ISSN 0910-0709

Depar tment o f Physics
School of Science
The University of Tokyo

Annual Report
2 0 2 2

令和 4 年度 年次研究報告

東京大学 大学院 理学系研究科・理学部
物理学教室

図 1: 擬１次元有機伝導体 HMTSF-TCNQ の電荷密度波（CDW）状態におけるフェルミ面の模式図。第一原理計算の結果から、この物質はギャップのないディラック電子系のノード（ディラックコーンの頂点）が波数空間で連続的に存在している状態、つまりノーダルライン半金属であることが明らかになった。さらにノードのエネルギーは波数空間内で少しだけ上下するために、下図のように波数空間内の位置によって電子のフェルミ面 (青い部分) とホールのフェルミ面 (橙の部分) が交互に出現する。電子とホールが共存するので半金属である。HMTSF-TCNQ の実験で見られる大きな軌道反磁性とその奇妙な温度依存性は、この特異なフェルミ面によって説明可能である。
（尾崎壮駿ほか、小形研究室）

Schematic ﬁgure of the Fermi surface in the charge density wave (CDW) state of quasi-one dimensionalorganic conductor HMTSF-TCNQ. From the ﬁrst-principles calculation, it is shown that this material has
a ground state in which the nodes of gapless Dirac electron systems exist continuously in momentum space,or a nodal line semimetal. Furthermore, since the energy of the nodes changes slightly in the momentum
space, the electron Fermi surface (blue part) and the hole Fermi surface (orange part) appear alternately
depending on the position in the momentum space, as shown in the ﬁgure. It represents a semimetallic
state because electrons and holes coexist. The large diamagnetism and its unconventional temperaturedependence observed experimentally in HMTSF-TCNQ can be explained using this characteristic Fermi
surface. (Soshun Ozaki et al, Ogata group)

i

(a)

異常ホール伝導度(任意単位)

(a)
(b)

(b)
1
0
-1

0

50

100
150
時間 (秒)

200

図 2: (a) カゴメ格子を有する Co3 Sn2 S2 は、特徴的なバンド構造（図中グレーのコーン）に由来して物質中の電子が質量ゼロのワイル粒子として振る舞う、ワイル半金属の一種である。Co3 Sn2 S2 に円偏光の光（青や赤の螺旋）を照射することで、この物質が持つ強磁性の磁化とワイル粒子のカイラリティ（右巻き：ピンク、左巻き：緑）を繰り返し自在に反転することに成功した。(b) 右回り円偏光 (ピンク)、左回り円偏光 (水色) を繰り返し照射した際の異常ホール伝導度の時間変化。円偏光のヘリシティを変えることで、ワイル粒子のカ
イラリティと対応する異常ホール伝導度の符号が繰り返し反転している。（島野研究室）(a) Co3 Sn2 S2 , which has a kagome lattice, is a Weyl semimetal in which the electrons behave as massless
Weyl particles due to the characteristic band structure (gray cones in the ﬁgure). By irradiating Co 3 Sn2 S2with circularly polarized light (blue and red spirals), the ferromagnetic magnetization and the chirality of
Weyl cones in this material (right-handed: pink, left-handed : Green) were successfully reversed repeatedly.
(b) Time evolution of anomalous Hall conductivity under repeated irradiation with left-handed (light blue)
and right-handed (pink) circularly polarized light, which shows repeated ﬂips. (Shimano Group)

ii

10µm

図 3: 大腸菌集団に生じる液晶的配向秩序とトポロジカル欠陥。トポロジカル欠陥の箇所に大腸菌が引き寄せられ、コロニーが局所的に隆起することが見出された。 従来知見では巻き数 −1/2 の欠陥からは細胞が逃避することが期待されていたが、本研究では −1/2 欠陥にも細胞が引き寄せられていた。我々は、細胞が鉛直方向に傾くことで極性秩序が生じていることを発見し、それによる極性起因力によって −1/2 欠陥への細胞流を説明することに成功した。T. Shimaya and K. A. Takeuchi, PNAS Nexus 1, pgac269 (2022).（竹内研究室）

Liquid crystalline orientation order and topological defects in colonies of Escherichia coli. Topologicaldefects were found to attract bacteria, increasing the local colony height at the locations of the defects.
While existing theory predicted that cells should be repelled from defects of winding number −1/2, ourexperiments showed the opposite. We found that vertical tilting of cells led to the formation of polar order,
and the force induced by this polarity turned out to be the key to account for the cell in-ﬂux toward −1/2
defects. T. Shimaya and K. A. Takeuchi, PNAS Nexus 1, pgac269 (2022). (Takeuchi Group)iii

序東京大学大学院理学系研究科物理学専攻・理学部物理学科の令和 4 年度（2022 年 4 月–2023 年 3 月）年次研究報告をお届けします。この小冊子が物理学教室で広く行われている多彩で活発な研究・教育の現状を知っていただく手がかりになれば幸いです。
最初に、新しく入ってこられた教員ですが、教授として、中村哲氏（原子核物理学実験：東北大学）、助教
として、高三和晃氏（辻研：ローレンス・バークレー国立研究所）、福田朝氏（諸井研：ローレンス・バーク
レー国立研究所）、横溝和樹氏（蘆田研：日本学術振興会特別研究員）、永尾翔氏（中村研：東北大学）、山崎
隼汰氏（村尾研：IQOQI Vienna）、萩野浩一氏（馬場研：関東学院大学）が着任されました。また、明石遼
介助教（常行研）が量子科学技術研究開発機構主任研究員として、大屋瑶子助教（山本研）が京都大学講師として、小高裕和助教（馬場研）が大阪大学准教授として、森田悠介助教（五神研）が本学フォトンサイエンス
研究機構助教として転出されました。また、五神真教授、山本智教授が本年度定年を迎えられました。
本年度も教室関係者の活発な研究・教育活動の結果、多くの方が受賞されています。牧島一夫名誉教授が瑞宝中綬章を受章されました。また、辻直人准教授、酒井明人講師が令和 4 年度文部科学大臣表彰若手科学者賞を、和田有希氏（馬場研、現大阪大学）、 石橋未央氏（中辻研）が第 39 回（2022 年度）井上研究奨励賞
を、肥後友也氏（中辻研）が丸文研究奨励賞（令和 4 年度）を、仲里佑利奈氏（吉田研）が令和 4 年度学生表
彰「東京大学総長賞」総長賞を受賞されました。さらに、田島裕之助教（Liang 研）、赤城裕助教（桂研)、吉川尚孝助教（島野研) 秋山進一郎氏（藤堂研）、野辺拓也氏（浅井研）、鈴木寛大氏（馬場研、現 甲南大学）が第 17 回（2023 年）日本物理学会若手奨励賞を受賞されました。また、加藤勢氏、川田拓弥氏、髙久諒太氏、
杉山素直氏が令和 4 年度理学系研究科研究奨励賞（博士課程）を、仲里佑利奈氏、吉田智治氏、小川和馬氏、
直川史寛氏が同研究奨励賞（修士課程）を、佐々木大地氏、高波海斗氏、永島来悟氏が令和 4 年度理学部学修奨励賞を受賞しました。
これまで新型コロナウイルスの影響が続き、大学での活動にいろいろな制約がありましたが、令和 4 年度
は学部や大学院の講義も物理学実験、物理学ゼミナール、特別実験・理論演習とともに、感染予防に極力注意しながら基本的に対面で行われました。また物理学科の学生が五月祭で行っている企画 PhysicsLab も対面で開催されました。一方、学生同士あるいは学生と教員の交流の場として 12 月に開催されてきたニュートン
祭は開催されませんでした。その代わりに、前年度に引き続き少人数の学生を対象として教員が行う研究セ
ミナー『ニュートンカフェ』を開催しました。また例年行われていた夏休み前のビアパーティーは開催されませんでしたが、その代わりに 10 月にアルコール・食事無しで学生と教員の交流会を開催しました。
令和 2 年度から始まった物理学教室と産業界との連携はますます発展しています。JSR 株式会社との包括連携に基づいた共同研究の基盤活動は、理学部 1 号館中央棟 3 階にオープンした協創オフィス「JSR・東京
大学協創拠点 CURIE」を起点として、教室内の先生との交流を生み、複数の共同研究に繋がっています。この包括連携により、物理学専攻は社会に深く浸透した様々な材料の学理探究を通して普遍的真理と新たな学問領域を見出し、一方 JSR はサイエンスに基づく新たな高機能材料の開発を推進していきます。また、物理学専攻の博士課程学生を対象とした給付型フェローシップである、「JSR フェローシップ」もこれまで何名もの学生に給付され、彼らの研究活動を支援しています。
また令和 3 年度から IBM 量子コンピューターの実機（ソフトウェア）を用いた量子ネイティブ人材育成を開始していますが、令和 4 年度からは浅野キャンパスに設置された IBM 量子コンピューターの実機に触れる教育内容に拡充して行っています。
令和 4 年 10 月に、サスティナブル量子 AI 研究拠点が、JST 共創の場形成支援プログラム (COI-NEXT) の政策重点分野 (量子技術分野) に採択されました。これは、東京大学・慶應大学・理化学研究所・OIST・シカ
ゴ大学をはじめ川崎市や多数の参画企業が一体となり研究開発を進めるもので、量子機械学習・量子シミュ
レーション・量子計測デバイスを結合した量子 AI 技術を創出、量子 HPC 基盤の構築を目指しています。
物理学教室は、今後も社会における基礎科学の新たな役割を模索しつつ、持続可能な基礎研究・教育の実現に向けて努力してまいります。先輩の先生方、卒業生の皆様、ならびに関係各位には、引き続きご指導ご鞭撻をお願い申し上げます。
この年次研究報告は、樺島祥介教授、蘆田祐人准教授、仁井田和子氏のご尽力によって編集作成されました。この場を借りて感謝いたします。

2023 年 5 月 1 日
物理学専攻 専攻長・物理学科 学科長
小形 正男

目次
I

研究室別 2022 年度 研究活動報告

1
1.1
1.2
1.3

2
2.1

2.2

2.3

3
3.1

3.2

3.3

1

原子核・素粒子理論
原子核理論 (福嶋) 研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
原子核理論 (Liang) 研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
素粒子論研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1 現象論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2 弦理論，場の理論全般 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2
2
4
9
9
10

原子核・素粒子実験
原子核実験グループ(中村研究室) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 JLab における Λ ハイパー核電磁生成分光実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 MAMI における崩壊 π − 中間子分光 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 ELPH におけるハイパー核研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4 J-PARC における次世代ハイパー核分光実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.5 異分野融合研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
横山（将）・中島研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 加速器による長基線ニュートリノ振動実験（T2K 実験） . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 スーパーカミオカンデ実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 ハイパーカミオカンデ計画 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4 新検出器開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
浅井研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 LHC・ATLAS 実験での研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 小規模実験で探る標準理論を超えた新しい素粒子現象の探索 . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 基礎科学への応用を目指した量子技術研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

物性理論
小形研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 ディラック電子系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 熱応答・熱電応答の理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3 超伝導の理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4 軌道磁場効果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.5 有機伝導体の理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.6 カイラリティの物理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
常行研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 THz 領域の複素誘電率計算手法の開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 非熱的レーザー加工の機構解明とシミュレータの開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 データ同化構造探索手法の開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.4 進化的アルゴリズムによる構造探索 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.5 水素化物ペロブスカイトの超伝導 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.6 相関波動関数を用いた電子状態計算手法の開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
藤堂研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30
30
30
30
31
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32
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36
36
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38
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v

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16
17
18
18
20
20
21
21
22
24
24
25
27

3.4

3.5

3.6

3.7

4
4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

3.3.1 強相関系のシミュレーション手法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 強相関多体系における新奇な状態・相転移現象 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 量子計算と量子アルゴリズム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4 統計的機械学習と物質科学 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.5 次世代並列シミュレーションのためのオープンソースソフトウェア . . . . . . . . . .
桂研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 強相関系・トポロジカル系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 散逸のある量子多体系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3 数理物理学・統計力学 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.4 その他 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
樺島研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1 スパース推定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2 組み合わせ最適化問題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.3 統計的学習理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.4 拡散モデルに基づく圧縮センシング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
辻研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.1 超伝導体のダイナミクス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.2 量子開放系のダイナミクス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.3 直流電場・電流が誘起する量子相 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.4 量子多体系の非線形応答 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.5 トポロジカル相のダイナミクス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
蘆田研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.1 開放系・非エルミート物理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.2 強結合量子光-物質系の物理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.3 統計物理・機械学習 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.4 その他 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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42
42
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59
59
60
60

物性実験
長谷川研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 表面/界面での輸送・磁性特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 表面・原子層ナノ構造の形成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3 新しい装置・手法の開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
岡本 研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 劈開表面に形成された２次元電子系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 金属超薄膜の超伝導 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 ビスマス超薄膜の電気伝導 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
島野研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 超伝導体 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 原子層物質 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 ディラック、ワイル半金属 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
高木・北川研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 スピン軌道相互作用を利用した擬スピン量子相 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2 高圧物性研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
林研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1 スピン流物性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.2 界面スピン軌道相互作用とカイラル磁性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.3 強結合量子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
小林研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.1 色中心における量子制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.2 量子センサの物性計測応用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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83
84

vi

4.7

5
5.1

5.2

5.3

5.4

6
6.1

6.2

6.3

6.4

4.6.3 メゾスコピック系における量子輸送 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
中辻・酒井研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.1 トポロジカル磁性体における新規量子現象の探索と巨大応答 . . . . . . . . . . . . . .
4.7.2 多体系における量子エンタングルメント状態 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86
89
89
91

一般物理理論
宇宙理論研究室 (須藤・吉田) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1 観測的宇宙論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.2 宇宙の構造形成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.3 ブラックホール 3 体系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.4 高エネルギー天体現象 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.5 星・惑星系の形成と進化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.6 系外惑星 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.7 量子計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
村尾研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 量子機械学習・量子学習 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 分散型量子情報処理アルゴリズム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.3 高階量子演算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.4 量子エラー訂正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.5 量子熱力学と量子リソース理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
上田研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 冷却原子気体・非平衡開放系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2 量子論・統計力学と情報理論・人工知能の融合 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
横山 (順) 研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1 宇宙論: 時空構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2 宇宙論: 物質の起源と進化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3 重力波検出器 KAGRA データ解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.4 時間領域天文学 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94
94
94
94
95
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96
96
100
100
101
101
102
103
105
105
106
109
109
109
110
111

一般物理実験
115
江尻研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.1.1 TST-2 実験の概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.1.2 低域混成波によるトカマクプラズマの非誘導生成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.1.3 高速電子に起因する内部励起波動の観測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.1.4 電子サイクロトロン波補助オーミック立ち上げ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.1.5 計測器開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.1.6 共同研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
山本研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2.1 はじめに . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2.2 星・惑星系形成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2.3 観測成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2.4 研究室を閉じるにあたって . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
酒井広文 研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.3.1 レーザー光を用いた分子配向制御技術の進展 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.3.2 最近の進展 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.3 マクロな３回対称性をもつ分子アンサンブルの生成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.4 PAL-XFEL 施設の軟 X 線自由電子レーザーを用いた光電子角度分布の計測 . . . . . . 128
6.3.5 その他 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
五神 研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.4.1 物質系の巨視的量子現象の探索 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.4.2 フェムト秒レーザー加工穴径の定量的予測を可能にするシミュレーション手法の開発 132

vii

6.5

6.6

6.7

6.8

6.9

7
7.1

7.2

7.3

7.4

6.4.3 新規コヒーレント光源開発と新しい分光手法開拓 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.4 フォトンサイエンス研究機構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
安東研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.1 重力波望遠鏡 KAGRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.2 宇宙空間重力波望遠鏡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.3 ねじれ型重力波検出器 TOBA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.4 アクシオンダークマター探索 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.5 相対論・量子光学実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
馬場研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.1 宇宙物理現象観測に関する研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.2 将来宇宙計画に関する開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.3 GRAMS 計画 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.4 cipher 計画 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
日下研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.1 Polarbear 実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.2 Simons Array 実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.3 Simons Observatory 実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.4 次世代 CMB 実験用 装置開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.5 マグノンを用いたアクシオン探索 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
竹内研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8.1 ソフトマター系の非平衡実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8.2 微生物系の非平衡実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8.3 非線形動力学によるアプローチ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
三尾研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.1 レーザー加工の物理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.2 KAGRA project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

133
133
134
135
135
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137
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140
142
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148
148
150
151
152
153
156
156
157

生物物理
159
能瀬研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.1.1 神経回路の活動ダイナミクスと構造の数理統計解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.1.2 運動出力ダイナミクスの定量的解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.1.3 行動制御回路を構成する神経細胞の同定と機能解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.1.4 機能的神経回路の発生と進化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
樋口研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.2.1 はじめに . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.2.2 弱体化した細胞における細胞内小胞拡散の定量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.2.3 低温から培養温度に至る過程における細胞の形態や発生力の変化 . . . . . . . . . . . . 165
7.2.4 精子鞭毛振動のメカニズム解明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.2.5 鞭毛振動運動を再現できる最小モデルシステムの構築 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
岡田研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.3.1 ナノ流路を用いたタンパク質動態計測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.3.2 耐光性蛍光タンパク質 StayGold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.3.3 超解像蛍光顕微鏡の生物学研究への応用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
古澤研究室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.4.1 環境応答に基づく表現型進化の予測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.4.2 選択圧にフィードバック制御をかけた進化実験による進化能の定量 . . . . . . . . . . 171
7.4.3 代謝モデルを用いた共生進化過程の解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.4.4 数理モデルを用いた無細胞翻訳系の最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.4.5 代謝動力学モデルにおける恒常性の乱れ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.4.6 実験室進化における遺伝子の配列進化速度と発現量の逆相関 . . . . . . . . . . . . . . 172

viii

7.4.7
8
8.1

8.2

II

長期定常期の大腸菌の遺伝子発現状態の推定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

技術部門
176
実験装置試作室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
8.1.1 利用状況 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
8.1.2 設計・加工の自動化の推進 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
技術室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
8.2.1 学生実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
8.2.2 各種委員会 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

Summary of group activities in 2022
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35

36
37

Fukushima Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Liang Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
High Energy Physics Theory Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nakamura Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Yokoyama(M)-Nakajima Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Asai group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ogata Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tsuneyuki Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Todo Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Katsura Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kabashima Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tsuji Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ashida Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hasegawa Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Okamoto Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Shimano Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Takagi-Kitagawa Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hayashi Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kobayashi Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nakatsuji-Sakai Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Theoretical Astrophysics Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Murao Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ueda Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Yokoyama (J) Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ejiri Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Yamamoto Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sakai (Hirofumi) Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gonokami Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ando Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bamba Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kusaka Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Takeuchi Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mio Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nose Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Higuchi Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.1 Oscillation by the minimum model system of ﬂagella . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.2 Quantitative evaluation of intracellular vesicle diﬀusion in weakened cells. . . . . . .
Okada Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Furusawa Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ix

177
178
178
179
180
181
182
183
184
184
185
186
187
188
188
189
190
191
192
193
194
196
199
200
201
202
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
214
215
215

III
1
1.1

1.2

1.3

1.4

2022 年度 物理学教室全般に関する報告

217

学部講義概要218
2 年生 A セメスター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
1.1.1 電磁気学 I : 横山 将志 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
1.1.2 解析力学 : 常行 真司 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
1.1.3 量子力学 I : 日下 暁人 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
1.1.4 物理実験学 : 安東 正樹, 中島 康博 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
1.1.5 物理学演習 II : 常行 真司, 日下 暁人, 鎌田 耕平, 松浦 弘泰 . . . . . . . . . . . . . . . 220
1.1.6 物理数学 I : 濱口 幸一 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
1.1.7 物理数学 II : 辻 直人 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
1.1.8 物理学演習 I : 横山 将志, 濱口 幸一, 辻 直人, 永田 夏海, 高三 和晃 . . . . . . . . . . . 222
1.1.9 物理学のための科学英語基礎 : 小野 義正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
3 年生 S セメスター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
1.2.1 電磁気学 II : 島野 亮 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
1.2.2 物理学実験 I: 全実験担当教員 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
1.2.3 量子力学 II : 福嶋 健二 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
1.2.4 物理学演習 III : 福嶋 健二, 島野 亮, 中川 大也, 田島 裕之 . . . . . . . . . . . . . . . . 225
1.2.5 現代実験物理学 I : 江尻 晶, 酒井 明人 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
1.2.6 計算機実験 I : 藤堂 眞治, 高橋 昂, 藤澤幸太郎 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
1.2.7 量子コンピューター実習 : 浅井 祥仁, 寺師 弘二 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
1.2.8 統計力学 I : 小林 研介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
1.2.9 流体力学 : 吉田 直紀 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
1.2.10 物理学演習 IV: 小林 研介, 竹内 一将, 赤城 裕, 諏訪 秀麿 . . . . . . . . . . . . . . . . 228
3 年生 A セメスター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
1.3.1 物理学実験 II: 全実験担当教員 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
1.3.2 光学 : 井手口 拓郎, 三尾 典克 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
1.3.3 量子力学 III : 諸井 健夫 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
1.3.4 現代実験物理学 II : 安東 正樹, 中島 康博 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
1.3.5 物理学演習 V : 諸井 健夫, 竹内 一将, 浅井 祥仁, 大森 寛太郎, 山本 新 . . . . . . . . . 231
1.3.6 生物物理学 : 樋口 秀男, 岡田 康志 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
1.3.7 物理数学 III : 小形 正男 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
1.3.8 固体物理学 I : 林 将光 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
1.3.9 電磁気学 III : 浅井 祥仁 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
1.3.10 統計力学 II : 竹内 一将 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
1.3.11 計算機実験 II : 藤堂 眞治, 高橋 昂, 藤澤 幸太郎 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
4 年生 S セメスター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
1.4.1 機械学習概論 : 樺島 祥介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
1.4.2 場の量子論 I : 松尾 泰 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
1.4.3 サブアトミック物理学 : 中村 哲 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
1.4.4 計算科学概論 : 6 名によるオムニバス講義・実習 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
1.4.5 統計力学特論 : 押川 正毅 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
1.4.6 現代物理学入門 : 蘆田 祐人, 中村 哲 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
1.4.7 一般相対論 : 横山 順一 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
1.4.8 系外惑星 : 相川 祐理, 河原 創 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
1.4.9 量子光学 : 酒井 広文 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
1.4.10 固体物理学 II : 中辻 知 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
1.4.11 プラズマ物理学 : 江尻 晶 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
1.4.12 宇宙物理学 : 馬場 彩 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
1.4.13 生物物理学特論 II : 能瀬 聡直, 酒井 邦嘉, 新井 宗仁 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

x

1.5

2

1.4.14 化学物理学 : 高木 英典 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 年生 A セメスター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.1 素粒子物理学 : 田中 純一, 大谷 航 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.2 場の量子論 II : 伊部 昌宏 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.3 原子核物理学 : Haozhao Liang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.4 現代物理と機械学習 : 蘆田 祐人 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.5 電子回路論 : 北川 健太郎 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.6 固体物理学 III : 酒井 明人 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.7 非平衡科学 : 伊藤 創祐 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.8 普遍性生物学 : 古澤 力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.9 重力波物理学 : Kipp Cannon, 都丸 隆行 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.10 物理学のための科学英語特論 : 小野 義正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

240
241
241
241
242
242
243
243
243
244
244
245

各賞受賞者紹介246
2.1 牧島 一夫 名誉教授 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
2.2 辻 直人 准教授 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
2.3 肥後 友也 特任准教授 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
2.4 酒井 明人 講師 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
2.5 和田 有希 氏（馬場研、現大阪大学大学院工学研究科） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
2.6 赤城 裕 助教（桂研） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
2.7 秋山 進一郎 特任助教（藤堂研） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
2.8 田島 裕之 助教（Liang 研） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
2.9 野辺 拓也 特任助教（浅井研） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
2.10 吉川 尚孝 助教（島野研） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
2.11 石橋 未央 氏（中辻研） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
2.12 鈴木 寛大 氏（馬場研、現甲南大学） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
2.13 仲里 佑利奈 氏（吉田研） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
2.14 理学系研究科研究奨励賞・理学部学修奨励賞 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

3

人事異動

251

4

役務分担

253

5

教室談話会

254

6

物理学教室コロキウム

255

7

金曜ランチトーク256

8ニュートン・カフェ

258

xi

I

研究室別 2022 年度 研究活動報告

質状態が実現していることを見出した。またスケール不変性の急速な回復によって音速にピークが立つ
メカニズムを提唱した [2]。

1 原子核・素粒子理論

クォーク物質へのクロスオーバー転移シナリオによる中性子星合体の重力波解析

1.1

福嶋は現代的な QCD 相転移の知見にコンシステ
ントとなる「クロスオーバー転移」によって原子核物
質がクォーク物質へと融けるシナリオに沿って、中性子星内部の高密度物質の状態方程式を構築する新しい方法を提案した。このようにして作られた状態
方程式は摂動 QCD による理論計算へと漸近する性
質を満たしている。摂動 QCD 領域は状態方程式がソフトになるため、逆に状態方程式のソフト化こそがクォーク物質発現の指標になり得ることを指摘し、その実証のために、重力波シミュレーションによって実際に、中性子星合体以後に放出される重力波のパターンに特徴的な振る舞いが見えることを報告した [3]。

原子核理論 (福嶋) 研究室

原子核理論研究室では、福嶋健二教授、山本新助
教、大学院生らによって最先端のフロンティアを開拓する世界的な研究を精力的に行った。ここではそれらの活動と成果の概要を述べる。
ハドロン (バリオン、メソンの総称) を形成するクォークとグルーオンは、量子色力学 (QCD) により定式化された相互作用に従う。QCD は一見単純なラグランジアンで記述されるが、その非摂動性、非線型性のために、量子場の理論として他に類を見ないユニークな性質を持つ。我々の研究室では高温・高密度クォーク・グルーオン物質の理論、強電場・磁場中のクォーク物質の物性とトポロジー、カイラ
ル量子異常、中性子星深部の状態方程式の計算など、幅広く様々な難問に挑戦している。特に、原子核ハ
ドロン 物理の現象論とともに、より俯瞰して「場の量子論」の現代的な課題に取り組んでいるのが特色である。

時刻をパラメータとする非平衡相転移
平衡系に比べて非平衡系における相転移現象は理論的な取り扱いが難しく、特に量子系の場合は近似に頼らない計算手法は限られる。本研究では、特定のスピン模型では非平衡状態であっても量子モンテ
カルロ法を用いた第一原理計算が可能であることを示した [5]。さらに、このスピン模型の時間発展の数
値的シミュレーションを実行し、時間経過によって常磁性相から強磁性相へ相転移することを示した。今回確認された相転移は、時刻をパラメータとした特異性を持つ新奇な非平衡相転移である。言うなれば、平衡系における 2 次相転移の臨界温度を「臨界時刻」に置き換えた非平衡 2 次相転移である。

回転を用いた閉じ込め問題への新しいアプローチの開発
福嶋、Chen、嶋田は回転するグルーオン物質の性質を摂動計算によって解析し、虚数の角速度で回転する高温物質が閉じ込めの性質を持つことを発見した。さらに回転する物質の低温での性質も、現在考えられている閉じ込めのメカニズムを用いて予想し、角速度を軸とする QCD 相図を提唱した。その結果、本研究が発見した新奇な高温閉じ込め相が、よく知られた低温・低密度の閉じ込め相（ハドロン相）と連続することが示唆され、回転を用いて閉じ込め問
題にアプローチできることが見出された。また実数
角速度で回転する物質の非閉じ込めの性質についても解析し、相転移温度の角速度依存性について推測した。本研究は Physical Review Letters の Editors’
Suggestion に選ばれた [1]。

量子コンピュータを用いた核子多体系の格子ゲージ
理論計算の性能評価
原子核物理学における核子多体系の計算は格子ゲー
ジ理論の究極の目標である。核子多体系の計算では核子数が増えると急激に計算コストが増大することが知られており、現在の古典コンピュータを用いた計算では核子数 3、4 個程度が限界である。本研究では、古典コンピュータと量子コンピュータの計算コストが核子数に対してそれぞれどのようにスケールするか (計算複雑性) を議論した。研究の結果、古典
コンピュータでは指数関数的に計算コストが増大するのに対して量子コンピュータでは多項式的な増大しかしないことがわかり、将来的には量子コンピュータによる計算の方が高速になる可能性が示された。

中性子星内部の高密度物質のトレース量子異常の研究
福嶋は中性子星からの観測データ解析に基づき、高密度物質中におけるトレース量子異常の大きさを推定した。その結果、中性子星の内部では従来考えられていたよりも低い密度で、まだ結合定数が小さくないにもかかわらず、近似的にスケール不変な物

2

1. 原子核・素粒子理論

1.1. 原子核理論 (福嶋) 研究室

汎関数繰り込み群による θ 真空の研究(会議抄録)

福嶋、島崎らは θ 真空への汎関数繰り込み群の適用可能性について研究した。汎関数繰り込み群は微分方程式に基づく量子論の (原理的には) 厳密な定式化である。近似のない厳密な定式化であるにもかかわらず、トポロジーのような大局的な性質を扱うためには、元の理論の定義されている多様体を変形する必要があることを議論した。そして θ 真空のエネ
ルギースペクトルの完全な再現、特に θ = π における基底状態の縮退を正しく導くためには、非局所性を含む解空間で微分方程式を解かねばならないことを明らかにした。また θ 項の存在に代表されるような「符号問題」をもつ系に対しては、有効作用が一意に定義できるとは限らないことも指摘した [8, 23]。

[7] K. Fukushima, “Gravitational Waves Probing
Quark Matter Crossover”, Acta Phys. Polon. Supp.
16, 100 (2023).
(学位論文)[8] 島崎拓哉, “Diﬃculty in the functional renormalization group for the θ vacuum and an attempt toward
the resolution”, 博士論文, 2023
[9] 大沼勝弥, “Application of Tensor Networks to(1+1)-Dimensional SU(2) Lattice Gauge Theory at
Finite Density”, 修士論文, 2023.
[10] 嶋田侑祐, “Phase structure of hot QCD matter under rotation with complex angular velocity”, 修士
論文, 2023.
(国際会議)

Solitonic symmetry beyond homotopy groups

一般講演

Topological solitons are non-perturbative excitations often existing in quantum ﬁeld theories. Theirconservation law has a topological origin and is believed to be described by homotopy groups. We
challenged this doctrine by carefully studying thecreation/annihilation operators for topological solitons and uncovered a far more sophisticated conservation law. We found that the solitonic symmetry
is in general a non-invertible generalized symmetry
and its invertible part is not determined by homotopy groups but by some generalized homologies [6].
This discovery also brought new insights into ourunderstanding of generalized symmetry.

[11] K. Fukushima, “Gravitational Waves Probing
Quark Matter Crossover”, 29th International Conference on Ultrarelativistic Nucleus-Nucleus Collisions (Quark Matter 2022), Kraków, Poland, April
6, 2022 (online).
[12] K. Fukushima, “Crossover toward Quark Matter in
Neutron Stars”, XVth Quark Conﬁnement and the
Hadron Spectrum, University of Stavanger, Norway, August 2, 2022.
[13] Shi Chen, “Solitonic symmetry beyond homotopy:
invertibility from bordism and non-invertibility
from TQFT”, KEK Theory Workshop 2022, Online, Dec. 7-9, 2022.

＜報文＞(原著論文)

招待講演[1] S. Chen, K. Fukushima, Y. Shimada, “Perturbative Conﬁnement in Thermal Yang-Mills Theories
Induced by Imaginary Angular Velocity”, Phys.
Rev. Lett. 129, 242002 (2022).

[14] K. Fukushima, “Roundtable Discussions on Neutron Stars”, XVth Quark Conﬁnement and the
Hadron Spectrum, University of Stavanger, Norway, August 2, 2022.

[2] Y. Fujimoto, K. Fukushima, L.D. McLerran, M.
Praszalowicz, “Trace Anomaly as Signature ofConformality in Neutron Stars”, Phys. Rev. Lett.
129, 252702 (2022).

[15] K. Fukushima, “Chiral Anomaly and the Interpretation with Spacetime Dependent Electromagnetic
Fields”, Workshop on Electromagnetic Eﬀects inStrongly Interacting Matter, Sao Paulo, Brazil,
Oct. 27, 2022.

[3] Y. Fujimoto, K. Fukushima, K. Hotokezaka, K.
Kyutoku, “Gravitational Wave Signal for Quark
Matter with Realistic Phase Transition”, Phys.
Rev. Lett. 130, 091404 (2023).

[16] K. Fukushima, “Conﬁnement induced by imaginary angular velocity and a conjectured phase diagram”, QCD and Gauge/Gravity Duality, Pohang(APCTP), Korea, Nov. 7, 2022.

[4] F. Gross, E. Klempt, K. Fukushima, et al., “50Years of Quantum Chromodynamics”, e-Print:
2212.11107 [hep-ph], invited volume for the EJPC.
[5] T. Hayata, Y. Hidaka, A. Yamamoto, “Dissipationinduced dynamical phase transition in postselected quantum trajectories”, PTEP 2022, 023I02(2023).

[17] K. Fukushima, “A Possibility of Twisted Gauge
Backgrounds and Chirality Production in the
Heavy-Ion Collision”, Chirality, Vorticity andMagnetic Field in Heavy Ion Collisions, UCLA,
USA, Dec. 3, 2022.

[6] S. Chen, Y. Tanizaki, “Solitonic symmetry beyond homotopy: invertibility from bordism andnon-invertibility from TQFT”, e-Print: 2210.13780[hep-th].

[18] K. Fukushima, “Electric Conductivity and ChiralAnomaly – perturbative and holographic perspectives”, Holographic perspectives on chiral transport, Trento (ect*), Italy, March 13, 2023.

3

1.2. 原子核理論 (LIANG) 研究室

1. 原子核・素粒子理論(国内会議)

research themes is nuclear density functional theory(DFT), which aims at understanding both groundstate and excited-state properties of thousands ofnuclei in a consistent and predictive way. Our research interests also include the microscopic foundation of nuclear DFT, the interdisciplinary applications in nuclear astrophysics, particle physics,
condensed matter physics, etc., and the relevant
studies in general quantum many-body problems.
To this end, a cold atomic gas can be regarded
as an ideal testing ground for many-body theories
because of its controllability. In this regard, weare also interested in investigating novel many-bodyphenomena and developing quantum many-body theories through the comparisons with cold-atom experiments.

一般講演[19] 大沼勝弥, 福嶋健二, 山本新, “Inhomogeneous phases
in ﬁnite-density Schwinger model with tensor networks”, 日本物理学会, 2022 年秋季大会, 2022 年 9
月 6-8 日.
[20] 嶋 田 侑 祐, Shi Chen, 福 嶋 健 二, “Conﬁnementand deconﬁnement in a hot gluonic system withreal/imaginary rotation”, 日本物理学会, 2022 年秋季大会, 2022 年 9 月 6-8 日.
招待講演[21] 山本新, “変分法”, 場の理論の新しい計算方法 2022,
京都大学基礎物理学研究所, 2022 年 9 月 12-13 日.
[22] 福嶋健二, “回転するハドロン物質の諸問題”, 市村宗武先生追悼講演会, 学士会館, 2022 年 10 月 9 日.

Charge symmetry breaking force in nuclear(セミナー)

DFT[23] T. Shimazaki, “Exploring the θ-vacuum structurein the functional renormalization group approach”,
University of Southampton, United Kingdom (online), May 6, 2022.

Theoretical determination of the nuclear energy
density functional (EDF) is one of the important
topics in nuclear DFT. These days, the charge symmetry breaking (CSB) force, a part of the isospin
symmetry breaking terms in the nuclear force, hasbeen highlighted in nuclear DFT. Recently, Naito,
Liang, and collaborators found that the CSB partof the nuclear interaction may aﬀect the estimationof the density dependence of the symmetry energy
L by using the diﬀerence of the charge radii of mirror nuclei in 10 MeV. They have also performed asystematic study of eﬀects of the isospin symmetry
breaking terms of the nuclear interaction on nuclear
ground-state properties.

[24] K. Fukushima, “Continuity or discontinuity between nuclear and quark matter, and the astrophysical implication”, Hadron Ion Tea at LBL,
May 10, 2022.
[25] 山本新, “Quantum sampling for the Euclidean path
integral of lattice gauge theory”, 京都大学, 2022 年
5 月 11 日.
[26] 山本新, “経路積分の量子計算”, 立教大学, 2022 年 6月 28 日.
[27] K. Fukushima, “Reality of crossover and duality
toward quark matter and the gravitational wave
signals”, QCD Theory Seminars online, July 4,2022.

Functional renormalization group approach[28] Shi Chen, “Topological symmetry beyond homotopy groups in 4D CP1 sigma model”, 東京大学,
2022 年 10 月 21 日

to DFT
The accuracy of DFT is governed by that of EDF.
Thus, the theoretical derivation of an accurate EDF
is highly demanded. Naito and his collaborator
have derived the Coulomb correlation EDF for electronic systems by using the functional renormalization group in the local density approximation. In
particular, they started to derive the EDF for nuclear systems this year.

[29] 山本新, “Lattice gauge theory in curved spacetimes”, 理化学研究所, 2022 年 12 月 15 日.
[30] Shi Chen, “Solitonic symmetry beyond homotopy
groups”, Yanqi Lake Beijing Institute of Mathematical Sciences and Applications (BIMSA),
China, 2023 年 1 月 11 日
[31] Shi Chen, “Solitonic symmetry beyond homotopy
groups”, QCD Theory Seminars, 2023 年 3 月 20 日

Neutron-star properties and nuclear struc-

1.2

ture

原子核理論 (Liang) 研究室

The mass and radius (M -R) relation of neutronstars can be estimated by using the combination of
the nuclear equation of state (EoS) and the TolmanVolkoﬀ-Oppenheimer equation. The nuclear EoS

In our group, we study the properties of atomic
nuclei and neutron stars based on various nuclear
many-body theories. In particular, one of the main4

1. 原子核・素粒子理論

1.2. 原子核理論 (LIANG) 研究室

and ﬁrst-forbidden transitions. In particular, theisoscalar pairing strength is estimated by a Bayesianneural network, where the predicted isoscalar pairing strengths are veriﬁed by preparing the training
data and test data. It is found that the half-lives
calculated with the BNN isoscalar pairing strengths
reproduced most of the experimental data, althoughthose of highly deformed nuclei were underestimated.
The predictive performance is further studied withnew experimental data that were not used for the
BNN training and it is found that they were reproduced well.

can be calculated by using microscopic theories or
estimated by nuclear properties. Recently, Naito
and collaborators have shown a relation between
several nuclear properties and M -R relation to pin
down neutron-star properties precisely [4]. Most of
astrophysical observations constrain heavy-mass regions, while nuclear properties constrain low-mass
regions.

Nuclear mass predictions with machine learning
The rapid neutron-capture process (r -process) is
responsible for producing about half of the elements
heavier than iron in the Universe. The r -process
studies necessitate the joint eﬀorts of nuclear physicists and astrophysicists. In particular, nuclear mass
is a crucial input, which determines not only ther -process path but also the reaction energies of βdecay and neutron capture. Due to the diﬃculties in the quantum many-body problem and thecomplexity of nuclear force, accurate nuclear mass
prediction is a very challenging theoretical task.
Even in the experimentally known region, the accuracies of nuclear mass predictions are generally
around 500 keV, which is much poorer than the accuracy of 100 keV required by the r -process studies. In a recent work, Liang and his collaborator improved signiﬁcantly nuclear mass predictions
with the Bayesian neural networks (BNN) by learning the mass surface of even-even nuclei and thecorrelation energies to their neighboring nuclei [7].
By keeping the known physics in various sophisticated mass models and performing the delicate
design of neural networks, the proposed Bayesianmachine learning mass model achieves an accuracyof 84 keV, which crosses the accuracy threshold of
the 100 keV in the experimentally known region. It
is also demonstrated the corresponding uncertainties of mass predictions are properly evaluated.

A Kohn-Sham scheme based neural network
for nuclear systems
The last decade has seen the independent machinelearning studies on diﬀerent nuclear observables tomeet the experimental values. In a recent work,
Yang, Liang, and collaborators designed a KohnSham scheme based on a multi-task neural network
for the supervised learning of nuclear shell evolution [22]. The training set is composed of the singleparticle wave functions and occupation probabilities of 320 nuclei, calculated by the Skyrme density functional theory. It is found that the deduced
density distributions, momentum distributions, andcharge radii are in good agreements with the benchmarking results for the untrained nuclei. In particular, accomplishing shell evolution leads to a remarkable improvement in the extrapolation of nuclear density. After a further charge-radius based
calibration, the network evolves a stronger predictive capability. This opens the possibility to infercorrelations among observables by combining experimental data for nuclear complex systems.

Cooper multiplet correlations
While superconductors and superﬂuids associatedwith Cooper pairs have been studied extensively,
such a clustering associated with the Cooper instability is not necessarily limited to two-body pairing correlations but may involve multi-body clusters consisting of more than three particles. For
such a purpose, the generalized Cooper problem
has been further applied to cluster states such as
Cooper triples and even Cooper quartets, whichcorrespond to the three- and four-body counterparts of Cooper pairs, respectively. In a similar
way to the inﬁnite symmetry nuclear matter case,Guo, Tajima, and Liang investigated the biexcitonlike quartet correlation in the electron-hole system
by applying the quartet Bardeen-Cooper-Schrieﬀer(BCS) theory [5]. Further, for the three-body sector, Guo and Tajima elucidated the fate of the in-

A systematic calculation of β-decay half-lives
For data on radioactive nuclei, β decay provides
some of the most important information, applicable to various ﬁelds. However, some β-decay data
are not available due to experimental diﬃculties.
For this reason, theoretically calculated results havebeen embedded in the data on radioactive nuclear
β decay to compensate for the missing information. In a recent work, Liang and collaborators
preformed a new systematic calculation of β-decay
half-lives [6]. In this study, a proton-neutron quasiparticle random-phase approximation on top of a
Skryme energy density functional is applied. The
half-lives are calculated by including the allowed5

1.2. 原子核理論 (LIANG) 研究室

1. 原子核・素粒子理論

medium two- and three-body cluster states in onedimensional spinless fermions with only attractive
two-body interactions. The one-dimensional spinless fermions were found to be stable against thethree-body clustering [14]. On the other hand, thecompetition between pairing and tripling in onedimensional fermions with coexistent s- and p-wave
interactions was also featured out [18]. The study
on such higher-order Cooper cluster states may makepromising contributions to the investigation of unconventional superconductivity and superﬂuidity incondensed-matter and in nuclear systems.

Polarons and clusters in ultracold atoms andtheir applications to nuclear systems

Density-induced BCS-BEC crossover and its
three-body counterpart
The crossover from BCS Fermi superﬂuid to BoseEinstein-condensate (BEC) has been extensively discussed in various systems such as ultracold atoms,
unconventional superconductors, and nuclear matter. While the interaction can be tuned by using
the Feshbach resonance to realized the BCS-BEC
crossover in ultracold atoms, the fermion density
can be varied instead of the interaction in othersystems. However, the density-induced BCS-BEC
crossover never happens in the case of the zerorange interaction. In this regard, Tajima and Liang
investigated the density-induced BCS-BEC crossoverand the role of the eﬀective range [13]. It was foundthat at least two dimensionless parameters, thatis, scattering length and eﬀective range normalized
by the Fermi momentum, are required to understand the density-induced crossover. Sakakibara,
Tajima, and Liang also studied the two-dimensional
BCS-BEC crossover with the ﬁnite-range corrections, which can be relevant to layered superconductors and neutron superﬂuid in the nuclear pasta
phase of neutron-star crusts.
Moreover, Tajima and his collaborators investigated the density-induced crossover phenomena fromCooper triples, which are the three-body counterpart of Cooper pairs, to bound trimer states. In
particular, to see a relationship between this threebody crossover and the hadron-quark crossover indense matter, the eﬀective quark model with threebody interaction was considered in analogy with acold atomic system exhibiting the three-body crossoverand the quantum scale anomaly [17]. The densityinduced crossover from baryons to quark Cooper
triples was found by analyzing the pole structureof in-medium three-body T -matrix in this system.
This work was also summarized in the Japanese article for the public readers [23].

The polaron is a quasiparticle picture to understand the role of many-body eﬀects on minority particles (or impurities) in medium. Such a concept
can also be used for the description of clusters in
medium as the polaron-molecule transition/crossover
has been investigated in ultracold atoms.
For an application to nuclear physics, Tajima
and his collaborators considered the fate of 5 He
resonant state immersed in cold neutron matter.
Such a situation may be relevant to an astrophysical environment such as neutron-star binary merger
and superonova explosion where light nuclear clusters inevitably arise. To describe the J π = 3/2−
neutron-alpha scattering, they employed the p-wave
two-channel model which is extensively used in cold
atomic systems near the p-wave Feshbach resonance[15]. The 5 He resonant state was found to turn into
the bound state in medium because the decay process to dissociated neutron and alpha particles areprohibited by the neutron Pauli blocking. This result indicates the importance of in-medium lightclusters in astrophysical environments.

Non-Hermitian topological unitary p-wave
Fermi superﬂuid
A unitary Fermi gas is characterized by the divergent scattering length, where there are no lengthscales for the interaction. Such a system possesses
the scale invariance and the so-called universal thermodynamics. While three-dimensional s-wave unitary Fermi gases have been studied extensively, onedimensional p-wave ones were elusive because of
its experimental diﬃculty associated with atomic
losses. Tajima and his collaborators studied the effects of two-body loss originating from the dipolar
relaxation in p-wave Fermi superﬂuid near the unitary limit [21]. This system can be described by the
non-Hermitian BCS-Leggett theory and exhibits aninterplay among non-trivial properties such as universal thermodynamics, topological phase transition, and BCS-BEC evolution, in a uniﬁed manner.
The ground-state phase diagram and the mechanism of the non-Hermitian phase transition wereidentiﬁed.

Multi-particle tunneling transport in stronglycorrelated systems
Tunneling transport phenomena through an interface are important subjects in condensed-matterand in nuclear systems. While the transport in6

1. 原子核・素粒子理論

1.2. 原子核理論 (LIANG) 研究室

weakly-coupled systems can be dominated by thesingle-particle tunneling and its sequential one, it is
not the case in strongly-correlated systems such as
ultracold atoms and nuclei. Tajima and his collaborators showed that pair- and spin-tunneling processes naturally appear through the interaction termof the bulk Hamiltonian in strongly-correlated systems separated by the potential barrier [9]. Moreover, to see the direct evidence of such a multiparticle tunneling transport, Tajima and his collaborators showed that the nonequilibrium noise canbe used as a probe of pair-tunneling current in the
BCS-BEC crossover [19].

[7] Z.M. Niu and H.Z. Liang, Phys. Rev. C 106,
L021303 (2022).
[8] D. Kagamihara, R. Sato, K. Manabe, H. Tajima,
and Y. Ohashi, Phys. Rev. A 106, 033308 (2022).
[9] H. Tajima, D. Oue, and M. Matsuo, Phys. Rev. A
106, 033310 (2022).
[10] T. Naito, Prog. Theor. Exp. Phys. 2022, 093D04(2022).
[11] Y. Sekino, H. Tajima, and S. Uchino, Phys. Rev.
Research 4, 043014 (2022).
[12] X.-H. Fan, Z.-X. Yang, P. Yin, P.-H. Chen, J.-M.
Dong, Z.-P. Li, and H.Z. Liang, Phys. Lett. B 834,
137482 (2022).
[13] H. Tajima and H.Z. Liang, Phys. Rev. A 106,043308 (2022).

Andreev reﬂection through nonlinear radiofrequency transport[14] Y.X. Guo and H. Tajima, Phys. Rev. A 106,
043310 (2022).

The Andreev reﬂection, which occurs at a normalstate-superconductor (superﬂuid) junction, provides
a deterministic teleportation process at an ideal
normal-superconductor interface, making it behave
like an information mirror. However, in reality it ischallenging to control the Andreev reﬂection in thespatially-separated junction in which mode mixing exists at the interface. To solve this problem,
Zhang, Tajima, Liang and their collaborators proposed a system provoking the momentum-conserved
Andreev reﬂection without the mode mixing by applying multiple radio-frequency (rf) laser ﬁelds. They
found the Andreev current gives the only contribution in the synthetic junction system at zero detunings regardless of the ratio of the chemical potential bias to the superﬂuid gap, which is in sharp
contrast to that in conventional junctions. This
proposed system is also used to make a simulation
for the black hole event horizon which exhibits ainformation-mirroring behavior.

[15] H. Tajima, H. Moriya, W. Horiuchi, K. Iida, andE. Nakano, Phys. Rev. C 106, 045807 (2022).
[16] T. Naito, X. Roca-Maza, G. Coló, H.Z. Liang, and
H. Sagawa, Phys. Rev. C 106, L061306 (2022).
[17] H. Tajima, S. Tsutsui, T. M. Doi, and K. Iida,
Symmertry 15, 333 (2023).
[18] Y.X. Guo and H. Tajima, Phys. Rev. B 107,
024511 (2023).
[19] H. Tajima, D. Oue, M. Matsuo, and T. Kato,PNAS Nexus 2, pgad045 (2023).
[20] H. Sotani and T. Naito, Phys. Rev. C 107, 035802(2023).
[21] H. Tajima, Y. Sekino, D. Inotani, A. Dohi, S.
Nagataki, T. Hayata, Phys. Rev. A 107, 033331(2023).
[22] Z.-X. Yang, X.-H. Fan, Z.-P. Li, and H.Z. Liang,
Phys. Lett. B 840, 137870 (2023).

＜受賞＞(国内雑誌)[1] 内藤智也, 2022 RIBF Users Group Thesis Award,
理研仁科センター, 2022 年 9 月.

[23] 飯田圭, 鷹野正利, 田島裕之, 「中性子星は三体力が際立った「巨大な原子核」か」, 岩波書店「科学」 92,(10) 931-936 (2022).

[2] 田島裕之, 第 17 回 (2023 年) 日本物理学会若手奨励賞 (領域 1), 日本物理学会, 2023 年 3 月.

(学位論文)＜報文＞[24] Tingyu Zhang, “Study of Andreev reﬂection realized by nonlinear radio-frequency transport in an
ultracold Fermi gas”, 修士論文

(原著論文)[3] H. Sagawa, S. Yoshida, T. Naito, T. Uesaka, J.
Zenihiro, J. Tanaka, and T. Suzuki, Phys. Lett. B
829, 137072 (2022).

＜学術講演＞[4] H. Sotani, N. Nishimura, and T. Naito, Prog.
Theor. Exp. Phys. 2022, 041D01 (2022).

一般講演(国際会議)[25] T. Naito, “Toward ab initio charge symmetry
breaking in nuclear energy density functionals”,
Symposium on “Developments of Physics of Unstable Nuclei” (YKIS2022b), Kyoto University, Kyoto, Japan, May 23, 2022.

[5] Y.X. Guo, H. Tajima, and H.Z. Liang, Phys. Rev.
Research 4, 023152 (2022).
[6] F. Minato, Z.M. Niu, and H.Z. Liang, Phys. Rev.
C 106, 024306 (2022).

7

1.2. 原子核理論 (LIANG) 研究室

1. 原子核・素粒子理論(国内会議)[26] Y. Sekino, H. Tajima, and S. Uchino, “Conductivity of Alternating Spin Currents in Ultracold Atomic Gases”, 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29), Sapporo, Japan, August, 18-24, 2022.

一般講演[36] 田島裕之, 森谷元, 堀内渉, 飯田圭, 仲野英司, 「希薄中性子物質中の 5 He の共鳴-束縛転移と Feshbach 分子とのアナロジー」, 大阪大学 RCNP 研究会「低エネルギー核物理と高エネルギー天文学で読み解く中性子星」, 2022 年 8 月 3–5 日.

[27] S. Akagami, H. Tajima, and K. Iida, “Possible condensation of Cooper triples”, 29th International
Conference on Low Temperature Physics (LT29),
Sapporo, Japan, August, 18-24, 2022.

[37] 湊太志, 内藤智也, 岩本修, 「ミュオン捕獲後の粒子放出」日本物理学会 2022 年秋季大会, 岡山理科大学,
2022 年 9 月 7 日.

[28] T.Y. Zhang, “Andreev Reﬂection in Ultracold
Atomic Systems as an Information Mirror”, YITP
workshop, Quantum extreme universe from quantum information, Yukawa Institute for Theoretical
Physics, Kyoto University, Kyoto, Japan, September 30, 2022.

[38] 田島裕之, 大上能悟, 松尾衛, 「強相関冷却原子気体
における多体トンネル輸送」, 日本物理学会秋季大会,
東京工業大学, 2022 年 9 月 13 日.
[39] 田島裕之, 筒井翔一朗, 土居孝寛, 飯田圭, 「3 体共鳴近傍の 3 成分フェルミ原子気体における 3 体束縛分子からクーパートリプルへのクロスオーバー 」, 日本
物理学会秋季大会, 東京工業大学, 2022 年 9 月 13 日.

[29] H. Tajima, H. Moriya, W. Horiuchi, K. Iida, andE. Nakano, “Resonance-to-bound transition of 5 He
in neutron matter from the viewpoint of Feshbach molecules in a Bose-Fermi mixture”, International Symposium on Clustering as a Window
on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2022), Sendai, Japan, October 31November 3, 2022.

[40] 関野裕太, 田島裕之, 内野瞬, 「2 成分ボース・アイン
シュタイン凝縮体の交流スピン伝導率」, 日本物理学会秋季大会, 東京工業大学, 2022 年 9 月 14 日.
[41] 湊太志, 内藤智也, 岩本修, 「原子核構造モデルによる
ミュオン捕獲後の粒子放出計算」, ミュオンソフトエ
ラー研究会, 九州大学, 2022 年 11 月 19 日.

[30] H. Tajima, “Exploring in-medium clusters in ultracold atoms”, Mini-workshop on ultracold-atomtheory, RIKEN, Saitama, Japan, November 22,2022.

[42] H.Z. Liang, “Nuclear mass predictions with machine learning reaching the accuracy required by r process studies”, Workshop on combining nuclear
theory and machine learning for fundamental studies and applications, 理化学研究所, 2022 年 11 月
29 日.

[31] T. Naito, G. Colò, H.Z. Liang, X. Roca-Maza, and
H. Sagawa, “Isospin symmetry breaking in the nuclear ground state”, VIth Topical Workshop on
Modern Aspects in Nuclear Structure―The Many
Facets of Nuclear Structure― (Bormio2023), Sala
Terme, Italy, February 8, 2023.

[43] H. Tajima, “Towards universal energy density functionals of non-relativistic spin-1/2 Fermi
gases”, Workshop “Fundamentals in density functional theory”, 京都大学基礎物理学研究所, 2022 年
12 月 12 日.

招待講演

招待講演

[32] T. Naito, “Can we improve energy density functionals? ―A perturbative method―” SSNET’22―International Conference on Shapes and Symmetries in Nuclei: from Experiment to Theory―, Laboratoire de Physique des 2 inﬁnis Irène Joliot-Curie(IJCLab), online, Orsay, France, June 2, 2022.

[44] 田島裕之, 「強結合多成分フェルミ超流動: 冷却原子
気体から多バンド超伝導、核物質まで 」, 日本物理学会秋季大会, シンポジウム「BCS-BEC クロスオー
バーの新展開」, オンライン, 2022 年 9 月 10 日.
[45] T. Naito, “Isospin symmetry breaking in nuclear
ground state”, RIBF Users Meeting 2022, 理化学研究所 仁科加速器科学研究センター, オンライン,
2022 年 9 月 20 日.

[33] H.Z. Liang, “Exotic nuclear physics for astrophysics”, International Workshop on Origin of Elements and Cosmic Evolution: From Big-Bangto Supernovae and Mergers, Beihang University,
China, online, July 21, 2022.

[46] T. Naito, “Towards First-Principles Energy Density Functionals”, Workshop “Fundamentals in
density functional theory”, 京都大学基礎物理学研究所, 2022 年 12 月 15 日.

[34] H.Z. Liang, “Towards ab initio Nuclear Density
functional Theory”, Summer School on Exotic Nuclei, School of Physics, Henan Normal University,
China, online, July 25, 2022.

[47] H.Z. Liang, “Quantum computing for nuclear
structure properties?”, Workshop “Fundamentals
in density functional theory”, 京都大学基礎物理学研究所, 2022 年 12 月 19 日.

[35] T. Naito, “Isospin symmetry breaking in nuclear
ground state” NuSym22, X International Symposium on Nuclear Symmetry Energy, Laboratori
Nazionali del Sud, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), online, Catania, Italy, September
27, 2022.

[48] 田島裕之, “Three-body crossover in fermionic systems across the hierarchical structure”, 第 8 回クラスター階層領域研究会, 大阪大学接合科学研究所, 荒田記念館, 2023 年 2 月 11 日.

8

1. 原子核・素粒子理論

1.3. 素粒子論研究室[49] 内藤智也, 「原子核電荷分布を考慮した電子・ミュオ
ン波動関数計算コードの開発」, 学術変革領域 B 光子
対診断医療学 第 2 回研究会, 京都大学楽友会館, 2023
年 2 月 16 日.

[63] T. Naito, “Isospin symmetry breaking in the nuclear ground state”, 核多体セミナー, 京都大学 理学部 物理学教室 原子核理論研究室, 2022 年 12 月 23 日.
[64] 田島裕之, “Clusters and Polarons in Neutron Matter”, 北海道大学原子核理論グループセミナー, オン
ライン, 2023 年 2 月 13 日.

[50] 田島裕之, “Polarons and correlated transport incold atomic and nuclear systems”, 第 4 回若手放談会: エキゾチック核物理の将来, 理化学研究所 神戸
融合・連携イノベーション推進棟, 2023 年 3 月 15 日.
[51] 田島裕之, 「強相関多成分フェルミ気体の理論研究」,
日本物理学会 2023 年春季大会, 若手奨励賞受賞講演,
オンライン, 2023 年 3 月 23 日.
[52] 田島裕之, 「中性子星物質中の量子多体効果: 冷却原子気体研究からのアプローチ」, 日本物理学会 2023
年春季大会, 理論核物理領域シンポジウム「中性子星クラストの理論研究: 原子核物理と宇宙物理の交差点」, 一般シンポジウム講演, オンライン, 2023 年 3月 25 日.

1.3

素粒子論研究室

1.3.1

現象論

超対称模型における電弱真空の安定性の研究
諸井は、千草・庄司とともに、超対称模型における電弱真空の安定性について、特にミューオン異常
磁気能率アノマリーとの関連という観点から研究を行なった [2]。その結果、ミューオン異常磁気能率アノマリーを解決するのに必要なスミューオン粒子の質量の上限を得た。

(セミナー)[53] H. Tajima, Y.X. Guo, H.Z. Liang, “Cooper quartet correlations in multi-component fermionic systems”, RIKEN Strangeness Nuclear Physcis (SNP)
seminar, online, 2022 年 4 月 14 日.
[54] H.Z. Liang, “Towards ab initio Nuclear Density
functional Theory”, Seminar, College of Physics,
Jilin University, China, online, 2022 年 4 月 19 日.

インフレーションが引き起こす電弱真空不安定性の[55] T. Naito, “Isospin symmetry breaking in nuclear
ground state”, High Energy Theory Group Seminar, 中央研究院 物理研究所 高能理論組 (台北市) 主
催, オンライン, 2022 年 4 月 22 日.

Li と諸井は、中山・殷と共に、Starobinsky インフ
レーション前後における電弱真空の不安定性について研究した [3]。とくにインフレーション後の電弱真空の不安定性について数値格子計算を用いて詳細に解析し、non-minimal 結合パラメータの上限を得た。

研究[56] H.Z. Liang, “Nuclear spin-isospin physics: Fromphenomena to fundamentals”, Open Seminar in
Frontier of Nuclear Physics, Fudan University,
China, online, 2022 年 4 月 27 日.

ILC 実験におけるアクシオン検出の研究[57] H. Tajima, “Sound velocity and superﬂuid properties in the density-induced BEC-BCS crossover”,
RIKEN iTHEMS GW-EOS working group seminar, online, 2022 年 6 月 9 日.

福田は、音野（九州大）、白井（東大 IPMU）とともに、ILC 実験におけるアクシオンの検出可能性を議論した [4]。ILC 実験での陽電子源として使われる
ガンマ線レーザーに磁場を加えることで、QCD アクシオンとして予言されるパラメーター領域の一部を制限できることを明らかにした。

[58] T. Naito, “Isospin symmetry breaking in nuclear
ground state”, 309th RIBF Nuclear Physics Seminar/RIKEN SNP Lab Seminar, 理化学研究所 仁科
加速器科学研究センター (埼玉県和光市) 主催, オン
ライン, 2022 年 6 月 22 日.

コンパクト星表面温度観測による暗黒物質探索[59] H.Z. Liang, “Nuclear spin-isospin physics: Fromphenomena to fundamentals”, Seminar, School ofPhysics and Optoelectronic Engineering, Anhui
University, China, online, 2022 年 10 月 18 日.

藤原，濱口，永田は，J. Zheng (上海交通大) とともに，電弱多重項暗黒物質の中性子星捕獲率を系統的に計算し，将来の暗黒物質直接探索実験ないし中性子星表面温度観測による探索によりこれらの暗黒物質模型を検証することが可能であることを明らかにした [5]。
濱口，永田，Ramirez-Quezada は，ミューオン磁
気双極子モーメントの実験値と理論値のずれを説明可能な暗黒物質模型を考察し，それらの暗黒物質候
補を中性子星表面温度観測によって探索しうることを示した [6]。

[60] 田島裕之,「強相関フェルミ超流動: BCS-BEC クロス
オーバーを中心に」, 千葉工業大学基礎科学セミナー
第 56 回, 千葉工業大学, 2022 年 11 月 12 日.
[61] 内藤智也, 「原子核基底状態におけるアイソスピン対称性の破れ」, 日本物理学会四国支部特別企画 科学
セミナー, 高知大学 理工学部, 2022 年 11 月 22 日.
[62] 田島裕之, Y.X. Guo, H.Z. Liang, 「核物質中の多体
クラスターにおける媒質効果」, 京都大学原子核理論
研究室コロキウム, 京都大学, 2022 年 12 月 14 日.

