOTO

Contact Person : Z. HIROI
Technical Associate : T. YAMAUCHI

本室では、物質の基本的性質である電気的磁気的性質

汎用性のある光学測定機器を備え、所内外の共同利用

を、温度および磁場の広い範囲にわたって測定するととに供している。

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, magnetoresistance and 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、パリレンコーター
Main Facilities

主要設備

UV and VIS absorption spectrometer, IR spectrometer, Raman

１５/ １７テスラ超伝導マグネット、スプリット型５テスラ超伝導マグネッ

spectrometer with Ar ion laser, Tunable dye laser equipped

ＳＱＵＩＤ磁化測定装置（ＭＰＭＳ）、汎用物性測定装置（ＰＰＭＳ）

instruments, Parylene coater.

ト（ヘリウムフリー）、
１６/ １８テスラ高均一超伝導マグネット（ＮＭＲ）、with excimer laser, and Monochromator and related electronic

Main Facilities

Superconducting magnet (15/17 T), Split type superconducting
magnet (5 T), High homogeneity superconducting magnet (16/18

T) for NMR experiments, SQUID magnetometer (7 T), and PPMS

(physical properties measurement system).

光学測定機器

磁気特性測定装置

Spectrometers (Room A468)

SQUID magnetometer (MPMS)

68
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

中性子科学研究施設
Neutron Science Laboratory
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 14 台を数え、全国共同利用の規模は年間約 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、複雑凝縮系の化学物理、高分子や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

Since 1961, the ISSP has been playing a central rolein neutron scattering activities in Japan not only by
performing its own research programs but also by
providing a general user program for the university
owned various neutron scattering spectrometers
installed at the research reactor of JAEA (Tokai). In
the JRR-3 reactor (20MW), the university group owns
14 spectrometers, and the Neutron Science Laboratory (NSL) provided a general user program. Under
this program, about 300 proposals are submitted
every 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 Fermions systems, low dimensional magnetism,high-pressure physics, etc.), fundamental physics andneutron beam optics, structure and phase transitionsof polymers, gels, and colloidal systems, physicalchemistry of complex condensed matter, structureand functions of biological systems, and materialsciences. The NSL also operates the U.S.-Japan
cooperative program on neutron scattering, andsupports the development of the neutron-beam-basedmaterial sciences in Japan.

力事業「中性子散乱分野」の実施機関としても活動し、我が国の中性子散乱研究の発展に貢献
している。

教

授（施設長）

柴山

充弘

助

教

古府

麻衣子

教

授

吉澤

英樹

助

教

南部

雄亮

准教授

山室

修

助

教

左右田

准教授

佐藤

卓

助

教

藤井

健太

准教授

益田

隆嗣

技術専門職員

浅見俊夫

教授（客員）

梶原孝志

技  術  職  員

川村義久

技  術  職  員

杉浦

良介

専

大津

勝美

Professor (Director)
Professor

Hideki YOSHIZAWA

Associate Professor

日本原子力研究開発機構 (JAEA) 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。８台の実験装置が水平ビーム孔に設置されている。また、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図の左方向に引き出され、隣接するガイドホールにある２４台の中性子ビーム実験装置群に中性子を供給している。

Mitsuhiro SHIBAYAMA

Associate Professor
Associate Professor
Visiting Professor

Osamu YAMAMURO
Taku J SATO

Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate

Takatsugu MASUDA

Takashi KAJIWARA

Technical Associate

Technical Associate

Technical Associate

The reactor hall of JRR-3. The eight neutron scattering instruments are attachedto the horizontal beam tubes in thereactor hall. Two thermal and three cold
neutron beams are extracted from thereactor core toward the guide hall locatedto the left and provide neutron beams to
24 instruments in the guide hall.

門員

Maiko KOFU

Yusuke NAMBU

稔

Minoru SODA
Kenta FUJII

Toshio ASAMI

Yoshihisa KAWAMURA

Ryosuke SUGIURA

Administrative Secretary Katsumi OOTSU

69
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

中性子科学研究施設

Neutron Science Laboratory
http://shibayama.issp.u-tokyo.ac.jp/

柴山研究室

柴山

充弘

Mitsuhiro SHIBAYAMA

Shibayama Group教授

Professor

ソフトマターとは、我々の身の回りの物や生体物質を藤井健太

Kenta FUJII

助教

Research AssociateSoft matter undergoes various transitions in response to aslight change of an environmental variable. We investigate therelationship of the structure and dynamics of soft matter, suchas polymer gels, nanoemulsion, and micelles. The aims of ourresearch are systematization of “molecular-bond correlated
systems”. Concurrently, we explore various applications of soft
matter on the basis of the physics of soft matter. Recently, weare developing various types of super-tough gels on the basisof findings on the structure-property relationship unveiled byneutron scattering, flow behavior of micelles in solutions.
Nano-order structure investigations and studies on dynamics
of soft matter are carried out with state-of-the-art equipments, SANS-U, a small-angle neutron scattering instrument(upgraded in 2010). Other techniques, such as dynamic/static
light scattering, microscopy, mechanical/thermal analyses, andrheological studies, are also employed if necessary. Current
interests cover (1) inhomogeneities in polymer gels, (2) structural characterization and studies on deformation mechanismsof high-performance polymer gels, (3) rheo-SANS of nanoemulsion and micelles, and (4) development of ion-gel and structural
analyses.

構成する「柔らかい」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。我々の研究室ではソフトマターの本質である—分子結合相関系—の学問的体系化を目指している。最近では、ゲルの相分離・相転移、不均一性の研究などのほか、驚異的な力学物性をもつさまざまな高強力ゲルの開発と構造解析・物性研究、流動場におけるミセルの物性と構造相関、イオンゲルの開発と構造解析・物性評価などを行っている。
世界有数の二次元位置測定小角中性子散乱 SANS-U を中心に、静的動的光散乱装置 (SLS/DLD ALV-5000)、力学・
熱物性測定装置、レオメーターなどを用いて、ソフトマ
ターのナノオーダーの構造解析、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。

一軸変形化下にあるナノコンポジットゲルの小角中性子散乱。(a) 延
伸前後の写真 ( λは延伸比 )。(b) コントラスト変調法により、クレ
イ成分、高分子成分、両者の交差成分を抽出した後の部分散乱関数
SCC, SPP, SCP。

Small-angle neutron scattering (SANS) of uniaxially deformed
nanocomposite gels. (a) Photographs of undeformed anddeformed gels (7x). (b) Partial scattering functions, SCC, SPP,
and SCP extracted by contrast-variation SANS.

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. 高強力高分子ゲルの変形メカニズム
Deformation mechanisms of super-tough polymer gels
3. 流動場でのナノエマルションおよびミセルの構造変化
Structural evolution of nanoemulsion and micelles in flow field
4. イオンゲルの開発と構造解析
Development of ion-gel and structural analyses

70
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

中性子科学研究施設

Neutron Science Laboratory
http://yoshizawa.issp.u-tokyo.ac.jp/

吉澤研究室

吉澤

英樹

Hideki YOSHIZAWA

Yoshizawa Group教授

Professor

遷移金属酸化物の示す金属・絶縁体転移は、スピン・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 systematic investigations of such transition-metal oxides in view of influenceof charge/orbital ordering, spin ordering, and structural transitions to transport property. The triple axis neutron spectrometer owned by the ISSP is shown in the left figure below. Withuse 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 theisomorphic compounds of the High Tc cuprate superconductors.
The ordering temperatures of the stripe charge as well as spinorderings have the maxima at x = 1/3, and they decrease beyond
x = 1/3. Although the incommensurability is approximately
linear to the hole concentration, close inspection of the data
indicates that the incommensurability exhibits a subtle deviationfrom the linear relation for both sides of x = 1/3. Such an exotic
stripe ordering exists widely in the two-dimensional transitionmetal oxides.