91.3. 素粒子論研究室

1. 原子核・素粒子理論

原（九州大）とともに、ILC 実験におけるミューオ
ン異常磁気能率への超対称性粒子の寄与の再構成に関する研究を行った [12]。

Ramirez-Quezada は，球状星団 M4 中の白色矮星
における暗黒物質の捕獲率を計算し，観測から得られる暗黒物質・核子散乱弾面積に対する制限が暗黒
物質直接探索実験により課される制限と相補的であること，特に GeV 以下の質量領域において後者よりもはるかに強い制限が得られること，を明らかにした [7]。

1.3.2

弦理論，場の理論全般

量子トロイダル代数と超対称ゲージ理論の研究

MUonE 実験による U (1)Lµ−Lτ ゲージボゾンの探索

松尾と野下は、縄田（復旦大）・朱（蘇州大) とともに量子トロイダル代数・W 代数・可解系などに関するレビュー論文を執筆中。松尾は、その一部をサンタバーバラで開かれた研究会で発表した [46]。
野下は、超群ゲージ理論の 5 次元 AGT 対応を量子
トロイダル gl(1) の表現論を用いることで調べた。と
くに ghost-brane に対応する表現、および intertwinerの構成を行うことで超群ゲージ理論の分配関数を純代数的に導出し、anti-topological vertex との対応を調べた。また、S-dual な超箙理論についていくつかの予想を与えた [13]。

濱口, 永田, Tseng, 和田は浅井 (東大 ICRR) とともに、MUonE 実験を用いた U (1)Lµ−Lτ ゲージボゾンの探索について研究を行なった。その結果、適切な選択基準を課すことで、ミューオン磁気双極子モーメ
ントの実験値と理論値のずれを説明可能なパラメー
ター領域を含む広いパラメーター領域で U (1)Lµ−Lτ
ゲージボゾンが探索可能であるという結果を得た [8]。

超対称大統一理論
濱口，Hor，永田は，超対称 SU(5) 大統一理論における最小南部・ゴールドストン・ヒッグス模型を解析し，模型に備わる大域的対称性により大統一ス
ケールの粒子の質量スペクトルが強く制限されること，将来の陽子崩壊実験により広範囲のパラメーター
領域を検証可能であること，をそれぞれ明らかにした [9]。

渡辺は Procházka と、Maulik-Okounkov の R 行
列から出発して intermediate long wave 方程式 (ILW方程式) の保存量の量子化を具体的に得て、さらにこれの Bethe 仮設方程式との関連や特定の極限での振る舞いを調べた [14]。

超対称標準模型における電気双極子モーメント

一般化対称性永田は，
金田（東京女子大），K. A. Olive, M. Pospelov（ミネソタ大），L. Velasco-Sevilla（西江大）とともに，Constrained Minimal Supersymmetric Standard
model (CMSSM) における電子および核子の電気双極子モーメントを計算し，模型に内在する CP 位相に対する実験制限を与えた [10]。

大森は T. Huang(カリフォルニア工科大), Y. Lin(ハーバード大学, 立川 (Kavli IPMU), 手塚 (京都大) と共に、Haagerup 対称性と呼ばれる一般化対称性を持つ
1 次元格子系の数値計算を実行し、臨界相にあることを数値的に示した [15]。 大森は C. Cordova (シカゴ大) と T. Rudelius (UC バークレー校) とともに、高次対称性の破れと弱重力予想との関係について [16]にて議論した。 大森は Y. Choi(ニューヨーク州立大) と共に、フェルミオン系の高階ベリー位相を決定する公式を決定した [17]。 大森は C. Cordova(シカゴ大) と共に、可換ゲージ理論の ABJ アノマリーが非可逆的対称性として再解釈できることを指摘し、さらに非可換ゲージ理論への埋め込みに伴うインス
タントン補正をこの非可逆的対称性を弱く破る効果として特徴づけられることを指摘した。

W 代数と ILW 方程式、Bethe 仮設方程式の関連

VLL 模型における電気/磁気双極子モーメント濱口, 永田, Tseng, Osaki は, Vector-like lepton 模型における電子およびミューオンの電気/磁気双極子モーメントを計算し, ミューオン磁気双極子モーメ
ントの実験値と理論値のずれを説明しつつ, 電子およびミューオンの電気双極子モーメントが将来実験で検出される可能性があることを明らかにした [11]。

境界/欠陥付きの共形場理論
奥山は、大阪大学の西岡、嶋守と共に境界/欠陥付きの共形場理論の相関関数と境界/欠陥無しの共形場理論の相関関数の間に成り立つ関係を指摘した [19]。
また、境界と線欠陥がある場合の O(N ) 模型の臨界現象における振る舞いを、摂動論に頼らずに、自然な公理系に基づいて解析する手法を考案した [20, 21]。

ILC 実験におけるミューオン異常磁気能率への超対称性粒子の寄与の再構成
濱口、諸井は、遠藤（KEK）、岩本（ELTE Eötvös
Loránd 大学）、川田（KEK）、北原（名古屋大）、末10

1. 原子核・素粒子理論

1.3. 素粒子論研究室

共形場理論と誤り訂正符号[12] M. Endo, K. Hamaguchi, S. Iwamoto, S. i. Kawada,
T. Kitahara, T. Moroi and T. Suehara, “Staustudy at the ILC and its implication for the muong-2 anomaly,” Contribution to Snowmass 2021
[arXiv:2203.07056 [hep-ph]].

矢萩は、2 次元共形場理論と古典誤り訂正符号の対応について調べた。符号からボソンを記述する共形場理論を構成することで、スペクトルや分配関数について誤り訂正符号を利用して解析する方法を示した [22]。

[13] G. Noshita, “5d AGT correspondence of supergroup gauge theories from quantum toroidal gl1 ,”JHEP 12 (2022) 157 [arXiv:2209.08313[hep-th]].

＜受賞＞[14] T. Procházka and A. Watanabe, “On Bethe
equations of 2d conformal ﬁeld theory,”[arXiv:2301.05147 [hep-th]].

[1] 渡辺彬生、日本物理学会 2022 年秋季大会学生優秀発
表賞、日本物理学会、2022 年 10 月。
＜報文＞[15] T. C. Huang, Y. H. Lin, K. Ohmori, Y. Tachikawa
and M. Tezuka, “Numerical Evidence for a
Haagerup Conformal Field Theory,” Phys. Rev.
Lett. 128 (2022) no.23, 231603 [arXiv:2110.03008[cond-mat.stat-mech]].

(原著論文)[2] S. Chigusa, T. Moroi and Y. Shoji, “Upper boundon the smuon mass from vacuum stability in thelight of muon g − 2 anomaly,” Phys. Lett. B 831(2022), 137163 [arXiv:2203.08062 [hep-ph]].

[16] C. Cordova, K. Ohmori and T. Rudelius, “Generalized symmetry breaking scales and weakgravity conjectures,” JHEP 11 (2022), 154[arXiv:2202.05866 [hep-th]].

[3] Q. Li, T. Moroi, K. Nakayama and W. Yin, “Instability of the electroweak vacuum in Starobinsky
inﬂation,” JHEP 09 (2022), 102 [arXiv:2206.05926[hep-ph]].

[17] Y. Choi and K. Ohmori, “Higher Berry phase offermions and index theorem,” JHEP 09 (2022),
022 [arXiv:2205.02188 [hep-th]].

[4] H. Fukuda, H. Otono and S. Shirai, “Searching for
the QCD axion with the proposed International
Linear Collider beam facility,” Phys. Rev. D 106,
no.5, 055029 (2022) [arXiv:2203.06137 [hep-ph]].

[18] C. Cordova and K. Ohmori, “Noninvertible Chiral Symmetry and Exponential Hierarchies,” Phys.
Rev. X 13 (2023) no.1, 011034 [arXiv:2205.06243[hep-th]].

[5] M. Fujiwara, K. Hamaguchi, N. Nagata andJ. Zheng, “Capture of electroweak multiplet dark
matter in neutron stars,” Phys. Rev. D 106, no.5,
5 (2022) [arXiv:2204.02238 [hep-ph]].

[19] T. Nishioka, Y. Okuyama and S. Shimamori,“Method of images in defect conformal ﬁeld theories,” Phys. Rev. D 106 (2022) no.8, L081701[arXiv:2205.05370 [hep-th]].

[6] K. Hamaguchi, N. Nagata and M. E. RamirezQuezada, “Neutron star heating in dark mattermodels for the muon g − 2 discrepancy,” JHEP
10, 088 (2022) [arXiv:2204.02413 [hep-ph]].

[20] T. Nishioka, Y. Okuyama and S. Shimamori,“Comments on epsilon expansion of the O(N)model with boundary,” JHEP 03 (2023), 051[arXiv:2212.04078 [hep-th]].

[7] M. E. Ramirez-Quezada, “Constraining dark matter interactions mediated by a light scalar withwhite dwarfs,” [arXiv:2212.09785 [hep-ph]] Phys.
Rev. D に掲載決定済.

[21] T. Nishioka, Y. Okuyama and S. Shimamori, “Theepsilon expansion of the O(N) model with line defect from conformal ﬁeld theory,” JHEP 03 (2023),
203 [arXiv:2212.04076 [hep-th]].

[8] K. Asai, K. Hamaguchi, N. Nagata, S. Y. Tsengand J. Wada, “Probing the Lµ-Lτ gauge boson at
the MUonE experiment,” Phys. Rev. D 106 (2022)
no.5, L051702 [arXiv:2109.10093 [hep-ph]].

[22] S. Yahagi, “Narain CFTs and error-correcting
codes on ﬁnite ﬁelds”, JHEP 08 (2022) 058[arXiv:2203.10848 [hep-th]].

[9] K. Hamaguchi, S. Hor and N. Nagata, “Minimal
Nambu-Goldstone-Higgs model in supersymmetricSU(5) revisited,” Phys. Rev. D 107, no.3, 035016(2023) [arXiv:2210.09333 [hep-ph]].

(会議抄録)(国内雑誌)[23] 濱口幸一 “宇宙における物質の起源とマヨラナニュー
トリノ” 数理科学 2022 年 4 月号 No.706「マヨラナ
粒子をめぐって―性質から最先端の研究まで」(サイエンス社, 2022).

[10] K. Kaneta, N. Nagata, K. A. Olive, M. Pospelov
and L. Velasco-Sevilla, “Quantifying Limits on CP
Violating Phases from EDMs in Supersymmetry,”
JHEP 03, 250 (2023) [arXiv:2303.02822 [hep-ph]].

(学位論文)[11] K. Hamaguchi, N. Nagata, G. Osaki and
S. Y. Tseng, “Probing new physics in the vectorlike lepton model by lepton electric dipole moments,” JHEP 01, 100 (2023) [arXiv:2211.16800[hep-ph]].

[24] 博士論文：A. Watanabe, “Analysis of W algebrausing Miura transformation: construction of universal R-matrix and q-corner VOA”.

11

1.3. 素粒子論研究室

1. 原子核・素粒子理論[25] 修士論文: 尾崎弦太, “Vector-like Lepton モデルにおける Lepton Dipole Moments への新たな寄与について.”[40] T. Moroi, “Detecting Hidden Photon Dark Mattervia the Excitation of Qubits,” CAU BSM Workshop (February 20 - 24, 2023), Seoul, Korea.

[26] 修士論文: T. Sichanugrist, “Dark Matter Detection
via Nuclear Magnons”.

[41] N. Nagata, “Neutron Star Heating and Dark Matter”, 2nd workshop: Multimessenger Study of
Heavy Dark Matter, YITP, Kyoto, Jul 11–12, 2022.

[27] 修士論文: 島村洲太朗, “フラクトン系における場の理論と双対性.”[42] N. Nagata, “Wino/Higgsino DM at FCC”, FCC
BSM Physics Programme Workshop, CERN,
Geneva, Switzerland, Sep 15–16, 2022.

[28] 修士論文: 矢萩慎一朗, “2 次元共形場理論と誤り訂正符号”.

[43] N. Nagata, “GUT, proton decay, and BSM theories”, NNN2022, Hida City Cultural Communication Center, Gifu, Japan, Sep 28–30, 2022.

(著書)＜学術講演＞[44] N. Nagata, “On the WIMP dark matter signature in old neutron stars”, Workshop on Physics ofDark Cosmos: dark matter, dark energy, and all,
Lavalse Hotel Busan, Busan, South Korea, Oct 21–
23, 2022.

(国際会議)
一般講演[29] M. E. Ramirez-Quezada, “Neutron star heating
and the muon g-2 discrepancy”, Planck, June 2022.

[45] N. Nagata, “Neutron Star Heating: WIMP DM vs
Others”, DSU2022, The University of New South
Wales, Sydney, Australia, Dec 5–9, 2022.

[30] M. E. Ramirez-Quezada, “Neutron star heating
and the muon g-2 discrepancy”, DSU2022, The
University of New South Wales, Sydney, Australia,
Dec 5–9, 2022.

[46] Yutaka Matsuo, “A brief survey of quantum
toroidal algebra and the connection with the integrability”, workshop “Integrability in String, Field,
and Condensed Matter Theory” Aug 22, 2022 - Oct
14, 2022, KITP, UC Santa Barbara.

[31] J. Wada, “Probing the Lµ − Lτ Gauge Boson at
the MUonE Experiment”, SUSY 2022, Universityof Ioannina, Greece, Jun. 27, 2022.
[32] N. Nagata, “Probing the Lµ − Lτ Gauge Bosonat the MUonE Experiment”, Pascos 2022, MaxPlanck-Institut fur Kernphysik, Heidelberg, Germany, Jul. 25, 2022.

[47] K. Ohmori, “Introduction to Symmetries in Quantum Field Theory”, Global Categorical Symmetries, Waterloo, Canada, June 16–17, 2022.
[48] K. Ohmori, “Non-invertible Symmetry in Our Dimensions”, Strings 2022, Vienna, Austria, July 19–
22, 2022.

[33] T. Sichanugrist, “Observing Axion Emission fromSupernova with Collider Detectors (poster presentation)”, 2022 Asia-Europe-Paciﬁc School of HighEnergy Physics, South Korea, Oct. 5-18, 2022.

[49] K. Ohmori, “Developments in Non-invertible symmetry: Recent and Near Future”, Generalized
Global Symmetries, Quantum Field Theory, andGeometry, Stony Brook, USA, Sep 19–23, 2022.

[34] Y. Kanazawa, “Solution to Axion Quality Problem
by Non-Minimal Gravitational Coupling“, KEK
Theory Meeting on Particle Physics Phenomenology and International Joint Workshop on the Standard Model and beyond, Nov. 29-Dec. 2, 2022.

[50] K. Ohmori, “Neutrino Masses from Generalized
Symmetry Breaking”, KEK-th 2022, online, Dec.
7–9, 2022.

[35] G. Noshita, “BPS/CFT correspondence of supergroup gauge theories,” FoPM International Symposium, University of Tokyo, Feb. 6-8, 2023.

[51] K. Ohmori, “non-invertible symmetry in 3+1d”,
The 17th Kavli Asian Winter School (KAWS) on
Strings, Particles and Cosmology, Daejeon, Korea,
Jan. 9–18, 2023.

[36] K. Kawabata, “Narain CFTs from qudit stabilizer
codes”, FoPM International Symposium, University of Tokyo, Feb. 6-8, 2023.

[52] K. Ohmori, “Fusion Surface Models: 2+1d Lattice
Models from Higher Categories”, QFT and Related
Mathematical Aspects, Shuzenji, Japan, Mar. 13–
15, 2023.

[37] H. Takahashi, “Grand Uniﬁed Theory and Proton
Decay,” FoPM International Symposium, University of Tokyo, Feb. 6-8, 2023.

(国内会議)

招待講演

一般講演[38] M. E. Ramirez-Quezada, “Cómo estudiar fı́sica dealtas energı́as observando a las estrellas” (How to
study high energy physics observing stars), RED
Global MX (Capı́tulo Japón) March 2023.

[53] 和田淳太郎, “MUonE 実験によるミューオン g −2 を説明可能な U (1)µ−τ ゲージボソンの探索”,
FPWS2022, 2022 年 11 月 8 日.
[54] G. Noshita, “5D AGT correspondence of Supergroup Gauge Theories from Ding-Iohara-Miki algebra,” YITP workshop Strings and Fields 2022,
Aug. 19, 2022.

[39] T. Moroi, “The Muon g − 2 Anomaly and Supersymmetry,” SUSY 2023 (June 27 – July 02, 2022),
Ioaninna, Greece.

12

1. 原子核・素粒子理論

1.3. 素粒子論研究室(セミナー)[55] 野下剛, “量子トロイダル gl(1) を用いた超群ゲージ理論の 5 次元 AGT 対応,” 日本物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3 月 22-25 日 (オンライン).

[73] M. E. Ramirez-Quezada, “White Dwarfs as Dark
Matter Probes”, The University of Gottingen, July
11 2022.

[56] 渡辺彬生, “W inﬁnity algebra and quantum ILW
Hamiltonians”, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 岡山
大学, 2022 年 9 月.

[74] M. E. Ramirez-Quezada, “Dark matter capture incompact objects: a window to BSM physics”, Max
Planck July 7, 2022.

[57] 尾崎弦太, “Vector-like Lepton モデルにおける Lepton Dipole Moments で探る新物理,” 日本物理学会
2023 年春季大会, 2023 年 3 月 22-25 日 (オンライン).

[75] M. E. Ramirez-Quezada, “Can Radio sky reveal
primordial electron-proton interactions?”, Perimeter Institute June 21 2022.

[58] 尾崎弦太, “Vector-like Lepton モデルにおける Lepton Dipole Moments への新たな寄与について,” 素
粒子現象論研究会 2022, 大阪公立大学, 2023 年 3 月.

[76] M. E. Ramirez-Quezada, “White Dwarfs as DMprobes”, TUM, 4 July, 2022.

[59] T. Sichanugrist, “Dark Matter Detection via Nuclear Magnons”, 日本物理学会 2023 年春季大会,
2023 年 3 月 22-25 日 (オンライン).

[77] M. E. Ramirez-Quezada, “Exploring new physics
with compact stars”, IPMU, January 2023.

[60] 矢萩慎一朗, “フェルミオン CFT と古典誤り訂正符号”, 日本物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3 月
22-25 日 (オンライン).

[78] N. Nagata, “Axion Quality Problem Alleviated by
Non-Minimal Coupling to Gravity,” Tokyo Institute of Technology, Japan, Jun 8, 2022.

[61] S. Hor, “Nambu-Goldstone Higgs Models inSU(5),”, Summer Institute 2022, Sep. 18-22, 2022.

[79] N. Nagata, “On the WIMP dark matter signaturein old neutron stars,”, TH Cosmo Coﬀee, CERN,
Geneva, Switzerland, Aug 3, 2022.

[62] S. Hor, “Nambu-Goldstone Higgs Models inSU(5),”, KEK Theory Meeting on Particle Physics
Phenomenology, Nov. 29 - Dec. 2, 2022.

[80] N. Nagata, “Toward Direct Detection of Axions,”,
The University of New South Wales, Sydney, Australia, Dec 12, 2022.

[63] Y. Okuyama, “Method of images in defect conformal ﬁeld theories,” YITP workshop Strings andFields 2022, Aug. 21, 2022.

[81] G, Noshita, “5d AGT correspondence of supergroup gauge theories from quantum toroidal gl1 ,”,University of Tokyo Komaba, Oct. 12, 2022.

[64] 川畑洸貴, “キューディット量子誤り訂正符号による共形場理論の構成”, 日本物理学会 2023 年春季大会,
2023 年 3 月 22-25 日 (オンライン).

[82] G, Noshita, “5d AGT correspondence of supergroup gauge theories from quantum toroidal gl1 ,”,Institute de Mathematiques de Bourgogne, France,
Oct. 19, 2022.

[65] Q. Li, “Instability of the Electroweak Vacuum inStarobinsky Inﬂation,”, Summer Institute 2022,
Sep. 18-22, 2022.

[83] G, Noshita, “5d AGT correspondence of supergroup gauge theories from quantum toroidal gl1 ,”,Joint HEP-TH seminar (online), Nov. 23, 2022.

[66] Q. Li, “Instability of the Electroweak Vacuum inStarobinsky Inﬂation,”, 日本物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3 月 22-25 日 (オンライン).

[84] S. Hor, “R-Symmetric Flipped SU(5),”, DESY,
Hamburg, Germany, Jun. 9, 2022.

招待講演[67] 永田夏海，“WIMP Dark Matter Capture in NeutronStars”, NHWG33, Osaka University, May 7, 2022.

[85] S. Hor, “Minimal Nambu-Goldstone Higgs Modelin Supersymmetric SU(5),”, Hiroshima University,
Japan, Feb. 24, 2023.

[68] 永田夏海，“2040 年代の素粒子と宇宙”，次世代エネル
ギーフロンティアの検討会，レクトーレ湯河原, Aug
18, 2022.

[86] K. Ohmori, “Neutrino Masses from Generalized
Symmetry Breaking”, Tohoku University, Japan,
Dec. 8, 2022.

[69] 永田夏海，“大統一理論におけるヨタスケールの物理”，
日本物理学会 2022 年秋季大会，オンライン，2022 年
9 月 10 日.

[87] K. Ohmori, “Neutrino Masses from Generalized
Symmetry Breaking”, Kyushu University, Japan,
Dec. 16, 2022.

[70] 永田夏海，“ヨタスケールの物理”，高エネルギー将来計画委員会理論レビュー，オンライン，2023 年 1 月
10 日.

[88] K. Ohmori, “Fusion Surface Models: 2+1d Lattice Models from Higher Categories”, Universityof Chicago, USA, Mar. 27, 2023.

[71] S. Hor, “Nambu-Goldstone Higgs Models in SU(5)GUT,”, 36th Regular Meeting of the New Higgs
Working Group, Osaka University, Feb. 14, 2023.

[89] Y. Okuyama, “Method of images in defect conformal ﬁeld theories”, Osaka University, Japan, May.
18, 2022.

[72] 濱口幸一, “素粒子の標準模型を超える物理と超新星・中性子星,” 東北大学「物理科学の最前線」（オンライン）, 2022 年 7 月 1 日.

[90] Y. Okuyama, “Method of images in defect conformal ﬁeld theories”, Rikkyo University, Japan, Jan.
17, 2023.

13

1.3. 素粒子論研究室

1. 原子核・素粒子理論[91] Y. Kanazawa, “Direct Serach for Supernova Axions“, Institute de Fisica Teorica (UAM/CSIC),
Madrid, Spain, Sep. 8, 2022.

14

2 原子核・素粒子実験

2.1

原子核実験グループ(中村研究室)原子核実験グループ (Nuclear EXperimental Group;
NEX) は 2022 年 4 月に中村教授が着任し新体制での研究を開始した。また、9 月には永尾助教が着任した。
我々は、国内外の大型粒子加速器を駆使し、核子(陽子、中性子) に加えてストレンジクォークを含む
ハイペロンから構成されるハイパー原子核実験を推進することで、強い相互作用をする量子多体系の理解を目指した近代的な原子核物理学の実験研究を展開している。
このような量子多体系にはクォークから構成されるバリオン（陽子、中性子といった核子を含む)、バ
リオン多体系としての（ハイパー）原子核、バリオン多体系が重力により束縛された巨大な原子核とも言える宇宙で最も密度の高い中性子星があり、大きさのスケールは 1 fm (10−15 m) から 10 km (104 m)と 19 桁にも渡っている。これらを核力を拡張したバ
リオン間相互作用をベースとして統一的に理解するために 1) 米国ジェファーソン研究所 (JLab)、2) ド
イツマインツ大学 (MAMI)、3) 東北大学電子光理学
研究センター (ELPH) というストレンジクォークを作ることができる高エネルギーの大強度電子加速器施設を拠点に実験研究を推進している。これらに加えて、4) 東海の大強度陽子加速器施設 J-PARC において次世代プロジェクトとして準備が進んでいる高強度高分解能ビームライン (HIHR) における次世代のπ中間子ビームを用いたハイパー核実験を主導している。
現在、ハイパー核研究における 4 つの大きな謎として 1) ハイパートライトンパズル、2) 原子番号ゼ
ロハイパー核 (nnΛ) の存否、3）ラムダハイパー核の荷電対称性の破れ、4) ハイペロンパズル（重い中性子星がなぜ存在するのか）がある。我々は様々な実験を通してこれらの謎を解決するため研究を推進している。

図 2.1.1:−

典型的なラムダ粒子生成反応。上から−(K , π ), (π + , K+ ), (e, e′ K+ ) 反応を用いて研究されてきたが、我々は 2000 年より米国
ジェファーソン国立研究所 (JLab) において電子ビー
ムを用いた (e, e′ K+ ) 反応を用いたラムダハイパー核
精密分光という新しい研究手法を創始、発展させてきた (図 2.1.1)。
陽子加速器で得られる大強度陽子を標的に照射し二次粒子として生成される K− , π + 中間子とは異なり、電子加速器で直接加速できる電子はエネルギーの単色性、ビームエミッタンス（位置と角度の分布）が極めて良い高品質なビームとして得られる。JLabの CEBAF(連続電子線加速器施設）で得られる高品
質電子ビームと我々が開発した高分解能磁気スペク
トロメータを組み合わせた実験 (図 2.1.2) を遂行することにより世界で初めてラムダハイパー核分光実
験として分解能 1 MeV(FWHM) を切る精密分光に成功した。

図 2.1.2: JLab Hall-C 実験室に設置した HKS(高分2.1.1

解能 K 中間子スペクトロメータ) と HES(高分解能JLab における Λ ハイパー核電磁生
成分光実験

電子スペクトロメータ)

従来、ハイパー原子核研究は K− 中間子や π + 中
間子ビームを用いた (K− , π − ) 反応や (π + , K+ ) 反応15

2.1. 原子核実験グループ(中村研究室)2. 原子核・素粒子実験もとりわけ質量が大きく特異な中間子であり、原子核中におけるカイラル対称性の破れの自発的回復などとも関連する興味深い粒子である。この η ′ 中間子の電子散乱反応による生成現象をハイパー核研究と同時に測定することに成功した。

中性ハイパー核 nnΛ 探索
存在が確立している最も単純なハイパー核は陽子、中性子、ラムダ粒子が一つずつで構成される三重水
素ラムダハイパー核（ハイパートライトン: 3Λ H) であるが、その陽子を中性子に置き換えた nnΛ 系が現在注目を浴びている。これまでのハイパー核に関する知見によれば nnΛ は束縛しないと考えられるが近年ドイツの GSI 研究所において nnΛ 系の束縛状態を観測した、という報告があり、もしそれが正しいとすると原子番号ゼロのハイパー核の最初の発見、ということになる。しかし、実験精度の制限などからその存否は未だ確定していない。トリチウム標的を用意して 3 H(e, e′ K+ )nnΛ 反応を使うとこの状態が束縛状態でも寿命が極端に短い共鳴状態であっても探索することが可能である。ただし、放射性物質である
トリチウムを標的として使う必要があり、実験的には難しい。しかし、我々は JLab において、40 TBqの低温ガストリチウム標的を用いて本実験を行い、欠損質量分布の生成閾値付近に興味深い構造がある
ものの、束縛状態としてのクリアなピークが存在しないことを示し、その生成断面積に上限値を与えた。
また、この反応により準自由生成されたラムダ粒子のエネルギー分布より、未だ、謎に包まれた Λn 相互作用に関する貴重な知見を得ることに成功した。

(e, e′ K+ ) 反応分光
我々が JLab において創始・発展させてきたラムダ
ハイパー核精電磁生成精密分光はこれまでに軽いハイ
パー核研究において重要な成果を上げてきた。JLab
における次期計画はこれまで中重核領域では調べられたことのないラムダハイパー核束縛エネルギーのアイソスピン依存性を調べるものである。このために 40 Ca,48 Ca という貴重な同位体濃縮した標的を用
48
意し、(e, e′ K+ ) 反応を用いて 40
Λ K,Λ K ハイパー核を生成、分光する。このために必要な新たな 1 対の電荷分離電磁石 (PCS) を国内で設計・製作し、JLab に輸出した。PCS を用いた新しいセットアップで軽い
ラムダハイパー核から中重核、さらには鉛標的を用208
いて 208 Pb(e, e′ K+ )208
Λ Tl 反応による Λ Tl ハイパー核という広い質量数領域におけるラムダハイパー核
精密分光の展開を目指して、その準備を進めている。
これらの研究により高密度状態下における Λnn 三体
斥力の質量依存性、アイソスピン依存性を明らかにし、重い中性子星がなぜ存在できるのかという謎（ハイペロンパズル）の解決を目指す。

ハイペロン電磁生成(e, e′ K+ ) 反応は陽子をハイペロンである Λ, Σ0 に変換する反応であるため水素標的を用意し、既知の
Λ, Σ0 の質量を使うことでエネルギーの絶対値較正を極めて高い精度で行うことができる。これは (e, e′ K+ )反応によるラムダハイパー核精密分光の極めて重要
な実験的利点であり、中性子をハイペロンに変換す
る (K− , π − ), (π + , K+ ) 反応では不可能である。この p(e, e′ K+ )Λ/Σ0 反応は、エネルギー較正のために重要であるが、それと同時に物理的にも興味深い研究対象である。ハイパー核電磁生成の素過程である本反応はストレンジネス電磁生成の理論に対する貴重なインプットであるにも関わらず、低運動量移行 (Q2 ) 領域、超前方において信頼できるデータに乏しい。ある程度、実験データが存在する領域に関しては様々な理論計算の結果はほぼ一致しているが、低運動量移行 (Q2 ) 領域、超前方においては理論予想が大きく食い違い、信頼できる実験結果が待ち望まれている。我々は低温水素ガス標的を用いてcm
Q2 ∼ 0.5 (GeV/c2 )2 , W = 2.14 GeV, θγK∼ 0◦ に′ +0
おいて p(e, e K )Λ/Σ 反応の微分断面積を測定することに成功し、現在詳細な解析を進めている。

2.1.2

MAMI における崩壊 π − 中間子分光

ハイパー核は自由空間中で不安定であり、弱い相A−互作用により一定の確率で A
Λ Z→ (Z+1)+π のよう−に通常原子核と π 中間子の二体に崩壊する。ハイパー核が静止している場合、この π − 中間子が持つ運動量は親ハイパー核の質量を反映した単一運動量となり、この運動量を測定することでハイパー核の質量分光が可能となる。この全く新しいハイパー核
質量分光法は「崩壊 π − 中間子分光」と呼ばれ、我々は (e, e′ K+ ) 反応分光とは相補的な新しい研究手段として 2011 年よりドイツ・マインツ大学にある連続電子線加速器 MAMI-C において本手法を創始、展開してきた。基底状態であると同時に二体崩壊して π −中間子を放出するハイパー核にのみ適用可能という条件はあるものの、(e, e′ K+ ) 反応分光実験よりさらに高分解能、高精度な実験が可能である。これまで実施した実験において、四重水素ラムダハイパー核（4Λ H）からの π − 中間子ピークを分解能 0.1 MeV/c(FWHM) で観測、世界最高精度で 4Λ H の質量を決定することに成功した (図 2.1.3)。これによりラムダハ
イパー核における荷電対称性の破れの研究が大いに進展した。現在、この手法に関する研究をさらに進めている。

η ′ 電磁生成
p(e, e′ K+ ) 反応を研究するセットアップで、K+ 中間子測定器における粒子識別条件を K+ 中間子から陽子に変更することで p(e, e′ p)η ′ 反応の研究が可能である。η ′ 中間子は擬スカラー中間子九重項の中で16

2.1. 原子核実験グループ
2. 原子核・素粒子実験
Spek-B(中村研究室)Spek-Aる電子ビームのエネルギー精度が最終的な実験精度を決定している。この電子ビームエネルギーの高精度測定法の開発も並行して進んでおり、２台のアン
ジュレータを利用した「放射光干渉法」を新たに確立させつつある。
これまで収集した実験データの解析により、180
MeV の電子ビームエネルギーを ∆E/E < 10−4 の精度で測定することに成功した。また、更なる実験
セットアップ改良により 10−5 程度まで精度が向上
することも分かった。
取得した 3Λ H のデータと本研究を組み合わせることで既存の測定結果の約 10 倍という圧倒的な精度で3
Λ H の質量を決定できると期待される。

磁気スペクトロメータ

Spek-C

1.5 GeV
電子線

頻度

π− 中間子π − 中間子

磁気スペクトロメータ (Spek-C)
で得たπ − 中間子の運動量分布
四重水素ハイパー核
崩壊からのπ− 中間子ピーク

Be標的

運動量 (MeV/c)

図 2.1.3: （左）MAMI の実験セットアップ。緑色（左奥）の Spek-C 検出器と紫色（手前）の Kaos 検出

2.1.3

器で崩壊 π − と K+ 中間子を測定する。
（右）MAMIELPH におけるハイパー核研究

先述の JLab、MAMI における研究では、大強度連続電子線を利用した電磁反応によりハイパー核の生成と高精度分光を実現している。この生成過程では、中間過程として仮想光子（直接観測には現れな
い仮想的な光子）がストレンジクォークを生成する。
一方、仮想光子ではなく、高エネルギー実光子ビーム（ガンマ線）を用いることでも JLab、MAMI における実験と同様にハイペロンやハイパー核を生成することが可能である。しかし、光子ビームは電子線加速器からの二次ビームとして生成されるため、ビー
ム強度やエネルギー均一性は電子線に劣る。その一方で、その特徴を逆手にとり大立体角や幅広いエネ
ルギーレンジをを覆った測定が可能であり、ハイパー
核から放出される様々な粒子の角度、運動量分布を幅広く観測したい、というような研究に対して光子ビームを使ったハイパー研究は効果的である。
我々は、東北大学電子光理学研究センター（ELPH）にある 1.3 GeV の電子シンクロトロンからの制動放射光子ビームを使って研究を展開している。また、国内の大学が所有する加速器という面から、大規模な研究施設が運営する加速器と比較して利用しやすく、
フレキシブルなビームタイムを用いて検出器の評価を行うためのテスト実験なども頻繁に行っている。

で観測した 4Λ H からの π − 中間子ピーク。世界最高分解能、精度による観測結果。
三重水素ラムダハイパー核の高精度質量測定
近年、三重水素ラムダハイパー核（3Λ H）の質量が従来報告されている値より軽い (束縛エネルギーが大きい) のではないかという結果が米国・BNL の STAR
実験から報告されており、ハイパートライトンパズ
ルの一端となっている。3Λ H は最も単純なハイパー核であり厳密三体計算が可能なことから、その質量はより重いハイパー核に対する理論計算を遂行するために必要なインプットとしても使われる。もし本当に 3Λ H の質量が軽いとすれば、これまでの理論フ
レームワークを再考しなければならない可能性があり大いに注目を集めている。一方で、欧州・LHC のALICE 実験よりまた異なった 3Λ H 質量が報告されるなど、さらなる実験精度向上が望まれている状況にある。
このような背景から、我々は崩壊 π − 中間子分光をさらに展開し 3Λ H 質量高精度測定を実現するべく研究を進めている。大強度・高品質な電子線を使った崩壊 π − 中間子分光法を使えば、既存の実験デー
タをはるかに凌ぐ精度で 3Λ H 質量を測定できる。
この実験を実施するべく 2022 年 6 月から 7 月にかけて磁気スペクトロメータの再立ち上げと新開発のLi 標的の設置を行った。7 月および 9 月から 10 月にかけてデータ収集を実施し、これまの実験で測定した統計量の約 2 倍の物理データを取得することに成功し、現在解析を進めている。

光生成したハイパー核の寿命測定実験
ラムダハイパー核は約 200 ps の寿命で弱い相互作
用で崩壊するが、核種によって崩壊チャンネルや寿命が異なる。これらは束縛しているラムダ粒子とコ
ア原子核との波動関数の重なり具合や全角運動量によって決まるので、寿命や崩壊確率を調べることは
ハイパー核構造や内部相互作用の研究に繋がる。近年、前述した STAR や ALICE など重イオン衝突実
験から 3Λ H の寿命測定結果も多数の報告がされているが、それらは必ずしも一致した結果ではなく、3Λ Hの寿命の長短に関しても実験・理論の両面からの議論が続いている。この議論は先述の質量の問題とあわせてハイパートライトンパズルと呼ばれ、この数年間に最も活発に議論されている問題のひとつであ電子ビームエネルギーの高精度測定
崩壊 π − 中間子分光の実験精度を保証するにあた
り、磁気スペクトロメータの運動量較正が極めて重要である。MAMI では電子原子核弾性散乱からの散乱電子を用いて運動量較正しており、標的に入射す

17

2.1. 原子核実験グループ(中村研究室)2. 原子核・素粒子実験
量を測ることなく、ラムダハイパー核の励起エネル
ギーを測定できる夢の研究施設である。従来は入射ビームの品質により数 MeV の分解能に制限されていた π 中間子を用いたラムダハイパー核反応実験であるが、HIHR では半値全幅 0.5 MeV を切る分解能を達成し、初めて (e, e′ K+ ) に匹敵、もしくは上回る精度の研究が中間子ビームを用いて推進できることになる。(π + , K+ ) 反応と (e, e′ K+ ) 反応では同じ標的を用いてもアイソスピンの異なるラムダハイパー核が生成されるため、これらは相補的であり、荷電対称性の破れの研究をする上では両者が極めて重要である。J-PARC においてあらゆる質量領域におけるハ
イパー核精密分光を可能とする「ハイパー核工場」を実現するべく、現在 HIHR および次世代の (π + , K+ )反応によるラムダハイパー核精密分光実験のデザインを進めている。

る。我々はこのハイパートライトンパズルに対して、
高時間分解能検出器（σ < 100 ps）を用いたハイパー
核寿命の直接時間測定法という手法で挑戦している。
重イオン衝突実験とは全く異なる系統誤差を持つ別種の手法によって測定を行うことで、3Λ H 寿命測定の信頼度を向上させることができる。
寿命測定実験に向け、ELPH 第二実験室にあるビー
ムラインに新しいビームプロファイルモニターを設置し、わずか１秒のデータ収集によりビーム位置を
約 10 µm で測定可能なシステムの構築に成功した(図 2.1.4)。また、光検出器（SiPM）を用いた磁場下でも動作可能な高時間分解能検出器の基礎技術の確立にも成功した。

光検出器 SiPM(HAMAMATSU MPPC)

ビームプロファイル
結果の例

X-Fibers

2.1.5

異分野融合研究

先端検出器技術の異分野応用（基礎科学から核医学などの応用科学まで）を目指して、大強度電子ビー
ム下における高分解能 γ 線検出器の導入、関連する電子回路の開発研究を進めている。

光子ビーム方向Y-Fibers＜報文＞(原著論文)

図 2.1.4: 新設した光子ビームプロファイルモニター[1] B. Pandey et al., “Spectroscopic study of a possible
Λnn resonance and a pair of ΣNN states using the(e, e′ K + ) reaction with a tritium target”, Phys.
Rev. C 105, L051001 (2022).

と測定結果例。背景にあるのは荷電粒子バックグラ
ウンドを除去するための大きな電磁石の一部。

[2] S. Li et al., “Revealing the short-range structureof the mirror nuclei 3 H and 3 He”, Nature 609, 41(2022).

重水素標的を用いた Λn 終状態相互作用測定[3] T. Nanamura et al., “Measurement of diﬀerential
cross sections for Σ + p elastic scattering in the
momentum range 0.44–0.80 GeV/c”, Prog. Theor.
Exp. Phys., 2022, 093D01 (2022).

ラムダハイパー核実験の解析でも重要な Λn 間相互作用は Λn の散乱実験により測定するのが最も直接的だが、実験的困難からこのような実験は未だ実施されていない。我々は重水素標的を用いて γd → ΛnK+
反応を用いて、生成された Λ 粒子と中性子の終状態
相互作用 (FSI) を観測することで Λn 間相互作用の研究を進めている。現在、必要となる検出器、新型
光子標識化装置の開発を進めている。

2.1.4[4] P. Achenbach et al., “The spectrometer and target systems for hypernuclear physics at the Mainz
Microtron”, Nucl. Inst. and Meth A, 1043, 167500(2022).
(会議抄録)[5] P. Eckert et al., “Systematic treatment of hypernuclear data and application to the hypertriton”, Suplemento de la Revista Mexicana de Fı́sica. Vol.3
No.3 (2022).

J-PARC における次世代ハイパー
核分光実験[6] T. Gogami et al., “High accuracy spectroscopy of 3and 4-body Λ hypernuclei at Jeﬀerson Lab”, EPJ
Web of Conferences 271, 01001 (2022)

大強度陽子加速器施設 J-PARC のハドロン実験施
設の拡張計画が現在、強力に推進されている。そこ
で旗頭となっている π 中間子ビームラインが高強度
高分解能ビームライン（HIHR : High Intensity High
Resolution beamline) である。この HIHR は運動量
分散整合技術を導入することにより通常、一粒子毎に運動量を測定する必要のある入射 π 中間子の運動[7] P. Eckert et al., “Commissioning of the hypertriton
binding energy measurement at MAMI”, EPJ Web
of Conferences 271, 01006 (2022)18

2.1. 原子核実験グループ
2. 原子核・素粒子実験(中村研究室)[8] F. Garibaldi et al., “Studying ΛN interactions
through the 208 Pb(e, e′ K + )208
Λ Tl reaction”, EPJ
Web of Conferences 271, 01007 (2022).

[22] S.N. Nakamura, “Strangeness nuclear physics inthe world and signiﬁcance of research project at
JLab”, Hypernuclear Physics Workshop 2023 at
JLab, March 3 (2022), JLab USA.

[9] T. Gogami et al., “Cross-section measurement of
virtual photoproduction of iso-triplet three-body
hypernucleus, Λnn”, EPJ Web of Conferences 271,
02002 (2022)

招待講演[23] S.N. Nakamura, “Future prospects of spectroscopyof Lambda hypernuclei at JLab and J-PARC
HIHR”, The 14th International Conference on Hypernuclear and Strange Particle Physics, June 27 July 1 (2022), Prague Czech Republic.

[10] K. Okuyama et al., “Study of the Λ/Σ0 electroproduction in the low-Q2 region at JLab”, EPJ Web
of Conferences 271, 02003 (2022)[11] K. Itabashi et al., “Study of Λn FSI with Λ quasifree productions on the 3 H(e, e′ K + )X reaction at
JLab”, EPJ Web of Conferences 271, 02006 (2022).

[24] S. Nagao, “Recent results and future prospects of
the JLab hypernuclear program”, EMMI Workshop 4th Workshop on Anti-Matter, Hyper-Matterand Exotica Production at the LHC, February 13- 17 (2022), Bologna Italy.

[12] K. Miwa et al., “Recent progress and future
prospects of hyperon nucleon scattering experiment”, EPJ Web of Conferences 271, 04001 (2022).

[25] S. Nagao, “Future prospects of hypernuclear highresolution & high-precision spectroscopies withelectron beams”, Third International Workshop on
the Extension Project for the J-PARC Hadron Experimental Facility, March 14 - 16 (2023), J-PARC.

[13] F. Sakuma et al., “J-PARC hadron experimental
facility extension project”, EPJ Web of Conferences 271, 11001 (2022).
[14] T. Gogami et al., “Strangeness physics programsby S-2S at J-PARC”, EPJ Web of Conferences 271,
11002 (2022).

[26] S.N. Nakamura, “High precision spectroscopic
study of Lambda hypernuclei with the (π, K) reaction at HIHR”, Third International Workshop on
the Extension Project for the J-PARC Hadron Experimental Facility, March 14 - 16 (2023), J-PARC.

[15] S.N. Nakamura et al., “Future prospects of spectroscopic study of Lambda hypernuclei at JLab and JPARC HIHR”, EPJ Web of Conferences 271, 11003(2022).

(国内会議)[16] P. Klag et al., “High accuracy synchrotron radiation interferometry with relativistic electrons”,
The 13th Biennial Conference on Classical andQuantum Relativistic Dynamics of Particles andFields. arXiv:2212.11139.

一般講演[27] 中村哲, 「エネルギー光子ビームで探る原子核内部と中性子星深部」, 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。
」領域
研究会, 2022 年 5 月 20 - 21 日, オンライン(国内雑誌)[28] 永尾翔, 「ハイパー核精密分光実験を用いたバリオン
間力へのアプローチ」, 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。
」
領域研究会, 2022 年 5 月 20 - 21 日, オンライン[17] 中村哲、永尾翔、田村裕和、山本剛史, 「ラムダ粒子
は，陽子と中性子を区別できるか？――ラムダハイ
パー核における荷電対称性の破れ」, 日本物理学会誌
2022 年 77 巻 5 号 p.287-292.

[29] 永尾翔, 「JLab, MAMI におけるハイパー核質量分
光：A=3 ハイパー核の分光実験」, 日本物理学会 2022
年秋季大会, 2022 年 9 月 6 - 8 日, 岡山理科大学[18] 中村哲, 「量子ビーム科学の基礎と応用、3. 電子ビー
ム 3.2 固定標的の実験」、原子力システム研究懇談会.
＜学術講演＞[30] 木野量子、永尾翔,「ELPH BST リングにおける GeV
領域光子ビームプロファイル」, 日本物理学会 2022
年秋季大会, 2022 年 9 月 6 - 8 日, 岡山理科大学(国際会議)
一般講演[31] 西幸太郎, 「アンジュレーターによるシンクロトロン
放射光を利用した電子ビームエネルギー測定」, 日本
物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3 月 22 - 25 日,
オンライン[19] S. Nagao, “Status of the PCS magnets & simulation study”, Hypernuclear Collaboration Meeting
2022Aug, July 22 (2022), Online.

[32] 西田賢, 「ELPH 光子ビームプロファイルモニタにおける荷電粒子検出効率の改善」, 日本物理学会 2023
年春季大会, 2023 年 3 月 22 - 25 日, オンライン[20] S. Nagao, “Modiﬁcation from Hall-A to Hall-C”,
Hypernuclear CollaborationMeeting 2022Dec, December 13 - 14 (2022), Online.

(セミナー)[21] S. Nagao, “Hypernuclear decay pion spectroscopy
at MAMI, Germany”, Hypernuclear Physics Workshop 2023 at JLab, March 3 (2022), JLab USA.

[33] S.N. Nakamura, “Hypernuclei”, A3F CNS Summer School, August 20 - 24 (2022), Shinrin-Koen
Heitage Resort.

19

2.2. 横山（将）・中島研究室

2.2

2. 原子核・素粒子実験

横山（将）・中島研究室

本研究室では、素粒子物理・宇宙素粒子物理に関する実験・観測を行っている。現在は特に、スーパーカ
ミオカンデ実験、およびスーパーカミオカンデと大強度陽子加速器 J-PARC を使ったニュートリノ振動
実験・T2K 実験を推進している。さらに研究を発展させるべく、スーパーカミオカンデの後継となるハ
イパーカミオカンデの建設を進めている。また、高エネルギー加速器研究機構 (KEK) の電子・陽電子衝突型加速器スーパー B ファクトリーを使った Belle
II 実験にも参加している。
これら世界最先端の実験設備を使って、自分たちの手で素粒子や宇宙の謎を実験的に解き明かすことが、我々の目標である。

図 2.2.5: J-PARC 施設での SuperFGD 検出器の組
み立ての様子。当研究室の大学院生が他国の研究者や大学院生と協力して作業を進めている。

2.2.1

加速器による長基線ニュートリノ振動実験（T2K 実験）

2022 年 10 月に、J-PARC 施設での SuperFGD 検
出器の組み立てが始まった。ロシアで製作され、釣り糸を使って層状に組まれたシンチレータキューブを位置を合わせつつ構造体の中に 56 層積み上げ、2022
年末までに構造体を閉じることができた。2023 年初
頭からは合計 55,888 本の波長変換ファイバーを釣り糸に換えて挿入し、また MPPC・較正装置の取り付けを行った（図 2.2.5）。その際、881 枚の MPPC 基板
を正しく取り付け、またその情報を管理できるよう、GUI を使ったシステムを短期間で開発し運用した。
さらに、建設後に宇宙線等を用いて装置の応答の較正を行う手法の開発を進め、必要な較正項目や要求される精度の確認と、実機で現実的に達成できる較。
正精度の見積りを行った（児玉将馬 修士論文 [16]）T2K（Tokai-to-Kamioka）実験は、茨城県東海村にある大強度陽子加速器施設 J-PARC で人工的に作り出した（反）ニュートリノビームを 295 km 離れた岐阜県飛騨市のスーパーカミオカンデで観測し、ニュートリノの種類が飛行中に自然に変化する「ニュートリノ振動」という現象を用いて、ニュートリノの性質を明らかにする実験である。T2K 実験の現在の大きな目標は、ニュートリノと反ニュートリノでのミューオン型から電子型への遷移確率の差異を見ることで、物質と反物質の性質の違い（CP 対称性の破れ）を観測することである。

前置検出器の事象再構成と電子ニュートリノ事象選択
当研究室では、細分化された SuperFGD の構造を利用し、CP 対称性の破れの測定に重要な電子ニュート
リノの反応断面積の測定を行うための研究を進めている。今年度は、反応点の再構成や粒子識別のアル
ゴリズムの改良を行い、データ収集の開始に向けて準備を進めた。

T2K 前置検出器アップグレード
T2K 実験では、加速器で人工的に作り出した素性のわかったニュートリノを使い、また生成直後のニュートリノの性質を J-PARC 施設内に設置した前置検出器と呼ばれる装置で実測し、ニュートリノ振動が起きた後のスーパーカミオカンデでの観測データと比較することで、不定性を抑え精度の良い測定を可能としている。
我々の研究室では、T2K 実験の感度をさらに向上
させるために前置検出器を改良型の新装置と入れ替えるアップグレード計画を提案し、国際共同プロジェ
クトを主導してきた。中でも特に、プラスチックシ
ンチレータのキューブを約 200 万個並べて 3 方向から読み出す新構造の検出器 SuperFGD の建設と、前置検出器のデータを解析に使うための事象再構成・
事象選別ソフトウェアの開発を進めている。

ニュートリノ振動の研究

T2K 実験での加速器ニュートリノの測定とスー
パーカミオカンデによる大気ニュートリノの観測を合わせて解析することで、ニュートリノ振動パラメー
タの測定感度を向上させることが可能となる。この
合同振動解析においては、これまで独立に解析されてきた２種類のデータを組み合わせるために、さま
ざまな系統誤差のチェックが必要となる。我々はその中で、ニュートリノ-原子核反応モデルの不完全さに起因する効果の大きさを見積もるための、シミュレーションを用いた研究を進めた。その結果を元にニュートリノ-原子核反応モデルの取り扱いを改善し、近日中に実データの解析に進む予定である。

ニュートリノ検出器 SuperFGD の建設 SuperFGD
検出器では、シンチレータからの光の検出に半導体
光検出器 MPPC を使用する。当研究室では、SuperFGD 検出器で使用する MPPC 56,384 個（基板 881
枚）のうち 50,688 個（792 枚）の試験を担当し、動作を確認した。

20

2. 原子核・素粒子実験

2.2.2

2.2. 横山（将）・中島研究室

スーパーカミオカンデ実験

スーパーカミオカンデは、直径 39.3 m、高さ 41.4 mの円筒形の水槽内に 5 万トンの純水を満たし約 11,000
本の 50 cm 径光電子増倍管を備えた、世界最大の地
下ニュートリノ観測および陽子崩壊探索実験装置である。1996 年の運転開始以降長い歴史を持つ測定器であるが、継続して装置や解析手法の改良を行い、世界のニュートリノ研究を牽引してきた。

SK-Gd
スーパーカミオカンデは、2020 年夏に 5 万トンの超純水中に 13 トンの硫酸ガドリニウム八水和物(Gd2 (SO4 )3 ·8H2 O) を添加し、SK-Gd として新たな
図 2.2.6: 中性子捕獲時定数を用いたガドリニウム溶
Figure 7.8: The state of Gd-loading using the neutron capture time constant of gadolin観測を開始した。2022 年には、約 27 トンの硫酸ガ
ium.The horizontal axis represents the z direction of the detector, and the
解の様子の確認。横軸はスーパーカミオカンデの鉛
ドリニウム八水和物を追加で導入し、さらなる高感
vertical axis represents the time constant. On June 4th (purple line), the
度での観測をスタートさせた。
直方向の位置、縦軸はその区間で観測された中性子
time constant was about 130µs throughout the detector, but on July 5th
レアアースの一種であるガドリニウム (Gd) は中(light blue), the concentration
捕獲の時定数を表す。
[17] became constant around 65µs.
性子捕獲断面積が大きく、また捕獲後にスーパーカ
ミオカンデでも検出可能な比較的高いエネルギー（合計約 8 MeV）のガンマ線を放出する。このガンマ線定していることを確認した。さらに、中性子の信号を検出することで、スーパーカミオカンデにおけるをスーパーカミオカンデの数 MeV–数 10MeV 領域
中性子の検出効率を向上させ、新たな研究を推進しでのエネルギー較正に用いることを目標として、モている。とりわけ、ニュートリノ反応と同時に放出
ンテカルロシミュレーションとの比較による検出器
される中性子を同時計測することでノイズを飛躍的応答の研究を行った。（志摩静香 修士論文 [17]）に低減し、未発見の超新星背景ニュートリノの世界初観測を目指している。また、T2K 実験や大気ニュー超新星背景ニュートリノの探索 2020 年から 2022
トリノ観測、陽子崩壊探索などの解析においても中性
年にかけて取得した、ガドリニウム濃度 0.01%での子の信号を利用することで感度の向上が期待できる。
100
552 日分の観測データを用いた超新星背景ニュート
リノの探索を進めている。ガドリニウムによる中性
ガドリニウム追加導入 2022 年 6 月 1 日から 7 月
子検出を利用することで、従来の純水での観測に比
4 日にかけて、2020 年の導入量の約 2 倍に相当する
べ、中性子を誤検出することによる背景事象を大幅
27 トンの硫酸ガドリニウム八水和物をスーパーカミに低減しつつ、信号の検出効率を約 2 倍に向上させる
オカンデに溶解し、ガドリニウムの重量濃度としてことに成功した。この結果、552 日分の SK-Gd デー
0.033%を達成した。約１ヶ月に渡って途切れること
タで、純水での 2970 日分の観測に匹敵する感度を達なく硫酸ガドリニウム八水和物を継続的に溶解させ成した。現在、この探索結果をまとめた論文を準備る手法を開発し、その運用に成功した。
している。
神岡の山中を突き抜けて地下まで到達する高エネ
ルギーの宇宙線ミューオンは、原子核破砕で中性子を生成する。宇宙線の信号と中性子捕獲による γ 線
信号の時間差により、中性子の捕獲時定数を測定で2.2.3 ハイパーカミオカンデ計画
きる。ガドリニウム濃度が高くなるにつれ、捕獲時
スーパーカミオカンデでの研究をさらに発展させ定数は短くなる。2022 年のガドリニウム追加導入中
るべく、より大きく高性能の次世代検出器ハイパーの期間に、検出器を鉛直方向に区切った領域ごとにカミオカンデの建設を推進している。ハイパーカミ
中性子の捕獲時定数を測定した結果を図 2.2.6 に示
オカンデは、直径 68m、深さ 71m の円筒形のタンク
す。検出器の下側からガドリニウム濃度の高い水をに 26 万トンの超純水を満たした大型水チェレンコフ
入れていくにつれ、高濃度になった領域で中性子捕検出器であり、ニュートリノ振動の研究、陽子崩壊
獲時定数が短くなっていく様子が確認できる。
の探索や、超新星からのニュートリノ検出など、宇宙と素粒子にわたる幅広い分野で世界最高の研究を
SK-Gd 検出器の較正 中性子の信号は、測定器の行うための施設となる。
応答をよりよく理解するための新たな手段ともなる。
ハイパーカミオカンデの建設は 2020 年に始まり、宇宙線による原子核破砕で生成される中性子を利用
2027
年の運転開始を目指して国際協力でプロジェク
することで、検出器全域にわたって連続的に応答のトを進めている。我々の研究室では、検出器の建設
較正を行うことが可能となる。データ中からそのよ
計画全体を取りまとめ国際共同実験を牽引すること
うな中性子の信号を抜き出す手法を開発し、検出器に加え、光電子増倍管の性能検査や測定器の詳細な応答の位置依存性を測定し、また応答が時間的に安21

2.2. 横山（将）・中島研究室

2. 原子核・素粒子実験

有機液体 TPC 原子炉ニュートリノや超新星ニュートリノといった数 MeV から数十 MeV の反電子ニュートリノの超高精度測定を目指し、有機液体を媒質として用いた Time Projection Chamber(TPC) を開発している。原理検証のため、小型イオンチェン
バーを製作し、候補となる有機液体の基礎特性を測定している。これまでに候補液体の一つである 2,2,4トリメチルペンタンを用い、その電離信号の観測に成功した。現在、液相から気相への電子の抽出および気相でのガス増幅の測定を目指し、実験および装置の改良を進めている。

図 2.2.7: 光電子増倍管 100 本を同時に測定する検査システム

Gd を用いた無機結晶シンチレーター ニュートリ
ノが、それ自身の反粒子であるという性質（マヨラナ性）を持つと、ある種の原子核においてニュートリノ
を伴わない二重ベータ崩壊が起こると予言されている。ガドリニウム 160 もニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊 (160 Gd →160 Dy + 2e− ) を起こすと予想されている。これを探索するため、SK-Gd のために開発した超高純度 Gd 精製技術を応用し、Gd を含んだ無機結晶シンチレーターを開発している。約 100 gの Ce ドープ GAGG 結晶 (Ce : Gd3 Al12 Ga3 O12 ) を製作し、その放射性不純物の含有量を、結晶内部の発光の遅延同時計測、および高純度ゲルマニウム検出器や表面α検出器を用いた測定により評価した [44]。
現在、この結果をもとに改良した結晶の生成方法の検討を進めている。

較正方法の確立など、検出器の性能を最大に引き出すための開発研究を行っている。

光電子増倍管の開発・生産・品質管理
ハイパーカミオカンデ用の光電子増倍管は、スーパーカミオカンデのものよりも光検出効率、電荷分解能、時間分解能などの性能がそれぞれ約２倍改善している。2022 年 4 月までに 3,772 本の光電子増倍管が納入され、外観や特性の検査を行ってきた。その中で、暗計数率の不安定性が確認されたことを受けて、一時納入を中止して原因の究明と対策を進めた。光
電子増倍管 100 本を同時に測定し安定性の評価をすることが可能なシステムを構築した（図 2.2.7）。設計の改良と出荷前後の安定性検査を合わせることで品質を保証する仕組みを確立し、納品再開に向けて最終的な確認を行なっている。

発光時定数の短い波長変換ファイバーの試験 近年
新しく開発された発光時定数の短い波長変換ファイバー（クラレ社製 YS-2, 4, 6）の基本特性を測定し、従来広く使用されてきた同社製の Y-11 に比べて確
かに時定数が短くなっていることを確認した（児玉将馬 修士論文 [16]）。
＜受賞＞

検出器の較正と純水システム[1] 児玉 将馬，第 10 回高エネルギー物理春の学校 優秀賞，2022 年 5 月

ハイパーカミオカンデの性能を最大限に引き出すべく、装置の較正方法を開発している。8 cm 径の光電子増倍管 19 本をモジュール化したマルチ PMT モ
ジュールを利用することで較正精度を上げる手法の研究や、設置前に 50 cm 径光電子増倍管の性能を精密に測定して較正に役立てるプリキャリブレーションの手法の開発を進めている。
また、検出器の性能を大きく左右する純水の品質を保持できるよう、純水の供給や循環を行う純水装
置や検出器内の配管の検討も、スーパーカミオカン
デの経験をもとに進めている。

2.2.4[2] 江口 碧, Best Poster Award, The 21st international
workshop on Next Generation Nucleon Decay and
Neutrino Detectors (NNN22), Sep 30, 2022
＜報文＞

(原著論文)[3] L. N. Machado et al. [Super-Kamiokande Collaboration], “Pre-supernova Alert System for SuperKamiokande,” Astrophys. J. 935, no.1, 40 (2022).
[4] H. Oshima et al. [NINJA Collaboration], “Measurements of protons and charged pions emitted
from νµ charged-current interactions on iron ata mean neutrino energy of 1.49 GeV using a nuclear emulsion detector,” Phys. Rev. D 106, no.3,
032016 (2022).

新検出器開発将来、新たな実験を実現することを目指し、素粒子検出器の基礎開発を行なっている。

[5] R. L. Workman et al. [Particle Data Group], “Review of Particle Physics,” PTEP 2022, 083C01(2022).

22

2. 原子核・素粒子実験

2.2. 横山（将）・中島研究室

招待講演[6] Yasuhiro Nakajima, “A step forward in understanding the universe: The latest results fromthe Daya Bay experiment,” The Innovation 3(6),100332 (2022).

[18] Yasuhiro Nakajima, “Calibration strategies forHyper-Kamiokande,” Workshop on the evolutionof advanced electronics and instrumentation for
Water Cherenkov experiments, April 11, 2022, Online[7] R. Matsumoto et al. [Super-Kamiokande Collaboration], “Search for proton decay via p →µ+ K 0 in 0.37 megaton-years exposure of SuperKamiokande,” Phys. Rev. D 106, no.7, 072003(2022).

[19] Masashi Yokoyama, “Prospect of physics withlarge neutrino detectors,” Physics in LHC and Beyond, May 12–15, 2022, Matsue, Japan[8] M. Mori et al. [Super-Kamiokande Collaboration], “Searching for Supernova Bursts in SuperKamiokande IV,” Astrophys. J. 938, no.1, 35(2022).

一般講演[20] Aoi Eguchi, “The T2K Near Detector upgrade,”
The 23rd International Workshop on Neutrinos
from Accelerators (NuFact 2022), July 31– Aug 6,
2022, Salt Lake City, Utah, United States[9] K. Abe et al. [T2K Collaboration], “Scintillator
ageing of the T2K near detectors from 2010 to2021,” JINST 17, no.10, P10028 (2022).

ポスター発表[10] K. Abe et al. [Super-Kamiokande Collaboration],“Neutron tagging following atmospheric neutrino
events in a water Cherenkov detector,” JINST 17,
no.10, P10029 (2022).

[21] Aoi Eguchi, “EM shower reconstruction and electron neutrino selection with the T2K SuperFGD
detector,” The XXX International Conference on
Neutrino Physics and Astrophysics(Neutrino2022), May 30–June 4, 2022, Online[11] K. Hosokawa, M. Ikeda, T. Okada, Y. Nakajima, etal. “Development of ultra-pure gadolinium sulfate
for the Super-Kamiokande gadolinium project,”
PTEP 2023, no.1, 013H01 (2023).

[22] Aoi Eguchi, “EM shower reconstruction and electron neutrino selection for the T2K near detector upgrade,” The 21st international workshop on
Next Generation Nucleon Decay and Neutrino Detectors (NNN22), Sep 28–30, 2022, Hida, Japan[12] I. Alekseev, T. Arihara, V. Baranov, A. Eguchi,
K. Iwamoto, H. Kikutani, S. Kodama, K. Nakagiri, Y. Yoshimoto, M. Yokoyama, et al. “SuperFGD prototype time resolution studies,” JINST
18, no.01, P01012 (2023).

[23] Yoshimi Yoshimoto, “Performance test of multipixel photon counters for super-ﬁne grained detector of T2K,” NNN22, Sep 28–30, 2022, Hida, Japan[13] K. Abe et al. [Super-Kamiokande Collaboration], “Search for Cosmic-Ray Boosted Sub-GeV
Dark Matter Using Recoil Protons at SuperKamiokande,” Phys. Rev. Lett. 130, no.3, 031802(2023).

[24] Shizuka Shima, “Study of energy scale calibration and Gd concentration monitoring using cosmogenic neutron in SK-Gd,” NNN22, Sep 28–30,
2022, Hida, Japan[25] Shoma Kodama, “Development of calibration
methods for the SuperFGD in the T2K experimentusing cosmic muons,” NNN22, Sep 28–30, 2022,
Hida, Japan[14] C. Lin et al. [KOTO Collaboration], “Search for
the Pair Production of Dark Particles X with
KL0 → XX, X → γγ,” Phys. Rev. Lett. 130,
no.11, 111801 (2023).

[26] Wataru Okinaga, “Improvement in PID methods
for selecting electron neutrino events in the upgraded near detector of T2K,” International Conference on the Physics of the Two Inﬁnities, March
27–30, 2023, Kyoto University, Kyoto, Japan[15] H. Budd, J. Capo, J. Chaves, K. Iwamoto,
M. Yokoyama, et al., “Total Neutron Cross-section
Measurement on CH with a Novel 3D-projection
Scintillator Detector,” Physics Letters B 840,
137843 (2023).

[27] Shoma Kodama, “Development of calibration
method of the new near detector SuperFGD in
the T2K experiment using cosmic muons,” International Conference on the Physics of the Two Inﬁnities, March 27–30, 2023, Kyoto University, Kyoto,Japan(学位論文)[16] Shoma Kodama, “Development of Calibration
Methods for the New T2K Neutrino Detector SuperFGD and Evaluation of New Wavelength Shifting Fiber,” Master’s thesis, Jan. 2022.

(国内会議)[17] Shizuka Shima, “Study of Super-Kamiokande detector calibration using cosmogenic neutron capture on Gadolinium,” Master’s thesis, Jan. 2022.

招待講演[28] Yasuhiro Nakajima, “Status of SK and SK-Gd,”
Workshop on “Exploration of Particle Physics andCosmology with Neutrino,” November 2, 2022, Kyoto University＜学術講演＞(国際会議)

23

2.3. 浅井研究室

2. 原子核・素粒子実験(セミナー)[29] 中島 康博，「スーパーカミオカンデ 太陽ニュートリ
ノと SK-Gd」東京大学宇宙線研究所 令和 4 年度共同利用研究成果発表会 2023 年 2 月 21-22 日，東京大学 柏キャンパス[46] 横山 将志，「宇宙は何でできている？ スーパーカ
ミオカンデでの研究最前線」， 松山南高教養アップ講
座， 2022 年 7 月 21 日， オンライン[30] 中桐 洸太 ，「次世代ニュートリノ検出器のための大口径光検出器の開発と運用」，同上[47] 中島 康博，「幽霊粒子ニュートリノで探る宇宙の謎」，
同志社中学 学びプロジェクト，2023 年 1 月 19 日，
オンライン

一般講演

[48] 横山 将志，STREAM 研修模擬講義，愛媛県立宇和島東高等学校 STREAM 研修，2023 年 1 月 20 日，
東京大学本郷キャンパス[31] 小林 北斗，「T2K 実験 WAGASCI 検出器フロントエ
ンドエレクトロニクスを用いた電荷測定における線形性の評価」，第 10 回高エネルギー物理春の学校，2022
年 5 月 26–28 日，琵琶湖コンファレンスセンター[32] 児玉 将馬，「T2K 実験における新型前置検出器の宇宙線等を用いた較正手法の開発」，同上

2.3[33] 渡辺 英一朗，
「ニュートリノ観測のための有機液体放射線検出器の開発」，同上

浅井研究室

本研究室は、「真空の構造の解明」、「力の統一の実現」等を目指して、エネルギーフロンティア加速器実験と非加速器実験の両面から研究を行っている。素
粒子物理国際研究センターと共同で LHC・ATLAS
実験でのヒッグス粒子や超対称性粒子や余剰次元の探索で主導的な役割を果たしてきた。これと並んで小規模な非加速器実験を多数展開し、標準理論を超えた新しい素粒子現象の探索を二つの異なる角度から行っている。特に、光を使った素粒子実験の開拓を目指している。さらに、2021 年度からは素粒子物理国際研究センター (量子 AI テクノロジー研究分野)・
量子ネイティブ育成センターと協力して、基礎科学への応用を目指した量子技術研究を行っている。

[34] 江口 碧，「T2K 前置検出器アップグレードに向けた
電子再構成手法の開発」，日本物理学会 2022 年秋季大会，2022 年 9 月 6–8 日，岡山理科大学[35] 志摩 靜香，「SK-Gd における宇宙線ミューオン由来の核破砕中性子捕獲信号を用いたエネルギー較正お
よび Gd 濃度モニター」、同上[36] 児玉 将馬，「T2K 実験における新型前置検出器 SuperFGD の宇宙線を用いた時間分解能等に関する較
正手法の開発」，同上[37] 冲永 和平，「T2K 新型前置検出器における電子ニュートリノ事象選択のための粒子識別手法の改善」，第 29
回 ICEPP シンポジウム，2023 年 2 月 19–22 日，志賀レークホテル

2.3.1[38] 小林 北斗，「T2K 実験新型前置検出器を用いた電子
ニュートリノ事象選別のための反応点再構成手法の開発」，同上LHC・ATLAS 実験での研究

世界最高エネルギー加速器実験 LHC(写真 2.3.8)
は、2022 年から重心系エネルギーが 13.6 TeV に増強されて運転を再開している。2022 年までに、積算
ルミノシティーで約 36 fb−1 の実験データが得られ、本研究室は、素粒子物理国際研究センターと共同でヒッグス粒子の発見につづいて、ヒッグス粒子の研究や超称性粒子探索を行っている。

[39] Yoshimi Yoshimoto, “Performance test of multipixel photon counters for super-ﬁne grained detector of T2K,” 日本物理学会 2023 年春季大会，2023
年 3 月 22–25 日，オンライン[40] 江口 碧，「SK 大気ニュートリノと T2K ビームニュー
トリノの合同振動解析に向けた反応モデルの柔軟性テスト」，同上[41] 冲永 和平，「T2K 新型前置検出器における電子ニュートリノ事象選択のための粒子識別手法の改善」，同上[42] 小林 北斗，「T2K 実験新型前置検出器を用いた電子
ニュートリノ事象選別のための反応点再構成手法の開発」，同上[43] 児玉 将馬，「発光時定数の短い新型波長変換ファイバーの性能評価」，同上[44] 山田 祐佳，山口 由貴， 中島 康博，「GAGG 結晶を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊の探索」，同上

図 2.3.8: LHC 加速器。

ポスター発表[45] 冲永 和平，「宇宙線ミューオンを用いた g 因子の測定」， 第 10 回高エネルギー春の学校 2022 年 5 月
26–28 日，琵琶湖コンファレンスセンター24

2. 原子核・素粒子実験

2.3. 浅井研究室

高輝度 LHC-ATLAS 実験に向けた初段ミューオン②テストパターン⽣成システム

トリガーの開発と検証

現実的な⾶跡(MC/実データ)

LHC 加速器をアップグレードした「高輝度 LHC」
は、2029 年に運転開始予定である。アップグレード
後の瞬間最高ルミノシティーは 7.5 × 1034 cm−2 s−1まで増強される。加速器のアップグレードに伴い、トリガーシステムのエレクトロニクスも刷新される。
エンドキャップ領域におけるミューオントリガー系
では、7 層の TGC 検出器のヒット情報のコインシデ
ンスをとることによって通過したミューオンの運動量を概算し、トリガー判定を行うボードである Sector
Logic (SL) が新たに開発される。
本研究では、開発・統合が進む SL の検証試験を行うための機構を設計・開発・運用した（図 2.3.9）。
本検証機構では、同一のテストパルスパターンを実機試験、ファームウェアのシミュレーション (Xilinx
Vivado Simulator)、ソフトウェアシミュレーション（ビットワイズシミュレータ）の 3 つ全てに使用し、各出力を照合することによって堅固な検証を実現する。本機構の構成要素として、ビットワイズシミュ
レータとテストパターン生成機構を開発し、検証機構の運用までを行った。
本研究で開発したビットワイズシミュレータは、SL トリガー系のファームウェアと完全に同一のロジックを有するソフトウェアシミュレータである。
多段のトリガー計算の各段階でファームウェアと全く同じ構造で計算を行う。計算では小数を用いた近似は行わず、ファームウェアの信号線にブール値や整数型を対応させて記述しているため、入出力がファームウェアとビット単位で完全に一致する。
テストパターン生成機構は、様々なテスト入力パ
ターンを、SL への入力となる 128 bit × 58 links の形式に翻訳・整形する機構である。この生成機構は様々なフォーマットでの入力に対応しており、検出器のチャンネル 1 つずつ指定してヒット信号を入力することも、座標情報から直線飛跡となる 13 点をまとめて入力することも可能である。前者の入力形式
を複数組み合わせることによって、任意のヒットパ
ターンを作ることができる。
検証機構の運用では、直線飛跡および MC データから生成したテストパターンを用いた試験の 2 種類の試験を行った。直線飛跡による試験では、2 種のシミュレーションと実機の出力を比較することにより、ファームウェアのバグを発見・修正することができた。MC データを用いた試験では、トリガーロジック内で ineﬃciency が生じる仕組みについて、イ
ベントごとに代表点の組み合わせやヒットパターンまで遡った精査を行い、原理的に回復可能であることが理解された。
ビットワイズシミュレータは現在も開発を進めており、2023 年度中に SL トリガー系の全てのロジックをカバーするシミュレータとして完成させる予定である。また、試用のための新たなロジックも並行して随時開発・検証し、トリガーロジックの改善可能性を探っていく。

直線⾶跡
光ファイバー128 bit × 58 link

Test Pulse Patternファイル①Bit-wise
Simulator(C++)
Output 1

Xilinx Vivado
Simulator

Sector Logic
実機試験(board-level試験)

Output 2

Output 3

出⼒同⼠の照合

図 2.3.9: 検証機構全体図。

2.3.2

小規模実験で探る標準理論を超えた
新しい素粒子現象の探索

大規模なエネルギーフロンティア加速器実験 (LHC/ ATLAS 実験) の対極である、テーブルトップでの小規模実験も行っている。エネルギーフロンティ
ア実験が未知の素粒子現象を直接たたき出すのに対し、テーブルトップ実験では高感度な検出器や、高精度での測定によって標準理論からのズレを探索し、間接的に未知の素粒子現象を探る。なお、最新の情報や成果はテーブルトップ実験 web ページ
https://tabletop.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/ に掲載し、随時更新している。

ボース・アインシュタイン凝縮を目指したポジトロ
ニウム冷却
電子とその反粒子 (陽電子, e+ ) の束縛系であるポ
ジトロニウム (Positronium, Ps) はボース粒子であるため、冷却するとボース・アインシュタイン凝縮(Bose-Einstein condensate, BEC) を起こすと考えられる。Ps-BEC を実現し、反物質にはたらく重力の研究や物質と反物質の対称性の研究、ガンマ線レー
ザー実現などに応用すべく研究している。本研究室
では、Ps の熱化とレーザー冷却を組み合わせた新しい冷却手法を提案した。早期に Ps レーザー冷却を実現すべく、高エネルギー加速器研究機構 (KEK) 物
質構造科学研究所 (Institute of Materials Structure
Science, IMSS) 低速陽電子実験施設 (Slow Positron
Facility, SPF) で実験を行っている。2022 年度は五神研究室・大学院工学系研究科吉岡研究室と共同で開発したプロトタイプ Ps 冷却用レーザーを用いて Ps レーザー冷却原理実証実験 [51] に取り組むとともに、陽電子蓄積装置開発 [2] や Ps 生成・濃縮・冷却材開発 [53, 56, 58]、さらに Ps レーザー冷却原理検証実験におけるシンチレータ信号波形の機械学習を用いた解析手法の開発 [57, 59] を行った。

25

2.3. 浅井研究室

2. 原子核・素粒子実験

Ps 生成・濃縮・冷却材開発においては、材料性能評価のため、KEK-IMSS-SPF-B2 ビームラインにおける Ps 飛行時間 (Time-of-ﬂight, TOF) 測定を行った。実験の概念図を図 2.3.10 に示す。シリカエアロ
ゲル、ナノプロセシング、規則配列シリカナノ粒子、の 3 つの手法で試作したシリカ（酸化ケイ素、SiO2 ）ナノ材料について室温での測定を行い、いずれの材料でも Ps 生成を確認した。詳細な解析は現在進行中
だが、シリカエアロゲル表面から真空中に放出された Ps の温度として、2,600–3,000 K という暫定値を得た。より低温の Ps を生成するため Ps 生成材を低温にする計画であり、2023 年度以降のビームタイム
において、試料を低温にした場合の Ps-TOF 測定に
よりさらなる性能評価を行い、Ps-BEC 実現に最適な Ps 生成・濃縮・冷却材開発を進めていく。

𝐸=

𝑚 𝐿2
.
2𝑡 2

𝜀∝

𝑡 ∆𝐿
𝑡
exp − .
𝜏 𝐿
𝜏

(MSE)

図 2.3.11: シンチレータ信号におけるパイルアップ
識別のための機械学習ネットワーク構成図。
多波長観測による暗黒物質の間接探索
宇宙にはまだ多くの謎が残されているが、その謎の一つが暗黒物質の正体である。宇宙の 27 %を占めると考えられている暗黒物質は目で見ることができず、何でできているのかもわかっていない。ミュー粒子の異常磁気能率の測定結果から、質量 500 GeV 程度の超対称性粒子が暗黒物質であることが示唆される。
この暗黒物質は銀河中心で対消滅し、その時に放出された高エネルギー電子から二次的に電波やガンマ線が放出される。矮小楕円体銀河の一つである Draco 銀河を対象とし、予想される電波強度を計算した。また、インドの電波干渉計である GMRT の Draco 観測
データを解析し、暗黒物質の探索をおこなった。解析にあたっては、バックグラウンド源となる背景電波点源の除去を慎重におこなった。その結果、暗黒物質は見つからなかったが、50 ∼ 100 mJy 程度の電波放出に対する積分上限値が得られた（図 2.3.12）。
ただし、この上限値には電波干渉計に特有な missing
ﬂux と呼ばれる効果が考慮されていないため、今後
は missing ﬂux の寄与を見積もる。また、より高感度な電波干渉計での観測も予定している。

図 2.3.10: ポジトロニウム飛行時間 (Ps-TOF) 測定
実験の概念図。
一方、Ps レーザー冷却原理実証実験においては、
10 ns 程度のパルス時間内に大量に生成された Ps が
142 ns の寿命でガンマ線に崩壊するため、ガンマ線検出器（シンチレータ）信号がパイルアップし、解析を困難にしている。従来、周波数フィルターを用いた逆畳み込み (Wiener deconvolution) 法によってパイルアップした波形から個別のガンマ線パルス信号を識別していたが、解析に時間がかかるうえ、パイルアップ確率が高くなると識別性能が悪化する問題があった。そこでこの問題を解決するため、機械学習を用いた逆畳み込み法の開発を行っている。まず、従来法による逆畳み込み結果を「正解」とした教師あり学習を試みた。さまざまな手法を試した結果、敵対的生
成ネットワーク (Generative Adversarial Network,
GAN) による解析（図 2.3.11）が最も高い性能を発揮し、従来法に比べて高いパルス識別性能を示した。
現在、詳細な性能評価を進めるとともに、従来法に頼らない、より効率的かつ識別性能の高い手法の開発を行っている。

図 2.3.12: Draco 矮小楕円体銀河からの暗黒物質起源電波探索結果。横軸が Draco 中心からの角度距離、縦軸が電波強度で、エラーバー付きのデータ点とともに予想されるシグナルの上限値曲線を示す。

26

2. 原子核・素粒子実験

2.3. 浅井研究室呼ばれ、厳密対角化の値に対するそれぞれの VQE の収束値の比の分布を示している。左の 3 種類のグラ
フは行列積状態を用いた VQE、中央と右の 3 種類のグラフは従来の VQE による結果を示しており、テンソルネットワークを用いることで高い収束性能が実現できることを確認できた。今後は Schwinger モ
デルの臨界点付近や時間発展した場合の収束性能について取り組んでいきたい。

ミリ波を用いた光と弱い結合をもつ粒子の探索
パラフォトンは、標準模型を超えた新しい物理で予言される extra U (1) ゲージボソンであり、暗黒物質の候補でもある。パラフォトンは通常の光子と混合を起こすため、パラフォトン暗黒物質が導体を通過した場合、導体表面において微小な通常光子の反射をもたらす。この微小な反射は、パラフォトン質量を反映したエネルギーをもつため、超伝導ミリ波検出器（SIS 検出器）とアルミ球面ミラーを利用して、ミリ波質量領域のパラフォトン探索をおこなった。探索
範囲は、検出器の帯域幅に相当する 216 ∼ 264 GHzの領域で、各周波数において 40 分の観測をおこなった。また、GHz 帯のノイズが問題となるため、局部発信周波数をずらしながら測定をおこなうことで、ヘテロダイン後のノイズを同定し、除去をおこなった。
今後、解析によって暗黒物質の発見を目指す。

2.3.3

基礎科学への応用を目指した量子技術研究

近年急速に発展している量子コンピューターや人工知能 (Artiﬁcial Intelligence, AI) の技術を基礎科学研究に応用すべく、どのような研究にどう応用す
るか、という点を含め、量子センサー開発などハード・ソフト両面の基礎的な研究を進めている。

図 2.3.13: 収束性能の比較（バイオリンプロット）。
＜報文＞(原著論文)

行列積状態を用いた変分量子固有値ソルバーの実装[1] S. Asai, Y. Kanazawa, T. Moroi, andT. Sichanugrist, “Observing axion emission
from supernova with collider detectors”, Phys.
Lett. B 829, 137137 (2022).

と場の理論への応用
場の理論の一分野である量子色力学はハドロンの構成や相互作用を記述する理論であり、主に格子 QCDに対するモンテカルロ法によって数値的に調べられている。そして数値計算を通じてこれまでいくつもの物理量が計算され理論の検証に寄与してきた。しかしモンテカルロ法には符号問題という課題が存在し、特に有限密度の原子核やクォークなどの計算が困難となっている。
これに対し、量子状態を扱うことにより高い計算能力が期待されている量子コンピュータを用いた。特に物理系のシミュレーションとしては量子コンピュータによる状態生成と古典コンピュータによる最適化
計算を行い基底状態を求める変分量子固有値ソルバー(VQE) というアルゴリズムを用いた。ただし現在の量子コンピュータはノイズや量子ビットの制限から複雑な問題を扱うことは厳しい。そこで物性物理や機械学習分野にて計算リソースの削減に用いられているテンソルネットワークを活用することで、探索する空間の大きさや量子ビット数の観点から効率的なアルゴリズムの実装に取り組んだ。
以上より、本研究では QCD といくつもの共通点を有する Schwinger モデルに対し、テンソルネットワー
クの一つである行列積状態を適用した VQE と従来のVQE との性能の比較を行った。収束性能の比較に関する結果を図 2.3.13 に示す。バイオリンプロットと[2] K. Michishio, H. Higaki, A. Ishida, and
N. Oshima, “Eﬃcient positron trapping and extraction with a center-hole SiC remoderator”,
New J. Phys. 24, 123039 (2022).
The ATLAS Collaboration[3] JHEP 08 (2022), 087[4] JHEP 06 (2022), 005[5] Phys. Rev. D 106 (2022) no.3, 032005[6] Phys. Rev. D 106 (2022) no.3, 032008[7] JHEP 06 (2022), 063[8] JHEP 11 (2022), 040[9] JHEP 08 (2022), 104[10] Phys. Rev. D 105 (2022) no.9, 092002[11] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.11, 988[12] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.7, 608[13] JHEP 08 (2022), 027[14] Phys. Rev. Lett. 129 (2022) no.6, 061803[15] Eur. Phys. J. C 82 (2022), 717

27

2.3. 浅井研究室

2. 原子核・素粒子実験[16] JHEP 08 (2022), 175[20] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.5, 438[49] “Conceptual design of an experiment at the
FCC-hh, a future 100 TeV hadron collider”,
M. Mangano and W. Riegler (eds.), M. Aleksa,
P. P. Allport, S. Asai et al., CERN Yellow
Reports: Monographs, CERN-2022-002 (CERN,
Geneva, 2022).

[21] JHEP 08 (2022), 089＜学術講演＞[22] Phys. Lett. B 830 (2022), 137106(国際会議)[17] Phys. Rev. D 105 (2022) no.9, 092012[18] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.7, 606[19] Phys. Rev. D 106 (2022) no.5, 052001[23] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.4, 334

一般講演[24] Phys. Lett. B 829 (2022), 137066[50] C. Kawai “Indirect detection of Dark Matter withradio observation”, International Conference on
the Physics of the Two Inﬁnities (ILANCE Conference 2023), March 29, 2023, Kyoto.

[25] Phys. Rev. D 105 (2022) no.9, 092003[26] Phys. Rev. C 105 (2022) no.6, 064903[27] JHEP 06 (2022), 097[28] JHEP 03 (2022), 041

招待講演[29] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.4, 374[32] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.1, 95[51] A. Ishida, “Recent progress in positronium
laser cooling”, 19th International Conference on
Positron Annihilation (ICPA-19), August 24,
2022, Helsinki (Online).

[33] JHEP 01 (2022), 063(国内会議)[30] Phys. Rev. D 105 (2022) no.1, 012006[31] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.7, 622[34] JINST 17 (2022) no.01, P01013

一般講演[35] Comput. Softw. Big Sci. 6 (2022), 7[52] 山下恵理香, “HL-LHC ATLAS ミューオントリガー
シミュレータの開発及び、それを用いた性能評価と実機の検証”, 第 29 回 ICEPP シンポジウム、2023 年
2 月 20 日、志賀レークホテル、長野.

[36] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.2, 105[37] Phys. Lett. B 829 (2022), 137077[38] Phys. Rev. D 105 (2022) no.1, 012001[39] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.3, 223

日本物理学会:2022 年秋季大会: 岡山理科大
学:2022 年 9 月[40] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.3, 206[41] Phys. Lett. B 824 (2022), 136832[53] 石田明, “ポジトロニウムのボース・アインシュタイ
ン凝縮 I(全体像と高密度ポジトロニウム生成)”.

[42] Phys. Rev. Lett. 127 (2022), 271801[54] 荻野恭輔, “超伝導 SIS 検出器を用いたミリ波領域におけるパラフォトン暗黒物質探索”.

[43] Eur. Phys. J. C 82 (2022) no.1, 7[44] Comput. Softw. Big Sci. 6 (2022) no.1, 3[55] 河井力, “電波観測による暗黒物質の間接探索”.

(会議抄録)

日本物理学会:2022 年秋季大会: 東京工業大
学:2022 年 9 月[45] K. Shu, K. Yamada, K. Hashidate, A. Ishida,
T. Namba, S. Asai et al., “Development of aporous silica cavity for laser excitation of conﬁned positronium”, JJAP Conf. Proc. 9, 011202(2023).

[56] 石田明, “飛行時間測定によるポジトロニウム生成用
試作ナノ材料の性能評価”.
[57] R. W. Gladen, “Positronium Laser Cooling: Improving detector pulse analysis eﬃciency via machine learning”.

(国内雑誌)[46] 石田明, “真空中におけるポジトロニウムのレーザー冷却”, Photon Factory Activity Report 2021 39,
183 (2022).

京都大学複合原子力科学研究所専門研究会「陽電子科学とその理工学への応用」: 京都大学複合原子力科学研究所およびオンライン:2022 年 12 月

(学位論文)[58] 石田明, “ボース・アインシュタイン凝縮を目指した
ポジトロニウム生成用試作ナノ材料のポジトロニウ
ム飛行時間測定による性能評価”.

[47] 寺尾萌里乃, “行列積状態を用いた変分量子固有値ソルバーの実装と場の理論への応用”, 修士論文 (2023).
[48] 山下恵理香, “高輝度 LHC-ATLAS 実験に向けた初段
ミューオントリガーの開発と検証”, 修士論文 (2023).

[59] R. W. Gladen, “Positronium Laser Cooling: Improving detector pulse analysis eﬃciency via machine learning”.

(著書)

28

2. 原子核・素粒子実験

2.3. 浅井研究室

日本物理学会:2023 年春季大会: オンライン開催:2023 年 3 月[60] 山下恵理香, “高輝度 LHC-ATLAS 実験初段ミュー
オントリガー：実機の入出力を再現するシミュレータの開発及びそれを活用した実機の検証と性能評価”.
[61] 河井力, “電波観測を用いた暗黒物質の間接探索”.
[62] 荻野恭輔, “超伝導検出器を用いたミリ波帯域におけるパラフォトン暗黒物質探索”.

29

おいて大きなピーク構造を示すが、その起源は明かにされていない。そこで本研究では微視的理論によりゼーベック係数を解析し、このピークの起源として反強磁性マグノンドラッグの可能性があることを明らかにした [4, 42, 53, 57]。

3 物性理論

強相関電子系の電気・熱輸送と熱電効果

3.1

YbAl3 や YbCu4 Ag などの f 電子系化合物は大きな熱電パワーファクターをもつことが知られている。
これら大きなパワーファクターと Kadowaki–Woods
則の下方への破れとの関連を指摘するとともに、電流と熱流に対する電子–電子ウムクラップ散乱の効果の違いによって、Wiedemann–Franz 則が大きく下方へと破れる可能性があることを示した。これらは強相関電子系の熱電性能の向上に向けたひとつの指針を与える。また、銅酸化物高温超伝導体や鉄系超伝導体などの量子臨界領域では温度に比例する電気抵抗とともに、ゼーベック係数に対数的な温度依存性をもつ質量増強因子が現れることが実験的に観測されている。量子 xy モデルのトポロジカルな揺らぎによって散乱されるフェルミオンのモデルに基づき、久保公式を正確に解くことにより、これらの観測事実を導き出すとともに、電子の熱伝導率には質量増強因子が現れないことを明らかにした。[6, 34, 50, 71]

小形研究室

小形研では強相関電子系 (高温超伝導、モット絶縁体)、トポロジカル物質、ディラック電子系、フラストレーションやスピン軌道相互作用のある磁性体、
巨大応答の熱電物質、有機伝導体などを柱に研究している。凝縮系、とくに量子現象が顕著に現れる多電子系の理論が中心である。

3.1.1

ディラック電子系

Type-I, II, III の質量ゼロディラック電子における熱電効果の理論的研究
固体中のディラック電子系は楕円状のフェルミ面を持つ type-I、双曲線状のフェルミ面を持つ type-II、
そしてそれらの「臨界点」である type-III に区分される。3 種類のディラック電子の電気伝導と熱電応答を統一的に調べるため、簡潔な強束縛模型を用いて線形応答理論に基づく応答係数の計算を行った。その結果、type-III ディラック電子の電気伝導・熱電応
答の振る舞いは定性的には type-I に類似すること、また熱電応答は type-I 側の最適な傾きで最大化されることを見出した。[8]データ駆動型アプローチによる熱電物質の伝導度ス
ペクトルの推定
熱電効果（ゼーベック効果）は熱流の種類に依存
し多様な起源があるが、電子の寄与による熱電効果
に関して電流と熱流に関する Sommerfeld-Bethe 関係式と呼ばれる関係式が成立する。この関係式を用いると、伝導度スペクトルのみによりゼーベック係数を求めることができるため、第一原理計算による大規模な物質探索において新たな熱電物質を見つける上で重要な手法となりつつある。しかし、伝導度
スペクトルは状態密度や群速度に加えて電子の輸送
緩和時間に依存するため、理論的に求めることは難しいという問題がある。そこで、機械学習の手法により Sommerfeld-Bethe 関係式の逆問題を解くこと
で、電気伝導度とゼーベック係数の実験データから伝導度スペクトルや化学ポテンシャルを推定する手法を開発した。この手法を Ta4 SiTe4 の実験データに適用することで伝導度スペクトルや化学ポテンシャ
ルに加えて電子の寄与による熱伝導率や性能指数の上限を予測できることを明らかにした。さらに、伝導度スペクトルや化学ポテンシャルのドーピング依
存性も明らかにした [2, 9]。

ギャップを持つ二次元ディラック電子系でのスピン流質量のある (エネルギーギャップがある) ディラッ
ク電子系について、スピンの関与した特異な輸送現象を明らかにした。スピン軌道相互作用によってギャッ
プが開いた場合、一般にトポロジカルな量であるス
ピンに依存したベリー曲率が生じる。この場合にはスピンホール効果や磁場中のスピン伝導度など、ス
ピン流が関与した物理量にベリー曲率の寄与が典型的に現れることがわかった。この現象は、擬 2 次元有機導体である α-(BETS)2 I3 において期待でき、そのスピンホール伝導度の大きさは Pt に匹敵する大きなものであると評価された。[33, 47, 49]

3.1.2

熱電応答における弱局在

熱応答・熱電応答の理論

乱れの強い系では Anderson 局在と呼ばれる現象が見られる。この効果は電気伝導度に対しては不利に働くが、熱電応答においてどのような影響を持つかは明らかになっていなかった。我々は、特に不純物による弱局在を対象に、線形応答理論により熱電応答係数の解析を行った。その結果、典型的な不純物半導体において、低温での Seebeck 係数や Power

カルコパイライト Cu1+x Fe1−x S2 におけるマグノン
ドラッグ効果の理論的研究
自然界に豊富に存在するカルコパイライト Cu1+x
Fe1−x S2 は、823K で反強磁性体に転移する磁性半導体である。この物質のゼーベック係数は常温付近に30

3. 物性理論

3.1. 小形研究室

Factor が弱局在により増強される可能性を見出した。
[52, 68]

3.1.3

超伝導の理論

ノーダルライン半金属における超伝導の理論

電子ホール散乱による半金属の輸送現象
近年観測された、半金属における Wiedemann-Franz
則の破れに起因して、電子ホール散乱を持つ半金属の輸送現象が議論されている。我々は、電子ホール散乱を持つ半金属の Boltzmann 方程式を、非弾性散
乱を正確に扱うことのできる変分法によって解析した。熱電効果を含む輸送係数を詳細に調べ、電子ホール散乱の効果によって熱電性能が向上しうることがわかった。また、磁場下における Hall Lorenz 比のWiedemann-Franz 則の破れについて、具体的な計算を行い議論した。[22, 30, 37, 56, 63, 69, 72]

一次元のバンド交差を持つノーダルライン半金属
は、非自明なバンド・トポロジーを持つ超伝導の舞台として注目を集めており、上部臨界磁場に特異な振る舞いを持つ物質が報告されている。我々は、ノーダ
ルライン半金属の有効モデルに対して準古典グリーン関数の手法を適用して上部臨界磁場の計算を行った。それにより、上部臨界磁場の異方性および急峻
な温度依存性の起源を解明した。特に、低温での上部臨界磁場の線形な温度依存性が、ノーダルラインに起因する特異なフェルミ面の形状に由来していることを、理論的に示すことに成功した。[18, 36, 43]

励起子絶縁体の熱応答

モットギャップを超える励起による絶縁体-導体転移

半導体や半金属中で、電子と正孔がクーロン力によって束縛状態 (励起子) を形成し、それが BEC 的あるいは BCS 的に凝縮した状態は励起子絶縁体と呼ばれる。励起子は電荷をもたないがエネルギーを持つため、電流には寄与しないが熱流には寄与し、興味深い熱応答を示す可能性がある。我々はこの励起子
絶縁体における熱応答を理論的に計算した。その結果、相互作用を正しく取り入れた熱流演算子を用いることによって、Sommerfeld-Bethe 関係式を破る励起子絶縁体特有の寄与が現れることが分かった。そして、ドーピングや磁場の特定の条件下でゼーベック係数へ特に大きな寄与が現れ得ることを示した。

最近、モット絶縁体に光を当てることによって絶縁体-導体の相転移を引き起こす実験がなされている。
基底状態では電子の二重占有状態とホールの状態が束縛状態を形成して絶縁体となっているが、光励起によって自由な二重占有状態が生じたと考えられる。
このことを調べるために、二重占有状態の密度が一定値以上になるように固定した変分法を開発して調べた。その結果、実験と比較できるような金属状態が実現することが分かった。[24]3.1.4

スピン流を介した横型熱発電

軌道–Zeeman 交差帯磁率の量子化

Seebeck 効果は温度勾配に平行に電圧が生じる現象だが、工学応用上は温度勾配に垂直に電圧を取り出すことが望ましいため、デバイス設計を工夫する必要がある。我々は、スピン自由度を介したシンプ
ルな構造に基づく新しい横型熱発電機構を提案した[3, 11]。具体的には、スピン Hall 効果が強く起こる物質を考え、温度勾配を加えることで過渡的にスピン流が温度勾配に垂直に生じる現象を用い、さらに強磁性体を接合することで電圧に変換するという方法である。その結果、大きな起電力が得られることを示した。

帯磁率には軌道、スピン Zeeman 効果、およびそれらの交差項 (軌道–Zeeman 項) の 3 つの寄与がある。なかでも軌道–Zeeman 項は 2 次元のトポロジ
カル絶縁体で普遍的な値に量子化されることが最近の我々の研究で明らかになっている。我々は 2 次元
トポロジカル絶縁体の模型の 1 つである Kane-Mele
模型において、これら 3 つの寄与について詳細に評価した。この手法では、ブリルアンゾーン全体、またエネルギー的に離れたバンドを含むすべてのバンドの寄与を取り込むことができる。その結果、内核電子の反磁性等の補正が得られた。また、軌道–Zeeman
項の量子化が確認され、絶縁体状態および金属状態における振る舞いが明らかになった。さらに、この量子化を実験的に検出する方法について議論した。
[13, 29]

ノーダルライン半金属薄膜の熱電性能
近年、効率的な熱電変換を可能にする材料の探索が盛んに行われている。熱電性能は、性能指数 ZT で評価されることが一般的であり、1 以上のものが実用化に耐えうるものとされている。大きな ZT を獲得するためには、大きなゼーベック係数を持ちながら熱伝導度を抑制することが必要となる。我々は、ノーダルライン半金属薄膜のドラムヘッド型表面状態が鋭い状態密度を与え、結果として大きなゼーベック係数を持つこと、並びに表面状態が不純物に頑強であることによって熱伝導度の一部の寄与を大きく抑制できることを提案し、10 程度の ZT が実現されうることを提案した。[10]軌道磁場効果エネルギー変化のあるノーダルライン模型における常磁性–反磁性異方性
近年、トポロジカル物質における軌道磁気応答が興味を持たれている。その中で、ノーダルライン半金属 ZrSiS において磁場の向きによって常磁性と反磁性が入れ替わる現象が実験的に見出された。その解明に向けて我々はノーダルライン上でエネルギーが変化するようなシンプルな模型を提案し、その軌
道帯磁率を調べた。その結果、波数空間の２次元面

31

3.1. 小形研究室

3. 物性理論内にあるノーダルラインに関して垂直な磁場に対しては常磁性が、平行な磁場には反磁性が発生することが明らかになった。[14, 51] また、この研究の過程
で、松原和を高速に計算する ir-basis の手法が軌道帯磁率の計算にも応用可能であることを示した。[15]3.1.5有機伝導体の理論

ノーダルライン半金属 HMTSF-TCNQ における
軌道反磁性と電荷密度波

HMTSF-TCNQ は約 30K で電荷密度波転移する
有機電荷移動錯体として知られている。この物質に対して第一原理計算を行い、開いたノーダルラインをもつトポロジカル半金属であることがわかった。さらにタイトバインディング模型を作り、電子状態を詳細に調べた。電荷密度波転移温度以下では、格子変位によりノーダルラインが閉じて、変形されることが明らかになった。さらに、スピン格子緩和時間
T1 と軌道帯磁率を評価した。軌道帯磁率に低温で大きな反磁性のプラトーが現れるという異常が実験から明らかになっているが、バンド間効果、不純物散
乱およびノーダルラインの変形を考慮した我々の計算は、これを絶対値を含めてよく再現した。[28, 29]

図 3.1.1: α-quartz のフォノンの分散関係。カラー
バーはフォノンが持つ角運動量の大きさを表す。

有機伝導体における２次元ディラック電子系のゼー
ベック係数
圧力下の α-(BEDT-TTF)2 I3 は２次元ディラック
電子系を持つと考えられているが、そのゼーベック係
数を不純物散乱の効果と電子格子相互作用を考慮して調べた。その結果、ゼーベック係数は高温で正であり、ある温度において最大値をとるが、低温にすると符号反転が起こりゼーベック係数が負になるという特異な温度依存性を示すことがわかった。これは分子の積層方向に並行な成分においても、垂直な成分においても生じる。特異な温度依存性は、このディラッ
ク電子系特有の化学ポテンシャルの温度依存性からくることが分かった。今後の α-(BEDT-TTF)2 I3 の実験結果と比較が期待される。[25]Floquet 理論を用いた光誘起相転移の理論研究
近年のレーザー技術の著しい発展に触発され、我々は光照射下の α-(BEDT-TTF)2 I3 の振舞いをフロケ理論を用いて解析した。その結果、円偏光を照射したときは Chern 絶縁体への相転移を、直線偏光を照射したときは 2 つの Dirac 点に対応して生じる創発
的反平行磁束量子ペアが対消滅することを予言した。
円偏光と直線偏光の中間とも言える楕円偏光を照射したときは 2 つの Dirac 点の衝突・崩壊を伴う Chern
絶縁体から通常のバンド絶縁体へのトポロジカル相転移を示した。さらに電荷秩序を含めた解析を行う
ことで、バンド構造にある 2 つの Dirac 点のうち片方の Dirac 点でギャップレスで、もう片方の Dirac
点でギャップが開くハーフバレーメタル相の実現を予言した。[17, 26, 27, 35, 39, 40, 41, 54, 58]

3.1.6

カイラリティの物理

カイラルフォノンの輸送理論
結晶中の原子が平衡位置周りを回転運動するモードであるカイラルフォノンが近年注目されている。
カイラルフォノンは角運動量を持ち、特定の結晶に温度勾配を印加することでフォノンの角運動量を生成できることが知られている。これまでに、フォノン版の Einstein-de Haas 効果などカイラルフォノンの検出に関する理論的な提案がなされたが、輸送現象を用いた検出の詳細な温度依存性に関する研究は乏しい。今回、カイラルな結晶構造を持つ α-quartz
について、熱伝導率の測定実験と適合するように緩和時間を決定し、カイラルフォノンの角運動量生成に関する熱輸送係数の温度依存性を詳細に解析することに成功した (図 3.1.1)。[20, 46, 55, 60, 61, 70]

金属有機構造体における気体吸着に伴う磁気制御

Ru 錯体と TCNQ 誘導体から成る金属有機構造体[{Ru2 (3,5-F2 PhCO2 )4 }2 {TCNQ(MeO)2 }] に酸素を吸着させることで磁気制御が可能であるという報告がある。我々は通常のスピンモデルに酸素吸着の効
果を取り入れた有効模型を構築することで、実験で観測される特徴的な磁化過程を再現し、酸素雰囲気下での二度の相転移の温度スケールと、その微視的な起源を明らかにした。本研究のモデルは、その簡単さ故、吸着と磁性の融合分野の基礎的なモデルとなることが期待される。[45, 48, 59]

32

3. 物性理論

3.1. 小形研究室[10] M. Hosoi, I. Tateishi, H. Matsuura, and M. Ogata:Phys. Rev. B 105, 085406 (2022). “Thin ﬁlms of
topological nodal line semimetals as a candidate
for eﬃcient thermoelectric converters”

キラリティ誘起スピン選択性

CISS と呼ばれる特異な現象のメカニズム解明を目的に研究を行った。CISS とはキラル物質を通過した電子が物質のキラリティに依存したスピン偏極を受ける現象のことである。キラル物質を通過させるだけで簡単にスピン偏極が得られることで注目を集めているが、その仕組みは明らかにされていない。
そこでスピン流またはスピン磁化のいずれかの現象
で CISS を説明できるか検証を行った。対称性の解
析から、CISS をスピン流により説明することは難しいと明らかになった。一方、物質をモデル化した模型ではスピン磁化が現れることが明らかとなった[21, 31, 38, 44]。

[11] J. Fujimoto and M. Ogata, Appl. Phys. Lett. 120,122404 (2022). “Thermoelectric power generation
via transverse thermo-spin conversions” [selected
as Featured and Scilight of APL]
[12] J. Fujimoto and M. Ogata, J. Phys. Soc. Jpn. 91,
054603 (2022). “Seebeck Eﬀect of Dirac Electrons”[13] S. Ozaki, and M. Ogata: Phys. Rev. B 107, 085201(2023). “Topological contribution to magnetism in
the Kane-Mele model: An explicit wave-function
approach”[14] S. Ozaki, I. Tateishi, H. Matsuura, T. Koretsune,and M. Ogata: in preparation. “Dia- to paramagnetic anisotropy of the orbital magnetic susceptibility emerging from the nodal line with energy
variation”＜受賞＞[1] 第 27 回 (2022) 日本物理学会論文賞 The 27th Outstanding Paper Award of the Physical Society ofJapan: “Three-Dimensional Dirac Electrons at
the Fermi Energy in Cubic Inverse Perovskites:
Ca3 PbO and Its Family” by T. Kariyado and M.
Ogata.

[15] M. Wallerberger, S. Badr, S. Hoshino, S. Huber, F.
Kakizawa, T. Koretsune, Y. Nagai, K. Nogaki, T.
Nomoto, H. Mori, J. Otsuki, S. Ozaki, T. Plaikner,
R. Sakurai, C. Vogel, N. Witt, K. Yoshimi, and H.
Shinaoka: Software X 21, 101266 (2023). “sparseir: Optimal compression and sparse sampling of
many-body propagators”[2] Award JPSJ Papers of Editors’ Choice: “DataDriven Reconstruction of Spectral Conductivity and Chemical Potential Using ThermoelectricTransport Properties” [9][16] K. Kitayama and M. Ogata: in preparation. “Momentum and energy tuning of Weyl points in Floquet Weyl semimetal by using bicircular light”[3] Selected as Featured and Scilight of APL“Thermoelectric power generation via transverse
thermo-spin conversions” [11][17] K. Kitayama, M. Ogata, M. Mochizuki, and Y.
Tanaka: J. Phys. Soc. Jpn. 91, 104704 (2022).
“Predicted novel type of photoinduced topologicalphase transition accompanied by collision and collapse of Dirac-cone pair in organic salt α-(BEDTTTF)2 I3 ”

＜報文＞

(原著論文)[4] H. Matsuura, M. Ogata, N. Tujii, and T. Mori:in preparation. “Theory of thermoelectric eﬀect
based on antiferromagnetic magnon drag in natural chalcopyrite Cu1+x Fe1−x S2 ”

[18] J. Endo, H. Matsuura, and M. Ogata: Phys. Rev.
B 107, 094521 (2023). “Theoretical analysis of
anisotropic upper critical ﬁeld of superconductivity
in nodal-line semimetals”[5] H. Matsuura, H. Mukuda, and K. Miyake: AAPPS
Bulletin 32, 30 (2022). “Valence skipping phenomena, charge Kondo eﬀect, and superconductivity”[19] M. Kato, H. Matsuura, M. Udagawa, and M.
Ogata: Phys. Rev. B 106, 014423 (2022). “Fluxroughening in spin ice with mixed ±J interactions”[6] H. Maebashi and C. M. Varma: arXiv:2207.11982.
“Quantum-critical transport of marginal Fermiliquids”[20] K. Ohe, H. Shishido, M. Kato, H. Matsuura,
and Y. Togawa: submitted. “Chirality-Induced Selectivity of Phonon Angular Momenta in Chiral
Quartz Crystals”[7] T. Yamamoto, M. Ogata, and H. Fukuyama, J.
Phys. Soc. Jpn. 91, 044704 (2022). “Thermoelectric Eﬀect in Mott Variable-Range Hopping”[8] T. Mizoguchi, H. Matsuura, and M. Ogata: Phys.
Rev. B 105, 205203 (2022). “Thermoelectric transport of type-I, II, and III massless Dirac fermionsin a two-dimensional lattice model”[21] R. Hirakida, J. Fujimoto, and M. Ogata: Phys.
Rev. B 106, 085127 (2022). “Chirality-dependent
second-order spin current in systems with timereversal symmetry”[9] T. Hirosawa, F. Schafer, H. Maebashi, H. Matsuura, and M. Ogata: J. Phys. Soc. Jpn. 91,
114603 (2022) (Editors’ choice). “Data-Driven Reconstruction of Spectral Conductivity and Chemical Potential Using Thermoelectric Transport
Properties”[22] K. Takahashi, H. Matsuura, H. Maebashi, and M.
Ogata: Phys. Rev. B 107, 115158 (2023). “Thermoelectric properties in semimetals with inelastic
electron-hole scattering”

33

3.1. 小形研究室

3. 物性理論[23] Z. Chi, G. Qu, Y.-C. Lau, M. Kawaguchi, J. Fujimoto, K. Takanashi, M. Ogata, and M. Hayashi:
Phys. Rev. B 105, 214419 (2022). “Spin Hall effect driven by the spin magnetic moment current
in Dirac materials”[34] H. Maebashi, K. Takahashi, H. Matsuura, andM. Ogata: 29th International Conference on Low
Temperature Physics (LT29) (Sapporo, Japan, August 18–24, 2022). “Lorenz ratio of anisotropic
Fermi liquid”[24] H. Yokoyama, K. Kobayashi, T. Watanabe, andM. Ogata: J. Phys. Soc. Jpn. 91, 124705 (2022).
“Excited States beyond Mott Gap in Half-FilledBand Hubbard Model”[35] K. Kitayama, M. Ogata, Y. Tanaka, and M.
Mochizuki: LT29. “Theoretical studies of photoinduced topological phase transitions in organic salt
α-(BEDT-TTF)2 I3 ”

[25] Y. Suzumura and M. Ogata: arXiv:2211.00966.
“Seebeck Coeﬃcient of Two-dimensional Dirac
Electrons in Organic Conductor under Pressure”[36] J. Endo, H. Matsuura, and M. Ogata: LT29.
“Upper critical ﬁeld of superconductivity in nodalline semimetals”[37] K. Takahashi, H. Matsuura, H. Maebashi, and M.
Ogata: LT29. “Transport in semimetals: contribution from electron-hole scattering”(会議抄録)[26] K. Kitayama, M. Ogata, Y. Tanaka, and M.
Mochizuki: Proceedings of LT29 “Theoreticalstudies of photoinduced topological phase transitions in organic salt α-(BEDT-TTF)2 I3 ”

[38] R. Hirakida, J. Fujimoto, and M. Ogata: LT29.
“The chirality-dependent spin polarization phenomenon in systems with time-reversal symmetry”[39] K. Kitayama, M. Ogata, Y. Tanaka, and M.
Mochizuki: The 14th International Symposiumon Crystalline Organic Metals, Superconductors
and Magnets (ISCOM2022). “Theoretical studiesof photoinduced topological phase transitions inorganic salt α-(BEDT-TTF)2 I3 ”

(国内雑誌)[27] 望月維人、北山圭亮、田中康寛、小形正男：固体物理57, 397 (2022). “有機導体 α-(BEDT-TTF)2 I3 の光
誘起トポロジカル相転移の理論研究”[28] 尾崎壮駿、立石幾真、松浦弘泰、小形正男: 日本物理学会誌 77, 751 (2022). “分子性導体におけるノーダ
ルラインとそれによる軌道帯磁率”[40] K. Kitayama, M. Ogata, Y. Tanaka, and M.
Mochizuki: YIPQS long-term and NishinomiyaYukawa memorial workshop “Novel Quantum
States in Condensed Matter 2022”. “Theoreticalstudies of photoinduced topological phase transitions in organic salt α-(BEDT-TTF)2 I3 ”

(学位論文)[29] 尾崎壮駿：“Anomalous orbital magnetism in topological materials” (トポロジカル物質における特異な軌道磁性) (東京大学大学院理学系研究科・博士論文)[41] K. Kitayama, M. Ogata, Y. Tanaka, and M.
Mochizuki: 2nd International symposium in Transscale quantum science (TSQS2022). “Theoreticalstudies of photoinduced topological phase transitions in organic salt α-(BEDT-TTF)2 I3 ”

[30] 高橋慶伍：“電子ホール散乱による半金属の輸送現象” (Transport phenomena in semimetals withelectron-hole scattering) (東京大学 大学院理学系研
究科・修士論文)[42] M. Ogata, H. Matsuura, N. Tujii, and T. Mori:
APS March Meeting (Las Vegas, NV, USA, 2023,
3.5–10). “Theory of thermoelectric eﬀect based on
antiferromagnetic magnon drag in natural chalcopyrite Cu1+x Fe1−x S2 ”

[31] 開田亮佑：“時間反転対称性を有する系におけるキラリティに依存したスピン偏極現象” (Chiralitydependent spin polarization phenomena in systems
with time-reversal symmetry) (東京大学大学院理学系研究科・修士論文)[43] J. Endo, H. Matsuura, and M. Ogata: APS March
Meeting. “Theoretical analysis of anisotropic upper critical ﬁeld in nodal-line semimetals”(著書)[32] 松浦弘泰、小形正男：計算科学を活用した熱電変換材料の研究開発動向（分担執筆）“熱電理論における微視的理論の方法：フォノンドラッグ効果を中心に”[44] R. Hirakida, J. Fujimoto, and M. Ogata: APS
March Meeting. “Chirality-dependent secondorder spin current in systems with time-reversal
symmetry”＜学術講演＞[45] M. Kato, H. Matsuura, M. Udagawa, and M.
Ogata: International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2022 (Paris/online). “Flux localization by magnetic charge in two-dimensional
spin ice”(国際会議)
一般講演[33] M. Ogata, S. Ozaki, and H. Matsuura: The
14th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2022). “Anomalous spin transport properties
and orbital magnetic susceptibility in gapped Dirac
electrons with tilting”[46] M. Kato, H. Matsuura, and M. Ogata: 2nd International Symposium on Trans-scale Quantum
Science (The University of Tokyo/online). “Theory on transport properties of chiral phonons andits application to α-quartz”

34

3. 物性理論

3.1. 小形研究室

招待講演[61] 加藤将貴、松浦弘泰、小形正男：キラル物性若手研究会 (熊本大学, 2022,11.29–12.1). “カイラルフォノンの熱輸送の理論と α-quartz への応用”[47] M. Ogata, S. Ozaki, and H. Matsuura: 2nd Global
Summit on Condensed Matter Physics (CONMAT2022) (Dubai, UAE, October 17–19, 2022
online). “Topological nature and anomalous spintransport properties of Dirac electrons in organic
conductors”[62] 加藤将貴：キラル物性若手研究会 (物性研究所/online, 2023, 3.21). “Recent developments in chiralphonons”[63] 高橋慶伍: 研究室横断若手研究会 (Online, 2022, 6.8)
“半金属における熱電効果の理論的研究: 電子ホール散乱の寄与”[48] 加藤将貴：日本物理学会 (春季大会 online). 領域 7，
領域 3，領域 4，領域 5，領域 8，領域 10 合同シンポジウム “Metal-organic frameworks: Recent evolution for functional and quantum materials (PartI)”. “Theoretical study of magnetic control by gas
adsorption in metal-organic frameworks”[64] 小形正男：2022 年度第１回成果報告会：未来社会創造事業「磁性を活用した革新的熱電材料・デバイスの開発」 2023, 3.27 (東京大学 Haseko-Kuma Hall) “
磁性による熱電特性の増強に関する理論的な機構解明、マテリアルデザイン”(国内会議)

招待講演

一般講演[65] 松浦弘泰：科研費キックオフミーティング, (東北大学, 2022, 9.5) “Beyond Boltzmann 熱電研究の現状と今後の狙い”[49] 小形正男：日本物理学会（秋季大会 東工大, 2022,
9.12–15). “Tilting およびギャップがあるディラック
電子系のスピン輸送現象”[66] Hiroyasu Matsuura：IEEE Kansai/Shikoku Joint
Sections Magnetics Society Chapter Lecture (Osaka Metropolitan University, 2023, 3.3) “線形応答理論に基づいた熱電理論 (Theory of ThermoelectricEﬀect Based on Linear Response Theory）”[50] 前橋英明, 高橋慶伍, 松浦弘泰, 小形正男：日本物理学会 (秋季大会). “異方的フェルミ液体のローレンツ
比：ウムクラップ散乱の効果”[51] 尾崎壮駿、立石幾真、松浦弘泰、是常隆、小形正男：日本物理学会（秋季大会）“エネルギー上下のあるノーダルライン半金属における軌道帯磁率”[67] 松浦弘泰：研究会「トポロジカル熱電変換物性の最前線」(京都大学国際科学イノベーション棟, .2023, 3.
15–16) “熱電の理論あれこれ”[52] 遠藤純矢、松浦弘泰、小形正男：日本物理学会（秋季大会）“熱電応答における弱局在の理論”[68] 遠藤純矢：研究会「トポロジカル熱電変換物性の最前線」(京都大学国際科学イノベーション棟, .2023, 3.
15–16) “熱電における局在とフォノンドラッグの理論”[53] 松浦弘泰, 小形正男, 辻井直人, 森孝雄：日本物理学会(春季大会 online, 2023, 3.22–3.25). “カルコパイラ
イト Cu1+x Fe1−x S2 におけるマグノンドラッグ効果の理論的研究”[69] 高橋慶伍：研究会「トポロジカル熱電変換物性の最前線」(京都大学国際科学イノベーション棟, .2023, 3.
15–16) “半金属のゼーベック効果: 電子ホール散乱の寄与”[54] 北山圭亮、小形正男、田中康寛、望月維人：日本物理学会 (春季大会 online). “α 型有機導体における光誘
起ハーフバレー金属相の理論研究”[55] 加藤将貴、松浦弘泰、戸川欣彦、小形正男：日本物理学会 (春季大会 online). “カイラルフォノンの熱輸送の理論と α-quartz への応用”[70] 加藤将貴、松浦弘泰、戸川欣彦、小形正男：ISSP ワー
クショップ「カイラル物質科学の新展開」 (物性研究所). “カイラルフォノンの熱輸送の理論と α-quartz
への応用”[56] 高橋慶伍、松浦弘泰、前橋英明、小形正男：日本物理学会 (春季大会, online). “電子ホール散乱を持つ半金属の磁場下での Hall Lorenz 比”(セミナー)[57] 松浦弘泰, 小形正男, 辻井直人, 森孝雄：日本熱電学会 (新潟県長岡市, 2022. 8.8–10). “カルコパイライト
Cu1+x Fe1−x S2 におけるマグノンドラッグ効果の理論的研究”[71] Hideaki Maebashi: JST 未来社会森 PJ 第 17 回コロキウム (online, 2022, 11.28) “Thermoelectric properties in strongly correlated metals with and without Umklapp scattering”[58] 北山圭亮、小形正男、田中康寛、望月維人：有機固体若手の会 2022 冬の学校. “α 型有機導体における光誘起トポロジカル相転移の理論研究”[72] Keigo Takahashi: JST 未来社会森 PJ 第 17 回コロキ
ウム (online, 2022, 11.28) “Thermoelectric properties in semimetals with inelastic electron-hole scattering”[59] 加藤将貴、徳宿邦夫、松浦弘泰、宇田川将文、小形正
男：ISSP 短期研究会 (online). “金属有機構造体の酸素吸着による磁気制御”[73] 加藤将貴、宇田川将文：科研費基盤研究 S「強磁性トン
ネル接合素子の人工知能応用」月例ミーティング (大阪大学/online, 2022, 12.22–24). “人工スピンアイス
におけるフラックスメモリによるシフトレジスタの理論提案”[60] 加藤将貴、松浦弘泰、小形正男：Stat & QuantPhys Autumn School 2022 (online). “Theory on transport
properties of chiral phonons and its application to
α-quartz”

35

3.2. 常行研究室

3.2

3. 物性理論

常行研究室

実験データに合致した答えが得られるように理論モデルのパラメータを調整するのではなく、物質を構成する原子の原子番号や質量数などの基礎的情報と物理の基本原理をもとに電子状態を計算し、分子動力学法や格子力学計算、磁性理論、超伝導理論など
とも組み合わせて物質の構造物性や電子物性を非経験的に求める手法を、物性物理学における第一原理計算と言う。第一原理計算を用いると、観測や実験からは得られない物性情報を得ることや、実験に先んじた物性予測、新物質・新材料の予言を行うことが可能になる。当研究室ではそのような第一原理計
算手法を中心に、さまざまな計算物理学的手法を開発し、物性物理学および物質科学の基礎研究を行っ
ている。

3.2.1

図 3.2.2: TiO2 の複素誘電率虚部の実験値（シンボル）とTHz 領域の複素誘電率計算手法の開発

SCPH 法による計算値（実線）。SCPH 法による計算は、従来法（破線）にくらべて実験値を良く再現する。

近年、産業応用への期待から、GHz、THz 帯での物質の誘電特性計算の必要性が高まっている．この周波数帯では、格子振動に伴う電子状態変化（分極変化）が本質的に重要であり、それらを第一原理から取り扱うためには課題も多い。そこで我々は、密度汎関数理論に基づ第一原理電子状態計算、格子力
学計算、分子動力学法、機械学習等を利用して、予言力のある複素誘電率計算手法の開発を行っている。

分極を精度良く求める計算コストが高く、実現が難しい。そこで今年度は、計算の高速化のため構成分子の双極子モーメントの計算を機械学習で行うスキームを開発し、液体メタノールやプロピレングリコー
ルで高い精度を発揮することを確認した [25, 26]。

3.2.2
ルチル型 TiO2 結晶の誘電関数

非熱的レーザー加工の機構解明とシミュレータの開発

フェムト秒からピコ秒程度の超短パルスによる非熱的レーザー加工は、長パルスや CW レーザーに比べて標的の熱的損傷が少ないことから、微細加工への応用が期待されているが、パルス幅による違いの原因は明らかになっていない。一方、産業上望ましい加工結果を得るためには, レーザー強度やパルス幅などのパラメータの最適化が重要になる。そこで
我々は、レーザー加工の背景にある学理解明と、各パラメータが与える影響を理論計算によって評価・予測する手法の開発を目指してきた。これまでの研究では、電子エントロピーを取り入れた第一原理計
算を使って、趙短パルスレーザーで実現される超高温電子状態でのさまざまな物質の安定性を調べることで、電子エントロピー効果が金属の非熱的加工に本質的に重要であることを指摘した。また電子エントロピー効果を考慮した有限温度の原子間力モデルの作成や、それを用いたレーザー加工の分子動力学
シミュレーション手法を開発している。
今年度は、格子系と励起された電子系が加工の時
間スケールでは異なる温度にあると考えるニ温度モ
デルの下で、電子エントロピー効果を格子系の状態
方程式の変化として取り入れた、流体力学的な定式化
による金属のレーザー加工シミュレーション手法を開発した。この手法では、レーザー加工とは独立な実験や理論計算で決定したいくつかの物理パラメー

高い誘電率を持つことから様々な応用で期待されているルチル型 TiO2 は、その高い非調和性でも知られている．我々は格子振動の非調和性を正確に取り込むために、第一原理的に決定した 3 次の力定数も取り込んだ自己無撞着フォノン (SCPH) 理論を用
いて格子力学計算を行い、やはり第一原理計算したボルン有効電荷を用いて複素誘電関数を計算する手法を開発した。これをルチル型 TiO2 に応用した結果、従来の摂動論による計算に比べて複素誘電率虚部にピークをフォノン振動数やフォノン線幅が大幅。また実験的にに改善することを示した（Fig.3.2.2）見つかっていたが起源が不明だった誘電関数のピー
クが、2 フォノンプロセスによるものであることをつきとめた [9, 14, 17, 20, 23] 。

双極子モーメントの機械学習による分子凝縮系の誘電関数計算
線形応答理論によれば、誘電率は系の双極子モーメントの時間相関関数から計算される。分子動力学法を用いて長時間の時間発展計算を行えば、原理的には大きな構造揺らぎのある分子凝縮系やポリマー材
料の誘電率も計算できるが、時間発展の各ステップで36

3. 物性理論

3.2. 常行研究室

タを用いることで、レーザー強度やパルス幅を変えた場合の金属のマクロな加工深さや熱的損傷を半定量的に予測可能であり、実際に Cu や Al の加工深さの実験結果をよく再現することが確認できた。また
熱的損傷については比較すべき定量的な実験データがないものの、これまで定性的に言われていたパル
ス幅による熱的損傷の違いが、電子エントロピー効
果によって生じることを示した [12, 19, 30]。

3.2.3

データ同化構造探索手法の開発

結晶構造探索結晶構造予測は、様々な新規物質の発見に貢献してきており、今後も効率的に材料開発を進める上で不可欠な要素になると考えられる。これまで、結晶構造予測の効率化のために「メタヒューリスティク
ス」と呼ばれる手法が開発されてきたが、依然としてポテンシャルエネルギーを目的関数とした原子位置の大域的最適化は計算コストの面で大きな問題となっている。そこで我々は、分子動力学法を用いたシ
ミュレーティッドアニーリングを粉末回折実験デー
タに「同化」させることで、効率的に原子配置の大域的最適化を行う手法を開発している [10]。この手法を用いると、粉末回折実験データのノイズが極めて大きく結晶構造解析が困難であったとしても、格子定数が特定できる場合には、結晶構造の予測が可能である [5]。
今年度は上記の手法を、従来の構造解析手法では格子定数さえ決定困難な回折実験データに対しても適用できるように改良することを試みた。新しい手法を用いると、格子定数の事前予測なしに正しい結晶構造が得られるだけでなく、複相の反射が混在す
る回折実験データに対しては複相を含む多結晶体が得られ、複相同時に構造推定が可能になることを確。さらにこの多結晶体に含まれる認した（Fig.3.2.3）
各相の構造推定を容易にするため、多結晶体から結晶粒を抽出する方法を開発した [28]。

図 3.2.3: グラファイトとダイヤモンドからの反射が混在する粉末 X 線回折実験データから、データ同化により得られた炭素多結晶体。グラファイトとダイヤモンド様の結晶粒が含まれることが確認できる。

来法では再現の難しかった FSDP の位置や強度を、短時間のシミュレーションでよく再現できることが確認された。得られた構造についてパーシステント
ホモロジー解析を行ったところ、この方法で得られた a-H2 O では、O-O-O の角度分布の幅が狭く、中距離において従来手法で得られているものと比べて秩序化されていることがわかった [7, 18]。

3.2.4

進化的アルゴリズムによる構造探索

巨大スピンホール伝導率を示す直方晶タングステン
タングステンは最安定な体心立方構造（α相）と準安定な A15 型構造（β相）が薄膜で得られており、β相は単体では最大級のスピン流を生み出すことが知られている。スピン流の大きさは物質の結晶構造に大きく依存する。そこで本研究では、進化的アルゴリズムと第一原理計算を組み合わせた結晶構造探索手法をタングステンに適用させて、安定・準安定
構造を探索し、スピンホール伝導率が増大する結晶構造の探索を行なった。その結果、α相及びβ相に加えて新たに 15 種類の準安定構造が得られ、このう
ち二つの直方晶構造（Fig.3.2.4）はα相の螺旋変形
によって形成されており、スピンホール伝導率がβ相の 1.2 倍に増大することを予測した [8]。

アモルファス材料の構造探索
長距離秩序を持たないガラスやアモルファス材料
は、回折実験データを用いた構造解析が非常に難しい
ため、分子動力学シミュレーションを使って高温の液体状態から急冷することで構造モデルを得る手法がしばしば用いられる。ところがこれらの材料の構造緩和時間は非常に長いために、中距離秩序を表すと考えられる粉末回折実験データの ﬁrst sharp diﬀractionpeak(FSDP) を定量的に再現するような信頼性の高い構造モデルを構築するためには、冷却速度を下げた
極めて長時間のシミュレーションが必要になる。そこで我々は、分子動力学法を用いたアモルファス材
料の構造予想を加速するために、これまでに結晶構造予想に利用していたデータ同化手法を用いることを考え、アモルファス材料 (a-H2 O 及び a-SiO2 ) に適用した。解析の結果、データ同化手法を用いると、従トリニトロトルエン（TNT）の分解過程
新機能性材料として大きな可能性を秘めるナノダ
イヤモンドは TNT を用いた爆轟法によって製造されるため、生成物質の制御が困難であるという問題

37

3.2. 常行研究室

3. 物性理論

系の安定相をまずは決定する必要がある。本研究では、これまでに開発した進化的アルゴリズムによる形成エネルギー凸包構築手法を、3 元系 La-B-H 系
及び La-N-H 系に適用した。その結果、La2 B3 H30 、
LaBH8 、La2 BH12 、La3 NH4 などの新たな高圧安定相が出現し、最大で 50-60 K の超伝導になることを予測した（Fig.3.2.6）。現在のところ B や N を加えた系では報告されている室温超伝導相が得られない
ため、更なる検証が必要である [13, 22, 24, 27, 34]。

図 3.2.4: 進化的アルゴリズムで予測した直方晶タングス!"#$!%&'" (&)*&+

テンの結晶構造

Laを抱えている。TNT の爆轟反応過程について新たな知見を得るために、本研究では進化的アルゴリズム
による化学反応探索のための方法論を開発し、TNT結晶に水素ラジカルを導入した系に適用させた。その結果、水素ラジカルが TNT の六員環を形成するC やニトロ基を形成する N 及び O と反応して NO、
H2O、C2H3N として TNT 分子から脱離し、部分的に分解した TNT 分子同士が C、N、O を介して結合することでエネルギーが大きく減少することを見出した（Fig.3.2.5）。これが連鎖的に繰り返されて TNTの分解とナノダイヤモンドの生成が起こることを予測した [6]。

La2B3H30

LaBH8

LaH16

La2BH16
La2BH12
La4BH40

LaBH17H

La2BH19

LaH8

LaH
LaH11 10mRy/atom
4.4
4.0
3.6
3.2
2.8
2.4
2.0
1.6
1.2
0.8
0.4
0

B

H

!"##$&#%&'" (&..&+!"##$$$%%&'" (&,-&+

LaH7 LaH4 La3H10
La2H15

図 3.2.6: 進化的アルゴリズムで構築した 250 GPa における La-B-H 系の形成エネルギー凸包と安定相 LaBH8 、
La2 BH12 、La2 B3 H30 の結晶構造。
25th gen.