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-xSrxCuO4 と同型の結晶構造を持つ La2-xSrxNiO4 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 x=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 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 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。このようなストライプ秩序は高温超伝導酸化物ばかりでな
く、広く低次元遷移金属酸化物で存在していることが最近の研究で明らかにされつつある。

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。

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-xSrxCuO4. 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 Hall-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

71
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

中性子科学研究施設

Neutron Science Laboratory
http://yamamuro.issp.u-tokyo.ac.jp/

山室研究室

山室

修

Osamu YAMAMURO

Yamamuro Group

准教授

Associate Professor

本研究室では複雑凝縮系の化学物理を研究している。

古府

麻衣子

Maiko KOFU

助教

Research Associate

We are studying chemical physics of complex condensed
matters, especially glasses and supercooled liquids, water andrelated materials, ionic liquids, and single molecule magnets(SMMs). Glass transition is a mysterious phenomenon in which
supercooled liquids solidify without structural change. Thisphenomenon cannot be explained by current physics. Water isthe most familiar and important material for humans and also
exhibits various unique phenomena derived by hydrogen bonds.
Ionic liquids, found recently, exhibit many interesting physicalproperties originating from the competing electrostatic andvan der Waals interactions. SMMs are significant not only for
applications such as high-density magnetic-recording media
but also for basic physical properties such as quantum effects onmagnetization reversal. These substances are investigated fromneutron scattering, X-ray diffraction, heat capacity, and dielectric measurements. Our aim is to find simple (?) rules involvedin complex systems from the three different points of view, i.e.,
structure, dynamics, and thermodynamic.

現在の主な対象は、ガラス・過冷却液体、水およびその関連物質、イオン液体、単分子磁石などである。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。
水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。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
ス力の競合から、様々な新しい物性が現れる。単分子磁石は高密度磁気記録媒体などの応用面だけでなく、磁化反転の量子効果など基礎物性面でも興味深い。これらの物質に対して、中性子散乱、Ｘ線回折、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。

希土類単分子磁石の中性子非弾性散乱スペクトル。1.7 meV と 12.3 meV の磁気励起は、それぞれ Tb-Cu イオン間の交換相互作用と Tb イオンの一軸異方性に起因する。

低温蒸着法で作成したプロペンガラスの熱容量。巨大な熱容量ジャンプを伴うガラス転移と顕著なアニール効果を示すボゾンピークが現れた。

Heat capacity of glassy propene prepared by low-temperature vapor-deposition. A glass transition with a giant heat capacity jump and a boson peakwith a pronounced annealing effect appeared.

Inelastic neutron scattering spectra of a rare-earth based molecule magnet.
The magnetic excitations at 1.7 meV and 12.3 meV are originated in the
Tb-Cu exchange coupling and uniaxial anisotropy of Tb ions, respectively.

研究テーマ Research Subjects
1.   ガラス転移、ボゾンピークなどの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（含水多孔性結晶など）の構造とダイナミクス
Structure and dynamics of water and related materials such as hydrated porous crystals
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. 単分子磁石のスピンダイナミクス
Spin dynamics of single molecule magnets

72
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

中性子科学研究施設

Neutron Science Laboratory
http://sato.issp.u-tokyo.ac.jp/

佐藤研究室

佐藤

卓

Taku J SATO

Sato Group

准教授

Associate Professor

中性子散乱を用いて固体中のスピン揺動および相関を研南部 雄亮

Yusuke NAMBU

助教

Research Associate

Using neutron scattering technique, we study spin fluctuations and correlations in condensed matters. In many materials
ordinary consequence of reducing temperature is spin ordering,but there are intriguing exceptions where geometrical frustration, quantum effect and/or coupling to other degrees of
freedom prohibits to order, resulting in novel quantum fluctuating ground state. We aim at revealing origin of such non-trivially fluctuating states.
Here, as an example of recent studies, we describe spin excitation measurements on the Fe-based superconductor. Fe-based
superconductor was discovered in 2008, and because of its
second high transition temperature next to the cuprates, it has
been studied intensively worldwide. Shown in Figure are the spin
excitation spectra in Ba(Fe1-x Cox )2As2 single crystals, where x = 0(parent itinerant antiferromagnet; TN 〜 140 K), 0.06 (optimal
doping; Tconset = 26 K), and 0.24 (heavily doped; non-superconducting). At higher temperature T > TN or Tc, the dynamic
su s c e pt i bi l it y s h ow s qu ite
normal behavior in x = 0 and
0.06, in the heavily overdoped
x = 0.24 sample, where superconduc tivity is completely
suppressed, the low-energy spin
excitations are also completely
suppressed. This result strongly
suggests the clos e relation
between the spin excitation to
the superconductivity, and to the
Fermi surface topology.
We also work on quantum
Kagome systems, molecularmagnets, and quasicrystalline
magnets. In addition, we also
work on related sample preparation and crystal growth, anddevelopment of the new neutron
scattering technique.

究している。多くの物質では低温でスピンは静止するが、中には幾何学的フラストレーションの効果や量子効果、更には他の自由度との結合等により特異な揺らぎを伴う基底状
態を示す場合が有る。このような物質群の揺らぎの原因やそこからあらわれる特異な現象を解明する事が目的である。
最近の研究例として、鉄系超伝導体におけるスピン励起の観測を紹介する。鉄系超伝導体は 2008 年に発見された新しい超伝導物質群であり、銅酸化物高温超伝導体に次ぐ高い超伝導転移温度を示す事から精力的に研究が進められている。我々は鉄系超伝導体の１つであるBa(Fe1-x Cox )2As2 系におけるスピン励起スペクトルの
Co 濃度（電子ドープ）依存性を調べた。図に母物質(x = 0; 遍 歴 反 強 磁 性 体 ; TN ∼ 140K)、 最 適 ド ー プ(x = 0.06; Tconset = 26 K)、 ヘ ビ ー ド ー プ (x = 0.24;

非超伝導 ) の 3 試料における磁気励起スペクトルを示す。
T > TN or Tc において、x = 0 および x = 0.06 試料が通常の動的帯磁率を示す事と対照的に、電子ドープを進め超伝導を完全に抑圧した x = 0.24 の試料では低エネル
ギースピン励起は全く観測されなかった。これらの結果
は超伝導とスピン励起の関連、更には電子構造との関連を強く示唆している。
我々は、他にもカゴメ格子量子反強磁性体、分子磁性体、
準結晶磁性体等の磁気励起研究、試料合成、単結晶育成、および新しい中性子散乱分光法の開発も行っている。
中性子非弾性散乱で得た Ba(Fe1-x Cox )2As2 の動的帯磁率。(a) x = 0（母物質）試料に対する Q = (1,0,1) での測定結果。 (b) x = 0.06（最適ドープ組成）試料に対する Q = (1,0,1) での測定結果。(c) x = 0.24
（ヘビードープ組成）試料に対する Q = (1,0,1) での測定結果。

Dynamic susceptibility obtained by neutron inelastic spectroscopy on Ba(Fe1-x Cox )2As2. (a) Dynamic susceptibility of x = 0(parent) sample at Q = (1,0,1). (b) Dynamic susceptibility of
x = 0.06 (optimal doping) sample at Q = (1,0,1). (c) Dynamic
susceptibility of x = 0.24 (heavily doped) sample at Q = (1,0,1).