Energy (mRy/atom)

3

Evolutionary search

2

NO

1

C2H3N

C2NO3H3

-1
-2

3.2.5

TNT

0
NO

0

5

10
15
Generation2025

水素化物ペロブスカイトの超伝導

近年、硫化水素の高圧相 H3 S など、極めて高い超伝導転移温度を示す水素化物が複数見つかっているが、いずれも 100GPa を超える超高圧でしか安定に存在しない。そこで常圧でも安定で高圧下の H3 とよく似た立方晶の結晶構造を持つ絶縁体のペロブス
カイト型水素化物 KMgH3 に着目し、さまざまな圧
力でホールドープした場合の動的安定性と超伝導転移温度を、フォノンの非調和効果を考慮して調べた。
その結果、KMgH3 は格子の動的安定性を保つ適切なドープ量の範囲で、24K（100GPa）、3.3K（常圧）で超伝導転移を示すという理論予測が得られた [11, 31]。

H2O
C14N7O12H11

図 3.2.5: 進化的アルゴリズムによる TNT 分解過程シ
ミュレーションの様子と第 25 世代における構造

ランタン-ホウ素-水素及びランタン-ホウ素-窒素系における超伝導相

3.2.62020 年に 180 GPa まで圧縮したランタン（La）水素（H）系で 550 K の超伝導転移が報告された。
水素化物を合成する際に使用したアンモニアボラン
由来のホウ素（B）や窒素（N）がランタン水素化物と化合して室温超伝導が引き起こされた可能性が考えられているが、その詳細は不明である。この真偽を明らかにするためには高圧力における La-B-N-H

相関波動関数を用いた電子状態計算
手法の開発

ジャストロウ-スレーター型の相関波動関数を用いて電子相関を考慮した電子状態計算を実現する、トランスコリレイティッド法の開発を継続している。この手法では、多体ハミルトニアンから相似変換され38

3. 物性理論

3.2. 常行研究室

た非エルミートな TC ハミルトニアンの近似固有解を求めるのが普通であるが、変分法を使うために TC
ハミルトニアンをエルミート化する手法が提案されている。そこでこの手法を最も簡単な He 原子で検証した結果、エルミート化によって電子相関を考慮した軌道の最適化の効果がなくなり、エネルギーの精度が低下することがわかった [29]。

(国内雑誌)[10] 佐藤 龍平、常行 真司, 「XRD 回折パターンを利用した水素データ同化分子動力学計算」, 日本結晶学会誌
64,170-173 (2022).
(学位論文)[11] Shaocong Lu, ”On the Stability and Anharmonic
Phonon Properties of Metallic Perovskite Hydrides: A First-principles Study” (水素化物ペロブ
スカイトの安定性と非調和フォノン物性：第一原理計
算による研究）（東京大学、2022 年 9 月修士（理学））＜報文＞(原著論文)[1] Y. Komatsu, R. Shimizu, R.i Sato, M., K. Nishio,
T. Katase, D. Matsumura, H. Saitoh, M. Miyauchi,
J. R. Adelman, R. M. L. McFadden, D. Fujimoto,J. O. Ticknor, M. Stachura, I. McKenzie, G. D.
Morris, W. A. MacFarlane, J. Sugiyama, K. Fukutani, S. Tsuneyuki, and T. Hitosugi, ”Repeatable
Photoinduced Insulator-to-Metal Transition in Yttrium Oxyhydride Epitaxial Thin Films”, Chem.
Mater., 34, 3616 (2022).

[12] 渡邉修人, ”Hydrodynamic simulation of laser ablation with electronic entropy eﬀects included” (電子エントロピー効果を考慮したレーザーアブレーションの流体力学的シミュレーション) (東京大学, 2023
年 3 月 修士 (理学))＜学術講演＞(国際会議)[2] C. M. Le, R. Akashi and S. Tsuneyuki, ”Missing
quantum number of Floquet states”, Phys. Rev. A
105, 052213 (2022).

一般講演[13] T. Ishikawa,
EVOLUTIONARY SEARCHFOR SUPERCONDUCTING PHASES INTHELANTHANUM-BORON-HYDROGENSYSTEM ,2nd International Symposium
Hydrogenomics , Online, 16-19 May, 2022.

[3] M Ohnishi, T Tadano, S Tsuneyuki, J Shiomi,”Anharmonic phonon renormalization and thermal transport in the type-I Ba8 Ga16 Sn30 clathratefrom ﬁrst principles”, Phys. Rev. B 106, 024303(2022).

[14] T. Amano, T. Yamazaki, R. Akashi, and S.
Tsuneyuki, ”First-Principles Study of Lattice Dielectric Function in Rutile TiO2 ”, CCP2022 - 32th
IUPAP Conference on Computational Physics, Online, Aug. 8, 2022.

[4] H. Katow, R. Akashi, Y. Miyamoto, and S.
Tsuneyuki, ”First-Principles Study of the Optical Dipole Trap for Two-Dimensional Excitons inGraphane”, Phys. Rev. Lett. 129, 047401 (2022).
[5] S. Yoshikawa, R. Sato, R. Akashi, S. Todo and
S. Tsuneyuki, ”A Noise-Robust Data Assimilation Method for Crystal Structure Prediction Using Powder Diﬀraction Intensity”, J. Chem. Phys.,157, 224112 (2022).

招待講演[15] S. Tsuneyuki, ”First-Principles Calculation ofAnharmonic Lattice Properties”, TSMC-UTokyo
Symposium, Online, Aug 10, 2022.

[6] T. Ishikawa, K. Kusakabe, Y. Makino, S.
Sakamoto, and N. Okuyama, Search for the Decomposition Process of 2,4,6-Trinitrotoluene by an
Evolutionary Algorithm , J. Phys. Chem. A 126,
8082 ‒ 8087 (2022).

[16] S. Tsuneyuki, ”Theoretical Exploration of HydrideSuperconductors”, 2nd International Conference
on Trans-Scale Quantum Science, Nov. 9, 2022.

[7] Y. Zhao, R. Sato, S. Tsuneyuki, Accelerating simulated annealing of glassy materials with data
assimilation, J. Non-Crystal. Solids, 600, 122028(2023).

一般講演(国内会議)[17] 天野智仁、山崎民雄、明石遼介、常行真司、「ルチル型
TiO2 における 格子誘電関数の第一原理計算」物性研究所スパコン共同利用・CCMS 合同研究会 2022、
オンライン、2022 年 5 月 12 日.

[8] T. Ishikawa, R. Akashi, K. Kubo, Y. Toga,
K. Inukai, I. Rittaporn, M. Hayashi, and S.
Tsuneyuki, Large intrinsic spin Hall conductivity
in orthorhombic tungsten , Phys. Rev. Materials
7, 026202 (2023).

[18] Yuansheng Zhao, Ryuhei Sato and Shinji
Tsuneyuki, ”Accelerating simulated annealing of glassy materials with data assimilation”, 日本物理学会 2022 年秋季大会、東京工業大学、2022
年 9 月 13 日.

[9] T. Amano, T. Yamazaki, R. Akashi, T. Tadano,
and S. Tsuneyuki, ”Lattice Dielectric Properties
of Rutile TiO2 : First-Principles Anharmonic SelfConsistent Phonon Study”, Phys. Rev. B 107,094305 (2023).

[19] 渡邉修人, 明石遼介, 常行真司, 「電子エントロピー効
果を考慮したレーザーアブレーションの流体力学的シミュレーション」, 日本物理学会 2022 年秋季大会,
東京工業大学, 2022 年 9 月 13 日.

39

3.3. 藤堂研究室

3. 物性理論[20] 天野智仁、山崎民雄、明石遼介、只野央将、常行真司、「ルチル型 TiO2 における 格子誘電関数の第一原理計
算」日本物理学会 2022 年秋季大会、東京工業大学、
2022 年 9 月 15 日.

[34] 石河孝洋, 「進化的アルゴリズムによる新物質探索：
水素化物高温超伝導への応用」, ハイドロジェノミク
ス第 9 回若手育成スクール, 岡崎コンファレンスセン
ター（愛知県岡崎市）, 2022 年 9 月 26 日 27 日.

[21] 佐藤 龍平, 吉川 誠司, 趙 元晟, 常行 真司, 「水素データ同化計算」, ハイドロジェノミクス 第 9 回若手育成スクール, 2022 年 9 月 26-27 日.

[35] 常行真司, 「物質・材料シミュレーションの今とこれから」, 早稲田大学各務記念材料技術研究所 計算材
料科学連続セミナー電子材料第２シリーズ第１回（オンライン）, 2022 年 10 月 25 日.

[22] 石河孝洋, 「ランタン-ホウ素-窒素-水素系における室温超伝導水素化物の探索」, ハイドロジェノミクス最終報告会, ホテル日航つくば 別館 1 階「昴 西・中の間」（つくば市）, 2022 年 11 月 21 日 23 日.

[36] 常行真司, 「材料研究のためのマルチモーダルコン
ピューティング」（基調講演）, 「再生可能エネルギー
最大導入に向けた電気化学材料研究拠点」発足記念シンポジウム（DX-GEM Symposium）, 2023 年 2 月
26 日.

[23] T. Amano, T. Yamazaki, R. Akashi, T. Tadanoand S. Tsuneyuki, ”First-Principles Study of Lattice Dielectric Function in Rutile TiO2 ”, YITP
workshop Fundamentals in density functional theory (DFT2022), Kyoto University, Dec. 12, 2022.

(セミナー)[37] 石河孝洋, 「高圧力下水素化物における高温超伝導」,
東京大学駒場物性セミナー 2022 年度秋学期第 4 回,
オンライン, 2022 年 11 月 18 日.

[24] 石河孝洋, 三宅隆, 常行真司, 「ランタン-ホウ素-水素系及びランタン-窒素-水素系における高圧安定相と超伝導相」, 第 63 回高圧討論会, 立命館いばらきフュー
チャープラザ（茨木市）, 2022 年 12 月 13 日 15 日.
[25] 天野智仁、山崎民雄、明石遼介、常行真司、「双極子モー
メントの機械学習モデルによる誘電特性の研究」計
算物理 春の学校 2023、沖縄県市町村自治会館、2023
年 3 月 14 日

3.3

藤堂研究室

物質の状態を知るには、多体のシュレディンガー方程式を解き、統計力学の分配関数を求めればよい。
しかしながら、現代のスーパーコンピュータの計算能力をもってしても、多体のシュレーディンガー方
程式を完全に解くことはできない。そこで、対称性や量子相関など、もとの方程式の中に含まれている
物理的に重要な性質を失うことなく、シミュレーショ
ンを実行しやすい形へ表現しなおすことが、計算物
理における重要な鍵となる。
藤堂研究室では、モンテカルロ法などのサンプリ
ング手法、経路積分に基づく量子ゆらぎの表現、特異値分解やテンソルネットワークによる情報圧縮、統計的機械学習の手法などを駆使し、量子スピン系か
ら現実の物質、さらには量子コンピュータにいたるまで、さまざまな量子多体系に特有の状態、相転移現象、ダイナミクスの解明を目指している。また、次世代大規模シミュレーションのためのオープンソー
スソフトウェアの開発・公開も進めている。さらに、「量子ソフトウェア」寄付講座や JST 共創の場形成
支援プログラム「サスティナブル量子 AI 研究開発拠点」の活動を通じて、サンプリングやテンソルネッ
トワークに基づく量子アルゴリズムや量子機械学習
手法の研究開発も行っている。

[26] 天野智仁、山崎民雄、明石遼介、常行真司、「双極子モーメントの機械学習モデルによる誘電特性の研究」
日本物理学会 2023 年春期大会、オンライン、2023 年
3 月 22 日[27] 石河孝洋, 三宅隆, 常行真司, 「進化的アルゴリズムによるランタン-ホウ素-水素系及びランタン-窒素-水素
系における超伝導相の探索」, 日本物理学会 2023 年
春季大会, オンライン, 2023 年 3 月 22 日.
[28] 久保祐貴、佐藤龍平、石河孝洋、常行真司: 「データ同化手法による多相の結晶構造同定」、日本物理学会
2023 年春季大会、オンライン、2022 年 3 月 22 日．
[29] 千田拓実, 常行真司, 「Transcorrelated 法における非エルミート項の最適化への影響」, 日本物理学会 2023
年春季大会, オンライン, 2023 年 3 月 22 日.
[30] 渡邉修人, 明石遼介, 石河孝洋, 常行真司: 電子エント
ロピー効果を考慮した理論計算によるレーザーアブ
レーションのパルス幅依存性, 日本物理学会 2023 年
春季大会, オンライン, 2023 年 3 月 23 日
[31] S. Lu, R. Akashi and S. Tsuneyuki, ”Firstprinciples study of stability of metallic perovskite
hydrides”, 日本物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3月 23 日.
招待講演

3.3.1

[32] 常行真司, 「見えない水素を計算機で 見る ―水素を含む物質の第一原理計算とデータ同化―」, 水素連
携研究会 第 2 回トピックス研究会（物理分科会）（オンライン）, 2022 年 5 月 31 日.

強相関系のシミュレーション手法

テンソル繰り込み群とマルコフ連鎖モンテカルロ法
テンソルネットワークを用いた実空間くりこみ群
法は、多体スピン系に対する数値計算手法として近年広く用いられてきている。テンソルくりこみ群法では大規模な古典系/量子系の物理量を効率的に計算することができる。テンソルネットワークをテンソ[33] 常行真司,「物質・材料の構造シミュレーションとデー
タ同化」, 第２回 CREST ナノ力学研究会：「マルチスケールシミュレーション」（オンライン）, 2022 年
6 月 25 日.

40

3. 物性理論

3.3. 藤堂研究室

ルを頂点上だけでなく頂点を結ぶ線上にも置いた形に拡張することで、実空間くりこみ法の精度を、既存の同程度の計算時間を要する数値計算手法に比べて 100 倍程度高めることに成功した。この手法は一般のテンソルネットワークに対して適用可能である。
また、テンソルネットワーク表現とマルコフ連鎖モンテカルロ法を組み合わせた、新しいサンプリング
手法の研究も進めている [20]。

2d massless free Wilson fermion

Relative error 𝛿𝑓○: w/ bond-weighting□: w/o bond-weighting

𝜅 = 1.22(8)格子フェルミオン系に対するテンソル繰り込み群

𝜿 = 𝟏. 𝟐𝟔(𝟕)𝛿𝑓~𝐷 !" w/ 𝜅 = 1.344 when 𝑐 = 1格子フェルミオンを含む量子多体系は、物理学の様々な分野において現れる。例えば、素粒子物理学
では格子量子色力学が代表的であり、グルーオンを介したクォーク同士の相互作用を記述する多体系になっている。物性物理学における強相関電子系も格子フェルミオンからなる多体系の一例であり、強いクーロン相互作用下で発現する豊かな物理現象には
多くの興味が持たれている。この研究では、格子フェルミオン系の取り扱いが容易なテンソルネットワー
ク法に着目し、格子フェルミオン系の経路積分を計算する手法の開発に取り組んでいる。具体的には、格子フェルミオン系の経路積分をテンソルネットワー
クによって表現し、テンソル繰り込み群を用いてネッ
トワークの縮約を近似的に実行することで、無限体積極限での経路積分の計算を実現する。今年度は、ボンド重み付きテンソル繰り込み群 (BTRG) をフェルミオン系が取り扱えるように拡張し、2 次元 Wilson
フェルミオンを使った実証計算を行った (図 3.3.7)。
この研究から、BTRG における最適なハイパーパラ
メタの決定方法がフェルミオン系においても有効であることが分かった。さらに、Ising 模型で確認されていたスケール不変テンソルの構成やボンド次元に関するスケーリングが Wilson フェルミオンに対しても成り立つことが明らかになった。また、フレー
バー自由度を伴う格子フェルミオン系に対して、行
列積分解を応用したテンソル繰り込み群法の開発にも取り組んでいる [6, 17, 19, 26, 27, 32, 34, 37]。

Bond dimension 𝐷

図 3.3.7: ボンド重み付きテンソル繰り込み群による2 次元 Wilson フェルミオンの自由エネルギー計算。

Average Sign

Shastry Sutherland 16 x 16. Comparison for different 𝐽𝐷

図 3.3.8: Shastry-Sutherland 模型における負符号の緩和。
来のワームアルゴリズムと比較して計算効率が 25 倍
改善することを確認した [7, 11, 15]。

局所ユニタリ変換による負符号問題の低減
幾何学的割り当て法によるワームアルゴリズム

量子多体系に対する量子モンテカルロ法は広く使われている計算手法であるが、一部の量子格子模型
において負符号問題が生じ、逆温度に対して指数関数的に統計誤差が増大してしまう。低温で負符号を消すことは量子モンテカルロ法にとって重要な課題である。負符号問題はハミルトニアンの行列表示に依存するため、表示基底を変更することで軽減が可能である。我々は、局所ハミルトニアンに注目し、最適な局所基底変換を導入することで、負符号問題の軽減に成功した。特に、幾つかの Frustration-Free と呼ばれる量子スピン系においては、先行研究では不可能であった最適解が得られるだけでなく、その他のモデルにおいても先行研究よりも優れた結果が得られた。これにより、量子モンテカルロ法を用いた物理量のシミュレーションにおいて、より高精度で効率的な計算が可能となった。

モンテカルロ法において、和をとるべき「状態」に制約があり、制約を満たしながらサンプリングすることが難しい場合がある (例として、充足可能性問題)。
そのような状況においても、状態空間を拡張することで効率的にサンプリングする手法のひとつがワー
ムアルゴリズム (worm algorithm) である。ワームとは制約を破るキンク (点) のことで、ワームアルゴリ
ズムのアイデアは「制約を常に満たすのは難しいので、いったん制約を破ってしまって後でつじつまを合わせよう」というものである。このモンテカルロ
法では制約を破るワーム (キンク) を導入して、ワームを確率的に動かすことでサンプリングを行う。従来のワームアルゴリズムでは、ワームをほぼ完全にランダムに動かしていたが、我々は効率の良い計算をするためのワームの動かし方に関する指針—できるだけまっすぐ前へ進めという指針—を提案し、従41

3.3. 藤堂研究室

3. 物性理論

連続空間経路積分モンテカルロ法
連続空間経路積分モンテカルロ法は、相互作用するボーズ粒子系の超流動密度や凝縮率などの物理量を数値的に計算できる唯一の手法である。ワームア
ルゴリズムにより数百粒子系の超流動ヘリウムのグ
ランドカノニカルアンサンブルにおけるシミュレー
ションが可能となったが、アルゴリズムの実装は 7
つの異なる更新手順を含む複雑なものである。我々は、カノニカルアンサンブルにおけるより効率的でシンプルな更新手法を開発している。ハミルトンモ
ンテカルロ法、イベントチェーンモンテカルロ法な
どの高度なマルコフ連鎖モンテカルロ法を用いることで、シミュレーションの自己相関時間をさらに短縮することが可能となった。また、従来のワームア
ルゴリズムでは、アルゴリズムの性能に大きく影響するハイパーパラメータが数多く存在していたが、Wang-Landau アルゴリズムを用いることで、シミュレーション中にハイパーパラメータを自動的に調整することが可能となった [14]。

3.3.2

図 3.3.9: カゴメ格子の 1/9 磁化プラトー相におけるスピン配位。

強相関多体系における新奇な状態・
相転移現象

フラストレートスピン系における新しい磁化プラトー
相
スピン相互作用が原子間の距離に依存する効果は、スピンに「フラストレーション」があるとより重要になる。例えば隣のスピンが反対向きの方がエネル
ギー的に安定なとき、三角形の頂点に位置するスピン同士は「つじつま」を合わせることができない。このような場合、局所的な安定構造の組み合わせが大域的に最安定な状態とはならず、それぞれのスピンが反対向きルールをある程度妥協することで、最も安定な状態が決まる。そのような効果を、幾何学的
フラストレーションと呼ぶ。一般的にスピン相互作
用は原子間の距離に依存するが、この効果は通常無視できるほど小さくなる。しかしフラストレーションがある場合は、ほんの少しの相互作用の変化が大
きな構造変化につながることがある。我々はカゴメ格子と呼ばれる格子上のスピンモデルをモンテカル
ロ計算し、新しい 1/9 磁化プラトー相が現れることを明らかにした (図 3.3.9)。現実の物質では、例えば、
クロムスピネル化合物などでカゴメ格子を作ることができれば、今回の理論的予測が実現できるのではないかと提案している [2]。

図 3.3.10: 二次元量子ダイマー模型の有限温度相図。
ミュレーションは非常に困難であった。我々は、確率級数展開 (SSE) に基づくクラスター更新法にプライオリティーキューを使った高速な演算子検索手法
を組み合わせた、効率的な量子モンテカルロ法を開発した。適切な秩序変数の選択と有限スケーリング
により、量子ダイマーモデルの定量的な相図を有限温度相図を得た (図 3.3.10)。臨界点における臨界指数
は、古典ダイマーモデルの相転移における KosterlitzThouless 転移と一致し、古典極限での傾きも古典模型の臨界温度と一致することが分かった。量子揺らぎが大きくなるにつれて相境界の傾きが小さくなり、
Rohksar-Kivelson (RK) 点で臨界温度がちょうど絶対零度となる、すなわち絶対零度でのコラムナーダ
イマー相が中間相なしに RK 点まで伸びていることを強く示唆する結果を得た [2]。

量子ダイマー模型の有限温度相転移

3.3.3

量子ダイマー模型は 1988 年に Rokhsar と Kivelson
によりフラストレートした磁性体の低エネルギー有効模型として提案された。量子ダイマー模型のハミ
ルトニアンには負符号問題はないが、ダイマーの配置に強い幾何学的な制限があるため、モンテカルロシ

量子計算と量子アルゴリズム

量子多体問題における量子計算優位性の探索
物性物理の問題でよく見られるような、並進対称性があり相互作用が短距離である量子多体系につい42

3. 物性理論

3.3. 藤堂研究室(b)

Runtime [s]1month
1day
1hour

3.5
3
2.5
2

Ordered

1.5

Chaotic

10.5
00 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Weight initialization σw

1
102

0.8

LβFC/ν||FC ρ(L)Bias initialization σb

4

ρ(L) := 1 - Corr(z1(L),z2(L))(a)

2d J1-J2 Heisenberg model

0.6
0.4

101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-3 10-2 10-1 100 101 102|σw - σw;c|ν||FC L

0.2
0
0

50

100

150

200

250

Hidden layer depth L

System size N

図 3.3.12: 全結合ニューラルネットワークにおける吸収状態転移。

図 3.3.11: 二次元ハイゼンベルグ模型のシミュレー
ション時間の評価。

が、その知名度は必ずしも高くない。また、ドキュメ
ントの作成やユーザサポートにも問題が多く、普及の妨げとなっている。物質科学アプリケーションのさらなる公開・普及を目指し、物質科学シミュレー
ションのポータルサイト MateriApps の整備を行った (https://ma.issp.u-tokyo.ac.jp/)。また、気軽にシ
ミュレーションを始めることのできる環境構築を目指
し、MateriApps アプリケーションがプレインストー
ルされた仮想 Linux システム MateriApps LIVE!、アプリケーションのインストールスクリプト集 MateriApps Installer の開発・公開を続けている [5]。

て、基底状態を求める計算の実行時間を、古典コン
ピュータと誤り耐性量子コンピュータの双方で見積
もり、量子コンピュータでの計算が優位となる問題
サイズを検討した。古典コンピュータではテンソル
ネットワーク法の一種である密度行列繰り込み群法
を、量子コンピュータでは Qubitization に基づく量子位相推定法を検討した結果、量子化学などのより複雑な量子多体系に比べて、比較的小さいサイズで量子コンピュータでの計算が優位になり、少ない量
子ビット数、少ない実行時間で、量子コンピュータによる計算の恩恵が得られることを示した (図 3.3.11)。

多変数変分モンテカルロ法におけるバッチ処理を用

3.3.4

いた 2 体グリーン関数計算

統計的機械学習と物質科学

mVMC (http://github.com/issp-center-dev/mVMC)
は、変分モンテカルロ法を用いた量子多体シミュレー
ションを効率的に行うための汎用的なオープンソース
ソフトウェアパッケージである。我々は 2 体グリーン関数の計算について、グリーン関数のクエリをバッチ処理にまとめることで、大幅なパフォーマンス向上を達成した。この方法は、mVMC の開発ブランチである
libVMC (http://github.com/xrq-phys/libvmc) で実装およびテストされ、バッチ処理がない計算に比べて 3 倍の高速化が確認された。現在、これらの改善の mVMC への統合を進めている。

統計力学的なアプローチによる深層ニューラルネッ
トの解析
人工ニューラルネットワークを用いた深層学習は
近年様々な分野で顕著な成果を挙げているが、動作原理の理解を志した基礎研究はまだ発展途上の段階にある。我々は、人工ニューラルネットワークにおける信号伝播過程を統計力学的手法で明らかにすることを目指して研究を展開している。今年度は、全結合順伝播型ニューラルネットワークにおける信号
伝搬過程を記述する理論的枠組を幅が有限の場合へ拡張するとともに、正規乱数で初期化された順伝播型深層ニューラルネットワークの一部における信号
伝搬過程が、吸収状態転移を記述する非平衡統計力学の枠組で見通しよく整理できる (図 3.3.12) ことを
示した。

3.3.5

GEMMFIP: BLIS における GEMM の統合
新たなアプローチにより、大規模および小規模な問題サイズに対する高性能レベル 3 BLAS 操作を実現した。これは、従来の “PACK してから GEMMをする” 方法と、最近開発されたアンパックされたメモリ上で GEMM を行う GEMMSUP を組み合わせることによって実現されている。この方法により、
特に中規模の問題サイズにおける BLIS の性能が一貫して向上することが分かった。さらに、この新しいコードパスは、ARM および x86 64 における、異なる GEMM へのアプローチの統合につながることも期待される。

次世代並列シミュレーションのためのオープンソースソフトウェア

物質科学シミュレーションのポータル MateriApps
日本国内においても、高性能な物質科学シミュレー
ションソフトウェアが数多く開発・公開されている

43

3.3. 藤堂研究室

3. 物性理論

図 3.3.13: バッチ処理を用いた 2 体グリーン関数計
算の高速化。

図 3.3.14: GEMMFIP のベンチマーク結果。

さらに、任意の 2 次元格子上のスピン模型に対してテンソルネットワーク法を適用して基底状態を計算できるソルバー TeNeS、量子モンテカルロ法など量子格子模型のための汎用シミュレーションソフトウェ
ア ALPS や ALPSCore、並列厳密対角化パッケージ
HΦ、テンソルネットワークアルゴリズムのためのラ
イブラリ CTL などの公開・開発を行っている [3, 28]。

[6] Shinichiro Akiyama, Bond-weighting method for
the Grassmann tensor renormalization group, J.
High Energy Phys. 11, 030 (2022).
[7] Hidemaro Suwa, Lifted directed-worm algorithm,
Phys. Rev. E 106, 055306 (9pp) (2022).
[8] Seiji Yoshikawa, Ryuhei Sato, Ryosuke Akashi,
Synge Todo, Shinji Tsuneyuki, A Noise-Robust
Data Assimilation Method for Crystal Structure
Prediction Using Powder Diﬀraction Intensity, J.
Chem. Phys. 157, 224112 (8pp) (2022).

＜受賞＞[1] 秋山進一郎、第 17 回 (2023 年) 日本物理学会若手奨励賞、日本物理学会、2022 年 10 月.
＜報文＞[9] Xizhi Liu, Sayan Mukherjee, Stability theorems forsome Kruskal–Katona type results, Eur J. Combin.
110, 103666 (20pp) (2022).

(原著論文)[2] Masaki Gen, Hidemaro Suwa, Nematicity and fractional magnetization plateaus induced by spinlattice coupling in the classical kagome-lattice
Heisenberg antiferromagnet, Phys. Rev. B 105,
174424 (10pp) (2022).

[10] Dhruv Mubayi, Sayan Mukherjee, Triangles ingraphs without bipartite suspensions, Discrete
Math. 346, 113355 (19pp) (2023).
(国内雑誌)[3] Yuichi Motoyama, Tsuyoshi Okubo, Kazuyoshi
Yoshimi, Satoshi Morita, Takeo Kato, Naoki
Kawashima, TeNeS: Tensor Network Solver for
Quantum Lattice Systems, Comp. Phys. Comm.
279, 108437 (10pp) (2022).

[11] 諏訪秀麿, 藤堂眞治, 確率の流れをあやつるモンテカ
ルロ法—詳細つりあいの破れとリフティング, 日本物理学会誌 77, 731–739 (2022).
[12] 大久保毅, 拡張キタエフ模型における熱ホール伝導度のテンソルネットワーク法による研究, 固体物理 57,
633–642 (2022).

[4] Junyi Yang, Hidemaro Suwa, Derek Meyers, Han
Zhang, Lukas Horak, Zhaosheng Wang, Gilberto
Fabbris, Yongseong Choi, Jenia Karapetrova,
Jong-Woo Kim, Daniel Haskel, Philip J. Ryan,
M. P. M. Dean, Lin Hao, and Jian Liu, QuasiTwo-Dimensional Anomalous Hall Mott Insulatorof Topologically Engineered Jeﬀ=1/2 Electrons,
Phys. Rev. X 12, 031015 (11pp) (2022).

[13] 大久保毅, 量子多体系とテンソルネットワーク, 数理科学 12 月号 58–64 (2022).
(学位論文)[14] Xun Zhao, Improved path-integral worm Monte
Carlo method and its application to interacting
bosons (修士論文)[5] Yuichi Motoyama, Kazuyoshi Yoshimi, Takeo
Kato, Synge Todo, MateriApps LIVE! and MateriApps Installer: Environment for starting andscaling up materials science simulations, Software
X 20, 101210 (8pp) (2022).

＜学術講演＞(国際会議)

44

3. 物性理論

3.3. 藤堂研究室

一般講演[27] Shinichiro Akiyama, “An overview of tensor network method for lattice ﬁeld theories,” Kobe
Workshop on Cosmology and Fundamental Physics
2023, March 2023, Kobe.

[15] Hidemaro Suwa, “Nonreversible worm update for
the Ising model,” CCP2022 33rd IUPAP Conference on Computational Physics, August 2022, online.

(国内会議)[16] Hidemaro Suwa, Shang-Shun Zhang, and Cristian D. Batista, “Triplet exciton condensation in
Sr3Ir2O7,” 29th International Conference on Low
Temperature Physics, August 2022, Sapporo.

招待講演[28] 藤堂眞治, 「量子格子模型ソルバー ALPS による強相関多体系のシミュレーション」, JST-CRDS 俯瞰
ワークショップ「新しい計算物質科学の潮流」, 2022
年 4 月, 東京.

[17] Shinichiro Akiyama, Yoshinobu Kuramashi,
Yusuke Yoshimura, “Particle Physics with Tensor
Network Scheme,” The 30th Anniversary Symposium of the Center for Computational Sciencesat the University of Tsukuba, October 2022,
Tsukuba.

[29] 藤堂眞治, 「計算科学ロードマップ 2022 について」,
第 1 回計算物質科学協議会総会, 2022 年 8 月, オンライン.
[30] 藤堂眞治,「統計物理・量子物理のためのプログラム開発技術」, Stat & Quant Phys Autumn School 2022,
2022 年 10 月, オンライン.

[18] Hidemaro Suwa, Gia-Wei Chern, Kipton Barros,and Cristian D. Batista, “Large-scale calculationof dynamical spin structure factor for correlated
electron systems,” International Conference on Integrated Spectroscopy for Strong Electron Correlation -Theory, Computation and Experiment, December 2022, Tokyo.

[31] 藤堂眞治, 「ポスト富岳にむけた計算科学ロードマッ
プ」, 第 14 回材料系ワークショップ, 2022 年 10 月,
秋葉原.
[32] 秋山進一郎，藏増嘉伸，吉村友佑, 「テンソルネット
ワーク法を用いた素粒子物理学の研究」, 第 9 回「富岳」を中核とする HPCI システム利用研究課題 成果
報告会, 2022 年 10 月, オンライン.

[19] Shinichiro Akiyama, “Bond-weighting method for
the Grassmann tensor renormalization group,”
KEK Workshop 2022, December 2022, オンライン.
招待講演[33] 藤堂眞治, 「MATLAB を活用した数学基礎教育」,
MATLAB 利用促進シンポジウム, 2022 年 12 月, 東大.

[20] Synge Todo, “Markov-chain Monte Carlo samplingin tensor-network representation,” 15th Asia Paciﬁc Physics Conference, August 2022, オンライン.

[34] 秋山進一郎, 「素粒子物理学とテンソルネットワー
ク」, 第２回量子ソフトウェアワークショップ：これからの量子シミュレーション 古典から量子へ、量子から古典へ , 2023 年 1 月, 東京大学.

[21] Tsuyoshi Okubo, “Tensor network approach to Kitaev spin liquid,” 15th Asia Paciﬁc Physics Conference, August 2022, オンライン.

[35] 藤堂眞治, 「マテリアルイノベーションにむけた制度・拠点構築」, JST-CRDS 科学技術未来戦略ワー
クショップ「マテリアルイノベーションを実現する先進的計算物質科学」, 2023 年 2 月, 東京.

[22] Synge Todo, “High-Performance Computing Infrastructure in Japan,” Chinese Physical Society
Fall-Meeting 2022, November 2022, オンライン.

[36] 藤堂眞治, 「プログラム開発の技術」, 計算物理春の学校 2023, 2023 年 3 月, 那覇.

[23] Tsuyoshi Okubo, “Tensor network approachto two-dimensional frustrated spin systems,”
APCTP-IACS-SNBNCBS Workshop on Computational Methods for Emergent Quantum Matter:
From Theoretical Concepts to Experimental Realization, November 2022, Kolkata, India.

[37] 秋山進一郎, 「テンソル繰り込み群法による格子場理論研究の開拓」, 日本物理学会 2023 年春季大会, 2023
年 3 月, オンライン.
[38] 大久保毅, 「テンソルネットワークによる量子古典エンタングルアルゴリズムの提案」, 物性研究のための量子アルゴリズム最前線, 2023 年 3 月, 大阪大（ハイブリッド）.

[24] Tsuyoshi Okubo, “Tensor network representation of Kitaev spin liquid and its application
to quantum circuit-based variation calculations,”
Novel Quantum States in Condensed Matter 2022
(NQS2022), November 2022, YITP, Kyoto.

(セミナー)[25] Synge Todo, “Algorithms and computational techniques for quantum + classical computing,” Quantum+Classical: Exploring new technological opportunities of the next-gen computing with Quantum, December 2022, tokyo.

[39] Tsuyoshi Okubo, “Quantum-classical entangled
approach with tensor networks to investigating
quantum spin liquid,” Baiwang forum on quantum
physics and quantum information sciences, July
2022, 北京量子信息科学研究院.

[26] Shinichiro Akiyama, “Tensor renormalizationgroup approach to higher-dimensional lattice ﬁeld
theories,” Challenges and opportunities in Lattice
QCD simulations and related ﬁelds, February 2023,
R-CCS, Kobe.

[40] Tsuyoshi Okubo, “Tensor network representationof Kitaev spin liquid and its application to quantum circuit-based variational calculations,” 東北大学物理学教室物性コロキウム, July 2022, 東北大.

45

3.4. 桂研究室

3.4

3. 物性理論

甘利と赤城は、Gudnason（河南大）、新田（慶應大）、Shnir（JINR）と共に、秩序変数空間が複素射影空間
CP 2 = SU(3)/U(2) である、一般化 DzyaloshinskiiMoriya 相互作用と Zeeman 相互作用を含んだスピ
ン 1 の SU(3) 強磁性体の模型において、低磁場領域と高磁場領域で異なる種類のスキルミオン結晶が系の基底状態として現れることを見出した。具体的には、高磁場領域では単位トポロジカルチャージをもつスキルミオンの三角格子が、低磁場領域ではトポ
ロジカルチャージ 1/2 をもつスキルミオン、すなわ
ち半スキルミオンから成るハニカム格子が系の基底状態であることがわかった。これらのスキルミオン
結晶を、系の秩序変数空間が CP 2 であることから、
CP 2 スキルミオン結晶と名付けた (図 3.4.15(a) 参照)。上記 2 種類の CP 2 スキルミオン結晶間の遷移
は、相転移ではなくクロスオーバーであると、これらの配位が持つエネルギーやトポロジカルチャージ
密度から計算される配位的エントロピー（Shannon
エントロピーを場の理論的に一般化した量）の振る舞いなどから結論付けた。また、これらの配位は従来の磁気スキルミオンと同様に磁気双極子の構造因
子に triple-q 構造を持つことに加え、CP 2 スキルミ
オン結晶特有の性質として、磁気四重極子の構造因子においても triple-q 構造を持つことを数値的に見出した (図 3.4.15(b) 参照)。これらの結果は、国際会
議 [23, 35]、国内会議 [43, 56, 59, 68, 70] で発表されたほか、原著論文 [5] にまとめられた。

桂研究室

物性理論・統計力学の基礎的な問題に関する理論的研究を行っている。特に、相関の強い多体系における創発的な物性の解明および予言を目指している。
またこれらの系に対して、平均場近似などの従来的な手法や、場の理論的手法、数値的対角化などを組み合わせて多角的にアプローチしている。同時に、平衡および非平衡量子多体系や可解模型に関する数理
物理学的研究も行っている。

3.4.1

強相関系・トポロジカル系

非エルミート量子多体系における複素 Berry 位相の量子化基底状態にギャップをもつエルミート量子多体系のトポロジカル相を解析する有効な手法の一つとして、量子化 Berry 位相を用いる方法がある。これは系に局所的なひねりを導入することで定義された Berry
位相が、幾つかの対称性の下で量子化し、それによりトポロジカル相を特徴付けているスピン一重項な
どのオブジェクトの有無を検出できるというものである。
坪田は、楊、赤城、桂とともに、この量子化 Berry
位相の方法を非エルミートな場合に拡張した。実ラインギャップがある非エルミート量子多体系において、複素 Berry 位相という非エルミート系に一般化された Berry 位相が、二種類の一般化された対称性の下で Z2 量子化を示すことを証明した。また、具体的なモデルでの数値的検証により、この量子化複素 Berry 位相がフェルミオン系・スピン系に関わらず非エルミート多体系のトポロジカル相の解析に有効であることを示した。これらの結果は原著論文 [2]にまとめられた。

S = 1 スピン鎖における双対性・臨界性・トポロジー
S = 1 スピン鎖における Haldane 相は、対称性に守られたトポロジカル相 (SPT 相) の典型例として知られている。Kennedy と田崎は、非局所的なユニタリー変換（KT 変換）を用いることで、Haldane 相は隠れた Z2 × Z2 対称性が破れた相にあることを明らかにした。またこれにより、隠れた反強磁性秩序の存在や有限系における端状態の存在などを統一的に理解できることを示した。KT 変換により、元々のS = 1 スピン鎖では無秩序であった基底状態は、古典的な秩序のある状態へとマップされる。このこと
は、量子 Ising 鎖において、Kramers-Wannier 双対
変換が無秩序相と秩序相を関係付ける点に似ている。
このことをヒントに、Yang と桂、Li（東大物性研）と奥西（新潟大）は、スピン 1 bilinear-biquadratic(BLBQ) 鎖とその KT 変換による双対をパラメター
λ で内挿する模型を考え、その性質を調べた。その結果以下の興味深い結果が得られた。(i) 自己双対線における臨界性：量子 Ising 鎖とのアナロジーからも、KT 変換により自己双対な場合は、系はギャップレスであることが期待される。このことを、自己双対な模型と S = 1/2 XXZ スピン鎖との関係を用いることで厳密に示した。特に元の模型が S = 1
Heisenberg 鎖の場合は、自己双対な模型は低エネル
ギーでは S = 1/2 XY スピン鎖に帰着する。また、自己双対線上には中心電荷 c = 1 の共形場理論で記述される臨界的な相および多重臨界点が存在することを明らかにした。(ii) トポロジカルおよび自明
な Ising 臨界性：BLBQ 模型のパラメター θ および

一般化 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用を有するSU(3) 磁性体における CP 2 スキルミオン結晶
2009 年、磁気スキルミオンと呼ばれるトポロジカ
ルソリトンが、磁性体中で観測された。それを契機として、実験と理論の両面から、磁気スキルミオンの研究が精力的に行われ、トポロジカルホール効果などの磁気スキルミオンに起因した新たな物理現象の発見や、低消費電力デバイスをはじめとする磁気スキルミオンの工業的応用の提案がされてきた。近年では、従来の磁気スキルミオンにはない特性をもつトポロジカルソリトンの探索が盛んに行われ、反強磁性体やフェリ磁性体などの様々な磁性体中のス
キルミオンも議論されている。ただし、これまで安定なスキルミオン結晶（スキルミオンが周期的に配列した磁気構造）が見出されていたのは、秩序変数
空間が S 2 = CP 1 である古典スピン系あるいはスピン 1/2 の系に限られていた。

46

3. 物性理論

3.4. 桂研究室に必要不可欠である。その中でも、我々は実験的に重要である 2 体の原子ロスのある Fermi-Hubbard 模型に注目した。この模型の理論的な解析は散逸がない場合よりも難しく、例えば緩和時間を特徴づける量であるリウビリアンギャップの厳密な解析は 1 次
元かつスピンが 1/2 の場合に限られていた。
そこで d 次元立方格子上の SU(N ) フェルミハバー
ド模型のリウビリアンギャップを、1 サイトあたりの平均原子数が 1 個の場合に解析的に求めた。特に、リウビリアンギャップは d や N に依存せず、立方格
子の一辺の長さが L かつ周期的境界条件の場合には、
L の逆二乗に比例することを示した。次に、各サイトが 1 種類の粒子で詰まった状態から、1 つだけ違う種類の粒子に置き換えた状態を初期状態とするダ
イナミクスを調べた。この場合、置き換えた粒子の生存確率は散逸や原子間の相互作用が小さな場合には指数関数的に減衰するのに対し、散逸や原子間の相互作用が大きな場合はべき的に減衰することを解
析的・数値的に示した。これらの結果は、国際会議[15, 18, 26, 27, 30]、国内会議 [46, 57] で発表されたほか、原著論文 [8] にまとめられた。

(a)

(b)

3.4.3

数理物理学・統計力学

量子多体傷跡状態をもつ高次元スピンレスフェルミ
オン系
非可積分な孤立量子多体系の熱化の機構は統計力学の基礎に関わる問題として長年調べられてきた。
現在、熱化を説明する仮説として固有状態熱化仮説(ETH) が知られており、多くの量子多体系で成立することが確認されている。一方で近年、孤立量子系
において非可積分系であるにも関わらず熱化しない
ダイナミクスが確認された。その背景には量子多体
傷跡状態 (QMBS) という非熱的な励起状態の存在が指摘されており、初期状態がこの状態と大きくオー
バーラップを持つときに、熱化が妨げられると考えられている。これは上述の ETH を破る例として興味を集めており、QMBS の性質や QMBS の現れる模型の構成法などが盛んに研究されている。ただし従来のこうした研究では一次元系を調べるものが多く、またその自由度に関してはほとんどがスピン系を取り扱っていた。そのため、そうした例と比較して、高次元系およびフェルミオン系のような粒子系
での QMBS はまだ十分に調べられていない。
田村と桂はスピンレスフェルミオン系において
QMBS が現れる高次元模型の系統的な構成法を新たに提案した。任意の二部格子上のホッピング項と、隣接サイトの粒子の有無に依存して運動する、densityassisted hopping と呼ばれる項からなる模型を考える。このときホッピング項を定めるホッピング行列は任意の実対称行列とする。そしてこのホッピング
行列から決まる係数を持った density-assisted hopping 項を考える。まずこのような模型において、あるクラスの固有状態が厳密に構成できることを明らかにした。さらにこの状態が実際に非熱的な状態であることを議論するために、エンタングルメント・エ

2

図 3.4.15: (a) CP スキルミオン結晶と (b) その磁
気四重極子の構造因子 Q(q)λ の 2 つのパラメターに関する基底状態相図を密度行列繰り込み群（DMRG）法で調べた。その結果、−π/4 ≤ θ ≤ arctan 1/2, −1 ≤ λ ≤ 1 の範囲には、4つの相があることを明らかにした。このうち 2 つはHaldane 相および Z2 × Z2 対称性が破れた相、残りの 2 つは Z2 対称性が破れた相である。詳細な解析
により、Haldane 相と Z2 対称性が破れた相の境界はトポロジカルな Ising 臨界性を示すこと、この相境界の KT 双対は自明な Ising 臨界性を示すことを明らかにした。これらの結果は、研究会 [37, 42] で発表されたほか、原著論文 [7] にまとめられた。Yang はこの研究と、これまで行ってきた研究を博士論文にまとめた [11]。

3.4.2

散逸のある量子多体系

散逸ハバード模型におけるリウビリアンギャップと単一スピンフリップダイナミクス
量子系は、環境との相互作用によって必ず散逸を受ける。そのため、散逸のある開放量子系の問題を考えることは、物理現象をより適切に記述するため

47

3.4. 桂研究室

3. 物性理論

ントロピー、粒子数密度の相関関数、ダイナミクス
を数値的に計算した。その結果、構成された状態が非熱的な性質を持つことが確認された。なお、この模型の構成法において、並進対称性は必ずしも仮定されないため、並進不変でないランダムネスのある場合の厳密な QMBS の例にもなっている。最後に、
この QMBS を基底状態に持つハミルトニアンを具体的に構成し、ある条件のもとでそれが一意な基底状
態であることを証明した。これらの結果は、原著論
文 [6] にまとめられた。

S = 1 量子磁性体における半古典的シミュレーション
量子磁性体の古典的極限を考えるとき、個々のス
ピンを O(3) ベクトルと考えるのが通例である。これにより、スピン 1/2 の磁性体における通常の磁気秩序は、半古典的なレベルで驚くほどうまく記述できる。しかし、S > 1/2 のような磁性体は「より古典的」であると考えられるにもかかわらず、O(3) ベ
クトルではその特性の多くを説明することはできな
い。特に、磁性絶縁体、鉄系超伝導体、冷却原子系
において実現の可能性が示唆されている単一サイト
で磁気四極子を持つ状態を記述することはできない。
これらの問題に対しては、古典的な極限を別の形でとらえる必要があり、そのために新しいツールが必要である。
赤城と Remund（OIST）, Pohle（東大院工）, Romhányi（California 大 Irvine 校）, Shannon（OIST）は、S = 1
量子磁性体の半古典的特性を正しく記述する新しい方法を確立した。この方法は、量子スピン 1 を完全に記述するために必要な su(3) 代数を拡張した u(3)
代数に基づいている。このアプローチにより、磁気双極子と磁気四極子を同等に扱う枠組みが得られ、数値計算を実装しやすい運動方程式の記述が可能となる。
この新しい方法を、三角格子上の S = 1 bilinear
biquadratic 模型の磁気四極子状態（スピンネマティッ
ク状態、スピン液晶状態）に適用し、解析的に求められる古典的低温展開や ﬂavor wave 理論と、古典的モンテカルロ法や分子動力学シミュレーションな
どの数値計算との比較を通じ、その妥当性を確かめた。そして、本手法の大きな成果として、半古典分子動力学シミュレーションによる動的構造因子に補正項 ω/T を加え T → 0 の極限を取ることで、T = 0の ﬂavor wave 理論の（量子論の）結果を再現できることを明らかにした [図 3.4.16 参照]。また、実験との関連性を考慮し、本手法が異方性を持つ模型にも適用できることを確かめた。この手法によって、今までアクセスできなかったスピン液晶におけるトポ
ロジカル励起のダイナミクスを調べることもできる。
これらの成果は、国際会議 [16, 20, 31] で発表されたほか、論文 [3] にまとめられた。

48

図 3.4.16: (a) u(3) 分子動力学シミュレーションと(b) T = 0 での ﬂavor-wave 理論によって得られた磁気四極子 SQ (q, ω) の動的構造因子

3.4.4

その他

高次元拡張 Nicolai 模型におけるフェルミオン的部
分系対称性とフラクトン相
フラクトン相とは、(i) 基底状態が指数関数的に縮退している（ただしエントロピーは体積則よりは小さい）、(ii) 運動が空間的に制限された励起をもつ、(iii) 部分系対称性がある、などの特徴をもつ。このような相を実現する微視的モデルとしては、X-cube
模型と呼ばれるものが有名であり、現在まで様々な種類の模型が提案されている。一方で、従来議論されてきた部分系対称性は主にボゾン的な対称性であり、超対称性などのフェルミオン的対称性はほとん
ど議論されてこなかった。
桂と中山（立教大）は、Nicolai 模型と呼ばれる超対称性をもつ格子フェルミオン系の模型の副格子自由度を含む拡張を考えると、フェルミオン的部分系
対称性が自然に現れることを明らかにした。この模型はパラメター g で特徴付けられ、g ̸= 0 の場合には、超対称性は自発的に破れており、またフェルミ
オン的部分系対称性の帰結として、基底状態エント
ロピー S は Ld−1 に比例する。ただし、d = 2, 3 は模型が定義される格子の空間次元で、L は系の線形サイズである。一方で、相互作用が強い極限（g = 0）
では、元々の Nicolai 模型と同様に、基底状態エント
ロピーは S ∝ Ld と体積則に従う。したがって、この拡張 Nicolai 模型は、g ̸= 0 の場合には上述のフラクトン的な相にあることが分かった。さらに、これらの格子模型の連続極限や、フェルミオン的部分系
対称性のゲージ化についての議論を行った。これらの結果は、原著論文 [4] にまとめられた。

3. 物性理論

3.4. 桂研究室＜受賞＞(国際会議)[1] 赤城 裕, 第 17 回日本物理学会若手奨励賞「トポロジカルな磁性とその発現機構・創発現象に関する理論的研究」, 日本物理学会, 2023 年 3 月 23 日.

一般講演[14] Hong Yang: Magnetic and Topological Phases of“Spinful Bosons” in Optical Lattices, Ultracold
Atoms Japan 2022, Okinawa, Apr. 2022.

＜報文＞(原著論文)[15] Hironobu Yoshida: Exact analysis of the Liouvillian gap for the SU(N ) Hubbard model with twobody loss in arbitrary dimension, Ultracold Atoms
Japan 2022, Okinawa, Apr. 2022.

[2] Shoichi Tsubota, Hong Yang, Yutaka Akagi, andHosho Katsura: Symmetry-protected quantizationof complex Berry phases in non-Hermitian systems,
Phys. Rev. B 105, L201113 (2022).

[16] Kimberly Remund, Rico Pohle, Yutaka Akagi, Judit Romhányi, and Nic Shannon, Spin-1 magnets – A u(3) Formalism, The 11th International
Conference on Highly Frustrated Magnetism 2022
[HFM22], Paris, France, June 2022.

[3] Kimberly Remund, Rico Pohle, Yutaka Akagi, Judit Romhanyi, and Nic Shannon: Semi-classicalsimulation of spin-1 magnets, Phys. Rev. Research
4, 033106 (2022).

[17] Leilee Chojnacki, Rico Pohle, Han Yan, Yutaka Akagi, and Nic Shannon, Analogues of lightand gravity in the collective excitations of quantum magnets, The 11th International Conference
on Highly Frustrated Magnetism 2022 [HFM22],
Paris, France, June 2022.

[4] Hosho Katsura and Yu Nakayama: Spontaneously broken supersymmetric fracton phaseswith fermionic subsystem symmetries, J. High Energ. Phys. 2022, 72 (2022).
[5] Yuki Amari, Yutaka Akagi, Sven Bjarke Gudnason,
Muneto Nitta, and Yakov Shnir: CP 2 skyrmion
crystals in an SU(3) magnet with a generalized
Dzyaloshinskii-Moriya interaction, Phys. Rev. B
106, L100406 (2022).

[18] Hironobu Yoshida (Hosho Katsura): Exact analysis of the Liouvillian gap for the SU(N ) Hubbard
model with two-body loss, SCES 2022, Amsterdam, the Netherlands, July 2022.

[6] Kensuke Tamura and Hosho Katsura: Quantum
many-body scars of spinless fermions with densityassisted hopping in higher dimensions, Phys. Rev.
B 106, 144306 (2022).

[19] Shunta Kitahama (Hosho Katsura, Naoyuki Shibata): Kitaev Nanoribbon Model with Boundary
Dephasing, 29th International Conference on Low
Temperature Physics, Hokkaido, Aug. 2022.

[7] Hong Yang, Linhao Li, Kouichi Okunishi, andHosho Katsura: Duality, criticality, anomaly, andtopology in quantum spin-1 chains, Phys. Rev. B
107, 125158 (2023).

[20] Kimberly Remund, Rico Pohle, Yutaka Akagi, Judit Romhányi, and Nic Shannon, Spin-1 magnets– A u(3) Formalism, 29th International Conference on Low Temperature Physics, Hokkaido, Aug.
2022.

[8] Hironobu Yoshida and Hosho Katsura: Liouvillian
gap and single spin-ﬂip dynamics in the dissipative
Fermi-Hubbard model, Phys. Rev. A 107, 033332(2023).

[21] Leilee Chojnacki, Rico Pohle, Han Yan, Yutaka
Akagi, and Nic Shannon, Analogues of light andgravity in the collective excitations of quantum
magnets, 29th International Conference on Low
Temperature Physics, Hokkaido, Aug. 2022.

(学位論文)[9] 北濱駿太: Exact results for Kitaev nanoribbons
with boundary dephasing (修士論文).

[22] Atsushi Ono and Yutaka Akagi, Photocontrol ofspin scalar chirality in centrosymmetric itinerantmagnets, 29th International Conference on Low
Temperature Physics, Hokkaido, Aug. 2022.

[10] 長尾健太郎: 超対称性のある格子フェルミオン模型とスピン 1/2 鎖の関係 (修士論文).

[23] Yuki Amari, Yutaka Akagi, Sven Bjarke Gudnason, Muneto Nitta, Yakov Shnir: CP 2 Skyrmion
crystals in an SU(3) magnet with a generalized
Dzyaloshinskii-Moriya interaction, 2nd International Symposium on Trans-scale Quantum Science(TSQS2022), Tokyo, Nov. 2022.

[11] Hong Yang: Symmetry-Protected Topological
Phases of Quantum Particles with Integer Spin (博士論文).
[12] 田村健祐: Rigorous Results for SU(N ) Ferromagnetism in Hubbard-type Models (博士論文).
(著書)[24] Shunta Kitahama:
Kitaev Nanoribbon with
Boundary Dephasing, Novel Quantum States inCondensed Matter 2022, Kyoto, Nov. 2022.

[13] 『–Python で実践– 基礎からの物理学とディープ
ラーニング入門 (エンジニア入門シリーズ 112)』, 福
嶋 健二, 桂 法称.

[25] Leilee Chojnacki, Rico Pohle, Han Yan, Yutaka
Akagi, and Nic Shannon, Analogues of light andgravity in the collective excitations of quantum＜学術講演＞

49

3.4. 桂研究室

3. 物性理論

magnets, The German Conference of Women in
Physics (Deutsche Physikerinnentagung), Karlsruhe, Germany, Nov. 2022.

[38] Hironobu Yoshida, Majorana reﬂection positivity
in the attractive SU(N ) Fermi-Hubbard Model,
Rigorous statistical mechanics and related topics,
Kyoto, Japan, Nov. 2022.

[26] Hironobu Yoshida: Exact analysis of the Liouvillian gap and dynamics in the dissipative SU(N )Fermi-Hubbard model, Novel Quantum States inCondensed Matter 2022, Kyoto, Dec. 2022.

[39] Hosho Katsura, Magnonic analogs of topologicalinsulators in 2 and 3 dimensions, APCTP-IACSSNBNCBS Workshop on Computational Methods
for Emergent Quantum Matter, Kolkata, India,
Nov. 2022.

[27] Hironobu Yoshida: Single spin-ﬂip dynamics in thedissipative Fermi-Hubbard model, The 1st young
researchers’ workshop of the Extreme Universe
Collaboration, Nagoya University, Feb. 2023.

[40] Hosho Katsura, Flat bands and related topics,
APCTP-IACS-SNBNCBS Workshop on Computational Methods for Emergent Quantum Matter,
Kolkata, India, Nov. 2022.

[28] Shunta Kitahama (Hosho Katsura, Naoyuki Shibata): Kitaev Nanoribbon Model with Boundary
Dephasing, APS March Meeting 2023, Las Vegas,
USA, Mar. 2023.

[41] Hosho Katsura, Constructing frustration-free models via Witten’s conjugation, Rikkyo MathPhys
2023 Japan, Jan. 2023.

[29] Kensuke Tamura (Hosho Katsura): General theoryof ﬂat-band ferromagnetism in the SU(n) Hubbard
model, APS March Meeting 2023, Las Vegas, USA,
Mar. 2023.

(国内会議)
一般講演[30] Hironobu Yoshida (Hosho Katsura): Liouvillian
gap and single spin-ﬂip dynamics in the dissipative
Fermi-Hubbard model, APS March Meeting 2023,
Las Vegas, USA, Mar. 2023.

[42] Hong Yang: Duality, Criticality, Anomaly, andTopology in Quantum Spin-1 Chains, 第 17 回量子スピン系研究会, 2022 年 4 月, ハイブリッド.
[43] 赤城裕: 磁性体におけるスピン液晶スキルミオンの開拓, 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」 第二期公募研究キックオフミーティング, 2022 年 6 月, 東京大学物性研究所 (ハイブリッド).

[31] Kimberly Remund, Rico Pohle, Yutaka Akagi, Judit Romhányi, and Nic Shannon, Spin-1 magnets –a u(3) Formalism, APS March Meeting 2023, Las
Vegas, USA, Mar. 2023.

[44] 田村健祐: SU(n) Hubbard 模型における平坦バンド
強磁性の一般論, 格子上の場の理論と連続空間上の場の理論, 2022 年 7 月, 京大基礎物理学研究所.

[32] Atsushi Ono and Yutaka Akagi, Optically controlled spin scalar chirality in centrosymmetricmagnetic metals, APS March Meeting 2023, Las
Vegas, USA, Mar. 2023.

[45] 山本真太朗, 甘利悠貴, 澤渡信之: Din-Zakrzewski インスタントン上のフェルミオンの数理, 日本物理学会
2022 年秋季大会, 2022 年 9 月, 東京工業大学.

招待講演[46] 吉田博信, 桂法称: 原子ロスのある SU(N ) フェルミ
ハバード模型のリウビリアンギャップの厳密な解析,
日本物理学会 2022 年秋季大会, 2022 年 9 月, 東京工業大学.

[33] Hironobu Yoshida: Rigorous Results for Lattice
Fermion Models with SU(N ) Symmetry, AsianEuropean workshop on “SU(N ) physics in condensed matter and cold atoms”, online, Japan, May
2022.

[47] 北浜駿太, 柴田直幸, 桂法称: 境界散逸のあるキタエ
フナノリボン模型の厳密解, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 2022 年 9 月, 東京工業大学.

[34] Hosho Katsura: Magnonic analogs of topological insulators in two and three dimensions, Band
Topology in Quantum Magnets: From Nontrivial
Excitations to Non-Hermitian Topology and Spintronics, Dresden, Germany, June 2022.

[48] 田村健祐, 桂法称: SU(n) Hubbard 模型における平坦バンド強磁性の一般論, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 2022 年 9 月, 東京工業大学.

[35] Yutaka Akagi: Emergence/control of topologicalspin textures in various spin systems, 12th International Conference on Metamaterials, Photonic
Crystals and Plasmonics, online, Spain, July 2022.

[49] 國見昌哉, 富田隆文, 桂法称, 加藤雄介: Rydberg 原子を用いた Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用を有する
量子スピン鎖の実現方法の提案, 日本物理学会 2022
年秋季大会, 2022 年 9 月, 東京工業大学.

[36] Hosho Katsura, Constructing frustration-free models via Witten’s conjugation, Quantum extreme
universe from quantum information, Kyoto, Japan,
Sept. 2022.

[50] 中川大也, 桂法称, 上田正仁: 多成分 Hubbard 模型の部分可積分性：散逸によって誘起される非エルゴード
的ダイナミクス, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 2022
年 9 月, 東京工業大学.

[37] Hosho Katsura, Duality, criticality, and topology
in quantum spin-1 chains, Delft Many-Body Workshop Series, Delft, the Netherlands, Oct. 2022.

[51] 小野淳, 赤城裕: 空間反転対称な遍歴磁性体におけるスピンスカラーカイラリティと円偏光自由度の非線形結合, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 2022 年 9 月,
東京工業大学.

50

3. 物性理論

3.4. 桂研究室

模型の解析, 日本物理学会 2023 年春季大会, 2023 年
3 月, オンライン.

[52] 山田昌彦, 赤城裕, 宇田川将文: 数値的負符号問題の解決 1 有限温度キタエフ模型の数値解, 日本物理学会
2022 年秋季大会, 2022 年 9 月, 東京工業大学.

[67] 山田昌彦, 三野巧, 高橋雅大, 赤城裕, 諏訪秀麿, 藤本
聡, 宇田川将文: 行列積くりこみ群法による二次元量子多体系の解析, 日本物理学会 2023 年春季大会, 2023
年 3 月, オンライン.

[53] 山田昌彦, 赤城裕, 宇田川将文: 数値的負符号問題の解決 2 無限乗積展開法の発展, 日本物理学会 2022 年
秋季大会, 2022 年 9 月, 東京工業大学.
[54] 山田昌彦, 赤城裕, 宇田川将文: 数値的負符号問題の解決 3 第二密度行列くりこみ群法の発見, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 2022 年 9 月, 東京工業大学.

[68] 甘利悠貴, 赤城裕, Sven Gudnason, 新田宗土, Yakov
Shnir: スピン軌道相互作用を有する冷却原子系における CP 2 スキルミオン結晶とその派生相, 日本物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3 月, オンライン.

[55] 甘利悠貴, 赤城裕, 澤渡信之, Yakov Shnir: 一般化
Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用を有する CP 2 非線
形シグマ模型における孤立スキルミオン, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 2022 年 9 月, 東京工業大学.

招待講演[69] 桂法称: SU(N ) ハバード模型における厳密な結果, 格
子上の場の理論と連続空間上の場の理論, 2022 年 7月, 京大基礎物理学研究所.

[56] 甘利悠貴, 赤城裕, Sven Gudnason, 新田宗土, Yakov
Shnir: 一般化 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用を有する SU(3) スピン系における CP 2 スキルミオン結晶, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 2022 年 9 月, 東京工業大学.

[70] 赤城裕: トポロジカルな磁性とその発現機構・創発現象に関する理論的研究, 日本物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3 月, オンライン.

[57] 吉田博信, 桂法称: 原子ロスのある SU(N ) フェルミ
ハバード模型におけるリウビリアンギャップと粒子数
ダイナミクス, 第４回冷却原子研究会「アトムの会」,
2022 年 9 月, 関西セミナーハウス.

(セミナー)[71] Hong Yang: Duality, Criticality, Anomaly, andTopology in Quantum Spin-1 Chains, OIST 量子
理論ユニットセミナー, 2022 年 4 月, ハイブリッド.

[58] 國見昌哉, 富田隆文, 桂法称, 加藤雄介: Rydberg 原子を用いた Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用を有する
量子スピン鎖の実現方法の提案と非平衡スピンダイナ
ミクス, 第 4 回冷却原子研究会「アトムの会」, 2022
年 9 月, 関西セミナーハウス.

[72] Hosho Katsura:
Constructing frustration-freemodels via Witten’s conjugation, University of
Tuebingen, Mathematical Physics Seminar, 2022
年 5 月, ハイブリッド.

[59] 赤城裕: Topological magnetism in quantum spinnematics, 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会, 2022 年 12 月, 名古屋大学 (ハイブリッド).

[73] Hosho Katsura: Magnonic analogs of topologicalinsulators in two and three dimensions, Utrecht
University, Quantum Matter Colloquium, 2022 年
10 月, ハイブリッド.

[60] 甘利悠貴, 赤城裕, S. Gudnason, 新田宗土, Y. Shnir:
Realization of spin nematic Skyrmion crystals incold atom systems, 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会, 2022 年 12 月, 名古屋大学 (ハイブリッド).

[74] Hosho Katsura:
Constructing frustration-freemodels via Witten’s conjugation, University of
Amsterdam, CMT seminar, 2022 年 10 月, ハイブ
リッド.

[61] 山田昌彦, 三野巧, 高橋雅大, 赤城裕, 諏訪秀麿, 藤本
聡, 宇田川将文: 行列積くりこみ群法の開発, 物性研
短期研究会「固体におけるエニオンと分数統計粒子研
究の最前線」, 2023 年 2 月, 物性研究所 (ハイブリッ
ド).