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. 新奇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

73
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

中性子科学研究施設

Neutron Science Laboratory
http://masuda.issp.u-tokyo.ac.jp/

益田研究室

益田

隆嗣

Takatsugu MASUDA

Masuda Group

准教授

Associate Professor

本研究室では、低次元スピン系、フラストレーション

左右田稔

Minoru SODA

助教

Research Associate

Quantum novel phenomena enhanced in low dimensional
spin systems, frustration systems, spin clusters, etc are studied
by combination of material synthesis, bulk property measurements, and neutron scattering in our group. While in classicalsystems spins culminate in long range order upon cooling, lowdimensionality and quantum effect disturb the ordered state.
Geometrical frustration induces multidegenerated ground statethat leads to quite sensitive to external perturbation. Consequently various types of spin liquid including RVB, VBS, andTomonaga-Luttinger liquid, and exotic ordered states accompanying spin liquid-like behavior are achieved. We synthesize
magnetic materials that realize these novel states and measure
the magnetic susceptibility and heat capacity. Furthermore
taking advantage of our own beam lines in high flux neutron
source, we identify the magnetic structure by neutron diffraction
and we directly probe the microscopic dynamics in magnetic
materials by inelastic neutron scattering technique. Our goal isto reveal nature of novel quantum state by measuring static anddynamical structure of magnets.

系、スピン・クラスターなど、量子効果の強い磁性体における新しい状態を、物質合成・バルク物性測定・中性子散乱の３つの手法を用いて研究している。古典的なスピン系では、エントロピーを増大させるために低温で秩序化するが、低次元性や量子性はこれを阻害する。また
フラストレーションは多縮退度の基底状態をもたらすため、格子歪などの小さな摂動に非常に敏感な系もたらす。
これらの結果、RVB、VBS、朝永流体などの各種スピン液
体や、秩序は存在するもののスピン液体的性質が色濃く残った状態が出現する。我々は、これら新奇量子状態を実現する物質を合成し、磁化・比熱などの測定を行っている。さらに、大強度中性子源にビームラインを有している利点を生かし、磁気構造決定に不可欠な中性子回折と、μeV ～ meV の物質内部のダイナミクスを直接的にプローブする中性子非弾性散乱を用いて、新奇磁性体の静的および動的構造を明らかにする研究を推進している。

(a) 細孔性銅金属錯体 CPL1 の結晶構造。 (b) 細孔内に吸着し、二量体構造をとる酸素分子。 (c) 中性子非弾性散乱で観測された
吸着酸素分子の磁気励起。実線は S=1 二量体モデル。

(a) Crystal structure of nanoporous Cu complex CPL1.
(b) Structure of adsorbed oxygen molecule in porous.
(c) Magnetic excitation of the adsorbed oxygen molecules
observed by inelastic neutron scattering technique. Solid
curve is S=1 dimer model.

研究テーマ Research Subjects
1.   フラストレート磁性体の磁気構造と磁気励起
Magnetic structure and excitations in frustrated magnets
2. 新規量子磁性体の探索
Search of new quantum magnets
3. 酸素超結晶の磁気励起
Magnetic excitation in supercrystal of oxygen molecule in nanoporous metal complex

74
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

中性子科学研究施設

Neutron Science Laboratory

梶原研究室

梶原

孝志

Takashi KAJIWARA

Kajiwara Group

客員教授

Visiting Professor

希土類金属錯体を対象に、分子レベルで磁気ヒステリ

Single-molecule magnets (SMMs) are a class of metalorganic
compounds, which were discovered in the early 1990s. SMMs
exhibit hysteresis of magnetization upon external magnetic
field even though they have no long-range cooperative interactions. This behavior originates in a large magnetic moment
and uniaxial magnetic anisotropy, which gives rise to a doublewell potential of the spin-up and the spin-down states andrelaxation phenomenon between them. To achieve better SMM
features, introduction of the heavy lanthanide ions (Ln) such as
Tb and Dy is becoming popular because of their large angularmomentum in the ground state as well as a large uni-axial
magnetic anisotropy. We are developing the method to achieve
the large magnetic anisotropy by designing the ligand field (LF)
anisotropy, which leads to a large barrier for spin flipping, Δ/kB,
as large as 400 K even though the complex involves only one
Dy(III) ion as a spin carrier. We are also measuring the neutron
scattering of SMMs to investigate the energy scheme of spinstates and magnetic relaxations including tunneling effects.

シスを示す『単分子磁石』の機能性強化と新規物性開拓を目指した研究を行っている。
『単分子磁石』とは、孤立した個々の分子が遅い磁化緩和により『磁石』として振る舞う、有機－無機複合体( 金属錯体 ) である。長距離磁気秩序を形成せずに磁気ヒステリシスを示す原因は、大きな磁気モーメントと容易
軸型磁気異方性により分子内に形成された双極小ポテン
シャルによるもので、その障壁形成によりミリ秒程度の遅い磁化反転が実現されている。近年は希土類イオンを用いた単分子磁石の合成研究が活発であるが、我々は磁気異方性を結晶場の観点より設計・制御する方法を提案
し、これまでにない大きな障壁 (Δ /kB が 400 K 程度 ) の構築に成功した。さらに、
中性子散乱の測定などをもとに、エネルギースキームの詳細やトンネル緩和などの磁気ダイナミクスの解明を目指した研究を展開している。

75
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

国際超強磁場科学研究施設
International MegaGauss Science Laboratory
当施設では、パルスマグネットによって強力

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, and up to 730 Teslaby destructive (the single turn coil and the electromagnetic flux compression) methods. The former
serves for the physical precision measurements (theelectro-conductance, the optics, and the magnetization). The multiple extreme physical conditions
combining the strong magnetic field with ultra-low
temperature and ultra-high pressure are also available,
and are open for domestic as well as for international
scientists. The magnet technologies are intensively
devoted to developments for the quasi-steady longpulse magnet (an order of 1-10 sec) energized by theworld largest DC generator (210 MJ), and also toa 100 Tesla class nondestructive magnet. Whereas,
the explosive pulse magnets capable of generatingover 100 T are oriented for new horizons in materialscience under such extreme quantum limit conditions. Development for 1000 T-generation by meansof the electro-magnetic flux compression method is
also our mission.

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）の性質を変化させてその電子状態を調べている。また、極限的な強磁場を用いた新物質相の探索も行っている。非破壊的に発生する磁場は 80 テスラ程度まで、破壊的な手法（シングルターン法および電磁濃縮法）では 730 テスラまでが発生可能である。非破壊パルスマグネットは、精密な物性計測（電気伝導、光学、磁化測定など）、他の極限物理環
境（高圧、低温）と組み合わせた実験、また国内外の強い磁場を必要とする物性科学の研究に幅広く利用されている。世界最大の直流発電機（210 メガジュール ) 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強力に推進している。他方、破壊型装置では、100 テスラ以上での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おり、電磁濃縮法による 1000 テスラの発生に向けた開発も進行中である。

教授（施設長）

金道

浩一

教

授

嶽山

正二郎

准教授

徳永

将史

准教授

松田

康弘

准教授 *

長田

俊人

教授（客員）

江

准教授（客員）奥田 哲治

教授（外国人客員）

キム

Professor (Director)
Professor

Associate Professor
Associate Professor
Associate Professor
Visiting Professor

Koichi KINDO

Shojiro TAKEYAMA
Masashi TOKUNAGA
Yasuhiro MATSUDA
Toshihito OSADA

助

教

助

教

Research Associate
Research Associate

技術専門職員Technical Associate

技術専門職員Technical Associate

近藤

晃弘

中村

大輔

川口

孝志

澤部

博信

Akihiro KONDO
Daisuke NAKAMURA
Koushi KAWAGUCHI
Hironobu SAWABE

技術専門職員                     松尾Technical Associate

晶

Akira MATSUO

偉華

Weihua JIANG

Visiting Associate Professor Tetsuji OKUDA
Visiting Professor

ヨンミン

Yongmin KIM* 極限環境物性研究部門と併任

   concurrent with Division of Physics in Extreme ConditionsTheory

世界最大のフライホイール付き直流発電機の外観写真。回転の運動としてエネルギーを蓄積することが出来、最大 460rpm で回転させた時に取り出せるエネルギーが 210MJ である。最大出力は 51.3MW にも達し、その内訳は最大電圧が 2.7kV、最大電流が 19kA となっている。この発電機を用いることで、パルス幅が約１秒間となる 60T の磁場を発生する予定である。

A picture of the largest flywheel DC generator. This generator can supply the maximum energy of 210 MJ at the rotation speed of 460 rpm.
The maximum output is 51.3 MW, which allows us the maximum
voltage of 2.7 kV and the maximum current of 19 kA. A 60 T classlong pulsed field with duration of about 1 sec. is planned by use of thisgenerator.