[75] Hironobu Yoshida: Rigorous results for lattice
fermion models with SU(N ) symmetry, 凝縮系理論グループセミナー, 京都大学, 2022 年 12 月, ハイ
ブリッド.
[76] Yuki Amari: Skyrmion crystals and their relatives
in SU(3) chiral magnets, OIST 量子理論ユニットセミナー, 2023 年 2 月, ハイブリッド.

[62] 長尾健太郎, 桂法称: 超対称性のある格子フェルミ
オン模型とスピン 1/2 XXZ 鎖の関係, 日本物理学会
2023 年春季大会, 2023 年 3 月, オンライン.

[77] Hironobu Yoshida: Liouvillian gap and single spinﬂip dynamics in the dissipative Fermi-Hubbard
model, Quantum Materials Seminar, University ofCalifornia, Berkeley, 2023 年 3 月, ハイブリッド.

[63] 江崎蘭世, 赤城裕, 桂法称: XCuCl3 (X=Tl, K) の
BEC 相における電場誘起トリプロン熱ホール効果,
日本物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3 月, オンラ
イン.

[78] Shunta Kitahama: Kitaev nanoribbon with boundary dephasing: Non-Hermitian free-fermion Hamiltonians and its application, Quantum Materials
Seminar, University of California, Berkeley, 2023
年 3 月, ハイブリッド.

[64] 山本真太朗, 甘利悠貴, 澤渡信之: Din–Zakrzewski インスタントンとマヨラナフェルミオンの数理, 日本物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3 月, オンライン.
[65] 古谷峻介, 桂法称, 堀田知佐: 非一様な feedback 制御
による量子多体基底状態への緩和, 日本物理学会 2023
年春季大会, 2023 年 3 月, オンライン.
[66] 山田昌彦, 三野巧, 高橋雅大, 赤城裕, 諏訪秀麿, 藤本
聡, 宇田川将文: 行列積繰り込み群法による Yang-Lee51

3.5. 樺島研究室

3.5

3. 物性理論として ℓ1 ノルムを課す LASSO 線型回帰について
計画行列の各成分が同一のガウス分布から独立に生成されている場合の平均的な性能をレプリカ法を用いて評価した。その結果、特に、N → ∞ の極限で
M = α log(N ) とスケーリングした場合、α > αc では完全な変数選択が LASSO によって可能であると期待され、臨界値 αC は高々 O(M d) 個のランダム
変数の確率的振る舞いによって定まることが分かった。これらの結果は [12, 16, 4] で発表した。

樺島研究室

2022 年度の樺島研の構成メンバーは樺島の他、髙橋
昂助教、Xiangming Meng 特任助教、D1:1 名、 M2:1
名、M1:1 名であった。専門分野は不規則系 の統計
力学の情報科学全般への応用である。信号処理、組
み合わせ最適化問題、データ解析、機械学習などの問題に対して主にスピングラス理論を用いた性能分
析や近似的推論／分析アルゴリズムの開発を行なっている。以下、2022 年度に得られた主な研究成果の概要を記す。

3.5.2
3.5.1

スパース推定組み合わせ最適化問題

一般化されたナップザック問題の統計力学的解析
重量制限の下、できるだけ価値の高いアイテム種の組み合わせを求めるナップザック問題は代表的な組み合わせ最適化問題であり、最悪評価に基づく計算の複雑性クラスでは NP-困難クラスに属することが知られている。標準的なナップザック問題では、重量制約は１つであり、また、各アイテム種の採用可
能数も高々１個である。我々は、重量制約および各アイテム種の採用可能数をそれぞれ複数とした一般化された多次元ナップザック問題（以下、 GMDKP）に対して統計力学的な分析を行った。
標準的なナップザック問題についてはいくつかの
効率的なアルゴリズムが知られており、 解の性質も詳しく調べられている。ただし、 GMDKP についてはアルゴリズムや解の性質に関する知見は少ない。
そこで、我々は同問題のランダムアンサンブルについて解空間の構造を調べた。具体的には、 レプリカ
対称性仮定のもとで、 典型的な最適総価値をレプリカ法を用いて計算した。その結果、 貪欲型ヒューリ
スティック（発見的手法）は、 主要項が最適総価値と等しい「ほぼ最適な解」を低い計算コストで見つけることができることがわかった。加えて、 アイテムの価値が不均一な場合にレプリカ対称性が破れ、 解空間の構造が複雑化する一方で、最適総価値の主要項についてはレプリカ対称解による評価が正しいことを支持する結果を得た。以上の結果は GMDKP がNP-困難クラスの中でも「簡単な」問題であることを示唆している。これらの結果は [2, 15] で発表した。

ℓ1 -正則化付き線形回帰によるイジング逆問題の性能
分析
イジングモデルから生成される複数のスナップショットデータに基づいて、スピン間相互作用を求める問題はボルツマンマシン学習あるいはイジング逆問題と呼ばれる。最尤推定に従う限りこの問題は計算量的に困難であり、長らく実用的なデータ解析法とはみなされてこなかった。しかしながら、近年、相互作用の対称性を無視し、相互作用係数の推定を回帰問題に帰着させる偽尤度法が導入されたことにより、タンパク質相互作用や遺伝子発現の分析などかなり大規模な問題にまで利用されるようになってきた。
この問題に対し、前年度、我々は推定に用いるモデルが実際のモデルと異なっている場合の素朴な例
としてイジング逆問題に ℓ1 -正則化付き線形回帰を用いた場合のネットワーク再構成の可能性をレプリカ
法を用いて吟味し、正しい偽尤度関数を用いた場合とほぼ同じデータ量でネットワーク構造を同定できることを示した。ただし、レプリカ法による解析は数学的厳密性に欠け、また、解析できる対象も単純化された系に事実上限られる。2022 年度は、レプリ
カ法により得られた結果に基づき、より一般のネットワークに対して数学的に厳密にネットワーク再構
成の可能性を吟味した。この結果は [5] で発表した。

極スパース状況下における LASSO 回帰
ハードウエア実装のためのレプリカシミュレーテッ

観測データの背後にある説明変数にスパース性を仮定し、大規模な数の候補の中からそれらを過不足なく選ぶ変数選択の問題を考える。観測数 M 、説明
変数の数 N 及び真の信号の非ゼロ成分 d が同じレートで発散する設定ではレプリカ法による解析方法が有効であり、様々な変数選択法についての典型評価が近年行われてきた。一方、d が N に比べて遥かに小さい極スパースな場合には d の有限サイズ効果が無視できず、上述の問題設定のときとは異なる振る舞いが期待される。
これらを念頭に、本研究では d = O(1) で N → ∞とする極限における変数選択法の統計力学的解析を試みた。具体的には、変数選択を行う上で正則化項

ドアニーリングの効率化
計算機上で温度 T の確率過程を模擬し、高温から低温に徐冷することでエネルギー関数の基底状態を探索するシミュレーテッドアニーリング（SA）は組
み合わせ最適化問題の近似解を求めるメタヒューリ
スティクスとして広く用いられている。また、最近では FPGA や GPU などを活用し、SA を高速に実行する専用ハードウエアの開発も盛んである。
近年、いくつかのクラスの組み合わせ最適化問題
に関して、適当な相互作用下にある複数の複製系（レプリカ）に対して SA を並列的に動作させることに

52

3. 物性理論

3.5. 樺島研究室

利用して不偏推定量を構築する方法が知られている。
この不偏推定量の分散が小さければ検定法の検出力は高くなるが、一般には推定法を変えることで分散を小さくするのは容易ではない。特に、非凸正則化などを用いたアプローチでは、不偏推定量を構築する際に用いられるアルゴリズムの収束性が悪化する
可能性があることが知られている。
髙橋は、推定に用いる損失関数そのものを変えるのではなく、データのブートストラップリサンプリ
ングを行い、複数のリサンプリングデータに対しての推論結果を平均化するバギングによるアプローチを検討した。レプリカ法と近似信念伝搬法を組み合わせて得られる AMPR、replicated VAMP といった手法によって得られる不偏推定量が、個別のリサン
プリングデータに対して得られる不偏推定量の重ね合わせになっていることを明らかにし、その分散の大きさを AMPR の状態発展方程式を用いて網羅的に数値解析した。スパース推定に基づく不偏推定量
を重ね合わせる際、データ数が多く真のパラメータがスパースであるような良条件下においては、単一
データにおいて有限の強さの正則化を入れたスパー
ス推定が十分優れているため、バギングの効果はほぼない。いっぽう、真のパラメータがあまりスパー
スではなくなってくると、あるところで最適な正則化強度が +0 となる相転移が生じる。すなわち、無限小の正則化を用いて得られる推定量の重ね合わせを用いた推定量をバギングしたものを用いるのがよいという結果が得られる。実際、この場合にはバギ
ングで不偏推定量の分散が 15% 程度減少する。さらに、最適な正則化強度が +0 である場合には正則化強度についてもランダムネスを導入することで更に分散が縮小する。つまり、取得データの性質に応じて、単一データによって十分パラメータの情報が取得できる領域から、単一データでは情報が抽出できず比較的情報の少ないバラツキのある解を無数に重ね合わせたほうがましになる領域への相転移が生じていることが示唆されている。また、真のパラメータが全て非ゼロであるような場合には、そこで最適な推定量である Ridge 正則化に基づく不偏推定量と同等の分散を持つことが明らかになった。これは、線形モデルにおいてはバギングが暗黙的に Ridge 正則化として働いていることを示唆している。この結果は[19] で発表した。

より、解探索に要する計算コストを大幅に削減できることが報告されている。しかしながら、レプリカ間の相互作用の導入は、通信コストを増加させるためハードウエア実装を行う際のボトルネックとなる。
我々は、レプリカ間相互作用の代わりに、各時点までの最適解を参照することで通信コストを抑えつ
つも同等の性能が得られることを示した。この結果
は [3] で発表した。

3.5.3

統計的学習理論

反復型自己学習アルゴリズムによる半教師あり学習
機械学習の最も基本的な枠組みは、ラベル有りデー
タに基づく教師あり学習である。しかし、実践的な場面では、取得データの一部にしかラベルが付与されておらず、大半がラベルなしデータであることがしばしばである。そこで、少数のラベル有りデータと、大量のラベル有りデータの組み合わせによって優れた予測性能を持つ分類器を学習する半教師あり
学習の方法が必要である。
自己学習アルゴリズムは、汎用的な半教師あり学
習のメタヒューリスティクスである。自己学習アル
ゴリズムの基本的なアイディアは、手元の学習済みモ
デルによってラベルなしデータ点のラベルを予測し、その予測を真のラベルであるかのように扱って改めて教師あり学習で学習しなおすというものである。
このアルゴリズムを、２成分混合ガウス分布における線形モデルの学習に適用した場合の性能は、学習回数が１回の場合については典型的な性能が解析されていたが、一般に T 回予測と学習を繰り返した場合の挙動は未知であった。髙橋はレプリカ法を階層的に T 回用いることで、オンライン自己学習アル
ゴリズムの T 反復目における学習の結果を平均場理論的に解析できることを示した。この平均場理論を用いて、取得ラベルの偏りがない場合には、教師あり学習とほぼ等価な汎化性能が得られることを明らかにした。一方、偏りがある場合には偏り度合いに応じて教師あり学習と比較した汎化誤差が急激に悪くなることも明らかにした。これは自己学習のルーチンで用いる教師あり学習として、データに対して適切なものを用いた場合には疑似ラベルは真のラベルに匹敵する内容を持つことを示唆している。これ
らの結果は [7, 13, 14] で発表した。

標本分散共分散行列の固有空間の分析
データを観測する際には、統計的な揺らぎの影響は無視できない。真の情報と観測から推定される情報は一般には一致しない。そのため、推定された情報がどの程度統計的な揺らぎの影響を受けているかを定量的に分析することは重要な問題である。ここでは特に N 次元のベクトルデータを想定し、そのデータを生成する分布の特徴を推定することを考える。これを推定する一つの方法は、標本共分散行列の固有基底 (主成分ベクトル) を求めることである。
このとき標本共分散行列の固有基底が真の共分散行
列の固有基底とどれだけ類似しているかは、サンプ
ル数 M や真の共分散行列の固有値分布に依存する。

バギングによる不偏推定量の分散縮小
統計的な推論は有限個のデータに基づいて実行されるため、取得データに応じて推論結果も統計的に揺らぐことになる。この揺らぎを数学的に特徴付け、仮説検定等を通じて推論結果の信頼性を客観的に担保することは推測統計学の根幹である。近年、(デー
タ数)≃(パラメータ次元) が成り立つような高次元統計領域における検定法とその性能についての研究が盛んに行われている。そのうちの一つに、スピングラスの平均場理論に現れる有効一体問題の統計性を

53

3.5. 樺島研究室

3. 物性理論

我々は、標本共分散行列と真の共分散行列の固有ベクトル間でのオーバーラップに着目して統計力学的解析を行った。レプリカ法を用いることによりオー
バーラップが従う統計的性質を記述する巨視的方程式が得られた。また固有値密度についても巨視的方
程式を導いた。これらを比較することで真の共分散行列と標本共分散行列の最大固有ベクトルどうしのオーバーラップが o(N )(常磁性相) から O(N )(強磁性相) へと変わる相転移の条件が求まった。これらの結果は [18] で発表した。

[3] M. Konoshima, H. Tamura, Y. Kabashima, J.
Phys. Soc. Jpn. 91, pp. 113001(1-4) (2022)[4] K. Okajima, X. Meng, T. Takahashi, Y.
Kabashima, arXiv:2302.13093, to appear in AISTATS2023[5] X. Meng,
T. Obuchi,
Y. Kabashima,
arXiv:2110.08500, to appear in AISTATS2023[6] X. Meng and Y. Kabashima, arXiv:2211.13006, toappear in ICLR2023＜学術講演＞

3.5.4(国際会議)

拡散モデルに基づく圧縮センシング

一般講演

敵対的生成ネットワークや拡散モデル (diﬀusion
model: DM) などの提案により、大量のデータにもとづいてそれらを生成する分布を構成する「生成モデル」が、近年注目されている。生成モデルは実在しない顔画像、絵画、音楽、文章など、従来、ヒト以外にはなし得なかった情報生成の機械化を可能にする能力に注目が集まっている。
一方、こうしたモデルは適切な事前分布として利用することで情報処理の効率化にも役立つ。たとえば、
断層写真がしたがう事前分布を p (x)(x は断層写真の像) とし、X 線 CT や MRI による測定過程を測定ノイズによる影響も考慮して条件付き分布 p (y|Ax)(Aは観測行列) として表現する。ベイズの定理をもちいれば測定結果 y を得た後の x の事後分布は p (x|y) =p(y|Ax)p(x)で与えられる。p (x) および p (y|Ax) が実p(y)[7] T. Takahashi, “Sharp Asymptotics of Self-training
with Linear Classiﬁer”, Youth in High-Dimensions:
Recent Progress in Machine Learning, HighDimensional Statistics and Inference, June 27-30,
2022, ICTP, Trieste, Italy.
招待講演[8] Y. Kabashima, “Assessing transfer entropy frombiochemical data”, Nobel Symposia: Predictability
in Science in the Age of AI, October 24-28, 2022,
STIAS, Stellenbosch, South Africa[9] Y. Kabashima, “Assessing transfer entropy frombiochemical data”, Dynamic Days Asia Paciﬁc 12,
November 7-11, 2022, KIAS, Daejeon, South Korea

際の生成プロセスを表現している場合には、この事
後分布にもとづく情報処理が、あり得るすべての方法の中で最良の性能を与える。残念ながら、p (x) の同定は難しく、多くの場面でこうしたベイズの定理
による方法を活かしきることはできていない。とはいえ、そうした中でも p (x) の役割を適当なスパース性の仮定で置き換えた「圧縮センシング」は標準的な信号処理法を凌駕する高い性能を示すことが近年明らかにされている。
このことは、p (x) としてより適切な分布を用いれば、さらに効率的な情報処理が可能になることを示唆している。具体的には X 線 CT による被曝量を大幅に削減することや MRI に要する計測時間の大幅な短縮につながる。我々は、score-based generativemodel と呼ばれる DM から構成された生成モデル（事前分布）と尤度 p (y|Ax) の DM 的な取り扱いとを組み合わせることで、実用上重要な１-bit 圧縮センシングの枠組みで、既存手法を大幅に上回る信号復元性能を得ることに成功した。この結果は [22, 6]で発表した。

[10] Y. Kabashima, “Statistical mechanics approach tolinear regression”, Functional Inference and Machine Intelligence (FIMI) 2023, March 14-16, 2023,
統計数理研究所, 立川市(国内会議)
一般講演[11] 樺島祥介, “情報の中のスピングラス”, 日本物理学会
2022 年秋季大会, オンライン, 9 月 10 日 (2022)[12] 岡島光希, Xiangming Meng, 髙橋昂, 樺島祥介, “極スパース状況下における LASSO 回帰の統計力学的解析”, 日本物理学会 2022 年秋季大会, オンライン, 9
月 10 日 (2022)[13] 髙橋昂, “反復型自己学習アルゴリズムのレプリカ解析”, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 東工大, 9 月 12
日 (2022)[14] 髙橋昂, “反復型自己学習アルゴリズムの典型性能評
価”, 第 25 回情報論的学習理論ワークショップ (IBIS2022), つくば国際会議場, 11 月 21-22 日 (2023)＜報文＞[15] 中村優太, 髙橋昂, 樺島祥介, “一般化されたナップ
ザック問題の統計力学的解析”, 日本物理学会 2023 年
春季大会, online, 3 月 22 日 (2023)(原著論文)[1] T. Takahashi and Y. Kabashima, IEEE Trans.
Info. Theor. 68, pp. 5579-5600 (2022)[16] 岡島光希, Xiangming Meng, 髙橋昂, 樺島祥介, “極スパース条件における Lasso によるサポート復元条件”, 日本物理学会 2023 年春季大会, online, 3 月 22
日 (2023)[2] Y. Nakamura, T. Takahashi, Y. Kabashima, J.
Phys. A: Math. Theor. 55, pp. 375003(1-20) (2022)

54

3. 物性理論

3.6. 辻研究室[17] 樺島祥介, “高次元機械学習への統計力学的アプロー
チ”, 日本物理学会 2023 年春季大会, online, 3 月 23
日 (2023)[18] 小宮山智浩, 髙橋昂, 樺島祥介, “標本共分散行列の固有空間の解析”, 日本物理学会 2023 年春季大会, online,
3 月 25 日 (2023)[19] 髙橋昂, “ブートストラップ平均化された不偏推定量の統計力学的解析”, 日本物理学会 2023 年春季大会,
online, 3 月 25 日 (2023)
招待講演[20] 樺島祥介, “Assessing transfer entropy from biochemical data”, 機械学習と核物理に関する miniWS,
理化学研究所和光キャンパス, 11 月 29-30 日 (2022)

3[21] 樺島祥介, “Assessing transfer entropy from biochemical data”, CREST 「バイオ DX 」領域 2 022
年度公開シンポジウム, JST 東京本部 別館, 11 月 20
日 (2022)[22] 樺島祥介, “拡散モデルに基づく圧縮センシング”, 公開シンポジウム「データ駆動科学と情報計測の新展開」(DDIMA), 3 月 28-30 日 (2023)

図 3.6.17: 超伝導体にシングルパルス光を照射する(セミナー)とクエンチとして働くことでヒッグス振動が誘起され、ヒッグスモードを介した三次高調波が増幅され[23] 樺島祥介, “スパースモデリングへの統計力学的アプ
ローチ”, 上智大学大槻研究室セミナー, 11 月 21 日
(2022)

る様子。

𝜔
𝜔

3.6

ドが存在し、素粒子のヒッグス粒子との類似から近年
ではヒッグスモードと呼ばれている。ヒッグスモー
ドは電気的・磁気的に中性のため光と線形で結合せず、近年まで電荷密度波と超伝導が共存する系を除いて観測するのが困難であった。ところが非線形応答まで考えるとヒッグスモードと光を直接相互作用
させることができる。この非線形結合を使うと、超伝導体に照射した光の周波数の 2 倍が超伝導ギャッ
プエネルギーに一致するときにヒッグスモードと光が共鳴し、それに伴って巨大な三次高調波が発生する。実際に高強度のテラヘルツ波を用いた実験により三次高調波の共鳴が観測され、ヒッグスモード由来の応答と整合する結果が得られている。辻はこれ
ら超伝導体のヒッグスモードを含む集団励起モードと非線形応答の最近の発展についてセミナー [37, 38]
を行った。

辻研究室

当研究室では、量子多体系における非平衡現象や非平衡物性、統計力学に興味をもって物性物理の理論研究を行っている。量子多体系の舞台として、固体中で相互作用する電子の集団 (固体電子系)、レー
ザーによってトラップされて極低温まで冷却された原子の集団 (冷却原子系) などがある。それらの系
で、平衡状態では実現できないような秩序や物性が非平衡状態で発現する現象を追究している。
2022 年度は、辻直人准教授、高三和晃助教、修士課程の Huanyu Zhang 氏、牛原啓氏、西村俊祐氏、研究生の Niklas Ziereis のメンバーで研究を行った。
主に、超伝導体のダイナミクス、量子開放系のダイ
ナミクス、直流電場・電流が誘起する量子相、量子多体系の非線形応答、トポロジカル相のダイナミクスなどの研究テーマに取り組んだ。辻が「超伝導体におけるヒッグスモードの光共鳴現象の理論研究」により令和 4 年度文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞した [1]。

3.6.1

超伝導体における三次高調波の光増強現象
最近、超伝導体の 3 次高調波が光励起によって大幅に増強される現象が実験的に報告されており [33]、
5 次の非線形効果やヒッグスモードの自己相互作用の効果について議論されてきた。ところが、これまでの理論解析は不純物効果を考慮しない清浄極限に限定されており、より現実的な不純物がある場合についてはわかっていなかった。辻は、不純物効果を含めた超伝導体の 3 次高調波の光増強現象について非平衡グリーン関数をもとに理論的に解析した [7, 8, 20]。
その結果、ポンプ光の周波数が超伝導ギャップより十超伝導体のダイナミクス

超伝導体のヒッグスモードと非線形応答
超伝導体には、超伝導秩序パラメーターの振幅 (すなわち超流動密度) が集団的に振動する集団励起モー55

3.6. 辻研究室

3. 物性理論

プの大きさが変わり、エネルギー流は非単調な振る舞いをする。二つの熱浴の温度差を大きくしていった時に、エネルギー流が非線形な応答を示すことも明らかにした。

分大きい場合には 3 次高調波に対するヒッグスモー
ドの寄与が増大することがわかった。一方、準粒子の寄与はポンプ光の強度を大きくしても変化しなかった。このことは、ポンプ光がクエンチとして働いて
ヒッグス振動を誘起することで、ヒッグス振動を媒介する 3 次高調波が増幅したと解釈できる。クエンチで誘起したヒッグスモードによって 3 次高調波が増大する現象は、ポンプ光の周波数を超伝導ギャップエ
ネルギーに近づけた場合にも起こることがわかった。

量子多体系におけるフィードバック制御
多体系の量子状態を制御する方法として、観測してその結果に応じてユニタリー操作をすることを繰り返す量子フィードバック制御がある。量子系に特有の性質として観測による反作用が必ずあり、その効果を使うことで観測誘起相転移を引き起こすことができる。観測に加えてフィードバック制御をする
ことによりさらに新しい量子状態を安定化させることができると期待される。西村はフィードバック制
御を実装することが可能なランダムユニタリー量子回路の数値シミュレーションを行い、エンタングル
メントエントロピーの時間発展などの初期の結果について報告した [22, 34]。

超伝導体のフロッケ状態
時間的に周期的な外場によって駆動された量子多体系では、外場の衣をまとったフロッケ状態と呼ばれる非平衡定常状態が現れる。フロッケ状態においては準粒子の質量やエネルギーギャップ、寿命などが外場の効果によって変化し、平衡状態には見られなかった物理的性質を示すことがある。Zhang、高三、辻は、BCS 理論をフロッケ・ケルディッシュ形式に拡張することで、時間的に周期的な電場によって駆動された超伝導体のフロッケ状態を理論的に解析した [16]。散逸の効果を取り込むために自由フェルミオン熱浴と結合した BCS 模型を考え、平均場近似の範囲で超伝導相を扱った。その結果、一粒子ス
ペクトルにフロッケサイドバンドや超伝導ギャップとは別のギャップ構造が現れることがわかった。また、電場の周波数が大きい場合に電場駆動によって常伝導相から超伝導相に転移する場合があることが見出された。これは周期電場によって有効的に引力相互作用が増強したことによる結果と解釈できるが、散逸があり電子分布が平衡状態から大きく変化しているにも関わらず超伝導相が誘起される点が非自明
である。

3.6.2

量子アクティブマター
アクティブマターとは、自ら動く要素の集まりであり、鳥や魚の群れなどがその代表例として挙げられる。自ら動く性質 (自己駆動性) により系は平衡から大きく離れ、この非平衡性に起因した様々な相転移やパターン形成が生じる。アクティブマターはこれまで主に古典系を舞台に研究されてきたが、最近、高三は足立氏・川口氏 (理研) と共に、アクティブマ
ターの物理を量子多体系に拡張する研究を行った。
具体的には、冷却原子等の人工量子系において散逸を制御された形で導入することで、古典系の自己駆動性と類似の効果を引き起こせることを示し、それに起因した量子相転移 (相分離・強磁性転移など) を引き起こせることを明らかにした。この成果に関して、国際ワークショップでの招待講演 [10] を含む、複数の研究会・学会にて発表を行った [25, 39, 40]。

量子開放系のダイナミクス

近年、人工量子系などにおいて散逸を制御したり設計する技術が発展してきたことにより、量子開放
系は非平衡量子多体系の物理を展開する新しいクラスとして注目されている。

3.6.3

直流電場・電流が誘起する量子相

近年の実験技術の進歩により、強い電場を物質に印加することが可能になり、これを利用した量子物性の制御が盛んに研究されている。特に、直流電場
やそれに伴う電流を利用した制御においては、電場
が空間反転対称性を破ることによる新たな機能性の発現が期待される。高三は、このような方向性での物性制御を探究してきた。特に今年度は、超伝導体
を直流電流で制御する可能性を調べた。具体的には、
直流電流によって準粒子スペクトルを変形させ、トポロジカル相転移を引き起こせることを示し、それを利用することで様々なトポロジカル超伝導体を実現できることを明らかにした。この成果について、
論文 [2, 3] として出版した他、国際会議での招待講
演 [9] を含む、複数の研究会・学会にて発表を行った[12, 13, 14, 19, 24, 30, 41]。

量子マスター方程式によるエネルギー流の解析
量子開放系のダイナミクスはマルコフ型の量子マ
スター方程式 (GKSL 方程式) によって記述されることが多いが、その際に用いる近似が量子多体系では正当化されない場合があったり、エネルギー流 (熱流) を正しく記述しない場合があることが知られている。牛原、高三、辻は量子多体系に適用可能な局
所 GKSL 方程式を用いて、異なる温度の熱浴に結合した磁場中のスピン 1/2 のスピン鎖のエネルギー流を解析した [35, 36]。Redﬁeld 方程式の結果と比較することで、スピン間相互作用が弱い時に局所 GKSL
方程式によって精度よく記述されることがわかった。
スピン間相互作用を変えていくとエネルギーギャッ

56

3. 物性理論

3.6.4

3.6. 辻研究室

量子多体系の非線形応答[5] Kazuaki Takasan, Masaki Oshikawa, and Haruki
Watanabe, “Drude weights in one-dimensional systems with a single defect”, Phys. Rev. B 107,
075141 (2023).

非線形応答は、線形応答では得られない豊富な情報が得られるプローブとしても、周波数変換等のデバイス応用における動作原理としても重要な物理現象であり、これまでの研究により多くの性質が明らかにされている。しかしながら、自由電子系を超えた、相互作用を含む一般の量子多体系における非線形応答の性質は十分には明らかになっておらず、近年でも盛んに調べられている。高三は以前からこの課題に取り組んでおり、今年度は、押川氏・渡辺氏(東大) と共に、量子多体系の非線形応答の研究の中で見出された新しい物理量である「非線形ドルーデ
重み」に関する研究を行った。具体的には、熱力学極限で発散する等の病的振る舞いが報告されてきた
非線形ドルーデ重みに関して、その病的振る舞いの起源が熱力学極限とゼロ周波数極限の順序に起因するものであることを示し、それを適切に考慮した新
たな物理量である「バルクドルーデ重み」を考える
ことでこれらの病的振る舞いが解消されることを明らかにした。この成果に関して論文 [5] として発表した他、学会発表 [31] を行った。

3.6.5

(総説)
[6] Youichi Yanase, Akito Daido, Kazuaki Takasan,
and Tsuneya Yoshida, “Topological d-wave superconductivity in two dimensions”, Physica E 140,
115143 (2022).
＜学術講演＞(国際会議)
招待講演[7] Naoto Tsuji, “Higgs-mediated nonlinear optical response and its ampliﬁcation in superconductors”,
Novel Quantum States in Condensed Matter 2022
(NQS2022), YITP, Kyoto, November 2022.
[8] Naoto Tsuji, “Nonlinear terahertz spectroscopyof superconductors: Higgs mode and beyond”,
Trends in the Theory of Quantum Materials
2022 (TTQM2022), Zürich, Switzerland, November 2022.

トポロジカル相のダイナミクス[9] Kazuaki Takasan, “Controlling states of matterwith DC electric ﬁeld and current: magnetism, optical response, and superconductivity”, Conferenceon Laser and Synchrotron Radiation Combination
Experiment 2022 (LSC2022), Paciﬁco Yokohama(Yokohama, Japan), April 2022.

トポロジカル絶縁体中のエキシトニック状態
高三は、森氏・森本氏 (東大)・Ciocys 氏・Ai 氏・Currier 氏・Moore 氏・Lanzara 氏 (カリフォルニア
大学バークレー校) と共に、光照射されたトポロジカ
ル絶縁体に生じるダイナミクスを時間分解角度分解
光電子分光によって調べ、ダイナミクスの中に長寿命の励起子状態が現れることを明らかにした。この励起子は、トポロジカル表面状態の電子とバルク状態の正孔によって生じていると考えられ、トポロジカ
ル物性と励起子物性をつなぐ新しい発見である。高三は本実験結果の理論解析を担当し、実験で得られた 1 粒子スペクトルを有効モデルから再現した。この成果に関して論文 [4] として発表した他、学会発表[15, 32] も行った。

[10] Kazuaki Takasan, “Quantum active matter in
non-Hermitian systems”, Non-Hermitian Quantum Mechanics 2022 (NH2022), University ofTokyo (Tokyo, Japan), July 2022.
一般講演[11] Kazuaki Takasan, “Ferromagnetism in tilted
fermionic Mott insulators”, Quantum extreme universe from quantum information, Yukawa Institutefor Theoretical Physics (Kyoto, Japan), September
2022.

＜受賞＞

[1] 辻直人、令和 4 年度文部科学大臣表彰若手科学者賞.

[12] Kazuaki Takasan, “DC-driven quantum matter:electric ﬁeld, normal current, and supercurrent”,
Novel Quantum States in Condensed Matter 2022
(NQS 2022), Yukawa Institute for Theoretical
Physics (Kyoto, Japan), November 2022.

＜報文＞(原著論文)[2] Kazuaki Takasan, Shuntaro Sumita, and Youichi
Yanase, “Supercurrent-induced topological phasetransitions”, Phys. Rev. B 106, 014508 (2022).
[3] Shuntaro Sumita,
and Kazuaki Takasan,“Supercurrent-induced Weyl superconductivity”, J. Phys. Soc. Jpn. 91, 074703 (2022).

[13] Kazuaki Takasan, Shuntaro Sumita, and Youichi
Yanase, “Supercurrent-induced topological phasetransitions”, American Physical Society March
Meeting2023, Caesars Forum Convention Center,(Las Vegas, USA), March 2023.

[4] Ryo Mori, Samuel Ciocys, Kazuaki Takasan, Ping
Ai, Kayla Currier, Takahiro Morimoto, Joel E.
Moore, and Alessandra Lanzara, “Spin-polarized
spatially indirect excitons in a topological insulator’, Nature 614, 075141 (2023).

[14] Shuntaro Sumita, and Kazuaki Takasan, “Weylsuperconductivity induced by supercurrent ﬂow
American Physical Society March Meeting2023,
Caesars Forum Convention Center, (Las Vegas,
USA), March 2023.

57

3.6. 辻研究室

3. 物性理論[28] 牛原啓、池田昌司、「張力下でのバネネットワークが示す新規な相転移現象」、日本物理学会秋季大会、東京工業大学、2022 年 9 月.

[15] Ryo Mori, Samuel Ciocys, Kazuaki Takasan, Ping
Ai, Kayla Currier, Takahiro Morimoto, Joel E.
Moore, and Alessandra Lanzara, “Observationof an excitonic state in a topological insulator”,
American Physical Society March Meeting2023,
Caesars Forum Convention Center, (Las Vegas,
USA), March 2023.

[29] 高三和晃、手塚真樹、「極端強電場下の Mott 絶縁体に生じる強磁性ダイナミクス」、日本物理学会春季大会、オンライン、2023 年 3 月.
[30] 高三和晃、角田峻太郎、柳瀬陽一、「超伝導電流印加
下の準粒子スペクトルに生じるトポロジカル相転移」、
日本物理学会春季大会、オンライン、2023 年 3 月.

ポスター発表[16] Huanyu Zhang, Kazuaki Takasan, Naoto Tsuji,“Floquet Many-body Theory for Driven BCS Superconductors: With Potential Application to the
Nonlinear Responses”, FoPM Symposium 2023,
University of Tokyo (Tokyo, Japan), February2023.

[31] 高三和晃、押川正毅、渡辺悠樹、「欠陥のある 1 次元
量子系におけるバルク Drude ウェイト」、日本物理学会春季大会、オンライン、2023 年 3 月.
[32] 森亮、Samuel Ciocys、高三和晃、Ping Ai、Kayla
Currier、森本高裕、Joel E. Moore、Alessandra Lanzara、「トポロジカル絶縁体中のエキシトニック状態の観測」、日本物理学会春季大会、オンライン、2023
年 3 月.

(国内会議)
招待講演

ポスター発表[17] 辻直人、「高エネルギー超伝導物性物理学の創出」、JST
創発的研究支援事業「融合の場」第１回公開シンポジ
ウム、東京、2022 年 6 月.

[33] 礒山和基、辻直人、島野亮、「s 波超伝導体 NbN における Higgs モードの量子干渉測定」、第 14 回低温科学研究センター研究交流会、東京大学、2023 年 2 月.

[18] 高三和晃、「非平衡物質相の物性物理学 (前半) / “海外で研究すること” について (後半)」、第 67 回物性若手夏の学校、オンライン、2022 年 8 月.

[34] 西村俊祐、「量子多体系におけるフィードバック制御」、
QEd サマースクール、沖縄科学技術大学院大学、2022
年 9 月.

[19] 高三和晃、「光電場や電流を利用した超伝導体の動的制御」、第 28 回渦糸物理ワークショップ、青山学院
大学、2022 年 12 月.

[35] 牛原啓、高三和晃、辻直人、「多体系に適用可能な量
子マスター方程式を用いたエネルギー流の解析」、量
子情報と量子基礎論の諸側面、東京大学、2023 年 2
月.

一般講演

[36] 牛原啓、高三和晃、辻直人、「多体系に適用可能な量子マスター方程式を用いたエネルギー流の解析」、計算
物理春の学校 2023、沖縄市町村自治会館、2023 年 3月.

[20] 辻直人、「超伝導体における三次高調波の光増強現象と不純物効果」、日本物理学会秋季大会、東京工業大学、2022 年 9 月.

(セミナー)[21] 松井千尋、辻直人、「不純物を含む散逸付き XXZ 鎖の定常状態の解析」、日本物理学会秋季大会、東京工業大学、2022 年 9 月.

[37] Naoto Tsuji, “Collective modes in superconductors: a new perspective from nonlinear terahertz
responses”, CCES seminar (online), IBS Center for
Correlated Electron Systems (CCES), Seoul National University, March 2023.

[22] 西村俊祐、「量子多体系におけるフィードバック制御」、
第 67 回物性若手夏の学校、オンライン、2022 年 8 月.
[23] 高三和晃、手塚真樹、「強い傾斜ポテンシャル下の Mott
絶縁体に生じる強磁性」、日本物理学会秋季大会、東京工業大学、2022 年 9 月.

[38] 辻直人、「超伝導体における「ヒッグス粒子」」、第 4
回物性セミナー、オンライン (東京大学)、2022 年 6月.

[24] 高三和晃、角田峻太郎、柳瀬陽一、「超伝導電流が誘起するトポロジカル相転移」、日本物理学会秋季大会、
東京工業大学、2022 年 9 月.

[39] Kazuaki Takasan, “Activity-induced quantum
phase transitions: A proposal for quantum active
matter”, StatPhys Seminar, online, June 2022.

[25] 足立景亮、高三和晃、川口喬吾、中野裕義、「異方的ア
クティブ格子ガスが示す長距離相関とモティリティ
誘起相分離」、日本物理学会秋季大会、東京工業大学、
2022 年 9 月.

[40] 高三和晃、「自己駆動性が誘起する量子相転移：“量子アクティブマター” の提案 」、統計物理と統計科学のセミナー、オンライン、2022 年 12 月.
[41] 高三和晃、「光電場・電流による超伝導体の動的制御」、
物性物理オンラインセミナー、オンライン、2023 年 3月.

[26] 中村真、石垣秀太、高三和晃、「AdS/CFT 対応における非平衡定常状態の有効温度」、日本物理学会秋季大会、東京工業大学、2022 年 9 月.

(アウトリーチ)[27] 中村真、石垣秀太、高三和晃、「AdS/CFT 対応による
非線形電気伝導度の計算における正則条件について」、
日本物理学会秋季大会、岡山理科大学、2022 年 9 月.

[42] 高三和晃、「非平衡状態で物質の “限界” を超える」、
東大理学部 高校生のための冬休み講座 2022 Online、
オンライン、2022 年 12 月.

58

3. 物性理論

3.7

3.7. 蘆田研究室

トポロジカル現象の解明に取り組んだ。以前に我々が行った研究で、非エルミート系に特有な「例外点」と呼ばれる構造に守られた、特異な端状態（例外端状態）が発現することを見出した。以前の研究では線形領域でかつ 2 次元系の場合において議論を行っていたが、本研究では非線形領域および 3 次元系への拡張を行った。特に、蘆田は東大工学系の沙川研とともに、例外端状態の概念を非線形振動子に拡張し、物理系の境界領域でのみ振動子が同期する「トポロジカル同期現象」が生じることを数値的に見出した。さらに、3 次元系において、例外端状態がトポロ
ジカルに保護された頑健なレージング表面モードとして発現することを、モデル計算により具体的に示した。以上の結果は論文を通じて発表された [2, 4]。

蘆田研究室

量子力学の世界では、系のミクロな情報を得ることの代償として、ハイゼンベルグの不確定性関係に起因する測定の反作用が量子ダイナミクスに本質的な影響を及ぼす。近年の原子・分子・光物理分野における革新的な実験技術の進歩により、大自由度の量子系 - 量子多体系 - を単一量子レベルで観測/制御することが可能になった。
一方で、観測/制御下における量子系の研究は、これまで主として量子光学の分野で少数自由度系を対象に精力的に行われてきた。本研究室では、これら二つの分野 - 量子多体物理と量子光学 - の境界領域
における理論研究を行っている。特に、摂動的および非摂動的領域の非平衡開放系の物理について、量子測定理論・繰り込み群・トポロジー・場の理論・機械学習などの考え方/手法も援用しながら研究を行ってきている。

3.7.1

浮揚ナノ粒子アレイの非エルミート物理
これまで非エルミート物理は、冷却原子系などの量子系から、光学系やアクティブマターなどの古典系に至る、多様な物理系で研究がなされてきている。
しかし、これら従来の物理系では、強い非相反相互作
用を高い制御性のもとで実現することが容易ではなかった。横溝、蘆田は多数の浮揚ナノ粒子の配列が非エルミート物理を研究するための理想的なプラットフォームになり得ることを理論的に提案した。実際、浮揚ナノ粒子の高い制御性によって、これまでに実現することが困難であった粒子間の負の相互作用や長距離非相反相互作用が実現可能になる。このような相互作用の下では非エルミート表皮効果の発生が期待されるため、系の振る舞いは非エルミート
系におけるブロッホバンド理論を用いて解析できる。
解析の結果、負の相互作用による臨界相の発現や、長距離非相反相互作用に起因したバンド構造の特異点の出現が明らかになった。今後、これまでの非エルミート系では実現が難しいとされてきた非エルミート現象が、浮揚ナノ粒子アレイによって検証されることが期待される。以上の成果は、国際会議と国内会議の一般講演を通じて発表された [11, 17]。

開放系・非エルミート物理

外界環境や観測者の影響下の物理系は「非平衡開放系」として記述される。これまで我々は開放系の中でも、特に非エルミート系と呼ばれるクラスの物
理系に着目し、量子臨界現象やトポロジカル物性などの枠組みを拡張することで、エルミート系に類のない新たな物理現象を探究してきた。

連続体模型における非エルミートブロッホバンド理論とフォトニック結晶への応用
非エルミート物理の研究で主要な研究対象の 1 つである非エルミート表皮効果は、多数の固有状態が系の境界に局在する現象である。これまで、非エルミート表皮効果は強束縛模型を用いて解析されていたが、連続体模型における非エルミート表皮効果はほとんど探索されていなかった。横溝は東工大村上研、納富研と共同研究を行い、Strum-Liouville 型微分方程式で記述される周期的な非エルミートポテン
シャル中の波の連続バンドを計算する方法を確立した。特に、空間について 1 階微分の項が複素ゲージ
ポテンシャルを表しており、これが非エルミート表皮効果の起源であることを明らかにした。また、得られた結果を基に、非エルミート表皮効果を示すフォトニック結晶の提案を行った。理論計算と数値シミュ
レーションの結果、誘電率の異方性と光学的損失が非エルミート表皮効果を引き起こすという結論が得られた。以上の成果は論文を通じて発表された [1]。

3.7.2強結合量子光-物質系の物理

古典電磁場を周期外場として物質を駆動し、その過渡的な物性変化を引き起こす可能性が精力的に調べられてきた。一方、量子的な電磁場環境により量
子多体物性を制御する可能性は多くが未解明である。
近年の実験技術の発展により、共振器中に閉じ込められた量子電磁場と物質が強く相互作用する物理系- 共振器物質系 - が実現しつつある。我々はこの物理系が持つ可能性に注目し、そこで発現する新たな物理現象の発見を目指し研究を行っている。

非線形系の非エルミート物理
強結合導波管量子電磁力学の非摂動理論

非エルミート系の研究は、従来線形領域や 1・2 次
元などの低次元系において主に良く理解されてきた。
これに対し、今年度は非線形領域や 3 次元系で現れる

これまでの我々の研究で、共振器量子電磁力学 (QED)系において、電磁場モードが単一でかつ長波長近似593.7. 蘆田研究室

3. 物性理論「hyperbolic 共振器」と結合した捻り二層物質系の低エネルギー有効ハミルトニアンを求める一般論を構築した。特に、MoSe2 /WSe2 という具体的な捻り二層物質系に理論を適用し、hyperbolic 共振器との結合によって電子スピン間の磁性フラストレーションを増強できることを明らかにした。以上の成果は、国際会議でのポスター講演を通じて発表された [9]。

が成立する場合に、光物質結合強度が強い極限で両者が漸近的にデカップルできるユニタリ変換が構成されていた。蘆田はこの理論解析を、導波管 QED 系と呼ばれる、連続的かつ複数の量子電磁場モードが物質と強く結合した物理系に拡張した（スイス連邦
工科大学との共同研究）。これにより、非摂動領域に特有な「連続スペクトル中の束縛状態」（BIC）が生じることや、光物質束縛状態の新奇な非平衡量子ダイ
ナミクスが発現することなどが明らかとなった。以上の結果は、論文や国際会議での招待講演などを通して発表された [3, 12, 13, 14]。

超結合領域における近藤効果
近藤効果は、物質中に局在したスピンが伝導電子によって遮蔽されていく現象で、量子多体現象の代表例として知られている。一方、実験技術の進展により、共振器中の物質が電磁場と強く結合する共振器物質系が実現されつつある。共振器物質系を用いた電磁場と量子多体系の超結合領域の研究に対して、電磁場と相互作用する物質での近藤効果の理解は重要である。持田、蘆田は電磁場と強く結合した近藤系のハミルトニアンに対し、電磁場、伝導電子、局在
スピンのそれぞれの量子もつれを切り離すことができるユニタリー変換を順次適用することで、有効的に系の解析が行えるようにした。そして、電磁場および局在スピンの自由度が切り離された伝導電子系にガウシアン変分多体計算を行うことで、電磁場が近藤効果に与える影響を調べた。先行研究の背景・問題点や本研究の問題設定を議論するため、国際会
議でポスター講演を行った [10]。

ジョセフソン接合系における量子散逸相転移
抵抗に繋がれたジョセフソン接合系における量子散逸相転移（超伝導 - 絶縁体転移）の有無は、物性・統計物理学において長年議論されてきた基礎的問題である。増木、蘆田は東大物性研の押川研と共同研究を行い、非摂動な繰り込み群の手法を用いること
で系の基底状態の相図を明らかにした。特に、数値的繰り込み群と汎関数繰り込み群という二つの独立な繰り込み群解析の結果から、今まで非有意と考えられてきた項の非摂動効果によって、絶縁体相が実現するパラメータ領域が強く制限されることを明らかにした。また増木、蘆田は理研の横田氏と協力する
ことで、この研究をさらに発展させ、LPA 近似を超えた汎関数繰り込み群による解析を行った。これによりジョセフソン接合系に限らず、スピン-ボソン模型などより広いクラスの強結合開放系の正確な非摂動解析が可能となった。以上の成果は、論文や国際招待セミナーなどを通じて発表された [5, 8, 19, 20]。

3.7.3

統計物理・機械学習

近年、機械学習の研究の飛躍的な進展に伴い、機械
学習や人工知能分野で提案されてきた新たなデータ
解析手法を、物理学の諸問題に援用する試みが多くなされている。研究 [6] では、東大小林研と協力し、ガウス過程回帰を応用することで、ナノダイヤモン
ド中の窒素空孔中心を用いた磁場測定の確度を向上することに成功した。これにより、さまざまな形状を持つ測定対象に対して、ナノダイヤモンドを用いた高確度な磁場測定が可能となると期待される。また本研究についてプレスリリースを行った [21]。研究 [7] では、東大工学系の沙川研と協力し、深層強化
学習を用いた熱平衡量子純粋状態の準備に関する研究を行った。これにより少数の局所物理量の知識のみから、それ以外の多様な物理量の計算が可能となると期待される。特に、量子系が可積分の場合は精度が冪的に、非可積分な場合は精度が指数的に向上することを見出した。

超結合領域における量子幾何とトポロジー
量子電磁場と結合する量子系における量子幾何やトポロジーの解析は、強束縛模型へのパイエルス代入といった現象論的な模型に基づく解析が主であった。一方で、超強結合領域においても有効な解析手法は知られていなかった。増木、蘆田は電磁場 - 物
質間の量子もつれを漸近的に解くユニタリ変換を用いることで、全結合領域で有効的な量子幾何解析の一般論を構築した。特に、構築された一般論をディ
ラック電子系に適用することで、量子電磁場モードとの結合によって起こるトポロジカル相転移の性質を明らかにした。以上の成果は、国内会議での一般講演や招待講演を通じて発表された [15, 18]。

共振器中の捻り二層物質系

3.7.4

二層の二次元物質を僅かにずれた角度で重ねると、単層の周期構造に比べて遥かに大きな超周期構造が現れる。こうした捻り二層物質系では、特定の角度
で電子の運動エネルギーが強く抑制されて強相関効
果が増大することが知られている。増木、蘆田は摂動論に基づき、hBN などのヘテロ接合系からなる

その他

磁気モノポールと異常ホール効果
非自明な磁気構造を持つ物質において、伝導電子が交換相互作用を受けることで、その構造を反映し60

3. 物性理論

3.7. 蘆田研究室

た様々な輸送現象が生じる。こうした物質の輸送特性の研究は、物質中の量子力学の理解のためだけでなく、ナノテクノロジーなどへの応用においても重要である。持田は東工大石塚研と共同研究を行い、ス
ピン軌道相互作用の下で伝導電子が磁気構造に散乱される過程を調べた。その結果、磁気モノポールや格子歪みのある磁性体において、異常ホール効果が生じることを明らかにした。本研究で発見された異常ホール効果は、磁気モノポールのような探索の難しい磁気構造の検出に応用できる可能性がある。以
上の成果は、国内会議での一般公演を通じて発表された [16]。

[10] J. Mochida and Y. Ashida, Variational approach for Kondo problem with Quantum LightMatter interaction, FoPM International Symposium, Tokyo, Feb. 6-8, 2023.
[11] Kazuki Yokomizo and Yuto Ashida, NonHermitian physics of levitated nanoparticle array,“Non-Equilibrium Physics in AMO Systems II” at
APS March meeting 2023, Las Vegas, Mar. 6-10,
2023.
招待講演

[12] Y. Ashida, Nonperturbative cavity/waveguidequantum electrodynamics and dissipative quantum
phase transition, Ultracold Atoms Japan 2022, Okinawa, Apr. 12-14, 2022.

＜報文＞(原著論文)[13] Y. Ashida, Nonperturbative cavity/waveguidequantum electrodynamics, APPC15, Korea (hybrid), Aug. 21-26, 2022.

[1] K. Yokomizo, T. Yoda, and S. Murakami, NonHermitian waves in a continuous periodic modeland application to photonic crystals, Physical Review Research 4, 023089 (May 2022).

[14] Y. Ashida, Nonperturbative renormalization group
approach to dissipative quantum phase transition,
Dynamics Days Asia Paciﬁc DDAP12, Korea (hybrid), Nov. 7-11, 2022.

[2] K. Sone, Y. Ashida and T. Sagawa, Topologicalsynchronization of coupled nonlinear oscillators,
Physical Review Research 4, 023211 (June 2022).

(国内会議)[3] Y. Ashida, T. Yokota, A. Imamoglu and E. Demler,
Nonperturbative Waveguide Quantum Electrodynamics, Physical Review Research 4, 023194 (June2022).

一般講演[15] 増木貫太, 蘆田祐人, 超強結合領域の共振器量子物質系における量子幾何, 日本物理学会 2022 年次秋季大会, 東京, 2022 年 9 月 12 日-15 日.

[4] K. Sone, Y. Ashida and T. Sagawa, Exceptional
Topological Surface Laser, Physical Review B 105,
235426 (June 2022).

[16] 持田隼, 石塚大晃, スピン軌道相互作用による磁気モノポールの skew 散乱と異常ホール効果, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 東京, 2022 年 9 月 12 日-15 日.

[5] K. Masuki, H. Sudo, M. Oshikawa, and Y. Ashida,
Absence versus Presence of Dissipative Quantum
Phase Transition in Josephson Junctions, PhysicalReview Letters 129, 087001 (Aug. 2022).

[17] 横溝和樹, 蘆田祐人, 浮揚ナノ粒子アレイの非エルミー
ト物理, 日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン,
2023 年 3 月 22 日-25 日.

[6] M. Tsukamoto, S. Ito, K. Ogawa, Y. Ashida,
K. Sasaki and K. Kobayashi, Machine-learningenhanced quantum sensors for accurate magnetic
ﬁeld imaging, Scientiﬁc Reports 12, 13942 (Sep.
2022).

招待講演[18] 蘆田祐人, 共振器量子光-物質系の物理, 日本物理学会
2023 年春季大会シンポジウム, オンライン, 2023 年
3 月 22 日-25 日.
(セミナー)[7] S. Baba, N. Yoshioka, Y. Ashida and T. Sagawa,
Deep reinforcement learning for preparation ofthermal and prethermal quantum states, PhysicalReview Applied 19, 014068 (Jan. 2023).

[19] Y. Ashida, Dissipative QPT and nonperturbative
QED, ISTA seminar, Vienna (hybrid), Sep. 15,
2022.

[8] T. Yokota, K. Masuki and Y. Ashida, Functional Renormalization Group Approach to Circuit
Quantum Electrodynamics, accepted for publication in Physical Review A.

[20] Y. Ashida, Nonperturbative cavity/waveguidequantum electrodynamics, ETH Zurich Condensed
Matter Seminar Series, Zurich, Sep. 23, 2022.
＜アウトリーチ＞＜学術講演＞(プレスリリース)(国際会議)[21] 小林研介, 蘆田祐人, 佐々木健人, 塚本萌太, ナノダイ
ヤモンド磁場イメージング - 量子計測×機械学習の新展開, 2022 年 9 月 1 日.

一般講演

[9] K. Masuki and Y. Ashida, Cavity Moiré Materials:
controlling correlated phases of matter with quantum light-matter couplings, FoPM International
Symposium, Tokyo, Feb. 6-8, 2023.

(雑誌寄稿)[22] 蘆田祐人, 理学部ニュース 1+1 から∞の理学「物の理を理解する」, 2022 年 11 月 21 日

61

互作用のメカニズムの解明を試みた。まず層内磁気相互作用については、Sb 添加量を増やすことで格子定数が縮むので MBST 層内の Mn-Mn 距離を小さくできる特長を活かして、キュリー温度の Sb 添加量依存性を調べた。その結果、Sb を添加して Mn-Mn 距
離を小さくするほどキュリー温度が上昇することが分かった。一方、ゲート電圧によってキャリア密度を変化させても磁気特性がほとんど変わらなかった
ことから、キャリアに依存せずに Mn 原子どうしの接近に伴い強磁性が安定化する層内磁気相互作用が働いていることを明らかにした。一方、層間磁気相互作用については、MBST /BST ヘテロ接合構造とMBST /BST /MBST サンドイッチ構造のキュリー
温度を比較することで、そのメカニズムを検証した。
その結果、後者のサンドイッチ構造のキュリー温度の方が前者より 3 倍以上に高いことが分かり、層間
磁気相互作用は強磁性的であることを明らかにした。
本結果は、MBST が 3 ユニット層以上の多層構造では層間磁気相互作用が反強磁性的であるという先行研究の結果と異なる。つまり、サンドイッチ構造のように 2 層の MBST が積層すると層間磁気相互作用が強磁性的に働き、3 層以上に層数を増やすと反強磁性の効果が大きくなることを示唆している。

4 物性実験

4.1

長谷川研究室

4 月から修士課程１年生として皆川遼太朗が新しくメンバーに加わった。9 月には Liu Shengpeng が博士課程を修了して中国に帰国して就職した。3 月には高城拓也が博士課程を修了してオーストリアに博士研究員として渡航した。
当研究室では、表面物性、特に「表面輸送」をキーワードにして実験的研究を行っている。おもに半導体や金属、トポロジカル絶縁体結晶表面上に形成される種々の表面超構造や原子層、多層膜 (超格子) 構
造、ヘテロ接合界面などを利用し、原子尺度の低次元電子系に固有な電子状態や電子輸送特性、スピン状態・スピン流を明らかにし、機能特性として利用することをめざしている。最近の主な話題は、トポロジカル (結晶) 絶縁体結晶の表面電子状態、超伝導グラフェン、ラシュバ超伝導、原子層超伝導、非相
反光電流などである。このようなナノマテリアルを様々な実験手法を用いて多角的に研究を行っている。
とくに、分子線エピタキシー（MBE）法によってナノマテリアルを作成し、試料を空気にさらすことな
く物性測定を超高真空中で「その場 in situ」で行うことが本研究室の実験手法の特徴であり、そのための新しい手法・装置の開発・改良も並行して行っている。以下に、本年度の成果を述べる。

4.1.1

トポロジカル結晶絶縁体 Pb1−x Snx Te を用いた多チャネル量子異常ホール効果の観測

表面/界面での輸送・磁性特性

真性強磁性トポロジカル絶縁体 Mn(Bi1−x Sbx )2 Te4
原子層薄膜における層内・層間磁気相互作用
真性強磁性トポロジカル絶縁体 Mn(Bi1−x Sbx )2 Te4（MBST）は、磁性元素 Mn 原子が規則的にシート状配列した結晶構造を持つ層状物質であり、Mn 原子どうしの磁気的相互作用が強いので量子異常ホール効果の観測温度向上が期待されている。本研究では、トポロ
ジカル絶縁体 (Bi1−x Sbx )2 Te4（BST）薄膜の片面にMBST を 1 ユニット層だけ接合させた MBST/BST
ヘテロ接合構造と、BST の両面にそれぞれ 1 ユニット層ずつ MBST を接合させた MBST/BST/MBST
サンドイッチ構造の原子層薄膜試料を作製し、それらの結晶構造や電気伝導特性、磁気特性を系統的に調べた。それによって、MBST の層内・層間磁気相

62

結晶の鏡映対称性に保護された表面状態を有する
トポロジカル結晶絶縁体 (TCI) は、第一ブリルアン
ゾーに複数のディラック錐を有する 新奇な物質である。 TCI である Pb1−x Snx Te (PST) に強磁性 を付与することにより、ディラック点にギャプが開き、その中にフェルミ準位を調整することにより、チャーン数の大きい量子異常ホール効果 (QAHE) が実現すると予測されている。フェルミ準位の位置やギャップの大きさは Pb/Sn 組成比を変化させることで調整可能あり、実際、物理パラメータ測定システム（PPMS）
装置による電気伝導測定を通してキャリアの種類や密度変化とおよその電荷中性点を求めた。本研究では、TCI の結晶性を損なわずに磁性を付与するため、
Z2 型トポロジカル絶縁体（TI）の量子異常ホール効果（QAHE）観測成功の事例に倣 い、PST 層に Cr 原子をデルタドープした (Bi0.5 Sb0.5 )2 Te3 層で上下から挟むサンドイッチ構造を採用している。RHEED
パターンからエピタキシャル結晶成長に成長功したことを確認した。今後、Pb/Sn 組成比や Cr のド ー
プ量、 膜厚など複数のパラメータを変化させた試料を作製し、電気伝導測定と検証を通じて多チャネル
量子異常ホー効果観測を目指す。

Si(111) 表面上の (Tl,Pb) 単原子層における円偏光
誘起非相反電流スピン分裂した電子系に円偏光を照射すると、波数空間上での電子分布に偏りが生じ、一方向に流れる電流が生成される（円偏光フォトガルバニック効果

4. 物性実験

4.1. 長谷川研究室

線ドーズレートを一定にしない場合は抵抗値にばらつきが認められ一方、ドーズレートを一定にすると抵抗値は安定し、探針間隔に依らない 2 次元伝導が観測された。これは SEM の電子線により STO の表
面ドナー準位からキャリアが励起され導電性が増大した可能性を示している。今後はより基板表面から酸素欠損した表面超構造でも同様の実験をし、電子線照射が電気伝導に与える影響を調べる。

(CPGE)）。従来の報告では ex situ 測定が多く、また光応答が極めて小さいことから、単原子層・表面超構
造物質における CPGE 観測はできないと考えられていた。本研究では巨大ラシュバ効果が報告されている Si 基板上の単原子層物質である (Tl,Pb)/Si(111)を作成し、超高真空中 in situ で円偏光の照射によって誘起された光電流を観測した。
√√ Tl と Pb の蒸着量を制御して表面超構造を 3 × 3 や√4 × 4√周期の単原子層合金を作って測定した結果、 3 × 3 の場合に非相反光電流が最大化することが明らかになった。
この非相反光電流の大小関係はラシュバパラメータのそれと定性的に一致しており、スピン分裂が大きいほどに CPGE が強く生じるという直観に合致する振る舞いが確認された。また物質表面１原子層では物質の誘電率は真空中と同様に振る舞うという示唆も得られた。

トポロジカル結晶絶縁体 SnTe 上での α-Sn 原子層の成長と超伝導多重マヨラナゼロモード（MZM) や非従来型超伝導を探索するため、２次元超伝導体（2DSC）/トポ
ロジカル結晶絶縁体（TCI）ヘテロ接合系を研究している。その一例として TCI である SnTe(111) 層上に α-Sn 原子層を成長させたヘテロ接合系を調べている。α-Sn 原子層が BKT 転移を示して約 4 K で超伝導に転移したので、この系は 2DSC/TCI であり、多重 MZM 探索に適していることがわかった。この系
を超伝導臨界温度 TC の 5 % までの超低温まで磁気伝導特性を調べた。面内臨界磁場がパウリ極限を超える非常に大きな値を示し、それはスピン軌道散乱
効果によって説明されると考えられる。面直臨界磁場の温度依存性が異常な振る舞いを示すこともわかり、それは、多バンド超伝導理論で説明できると考えられる。
、また、汎関数密度法による電子状態計算も行い、超伝導状態を示す試料ではいずれもバンド反転が起こっていることがわかった。さらに、α-Sn原子層の TC が下地の SnTe(111) 層の膜厚に依存することもわかり、その原因を追究するために現在光電子分光法でバンド構造の観測を行っている。

Si(111) 表面上の (Tl,Sn) ２原子層における円偏光
誘起非相反電流スピン軌道相互作用が強い物質では、バンドのス
ピン縮退が解けたり、スピンホール効果でアップス
ピンとダウンスピンが逆方向に流れるといった現象が見られる。こういった物質に円偏光を照射しスピン注入することでスピン流を簡便に発生させる試み
がなされている。本研究では√√ 2 原子層表面超構造物質である (Tl,Sn)/Si(111)- 3 × 3 を作成し、超高真空 in situ で円偏光を照射し非相反光電流を測定した。その結果、試料右端と左端で非相反光電流の符号が反転する光誘起逆スピンホール効果（PISHE）のような現象が観測され、上述の (Tl,Pb) の CPGE
ケースとは全く異なる振る舞いをみせた。さらにこれは、円偏光を斜め入射にすると増幅されることもわかり、面直スピンにより生じる PISHE の直観的な描像と反する振る舞いを見せた。この振る舞いはス
ピン軌道相互作用による歳差運動でスピンの面内−面直変換が生じている可能性があり、現在は他の物質で同様な振る舞いを見られないか探索しているところである。バンド分散の情報に加え、スピンの歳差運動からも原子層物質でのスピンの動きについて調査していく。

SiC 上の Yb インターカレートグラフェンにおける強磁性の発現d 電子や f 電子軌道を持つ金属原子をグラフェンに添加すると、金属原子とグラフェンの π-軌道との交換相互作用が生じ、強磁性が発現されることが理論的に示唆されていた。本研究室では 4f 電子軌道をもち常磁性バルク体である Yb を、グラフェン/SiC 上
蒸着しアニールしてインターカレートさせると、金属
原子修飾グラフェンにおいて最大 107 K に臨界温度を持つ強磁性を観測することに成功している。本研
究では、その強磁性の発現機構の解明のため、作製条
件を系統的変えた Yb インターカレートグラフェンを作製し、それらのホール・電気伝導測定を行った。
その結果、キャリア密度が低いほど強磁性転移温度が高くなるという、従来の 3 次元のキャリ媒介希薄
磁性半導体とは異なる傾向が観測され、Yb インター
カレートグラフェンが単純なキャリア媒介強磁性ではないことが示唆された。また、1.2 × 104 cm2 /Ω という高い電子移動度を持ちながらも、強磁性によりグラフェンのディラックコーンにバンドギャップが生じている可能性がある。今後はより詳細な電子状

SrTiO3 結晶表面の SEM 電子線照射下での電気伝導測定

SrTiO3 (STO) は、バンドギャップ 3.2 eV をもつ
透明酸化物絶縁体である。STO(001) 面は、熱処理により酸素欠損が生じて電子ドープされ、欠損量順√√√√に 13 × 13, 2×, 5 × 5 の表面超構造をとり、表面ドナー準位の存在も指摘されているが、表面の電気伝導伝導特性は不明であった。そこで本研究では、√√
non-doped STO(001) 基板表面において 13 × 13
表面超構造をバッファードフッ酸（BHF）エッチン
グとアニールに処理によって形成し、探針制御用走査電子顕微鏡 (SEM) を用いて超高真空中 in situ 4
探針電気伝導測定を行った。その結果、SEM の電子
63

4.1. 長谷川研究室

4. 物性実験

昨年度、成長温度や表面処理の工夫を行い、SrTiO3
基板上に世界記録的に平坦な SnTe 薄膜を MBE 法によって作る成長技術を開発したが、それに続いて、PbTe においても同様の手法で平坦薄膜を作製することができたことを反射高速電子回折によって確認した。このことから、SrTiO3 基板上への成長において、SnTe に限らずより広範に (Pb,Sn)Te に用いることができる手法であると考えられる。なお本結果を踏まえて、SnTe において昨年度出願していた国内特許に PbTe の製造法を加え、今年度国際特許出願を行った。

での鉛薄膜試料の超伝導ギャップの測定により、3.2
K において約 0.5 meV の分解能が実現していることが確認されている。分解能が制限されている主な要因は、振動によって安定したトンネル接合を維持す
ることが難しいことである。そこで、今後は内部除振機構の導入によってプローブ周辺の安定性を高め、トンネル分光測定の分解能を改善する。その上で同一の超伝導試料に対する in situ 電気伝導測定・トン
ネル分光測定を行い、おもに原子層超伝導体に対す
るでの多角的な測定を行っていく。さらに、トンネ
ル電流のショット雑音を測定すればトンネルする電子が通常の電子であるのかクーパー対を組んだものであるのか知ることができる。２次元超伝導体においては揺らぎの影響からクーパー対を組んでいるものの波動関数の位相コヒーレンスが壊れているためにゼロ抵抗にならない、ボーズ金属と呼ばれる量子金属相が実現しうると言われており、探針付近に低温で動作する高周波アンプを導入することでショッ
ト雑音の測定を可能にし、ボーズ金属の実験的証拠を得ることを目指していく。

テラヘルツ光を用いたサイクロトロン共鳴による Bi

超高真空中 in situ 偏光制御中赤外線照射装置の開発

態と磁気構造の解明とともに、量子異常ホール効果などの新奇物性の開拓を目指す。

4.1.2

表面・原子層ナノ構造の形成

室温 wetting layer 成長法による超平坦薄膜の成長

薄膜結晶の物性研究

電子のスピンを利用するスピントロニクスに光を用いる手法がある。円偏光はスピン角運動量を持つ
ため、円偏光の右/左回りに応じて物質中の電子をス
ピンの向きに応じて選択的に励起することができる
ので、円偏光を用いた手法は近年盛り上がりを見せている。本研究室では超高真空装置内で試料を作成し、situ 測定する手法を取っているが、光を真空装置内に注入する際にビューポートにより円偏光が僅かに歪んでしまう。そこで円偏光生成機構を、ビューポー
トを介さず真空装置へと接続するためのチャンバーと光学系を制作し既存のチャンバーに接続した。この設計により研究室に既存のレーザー波長 635 nm、1550 nm に加えて、2µm ∼9 µm と広い波長範囲での中赤外光に対応した円偏光が生成でき、様々な励
起エネルギーに応じた円偏光誘起電流が測定できると期待できる。この波長域は、トポロジカル絶縁体のバルクギャップやラシュバ効果の典型的なエネル
ギー分裂幅である 100 meV ∼ 300 meV をカバーしており、エネルギー分裂幅に対応した波長での高効率なスピン生成が期待できる。現在は組み立てと動作確認がほぼ完了した段階であり、2023 年度内には本装置が稼働し始める予定である。
今年度の研究は下記の研究費補助のもとで行われた。
・日本学術振興会 科研費 基盤研究 (A)「強いスピン
軌道相互作用物質表面でのエッジを利用した非相反伝導現象の研究」（代表 長谷川修司）
・日本学術振興会 科研費 基盤研究 (B)「トポロジカ
ル絶縁体・強磁性体接合の磁性機構解明と、高温量
子異常ホール効果への展開」（代表 秋山了太）
・日本学術振興会 科研費 挑戦的研究 (萌芽)「水素修飾で実現する高転移温度を持つ原子層超伝導体」（代
表 秋山了太）
・日本学術振興会 科研費 挑戦的研究 (萌芽)「グラ
フェンを用いたスピン圧検出プローブとそれを用いBi は、固体物理学の発展と常に共にあったほどに研究の歴史の古い物質であるが、今なお興味の尽きない物質である。Bi 薄膜は量子井戸現象を示すため、膜厚によりバンド構造が半金属-半導体転移することが報告されており、それぞれのバンド構造での輸送特性の違いなど詳細に解明すべき点がある。そこで、Si(111) 面に成長した Bi(111) 単結晶薄膜での強磁場・テラヘルツ光を用いたサイクロトロン共鳴により、各バンド構造でのキャリアの正確な有効質量や膜厚によるバンド構造の変化を明らかにする。分光実験では当該膜厚では初めて明瞭な吸収が観測され、磁場依存するエネルギーバンドの重なりを示唆する結果も得られた。現在はさらに膜厚を細かく振った試料を用意し、膜厚による価電子帯・伝導帯の重なりの変化を追っている。また、Bi は Sb ドープによりトポロジカル物質への転移やフェルミ面の調整が可能であるので、今後は Sb ドープ系での有効質量やキャリアの変化なども明らかにしていく。(物質・材料研究機構との共同研究)

4.1.3

新しい装置・手法の開発

超高真空中 in situ ４探針電気伝導・トンネル分光同時測定装置の開発
物質表面や薄膜の超伝導を調べるとき、電気伝導とトンネル分光を超高真空中で同一タイミング・同一試料で測定できると、より本質的な物理現象の理解につながる。そこで、本研究室で所有している超高真空 in situ ４端子電気伝導測定装置を改良し、トン
ネル分光測定機構を追加することによって同一試料上で両方の測定を行うことを可能にした。STM 探針

64

4. 物性実験

4.1. 長谷川研究室

たスピン実空間観察手法の開発」（代表 保原麗）
・日本学術振興会 科研費 挑戦的研究 (萌芽)「スピン輸送現象の実空間その場観察手法の開発研究課題」（代表 保原麗）[9] 遠山晴子、秋山了太、長谷川修司: カルシウムのイン
ターカレートにより誘起される特異なグラフェン超伝導, 固体物理 57(10),593-606 (Oct. 2022).
[10] 秋山了太, 高城拓也, 黒田眞司, 長谷川修司: ポロジカ
ル絶縁体と強磁性の協奏効果表面と真空 66(1), 28-33(Jan, 2023). (Editor s choice)＜受賞＞[1] 遠山晴子（2021 年度卒業生）：原子層 2 次元構造における超伝導の特性解明, 2022 年度日本表面真空学会
女性研究者賞（若手女性研究者優秀賞）2022 年 9 月
26 日.