76
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

金道

浩一

Koichi KINDO

Kindo Group教授

Professor

当施設に設置されたコンデンサー電源およびフライホ

近藤

晃弘

Akihiro KONDO

助教

Research Associate

We carry out precise measurements under non-destructive
pulsed high magnetic fields that are generated by capacitor
banks and flywheel DC generator installed at the facility. Various
magnets have been developed at user’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. We have installed the flywheel DC generator on May, 2008.
The generator enable us to generate long pulsed field with theduration of 1-10 seconds. The longer pulsed fields can provide
much better conditions for precise measurements that had beenthought to be difficult before.

イール付き直流発電機を用いて、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。平成 20 年 5 月より世界最大のフライホ
イール付き直流発電機の運転が始まり、これを電源として用いることでパルス幅が 1 〜 10 秒の磁場発生が可能となる。これまで時間の制約で不可能と考えられていた測定にも強磁場を提供することができ、より精密な物性測定に向けての開発も進行中である。

フライホイール付き直流発電機を用いたロングパルスマグネッ
トの磁場波形。

70T マ グ ネ ッ ト に よ る
LaCoO3 の磁化過程。

Time dependence of magnetic
field by using flywheel-DC
generator for long pulsed field

Magnetization processin LaCoO3 by use of 70
T magnets

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

77
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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

嶽山

正二郎

Shojiro TAKEYAMA

Takeyama Group教授

Professor

100 テスラ以上の超強磁場発生技術開発と超強磁場極中村大輔

Daisuke NAKAMURA

助教

Research Associate

We are engaged in developments for generating ultra-highmagnetic fields above 100 T, and pursue the solid state science
realized under such an extreme condition. We employ two
methods for the ultra-high magnetic field generation, one is theelectro-magnetic flux compression (EMFC) and the other is the
single-turn coil (STC) method. We have established a new typeof coil for the EMFC, and currently the maximum magnetic field
is 730 T. This value is the highest achieved thus far in an indoor
setting. Further developments are underway for achieving
much higher fields, more precise and reliable measurements
for the solid state physics. The horizontal and vertical (H- and
V-) STCs are used for more precise measurements up to 200 T,
respectively, in accordance with their magnetic field axes. The
H-STC is mainly used for magneto-optical measurements byuse of laser optics, whilst the V-STC is more suitable for the
study of low-temperature magnetization in a cryogenic bath.
We are conducting the studies on magneto-optics of carbon
nano-materials or of semiconductor nano-structures as wellas on the high-field magnetization processes of the magnetic
materials with highly frustrated quantum spin systems.

限環境下で発現する物性の探索的研究を行っている。磁場の発生方法として、電磁エネルギーを利用して磁束濃縮を行う「電磁濃縮法」と一巻き銅コイルに高速大電流を投入して超強磁場を発生する「一巻きコイル法」を採用している。
「電磁濃縮法」では、すでに室内世界最高磁場発生 730 テスラを実現しているが、更に高い磁場発生とより精度と信頼度を高めた物性計測を目指した研究開発を進めている。
「一巻きコイル法」では、発生磁場の方向により、横および縦型をそれぞれ有し、横型は主にレーザーを用いた磁気光学測定に、縦型では極低温容器と組み合わせた低温磁化測定、光ファイバーを利用した磁気光学測定に用いている。
「一巻きコイル法」では再現性と高い測定精度が得られ、およそ 200 テスラまで物性実験を行っている。当研究室では、このような超強磁場量子極限環境下で、カーボンナノチューブ、グラフェンや半導体ナノ構造での超強磁場磁気光学に電子状態の解明、フラストレート量子スピン磁性体などの超強磁場磁化過程の解明などを進めている。

電磁濃縮法により 600 T 近くまで測定されたフラストレートスピネル磁性体
ZnCr2O4 の超強磁場磁化過程。(a) ファラデー回転から得られ磁化過程。(b) 635
nm のレーザー光の吸収強度の変化と Cr の内殻 d-d 遷移 (4A2->4T2) 及び励起子 マグノン - フォノンレプリカに対応する吸収スペクトルの磁場による変化（左下挿入）。これは、4.2 K という低温物性測定で行われた世界最高磁場の記録的なデータである。磁気光吸収測定によって、410 T で飽和相に入る前に 350 T 以上で新しい磁気相があることが示された。これは磁化測定だけでは検知できなかった。

Magnetization of frustrate spinel ZnCr2O4 measured by the Faraday rotation method in ultra-high magnetic fields of up to 600 T generated by theelectro-magnetic flux compression method. (a) Magnetization curve (b)change of absorption intensity at wavelength 635 nm in magnetic fields, andthe inset shows the absorption spectra of the intra d-d (4A2->4T2) transitionof Cr and an exciton-magnon-phonon replica (EMP). Magneto-absorption
was used as a tool for identifying a novel magnetic phase transition at 350 T
prior to the ferromagnetic phase above 410 T, which cannot be detected by aconventional magnetization curve.

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
Technical developments for destructive ultra-high magnetic field magnets and for solid-state physics measurements
2. 超強磁場磁気光学効果
Magneto-optics in ultra-high magnetic fields
3. 超強磁場磁化過程
Magnetization processes of magnetic materials in ultra-high magnetic fields

78
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

国際超強磁場科学研究施設

International MegaGauss Science Laboratory
http://tokunaga.issp.u-tokyo.ac.jp/

徳永研究室

徳永

将史

Masashi TOKUNAGA

Tokunaga Group

准教授

Associate Professor

磁性体に磁場を印加すると磁化が変化する。この自明

Application of a magnetic field changes magnetization. In
some kinds of materials, magnetic fields play additional roles
except for such a trivial effect. These non-trivial phenomena
caused by the so-called cross-correlation effects open novel
possibility in the field of material science. We study various
magnetic materials and superconductors aiming to realize suchnovel worlds in condensed matters with utilizing the 50 T superclass pulse magnets.
As one of the cross-correlated phenomena, we study fieldinduced complex transitions in multiferroic materials, in which
ferroelectricity coexists with magnetic ordering. Our researches
in pulsed high magnetic fields revealed the presence of a novel
multiferroic phase in manganites with perovskite-type structures and clarified the presence of significant magnetoelectric
coupling in BiFeO3 up to 500 K.
Since the cross-correlated materials exhibit changes in various
physical properties in magnetic fields, a variety of experimental
probes are needed to study their nature. We are developing
various experimental probes by ourselves, e.g. probes formagnetization, magnetoresistance, magnetostriction, electric
polarization, and magnetic torque. In addition to these standard
measurements, we are trying to directly see the samples inpulsed fields. With combining a polarizing microscope equippedwith a high-speed camera and a miniature pulse magnet, we
succeeded in visualizing the field-induced melting of charge/
orbital ordering in manganites, and martensitic transformationin magnetic shape-recovery alloys.