(その他)
[11] 秋山了太、長谷川修司: Ca 原子を挿入したグラフェンで新規な超伝導への進化をとらえる, 理学部ニュー
ス 2022 年 7 月号 p.4 (Jul, 2022).

[2] 秋山了太：Growth of atomically ﬂat SnTe(001) thinﬁlms using the room temperature wetting layer
method and its electrical transport measurements,
2022 年度日本表面真空学会学術講演会 講演奨励賞（若手研究者部門）, 2023 年 1 月 25 日.

[12] 長谷川修司: IPhO2022 ベラルーシ大会の中止と代替
スイス大会の開催, JPhO News Letter 34, p. 8 (Jul,2022).
[13] 遠山晴子: 原子層二次元構造における超伝導の特性解
明（受賞者紹介）, 表面と真空 66(1), 60 (Jan, 2023).

[3] 秋山了太：高品質トポロジカル絶縁体薄膜の開発と次世代高速動作スピンデバイスへの応用（電気・電子）, 第 63 回（2022 年度）公益財団法人 UBE 学術振興
財団学術奨励賞, 2023 年 3 月 30 日.
＜報文＞[14] 長谷川修司（制作監修）: JST 研究倫理教育映像教材 『倫理の空白』(准教授編・若手学生編), 科学技術振興機構報研究公正ポータル, Youtube, 2022 年 5 月
11 日.

(原著論文)(学位論文)[4] R. Akiyama, R. Ishikawa, K. Akutsu-Suyama, R.
Nakanishi, Y. Tomohiro, K. Watanabe, K. Iida,
M. Mitome, S. Hasegawa, S. Kuroda: Direct probeof ferromagnetic proximity eﬀect at the interface
in SnTe/Fe heterostructure by polarized neutron
reﬂectometry, The Journal of Physical Chemistry
Letters 13, 8228-8235 (Aug, 2022).

[15] LIU Shengpeng: Growth and physical properties ofcuprous selenide thin ﬁlms (博士論文).
[16] 高城拓也: 真性強磁性トポロジカル絶縁体を用いた原子層薄膜の構造と磁気・電気特性に関する研究 (博士
論文).
[17] 清水翔太：SrTiO3 基板上 FeSe 薄膜の構造と電気伝導特性の評価（修士論文）.

[5] Y. Endo, M. Li, R. Akiyama, X. Yan, C. Brandl,
J. Z. Liu, R. Hobara, S. Hasegawa, W. Wan, K.
S. Novoselov and W.-X. Tang: Dynamic observation of topological domain walls motion driven by
Lithium intercalation in epitaxial graphene on SiC,
under review.

＜学術講演＞(国際会議)
招待講演[18] S. Hasegawa: Two-Dimensional Atomic-Layer
Materials, The 14th International Symposium on
Atomic Level Characterization for New Materials
and Devices 22 (ALC 22), Kankoku Shiryokan,
Okinawa (Japan), 2022 年 10 月 19 日.

[6] T. Kobayashi, Y. Toichi, K. Yaji, Y. Nakata, Y.
Yaoita, M. Iwaoka, M. Koga, Y. Zhang, J. Fujii,
S. Ono, Y. Sassa, Y. Yoshida, Y. Hasegawa, F.
Komori, S. Shin, S. Ichinokura, R. Akiyama, S.
Hasegawa, T. Shishidou, M. Weinert, K. Sakamoo:
Revealing the hidden spin-polarized bands in a superconducting Tl bilayer crystal, under review.

[19] S. Hasegawa: Two-Dimensional Atomic-Layer
Materials, The Sixth Asian School-Conference on
Physics and Technology of Nanostructured Materials (ASCO-NANOMAT 2022), Vladivostok (online), 2022 年 4 月 25 日.

(特許)[7] 秋山了太：岩塩型構造を持つ化合物の単結晶薄膜及びその製造方法, 国際特願 PCT/JP2023/7032, 出願日
2023 年 2 月 27 日.

一般講演[20] S. Sato, R. Hobara, R. Akiyama, K. Watanabe,
S. Hasegawa: Development of the Simultaneous
Measurement System of Four-Point-Probe Electrical Transport and Tunneling Spectroscopy, The 2nd
International Symposium on Trans-Scale Quantum Science (TSQS2022)，The University of Tokyo,
2022 年 11 月 10 日.

(国内雑誌)[8] 高城拓也, 秋山了太, I. A. Kibirev, A. V. Matetskiy,
中西亮介, 佐藤瞬亮, 深澤拓朗, 佐々木泰祐, 遠山晴子,
樋渡功太, A. V. Zotov, A. A. Saranin, 平原徹, 長谷
川修司：自己形成型強磁性原子層を持つトポロジカル
絶縁体によるサンドイッチ構造での軟磁性的スキルミ
オンの電気的観測, 表面と真空 65(9), 405-410 (Sep,2022).( Editor s Choice)65

4.1. 長谷川研究室

4. 物性実験

IUVSTA workshop and The 4th Asia-Paciﬁc Symposium on Solid Surfaces, 沖縄科学技術大学院大学（沖縄）, 2022 年 9 月 19 日

[21] R. Akiyama, S. Kaneta-Takada, S. Ohya, S.
Shimizu, H. Horiuchi, T. Takashiro, S. Hasegawa,
Growth of atomically ﬂat topological crystalline
insulator SnTe(001) thin ﬁlms using the room
temperature wetting layer method and its electrical transport measurements, The 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science (TSQS2022), The University of Tokyo, 2022
年 11 月 9 日.

(国内会議)
招待講演[29] 高城拓也, 真性強磁性トポロジカル絶縁体を含む原子層サンドイッチ構造におけるスキルミオンの電気的観測, 量子物理学・ナノサイエンス第 85 回特別セミ
ナー, 東京工業大学, 2023 年 3 月 10 日.

[22] T. Takashiro, R. Akiyama, I. A. Kibirev, A. V.
Matetskiy, R. Nakanishi, S. Sato, T. Fukasawa, T.
Sasaki, H. Toyama, K. L. Hiwatari, A. V. Zotov,
A. A. Saranin, T. Hirahara, S. Hasegawa：Softmagnetic skyrmions induced by surface-state coupling in a sandwich structure with an intrinsic ferromagnetic topological insulator, The 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science (TSQS2022), The University of Tokyo, 2022
年 11 月 8 日.

[30] 長谷川修司: 物質を解明して役立てる物理学 ―日本人研究者たちの寄与―, 国際純粋・応用物理学連合 100
周年記念オンライン講演会 『日本の物理学研究 ―過去・現在・未来―』, 2022 年 10 月 1 日.
[31] 長谷川 修司: 薄膜・表面物理のための磁性・スピン
トロ二クス入門, 応用物理学会薄膜・表面物理分科会
第 50 回 薄膜・表面物理セミナー 『二次元磁性体研究の最前線』, ハイブリッド/東京理科大森戸記念館, 2022 年 7 月 22 日 (金).

[23] I. Taniuchi, R. Akiyama, R. Hobara, S. Hasegawa:
Circular photogalvanic eﬀect in surface superstructures on Si(111) with huge Rashba-splittings, The
2nd international symposium on trans-scale quantum science (TSQS2022), The University of Tokyo,
2022 年 11 月 8 日.

一般講演[32] 清水翔太、保原麗、秋山了太、堀内皓斗、金田真悟、
大矢忍、長谷川修司: 探針制御用走査電子顕微鏡を備えた in situ 4 探針電気伝導測定装置による SrTiO3
表面上の原子層構造の測定, 第 14 回低温科学研究センター研究交流会, 理学部 1 号館中央棟 2 階小柴ホール, 2023 年 2 月 16 日.

[24] . Guo, R. Akiyama, T. Konoike, Y. Hattori,
T. Takashiro, R. Hobara, T. Terashima, S. Uji,
S. Hasegawa: Two-dimensional superconductivity
in α-Sn/SnTe(111) heterostructure. The 22nd International Vacuum Congress (IVC-22), Sapporo
Convention Center, 2022 年 9 月 12 日.

[33] 高城拓也，秋山了太，長谷川修司, 自己形成型真性ト
ポロジカル強磁性体 Mn(Bi1−x Sbx )2 Te4 における面間・面内磁気相互作用の Sb/Bi 比率依存性, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 東京工業大学, 2022 年 9 月
14 日.

[25] I. Taniuchi, R. Akiyama, R. Hobara, S. Hasegawa:
Circular photogalvanic eﬀect at surface superstructures on Si(111) with huge Rashba-splittings, The
22nd International Vacuum Congress (IVC-22),
Sapporo Convention Center, 2022 年 9 月 12 日.

[34] 川村康文, 五十嵐美樹, 石川真理代, 市原光太郎, 一宮
彪彦, 海老崎功, 右近修治, 大嶋孝吉, 大塚洋一, 岸澤
眞一, 毛塚博史, 小池洋二, 小牧研一郎, 近藤泰洋, 櫻井一充, 佐々田博之, 柴崎幸貴, 真梶克彦, 末元徹, 鈴
木功, 武士敬一, 西野友年, 長谷川修司, 林壮一, 松本
益明, 松本悠, 三木一司, 水谷紫苑, 味野道信, 山崎詩郎, 吉村勇治: 物理チャレンジ 2022 報告 III- - 実験問題部会, 日本物理学会秋季大会, 東京工業大学, 2022
年 9 月 13 日.

[26] R. Akiyama, S. Kaneta-Takada, S. Ohya, S.
Shimizu, H. Horiuchi, T. Takashiro, S. Hasegawa,
Growth of atomically ﬂat SnTe(001) thin ﬁlms using the room temperature wetting layer method andits electrical transport measurements,The 22nd International Vacuum Congress (IVC-22), Sapporo
Convention Center, 2022 年 9 月 14 日.( 2022 年度
日本表面真空学会 学術講演会 講演奨励賞（若手研究者部門）)[35] 東辻浩夫, 栗原進, 吉岡大二郎, 上杉智子, 大原仁, 岡部豊, 興治文子, 金子朋史, 杉山忠男, 田中忠芳, 中西
秀, 鈴木功, 佐藤誠, 安藤靜敏, 毛塚博史, 近藤泰洋,
佐藤杉弥, 真梶克彦, 末元徹, 中屋敷勉, 並木雅俊, 長
谷川修司, 松本益明, 光岡薫, 吉見光祐: 第 22 回アジア物理オリンピック 2022(インド, オンライン) 報告, 日本物理学会秋季大会, 東京工業大学, 2022 年 9 月
13 日.

[27] S. Sato, R. Hobara, R. Akiyama, K. Watanabe,
S. Hasegawa： Development of the simultaneous
measurement system of four-point-probe electricaltransport and tunneling spectroscopy，The 22nd International Vacuum Congress (IVC-22)，Sapporo
Convention Center, 2022 年 9 月 14 日.

[36] 東辻浩夫, 栗原進, 吉岡大二郎, 上杉智子, 大原仁, 岡部豊, 興治文子, 金子朋史, 杉山忠男, 田中忠芳, 中西
秀, 鈴木功, 佐藤誠, 安藤靜敏, 毛塚博史, 近藤泰洋, 佐藤杉弥, 真梶克彦, 末元徹, 中屋敷勉, 並木雅俊, 長谷
川修司, 松本益明, 光岡薫: 第 52 回国際物理オリン
ピック 2022(スイス, オンライン) 報告, 日本物理学会
秋季大会, 東京工業大学, 2022 年 9 月 13 日.

[28] T. Takashiro, R. Akiyama, I. A. Kibirev, A. V.
Matetskiy, R. Nakanishi, S. Sato, T. Fukasawa,
T. Sasaki, H. Toyama, K. L. Hiwatari, A. V. Zotov, A. A. Saranin, T. Hirahara, S. Hasegawa：
Soft-magnetic skyrmions induced by surface-state
coupling in a sandwich structure with an intrinsic ferromagnetic topological insulator, The 92nd66

4. 物性実験

4.2. 岡本 研究室(セミナー)[37]

長谷川 修司: トポロジカル物質とは何か ―表面物理学の観点から―, 東京大学生産技術研究所福谷研究室セミナー, 2022 年 11 月 30 日.

[38]

長谷川修司: 20 世紀が半導体の世紀なら、21 世紀
はトポロジカル物質の世紀である, シュレディンガーの水曜日（WirelessWire News）(オンライン), 2022
年 7 月 6 日.

4.2.1

劈開表面に形成された２次元電子系

量子ホール効果などの２次元系における重要な輸送現象は、主としてデバイス中に閉じ込められた界面
２次元系に対して行われてきた。一方、InAs や InSbの清浄表面に金属原子などを堆積させることにより表面に形成される２次元電子系は、表面に堆積させる物質の自由度や走査型プローブ顕微鏡との相性の良さなどから非常に大きな可能性を持つ。我々のグループでは、ｐ型 InAs および InSb を超高真空中で劈開して得られた清浄表面に金属を付着させて誘起した２次元電子系に対する面内電気伝導の測定手法を確立し、整数量子ホール効果などの現象の観測に成功している。

(講義等)[39] 長谷川修司: 初年次ゼミナール「歴史を変えた (る)物理」（学部１年生）, 2022 年度夏学期（駒場）.
[40] 長谷川修司, 秋山了太, 佐藤瞬亮 (TA), 谷内息吹 (TA),
皆川遼太郎 (TA)：物理学実験 II（学部３年生）電子回折, 2022 年度冬学期（本郷）.

半導体劈開表面に形成された２次元電子系を用いた(アウトリーチ)

新奇な磁性不純物効果の探索[41] 研究室総出: 東大の研究室をのぞいてみよう ―物性物理学、とくに表面物理学の紹介と実験室見学―, 理
学部１号館, 2023 年 3 月 27 日.

我々の研究室では吸着原子が誘起する表面２次元
電子系に対して、走査トンネル分光顕微鏡 (STM/S)
による観測と電気伝導測定を同時に行える装置を用いて、微視的・巨視的な側面から量子ホール効果の研究を行ってきた。最近は、吸着原子に磁性体を用いて、スピンに絡む新奇な物理現象の探索を行っている。磁性不純物を吸着させる半導体表面に高電子移動度をもつ２次元電子系を作成しているため、STM/Sを用いた測定からスピンの情報を含んだトンネル電流を観測することが可能であると考えている。これまで Fe や Co などを用いた２次元電子系の作成に成功し、STM/S による磁性不純物の空間分布の観測に成功している。今後、局在スピン（磁性不純物）と伝導電子、局在スピン間の交換相互作用をトンネル分光法により実空間で精密に測定することにより、新
奇な磁気的物理現象の観測を目指す。

[42] 長谷川修司: プレチャレンジ：実験レポートの書き方と大気圧測定実験, 物理オリンピック日本委員会プレチャレンジ, 栃木県立大田原高等学校 (栃木）, 2022
年 3 月 21 日.
[43] 長谷川修司: 物理チャレンジ対策講座（女子プレチャ
レンジ）：実験レポートの書き方と LED 特性の測定
実験, 物理オリンピック日本委員会プレチャレンジ,栃木県立宇都宮女子高等学校 (栃木）, 2022 年 1 月
28 日.
[44] 長谷川修司: サイエンス講演会：発光ダイオードの実
験で光の性質を探ろう, 物理オリンピック日本委員会
プレチャレンジ, 岡山県立岡山操山高等学校 (岡山）,2023 年 2 月 3 日.
[45] 研究室総出: La Trobe 大学＋国立シンガポール大学
学部生の研究室見学, 理学部１号館, 2023 年 2 月 1 日.

4.2.2

[46] 研究室総出: 茨城県緑岡高等学校 SSH 事業大学研究室訪問, 理学部１号館, 2022 年 10 月 26 日.

近年、我々のグループでは、GaAs 絶縁基板の劈開
表面上に形成された金属超薄膜に対する研究を行っている。劈開表面の平坦さを反映して、Pb および Inに対して単原子層領域での超伝導が観測されている。
絶縁体基板上に形成された単原子層膜は、完全な２次元系というだけではなく、空間反転対称性が破れているという点からも魅力がある系だと考えている。
これまでの Pb 単原子層膜に対する研究において、２次元面に対して平行に磁場をかけた場合には、Pauli
限界磁場を大きく上回る磁場に対しても超伝導転移温度がほとんど変化しないことが明らかになっている。

[47] 長谷川修司: 鳥取県立米子東高等学校「科学を創造する人財育成事業」科学実験, 鳥取県立米子東高等学校(鳥取）, 2022 年 10 月 15 日.
[48] 長谷川修司: 栃木県高等学校教育研究会理科部会物理分科会夏季研修会, 栃木県立宇都宮高等学校 (栃木）,2022 年 9 月 25 日.
[49] 研究室総出: 茨城県立土浦第一高等学校 模擬授業と研究室見学, 理学部１号館, 2022 年 8 月 1 日.

4.2

金属超薄膜の超伝導

岡本 研究室面内磁場印加可能な極低温走査トンネル顕微鏡の開発

本研究室では、低次元電子系等における新奇な物
理現象の探索と解明を行っている。3 He-4 He 希釈冷凍機を用いた 20 mK までの極低温および 15 T までの強磁場環境において、さまざまな独自技術により新しい自由度を持たせた研究を行っている。

半導体表面に形成された単原子層超伝導体は半導体基板と真空に挟まれているため、２次元面に対して垂直方向にポテンシャル勾配が生じ、空間反転対67

4.2. 岡本 研究室

4. 物性実験

限の運動量をもったクーパー対が実現する可能性がある。我々は、この FFLO 状態に類する超伝導状態の実空間での直接観測を目指している。現在、ヘリウム３冷凍機温度で動作する面内磁場印加可能な走査トンネル顕微鏡の開発を行っている。

(a)GaAs 劈開表面上に形成された超伝導薄膜における
5 nm

(b) x

y
z

1.2

STM tip

ρxx (kΩ)ρxx

12electrode(current)

1.0

10

i=4

0.8

8

i=5
0.6

空間反転対称性と時間反転対称性が破れた系では
電流−電圧特性が電流の向きに依存する非相反伝導が期待される。通常、この効果は比較的小さな補正項であるが、超伝導物質を用いた場合、非常に大きな
非相反伝導が観測されることが知られている。また、
この効果は超伝導整流デバイスなどへの応用面からも注目されている。我々は近年研究してきた GaAs
劈開表面上に作成された超伝導薄膜において、垂直（面直）磁場下および平行（面内）磁場下で非相反伝導が生じるか検証を行った。
垂直磁場下での研究

146electrode(voltage)

RH (kΩ)

1.4

非相反伝導に関する研究

40.4

超伝導薄膜に垂直磁場を印加した場合には渦糸（ボルテックス）の運動により非相反伝導が生じる可能性がある。本研究では超伝導薄膜を作成する GaAs 基
板のエッジに非対称な構造を作成して空間反転対称性を破った。鉛とアルミの超薄膜 (0.3 − 2 nm 程度)
に対して垂直磁場下で電気伝導測定を行うと、第二高調波から得られる電気抵抗が垂直磁場の正負に対して反対称になることがわかった。さらに、この電気抵抗は超薄膜の超伝導転移温度以下で観測されることがわかった。このことから、GaAs 劈開表面上に作成された超薄膜においても超伝導により増強された非相反伝導が生じている可能性が高いと考えられる。現時点においては、試料端より渦糸が侵入する
際、試料端の形状により異なるポテンシャルエネル
ギーを感じるため、侵入方向に依存したボルテックスラチェット効果による非相反伝導が生じていると考えている。さらに今年度はこの整流効果の実用性を調べるために、超伝導薄膜に流す電流の値を変化せて測定を行った。その結果、1 µA 程度までの電流を整流できていることがわかった。超伝導ダイオー
ドなどの実用面を考えるとまだ十分な値とは言えな
いが、今後、空間反転対称性を破る構造の工夫や超伝導物質の改良により大きな整流効果をもつデバイスの開発を目指す予定である。
平行磁場下での研究

RH
2

0.2

T = 4.2 K
0

0
2

0

4

8

6

10

12

14

B (T)
B=9T
T = 4.2 K

LL0

dI/dV (a. u.)

(c)

LL1

LL0 (2nd)

EF

-50

0

50

100

V (mV)

図 4.2.1: (a) InSb 劈開表面に鉄を 0.01 ML つけた場
合の STM 像（20 × 20 nm2 ）。黒い輪郭を持った丸が Fe であり、明るい縞模様が Sb の格子である。(b)4.2 K における縦抵抗率とホール抵抗の磁場依存性。
明瞭な整数量子ホール効果が観測されている。(c) 走査トンネル分光の測定例。微分コンダクタンスから

半導体基板の表面に作成された超伝導薄膜は半導体基板と真空に挟まれているため、鉛直方向に空間
反転対称性が破れている。さらに、鉛などの重い原子を用いた場合、強いスピン軌道相互作用により大きなラッシュバ効果が期待される。このような試料に対して電流の方向に直交するように平行磁場を印加した場合、電流の方向若しくは磁場の方向に依存した非相反伝導が期待される。今年度は、鉛単体、鉛とビスマスとインジウムの積層構造をもつ超薄膜に対して測定を行った。現時点においては超伝導臨界電流値における非相反効果は現れていない。今度、イ
オン液体などを用いて強い電場勾配をかける手法を２次元電子系の状態密度を調べることができる。ここでは、スピン分裂したランダウ準位が観測されている。
称性が破れている。さらに、Pb などの重い原子を用いた場合、強いスピン軌道相互作用により大きな
Rashba 効果が生じ、スピン方向に依存してフェルミ面が分裂した系が実現すると考えられている。このような系において、強い面内磁場を印加した場合、有68

4. 物性実験

4.2. 岡本 研究室

用いて非相反効果の実現とその検出を目指す予定である。

Fe

Pb 超薄膜に磁性体を吸着あるいは混入させると超伝導転移温 Tc は減少する。近藤温度 TK が Tc よりも十分に低い場合には、磁性不純物は自由磁気モーメ
ントとして振る舞い、磁気散乱によって超伝導を破壊する。例えば、磁性不純物として Ce を用いた庭田らの実験では、磁気散乱が強磁場中で抑制されることによる磁場誘起超伝導が観測されている（PRL2017）。
一方、TK ≫ Tc の場合には、近藤一重項が形成され磁性体の磁気モーメントは消失し、クーパー対を形成する電子間の実効的な斥力が対破壊の原因となると考えられている。
図 4.2.2(a) に、Ag でコートした Pb 超薄膜に Feを段階的に蒸着した場合の結果を示す。この例のように Tc は磁性不純物の蒸着量に対して直線的に減少
するが、その傾きは磁性不純物の種類や Au や Ag のコーティングによって大きく変わることが明らかになった。図 4.2.2(b) に、理論式と比較するために無次元化した傾きの大きさを示す。TK ≫ Tc の領域に対する理論によれば、傾きの大きさはおおむね TK に反比例する。磁性不純物を Pb 超薄膜に直接堆積させた場合には、傾きの大きさが磁性原子のスピンの大きさ S に対して急激に増大するが、これは Hund
結合によって近藤一重項の形成が抑制されて TK が小さくなった結果として理解できる。貴金属などをホストとしたバルクの希薄磁性合金でも同様の S 依
存性が知られている。
また、Pb 超薄膜の表面を 1.5 原子層程度の Au ま
たは Ag で覆った後に Co または Fe を蒸着すると、直接蒸着した場合よりも Tc の減少の傾きが大きくなる。一見意外な結果に思えるが、磁性体に隣接する
原子が Pb よりも価数が小さな金属に置き換わったことにより TK が低くなった結果として理解することができる。Mn 蒸着の場合は、Ag をコートすることによって傾きが小さくなったが、TK が小さくなって自由磁気モーメント領域（TK ≪ Tc ）に入ったと考えられる。Tc の磁性不純物の蒸着量に対する減少率が、自由磁気モーメント領域から近藤領域に移り変わる TK ∼ Tc においてピークをもつことは理論的に予想されていたが、これまで物質を系統的に変えて測定を行った例はない。今後、平行磁場に対する応答を調べることにより、Ag 上の Mn が自由磁気モーメント領域にあることを検証する予定である。

4.2.3

ᗘ (K)

Pb 超薄膜の超伝導と表面磁性体の近藤効果

4

㉸ఏᑟ㌿⛣

Ag(0.37 nm)

3

Pb(0.84 nm)㻳㼍㻭㼟ᇶᯈ

(a)

2
0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

Fe䛾㠃ᐦᗘ (nm-2)つ᱁໬䛥䜜䛯Tc䛾ῶᑡ⋡

Ni
10

Co

Fe

Mn

(b)

1

bare Pb
Au coated
Ag coated

0.1

0.01
1

3/2

2

5/2

୙⣧≀䛾䝇䝢䞁

図 4.2.2: (a) Pb 超薄膜の表面を Ag でコートした後に Fe を堆積させた場合の超伝導転移温度 Tc の変化。

(b) 磁性不純物量に対する Tc の減少率を 3d 磁性金属のスピンの大きさに対してプロットした。黒は Pbに磁性体を直接乗せた場合、赤と青は Pb 超薄膜表面を 1-2 原子層の Au または Ag でコートした後に磁性体を乗せた場合の結果である。
大きく減少する。金属的なアモルファス状態から、半金属的な状態に構造相転移した後、熱処理効果によって移動度が上昇した結果として理解できる。近年、トポロジカル物性の観点などから、Bi 超薄膜の研究が盛んに行われているが、GaAs(110) 上においても結晶性の高い超薄膜が形成されたと考えている。
再冷却後の超薄膜に対して垂直方向に最大 9T 磁場を印加すると、大きな正の磁気抵抗効果が観測された。平行磁場依存性が小さかったことと、磁性元素が含まれていないことから、電子の軌道運動に対する磁場の影響以外の原因は考えにくい。一方で、電子の軌道運動に対する磁場の影響が大きい場合には、
大きな Hall 効果が期待されるが、意外なことに縦抵抗の 1 ％以下であった。ローレンツ力が電子と正孔

ビスマス超薄膜の電気伝導

GaAs 劈開表面に形成されたビスマスの超薄膜に対する研究を行った。急冷蒸着法で作製した Bi 超
薄膜は、数ケルビンの超伝導転移温度をもつアモルファス状態であるが、極低温から昇温させていくと、数 10 ケルビンで電気抵抗が不連続に数倍に増大し、さらに室温近くまで昇温すると、抵抗は不可逆的に69

4.3. 島野研究室

4. 物性実験

で逆方向になるため、Hall 抵抗が打ち消しあっていることが考えられるが、バルクのビスマスに対する解析でしばしば用いられる２キャリアモデルで今回の結果を説明するためには、電子と正孔が、キャリア密度だけでなく、移動度についてもほぼ等しいことを仮定する必要がある。実際、バルクの半金属ビス
マスでは、電子と正孔の有効質量が異なるため、小さくない Hall 抵抗が観測される。
我々の実験結果とよく似た、大きな正の磁気抵抗と小さな Hall 抵抗は、電子正孔対称性をもつグラフェンの系において報告されている。Dirac 点近傍のグラフェンの磁場中電気伝導の解析にしばしば用いられるパドル・モデルを用いた解析を行ったところ、実験結果を良く再現することができた。我々の Bi 超薄膜においても、Dirac 状態が形成されていることが期待される。
我々と同様に GaAs(110) 上で急冷蒸着した後に室温での熱処理を行った Bi 超薄膜が、擬立方晶 (110) 配
向をもつことが STM を用いた先行研究によって明らかにされている。我々は、擬立方晶 (110) bilayer に対して tight-binding 近似を用いたバンド計算を行った。その結果、適当にパラメーターを選んだ場合において、フェルミエネルギーの位置で Dirac cone が形成されることが示された。

4.3.1

銅酸化物高温超伝導体の光誘起超伝導
銅酸化物高温超伝導体では電荷、スピン、格子の自由度が複雑に絡み合っており、超伝導の他にも電荷密度波やスピン密度波といった秩序相が現れる。
特にランタン系銅酸化物に見られる電荷・スピンのストライプ秩序は 3 次元的なバルク超伝導と競合する秩序として知られている。一方、ストライプ秩序
相においても 2 次元的な超伝導が発達していることが示唆されており、ストライプ秩序と超伝導との関係を明らかにすることは銅酸化物における高温超伝導発現機構を理解するうえでも重要である。近年では、超伝導転移温度以上のストライプ相に強い光パ
ルスを照射すると、超伝導が発現することを示唆する研究が報告され、「光誘起超伝導」現象として関心を集めている。我々はこのストライプ秩序と超伝導との関係を解明することを目的として、ストライプ
系超伝導体の代表ともいえる La1.6−x Nd0.4 Srx CuO4
(LNSCO) を対象に、光誘起超伝導現象の検証を進めている。
昨年度までの研究により、正孔ドープ濃度 x = 0.12の LNSCO において超伝導転移温度以上で、光誘起超伝導の一つの証拠となるジョセフソンプラズマ共鳴を示唆する振る舞いが光励起後に c 軸テラヘルツ
帯反射率スペクトルに現れることを確認していたが、本年度はその詳細な検証を行った。まず、光励起状
態の緩和時間（典型的に 2 ps 程度）よりも長いパル
ス幅をもつ近赤外光を用意し、それを励起光として用いた場合の応答を調べたところ、光励起状態がパル
ス幅に応じて長寿命化し、励起パルスの包絡線に応じてプラズマ周波数が変化する振る舞いが観測された。
この結果は、ストライプ秩序を励起光で破壊し続けることで、抑制されていた超伝導が持続的に回復するという描像で解釈できる。また、ストライプ秩序が飽和的に破壊された状態で生じるプラズマ周波数が、励起光のパルス幅によらず 4 meV という同一の値に漸近する様子が観測された。この値は、静的なストライプ秩序を示さない Nd 置換のない超伝導体
La2−x Srx CuO4 (LSCO) の同じ正孔ドープ濃度において、平衡状態の超伝導相で観測されるジョセフソ
ンプラズマ周波数とほぼ一致する。これは、LNSCO
における光誘起状態が超伝導であることを強く示唆する。図 4.3.3 に示すように、この光誘起超伝導を示
唆する応答は電荷ストライプが発達する温度（67 K）
まで明瞭に観測され、ストライプ秩序と超伝導発現が密接に関連することを示している。続いて、スト
ライプ秩序が最も発達する x = 0.12 から正孔ドー
プ濃度を減らした x = 0.10 の試料での実験を行った。その結果、光誘起プラズマ周波数は x = 0.12 の試料よりも低エネルギー側にシフトし、2 meV の位置に現れた。静的ストライプのない LSCO の平衡超伝導相では正孔ドープ濃度の減少に伴ってジョセフ
ソンプラズマ周波数が低下することが知られており、
LNSCO の光励起状態も同様の傾向に従うことが確かめられた。
以上の結果は、ストライプ秩序と超伝導発現が密接に関連すること、ストライプ秩序を光で破壊する＜報文＞(原著論文)[1] N. Ito, R. Masutomi, T. Okamoto: Cancellation ofelectron and hole contributions to the Hall eﬀect
in ultrathin Bi ﬁlms grown on GaAs(110), Phys.
Rev. B 105, 205434 (2022).
＜学術講演＞(国際会議)
一般講演[2] R. Masutomi, T. Okamoto: Observation ofcrossover from a complex stripe phase to a helical phase in multilayer ﬁlms, Tsinghua Univ andThe Univ of Tokyo The 7th Joint Workshop on
Trans-scale Materials Science (Physics and Materials) (口頭発表), (online connection between Tokyo
and Beijing), December 13, 2022.

4.3

超伝導体

島野研究室

島野研究室では、レーザー光を用いて固体中の電子の集団に創発する量子現象の探求、新たな素励起（粒子）の探索、未知の量子相の探求に取り組んでいる。光を用いた固体中のマクロな量子状態の操作、光によるマクロ量子状態の創発を目標として、可視光からテラヘルツ波と呼ばれる波長 0.3 mm 程度の電磁波パルス領域にわたる広いエネルギー範囲の先端
光源開発、非線形レーザー分光法、超高速分光法などの観測技術の開発を並行して進めている。本年度は、以下に挙げる研究を進めた。

70

4. 物性実験

4.3. 島野研究室

明確な BS モードの証拠を捉えるために、周波数依存性などの系統的な測定を進めている。

ことで光誘起超伝導が現れることを強く裏付けるものである。現在、ストライプ形成と超伝導の相関についてより深い理解を得ることを目指しさらに系統的な測定を続けている。

Surface reflectivity

ヒッグスモードの量子干渉測定

La1.6-xNd0.4SrxCuO4 (x = 0.12)0.8超伝導体においては、超伝導転移に伴って超伝導秩
序変数の振幅揺らぎに相当するヒッグスモードと呼ばれる集団励起モードが現れる。これまでに我々は特に従来型 s 波超伝導体において 2 つの方法でヒッグ
スモードの観測に成功してきた。1 つは高強度 THz
波パルスの照射による超伝導の超高速クエンチを利用したものであり、この非断熱的クエンチによってヒッグスモードの自由振動が誘起される。もう 1 つは超伝導体に狭帯域マルチサイクル THz 波パルスを照射したときに、入射 THz 波の 3 倍の周波数を持つ
THz 波が放射される、THz 第 3 高調波発生 (THG)と呼ばれる現象である。これは THz 波とヒッグス
モードの非線形結合の結果, 超伝導秩序変数が THz
波の周波数の 2 倍の周波数で振動することに由来する。本研究では、ヒッグスモードのコヒーレント制
御を通じた超伝導秩序変数のコヒーレント増幅を試みた。測定には s 波金属超伝導体 NbN 薄膜試料 (Tc= 15 K、2∆ = 5 meV (= 1.3 THz)) を用い、これに高強度・広帯域の THz 励起パルスと、それに直交す
る偏光をもつ高強度・狭帯域の THz プローブパルス(中心周波数 ω/2 π = 0.5 THz) を時間差 (遅延時
間 tpp ) をつけて照射した。試料から透過してくるプ
ローブ THz 波にはヒッグスモードの振幅を反映した
THG 信号が含まれているが、tpp を変えながら THG
信号の大きさ ITH を測定したところ、ITH が tpp に対して振動すること、その振動の周波数はプローブ
THz 波の周波数の 2 倍である 1.0 THz であることが明らかになった。THG 信号の振動は 2 つの異なる過程によって励起されたヒッグスモード振動 (励起パルスが誘起する自由振動とプローブパルスによる強制振動) が、両者の時間差によって強め合ったり弱め合ったりする、ヒッグスモードの量子干渉効果として解釈が可能であり、フェルミオン凝縮系の物質波の増幅現象とみなすことができる。現在その詳細なメカニズムや超伝導準粒子に由来する非線形過程の影響などについて考察を進めている。

tpp = 1.0 ps
10 K
30 K
50 K
70 K

0.6

0.4

0.2

0

2
4
6
8
Photon energy (meV)10

図 4.3.3: （左）近赤外励起-THz プローブ分光の実
験セットアップ。（右）近赤外光パルス励起から 1.0

ps 後のテラヘルツ帯 c 軸反射スペクトルの温度依存性。灰色の実線は光励起前の平衡状態での反射スペ
クトルを表す。超伝導転移温度は 3.2 K。超伝導転移温度よりはるか高温、電荷ストライプのオンセッ
ト温度（67 K）まで、超伝導に由来するジョセフソ
ンプラズマ共鳴と解釈されるスペクトル構造が現れる。

集団励起モードの観測による鉄系超伝導体のペアリ
ング対称性の研究
鉄系超伝導体 FeSe は強く異方的な 2 回回転対称性を有する超伝導ギャップを持つことがトンネル分光法や角度分解光電子分光法などの手法によって示されているが、その起源については未だ明らかになっていない。FeSe における異方的なギャップ構造がどのような対称性のペアリング相互作用に起因しているかは鉄系超伝導体の超伝導発現機構とも密接に関係しており、多くの議論がなされている。
さて、ペアリング相互作用が複数の対称性成分を持つ場合、ギャップ関数の副次的な対称性成分の揺らぎに対応する集団励起モードである Bardasis-Schrieﬀer
モード (BS モード) が発現する。このため、FeSe における BS モードの存在を実験的に示すことによって超伝導のペアリング相互作用に関する知見が得られると期待される。特に、最近理論的に提唱された BS
モードに起因する THz 第三高調波発生（THz-THG）に着目し、FeSe の BS モードの観測を試みた。
THz-THG の温度依存性を測定したところ、超伝導転移温度以下で発生効率が大きく増加した。この
THz-THG の位相について解析を行ったところ、超伝導のヒッグス (Higgs) モードよりも低エネルギー側に共鳴構造が存在することを示唆する位相のとびが観測された。その振る舞いは理論研究によって指摘されている BS モードの特徴と整合することから、観測結果は THz-THG が FeSe における BS モードの存在を示唆するものであると推定した。現在、より

第二高調波発生による鉄系超伝導体の磁束量子の運
動の可視化
最近、我々は、「汚れた極限」の s 波超伝導体 NbN
において、超伝導電流を注入しながら高強度・狭帯域の THz 波パルスを照射すると、磁束量子の運動に起因する巨大な THz 第２高調波（THz-SHG）が発生することを見出した。THz-SHG の共鳴から求められた磁束量子の質量が、超伝導秩序変数のトポロジカ
ル欠陥の運動エネルギーとして計算される磁束コアの理論的な質量とよく一致することから、THz-SHG
を用いると、磁束量子間の相互作用の影響を受けることなく、磁束コアの運動特性を観測できることが明らかになった。そこで、磁束コアの「クリーン度」

71

4.3. 島野研究室

4. 物性実験間発展のシミュレーションで再現され、振幅モードのソフトニングがポテンシャルのピコ秒スケールでの動的な変化を反映していることを突き止めた。さらに、CDW 融解に必要な THz 波による注入エネル
ギーの温度依存性を調べると、系を CDW 転移温度まで上昇させるために必要なエネルギーより 1 桁以
上小さく、CDW の凝集エネルギーの温度依存性とよく一致することがわかった。つまり、THz 波励起によって CDW を形成する電子系と CDW 形成に寄与する格子系のみに対して選択的にエネルギー注入することで、非常に高効率な非熱的電子相融解を実現したと考えられる。

による運動特性の変化を調べるために、クリーンなコアを持つと考えられている FeSe0.5 Te0.5 の薄膜に対して、THz-SHG の観測実験を行った。SHG に必
要な空間反転の破れをもたらす超伝導電流の導入は、転移温度以下の低温で微小な面直磁場を印加することで生じる遮蔽電流を利用し、同時に希薄な磁束量子系を生成させた。
発生した THz-SHG の偏光・強度を、入射波の偏光と、サンプルの中での集光位置、すなわち遮蔽電流の向きを変えながら測定した。磁束量子が発する THz
電場について偏光と強度の時間変化を観測すること
で、磁束量子の２次元的な運動の軌跡を抽出することに成功した。電流によって傾いた２次元ガウシア
ン型のピン止めポテンシャルに束縛された磁束の運動を仮定して運動方程式を解くことにより、観測された磁束の 2 次元運動を再現することに成功した。
クリーンな磁束コアが運動すると、準粒子散乱による高い粘性抵抗が生じることが予想されるが、THzSHG の強度から評価した粘性抵抗は、想定される値
より２〜３桁小さく、汚れた極限の NbN のときとほぼ同程度の大きさだった。これらの結果から、コア内の準粒子散乱が磁束量子の運動にほとんど影響していないこと、言い換えればコア内に束縛されていた準粒子は、高強度 THz 波によって駆動された磁束コアの高速運動に追随できていないことを明らかに
した。

4.3.2

4.3.3

ディラック、ワイル半金属

ディラック電子系 Bi におけるフロッケディラックワイル変換
ワイル半金属は時間反転対称性あるいは空間反転対称性の破れに伴って発現するトポロジカルに非自明な半金属である。ワイル半金属中の電子は質量のないカイラルな「ワイルフェルミオン」として振る
舞い、非自明なトポロジーや巨大なベリー曲率双極子に起因してカイラル異常、フェルミアーク表面状
態、巨大な異常ホール効果など様々な特徴的な物性を示す。
このようなワイル半金属状態を外場で作り出し、自在に制御する方法として「フロッケエンジニアリ
ング」と呼ばれる枠組みが注目を集めている。中でも、3 次元ディラック電子を円偏光で周期駆動することでディラック電子がワイルフェルミオンのペアに分裂する「フロッケワイル半金属」が実現することが理論的に提唱されて以来、フロッケエンジニア
リングによるトポロジー制御は理論・実験の両面で大変注目を集めている。
このフロッケディラック-ワイル変換の実現を目指
して、我々は 3 次元ディラック電子系であるビスマ
スの薄膜試料に波長 4 µm の円偏光を照射し、誘起される異常ホール効果をテラヘルツ波の偏光回転を通して測定する実験を行った。その結果、広い強度
領域で異常ホール伝導度が光の電場強度に比例 (光の強度の 1/2 乗に比例) するという興味深い性質を見出した。
この結果の解明を目指し、共鳴的な光駆動によって実現するフロッケディラック-ワイル変換の性質について理論的な考察を進めた。その結果、等方的かつ質量のない 3 次元ディラック電子の模型から出発
しフロッケ理論を適用することで、円偏光の 1 光子
共鳴点で新しいワイル点のペアが生成されていることがわかった。通常のワイル点はモノポール数が ±1だが、今回見出されたワイル点はモノポール数が ±2の「フロッケ二重ワイル状態」とも表現すべき状態になっていることがわかった。

原子層物質

遷移金属ダイカルコゲナイドの電荷密度波の非熱的相転移ダイナミクス
遷移金属とカルコゲン元素が二次元的に結合した原子層物質である遷移金属ダイカルコゲナイドは、低次元性を反映して低温で超伝導や電荷密度波 (CDW)など多様な秩序相を発現するものが存在する。この
電荷密度波 (CDW) 相に光照射をすると、電子相の高効率な非熱的融解現象や、平衡状態では出現しない
隠れた秩序相への相転移といった現象が生じることが報告されており、光による電子相制御の対象として活発な研究が進められている。最近我々は、MBE 成
長した 3R-Ta1+x Se2 薄膜に高強度テラヘルツ (THz)
波パルスを照射すると、CDW 振幅モードが二光子励起され、さらに平衡状態にない絶縁体的な状態が現れることを見出した。今年度は、高強度 THz 波パ
ルス照射によって平衡状態の CDW 秩序がどのように抑制されていくか、その動的な融解過程のメカニ
ズムを明らかにすることを目標に実験を行った。
高強度 THz 波を CDW 相の 3R-Ta1+x Se2 薄膜に照射した際の近赤外光の透過率変化のダイナミクスを調べたところ、駆動力としての THz 波が過ぎ去った後も CDW 振幅モードに由来する減衰振動が観測された。励起 THz 波の強度を上げていくと、一定の強度以上で急激に振動のソフトニングやダンピングの増加が顕著になっていき、最終的には振幅モードが消失する振る舞いが観測された。この実験結果は、Ginzburg-Landau(GL) モデルに基づく秩序変数の時72

4. 物性実験

4.3. 島野研究室

判明した (図 4.3.4(a))。これは、Co3 Sn2 S2 の磁化、およびカイラリティを全光学的に反転することに成功したことを意味する。磁気光学イメージングを用いて反転現象を詳細に調べたところ、この反転を実現するには適切な光強度のパルスを複数回照射する必要があることや温度がキュリー温度から遠ざかるほど必要な光強度が大きくなるといった傾向を観測した。適切な光強度で磁化反転が起こるという性質を利用すると、光の照射位置をスイープすることで自在に磁化領域を制御できる (図 4.3.4(b))。得られた実験結果から、磁気円二色性に起因して光照射により一方の磁化ドメインが選択的に熱化し冷却する過程が繰り返される過程により磁化反転に至っていることを明らかにした。また、同機構に基づいたモ
デルでのシミュレーションを行い、実験結果を再現できることを示した。
今回観測した全光学的磁化反転象の起源は磁性ワ
イル半金属に普遍的な性質である磁気円二色性に基づくため、他の磁性ワイル半金属にも適用できることが期待でき、磁性ワイル半金属の大きな異常ホール効果を用いた次世代の光記録デバイスへの応用が考えられる。また、電流を用いた磁性ワイル半金属の磁化制御とは異なり、光は任意の空間パターンに
磁化/カイラリティを書き込むことが可能であるため、複雑な磁気テクスチャーを再現することが可能になった。

前節でも述べたように、フロッケエンジニアリン
グによって電子系のトポロジーを制御する試みが注目を集めており、3 次元ディラック半金属を円偏光で駆動した際に現れるフロッケワイル半金属状態の実現が望まれている。我々はカゴメ格子金属 Co3 Sn2 S2のディラック電子相に着目して、フロッケワイル状態の実現を目指して実験を進めている。Co3 Sn2 S2 は、キュリー温度 (およそ 185 K) 以下で強磁性を発現す
る磁性ワイル半金属である。一方でキュリー温度以上の常磁性相では 3 次元のディラック半金属状態を示し、3 次元ディラック電子系の研究にも適した物
質である。
我々はスパッタリング法によって成膜した室温のCo3 Sn2 S2 薄膜に、円偏光の中赤外光パルス (波長 4µm、パルス幅 100 fs) を照射することでフロッケワ
イル半金属状態の実現を目指した。円偏光によるワ
イル半金属相への転移は異常 Hall 効果として現れることが期待され、実際に光照射中のみ誘起された異常ホール伝導度を低エネルギーの THz 波のファラデー回転を利用して観測した。最近、円偏光に誘起される異常 Hall 効果の起源として、カイラルゲージ
場以外にも 1 光子共鳴点での Berry 曲率分布や電子の実励起による効果など様々な寄与が考察されている。それぞれの寄与を切り分けるために重要な性質
として、駆動周波数依存性が挙げられる。フロッケ
ワイル状態の特徴としてワイル点間の距離が光電場の 2 乗と周波数の −3 乗に比例するカイラルゲージ
場によってもたらされることが知られており、誘起される異常ホール伝導度も同じスケーリング則に従うと考えられる。我々は 73 THz から 120 THz の範
囲にわたる複数の駆動周波数に対して測定を行い、カイラルゲージ場から期待される周波数の −3 乗と整合する結果が得られた。今後はさらに Co3 Sn2 S2 に即した有効模型による理論との定量性を含めた議論を進めていく予定である。

(a)

(a)

Anomalous
Hall conductivity
異常ホール伝導度(任意単位)
(arb.
unit)

(a)

(b)

磁化 0.38 (mJ cm−2)

0.54

1

1

0

1

100 µm

-1
0.44

0

0.48

100
150
時間 (秒)
Time
(s)

0.66

200

図 4.3.4: (a) 円偏光のヘリシティ (右回り・左回り)を繰り返し反転しながら光パルスを照射した際の、異磁性ワイル半金属は、運動量の 3 次元方向に線形な分散を持つ特殊なバンド構造を持ち、バンドの交差点であるワイル点が波数空間内で磁気単極子のように振る舞うことで異常ホール効果や異常ネルンス
ト効果などの特殊な物性を示す。異常ホール効果や異常ネルンスト効果の符号は磁気単極子の符号に対応するワイル粒子のカイラリティによって決まるた
め、このカイラリティを制御することで磁性ワイル
半金属が示すこれらの特異な応答を制御することが可能である。磁性ワイル半金属においてはカイラリ
ティと磁化が結合しており、磁場や電流を用いた制御法が報告されている。
我々は、巨大な異常ホール伝導度を示す Co3 Sn2 S2薄膜のワイル強磁性相にサブ mJ/cm2 程度の円偏光の中赤外光パルス (波長 4 µm、パルス幅 100 fs) を照射した。その結果、この物質のテラヘルツ帯における非常に大きな異常ホール効果を光の偏光によって選択的かつ不揮発的に繰り返し反転できることが常ホール伝導度の時間変化。(b) 単一磁化状態の薄膜試料に、上から左回り円偏光、右回り円偏光、直線
偏光を照射しながら矢印に沿って照射位置をスイープした後の磁気光学イメージング像。
＜受賞＞[1] 吉川尚孝: 日本物理学会若手奨励賞（領域 5）[2] 平井誉主在: 2nd International Symposium on
Trans-Scale Quantum Science, poster award[3] 小川和馬: 2nd International Symposium on TransScale Quantum Science, poster award[4] 松本陽行: 第 14 回低温科学研究センター研究交流会
ベスト・ポスター・アワード[5] 鳴坂潮: 第 14 回低温科学研究センター研究交流会ベスト・ポスター・アワード

00.76右回り円偏光

-1

0.76

Co3 Sn2 S2 における全光学的磁化・カイラリティ反転

73

左回り円偏光

100 µm

-1
0.54

50

1

0.48

0
0.66

-1

0

(b)

(b)
M/M0 0.38 (mJ cm−2) 0.44

M/M0

Co3 Sn2 S2 における円偏光誘起カイラルゲージ場生成

直線偏光

4.3. 島野研究室

4. 物性実験[6] 小川和馬: 理学系研究科研究奨励賞[17] M. Nishida, K. Katsumi, D. Song, H. Eisaki, R.
Shimano: Transient Terahertz Optical Responseof Stripe-ordered SuperconductorLa 1.6−x Nd 0.4 Sr
x CuO 4 , M2S, Vancouver Convention Centre, Jul.
19, 2022. (poster)＜報文＞(原著論文)[7] Kota Katsumi, Morihiko Nishida, Stefan Kaiser,
Shigeki Miyasaka, Setsuko Tajima, Ryo Shimano:
Absence of the superconducting collective excitations in the photoexcited nonequilibrium state ofunderdoped YBa2 Cu3 Oy , arXiv.2209.01633.

[18] K. Ogawa, N. Yoshikawa, Y. Hirai, K. Fujiwara,
J. Ikeda, A. Tsukazaki, R. Shimano: All-opticalswitching of magnetization and chirality in ferromagnetic Weyl semimetal, Gordon Research Seminar on Ultrafast Phenomena in Cooperative Systems, Ventura, Oct. 8-9, 2022. (oral)[8] Naotaka Yoshikawa, Yoshua Hirai, Kazuma
Ogawa, Shun Okumura, Kohei Fujiwara, Junya
Ikeda, Takashi Koretsune, Ryotaro Arita, Aditi
Mitra, Atsushi Tsukazaki, Takashi Oka, Ryo Shimano: Light-induced chiral gauge ﬁeld in a massive
3D Dirac electron system, arXiv.2209.11932.

[19] K. Ogawa, N. Yoshikawa, Y. Hirai, K. Fujiwara,
J. Ikeda, A. Tsukazaki, R. Shimano: All-opticalswitching of chirality in magnetic Weyl semimetal
Co3 Sn2 S2 using mid-infrared laser pulses, Gordon
Research Conference on Ultrafast Phenomena in
Cooperative Systems, Ventura, California, Oct. 914, 2022. (poster)[9] Naotaka Yoshikawa, Kazuma Ogawa, Yoshua
Hirai, Kohei Fujiwara, Junya Ikeda, Atsushi
Tsukazaki and Ryo Shimano: Non-volatile chirality switching by all-optical magnetization reversal
in ferromagnetic Weyl semimetal Co3 Sn2 S2 , Communications Physics 5, 328 (2022).

[20] Y. Hirai, N. Yoshikawa, M. Kawaguchi, M.
Hayashi, S. Okumura, T. Oka, R. Shimano: Terahertz anomalous Hall eﬀect in the light-driven
Dirac electrons in bismuth, 2022 Ultrafast Phenomena in Cooperative Systems (Gordon Research
Conference), Ventura, California, Oct. 9-14, 2022.
(poster)[10] Yoshua Hirai, Naotaka Yoshikawa, Masashi
Kawaguchi, Masamitsu Hayashi, Shun Okumura,
Takashi Oka, Ryo Shimano: Anomalous Hall eﬀectof light-driven three-dimensional Dirac electrons inbismuth, arXiv.2301.06072.

[21] N. Yoshikawa, Y. Hirai, Kazuma Ogawa, S. Okumura, K. Fujiwara, J. Ikeda, T. Koretsune, R.
Arita, A. Mitra, A. Tsukazaki, T. Oka, R. Shimano: The observation of chiral gauge ﬁeld
in the Floquet state of 3D Dirac semimetal
Co3 Sn2 S2 , 2nd International Symposium on TransScale Quantum Science (TSQS2022), Tokyo, 8-11
Nov. 2022 (poster)[11] Morihiko Nishida, Kota Katsumi, Dongjoon Song,
Hiroshi Eisaki, Ryo Shimano: Light-induced
coherent interlayer transport in stripe-ordered
La1.6−x Nd0.4 Srx CuO4 , arXiv.2303.01961.
[12] Takuya Matsuda, Tomoya Higo, Takashi Koretsune, Natsuki Kanda, Yoshua Hirai, Hanyi Peng,
Takumi Matsuo, Naotaka Yoshikawa, Ryo Shimano, Satoru Nakatsuji, and Ryusuke Matsunaga:
Phys. Rev. Lett. 130, 126302 (2023).

[22] K. Ogawa, N. Yoshikawa, Y. Hirai, K. Fujiwara,
J. Ikeda, A. Tsukazaki, R. Shimano: All-opticalswitching of chirality and magnetization in ferromagnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2, 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science (TSQS2022), Tokyo, 8-11 Nov. 2022 (poster)(学位論文)[13] 礒山和基：光励起された超伝導体からのテラヘルツ第３高調波発生の研究（博士論文）[23] Y. Hirai, N. Yoshikawa, M. Kawaguchi, M.
Hayashi, S. Okumura, T. Oka, R. Shimano: Circularly polarized light-induced terahertz anomalous
Hall eﬀect of three-dimensional Dirac electrons inbismuth, 2nd International Symposium on TransScale Quantum Science (TSQS2022), Tokyo, 8-11
Nov. 2022 (poster)[14] 丹羽宏彰：Study of a generation method and spectroscopic applications of terahertz cylindrical vector beams（博士論文）[15] 小川和馬：円偏光照射による強磁性ワイル半金属
Co3 Sn2 S2 における磁化及びカイラリティ制御の研究（修士論文）[24] H. Matsumoto, S. Nakamura, H. Ogawa, T.
Kobayashi, N. Shikama, F. Nabeshima, A. Maeda,
and R. Shimano: Collective modes in ironchalcogenide superconductors FeSe1−x Tex studied
by terahertz third-harmonic generation, Spectroscopies of Novel Superconductors 2022, Indian Institute of Science, Dec. 13, 2022. (poster)[16] 鳴坂潮：高強度テラヘルツ波励起による 2 次元物質
3R-Ta1+x Se2 の電荷密度波相の融解ダイナミクスに関する研究（修士論文）＜学術講演＞(国際会議)[25] M. Nishida, K. Katsumi, D. Song, H. Eisaki,
R. Shimano:
THz Spectroscopy of Optical
Pumped Cuprate Superconductor, FoPM International Symposium, Hongo, Feb. 6-8, 2023. (oral)

一般講演

74

4. 物性実験

4.3. 島野研究室

RIKEN International Workshop on Integrated
Spectroscopy for Strong Electron Correlation Theory, Computation and Experiments(ISSCE),
Koshiba Hall, Univ. of Tokyo, Dec. 5, 2022.

[26] Y. Hirai, N. Yoshikawa, M. Kawaguchi, M.
Hayashi, S. Okumura, T. Oka, R. Shimano: Threedimensional Dirac electrons driven by circularpolarized light, FoPM International Symposium,
Hongo, Feb. 6-8, 2023. (oral))[38] R. Shimano: Coherent c-axis charge carrier responses in photoexcited cuprate superconductors
above Tc, Spectroscopies of Novel Superconductors 2022, Indian Institute of Science, Dec. 14,2022. (online)[27] H. Matsumoto, S. Nakamura, H. Ogawa, T.
Kobayashi, F. Nabeshima, A. Maeda, and R. Shimano: Terahertz third harmonic generation in superconductors, FoPM International Symposium,
Hongo, Feb. 6 ‒ 8, 2023. (oral))(国内会議)[28] M. Nishida, K. Katsumi, D. Song, H. Eisaki,
R. Shimano: Photo-induced c-axis terahertz response of stripe-ordered cuprate superconductor
La1.6−x Nd0.4 Srx CuO4 , APS march meeting 2023,
Las Vegas Caesars Forum Convention Center, Mar.
8, 2023. (oral)

一般講演• 日本物理学会 2022 年秋季大会（2022 年 9 月 12-15日、東京工業大学）[39] 小川和馬, 吉川尚孝, 平井誉主在, 藤原宏平, 池田絢哉,
塚﨑敦, 島野亮：強磁性ワイル半金属 Co3 Sn2 S2 の中赤外円偏光照射による全光学的磁化反転（口頭発表）[29] N. Yoshikawa, Y. Hirai, K. Ogawa, S. Okumura,
K. Fujiwara, J. Ikeda, T. Koretsune, R. Arita, A.
Mitra, A. Tsukazaki, T. Oka, R. Shimano: Chiral gauge ﬁeld in light-driven Dirac electrons in
Co3 Sn2 S2 , APS March Meeting 2023, Las Vegas,
6-10 Mar. 2023. (oral)[40] 松本陽行, 中村祥子, 小川浩生, 小林友輝, 色摩直樹,
鍋島冬樹, 前田京剛, 島野亮：FeSe0.5 Te0.5 薄膜におけるテラヘルツ第 3 高調波発生（口頭発表）[41] 松田拓也, 肥後友也, 是常隆, 神田夏輝, 平井誉主在,
Hanyi Peng, 松尾拓海, 吉川尚孝, 島野亮, 中辻知, 松永隆佑：ワイル反強磁性金属 Mn3 Sn における高密度励起による有効質量の軽いキャリアの出現（口頭発表）

招待講演[30] R. Shimano: Inhomogeneous superconductinglike terahertz response of photoexcited stripeordered phases inLa 2−x−y Nd y Sr x CuO 4 , Superstripes2022 (online), June 20, 2022

[42] 中村祥子, 松本陽行, 小川浩生, 小林友輝, 鍋島冬樹, 前田京剛, 島野亮：超伝導遮蔽電流存在下の FeSe0.5 Te0.5
薄膜によるテラヘルツ第 2 高調波発生[31] R. Shimano: Higgs Mode Responses in Photoexcited Unconventional Superconductors, M2S, Vancouver Convention Centre, July 19, 2022.