な変化の他に、磁場中で様々な性質を変える物質群がある。このいわゆる交差相関の効果で起こる非自明な現象
は、物質科学の世界に新しい可能性を拓く。我々は 50T
超級のパルス強磁場発生装置を用いて様々な磁性体・超伝導体の物性測定を行い、物質の未知の世界を探求すべ
く研究を行っている。
交差相関物質の一例として、磁気秩序を持つ強誘電体（マルチフェロイック物質）における磁場誘起複合相転移を研究している。我々はパルス強磁場を用いた実験により、ペロフスカイト型マンガン酸化物における新規強誘電相の発見、BiFeO3 における室温以上での顕著な電気磁気効果の観測などの成果を挙げている。
交差相関物質では磁場中で変化する物理量が多岐に渡るため、それに対応する様々な測定手段が必要になる。
我々は磁化、磁気抵抗、磁歪、電気分極、磁気トルクな
どの物理量測定に加えて、パルス磁場中におかれた試料の顕微鏡観察という世界初の試みに挑戦している。ハイ
スピードカメラ搭載の偏光顕微鏡システムを小型パル
スマグネットと組み合わせる事で、これまでにマンガン酸化物における電荷・軌
道 秩 序 の 磁 場 融 解 現 象 や、
磁性形状記憶合金における磁場誘起マルテンサイト変態の直接観察に成功してい小型パルスマグネットと組み合わせた高速偏光顕微鏡観察システム。マグネットと試料はヘリウム冷凍機で冷却して使用する。

る。

The high-speed polarizing microscopic imaging system combined with asmall pulse magnet. The magnet and the sample are cooled down using
the closed-cycle cryocooler.

研究テーマ Research Subjects
1.   マルチフェロイック物質の磁場誘起相転移
Field-induced transitions in multiferroic materials
2. 高温超伝導体の強磁場物性
High-field studies on high temperature superconductors
3. パルス強磁場下における高速偏光顕微鏡観察
High-speed polarizing microscope imaging in pulsed-high magnetic fields
4. 磁性形状記憶合金の磁場誘起相転移
Field-induced transitions in magnetic shape-memory alloys

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

国際超強磁場科学研究施設

International MegaGauss Science Laboratory
http://ymatsuda.issp.u-tokyo.ac.jp/

松田康弘研究室松田康弘

Yasuhiro MATSUDA

Y. Matsuda Group

准教授

Associate Professor

本研究室では嶽山研究室と連携し、磁場誘起相転移やWe investigate the electronic and magnetic properties ofmatters at ultra-high magnetic fields in the multi-megagaussrange in collaboration with Takeyama Group. Magnetic-fieldinduced phase transitions and crossover phenomena in strongly
correlated systems are the main subjects.
Magnetic field can precisely control the properties ofmatters through the Zeeman effect and Landau quantization.
In ISSP, 700-Tesla magnetic field is generated by the electromagnetic flux compression method. Since the Zeeman energy
in such a high field much exceeds an energy corresponding
to a room temperature, significant field effect is expected inseveral materials including antiferromagnetic or non-magnetic
materials.
We also carry out X-ray magneto-spectroscopy in pulsed highmagnetic fields using synchrotron X-rays at the SPring-8 and
KEK-PF. Element- and shell-selective X-ray magneto-spectroscopy is expected to develop an understanding of microscopic
mechanisms of the magnetic field-induced phenomena.

クロスオーバー現象を中心に、100 テスラを超える超強磁場領域での固体の電子・磁気物性の研究を行っている。
磁場は電子のスピンや軌道運動に直接作用するため、精密な物性制御が可能である。物性研究所の電磁濃縮法
は 700 テスラ級の超強磁場発生が可能であり、その際のゼーマンエネルギーは温度換算で室温を遙かに超えるため、反強磁性体や非磁性体も含む多くの物質で顕著な磁場効果が期待できる。
また本研究室では、磁場中電子状態解明に威力を発揮する X 線磁気分光研究を推進している。SPring-8 や
KEK-PF において非破壊型 50 テスラ級パルス強磁場を用いた X 線吸収分光や X 線磁気円二色性分光の研究を行っており、この強磁場 X 線分光によって、未解明の磁場誘起現象の理解が大きく進展すると期待される。

2 次元フラストレートスピン系 Ni5(TeO3)4Br2 の超強磁場磁化過程。

価数転移物質 YbInCu4 の L3 吸収端の X 線吸収スペクトル (XAS) と X 線磁気円二色性（XMCD）スペクトル。

Ultra-high magnetic field magnetization process in a two-dimensional (2-D)
kagome spin-frustrated system Ni5(TeO3)4Br2.

X-ray absorption spectra (XAS) and X-ray magnetic circular dichroism(XMCD) spectra near Yb L3-edge in YbInCu4 at pulsed-magnetic fields up
to 36 T.

研究テーマ Research Subjects
1.   超強磁場領域における磁性体の磁場誘起相転移現象
Magnetic-field-induced phase transitions in magnetic materials at megagauss fields
2. 強磁場 X 線分光による希土類磁性体の伝導電子−局在電子相関の解明
High-magnetic-field X-ray spectroscopy study on correlation between conduction and localized electrons in rare-earth
compounds
3. 固体酸素の磁場誘起新規相の探索

Quest of novel high magnetic field phases of solid oxygen

80
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

国際超強磁場科学研究施設

International MegaGauss Science Laboratory

江研究室

江

偉華

Weihua JIANG

Jiang Group

客員教授

Visiting Professor

パルス高電圧、大電流を用いて超高エネルギー密度状

High energy-density states generated by using pulsed
high-voltage and high-current are used to create extreme conditions with high temperature, high density, high pressure, or highfield, which may have special applications in fields of solid-statephysics, astronomy, radiation, and accelerators.
By using pulsed power technology, which compresses certain
amount of energy into a very short time period, very high power
level can be achieved. If its time scale is shorter than typicaltime required by processes of energy dissipation such as expansion, conduction, and radiation, instantaneous high energydensity state can be obtained.
We concentrate on the process of electrical energy storage andrelease from MJ class capacitor banks. It is part of the efforts
toward super-intense magnetic field being carried out at ISSP.
In addition, the behavior of the magnetic coil is studied numerically in order to understand the energy coupling between thepulsed power source and the load.

態をつくり、高温、高密度、高圧力、強磁場など極限条件を発生し、物性、宇宙、放射線、加速器などさまざまな分野で応用する。
限られたエネルギーを極めて短時間に圧縮するパルスパワー技術を用いれば、非常に大きな瞬間パワーを得ることができる。その時間幅は、周囲への拡散、伝導、放射などによるエネルギー輸送過程より十分短ければ、瞬間的に超高エネルギー密度状態をつくることができる。
これは、物質の特性を理解するためだけでなく、新しい物質を開発するための道具にもなる。
本研究室では、MJ 級コンデンサーバンクにおけるエネ
ルギー蓄積と放出過程について研究し、超強磁場の発生研究を支援する。また、極限条件下の磁場生成コイルについて数値解析を行い、負荷とのカップリングの観点か
ら、駆動用パルス電源の特性およびその最適化について研究する。

国際超強磁場科学研究施設

International MegaGauss Science Laboratory

奥田哲治研究室奥田哲治

Tetsuji OKUDA

T. Okuda Group

客員准教授

Visiting Associate Professor

酸化物半導体や強相関電子系酸化物など多様な酸化物

I study an effect of interplay of charge, spin, and orbital degrees
of freedom on thermoelectric properties for various oxides
such as oxide semiconductors and strongly correlated electroncompounds, and search for a novel good thermoelectric oxide.
A very high magnetic field is a good perturbation directly
affecting the spin degree of freedom. Since high degeneracy andfluctuations of spin and orbital degrees of freedom are thought
to be one of origins of thermoelectric properties, we can clarify
the mechanism of thermoelectric response of oxides by breaking
the degeneracy and suppressing the fluctuations by applying
a high magnetic field. I will make a system for measurementsof thermopower and thermal conductivity in a pulsed highmagnetic field and measure thermoelectric properties in thehigh filed, by which I will investigate in detail the role of spinand orbital degrees of freedom in the thermoelectric properties for oxides and search for a novel guideline to create a goodthermoelectric oxide.

材料において、電荷・スピン・軌道自由度の相互相関がその熱電特性に果たす役割を明らかにすると共に、それに基づき優れた熱電特性を有する酸化物熱電材料の開発を行う研究を行っている。
十分な強磁場は、物質中のスピンに直接に働きかける
摂動となり、局在・遍歴スピンの縮退を解き、その揺らぎを抑制する。そのため、強磁場を用いることで、高い熱起電力の起源の一つと考えられている状態の高縮退やスピン・軌道揺らぎの効果が制御でき、物質の熱電特性のメカニズムに迫ることができると考えられる。本研究室では、パルス強磁場下で熱起電力と熱伝導率を評価するシステムを組み上げ、強磁場下で熱電特性評価を行う
ことにより、多様な酸化物材料においてスピン・軌道自由度の熱電特性に果たす役割を解明することで、優れた熱電材料を創出することを目指している。
81

THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

国際超強磁場科学研究施設

International MegaGauss Science Laboratory

キム研究室

キム

ヨンミン

Yongmin KIM

Kim Group

外国人客員教授

Visiting Professor

グラフェンおよび ZnO ベースの半導体ナノ構造のパル

Magneto-optical and magneto-transport studies on graphenes
and ZnO based nano-structures will be conducted in pulsed
high magnetic fields.
Graphene has attracted a great deal of interests in condensed
matter physics due to its novel physical properties and possible
electronic applications. It is well known that the carriers in agraphene undergo unnecessary charged impurity scatterings
located on the surface of the substrate. To avoid this problem
we use a suspended graphene in which some part of SiO2 wasetched. It is expected that by focusing the irradiation light at thecenter of the suspended part of the graphene, the interaction
between edge part of the graphene and the charged impurities
on SiO2 cannot affects the cyclotron motion of the carriers at thecenter of the suspended part. We are able to prepare a suspended
graphene as large as 10mm × 10 mm or even larger and aim tomeasure the cyclotron resonance and magneto-resistance.
We are fabricating ZnO-ZnMgO nano-disk and core-shell
type nano-wires by using a CVD and a ALD technique. The
magneto-transport experiments can be done with nano-contacts
on the nano-wires. By applying magnetic fields along the wireaxis, charges undergo spiral motion around the cylindricalquantum well. We study the Aharonov-Bohm effect at low fields
and the quantum Hall physics at the extreme quantum limit.

ス強磁場における磁気光学・磁気輸送特性の研究を行う。
グラフェンはその特異な電子帯構造に起因した特有の物理とデバイス応用への観点から近年多くの興味を集めている。グラフェンの電子は表面近傍の不純物散乱を受けやすいことが知られており、本質的な電子物性の評価を妨げる。この問題の克服のため、基板の SiO2 を一部除去した “ サスペンデッド・グラフェン ” を作製する。光
スポットを十分小さくすることで、端の影響と表面近傍の不純物による散乱効果を除いたサイクロトロン共鳴が観測可能になる。10 mm × 10 mm の大きなサイズの“ サスペンデッド・グラフェン ” を作製し、サイクロトロ
ン共鳴と磁気輸送特性の測定を行う。
CVD と ALD 法によって ZnO-ZnMgO ナノディスクとコアシェル型のナノ細線を作製し、ナノコンタクト技術を駆使してパルス磁場中での磁気輸送特性を調べる。磁場中では電荷は円柱量子井戸内でらせん運動する。弱磁場領域ではアラハノフ・ボーム効果、強磁場領域では量子極限条件下での量子ホール効果について研究を行う。

82
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

計算物質科学研究センター
Center of Computational Materials Science
物質科学の目的は、本来的に非常に多数の構成要素からなる物理系の性質を解き明かすことにある。そのような問題に対する完全な解答を人間の頭脳だけで導くことは不可能であり、近年のコンピュータハードウェアの発展にともなって、大規模数値計算によるアプローチが盛んになったのは当然のことといえる。コンピュータを利用した精密な物性予測によって、磁性体・超伝導・超流動における量子臨界現象など物性
物理学の基礎的な問題から、半導体デバイス設
計や燃料電池における電極反応など近い将来産業応用に結びつくことが期待される応用問題に至るまで、広い範囲において重要な成果が挙がっている。しかし、一方で、近年のハードウェア
開発のトレンドは並列化（＝演算器の多数化）であって、たとえば、国家プロジェクトとして開発中の大規模並列計算機「京」は 64 万個の計算コアから構成される。多くのコアにいかに効果的に計算を分業させるかが計算物質科学研
究における挑戦課題となっている。本センター
では、「京」や、物性研究所共同利用スパコンを始めとする様々な計算資源を活用して、この課
題に組織的に取り組んでいる。また、そのために、
計算物質科学コミュニティの組織である計算物

The goal of the materials science is to understandand predict properties of complicated physicalsystems with a vast number of degrees of freedom.
Since such problems cannot be solved with barehands, it is quite natural to use computers in materials
science. In fact, computer-aided science has been
providing answers to many problems ranging
from the most fundamental ones, such as criticalphenomena in quantum magnets, supercondicutors, and superfluids, to the ones with direct industrial applications, such as semiconductor devices
and electrode chemical reactions in batteries. In
the recent trends of the hardware developments,
however, the clock rate of each computing unit is
not improving any more. The growth of computer
power is mainly due to the growth in the number ofthe units. For example, "K-computer", the massively
parallel computer being build in Kobe as a national
project, consists of 640,000 cores. This fact thrusts avery challenging problem before researchers --- How
can we break up and assign our computational task to
many computing units? In order to solve this problem
in an organized way, we coordinate the use of thecomputational resources available to our community,
including "K-computer" and ISSP supercomputers.
We also support the activities of CMSI, an organization of the materials science community.