• 京都大学基礎物理学研究所研究会「非自明な電子状態で発現する超伝導現象の新しい潮流」（2022 年 12
月 21-23 日、京都大学）[32] R. Shimano: Light-induced anomalous Hall eﬀect
in three dimensional Dirac electron systems, Workshop on New trends in Nonequilibrium Many-Body
Systems: Methods and Concepts, MPI-PKS, Dresden, Aug. 4, 2022.

[43] 松本 陽行, 中村 祥子, 小川 浩生, 小林 友輝, 色摩 直樹, 鍋島 冬樹, 前田 京剛, 島野 亮: テラヘルツ第三高
調波発生を用いた鉄系超伝導体 FeSe1−x Tex における集団励起モードの観測（ポスター発表）[44] 西田森彦, 勝見恒太, Dongjoon Song, 永崎洋, 島野亮: 銅酸化物超伝導体 La1.6−x Nd0.4 Srx CuO4 のスト
ライプ秩序相における光励起 c 軸テラヘルツ分光（ポスター発表）[33] Y. Hirai, N. Yoshikawa, M. Kawaguchi, M.
Hayashi, R. Shimano:
Helicity-dependent
terahertz-wave emission from the Dirac electrons in bismuth, SPIE Optics + Photonics 2022,
San Diego, Aug. 21-25, 2022.

• 第 14 回低温科学研究センター研究交流会（2023 年 2
月 16 日、東京大学）[34] R. Shimano: Study of superconductivity from
nonequilibrium, MPi-UBC-UTokyo PI Meeting,
UBC, Vancouver,Sept.20, 2022.

[45] 平井誉主在, 吉川尚孝, 河口真志, 林将光, 奥村駿, 岡隆史, 島野亮：円偏光駆動した 3 次元 Dirac 電子系ビ
スマスの異常 Hall 効果（口頭発表）[35] R. Shimano: Amplitude Mode-Driven Phase Transition in a Charge Density Wave Phase of Transition Metal Dichalcogenide, Gordon Research Conference on Ultrafast Phenomena in Cooperative
Systems, Ventura, California, Oct. 11, 2022.

[46] 西田森彦, 勝見恒太, Dongjoon Song, 永崎洋, 島野亮：銅酸化物高温超伝導体 La1.6−x Nd0.4 Srx CuO4 の
光励起 c 軸テラヘルツ分光（ポスター発表）[47] 松本陽行, 中村祥子, 小川浩生, 小林友輝, 鍋島冬樹,
前田京剛, 島野亮：鉄系超伝導体 FeSe のネマティッ
ク超伝導状態におけるテラヘルツ第三高調波発生（ポスター発表）[36] R. Shimano: Floquet Engineering in 3D Dirac andWeyl Semimetals, Pan Paciﬁc Workshop on Topology and Correlation in Exotic Material, Moorea,
French Polynesia, Oct.24-27, 2022.

[48] 鳴坂潮, 吉川尚孝, 松岡秀樹, 田中勇貴, 武藏摩紀, 中野匡規, 岩佐義宏, 島野亮：テラヘルツ波を用いた 3RTa1+x Se2 の電荷密度波相の非熱的融解とそのダイナ
ミクス（ポスター発表）[37] R. Shimano: Light-induced Josephson plasma
resonance-like response without long range orderin cuprate superconductors, The 13th TOYOTA

75

4.4. 高木・北川研究室

4. 物性実験[49] 礒山和基, 辻直人, 寺井弘高, 島野亮：s 波超伝導体
NbN における Higgs モードの量子干渉測定（ポスター
発表）

4.4.1

[50] 小川和馬, 吉川尚孝, 平井誉主在, 藤原宏平, 池田絢哉,
塚﨑敦, 島野亮：中赤外円偏光パルスを用いた強磁性
ワイル半金属 Co3 Sn2 S2 の磁化及びカイラリティの反転（ポスター発表）

新しい量子スピン液体と新しいキタエフ系物質
多体量子スピン物理において、絶対零度まで磁性スピンが量子的に絡み合った状態、量子スピン液体の実現はマイルストーンである。量子スピン液体
は一次元スピン模型では理論も実験も共に確立されているが、二次元以上ではそうではなく、これまでの実験報告例である三角格子物質等ではハミルトニア
ンに厳密解が存在せず、量子スピン液体の「発見」の証拠に必要な素励起（準粒子）の研究さえ困難であった。１０年強前にキタエフによって二次元の蜂の巣型格子でスピン液体の厳密解が理論的に示されてからこのキタエフ量子スピン液体の実現が盛んに模索されてきた。キタエフ蜂の巣格子模型では、スピンハミルトニアンをマヨラナフェルミ準粒子として一体問題に帰着した厳密解が得られる。さらに、マヨラナ粒子を操作することができればトポロジカル量子計算も可能とされている。しかし、異方的イジン
グ相互作用であるキタエフ型相互作用が卓越している、「真のキタエフ液体物質」の物質開発は成功例がないのが現状の課題である。
キタエフ物質を創るには、非従来型の異方的相互作用を導入する必要があり、 スピン-軌道相互作用が大きいイリジウム酸化物、4f 電子系などに対する実現性が提唱されてきた。当研究室では、キタエフ模型の初の実証例を目指してイリジウム酸化物 H3 LiIr2 O6に着目し、磁化率、比熱、核磁気共鳴測定において少なくとも 50 mK まで液体であり続ける量子液体物質であることを報告してきた (2018 年 2 月理学部プ
レスリリース)。ただし、やはり他の相互作用が大きいことと不純物誘起励起の為、量子液体のモデルは特定出来ていない。従って、キタエフ型相互作用を持ちうる広い物質群に対して物質スクリーニングを推進している。
一つの方向性として、ここ数年来キタエフ候補物質の新しい舞台として理論的に提案されたランタノイド化合物群がある。その中の有力候補である、4f 1 のPr4+ 化合物 α, β-Na2 PrO3 の磁性状態を明らかにしてきた。α 相 (二次元ハニカム格子) では 23 Na-NMR
測定とその解析から、理論予想の相図上で反強磁性
キタエフスピン液体に近い磁性状態にあることが示唆された。また、強磁場下でキタエフスピン液体になっている可能性を示唆する磁化過程が見られた。
本年度は、物性がこれまでに報告されていない β 相(三次元ハイパーハニカム格子) の Na2 PrO3 の基礎
物性を明らかにした。α 相に類似して基底状態は反強磁性であったが、三次元の格子にも関わらずある程度の短距離秩序が見られたため、キタエフ型相互作用に起因するフラストレーションが存在している可能性がある。現在は、圧力印加等で液体相に近づける努力をしている。別のアプローチとして、第一原理計算データベースを利用して計算機上で安定解と知られている元素比を元に、経験的な結晶合成技
術を組み合わせて物質開発を進めている。実際に４年生特別実験で新しく見つかった希土類の Sm 蜂の• 日本物理学会 2023 年春季大会（2023 年 3 月 22-25
日、オンライン開催）[51] 奥村駿, 平井誉主在, 吉川尚孝, 島野亮, 岡隆史：3 次
元 Dirac 電子系の 1 光子共鳴点における Floquet 二
重 Weyl 状態（口頭発表）[52] 平井誉主在, 吉川尚孝, 河口真志, 林将光, 奥村駿, 岡隆史, 島野亮：3 次元 Dirac 電子系ビスマスの円偏光
誘起異常 Hall 効果と Floquet 二重 Weyl 状態（口頭発表）[53] 吉川尚孝：（若手奨励賞）高強度中赤外光・THz 波を用いた光駆動電子系の研究
招待講演[54] 島野亮：光励起された銅酸化物高温超伝導体のコヒー
レントｃ軸伝導, 京大基研研究会「非自明な電子状態で発現する超伝導現象の新しい潮流」, 2022 年 12 月
19 日[55] 島野亮：3 次元ディラック及びワイル半金属のフロッ
ケエンジニアリング, 日本物理学会 2023 年春季大会
一般シンポジウム, 2023 年 3 月 23 日, オンライン開催(セミナー)[56] 吉川尚孝：３次元ディラック物質 Co3 Sn2 S2 における
光誘起カイラルゲージ場, 物性研 LASOR セミナー,
2022 年 12 月 19 日
[57] 吉川尚孝：強磁性ワイル半金属 Co3 Sn2 S2 の全光学
磁化反転による不揮発的カイラリティスイッチング,
2022 年度第 9 回光機能研究会, 2023 年 2 月 24 日
[58] 西田森彦, 勝見恒太, Dongjoon Song, 永崎洋, 島野亮: Nd-LSCO 単結晶試料における光励起-THz 分光の実験的研究, 産業技術総合研究所つくばセンター,
2023 年 3 月 30 日.

4.4

スピン軌道相互作用を利用した擬ス
ピン量子相高木・北川研究室

物質中に新しい物理を創ることを目指し、固体中の新奇な量子電子相の探索と相形成のメカニズム解明の研究を推進している。令和 4 年度は、スピン軌
道相互作用と電子相関、格子の対称性との協奏の結果生じるエキゾチックなトポロジカル電子相、特にキタエフ量子スピン液体関連物質、ボーズアインシュ
タイン凝縮相の創成、磁性共存超伝導相、及び量子磁性相の探索のための高圧下測定技術開発に注力した。

76

4. 物性実験

4.4. 高木・北川研究室

巣格子化合物 Cu3 SmTe3 を量子スピン液体候補として研究している。キタエフ型相互作用が期待できる
Γ7 クラマース二重項基底で数 K 以上の相互作用を持つハニカム化合物としては、Pr 酸化物系に続く２例目となる。この系は半金属であるため、電荷ドーピングまたは圧力印加による伝導電子増加を介した基底状態制御が考えられる。新しい切り口のキタエ
フ系物質開発として推進している。
H ¼ "J xXrxj rxk " J yx-linkX

ryj ryk " J zy-linkX

支持ロッド

rzj rzk

z-link局在マヨラナフェルミオンx

1/2スピン
遍歴マヨラナz

フェルミオンy
エクステンション

Z2フラックス

wp ¼

八面体配位4f1

八面体配位低スピンd5

Pr4+, Ce3+

Ru3+, Ir4+eg

クランプねじ

2F7/2
Δ

λSO

t2g

Jeff
1/2
3/2

スピン

擬スピン

7λSO/2

2F5/2

J多重項

Δ

8

ピストン
アセンブリ

7

擬スピン

図 4.4.5: ハニカム格子・ハイパーハニカム格子系におガスケット

ける量子スピン液体 (左) Kitaev Honeycomb 模型ハアンビル

ミルトニアンのスピンとマヨラナフェルミオンの関最高到達圧力～7.3 GPa���� mm係。(右) 異方的相互作用を持つ擬スピン 1/2 での八0.45 mm

面体配位結晶場分裂 ∆ とスピンー軌道相互作用 λSO

セル本体

の関係。
（左）現在まで Mott 転移、主要なキタエフ���� mm
V = 0.305 mm3

候補物質の研究対象とされてきた代表的な 4d5 , 5d5電子。
（右）最近キタエフ型相互作用の実現が提唱された 4f 1 電子。

4.4.2

エクステンション

高圧物性研究図 4.4.6: 2021 年に新たに開発した精密磁化測定用
超高圧セル。セルの断面図及び写真。断面図では灰

量子磁性研究のための高圧下精密磁化測定技術の開発

色がセラミック素材、茶色がバインダレス非磁性超高圧力は物質の基底状態を連続的に変化することができるため、固体物理の研究手法の一つとして広く活用されている。例えば 200 GPa（万気圧）と非常に高い圧力下で室温近くの水素化物超伝導の発見
報告の一部にダイヤモンドアンビルセル (DAC) とSQUID 磁束計が利用されてきた。しかし、量子スピン系のような弱い磁性体の研究には数 GPa 程度の圧力下であっても殆ど利用されていなかった。当研究室は、小型の高圧装置と高感度な市販の SQUID 磁
気計を組み合わせて行う高圧磁化測定手法に多方面な改良を施すことにより、興味深い量子相を示す物

硬合金素材を表す。セル本体の内径は 5 mm、外径は8.4 mm。

77

4.4. 高木・北川研究室

4. 物性実験

質を迅速にスクリーニングするための手段を開発しており、昨年度、7 GPa まで高精度（体積磁化率で∼ 10−4 ）の磁化測定を可能にした（2021 年 6 月にJPSJ 紙で注目論文）。弱い常磁性を含む磁性研究全般にとって非常に有用である。本年は、いくつかの物質群（Sm 化合物、Cr ハニカム化合物など）の高圧下磁性を明らかにしてきた。もっと高精度、またはより高圧力下での磁化測定のために、構造を全面的に刷新したモアッサナイトアンビル高圧セルを開発している。また、希釈冷凍温度域でも高圧下磁化測定が出来る技術も開発中である。今後も、高圧力下の量子磁性研究を開拓していく。

Werner, D. J. Jones, A. Georges, A. Damascelli,A. J. Millis: Unveiling the underlying interactions
Ta2 NiSe5 from photoinduced lifetime change Physical Review B 106 L121106 (2022).
[4] Y-M. Wu, U. Niemann, M. Kim, Y. Wang, H. Takagi, P. A. van Aken: Electronic-structure engineering through atomic-scale strain control in geometrically frustrated spinel LiV2 O4 Microscopy andMicroanalysis 28 Supplement S1, 2374 (2022).
[5] T. Halloran, Y. Wang, M. Li, I. Rouchochatzakis,
P. Chauhan, M. B. Stone, T. Takayama, H. Takagi, N. P. Armitage, N. B. Perkins, C. Broholm:
Magnetic excitations and interactions in the Kitaev hyperhoneycomb iridate β-Li2 IrO3 PhysicalReview B 106 064423 (2022).

超高圧下の新しい超伝導相研究[6] L. Nádvornı́k, O. Gueckstock, L. Braun, C. Niu,
J. Gräfe, G. Richter, G. Schütz, H. Takagi, M.
Zeer, T. S. Seifert, P. Kubaščı́k, A. K. Pandeya,
A. Anane, H. Yang, A. Bedoya-Pinto, S. S. P.
Parkin, M. Wolf, Y. Mokrousov, H. Nakamura,T. Kampfrath: Terahertz Spin-to-Charge Current Conversion in Stacks of Ferromagnets andthe Transition-Metal Dichalcogenide NbSe2 Adv.
Mater. Interfaces 2201675 (2022).

近年、超高圧下（1 万気圧以上）の実験技術がますます進展しており、それに伴い新しい超伝導体が発見されてきている。以前は磁性が強すぎて超伝導になるとは思われていなかった Mn,Cr 化合物もそれらの一つである。そのような変わった超伝導（磁気量子臨界点近傍の超伝導）では、超伝導相が現れる直前にどういう磁性状態になっているか、また、超伝導相と磁性相がどのように競合または共存して現れるか？ という問いが重要になっている。当研究室では、独自に開発した最先端の超高圧下磁化測定、核磁気共鳴測定技術を持っており、10 万気圧程度の圧力下でこれらのメカニズムを調べている。前述の精密磁化測定技術で大まかに磁性状態を把握し、以前開発した超高圧下核磁気共鳴法を用いて超伝導相と磁性相がどのように競合または共存して現れるかを精密に測ることで研究している。MnP では、高圧らせん磁性相が過去の報告よりも高圧側に生き残っており、超伝導相と何らかの共存の可能性が高いことを発見した。CrSiTe3 においては、新たな半金属強磁性相が見つかり、相図上では超伝導相と共存している。今後は、両物質において、本質的な磁性超伝導共存状態があるのかどうか注意深く吟味していく必要がある。

[7] M.M. Hirschmann, A.S. Gibbs, F. Orlandi, D.
Khalyavin, P. Manuel, V. Abdolazimi, A. Yaresko,
J. Nuss, H. Takagi, A.P. Schnyder, A.W. Rost:
Creating and controlling Dirac fermions, Weyl
fermions, and nodal lines in the magnetic antiperovskite Eu3 PbO Phys. Rev. Mater. 6, 114202(2022).
[8] H. Okamura, T. Mizokawa, K. Miki, Y. Matsui,
N. Noguchi, N. Katayama, H. Sawa, M. Nohara,
Y. Lu, H. Takagi, Y. Ikemoto, T. Moriwaki: Pressure suppression of the excitonic insulator state in
Ta2 NiSe5 observed by optical conductivity Physical Review B 107, 045141 (2023).
[9] T. F. Schweizer, U. Niemann, X. Que, Q. He, L.
Zhou, M. Kim, H. Takagi, and D. Huang: Epitaxial growth and scanning tunneling microscopyof LiV2 O4 thin ﬁlms on SrTiO3 (111) APL Mater.
11, 021109 (2023).

＜報文＞(原著論文)[1] D. Huang, H. Nakamura, K. Küster, U. Wedig,
N. B. M. Schröter, V. N. Strocov, U. Starke, H.
Takagi: Probing the interlayer coupling in 2HNbS2 via soft x-ray angle-resolved photoemission
spectroscopy. Physical Review B 105, 24, 245145(2022).

[10] L. Zhou, Q. He, X. Que, A. W. Rost, and H. Takagi: A spectroscopic-imaging scanning tunnelingmicroscope in vector magnetic ﬁeld Review of Scientiﬁc Instruments 94, 033704 (2023).
[11] W. A. MacFarlane, M. Oudah, R. M. L. McFadden,
D. Huang, A. C. Chatzichristos, D. Fujimoto, V. L.
Karner, R. F. Kieﬂ, C. D. P. Levy, R. Li, I. McKenzie, G. D. Morris, M. R. Pearson, M. Stachura, J.
O. Ticknor, E. Thoeng, H. Nakamura, and H. Takagi: 8 Li beta-NMR studies of Epitaxial Thin Filmsof the 3D topological Dirac semimetal Sr3 SnO J.
Phys.: Conf. Ser. 2462, 012057 (2023).

[2] J.A.N. Bruin, R.R. Claus, Y. Matsumoto, J. Nuss,
S. Laha, B.V. Lotsch, N. Kurita, H. Tanaka, and
H. Takagi: Origin of oscillatory structures in themagnetothermal conductivity of the putative Kitaev magnet α-RuCl3 . APL Materials 10 090703(2022).
[3] D. Golež, S. K. Y. Dufresne, M.-J. Kim, F. Boschini, H. Chu, Y. Murakami, G. Levy, A. K. Mills,
S. Zhdanovich, M. Isobe, H. Takagi, S. Kaiser, P.

(学位論文)
修士論文

78

4. 物性実験

4.4. 高木・北川研究室[12] 荒井悠太郎：MnP の圧力誘起磁気量子臨界点と超伝導(Pressure-induced magnetic quantum critical point
and superconductivity in MnP)[23] 今田絵理阿, 松本洋介, Simon Schnierer, Jan Bruin,
北川健太郎, 高木英典: ハイゼンベルク反強磁性体
YbCl3 における磁場下 BEC の NMR 測定日本物理学会 2022 年秋季大会, 東京工業大大岡山キャンパス,12aW641-10, 2022 年 9 月 12 日.

＜学術講演＞[24] 吉田章吾, 北川健太郎, 山田陽彦, 小山岳秀, 中井祐介, 上田光一, 水戸毅, 芳賀芳範: 金色相 SmS の低温，高圧下で現れるギャップ状態と磁気秩序状態の
33S-NMR 測定による研究 II 日本物理学会 2022 年
秋季大会, 東京工業大大岡山キャンパス, 12aW331-9,2022 年 9 月 12 日.

(国際会議)
招待講演[13] H. Takagi: Thermal transport in Candidate Kitaev
and Related Magnets , TOPCOR Dresden, 1113/04/2022.
[14] H. Takagi: Towards Kitaev Quantum Spin Liquid , Workshop New Spin on Molecular Quantum Materials , SPICE Uni Mainz, Germany,
24/05/2022.

[25] 花栗哲郎, 幸坂祐生, 山田幾也, 東正樹, 高野幹夫, 高木英典, 笠原成, 芝内孝禎, 松田祐司: 銅酸化物・鉄系
超伝導体における準粒子干渉パターンの位相と超伝導
ギャップ日本物理学会 2022 年秋季大会, 東京工業大大岡山キャンパス, 12aW541-1, 2022 年 9 月 12 日.

[15] H. Takagi:
Thermal transport in candidate Kitaev Quantum Spin Liquid , Telluride Workshop
onCompeting Interactions and Colossal Responses in Transition Metal Oxides and Related
Compounds , Colorado, USA, 21/06/2022.

[26] 平岡奈緒香, 荒井悠太郎, 松林和幸, 北川健太郎, 高木
英典: 2 次元ハニカム強磁性体 CrSiTe3 の高圧下磁化日本物理学会 2022 年秋季大会, 東京工業大大岡山
キャンパス, 13pW631-6, 2022 年 9 月 13 日.
[27] 北川健太郎, 露木裕太, 土場優雅, 矢田季寛, 小島慶太, 片山尚幸, 松林和幸, 高木英典: Sm テルライドでのキタエフ候補物質開発 II 日本物理学会 2022 年秋季大会, 東京工業大大岡山キャンパス, 13pW541-15,
2022 年 9 月 13 日.

[16] H. Takagi:
Thermal transport in candidate Kitaev Quantum Spin Liquid”, Gordon Research
Conference on correlated electron systems, Mount
Holyoke College, USA, 28/06/2022.
[17] K. Kitagawa: ”Liquidness of quantum spin systems as seen by NMR”, Microscopic Properties of
Quantum Materials, Sapporo, 01/08/2022.

[28] 露木裕太, 北川健太郎, 林義之, Kelton Whiteaker,
Marian Blankenhorn, 周旭光, 松田康弘, 三宅厚志, 徳永将史, 高木英典: f 電子系キタエフ候補物質
Na2PrO3 の磁性日本物理学会 2022 年秋季大会, 東京工業大大岡山キャンパス,13pW541-16, 2022 年 9月 13 日.

[18] H. Takagi: Magnetothermal transport in the ﬁeld
induced quantum spin liquid state of Jeﬀ=1/2 honeycomb magnet , 29th International Conference
on Low Temperature Physics (LT29), Sapporo,
Japan, 23/08/2022[29] 荒井悠太郎, 平岡奈緒香, Jinguang Cheng, Wei Wu,
Jianlin Luo, 上床美也, 北川健太郎, 高木英典: らせん
磁性超伝導体 MnP の超高圧 NMR 日本物理学会 2022
年秋季大会, 東京工業大大岡山キャンパス,15aW5412, 2022 年 9 月 15 日.

[19] H. Takagi:
High-pressure synthesis of cationicsuperconductorBa1−x Kx SbO3 -control of orbitalenergy through relativistic eﬀect – , Quantum Materials Symposium (QMS), Maui, USA,
10/09/2022.

[30] 北川 健太郎, 荒井 悠太郎, 平岡 奈緒香, CHENG
Jinguang, WU Wei, LUO Jianlin, 上床 美也, 高木
英典: 超高圧 NMR・磁化測定によるヘリカル磁性超伝導体 MnP の研究第６３回高圧討論会、立命館大学
大阪いばらきキャンパス, 3A08, 2022 年 12 月 15 日,[20] H. Takagi: Magnetothermal transport in Jeﬀ=1/2
honeycomb magnet , Workshop on Frustrated
Metals and Insulators, ICTS Bangalore, India,
15/09/2022.

[31] 平岡 奈緒香, 荒井 悠太郎, 松林 和幸, 北川 健太郎,
高木 英典: CrSiTe3 の高圧下磁化と電気伝導第６３回高圧討論会、立命館大学大阪いばらきキャンパス,3P32, ポスター, 2022 年 12 月 15 日,[21] H. Takagi:
Superconductivity in cationic metal
Ba1−x Kx SbO3 - comparison with anionic metal
Ba1−x Kx BiO3 , Workshop for UBC-MPI-UTokyo
center for quantum materials, UBC, Vaancouver,
Canada, 21/09/2022.

[32] 吉田章吾, 平岡奈緒香, 北川健太郎, 武藤哲也, 芳賀
芳範, 中井祐介, 水戸毅: SmS 金色相における特異なギャップ状態 -高圧下における 33S-NMR と帯磁率の研究, 日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン開催, 22pH2-7, 2023 年 3 月 22 日.

[22] H. Takagi:
Thermal Transport in Honeycomb/Kagome Quantum Spin Liquids , Quantum
Materials Symposium (QMS), Pyon Chang, Korea,
09/02/2023.

[33] 露木裕太, 北川健太郎, 高木英典: f 電子系キタエフ候
補物質 Na2PrO3 の磁性日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン開催, 23aH1-12, 2023 年 3 月 23 日.

(国内会議)
一般講演[34] 安井勇気, 岩田孝太, 岡崎尚太, 宮坂茂樹, 杉本宜昭,
花栗哲郎, 高木英典, 笹川崇男: モット絶縁体 NiS2 のステップ近傍における絶縁ギャップ観察日本物理学

794.5. 林研究室

4. 物性実験が明らかになってます。また、特定の物質にスピン流を流すと電流が発生することもわかってきました。
これらの現象がどのようにして起きるのか、スピン
トロニクスはその背後にある物理を解明する基礎科学だけでなく、情報記憶技術や環境発電技術にも応用できるとして工学的観点からも注目されています。

会 2023 年春季大会, オンライン開催, 23aH2-5, 2023
年 3 月 23 日.

[35] 荒井悠太郎, 平岡奈緒香, Jinguang Cheng, Wei Wu,
Jianlin Luo, 上床美也, 北川健太郎, 高木英典: らせん磁性超伝導体 MnP の磁気構造と相転移日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン開催, 24aH1-4, 2023
年 3 月 24 日.
[36] 平岡奈緒香, 荒井悠太郎, 松林和幸, ○北川健太郎, 高
木英典: 2D ファンデルワールス結晶 CrSiTe3 の高圧下超伝導と磁性日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン開催, 24aH1-4, 2023 年 3 月 24 日.

ディラック電子系におけるスピン流 [10]線形な分散関係を持つ電子はディラック電子と呼ばれ、グラフェンやビスマスなど特殊な物質の中に存在することが知られています。ビスマスにおける
スピンホール効果を調べたところ、ディラック電子
系におけるスピン流はスピン角運動量の流れではな
く、磁気モーメントの流れから構成されるものであることがわかりました。スピン角運動量の流れは電子とホールで逆になり、ディラック電子系では消失します。一方、磁気モーメントの流れはキャリアの種類によらないため、スピン流形成に寄与します。ビ
スマスはその巨大な g 因子によってキャリアが持つ
磁気モーメントが非常に大きいため、大きなスピン
ホール伝導度を有することが明らかになりました。

[37] 藤田剛, 川鍋郁弥, 深澤英人, 大濱哲夫, 小堀洋, 北川
健太郎, 岩本凱成, 荒木新吾, 小林達生: 単結晶α-Mnの圧力下ゼロ磁場 NMR 日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン開催, 24aH2-5, 2023 年 3 月 24 日.
招待講演[38] 高木英典: 「超伝導の不思議とマジック」、市民公開講座、第２９回低温物理国際会議、札幌市 21/08/2022[39] 北川健太郎: 自作装置で切り拓く磁性体の NMR 研
究第２回高知大学強相関電子物性研究会、高知大学朝倉キャンパス、2022 年 8 月 29 日
(セミナー)[40] 高木英典:
Competing Interactions and Colossal
Responses in Transition Metal Oxides and Related
Compounds , special colloquium hosted by president, 物質材料機構理事長講和会, 05/08/2022.

4.5

4.5.2

界面スピン軌道相互作用とカイラル
磁性

スピン軌道相互作用が大きい物質を組み合わせた薄膜へテロ構造では、これまでにない新たな現象が最近次々と見つかっており、注目されています。たとえば、異種金属間や金属・酸化物の界面では、その電子状態に起因したスピン軌道相互作用が発現し、垂直磁気異方性や、カイラルスピン構造を誘起する
ジャロシンスキー・守谷型の交換相互作用が発現することが最近わかってきました。このような界面で発現するスピン軌道相互作用に由来する効果は、バルクのそれよりも大きい場合があり、その機構解明が重要な研究課題となっています。

林研究室

物性物理学において、電子がもつ角運動量「スピン」は磁性や電気伝導、光応答や超伝導など、多くの局面で重要な働きをすることが知られています。電子や光子、物質中の素励起であるフォノン (格子振動) やマグノン (磁気励起) など、スピンを持つ粒子
や波動は物質の中でどのように躍動し、どのような物性を誘起するのか。これらの疑問に答え、スピンの物理学を確立することが林研の目標です。

フェリ磁性体 TbFeCo 合金における電流駆動磁壁

4.5.1

移動 [8]

スピン流物性

フェリ磁性体 TbFeCo 合金において、電流で駆動した磁壁の移動方向が合金の組成で変化することを明らかにしました。正味の磁化がゼロとなる磁化補
償点組成より希土類元素 (Tb) が多い場合、磁壁は電流と逆方向に移動するのに対し、少ない場合は電流と同じ方向に移動することがわかりました。これらの結果は、TbFeCo 合金に電流を印加すると、打ち消し合う 2 つ以上の駆動力が作用し、磁壁の移動速でを低下させていることを示唆しています。

電子はスピンを有しているため、電子が動くこと
で「スピン流」と呼ばれる電子の流れが生じること
が最近研究でわかってきました。スピン流とは、逆向きのスピンを持つ電子がそれぞれ逆方向に向かう流れです。たとえば上向きスピンを持つ電子は右方向に、下向きのスピンを持つ電子は左方向に移動した場合、右から左にスピン流が生じたということになります。電流が電荷を運ぶのに対し、スピン流は
角運動量を運搬します。
スピントロニクスではスピン流に関する研究が活発化しています。スピン流を磁石に注入すると、磁石を動かすことなく、N 極の向きを反転できること

80

4. 物性実験

4.5.3

4.5. 林研究室

強結合量子ferrimagnetic thin ﬁlms across the magnetizationcompensation point. Jpn. J. Appl. Phys. 62 013001(2023).

電子、光子、フォノン、マグノンなど物質中の粒子や波動はお互いと結合することが知られています。
結合強度が大きくなると、2 つの特性を合わせた新
たな状態が現れることがあります。粒子や波動間の結合に関する研究は近年、量子技術応用を念頭に活発化しています。本研究では強結合状態を実現できる条件を解明し、量子力学に本質に迫る研究を行います。

[9] T. Taniguchi, S. Isogami, Y. Shiokawa, Y. Ishitani,
E. Komura, T. Sasaki, S. Mitani, M. Hayashi, Magnetization switching probability in the dynamical
switching regime driven by spin-transfer torque.
Phys. Rev. B 106 104431 (2022).
[10] Z. Chi, G. Qu, Y.-C. Lau, M. Kawaguchi, J.
Fujimoto, K. Takanashi, M. Ogata, M. Hayashi,
Spin Hall eﬀect driven by the spin magnetic moment current in Dirac materials. Phys. Rev. B 105,214419 (2022).

人工反強磁性体における表面弾性波の大きな非相反伝導 [11][11] H. Matsumoto, T. Kawada, M. Ishibashi, M.
Kawaguchi, M. Hayashi, Large surface acoustic
wave nonreciprocity in synthetic antiferromagnets.
Appl. Phys. Express 15, 063003 (2022).

波の進む向きによって振幅が異なる現象を「非相反伝導」と呼ぶ。表面弾性波は物質中を伝搬する音波の１つで、速度数 km/s 程度で伝播します。人工
反強磁体の中を伝播する表面弾性波を調べたところ、
右と左に伝播する波の大きさが異なることがわかりました。人工反強磁性体は非磁性薄膜を 2 つの強磁性薄膜で挟み、強磁性層の磁化が反平行となる構造を持っています。表面弾性波が人工反強磁体の中のスピン波と相互作用し、非相反伝導が誘起されていると考えられます。

(会議抄録)[12] Helicity-dependent terahertz-wave emission fromthe Dirac electrons in bismuth. Y Hirai, N
Yoshikawa, H Hirose, M Kawaguchi, M Hayashi,
R Shimano, Proc. SPIE 12205, Spintronics XV,
1220502 (2022).
(国内雑誌)＜受賞＞[1] 川田拓弥, 理学系研究科研究奨励賞 (博士課程) 東京
大学大学院理学系研究科, 2023 年 3 月 23 日.

[13] 河口真志, 林 将光, 強磁性ヘテロ構造における界面
ジャロシンスキー・守谷相互作用の制御, 日本磁気学
会誌「まぐね」, vol.17, no.1, pp. 19-26 (2022).

[2] 川田拓弥, Spin-torque FMR induced by acoustic
spin Hall eﬀect, 講演奨励賞, 応用物理学会, 2022 年
11 月 17 日.

(学位論文)[14] 川田拓弥, Electromagnetic responses in metallic
thin ﬁlms induced by piezoelectric acoustic waves,
博士論文 (2023).

[3] Hiroki Matsumoto, Cavity magnetomechanics ofsurface acoustic waves with a synthetic antiferromagnet, Best poster presentation award, 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum
Science, 2022 年 11 月 11 日.

[15] 松本啓岐, Acoustic phonon-magnon coupling insynthetic antiferromagnets, 博士論文 (2023).
[16] 鬼頭諄, 透明導電膜 Bi-In 合金の光・伝導特性, 修士
論文 (2023).

[4] 川田拓弥, 優秀賞, フォトンサイエンス国際卓越大学
院プログラム (XPS), 2022 年 11 月 17 日.

[17] 宮崎稜大, ディラック半金属 Bi における円偏光誘起起電流のキャリアドープ・構造依存性, 修士論文 (2023).

[5] 松本啓岐, 人工反強磁性体における表面弾性波フォノ
ン−マグノン結合, 学生優秀発表賞 (領域 3), 日本物理学会, 2022 年 10 月 14 日.

[18] 丸井幸博, 金属薄膜における電流誘起磁気光学 Kerr
効果, 博士論文 (2022).

[6] 松本啓岐, 2 次元フォノニックグラフェンにおける表面弾性波フォノンの伝導特性, 学生優秀発表賞 (領域10), 日本物理学会, 2022 年 5 月 20 日.

[19] Yujun Wang, Magneto-transport properties of
CrTe2 thin ﬁlms, 修士論文 (2022).
＜学術講演＞＜報文＞(国際会議)(原著論文)

一般講演[7] Large intrinsic spin Hall conductivity in orthorhombic tungsten. T Ishikawa, R Akashi, K
Kubo, Y Toga, K Inukai, I Rittaporn, M Hayashi,
S. Tsuneyuki. Phys. Rev. Mater. 7, 026202 (2023).

[20] H. Matsumoto, D. Hatanaka, M. Asano, T.
Kawada, M. Kawaguchi, M. Hayashi, Cavity magnetomechanics of surface acoustic waves with asynthetic antiferromagnet (poster). Best poster
presentation award, 2nd International Symposiumon Trans-Scale Quantum Science, 11/11/2022,
Univ. Tokyo, Tokyo.

[8] M. Ishibashi, K. Yakushiji, M. Kawaguchi, A.
Tsukamoto, S. Nakatsuji, M. Hayashi, Reversal of
current-induced domain wall motion in TbFeCo

81

4.5. 林研究室

4. 物性実験[21] H. Matsumoto, T. Kawada, M. Kawaguchi, M.
Hayashi, Nonreciprocal propagation of surface
acoustic waves in a CoFeB/Ru/CoFeB trilayer synthetic antiferromagenet. The Joint European Magnetic Symposia (JEMS). 7/25/2022, Online.

[32] H. Matsumoto, D. Hatanaka, M. Asano, T.
Kawada, M. Kawaguchi, M. Hayashi, Phononmagnon coupling in a synthetic antiferromagnet
integrated into a surface acoustic wave cavity. 第70 回応用物理学会春季学術講演会, 2023 年 3 月 18日, ハイブリッド開催 (上智大学四谷キャンパス).

[22] T. Kawada, M. Kawaguchi, H. Kohno, M. Hayashi,Contribution of electric displacement ﬁeld to theacoustic spin Hall eﬀect. International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS).
7/15/2022, OIST, Okinawa, Japan.

[33] I. Yasuda, T. Kawada, M. Kawaguchi, M. Hayashi,
ディラック半金属 PtSe2 における偏光依存光応答. 第83 回応用物理学会秋季学術講演会, 2022 年 9 月 23日, ハイブリッド開催 (東北大学川内キャンパス).

[23] H. Matsumoto, T. Kawada, M. Kawaguchi, M.
Hayashi, Detection of acoustically driven spin wave
resonance by DC measurement. International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS).
7/15/2022, OIST, Okinawa, Japan.

[34] H. Kondo, M. Shoshin, M. Kawaguchi, M. Hayashi,
Pulsed Laser Induced Chirality Switching in Tellurium Thin Films. 第 83 回応用物理学会秋季学術講演会, 2022 年 9 月 23 日, ハイブリッド開催 (東北大学川内キャンパス).

[24] M. Ishibashi, K. Yakushiji, M. Kawaguchi, A.
Tsukamoto, S. Nakatsuji, M. Hayashi InertiaDriven Fast Current-induced Domain Wall Motion
in Compensated Ferrimagnets. International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS).
7/12/2022, OIST, Okinawa, Japan.

[35] T. Kawada, H. Matsumoto, M. Kawaguchi, M.
Hayashi, Spin-torque FMR induced by acoustic
spin Hall eﬀect. 第 83 回応用物理学会秋季学術講演会, 2022 年 9 月 22 日, ハイブリッド開催 (東北大学川内キャンパス).
[36] T. Kawada, H. Matsumoto, M. Kawaguchi, K.
Yakushiji, H. Kohno, M. Hayashi, Acoustic spin
Hall eﬀect in heavy metal/ferrimagnetic metal bilayers. 第 83 回応用物理学会秋季学術講演会, 2022 年
9 月 22 日, ハイブリッド開催 (東北大学川内キャンパ
ス).

招待講演

[25] M. Hayashi, Spin currents and light-spin interaction in Dirac materials, 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science, Nov. 8,2022.

[37] H. Matsumoto, K. Yakushiji, T. Kawada, M.
Kawaguchi, M. Hayashi, Magnetoacoustic resonance in RE-TM ferrimagnets. 第 83 回応用物理学会秋季学術講演会, 2022 年 9 月 22 日, ハイブリッ
ド開催 (東北大学川内キャンパス).

[26] Y. Hirai, N. Yoshikawa, H. Hirose, M. Kawaguchi,
M. Hayashi, R. Shimano, Helicity-dependent
terahertz-wave emission from the Dirac electron
system bismuth, SPIE Spintronics XV, Aug. 21,
2022.

[38] Y. Wang, M. Kawaguchi, M. Hayashi, The anomalous Hall eﬀect of MBE-grown van der Waals ferromagnet CrTe2. 第 83 回応用物理学会秋季学術講演会, 2022 年 9 月 22 日, ハイブリッド開催 (東北大学川内キャンパス).

(国内会議)
一般講演[27] 平井誉主在, 吉川尚孝, 河口真志, 林将光, 奥村駿, 岡隆史, 島野亮, 3 次元 Dirac 電子系ビスマスの円偏光
誘起異常 Hall 効果と Floquet 二重 Weyl 状態. 日本
物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3 月 23 日, オンライン.

[39] M. Ishibashi, K. Yakushiji, M. Kawaguchi, A.
Tsukamoto, S. Nakatsuji, M. Hayashi, Error rateof a ferrimagnetic spin shift resister. 第 83 回応用物理学会秋季学術講演会, 2022 年 9 月 20 日, ハイブ
リッド開催 (東北大学川内キャンパス).

[28] 塚本萌太, 山本航輝, 河口真志, 林将光, 佐々木健人,
小林研介, 色中心磁場センサと磁気光学カー効果の同時イメージング技術. 日本物理学会 2023 年春季大会,
2023 年 3 月 22 日, オンライン.

[40] 松本啓岐, 川田拓弥, 河口真志, 友田基信, 松田理, 林
将光, 音響電流によるフォノニック結晶中のフォノン伝導測定. 日本物理学会 2022 年秋季大会, 2022 年 9月 15 日, ハイブリッド開催 (東京工業大学大岡山キャンパス).

[29] 山本航輝, 塚本萌太, 河口真志, 林将光, 佐々木健人,
小林研介, ダイヤモンド量子センサによる磁壁の観測.
日本物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3 月 22 日,
オンライン.

[41] 宮崎稜大, 河口真志, 林将光, ディラック半金属における円偏光誘起起電流. 日本物理学会 2022 年秋季大会, 2022 年 9 月 14 日, ハイブリッド開催 (東京工業大学大岡山キャンパス).

[30] 川田拓弥, 松本啓岐, 河口真志, 林将光, 強磁性単層膜における一方向性プレナーホール起電力. 日本物理学会 2023 年春季大会, 2023 年 3 月 22 日, オンライン.

[42] 松本啓岐, 川田拓弥, 河口真志, 浅野元紀, 畑中大樹, 林
将光, 人工反強磁性体における表面弾性波フォノンー
マグノン結合. 日本物理学会 2022 年秋季大会, 2022
年 9 月 12 日, ハイブリッド開催 (東京工業大学大岡山キャンパス).

[31] M. Asano, H. Matsumoto, M. Hayashi, D.
Hatanaka, Theoretical investigation of cavity magnomechanics with a synthetic antiferromagnet. 第70 回応用物理学会春季学術講演会, 2023 年 3 月 18日, ハイブリッド開催 (上智大学四谷キャンパス).

招待講演

82

4. 物性実験

4.6. 小林研究室[43] T. Kawada, H. Matsumoto, M. Kawaguchi, H.
Kohno, M. Hayashi, The origin of the acoustic spin
Hall eﬀect. 第 70 回応用物理学会春季学術講演会,
2023 年 3 月 18 日, ハイブリッド開催 (上智大学四谷キャンパス).
[44] 林 将光, 非磁性金属における電流誘起磁気光学効果,
新世代研究所 (ATI) 2022 年度第 1 回スピントロニク
ス研究会, 2022 年 10 月 13 日, 御茶ノ水トライエッ
ジカンファレンス.
[45] 林 将光, スピントロニクスとフォノニクス, 第 83 回応用物理学会秋季学術講演会, 2022 年 9 月 21 日, 仙台.
[46] 川田 拓弥, 河口 真志, 林 将光, 薄膜ナノ構造における振動-スピン変換起電力, 日本磁気学会第 237 回研究会, 2022 年 7 月 20 日, オンライン.

図 4.6.7: ダイヤモンド結晶中の NV 中心の模式図。

(セミナー)

カル端状態・永久電流など、重要で魅力的な数多くのテーマが横たわっている。
2022 年度は、小林研介教授、佐々木健人助教、大学院博士課程 1 年生の小河健介氏、塚本萌太氏、修士課程 2 年生の伊藤秀爾氏、西村俊亮氏、修士課程
1 年生の顧豪氏、山本航輝氏、および慶應義塾大学
理工学研究科からの研究指導受託である中村祐貴氏（修士課程 2 年生）のメンバーで研究を行った。伊藤氏 [11]、西村氏 [12] が修士学位を取得した。
研究は (1) 色中心における量子制御と (2) 量子センサの物性計測応用 の二本立てで行っている。また
これまでに行ってきたメゾスコピック系における量
子輸送についても成果を得ている。これらを順に紹介する。

[47] 林 将光, Spintronics 3.0, -Perspectives on thephysics of spins-, 東北大学物理学科コロキウム, 2022
年 5 月 19 日, オンライン.

4.6

小林研究室

1980 年代以降のナノテクノロジーの発展により、
メゾスコピック系の物理学という分野が生まれてきた。この分野は、半導体や金属、超伝導体や強磁性体などから作られる極小の電子回路（メゾスコピック系）を用いて物質の様々な性質の制御を目指す。この分野の発展は様々な量子テクノロジーの可能性をもたらしてきた。その一つが量子力学の原理を用いた精密測定技術=量子計測（量子センシング）である。我々のねらいは量子計測を用いた精密物性物理学の構築にある。
我々は結晶に存在する色中心を量子センサとして用いる量子計測に注力している。代表例がダイヤモ
ンドにおける NV 中心である（図 4.6.7）。NV 中心とはダイヤモンド結晶の中に安定して存在する格子欠陥の一種であり、となり同士の 2 個の炭素原子が窒素（Nitrogen）と原子空孔（Vacancy）のペアに置き換わった構造を持つ。ダイヤモンドには 100 種類以上の色中心が知られているが、NV 中心は光励起後の過程に電子スピンに依存する独特の経路を持つ点でユニークである。この性質を利用すれば単一の NV 中心の電子スピン状態を光学的に読み出せることが 1997
年に示された。この手法を光検出磁気共鳴（opticallydetected magnetic resonance, ODMR）と呼ぶ。長
年の研究により NV 中心内の電子スピンや原子核ス
ピンの量子状態が室温においても極めて長く保持されることがわかっている。さらに 2008 年、ODMRを利用した局所磁場観察の手法が提案された。
我々の目的は、この手法をもとに単一量子スピン顕微鏡を開発し様々な物性計測に適用することである。後述するように、この手法は幅広い温度領域・磁場領域で適用可能でありサブミクロンスケールで磁場や温度の分布を定量的にイメージングできる。物性物理学にはこれまでに存在しなかった手法であり、この先には、非平衡輸送・スピングラス・トポロジ

4.6.1

色中心における量子制御

量子系の周期駆動：フロケエンジニアリング
外場によって周期的に駆動された量子系は、非平衡量子現象の新しい舞台として注目を集めている。
その代表例がフロケ（Floquet）理論によって記述される時間結晶などのフロケ状態である。一方で、現実の系では熱化・ヒーティング・デコヒーレンスなどのため、理想的な状況を検証できるパラメータ領
域には制限がある。そのため、二準位系（量子ビット）が強い駆動に対してどの程度まで理論通りに振る舞えるのか、何がそれを阻害するのかなど、完全には理解されていない未解決の問題がある。
我々は理想的な二準位系である NV 中心を用いてフロケ状態を作りだし、強い外場で周期駆動させた
ときの振る舞いを実験的に調べた。具体的には、NV
中心を大きな磁場と Carr-Purcell シーケンスによって周期的に駆動し、同期読み出し法によってその振る舞いを精密に検出し、さらに理論との定量的な比較を行った。その結果、211 次という非常に高い次数を持つベッセル関数で表されるダイナミクスまで観測できた。しかもその振る舞いが理想的な理論モデルと一致することも確認した。理想的な場合からの僅かなずれについても、パルス長さとエラーを考83

4.6. 小林研究室

4. 物性実験

TLZ モデルにおける量子ダイナミクスが幅広いパラ
メータ範囲で堅牢であることを明らかにした。マイクロ波と回転座標系によってギャップ、掃引速度、曲率といった TLZ モデルのパラメータを制御し、駆動場の掃引方向に対する非相反性や完全トンネルを観測した。加えて、トンネルギャップがゼロの場合のTLZ モデルも検証し、ディラック電子系やワイル電子系においても適用できることを明らかにした。この幾何学的非断熱ダイナミクスは様々なエネルギー
スケールを持つ量子系に適用でき、物性物理、量子計算、核磁気共鳴などの量子制御の新しい基盤として利用できる [43, 51]。

慮した数値解析によって完全に理解できることが分かった。本結果はこれまで逐次読み出し法が適用されてきた交流磁場強度の範囲を 100 倍以上拡大する
ものであり、より広いダイナミックレンジかつ高精度な磁場センシングへの応用を可能とする [5, 12]。

スピン状態の読み出し最適化

NV 中心のスピン状態を高精度に決定する技術は、
センシングの高感度化に直結するため盛んに研究されている。多くの研究では NV 中心の状態を発光強度から決定している。レーザーが照射されると、NV
中心は発光を伴いながら 500 nsec 程度で状態が初期化する。この限られた時間中に得られる光子数は0.02 個程度と少ない。スピン状態の決定に十分な光子数を得るためには、何万回も測定を繰り返す必要がある。先行研究では、繰り返し回数を減少させる
ために、発光強度の時間分解データに重み付けを行う方法が提案されている。 NV 中心が完全に初期化した状態の発光データを参照用に取得し、重み付け係数として利用する。最近では、機械学習により重み付け係数を調整する手法も提案されている。
我々は参照データをスピン緩和モデルによって滑らかにフィッティングしたものを重み付け係数とする手法を開発し、先行研究との比較を行った。先行研究の手法で精度向上を得るためには 1 分程度の参照データの積算が必要であるのに対し、本手法では3 秒という短い積算時間で 7%の読み出し精度の向上が得られることを見出した。さらに、ナノスケール
核磁気共鳴などの長時間の測定で利用されている核
スピンメモリの読み出しに対しても本手法を適用し、従来手法に比べて 11 %高い SN 比を得た [3, 24]。

窒化ホウ素量子センサ

2021 年以降、六方晶窒化ホウ素（hBN）中の点欠−陥であるホウ素空孔欠陥（VB）を利用した物性測定−が行われ始めている。VB はダイヤモンド中の NV中心と同様に、室温において光学的に初期化・読み出しができるスピン 3 準位系をもつ。hBN は 2 次元
ファンデルワールス物質であるため、ダイヤモンド−よりも容易に測定対象に密着できる。そのため、VBは NV 中心よりも測定対象からの磁場をさらに感度良く検出でき、高い空間分解能を得られる可能性が−ある。我々は VB
を物性測定に適用するためにその基本的な制御方法から研究を開始した。
−
VBの ODMR スペクトルは 7 つの小さなディップ−構造を持つ。これらの分裂は VBの第 1 近傍の 3 つの窒素の核スピンの超微細相互作用によって生じる。
NV 中心のスペクトルにはない特徴であり、幅広いス
ペクトルは磁場の測定感度を低下させる。我々はこの状況でも精密な交流磁場測定を可能とするプロト
コルを開発した。超微細相互作用を取り入れた複数の周波数を含む複合パルスを印加することで、Rabi
振動のコントラストを 2.2 倍向上させた [22, 33, 40]。

幾何学的非断熱ダイナミクス
トンネル遷移は基本的な量子ダイナミクスである。
1930 年代に示された Landau-Zener（LZ）モデルは、量子状態間のトンネル遷移確率と駆動場の掃引速度を結びつける厳密な物理モデルであり、様々な量子系において実証されている。1990 年には幾何学的効果を取り入れて拡張された twisted Landau-Zener（TLZ）
モデルが示された [Berry, Proc. R. Soc. Lond. A
430, 405 (1990)]。TLZ モデルでは、駆動場の幾何学的な掃引が示す Berry 曲率に従ってトンネル遷移確率が変調される。これは断熱的な効果である Berry
位相とは対照的に、非断熱の幾何学的量子ダイナミクスである。Berry のこのアイデアは長年見過ごされてきたが、最近の理論研究で再検討され [Takayoshi,
Wu, and Oka, SciPost Phys. 11, 075 (2021)]、よりシンプルなモデルが提案された。従来の LZ モデルとは異なり新しい TLZ モデルでは有限の掃引速度において 100%に近いトンネル遷移確率を得られる（完全トンネル）。しかし、この幾何学的非断熱ダイ
ナミクスを実験的に検証した例はなかった。
我々は、NV 中心の電子スピンを二準位系として利用した実験を行い、駆動場を二次関数的に掃引する

4.6.2

量子センサの物性計測応用

機械学習による精密磁場計測
近年、NV 中心を含むナノダイヤモンドを膜状に散布することで磁場や温度 [6] のイメージングを行う手法が提案されている。その利点は、ナノダイヤモ
ンドの調達が容易であることや、任意の表面形状を持つ対象に直接適用できることにある。しかし、ダイヤモンドの結晶方位がランダムになるため ODMR
スペクトルが複雑になる。その状況を考慮した物理モデルもあるが推定される磁場は正確ではなかった。
我々は機械学習の一つであるガウス過程回帰を用いることで、物理モデルを用いない磁場推定法を開発した。スペクトルと磁場強度をそれぞれ入力デー
タと出力変数に対応させ、精密測定したナノダイヤモ
ンドのスペクトルの磁場依存性をトレーニングデー
タとして利用した。得られた関数を利用し、トレー
ニングデータとして使っていないスペクトルをテス

84

4. 物性実験

4.6. 小林研究室

トデータとして磁場強度を推定し、ヘルムホルツコ
イルで生成した磁場強度（真の磁場強度）と比較した。物理モデルを用いた従来法で磁場を推定すると、ほとんどの条件において推定精度の範囲が真の磁場強度と整合しなかった。一方で、機械学習を用いる
本手法では真の磁場強度と整合する結果が得られた。
真の磁場強度と推定の中心値の差を比較すると、本手法では従来法と比較して最大 50 倍程度の正確性の向上が得られた。さらに、導線を流れる電流によって生じる磁場を本手法によって局所的にイメージングすることにより、高い空間分解能も実証した。本
手法は、機械学習の利用によって、ナノダイヤモンドを用いた高空間分解能かつ正確な磁場イメージン
グに初めて成功したものである。ナノダイヤモンド
はあらゆる形状の物質に付着させることが可能であるため、磁性体、電子デバイス、生体材料、鉱物などにも利用できる [1, 4, 28, 38, 46, 48, 50, 53]。

磁気光学カー効果との同時測定手法の開発
我々は磁気構造の観測手段として一般的な磁気光学カー効果（MOKE）を、NV 中心による磁場イメー
ジングを組み合わせて同時に測定する手法を開発した。両者を組み合わせることで磁化の分布を定量的に決定できる。ただし磁化分布を正しく導出するためには、同じ測定系で同じ観測視野を測定することが必要である。我々は量子スピン顕微鏡に MOKE を
組み込み局所的な磁化分布の同時計測を行った。光
強度と偏光の 2 つの指標を同時に測定するための技術的要件を明らかにし、磁壁のクリープ現象の実時間測定に成功した [20, 41, 42]。

マイクロ波イメージング
幅広い分野において、局所的なマイクロ波強度のイメージング技術が必要とされている。微小なマイクロ波デバイスの評価や、スピン波など磁性体におけるマイクロ波領域でのダイナミクスの可視化がその例である。しかし、定量的かつ広視野を同時に実現可能な測定手法はほぼ皆無である。NV 中心を用いると Rabi 振動を用いてマイクロ波強度を定量的に測定できる。また、広視野顕微鏡を組み合わせる技術を利用すれば、異なる位置での同時刻のマイク
ロ波強度をイメージングできる。我々は NV 中心を用いたマイクロ波イメージング測定系を開発し、コ
プレーナ導波路を伝送するマイクロ波の実空間分布のイメージングに成功した [21, 36]。

ロックインサーモグラフィー

NV 中心は温度測定に用いることもできる。温度変化によって結晶格子が伸縮するため、NV 中心内の準位も変化し、その様子を ODMR スペクトルとして検出できるためである。我々は NV 中心を用いて熱伝導を可視化する研究を行った。具体的には、温度のロックインイメージング測定手法（ロックイン
サーモグラフィー）を開発し、ガラスおよびテフロンに塗布したナノダイヤモンド膜を測定対象とした原理実証実験を行った。試料の片側から交流的に熱を加え、試料中を熱が伝播する様子を NV 中心を用いてマイクロメートル・サブケルビンの精度で画像として検出した。ロックイン検出の原理を用いて、振幅と位相の情報から測定対象の熱拡散率を定量的に決定し、物質による熱拡散率の違いを測定できることを示した [6] 。さらに精度向上を目指して機械学
習と組み合わせた研究も行った [2, 18, 34]。通常の温度計を用いた測定手法に比べ、極小のナノダイヤ
モンドを用いて光学的に非接触で測定する本手法は非侵襲的であり、熱物性測定に適している。

励起光強度依存性
最近、低磁場における単一ナノダイヤモンド中のNV 中心の ODMR スペクトルが励起光強度依存性を持つために、温度測定の確度が低下することが報告された。この現象は微弱な磁場測定においても確度を低下させる。特に、CMOS カメラと NV 中心アンサンブルを利用した磁場や温度の広視野イメージ
ングにおいては、視野内の励起光密度の不均一さが磁場や温度のアーティファクトを引き起こす可能性があるため、重要な課題となる。我々は、複数の NV
中心試料を用いてスペクトルの励起光密度依存性を調査した。まず、ナノダイヤモンドにおける NV 中
心のスペクトルの励起光密度依存性を調査し、先行研究の結果を再現した。さらに、この振る舞いが指数関数で表され励起光密度が大きくなると飽和することを明らかにした。次に、単結晶ダイヤモンドでも同様の傾向を確認し、この現象が NV 中心の本質的な性質に由来すると結論した。本現象のメカニズ
ムとしては、何らかの局所的な歪み（例えば光励起によって動的に誘起される NV 中心近傍の電場の不均一性）が考えられる [11, 35]。

超伝導体における量子渦の観測
超伝導体に侵入する磁束は量子化する。この量子渦は様々な手法で可視化されてきた。我々は、ダイ
ヤモンド 結晶中で [111] 方向に完全配向した NV 中
心を持つ高感度な薄膜センサー層を用いて、典型的な高温超伝導体である YBCO 薄膜中の量子渦を調べた。その結果、量子渦周囲の磁束密度分布を広視野
かつ定量的に可視化することに成功した。測定された量子渦からの漏れ磁場は統計誤差 12%で量子化していることを示しており、得られた磁場分布が理論モデルとよく整合することを確認した。本手法は極限環境にも親和性が高いため、様々な超伝導体の量
子渦の観測に利用できる。さらに、揺らぎなどこれまで測定が難しかった量子渦のダイナミクスの情報にアクセスできる可能性を持つ [12, 23, 44]。

85

4.6. 小林研究室

4. 物性実験

我々は、近藤状態にある量子ドットの電気伝導度の磁場依存性に関して普遍的なスケーリング特性があることを理論的・実験的に見出した。SU(2) アンダーソン不純物モデルに対して数値繰り込み群アプロー
チと Bethe ansatz 厳密解を用いた定式化を行い、線形領域にある電気伝導度の磁場依存性の実験・数値
データセットから局所フェルミ液体理論で定義される近藤温度を評価する方法を開発し、実験結果への適用にも成功した [17, 39]。

NV 中心イメージングにおける光学収差
NV 中心を用いるイメージングの際には、透明なダイヤモンド越しに顕微測定を行う構成が用いられる。しかし、ダイヤモンドの高い屈折率（∼ 2.45）によって光学収差が大きくなり、信号強度の減少および分解能の低下が生じる。我々は、イメージング系
における光学収差が測定結果にどの程度影響を与えるかを調査した。まず単一 NV 中心の光学形状を測定し、ダイヤモンド表面から深くなるほど点像分布関数（PSF）が広がることと、光量が最大となる位置での発光強度が低下することを確認した。その後、コマ収差や非点収差を含む 5 次までの収差関数を用
いて PSF を計算し、収差の大きさを見積もった。回
折限界まで分解能を維持して測定を行うための許容収差量には複数の指標があるが、ストレール比を用いたレイリーの 1/4 波長則は有用性が広く認知された基準である。これらを踏まえて、許容収差内に収まる光路差を求めた。光路差を小さくするためには、
薄いダイヤモンドが効果的である。1/4 波長則を満足するダイヤモンドの厚みを計算することで、回折限界を達成する条件を求めた [12, 37]。

4.6.3

Bi/Ni 超伝導リングにおける Little-Parks 振動
Bi/Ni は、MgO 基板上に数十ナノメートルの厚さの Bi と数ナノメートルの厚さの Ni を分子線エピタ
キシー法で積層した二層膜である。Bi は典型的な半金属であるが、Bi/Ni 二層膜は金属的であり、4 K 以
下で超伝導を示す。さらに、Ni 層は超伝導状態でも強磁性を保つ。このように Bi/Ni 二層膜では超伝導と強磁性が共存することから、非従来型超伝導体である可能性がある。我々は Bi/Ni 二層膜からメゾス
コピックリング素子を作製し Little-Parks（LP）振動を調べた。従来型超伝導体と非従来型超伝導体では、磁束量子の半整数分だけ LP 振動の位相がシフトすることが知られている。我々は、Bi/Ni デバイスの LP 振動の位相を精密に見積もるために、従来型の Nb リング素子の LP 振動を同時に計測し、Bi/Ni
二層膜の超伝導オーダーパラメーターについて議論した [13, 16]。

メゾスコピック系における量子輸送

磁気トンネル接合における非線形伝導
磁気トンネル接合（MTJ）とは、2 層の強磁性体が絶縁体を挟んだ構造を持つ素子である。2 つの強磁性体の相対的な磁化方向によって電気抵抗が大きく変化するという、顕著なスピン依存伝導を示す。MTJに関しては、電流 I と電圧 V の関係がオームの法則からずれるという非線形性があることが知られている。
このような非線形性は磁場センサとしての応用の際に障害となるため、そのメカニズムの解明は重要である。例えば、我々はマグノンが非線形性の原因となっている可能性について実験的に議論した [Iwakiri etal. Phys. Rev. B 103, 245427 (2021)]。今回、我々は磁化容易軸が垂直で様々な接合サイズを持つ MTJを用いて、低バイアス領域での非線形伝導を調べた。
電流電圧特性は、I = G1 V + G2 V 2 + G3 V 3 + · · · と表される。我々は、G2 が接合サイズの減少とともに増加すること、G3 は G1 と負の相関を持つこと、その係数 ∆G3 /∆G1 は G2 と正の相関を持つこと、を見出した。非線形伝導にこのような系統的な関係が存在することは、背後に普遍的なメカニズムがある
ことを示唆する。これらの結果は、電子が接合をトンネルする際のスピン反転や、デバイス端での材料特性の変調を考慮することで説明できた [7]。

＜受賞＞

[1] 塚本萌太、日本物理学会 2022 年秋季大会学生優秀発表賞（領域 3）
「機械学習によるナノダイヤモンド量
子センサの磁場イメージング」（2022 年 10 月）。
[2] 山 本 航 輝 、Poster Award at 2nd International
Symposium on Trans-Scale Quantum Science(TSQS2022), Nanodiamond quantum thermometer assisted with machine learning （2022 年 11 月）。
＜報文＞(原著論文)[3] Y. Nakamura, H. Watanabe, H. Sumiya, K. M.
Itoh, K. Sasaki, J. Ishi-Hayase, and K. Kobayashi,“Optimization of optical spin readout of thenitrogen-vacancy center in diamond based on spin
relaxation model”, AIP Advances 12 (5), 055215(2022).
[4] M. Tsukamoto, S. Ito, K. Ogawa, Y. Ashida, K.
Sasaki, and K. Kobayashi, “Optimization of optical spin readout of the nitrogen-vacancy center indiamond based on spin relaxation model”, Scientiﬁc Reports 12 (1), 13942 (2022).

量子ドットにおける近藤温度の決定[5] S. Nishimura, K. M. Itoh, J. Ishi-Hayase, K.
Sasaki, and K. Kobayashi, “Floquet Engineering
Using Pulse Driving in a Diamond Two-Level System Under Large-Amplitude Modulation”, Physical Review Applied 18 (6), 064023 (2022).

我々は 10 年以上にわたって近藤効果によって形成された量子液体の性質を平衡状態から非平衡状態まで精密に調査してきた [25, 26]。近藤効果にとって最も重要なエネルギースケールは近藤温度である。

86

4. 物性実験

4.6. 小林研究室[6] K. Ogawa, M. Tsukamoto, K. Sasaki, and K.
Kobayashi, “Floquet Engineering Using Pulse
Driving in a Diamond Two-Level System Under Large-Amplitude Modulation”, Journal of the
Physical Society of Japan 92 (1), 014002 (2023).

[16] M. Tokuda, M. Nakao, M. Watanabe, R. Nakamura, M. Maeda, S. Lee, D. Yue, K. Aoyama,
T. Mizushima, X.-F. Jin, K. Kobayashi, and Y.
Niimi, “Observation of Little-Parks oscillations in
Bi/Ni bilayer ﬁlm”, 29th International Conference
on Low Temperature Physics (LT29) (Sapporo,
Japan & Online, August 18–24, 2022) [poster][Best Poster Award].