質科学イニシアティブ（CMSI）の活動を支援している。
教 授（センター長）*

常行

真司

教 授（副センター長）** 川島直輝

教 授 ***

Professor(Director)

Shinji TSUNEYUKI

助

教 ***

Research Associate

前橋

英明

富田

裕介

Hideaki MAEBASHI  

学術支援専門職員
Technical Associate

古宇田光

Hikaru KOUTA

Naoki KAWASHIMA

Research Associate

助

教 **

Technical Associate

川頭信之

Nobuyuki KAWAGASHIRA

高田

康民

助

教 **

Yusuke TOMITA  芝学術支援専門職員

三浦

淳子

特任教授

藤堂

眞治

助

教 ***

野口

良史

学術支援専門職員早川雅代

准教授 ***

杉野

修

助

教 **

渡辺

宙志

准教授 **

野口

博司

助

教 **

松田

佳希

Professor(Deputy Director)
Professor

Project Professor
Associate Professor
Associate Professor

Yasutami TAKADA  
Synge TODO

Osamu SUGINO
Hiroshi NOGUCHI

Research Associate
Research Associate
Research Associate
Research Associate

隼人

Hayato SHIBA
Yoshifumi NOGUCHI

学術支援専門職員

Technical Associate
Technical Associate

Hiroshi WATANABE
Yoshiki MATSUDA* 理学系研究科物理学専攻と兼任 / concurrent with Physics Department, Graduate School of Science** 物質設計評価施設と併任 /concurrent with Materials Design and Characterization Laboratory*** 物性理論研究部門と併任 /concurrent with Division of Condenced Matter Theory

83
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

Atsuko MIURA

Masayo HAYAKAWA

計算物質科学研究センター

Center of Computational Materials Science

藤堂研究室

藤堂 眞治

Synge TODO

Todo Group

特任教授

Project Professor

量子モンテカルロ法などの計算物理学の手法を用いて、スソフトウェアの開発にも力を注いでいる。

We study novel order states and quantum-phase-transitions,which are looked at the quantum spin system etc., by using thetechnique of computational physics, such as the quantum Monte
Carlo method. The effect of quantum fluctuations is pronounced
especially in line-shaped or thin-film magnets, nano particles,
etc. There, the geometric effect of substance can be quite strong,
and thus spins resonate by quantum fluctuations, and cannotalign with each other. When nonmagnetic impurities are
introduced into this “spin liquid” state, it shows the extremely
different behavior; magnetic long-range order is often induced
contrary to the usual magnets. By using the large-scale computer
simulation, we study such phenomena elicited by competition and coexistence of quantum fluctuations and disorder.
We also study the simulation algorithms, which fully demonstrate the capability of the latest supercomputers including the
K-computer, and develop open source software.

不純物誘起相転移の量子モンテカルロシミュレーション結果。サイト希釈により誘起された磁気モーメントの空間分布を示す。

マルコフ連鎖モンテカルロ法における幾何学的カーネル構成法。我々の新しい方法(BC) では棄却率 ( 赤 ) が完全に零となっている。

The results of quantum Monte Carlo simulation of impurity-induced phasetransition. Spatial distribution of magnetic moments induced by site dilution is shown.

The geometric construction of transition kernel in Markov-chain Monte
Carlo. In our new algorithm (BC), the rejection rate (red boxes) is eliminated completely.

量子スピン系などに見られる新奇な秩序状態と量子相転移現象を研究している。量子ゆらぎの効果は、細い棒状
や薄い膜状の磁性体、ナノ微粒子などにおいて特に顕著である。そこでは、物質の形状効果が特に強く、量子ゆらぎによりスピン同士が共鳴し、互いに揃うことのできない状態が実現する。この「スピン液体」は、非磁性不純物を混ぜると、逆に長距離磁気秩序が出現するなど、通常の磁性体とは極めて異なった特性を示す。我々は、大規模シミュレーションにより、量子ゆらぎと乱れの競合・共存により生じる物性現象の研究を行っている。また、
京コンピュータをはじめとする最先端のコンピュータの能力を十分に発揮する計算手法の研究や、オープンソー

研究テーマ Research Subjects
1.   低次元量子スピン系における量子液体状態
Quantum liquid state in low-dimensional quantum spin systems
2. 次元性、量子ゆらぎ、乱雑さの競合による新奇な量子相
Novel quantum phases created by competition of dimensionality, quantum fluctuations, and disorder
3. 新たなシミュレーション手法の開発
Development of new simulation algorithms
4. シミュレーションソフトウェアの高並列化とライブラリ開発
Parallelization of simulation software and development of libraries

84
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

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, Machine
Shop for various machining, Radiation Laboratory
for the safety in experiments that utilize X-ray, γ-ray
and radioactive materials, Library, Stock Room for
supplying common expendables, International Liaison
Office for supporting foreign researchers, and Publication Section for advertisement and publication. In
each facility, several staff members are working under
supervision of the 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

Chairperson
Cryogenics service

榊原俊郎

Toshiro SAKAKIBARA

Technical Associate

Hikaru TSUCHIYA

土屋光

技 術 職 員

鷺山玲子

特任専門職員北原直尚

技術専門職員Technical Associate

Reiko SAGIYAMATechnical Associate

工作委員長

Chairperson
Machine shop

金道

浩一

Koichi KINDO

Naohisa KITAHARATechnical Associate

Kiyonobu OKABE

岡部清信

技術専門職員

山崎淳

研究支援推進員

今井忠雄

研究支援推進員

榎本泰道

研究支援推進員

村貫

静二

野澤

清和

近藤

真智子（柏地区図書課研究情報係所属）

技術専門員

Technical Associate

Jun YAMAZAKI

Technical Staff

Tadao IMAITechnical Staff

Yasumichi ENOMOTOTechnical Staff

放射線管理委員長
Chairperson
Radiation lab.

図書委員長
Chairperson
Library

高橋

敏男

金道

浩一

Toshio TAKAHASHI

Koichi KINDO

Seiji MURANUKI

技術専門職員Technical Associate

Kiyokazu NOZAWA

係

長

主

任

原田

裕子（柏地区図書課研究情報係所属）

事務補佐員

石黒

由紀子

幸路

英吉

Administrative Staff
Administrative Staff
Administrative Staff

管理委員長（ストックルーム） 田島
Chairperson
Stock room

国際交流委員長

Chairperson
International liaison office

裕之

Hiroyuki TAJIMA

金道浩一

Koichi KINDO

専 門 職 員Administrative Staff

Chairperson
Public relations

加藤岳生

Takeo KATO

Yuko HARADA

Yukiko ISHIKURO

Hideyoshi KOURO

Administrative Staff

Akiko KAMEDA

亀田

秋子

事務補佐員

久保

美穂子

石塚

みづゑ

事務補佐員

Administrative Staff

広報出版委員長

Machiko KONDOH

技術補佐員

Technical Staff

Mihoko KUBO

Mizue ISHIZUKA

85
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

共通施設
低温液化室
Cryogenics Service Laboratory
榊原

低温委員長

土屋

技 術 専門職員

鷺山

技 術 職 員北原

特 任 専門職員

俊郎
光

玲子
直尚

工作室
Machine Shop

Chairperson: T. SAKAKIBARA

工作委員長

Technical Associate: H. TSUCHIYA

技術専門員

Technical Associate: R. SAGIYAMA

技術専門職員Technical Associate: N. KITAHARA

研究支援推進員
研究支援推進員
研究支援推進員

低温液化室は液体ヘリウムと液体窒素を供給し、あわ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

金道
岡部
山崎
今井
榎本
村貫

浩一
清信
淳

忠雄
泰道
静二

Chairperson: K. KINDOTechnical Associate: K. OKABE
Technical Associate: J. YAMAZAKI
Technical Staff: T. IMAITechnical Staff: Y. ENOMOTOTechnical Staff: S. MURANUKI

工作室は、研究上緊急を要する工作物の加工、研究用

圧ガスボンベの管理も行っている。液体ヘリウムは物の特色ある装置と部品の製作及びその改良、そして装置性研究に必要で、研究者や学生に供給される。蒸発し設計の相談と助言を行っている。また、研究者自らが研たヘリウムガスは回収し、精製して再液化に利用する。

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2010 年度の液体ヘリウムの生産量と供給量はそれぞれ
287,500 L、202,430 L である。液体窒素は外部より購れている。

入し、供給している。2010 年度の液体窒素の使用量はThe machine shop consists of a metal shop, a glass shop anda researcher’s 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.

574,500 L となっている。
The aim of this laboratory is to supply liquid helium and liquid
nitrogen, and to give general services concerning cryogenic
techniques. The laboratory also takes care of high-pressure gas
cylinders used in Kashiwa Campus. Liquid helium is producedby the laboratory’s own liquefier and supplied to the researchersand students. The evaporated helium gas is recovered andpurified in this laboratory for recycling liquefactions. In the2010 fiscal year, 287,500 L of liquid helium was produced as a
total and 202,430 L was supplied to the users. Liquid helium
is transferred from the 10,000 L storage vessel to various small
storages with the centrifugal immersion pump system. Liquid
nitrogen is purchased from outside manufacturers. The suppliedliquid nitrogen was 574,500 L 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

Metal 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Ⅰ（リンデ）Helium liquefier systemⅠ (Linde)

200 L/hr

液体ヘリウム貯槽

Liquid helium storage vessel

10,000 L

回収用ヘリウムガス圧縮機

Helium gas recovery compressor

190 m3/hr

ヘリウム液化装置Ⅱ（リンデ）Helium liquefier system Ⅱ (Linde)
液体窒素貯槽

移動用ヘリウムガス容器

遠心式ヘリウム汲上ポンプ

Liquid nitrogen storage tanks

233 L/hr

20,000 L

Glass shop:      Lathe for Glass Work, Polishing Tool,                       Ultrasonic Machining Tool

Rearcher’s Machine Shop: Universal Lathes, Precision Lathes,                                        Milling Machines

Liquid helium transport containers
500 L, 250 L, 100 L etc.
                                 Centrifugal liquid helium pump system 20 L/min

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 lathe

86
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

Sapporting Facilities
放射線管理室Radiation Safety Laboratory
放射線管理委員長
技術専門職員

高橋
野澤

敏男
清和

図書室
Library

Chairperson : T. TATAHASHI

図書委員長

Technical Associate: K. NOZAWA

係

長

主

任

（放射線取扱主任者）
                                (Radiation Protection Supervisor)

事務補佐員

金道

浩一

Chairperson : K. KINDO

原田裕子

Administrative Staff: Y. HARADA

近藤 真智子 Administrative Staff: M. KONDOH
石黒 由紀子 Administrative Staff: Y. ISHIKURO

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献

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複写、現物貸借サービスを行い資料の提供に努めている。

別健康診断の記録、放射線取扱者の教育訓練等を行って

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

いる。また、当室には、Ｕ、Th などの非密封核燃料物質
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 are to protect researchers from
irradiation due to radioactive source, X-rays, γ-rays and the likeand to provide rooms for radiation experiments and radiochemical operations by use of unsealed U, Th and sealed 22Na source.
Various types of survey-meters are provided.

概要
面積

主要設備

蔵書数

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よる：783m2：63,769 冊（平成 22 年度末現在）（洋書 57,532 冊、和書 6,237 冊、製本雑誌を含む）

雑誌種類数 ：739 種（洋雑誌 634 種、和雑誌 105 種）

実験が行える）、熱蛍光線量計、Ge 半導体検出器、α線検出器、液体シン

開室時間

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（ハンド座席数

フットクロスモニターによる汚染の確認）：平日 9:30-17:00（時間外利用

検索用端末 ：3 台

Main Facilities

複写機

：3 台

職員数

：3 人（事務補佐員含む）

The rooms for radiation experiments and radiochemical operations

運営

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

http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/labs/tosyo/(unsealed U, Th and sealed

22

Na source), various types of survey-

6:00-24:00）：24 席（内 8 席は LAN ケーブル、電源コンセント設置）：図書委員会

図書室

ハンドフットクロスクロスモニター

Library

The 7ch hand-foot-clothing monitor

87
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

共通施設
ストックルーム
Stock Room
管理委員長
専 門 職 員

田島
幸路

裕之
英吉

国際交流室
International Liaison Office

Chairperson: H. TAJIMA

国際交流委員長

Administrative Staff:  H. KOURO

事 務 補 佐 員
事 務 補 佐 員

金道
亀田
久保

浩一
秋子

Chairperson: K. KINDO
Administrative Staff: A. KAMEDA

美穂子 Administrative Staff: M. KUBO

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される消耗品、その他文房具などの国際交流委員会のもと、外国人客員所員の募集、招聘、共通物品をそろえている。研究者の便宜を図るため自動

宿 舎 の 管 理、 物 性 研 究 所 国 際 ワ ー ク シ ョ ッ プ の 募 集，払い出しシステムを用いて 24 時間オープンしており、必ISSP 国際シンポジウムの運営に関する業務やノウハウの要な物品を迅速かつ安価に入手することができる。使用蓄積などを行っている。その他、日常の外国人滞在者の頻度は高いが、一般市場で入手が容易でない物品や、一生活支援や、さまざまな情報提供をしている。

括購入によりコストダウンできる物品も在庫の対象であ・外国人客員所員・外国人訪問者の支援る。

（住居・学内外・諸事務手続き、日常生活等）
・研究プロジェクトの申請・実施に関する事務

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.

・レクリエーションの企画・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” forcontinuous 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 Office88
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

航空写真

89
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

Aerial Photo物性研究所
The Institute for Solid State PhysicsⒶ 本館
Main BuildingⒷ 低温・多重極限実験棟
		 Cryogenic/Multiple Extreme Conditions LaboratoryⒸ ショートパルス強磁場実験棟
		 Short Pulse Magnet LaboratoryⒹ 先端分光実験棟
		 Advanced Spectroscopy LaboratoryⒺ 軌道放射実験棟（SOR 実験棟）
		 Synchrotron Radiation LaboratoryⒻ ロングパルス強磁場実験棟
		 Long Pulse Magnet Laboratory
宇宙線研究所 Ⓖ
Institute for Cosmic Ray Research

国際高等研究所数物連携宇宙研究機構
Institute for the Physics and Mathematics of the UniversⓂ 共同利用棟 A・B・C
Joint Research Building A・B・CⓃ 本館
Main Building
大気海洋研究所
Atmosphere and Ocean Research InstituteⓄ 本館
Main BuildingⓅ 大気海洋観測機器棟
		 Observation warehouse
総合研究棟 Ⓠ
Kashiwa Research Complex

第 2 総合研究棟 Ⓡ
Kashiwa Research Complex2

新領域創成科学研究科
Graduate School of Frontier SciencesⒽ 基盤棟
		 Transdisciplinary Sciences BuildingⒾ 基盤科学実験棟
		 Transdisciplinary Sciences LaboratoryⒿ 生命棟
		 Biosciences BuildingⓀ 環境棟
		 Environmental BuildingⓁ 情報生命科学実験棟
		 Computational Biology Laboratory

共用施設
Supporting FacilitiesⓈ 環境安全研究センター柏支所
		 Environmental Science Center, Kashiwa BranchⓉ 柏図書館
		 Kashiwa LibraryⓊ 福利厚生棟		 Cafeteria and Shop
Ⓥ 共同利用研究員宿泊施設
		 Guest HouseⓌ 東大柏どんぐり保育園
		 Todai Kashiwa Donguri Day Nursery

90
THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2011

■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「国立がん研究センター行き」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「国立がん研究センター」下車  徒歩約 4 分●常磐自動車道柏 I.C. から車で約 5 分…………………………………………………………………………………………
■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■附属軌道放射研究施設播磨分室
     （SPring-8 内）

Harima Branch of Synchrotron Radiation Laboratory〒 679-5198 兵庫県佐用郡佐用町光都 1-1-1
1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5198
TEL：(0791) 58-0802■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■附属計算物質科学研究センター神戸分室     （理化学研究所計算科学研究機構内）

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2011 年 11 月