[7] M. Shinozaki, J. Igarashi, S. Iwakiri, T. Kitada,
K. Hayakawa, B. Jinnai, T. Otsuka, S. Fukami,
K. Kobayashi, and H. Ohno, “Nonlinear conductance in nanoscale CoFeB/MgO magnetic tunnel
junctions with perpendicular easy axis”, PhysicalReview B 107 (9), 094436 (2023).

[17] R. Sakano, T. Hata, K. Motoyama, Y. Teratani,
T. Arakawa, M. Ferrier, R. Deblock, M. Eto, K.
Kobayashi, and A. Oguri, “Universal Scaling property of Linear Conductance through a Kondo Dot
in Magnetic Field and its Application”, 29th International Conference on Low Temperature Physics(LT29) (Sapporo, Japan & Online, August 18–24,
2022) [poster].

(国内雑誌)[8] 小林研介：「物理学専攻の佐々木健人助教が第 38 回
井上研究奨励賞を受賞」、東京大学理学系研究科・理学部ニュース 53 (6), 13 (2022).

[18] K. Yamamoto, K. Ogawa, M. Tsukamoto, K.
Sasaki, and K. Kobayashi, “Nanodiamond quantum thermometer assisted with machine learning”, 2nd International Symposium on TransScale Quantum Science (TSQS2022) (The University of Tokyo, Japan, November 8–11, 2022)[poster][Poster Award].

[9] 小林研介、村上修一、木村昭夫：「令和 3 年度科学研
究費助成事業（科研費、基盤研究等）審査結果報告」、
日本物理学会誌 77 (5), 324 (2022).
[10] 小林研介：「化研の思い出」、京都大学化学研究所広報誌「黄檗」57, 13 (2022).
(学位論文)[19] R. Okaniwa, Y. Matsuzaki, T. Yamaguchi, H.
Watanabe, N. Mizuochi, N. Tokuda, Y. Nakano,
K. Kobayashi, K. Sasaki, and J. Ishi-Hayase,“Frequency-tunable AC Magnetometry by Using Electronic Spin Triple-Resonance of NitrogenVacancy Center in Diamond”, MRS Fall 2022
(Boston, USA & Online, November 27–December
1, 2022) [oral].

[11] 伊藤秀爾：「ダイヤモンド窒素空孔中心における磁気共鳴スペクトルの励起光密度依存性」、修士論文、2023
年 3 月。
[12] 西村俊亮：「ダイヤモンド量子センサを用いた磁性測定技術の開発」、修士論文、2023 年 3 月。
＜学術講演＞[20] M. Tsukamoto, K. Yamamoto, M. Kawaguchi, M.
Hayashi, K. Sasaki, and K. Kobayashi, “Imaging of
domain wall motion using quantum magnetic sensor”, FoPM Symposium (The University of Tokyo,
Japan, February 6–8, 2023) [oral].

(国際会議)
一般講演[13] M. Tokuda, M. Nakao, M. Watanabe, R. Nakamura, M. Maeda, S. Lee, D. Yue, K. Aoyama, T.
Mizushima, X.-F. Jin, K. Kobayashi, and Y. Niimi,“Observation of Little-Parks oscillations in Bi/Nibilayer ﬁlm”, 24th International Colloquium on
Magnetic Films and Surfaces (ICMFS2022) (Okinawa, Japan, July 10–15, 2022) [poster].

[21] K. Ogawa, M. Tsukamoto, K. Sasaki, and K.
Kobayashi, “Microwave imaging using diamondquantum sensor”, FoPM Symposium (The University of Tokyo, Japan, February 6–8, 2023) [oral].
[22] H. Gu, Y. Nakamura, K. Sasaki, and K. Kensuke, “Quantum sensor in two-dimensional van der
Waals material”, FoPM Symposium (The University of Tokyo, Japan, February 6–8, 2023) [poster].

[14] R. Okaniwa, Y. Matsuzaki, T. Yamaguchi, H.
Watanabe, N. Mizuochi, N. Tokuda, Y. Nakano,
K. Kobayashi, K. Sasaki, and J. Ishi-Hayase, “Investigation of Electronic Spin Triple-Resonance ofNitrogen-Vacancy Centers in Diamond for Sensing”, CLEO-PR 2022 (Hokkaido, Japan & Online,
July 31–August 6, 2022) [oral].

[23] S. Nishimura, T. Kobayashi, D. Sasaki, T. Tsuji,
T. Iwasaki, M. Hatano, K. Sasaki, and K.
Kobayashi, “Quantitative magnetic imaging of superconducting quantum vortex using solid-state
quantum spin sensor”, FoPM Symposium (The
University of Tokyo, Japan, February 6–8, 2023)[poster].

[15] T. Mikawa, K. J. Hallbäck, Y. Matsuzaki, Y.
Nakano, N. Tokuda, K. Sasaki, K. Kobayashi,
and J. Ishi-Hayase, “Imaging of Magnitude andPhase of AC Magnetic Field Using ContinuousWave Scheme with Diamond”, CLEO-PR 2022
(Hokkaido, Japan & Online, July 31–August 6,2022) [oral].

[24] Y. Nakamura, H. Watanabe, K. M. Itoh, K. Sasaki,
J. I. Hayase and K. Kobayashi, “Optimization of
optical spin readout of the nitrogen-vacancy centerin diamond based on spin relaxation model”, APS
March Meeting 2023 (Las Vegas, USA, March 5–10, 2023) [oral].

874.6. 小林研究室

4. 物性実験

招待講演[38] 塚本萌太、伊藤秀爾、小河健介、蘆田祐人、佐々木健
人、小林研介：「機械学習によるナノダイヤモンド量
子センサの磁場イメージング」[学生優秀発表賞]。

[25] K. Kobayashi, “Three-body correlation in nonequilibrium quantum liquid”, 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29) (Sapporo, Japan & Online, August 18–24, 2022).

[39] 阪野塁、秦徳郎、本山海司、寺谷義道、堤和彦、荒川智紀、Meydi Ferrier、Richard Deblock、江藤幹雄、
小林研介、小栗章：「磁気コンダクタンスを用いた近藤温度の見積もりの実験データへの適用」。

[26] K. Kobayashi, “Non-equilibrium behavior of correlated quantum liquid”, the 15th Asia Paciﬁc
Physics Conference (APPC15) (Seoul, South Korea & Online, August 21–26, 2022).

【日本物理学会 2023 年春季大会】（オンライン、2023 年 3 月 22–25 日）[27] K. Kobayashi, “Mesoscopic physics and quantum
sensing”, the Max Planck–UBC–UTokyo Centre
for Quantum Materials Annual Meeting (Vancouver, Canada, September 19–21, 2022).

[40] 顧豪、中村祐貴、佐々木健人、小林研介：「六方晶窒化ホウ素（hBN）量子センサの複合パルス制御による感度向上」。
[41] 塚本萌太、山本航輝、河口真志、林将光、佐々木健人、
小林研介：「色中心磁場センサと磁気光学カー効果の同時イメージング技術」。

[28] K. Sasaki, “Accurate magnetic ﬁeld imaging withnanodiamond quantum sensors enhanced by machine learning”, 2nd International Symposium on
Trans-Scale Quantum Science (TSQS2022) (The
University of Tokyo, Japan, November 8–11, 2022).

[42] 山本航輝、塚本萌太、河口真志、林将光、佐々木健
人、小林研介：「ダイヤモンド量子センサによる磁壁の観測」。

(国内会議)[43] 佐々木健人、中村祐貴、寺地徳之、岡隆史、小林研介：「量子状態の幾何学的非断熱制御の実証」。

一般講演[44] 西村俊亮、小林拓、佐々木大地、辻赳行、岩﨑孝之、波多野睦子、佐々木健人、小林研介：「ダイヤモンド
量子センサを用いた超伝導体薄膜の磁束量子の定量的観測」。

[29] 小林研介：「D01 説明」、新学術領域研究「量子液晶の物性科学」第 2 期公募研究キックオフミーティング（東京大学 & オンライン、2022 年 6 月 17–18 日）。
[30] 岡庭龍聖、松崎雄一郎、山口達万、渡邊幸志、水落憲
和、中野裕太、徳田規夫、佐々木健人、小林研介、早瀬潤子：「ダイヤモンド中 NV 中心の電子スピン三重共鳴現象を用いた周波数可変な交流磁場センサ」、第83 回応用物理学会秋季学術講演会（東北大学 & オン
ライン、2022 年 9 月 20–23 日）。

招待講演[45] 小林研介：「量子を見る、量子で見る」、さきがけ「トポロジー」領域 第 7 回領域会議（東京、2022 年 8 月
29 日）。
[46] 小林研介：「量子テクノロジーと機械学習」、東京大学
AI センター連続シンポジウム 第 11 回「共進化する
物理学と人工知能の現在」（オンライン、2022 年 10
月 3 日）。

[31] 小林研介：“Physical properties measurement using
diamond quantum sensors”, 令和 4 年度 新学術領域
研究「量子液晶の物性科学」領域研究会（名古屋大学& オンライン、2022 年 12 月 8–10 日）。

[47] 小林研介：「量子液体と量子スピン顕微鏡—量子を見る、量子で見る—」、物理談話会（千葉大学、2022 年
11 月 29 日）。

【日本物理学会 2022 年秋季大会】（東京工業大学、東京、2022 年 9 月 12–15 日）[48] 佐々木健人：「ダイヤモンド量子顕微鏡の開発と機械学習による高精度化」、固体量子センサ研究会 第 3 回
研究会（オンライン、2023 年 1 月 12 日）。

[32] 佐々木健人、伊藤公平、阿部英介：「高次スピンダイ
ナミックスとエンタングルメントによる動的核スピ
ン偏極のコヒーレントな抑制」。
[33] 顧豪、中村祐貴、佐々木健人、小林研介：「六方晶窒化ホウ素の欠陥を利用した磁場センシング」。

[49] 小林研介：「ダイヤモンド量子センサによる物性研究」、
2023 年第 70 回応用物理学会春季学術講演会（上智大学、東京 & オンライン、2023 年 3 月 15–18 日）。

[34] 山本航輝、小河健介、塚本萌太、佐々木健人、小林研介：「機械学習を用いたナノダイヤモンド量子温度センサ」。

(セミナー)[50] 佐々木健人：「色中心量子センサによる磁場・温度の精密計測」、第 1 回創発研究交流会（東京大学大学院
理学系研究科、2022 年 7 月 15 日）。

[35] 伊藤秀爾、塚本萌太、小河健介、寺地徳之、佐々木健
人、小林研介：「ダイヤモンド量子センサの励起光強度依存性」。

[51] 佐々木健人：「ダイヤモンド中窒素空孔中心を用いた
量子センシング」、理論インフォーマルセミナー（東京大学物性研究所、2022 年 9 月 29 日）。

[36] 小河健介、西村俊亮、佐々木健人、小林研介：「ダイヤモンド量子センサを用いたマイクロ波イメージン
グ測定」。

(集中講義)[37] 西村俊亮、塚本萌太、佐々木健人、小林研介：「ダイヤモンド NV 中心を用いたセンシングにおける光学
収差の影響」。

[52] 小林研介、千葉大学理学部物理学科「メゾスコピック
物理入門」（千葉大学、2022 年 11 月）。

88

4. 物性実験

4.7. 中辻・酒井研究室

か観測例がなかった。その中、我々は磁性体 Mn3 Snを用い、世界で初めて反強磁性状態において巨大異常
ホール効果を観測した [Nature (2016)]。この物質は強磁性体の 1/1000 の磁化しか持たないため、ベリー
曲率が極端に大きくなる機構の解明が課題であった。
そこで、ベリー曲率は波数空間の仮想磁場であり、ワイル点を源として現れることに着目し、電子状態の解明やカイラル異常の研究を行い、物質中に磁気ワイ
ルフェルミオンがいることをその世界初の例として明らかにした [Nat. Mater. (2017)]。これらの現象
はすべて室温で現れることから、巨大な磁気熱電効果[Nat. Phys. (’17,’18), Nature (’20), Nat. Commun.
(’21), Sci. Adv. (’22)] や、反強磁性スピントロニク
ス [Nature (’19, ’20)] など省エネ・脱炭素を目指した熱電応用や次世代の高速通信・メモリデバイスなどへの応用研究にも繋がっている。

(プレスリリース)[53] 「ナノダイヤモンド磁場イメージング—量子計測 ×
機械学習の新展開」（東京大学、2022 年 9 月）。
(アウトリーチ)[54] 小林研介：「ナノテクノロジーと量子力学」、令和 4 年度「東大の研究室をのぞいてみよう！ 〜多様な学生を東大に〜」プログラム（オンライン、2023 年 3 月
28 日）。

4.7

中辻・酒井研究室

今、物性分野で重要な発見が相次いでいます。これまでの磁性や超伝導、スピントロニクスといった分野が、トポロジーという概念によって、再び見直され整理・統合され、多くの新しい物理や現象の発見に繋がっています。また、素粒子論で発達した概念が物性分野の実験で初めて確認されたり、宇宙論・量子情報の技術が量子液体や超伝導の研究でブレー
クスルーをもたらしたりと、既存の分野を超えた新
しい視点での研究が物性分野に変革をもたらしています。こうした大きな潮流を先導しているのは、実は、新しい概念を具現する量子物質の発見です。その原動力は、物性の深い理解に基づいた物質探索とその合成であり、世界最高精度の物性測定技術です。
私たちが生み出す量子物質は新しい物理概念を提供
し基礎分野で世界を先導するだけでなく、その驚くべき機能性ゆえに産業界からも注目を集めています。
これらの独自の量子物質を用いて、様々な環境での精密測定を自ら行うことで、新しい物性とその背後にある物理法則の解明を目指しています。

反強磁性体 Mn3 Sn を用いたトンネル磁気抵抗効果の観測
トンネル磁気抵抗 (TMR) 効果は、磁性金属で絶縁体を挟んだ磁気トンネル接合を流れるトンネル電流が、磁性金属層の持つ磁気モーメントの向きによって変化する現象であり、磁気抵抗メモリなどに応用されている。TMR 効果は、強磁性金属層/絶縁体層/
強磁性金属層で構成される接合系で主に観測されており、反強磁性体は磁化が補償しているため磁性金属層として用いることは困難であると考えられてきた。本研究では、異常 Hall 効果など強磁性体と類似の応答を示す反強磁性体である Mn3 Sn に着目し、Mn3 Sn/MgO/Mn3 Sn 磁気トンネル接合系を作製した。磁気抵抗効果測定の結果、Mn3 Sn を用いた接合系において室温で TMR 効果を観測することに成功した [4]。反強磁性体は強磁性体よりも高速な THz
帯での応答が可能であるため、本研究は、反強磁性
TMR 効果の学理開拓のみならず、今後、高速動作メ
モリの開発などの産業応用へも繋がると期待される。

主な研究テーマ
1. 物質中の相対論的粒子及び新規量子現象• ワイル粒子とカイラル異常• 量子スピンアイスの磁気単極子、フォトン
2. トポロジカル磁性体の室温量子伝導• ワイル反強磁性体のスピントロニクス• ベリー曲率と熱・光巨大応答
3. 強相関電子系における量子相転移• 多極子揺らぎによる異常金属相・高温超伝導

4.7.1

反強磁性秩序がつくる垂直二値状態の電気的スイッ
チング

THz 帯の超高速応答が可能な情報担体として、巨大な異常ホール効果を示すワイル反強磁性体 Mn3 Snが注目されており、反強磁性秩序の電気的な制御に関する研究が精力的に進められている。本研究では、高品質な Mn3 Sn エピタキシャル薄膜を作製し、エピ
タキシャル歪みにより膜面垂直方向にのみ自由度を持つ反強磁性秩序（垂直 2 値状態）を実現した。このMn3 Sn 層と重金属層との多層膜からなる反転素子を作製し、書き込み電流によるホール電圧の変化を室温で測定した結果、14 MA/cm2 程度の書き込み電流によって、素子が出力する信号を 100 % 反転可能
であることを確認した [2]。数値計算の結果、スピン
ホール効果により生じたスピン流のスピン偏極方向に対して、カイラル反強磁性秩序の回転面（磁気容易面）を垂直に配置することが、Mn3 Sn における高トポロジカル磁性体における新規量子現象の探索と巨大応答

ベリー曲率は量子ホール系における整数（チャーン数）に相当する量であり、垂直方向の量子伝導を誘起する。その端緒は TKNN 公式 (Thouless-KohmotoNightingale-den Nijs) として知られ、Thouless はこの功績で 2016 年にノーベル物理学賞を受賞している。
一方、異常ホール効果はゼロ磁場で発現するホール効果であり、同様のベリー曲率機構による理解が進んでいたものの、１９世紀の発見以来、強磁性体でし89

4.7. 中辻・酒井研究室

4. 物性実験

純良な Mn3 Sn 単結晶試料に引張方向と圧縮方向へ一軸性の歪みを高精度、かつ、幅広い範囲で加えることが可能な圧電歪みステージを開発し、歪みによる異常ホール信号の変化を測定した。その結果、Mn3Sn
が 0.1%程度の非常に小さな歪みでピエゾ磁気効果を示すことを発見した [3]。ホール信号は大きさのみな
らず符号まで反転することから、Mn3 Sn では他の磁性体と比べて非常に高効率に歪みにより信号を制御できることが明らかになった。
図 4.7.8: 図(a) 0 と 1 の情報に対応するトンネル

磁気抵抗効果の模式図。反強磁性体 Mn3 Sn からなる

トポロジカル磁性体の異常ホール効果の超高速ダイ

MTJ 素子のクラスター磁気八極子偏極の平行と反平

ナミクス

行状態を示す。(b) 室温において測定した Mn3 Sn/

磁性体に電場を印可すると、それと平行方向だけ
でなく垂直方向にも電流が生じることが知られている。これは異常ホール効果と呼ばれ、近年では物質の持つトポロジカルな性質とも深く関わりがあることが明らかにされている。一方、不純物由来の散乱による異常ホール効果も存在し、異常ホール効果が観測されるたびにその微視的機構がどちらに起因するものかが必ず議論の対象となっている。本研究ではトポロジカル磁性体 Mn3 Sn にフェムト秒光パルスを照射しそれによって生じる異常ホール効果の変化
を、テラヘルツ波パルスの偏光回転を通して調べる実験を行った。その結果、縦伝導は 3%しか変化しな
いにも関わらず、ホール伝導は 0.5 ps ほどの時間で40%も変化することが明らかとなった [5]。この実験
結果は、トポロジカルな性質が起源だとするとよく説明できる一方、不純物散乱由来だとすると全く説明できない。すなわち、本研究は光パルスを当てた直後の異常ホール効果を調べることで、その微視的機構を解明する新手法を開拓したものである。また、
異常ホール効果は磁性体の磁気情報を電流によって読み出す手段としても重要であるが、本研究成果は
磁気記録媒体への情報書き込みおよび読み出しの速度限界を決める機構を明らかにするものとしても注目される。

トンネル障壁層（MgO）/Mn3 Sn の MTJ 素子における磁気抵抗効果。図中の矢印は 2 つの Mn3 Sn 層
におけるクラスター磁気八極子偏極の方向を示している。
効率な情報記憶の鍵であることを明らかにした。本結果は、省電力・信頼性の高い記録技術として磁気メモリで用いられる「垂直磁気記録」が反強磁性体で可能であることを実証した初めての例である。

図 4.7.9:

図(a) W/Mn3 Sn 素子におけるホール電圧の磁場依存性。外部磁場は膜面直方向。(b)ワイル反強磁性体 Mn3 Sn の微小構造の作成及び熱W/Mn3 Sn 素子におけるホール電圧の書き込み電流

安定性の確認依存性。右側の縦軸が示す様に 100%の反転率を示

ワイル反強磁性体の Mn3 Sn は非常に小さな磁化を持つにもかかわらず異常ホール効果 (AHE) や異常ネルンスト効果などの大きな応答を示すことから、
次世代メモリデバイスの材料として注目されている。
Mn3 Sn のエレクトロニクスへの統合に向けた重要なステップの一つとして、微小構造の機能性を確立することが挙げられる。本研究では、高温に保たれた Si/SiO2 基板上に Mn3 Sn を堆積することで、直径100〜数 100 ナノメートルの Mn3 Sn の孤立した微小構造の作製に成功した [1] 。これらの構造を Al の導電層でつなぎ輸送特性を測定した結果、時間反転対称性の破れた磁気構造に起因する AHE を観測した。
この輸送測定より常温での磁気構造の安定性が確認され、Mn3 Sn を用いた微小デバイスの進展が期待される。

す。この実験では 0.1 T のバイアス磁場を印加している。

ピエゾ磁気効果を用いたカイラル反強磁性秩序の制御
従来の常識とは異なり、巨大な異常ホール効果等の時間反転操作に対して奇関数の応答を示すワイル
反強磁性体 Mn3 Sn では、秩序変数であるカイラル反強磁性秩序の外場による応答に基礎・応用両面から注目が集まっている。外場としては磁場や電場（電流）が一般的であるが、本研究では歪みに着目した。

90

4. 物性実験

4.7. 中辻・酒井研究室

多体系における量子エンタングルメ
ント状態[4] L. Smejkal, A.H. MacDonald, J. Sinova, S. Nakatsuji, T. Jungwirth “Anomalous Hall antiferromagnets” Nat. Rev. Materials 7, 482–496 (2022).

個々の量子状態の直積に分解できない状態は量子もつれ（Quantum entanglement）と呼ばれ、非局所性を始めとする量子力学特有の現象をもたらす。量子コンピュータにおいてはいかにそのような量子ビットを増やすかが一つの課題であるが、固体中ではア
ボガドロ数個のマクロな数の粒子が量子もつれ状態になる事がある。そのスピン系での例が量子スピン
液体 (Quantum spin liquid) であり、電子系での例
が異常金属 (Strange Metal) である。

[5] Y. Sakaguchi, S. Ikeda, M. Mizumaki, K. Kuga, S.
Suzuki, K. Sone, S. Nakatsuji, and H. Kobayashi“Pressure-induced changes of valence ﬂuctuationin β-YbAlB4 probed by x-ray absorption spectroscopy” Phys. Rev. B 105, 155129 (2022).

4.7.2[6] M. Grbic, E. O’Farrell, Y. Matsumoto, K. Kuga,
M. Brando, R. Kuchler, A. Nevidomskyy, M.
Yoshida, T. Sakakibara, Y. Kono, Y. Shimura,
M. Sutherland, M. Takigawa, and S. Nakatsuji“Anisotropy-driven quantum criticality in an intermediate valence system” Nat. Comm. 13, 2141
(2022).

スピンと軌道の量子もつれの巨視的効果の発見と制御[7] I. Kapon, C.W. Rischau, B. Michon, K. Wang, B.
Xu, Q. Yang, S. Nakatsuji, D. Marel “Magnetic
ﬁeld tuning of the valley population in the Weylphase of Nd2 Ir2 O7 ” Phys. Rev. Reserch 4, 023056(2022).

３次元系の磁性体は通常低温で長距離秩序を形成するが、量子もつれを巨視的に観測するためにはそのような秩序を全て抑える必要がある。特にスピンと軌道の両方が揺らいだ状態を作り出すには高い試料の純良性と精密な測定が要求される。本研究ではPr2 Zr2 O7 の純良化に成功し、高精度な超音波、磁歪、熱膨張測定を数十 mK の極低温度まで実施した [17]。
その結果、スピンと軌道の量子もつれによるスピン
軌道ダイナミクスが量子スピンアイス状態を安定化させていることを発見した。この量子スピンアイス
状態は、高エネルギー物理分野で探索が続いている
電気モノポール、磁気モノポールと等価な準粒子が固体の中で安定化しているトポロジカルに新しい状態であり、量子もつれの実験的制御を調べるうえで恰好の舞台となる。

[8] F. Theuss, S. Ghosh, T. Chen, O. Tchernyshyov,
S. Nakatsuji, B. J. Ramshaw “Strong MagnetoElastic Coupling in Mn3 X (X = Ge, Sn)” Phys.
Rev. B 105, 174430 (2022).
[9] T. Matsuo, T. Higo, D. Nishio-Hamane, S. Nakatsuji “Anomalous Hall eﬀect in nanoscale structuresof the antiferromagnetic Weyl semimetal Mn3Sn atroom temperature” Appl. Phys. Lett. 121, 013103(2022).
[10] T. Higo, K. Kondou, T. Nomoto, M. Shiga, S.
Sakamoto, X. Chen, D. Nishio-Hamane, R. Arita,
Y. Otani, S. Miwa, S. Nakatsuji “Perpendicular
full switching of chiral antiferromagnetic order bycurrent” Nature 607, 474–479 (2022).

異常金属における超低速臨界電子電荷ゆらぎの観測

β-YbAlB4 は常圧ゼロ磁場で外場によるチューニ
ングのいらない異常金属状態と重い電子超伝導を示すことで知られており、その背景には Yb の価数のゆらぎが重要であると考えられてきた。本研究では電子と原子核の相互作用を測定するメスバウアー吸収分光法を用いて電子電荷の揺らぎ（ダイナミック
ス）を直接調べることに成功した [21]。その結果、異常金属状態において超低速で Yb の価数が揺らいでいることが新たにわかった。この超低速臨界的電子
電荷揺らぎの観測は、異常金属状態と超伝導発現の起源に新たな知見を提供する。

[11] T.-H. Yang, et al., “Bond ordering and molecularspin-orbital ﬂuctuations in the cluster Mott insulator GaTa4 Se8 ” Phys. Rev. Research 4, 033123(2022).
[12] M. Ikhlas, S. Dasgupta, F. Theuss, T. Higo, Shunichiro Kittaka, B. J. Ramshaw, O. Tchernyshyov,
C. W. Hicks, S. Nakatsuji “Piezomagnetic switching of the anomalous Hall eﬀect in an antiferromagnet at room temperature” Nat. Phys. 18,
1086–1093 (2022).
[13] Satoru Nakatsuji “Topological magnets―their basic science and potential applications” AAPPS
Bulletin 32, 25 (2022).

＜受賞＞[1] 酒井明人、令和４年度文部科学大臣表彰 若手科学者賞[14] H. Isshiki, et al., “Determination of spin Hall angle in the Weyl ferromagnet Co2 MnGa by taking into account the thermoelectric contributions”
Phys. Rev. Materials 6, 084411 (2022).

[2] 石橋未央、第 39 回井上研究奨励賞[3] 肥後友也、 令和４年度丸文研究奨励賞[15] Z. Feng, S. Minami, S. Akamatsu, A. Sakai, T.
Chen, D. Nishio-Hamane, S. Nakatsuji “Giant andRobust Anomalous Nernst Eﬀect in a Polycrystalline Topological Ferromagnet at Room Temperature” Adv.Func. Mater. 32, 2206519 (2022).

＜報文＞(原著論文)

91

4.7. 中辻・酒井研究室

4. 物性実験[16] E. Ahmed et al., “Superconducting propertiesof the A15 structure compound V3 Ge” Physica
C: Superconductivity and its applications 602,
1354140 (2022).

[30] H. Peng, “Large magneto-optical Kerr eﬀect inpolycrystalline thin ﬁlms of the non-collinear antiferromagnet Mn3Sn” The 15th Asia Paciﬁc Physics
Conference (APPC15) 2022/8/23[17] N. Tang et al., “Spin–orbital liquid state and liquid–gas metamagnetic transition on a pyrochlore
lattice” Nat. Phys. 19, 92 (2023).

[31] T. Matsuo, “Preparation and evaluation of polycrystalline Mn3 Sn/Ta bilayers” The 15th Asia Paciﬁc Physics Conference (APPC15) 2022/8/23 ”[18] T. Higo, S. Nakatsuji “Thin ﬁlm properties of
the non-collinear Weyl antiferromagnet Mn3 Sn” J.
Mag. Mag. Mater. 564, 170176 (2022).

[32] S. Kurosawa, “Magneto-transport and chiralanomaly in the Weyl antiferromagnet Mn3 Sn” The
15th Asia Paciﬁc Physics Conference (APPC15)
2022/8/25”[19] X. Chen et al.,“Octupole-driven magnetoresistancein an antiferromagnetic tunnel junction” Nature
613, 490-495 (2023).

[33] S. Minami, “Large anomalous Nernst eﬀect in
the iron-based Kagome ferromagnet Fe3 Sn” The
15th Asia Paciﬁc Physics Conference (APPC15)
2022/8/25[20] M. Ishibashi et al.,“Reversal of current-induced
domain wall motion in TbFeCo ferrimagnetic
thin ﬁlms across the magnetization compensation
point” J. J. Appl. Phys. 62, 013001 (2023).

[34] Takachika Isomae, “Nonlinear transport properties under magnetic ﬁeld in the quadrupole Kondo
lattice system PrTi2 A120 ” The 15th Asia Paciﬁc
Physics Conference (APPC15) 2022/8/25[21] H. Kobayashi et al., “Observation of a criticalcharge mode in a strange metal” Science 379, 908912 (2023).

[35] Hiroto Nakamura, “Logarithmic criticality in thetransverse thermoelectric conductivity of the ferromagnetic topological semimetal CoMnSb” The
15th Asia Paciﬁc Physics Conference (APPC15)
2022/8/26[22] N. Budai et al., “High-resolution magnetic imaging
by mapping the locally induced anomalous Nernst
eﬀect using atomic force microscopy” Appl. Phys.
Lett. 122, 102401 (2023).

[36] Y. Wang, “Anomalous Nernst eﬀect in the topological Fe3 Ga1−x Alx polycrystls” The 15th Asia Paciﬁc Physics Conference (APPC15) 2022/8/26[23] T. Matsuda et al., “Ultrafast Dynamics of Intrinsic
Anomalous Hall Eﬀect in the Topological Antiferromagnet Mn3 Sn” Phys. Rev. Lett. 130, 126302(2023).

[37] R. Uesugi, “Composition dependence of anomalous Nernst eﬀect in the Weyl magnetic material
Co2MnGa thin ﬁlm” The 15th Asia Paciﬁc Physics
Conference (APPC15) 2022/8/26 ”[24] M. Wu, K. Kondou, T. Chen, S. Nakatsuji, andY. Otani” “Temperature-induced anomalous magnetotransport in the Weyl semimetal Mn3Ge AIPAdvances 13, 045102 (2023).

[38] M. Fu, “Strange universe in correlated quantum matter driven by entanglement between multipoles and conduction electrons” 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science (TSQS2022) 2022/11/9”(学位論文)[25] 朝倉 海寛 “カイラル反強磁性薄膜における層間交換結合に関する研究”（東京大学大学院理学系研究科物理学専攻・修士論文）(2023).

[39] T. Higo, “Detection and manipulation of topological responses in the Weyl antiferromagnet
Mn3 Sn” 2nd International Symposium on TransScale Quantum Science (TSQS2022) 2022/11/10 ”[26] 黒沢 駿一郎 “ワイル反強磁性体 Mn3 Sn における磁気輸送特性” （東京大学大学院理学系研究科物理学専
攻・修士論文）(2023).
[27] 磯前 貴央 “四極子近藤格子系 PrTi2 Al20 の磁場中輸送現象の実験的研究” （東京大学大学院新領域創成科
学研究科物質系専攻・博士論文）(2023).

[40] A. Sakai, “Giant Anomalous Nernst Eﬀect in Topological Ferromagnets” Tsinghua U. - U. Tokyo The
7th Joint Workshop on Trans-scale Materials Science: Physics & Materials 2022/12/13[28] 中村 紘人 “コバルト系金属間化合物におけるトポロジ
カル強磁性状態による横熱電効果” （東京大学大学院
新領域創成科学研究科物質系専攻・博士論文）(2023).

招待講演

一般講演

[41] S. Nakatsuji, “Correlation eﬀects and their manipulation in the magnetic Weyl semimetal Mn3 Sn”
MPI International Focus Workshop: Topological Materials: From Weak to Strong Correlations
2022/4/13[29] A. Sakai, “Heavy fermion multigap superconductivity in the ferroquadrupole ordered state of
PrTi2 A120 ” The 15th Asia Paciﬁc Physics Conference (APPC15) 2022/8/23[42] T. Higo, “Electrical manipulation of an antiferromagnetic Weyl metal ” 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS2022) 2022/7/10＜学術講演＞(国際会議)

92

4. 物性実験

4.7. 中辻・酒井研究室[57] 中村紘人, “低温異常ネルンスト効果測定による磁気トポロジカル状態の検証” 日本物理学会 2023 年春季
大会 2023/3/22[43] S. Nakatsuji, “Electrical manipulation of largetransverse responses in antiferromagnetic Weyl
semimetals” The 15th Asia Paciﬁc Physics Conference (APPC15) 2022/8/23[58] 酒井明人, “磁歪・熱膨張測定による PrV2Al20 多極子秩序相の研究” 日本物理学会 2023 年春季大会
2023/3/23[44] M. Fu, “Magnetic Field-Tuning Quantum Criticality and Fermi Surface Reconstruction in the Multipolar Kondo System PrV2 A120 ” Quantum Materials/AMO seminar 2022/9/14[59] Y. Wang, “Anomalous Nernst eﬀect in the topological Fe3Ga1-xAlx polycrystals” 日本物理学会 2023
年春季大会 2023/3/25[45] S. Nakatsuji, “Electrical and strain control ofa magnetic Weyl semimetallic stat” UBI-MPGUTokyo Annual-Meeting 2022/9/20[60] 酒井明人, “外因性機構による異常ネルンスト効果” ト
ポロジカル熱電変換物性の最前線 2023/3/16[46] S. Nakatsuji, “Electrical and Strain Manipulationof Large Transverse Responses in Topological Antiferromagnets” Condensed Matter Seminar Series
2022/9/26[61] 田中克大, “反強磁性金属を用いたトンネル磁気抵抗効果” トポロジカル熱電変換物性の最前線 2023/3/15[62] 中村紘人, “コバルト系金属間化合物における巨大異常ネルンスト効果” トポロジカル熱電変換物性の最前線 2023/3/16[47] T. Higo, “Perpendicular switching of chiral antiferromagnetic order by spin-orbit torque” 2022 PanPaciﬁc Workshop on Topology and Correlations in
Exotic Materials conference 2022/10/24

招待講演[63] 中辻知, “トポロジーが創る新しい磁性とその機能” 東京大学統合物質・情報国際卓越大学院統合物質科学
リーダー養成プログラム「統合物質科学俯瞰講義 II」
2022/6/9[48] S. Nakatsuji, “Topological Weyl Antiferromagnets
and their Spintronics” 2022 Pan-Paciﬁc Workshop
on Topology and Correlations in Exotic Materials
conference 2022/10/25[49] S. Nakatsuji, “Electrical and Strain Manipulationof Large Transverse Responses in Topological Antiferromagnets” InterAcademy Workshop on Quantum Materials 2022/12/8(国内会議)
一般講演[50] 梶原悠人, “遷移金属ダイカルコゲナイド TiS2 における異方的輸送特性の測定” 日本物理学会 2022 年秋
季大会 2022/9/14[51] M. Ishibashi, “Error rate of a ferrimagnetic spin
shift resister” 2022 年第 83 回応用物理学会秋季学術講演会 2022/9/20[52] T. Matsuo, “Fabrication and characterization ofpolycrystalline Mn3Sn/Ta structures” 2022 年第 83回応用物理学会秋季学術講演会 2022/9/23[53] T. Higo, “Perpendicular and 100% switching of
noncollinear antiferromagnetic order in the chiralantiferromagnet Mn3 Sn by electric current ” 2022
年第 83 回応用物理学会秋季学術講演会 2022/9/23[54] R. Uesugi, “Observation of large anomalous Nernst
eﬀect and quantum-critical scaling in the Weyl ferromagnet Co2MnGa thin ﬁlms” 2023 年第 70 回応用物理学会春季学術講演会 2023/3/17[55] 黒沢駿一郎, “カイラル反強磁性体 Mn3Sn におけるカイラル異常の検証” 日本物理学会 2023 年春季大会
2023/3/25[56] 磯前貴央, “四極子近藤格子系 PrTi2Al20 の巨大線形磁気抵抗とその異方性” 日本物理学会 2023 年春季大会 2023/3/23

93

5.1.1

観測的宇宙論

広領域輝線マッピング模擬観測データの高速生成手

5 一般物理理論

5.1法の開発
輝線マッピング観測では、銀河の大規模分布を測ることができる。我々は、ダークマターのみのシミュ
レーションデータから輝線マッピングの模擬観測デー
タを生成する手法を開発した。得られた輝線銀河サンプルの統計的な性質は宇宙論的流体シミュレーショ
ンやこれまでの観測と整合することを示した。本手法によって得られる大量の模擬観測データは将来の広領域観測のデータ解析において重要となる。

宇宙理論研究室 (須藤・吉田)

宇宙は、微視的スケールから巨視的スケールにわたる多くの物理過程が複雑に絡まりあった物理系であり、 研究テーマは多岐にわたっている。しかしそれらの共通のゴールは、宇宙の誕生から現在、 さらには未来に至る進化史を物理学によって記述することである。そのためには、常に学際的かつ分野横断的な活動が本質的であり、ビッグバン宇宙国際研究センター、カブリ数物連携宇宙研究機構を始め、国内外の他研究機関と積極的に共同研究を行っている。
現在我々のグループが行っている中心的課題は、
宇宙のダークエネルギーとダークマター、太陽系外惑星、第一世代天体形成、高エネルギー天文現象の4 つである。これらについて簡単に説明を加える。
宇宙論的観測データから、宇宙の全エネルギー密度の 7 割がダークエネルギー、1/4 がダークマター、
残りの約 5 パーセントが通常の元素、という結論が得られている。これが宇宙の「標準モデル」である。
しかしながら宇宙の主成分の正体が全く理解されていないという驚くべき事実は、宇宙・素粒子物理学
のみならず、21 世紀科学全体に対して根源的な謎を突きつけている。
最近の深宇宙探査から、130 億年以上も前、つまり宇宙が誕生してから数億年という早期の銀河やブ
ラックホールが発見されている。ビッグバンの後文
字通り暗黒となった宇宙にいつ、どのように光り輝く天体が生まれたのか。宇宙初期の巨大なブラック
ホールはどのように成長したのだろうか。第一世代
天体はその後の銀河形成や宇宙の進化に大きな影響を及ぼす現代天文学のホットトピックの一つである。
次世代の大型望遠鏡によりそれらの観測が飛躍的に進むものと期待されている。
第 2 の地球は存在するか。荒唐無稽にも聞こえかねないこの疑問に対して、現在の天文学は確実に科学的に迫りつつある。1995 年の初発見以来、2009 年
3 月に打ち上げられたケプラー衛星を経て、太陽系
外惑星はすでに 4000 個以上が発見されている。そのなかの地球型惑星に生命の兆候をいかにして見出すか。これは、物理学のみならず、天文学、地球惑
星学、生物学などを総動員して取り組むべき、まさに理学部横断的な研究テーマである。
さらに、重力波直接観測に代表される最近の発展を念頭に置き、重力波・ニュートリノ・電磁波の観測による全粒子時間軸天文学、ブラックホールや中性子星の誕生や合体、宇宙初期の超新星爆発といった爆発的突発現象の系統的研究にも取り組んでいる。

酸素輝線を用いた遠方銀河の化学進化

2022 年 7 月から NASA の宇宙望遠鏡 JWST の運用が開始され、最遠方銀河からの輝線が観測されつつある。最新の観測結果と比較・検証するべく、銀河形成シミュレーションを用いて水素電離領域からの輝線放射モデルを考案し、酸素輝線の放射強度を計算した。輝線強度を基に再電離期の銀河の星質量金属量関係を調べたところ、宇宙誕生後わずか 8 億
年で近傍銀河のもつ金属量に匹敵する程すでに化学進化している銀河が存在することがわかった。

5.1.2

宇宙の構造形成

Fuzzy Dark Matter ハローのコア・ハロー質量関係

FDM ハローの中心にはソリトンコアが形成されることが知られており、コア・ハロー質量関係が FDM
ハローの構造を特徴づける重要な関係となっている。
しかし、この関係に関する一意の解釈はなされていないため、我々が物理的解釈をもとに理論モデルを構築した。我々は、ソリトンコアが NFW プロファ
イルからの質量再分布により構成されるものと仮定した。その結果、質量再分布が起きる半径を緩和時間条件を用いて決めることによって、シミュレーショ
ン結果を再現できることを明らかした。またこのモデルでは、NFW プロファイルの質量集中度の分散によって、コア・ハロー質量関係の分散が説明できることも明らかにした。

銀河団に含まれる星の割合と強重力レンズ効果に関する統計量の相関
強重力レンズ効果における critical curve 付近では増光率が非常に大きくなり、通常では観測できない
遠方の暗い星や銀河が観測される程度まで明るくなることがある。この増光率の具体的な値や増光が起きる頻度といった統計量は、レンズ天体の構造に依94

5. 一般物理理論

5.1. 宇宙理論研究室 (須藤・吉田)

めに必要な炭素燃焼の反応率の不定性を考慮し、比較的小さな質量の親星でも PISN を起こす場合には
赤方偏移 2 以上で検出数が数個におよぶことを示した。本研究では最近の LIGO-VIRGO による重力波
検出による大質量星生成率の推定と合致するモデルを用いており、上記の見積もりも観測的に矛盾のない範囲で超新星発生数を計算した。[26]。

存する。本研究では、glaﬁc ソフトウェアを用いて銀河団中の星の割合と統計量の関係を調べている。

5.1.3

ブラックホール 3 体系

階層的重力３体系の力学的安定性
系外惑星及びブラックホール連星の形成・進化において３体系力学は本質的である。特にその力学的不安定性は、３体系が多様な天体現象を引き起こす起源としても重要な基礎過程である。我々は３体系のニュートン力学的不安定時間スケールの、軌道パラメータに対する依存性を調べる系統的シミュレー
ションを実行した。その結果、従来の研究とは異なり、安定と不安定には明確な境界はなく連続的に変化することを発見した。さらに、２つの公転軌道のなす角度が、長時間の古在効果を通じて、系の安定性に重要な影響を与えることを、数値計算と摂動的理論モデルを通じて明らかにした [16, 24, 90, 111]。

5.1.4

5.1.5

星・惑星系の形成と進化

原始惑星系円盤の長期進化計算
恒星系は分子雲の重力収縮によって星周円盤を伴って誕生する。星が前主系列段階まで進化すると円盤は原始惑星系円盤と呼ばれるようになる。赤外線観測から円盤は数百万年ほどで消失し、円盤寿命は中心星質量が大きくになるにつれて短くなることが明らかになっているが、その原因となる物理過程の詳細は未だ解明されていない。惑星は円盤内部で円盤
物質 (ガス・ダスト) から形成されるため、円盤進化の詳細を解明することは惑星形成過程の理解に直接貢献する。
そこで、円盤散逸過程として有力視されている降着、円盤風、光蒸発全てを整合的に取り入れた円盤
進化シミュレーションを開発した。特に光蒸発過程
については世界で初めて 2 次元輻射流体計算の結果を取り入れた。中心星質量をパラメータとして円盤散逸まで 10Myr に渡って円盤進化を追った。その結果、どの中心星質量を持つ星周りでも初期は円盤風、
数 Myr 以降は光蒸発が主な散逸過程であった。特に質量の大きい 7M⊙ の星周りでは星光度が高いことから円盤ガスが高温に温められ、光蒸発による質量損
失率が高くなることで円盤寿命が 2Myr と短くなっていた。本研究で得られた円盤散逸の中心星質量依
存性は観測された円盤寿命の傾向を説明可能である。

高エネルギー天体現象

高速回転や磁場を伴った天体の構造と重力波
ブラックホールや白色矮星、中性子星など、恒星がその一生を終えた後に形成されるコンパクト天体は
様々な高エネルギー天体現象を起こす。これらは極限的環境における物理過程を探る実験室である。コ
ンパクト天体の多くは非常に高速な回転や強力な磁場を伴っており、様々な高エネルギー現象と密接に関わっている。そこで、このような高速回転するコ
ンパクト天体を考えるために、ラグランジュ座標に基づく新しい回転星の定式化と計算をニュートン重
力 [28] と一般相対論 [23] でそれぞれ行いその構造を計算した。また、そのために必要な数値計算手法の開発も行った [22]。さらに、高速回転するコンパク
ト天体からの自己相似的なアウトフローの解の構築[18] も行った。また、中性子星は非常にコンパクトであるため、回転軸に対して非軸対称的に歪み高速回転していると重力波を放出すると考えられている、有力な重力波候補天体である。そこで、磁場による中性子星の歪みの新しい解を計算し、理論的に求めた [14, 21]。

EUV が駆動するホットジュピターの大気散逸及びそのトランジットシグナルの理論的理解
主星のすぐ近くを公転するガス惑星であるホットジ
ュピターの大気は主星からの強い極端紫外線（EUV）
によって加熱され散逸することが知られている。散逸した大気による主星の Lyman-α の吸収が観測される。大気散逸過程は重力、ガス膨張、及び光加熱によって決まる。物理的なタイムスケール等を用いて系を特徴付ける臨界 EUV フラックスを定義できた。
Lyman-α の吸収が検出されない惑星系について物理的に場合分けをすることで EUV フラックスが弱い
ため散逸が弱い系と EUV フラックスが強いにも関わらず散逸大気が検出されない系が存在することが明らかになった [46, 55, 77]。後者の場合は EUV フ
ラックス強度以外の影響、例えば強い恒星風によって散逸した大気が押し込められて吸収シグナルが小
さくなることが考えられる。そこで多次元輻射流体
シミュレーションを行い、恒星風が観測されるトラ
ンジットシグナルに与える影響を調べた。恒星風強対消滅生成型超新星の探索法
欧州宇宙機関が 2023 年に打ち上げを予定している
Euclid 宇宙望遠鏡は、数週間おきに同一の領域を観測して超新星などの時間変動天体を探索することを一つの科学目標に据えている。本研究では Euclid により遠方の対消滅生成型超新星 (PISN) を検出すべ
く、理論的に得られた星生成率や光度曲線を用いて現実的な検出数を計算した。質量ギャップとよばれる、超新星爆発をおこす親星の質量範囲の推定のた95

5.1. 宇宙理論研究室 (須藤・吉田)

5. 一般物理理論が明らかとなっている。それらは形成途上の惑星に
よって生まれたとするのがもっとも有力な可能性である。我々はそこに埋もれた惑星の質量を推定する
従来の方法論を精査し、その質量に応じて２つの異なる解が存在する場合があることを発見し、それらから予想される多重惑星系のアーキテクチャーとその力学的安定性を議論した [7]。

度が太陽の 100 倍以上の場合、強い恒星風によって
Lyman-α の吸収が強く抑制されることが明らかになった [31, 46]。

黒点による星の光度変化の解析的モデル
ケプラー探査機に代表される高精度光度関数によって数多くの星の自転周期が推定されている。そのほとんどは、表面上の黒点が自転にともなって見かけ上の光度変動を生み出すためであると考えられている。しかし今までその光度曲線の解析的モデル化はなされていなかった。今回、黒点のサイズが星に比べて十分小さいという近似のもとで、星の微分回転の効果をとりこんだ上で複数の黒点による光度曲線の解析的表式を導出した [9]。

5.1.7

量子計算

量子コンピューターによる無衝突ボルツマン方程式の高速化
無衝突ボルツマン方程式は 6 次元の方程式であり、今までの古典的な方法では時間ごとに空間 6 次の計算量がかかったところを新たに開発した量子アルゴ
リズムによって 3 次まで軽減することに成功した。
また、同量子アルゴリズムの proof of concept での古典シミュレーションによりテスト計算を行い、正しく計算できているかの検証を行った。

ケプラー探査機の精密測光データと星震学を用いた星の自転周期推定値の信頼性
ケプラー探査機の測光観測データから数万個の星の自転周期が推定されている。これとは独立に、星の脈動を用いる星震学から数百個の主系列星に対する自転周期が推定されている。星の表面活動と黒点の運動、さらには表面と内部の微分回転の効果を考えれば、前者の測光的周期と後者の星震学的周期とは必ずしも一致する必要はない。そこで、今回は星震学的周期が推定されている 92 個の主系列星に対して、
Lomb-Scargle periodogram、自己相関関数、waveletを用いてそれらの測光的周期を再解析し、星震学的周期と系統的に比較することで、お互いの推定値の信頼性を評価するとともに、微分回転に対する制限を議論した。この結果は、特に惑星をもつ系の自転
公転角、自転傾斜角の決定とその起源の議論において重要となることが期待される [20]。

＜受賞＞[1] Hiroki Kawai, Poster award, Tonale Winter School
2022, 2022/12/09[2] Moriwaki K., Springer Thesis Award, 2022
[3] 仲里佑利奈, 宇宙地球フロンティア国際卓越大学院プログラム Qualifying Exam 優秀賞, 理学系研究科,
2023 年 2 月 24 日
[4] 仲里佑利奈, 東京大学総長賞, 東京大学, 2023 年 3 月
15 日[5] 仲里佑利奈, 研究奨励賞, 理学系研究科物理学専攻,
2023 年 3 月 23 日
＜報文＞

(原著論文)

大局的非一様性を持つ白色矮星の光度曲線の理論モ[6] Chen L. et al. (incl. Hartwig T.), 2022, MNRAS,
513(1), L934

デル[7] Wang S., Kanagawa K. D., and Suto Y., 2022, ApJ,
932:31, L26

複数の白色矮星は、ほぼ正弦曲線で近似できる光度曲線を示すことが知られている。これを自転軸とずれた位置に温度の非一様性を持つスポットが回転するモデルによって説明することに成功した。このモデルを観測データに適用することで、そのスポットの温度、サイズ、自転軸とのずれの角度を推定できることを示した [19]。

5.1.6[8] Magg M. et al. (incl. Hartwig T.), 2022, MNRAS,
514(3), LL4433[9] Suto Y., Sasaki S., Nakagawa Y., and Benomar O.,
2022, PASJ, 74, L857
[10] Takahashi I., Hamasaki R., Ueda N., Tanaka M.,
Tominaga N., Sako S., Ohsawa R., Yoshida N.,
2022, PASJ, 74, L946

系外惑星[11] Tokuoka T. et al. (incl. Moriwaki K. and YoshidaN.), 2022, ApJL, 933, L19

原始惑星系円盤に埋もれた惑星から生まれる多重惑[12] Aizawa M., Kawana K., Kashiyama K. et al. (incl.
Fujisawa K.), 2022, PASJ, 74(5), L1069

星系[13] Hartwig T. et al., 2022, ApJ, 936:45, L25

ALMA 望遠鏡による高解像度観測によって、原
始惑星系円盤に多くのギャップ構造が存在すること
96

5. 一般物理理論

5.1. 宇宙理論研究室 (須藤・吉田)[14] Fujisawa K., Kisaka S., Kojima Y., 2022, MNRAS,
516, L5196[36] 森脇可奈, 吉田直紀, ”深層学習を用いた宇宙論”, サイエンス社, 数理科学 2022 年 7 月号

[15] Shafqat R. et al. (incl. Hartwig T.), 2022, ApJL,
937, L6[37] 須藤靖, ”加速する宇宙709(2022) pp.7–13.

[16] Hayashi T., Trani A. A., and Suto Y., 2022, ApJ,
939:81, L20[38] 須藤靖, ”注文の多い雑文 その五十九：世界を切り刻む科学とありのままに愛でる科学”, 東京大学出版会
UP 596(2022)9 月号, pp.32–39.

[17] Chen L. et al. (incl. Hartwig T.), 2022, MNRAS,
517(4), L6140

論の進化”, 数理科学

[18] Ko T., Fujisawa K., Shigeyama T., 2022, ApJ,
941:1, L38[39] 須藤靖, ”宇宙は数式でできている”, 東京大学理学系
研究科・理学部ニュース 2022 年 11 月号, 理学の本
棚 第５４回, p.12.

[19] Suto Y., Sasaki S., Aizawa M., Fujisawa K., andKashiyama K., 2023, PASJ, 75, L103

[40] 須藤靖, ”相対論とブラックホール”, 数研出版『フォトサイエンス 物理図録』(2022) pp.102-103.

[20] Lu Y., Benomar O., Kamiaka S., and Suto Y.,
2022, ApJ, 941:175, L39[41] 須藤靖, ”単純な素粒子の寄せ集めと基本法則からこの世界の不思議さが生まれる根本原理”, 週刊新潮 書
評 (フランク・ウィルチェック著 吉田三知世訳『すべては量子でできている 宇宙を動かす１０の根本原理』), 2022 年 12 月 8 日号, p.93.

[21] Fujisawa K., Kojima Y., Kisaka S., 2023, MNRAS,
519, L3776,[22] Okawa H., Fujisawa K. et al., 2023, Applied Numerical Mathematics, 183, L157

[42] 須藤靖, ”注文の多い雑文 その六十: ボルツマン脳曰
く「我思う、ゆえに世界あり」”, 東京大学出版会 UP
602(2022)12 月号, pp.1–9.

[23] Okawa H., Fujisawa K. et al., 2023, MNRAS, 520,
L24[43] 須藤靖, ”ランダウ・リフシッツの『力学』”, ミネル
ヴァ通信「究」2023 年 1 月号、巻頭言.

[24] Hayashi T., Trani A. A., and Suto Y., 2023, ApJ,
943:58, L7[44] 須藤靖, ”我が人生最高の 10 冊”, 週刊現代 2023 年 2
月 4 日号, pp.114–115.

[25] Lake W. et al. (incl. Nakazato Y.), 2022, ApJ,
943:2, L132
[26] Tanikawa A., Moriya T., Tominaga N., Yoshida N.,
2023, MN Letters, 519, L32[45] 須藤靖, ”注文の多い雑文 その六十一: 地球のデジタ
ル化とその発信”, 東京大学出版会 UP 605(2023)3
月号, pp.24–31.

[27] Williams C. et al. (incl. Nakazato Y.), 2022, ApJ,
945, L6(学位論文)[46] Hiroto Mitani, ”Understanding Atmospheric Escape of Hot Jupiters Using Radiation Hydrodynamics Simulations” (博士論文)[28] Ogata M., Okawa H., Fujisawa K. et al., 2023, MNRAS, 521, L2561[29] Sartorio N. S. et al. (incl. Hartwig T.), 2023, MNRAS, 521(3), L4039[47] Yuta Tarumi, ”Neutron-capture element enrichment of early galaxies” (博士論文)[30] Hartwig T. et al., 2023, ApJ, 946:20, L18[48] Yurina Nakazato, ”Formation and evolution of starclusters and galaxies in the early Universe” (修士論文)(会議抄録)[31] Mitani H., Nakatani R., Yoshida N., Proceedingsof the International Astrophysical Union, Volume
16, Symposium S362, Cambridge University Press(2022)(著書)[49] Moriwaki K., ”Large-Scale Structure of the Universe ‒ Cosmological Simulations and Machine
Learning”, Springer Theses. Springer Singapore,2022[32] Nakazato Y. et al., Proceedings of the International Astrophysical Union, Volume 16, Symposium S362, Cambridge University Press (2022)(国内雑誌)[50] 吉田直紀監修, ”文系のためのめっちゃやさしい相対性理論”, ニュートンプレス (2022 年 7 月 6 日)

[33] 須藤靖, ”宇宙人はいますか？ ”, 大修館書店 高等学
校教科書『新編 現代の国語』 読書の広場 2022 年 4月, pp.108–111.

[51] 須藤靖 (編), ”20 世紀科学論文集：現代宇宙論の誕生”, 岩波文庫 (2022 年 8 月 10 日)[52] 吉田直紀監修, ”文系のためのめっちゃやさしい時間”,
ニュートンプレス (2022 年 9 月 29 日)[34] 須藤靖, ”注文の多い雑文 その五十八：フラットアー
サーの言い分”, 東京大学出版会 UP 596(2022)6 月
号, pp.26–32.

＜学術講演＞[35] 森脇可奈, ”敵対的生成モデルを用いた輝線強度マッ
ピングデータからのシグナ ル抽出”, 天文月報 2022
年 7 月号(国際会議)
一般講演97

5.1. 宇宙理論研究室 (須藤・吉田)

5. 一般物理理論

Kashiwa Library Media Hall of the University ofTokyo, Kashiwanoha Campus (Nov 29 - Des 2,2022)[53] Fujisawa K., ”A magnetically conﬁned mountainon a neutron star with multipole magnetic ﬁelds& GR rotating star with arbitrary rotation law”;
Symposium on Gravitational wave physics and astronomy: Genesis, Kyoto University (April 25-29,
2022)[66] Kawai H., (Poster) ”An analytic model for thethe structures in fuzzy dark matter halos”; Tonale
Winter School on Cosmology 2022, Passo delTonale Italy (Des 4-10, 2022)[54] Nakazato Y.,
The formation of gas-rich structure through baryon-dark matter streaming motion ; National Astronomy Meeting (NAM) 2022,
The University of Warwick (July 11-15, 2022)[67] Komaki A. et al., ”Dispersal processes of protoplanetary disks”; FoPM Symposium, The University of Tokyo (February 6, 2023)[55] Mitani H., ”Physics of the atmospheric escapedriven by EUV photoionization heating: Classiﬁcation of the hydrodynamic escape in close-in planets”; IAU Symposium 370 Winds of Stars and Exoplanets, Busan, Korea (August 8-11, 2022)[68] Kawai H., ”Probing the dark matter nature fromcaustic crossing event”; Hongo conference 2023,
Hongo campus of the University of Tokyo (Mar20, 2023)
招待講演[56] Nakazato Y., [OIII] emission lines from high-z
galaxies in the Epoch of Reionization ; Resceu
Summer School 2022, Online (August 17-19, 2022)[69] Yoshida N., ”3D density ﬁeld reconstruction witha sparsity prior”; Cosmology with Weak Lensing:
Beyond the Two-point Statistic, Kyoto University(April 15, 2022)[57] Kawai H., ”The core-halo mass relation in fuzzy
dark matter halos”; RESCEU Summer School, Online (Aug 17-19, 2022)[70] Yoshida N., Early structure formation and dynamical evolution of star clusters ; Gravitational Wave Constraints on Dark Compact Objects, Pennsilvania State University, USA (May 19,2022)[58] Nakazato Y.,
Eﬀect of streaming motion of
baryons relative to dark matter and the formationof star clusters ; Star Formation in Diﬀerent Environments (SFDE) 2022, Vietnam (August 21-27,
2022)[71] Yoshida N., First star formation under the inﬂuence of baryonic streaming motions ; From Stars
to Galaxies II, Chalmers University of Technology,
Sweden (June 24, 2022)[59] Komaki A., Nakatani R., Yoshida N., ”Evolutionof proto-planetary disks”; 1-day Kyoto-Tokyo joint
workshop with Prof.R.Kuiper , Kyoto University(September 21, 2022)[72] Suto Y., ”Lagrange and Liapunov stabilities of hierarchical triple systems”; the 10th KIAS workshop on Cosmology and Structure Formation, Korean Institute of Advanced Study, Seoul, Online(October 25, 2022)[60] Nakazato Y., The formation of star clusters in
the early universe through supersonic gas streams; The 9th East Asian Numerical Astrophysics
Meeting (EANAM9), Okinawa (September 26-30,
2022)[73] Suto Y., ”Signatures of an inner binary black holewith a tertiary orbiting star”; the World Copernican Congress, Torun, Poland (February 20, 2023)[61] Yoshida N., ”Cosmological Vlasov-Poisson Simulations with Relic Neutrinos”; 9th EANAM, Naha
(September 27, 2022)(国内会議)[62] Hayashi T., Trani A. A., Suto Y., ”The disruption timescales of triple systems: dependence on
orbital conﬁguration”; The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting, Okinawa (September 26-30, 2022)

一般講演[74] 仲里佑利奈, [OIII] line ratio for high-z galaxies ;銀河・銀河間ガス研究会 2022, 北海道 (2022 年 8 月
8 日-12 日)[63] Yamazaki S., Fumio U., Fujisawa K., and YoshidaN., ”Quantum algorithm for the collisionless Boltzmann equation of self-gravitating systems”; Challenges and Innovations in Computational Astrophysics IV, Online (November 21-23, 2022)[75] 山崎壮一郎, 内田経夫, 藤澤幸太郎, 吉田直紀, ”量子コンピューターで解く無衝突ボルツマン方程式”; 2022
年度第 52 回天文 · 天体物理若手夏の学校, オンライン (2022 年 8 月 23 日-26 日)[76] 河合宏紀, Fuzzy Dark Matter ハローにおけるコ
ア・ハロー質量関係 ; 日本物理学会 2022 年秋季大会, 岡山理科大学 (2022 年 9 月 6 日-8 日)[64] Komaki A. et al., ”Photoevaporation of protoplanetary disks”; One-day workshop on star-planet
systems, The University of Tokyo (November 22,
2022)[77] 三谷啓人, 仲谷崚平, 吉田直紀, ”短周期惑星大気の光蒸発過程の物理的理解 ”; 日本天文学会 2022 年秋季
年会, 新潟大学 (2022 年 9 月 13 日-15 日)[65] Kawai H., (Poster) ”An analytic model for thethe core-halo mass relation in fuzzy dark matter
halos”; Kashiwa Dark Matter Symposium 2022,

98

5. 一般物理理論

5.1. 宇宙理論研究室 (須藤・吉田)[94] 森脇可奈, ”IGM at High Redshifts Probed by 21cm
Line”; 銀河銀河間ガス研究会, 釧路ロイヤルインホテ
ル (2022 年 8 月 9 日)

[78] Rui Lan Z., ”Fast method for generating mockline intensity maps based on hydrodynamical simulations”; 日本天文学会 2022 年秋季年会, 新潟大学
(2022 年 9 月 13 日-15 日)[95] 須藤靖, ”階層的三体問題とブラックホール三体系”;
第 35 回理論天文学・宇宙物理学懇談会シンポジウム,
コラッセふくしま (2022 年 12 月 21 日)[79] 藤澤幸太郎, 任意の角速度分布を持つ一般相対論的回転星の新しい平衡形状 ; 日本天文学会 2022 年秋
季年会, 新潟大学 (2022 年 9 月 13 日-15 日)(セミナー)[80] 林利憲, Alessandro Trani, 須藤靖, ”階層的三体系の不安定時間スケールの軌道要素依存 II”; 日本天文学会
2022 年秋季年会, 新潟大学 (2022 年 9 月 13 日-15 日)[96] 吉田直紀, ”最大の望遠鏡と最速のコンピューターで挑む宇宙の謎”; 東京大学宇宙線研究所合同一般講演会, アミュゼ柏 (2022 年 4 月 9 日)

[81] 山崎壮一郎, 内田経夫, 藤澤幸太郎, 吉田直紀, ”量子コンピューターによる無衝突ボルツ マン方程式の数値シミュレーション”; 日本天文学会 2022 年秋季年
会, 新潟大学 (2022 年 9 月 13 日-15 日)[97] 須藤靖, ”物理学は世界をどのように記述するか”; 物
理学概論, 高知工科大学 (2022 年 4 月 12, 15, 19 日)[98] 須藤靖, ”138 億年の宇宙史における天体・地球・生命の共進化”; 新しい科学の世界 I 宇宙の誕生から日本列島まで 第２回 かわさき市民アカデミー (2022 年 4月 19 日)[82] 仲里佑利奈, ALMA & JWST の [OIII] 観測とシ
ミュレーションから探る遠方銀河進化 ; 初代星・初代
銀河研究会 2022, 徳島大学 (2022 年 11 月 10-12 日)[83] 駒木彩乃 et al., ”原始惑星系円盤進化の中心星質量依存性”; 太陽系天体若手研究会 (SSBW2022), オン
ライン (2022 年 11 月 18 日)[99] Moriwaki K., ”Deep Learning Application for Reconstruction of Large-Scale Structure of the Universe”; Yunnan University, SWIFAR (21, April,
2022)[84] 藤澤幸太郎, ”中性子星の磁場構造”; コンパクト星研究会 2023, 沖縄県立美術館 (2023 年 3 月 1 日-3 日)[100] 須藤靖, ”宇宙物理学から宇宙生物学へ：必然と偶然の間”; オムニバスセミナー, 千葉大学 先進科学セン
ター (2022 年 4 月 22 日)[85] 山崎壮一郎, 内田経夫, 藤澤幸太郎, 吉田直紀, ”Reservoir method による無衝突ボルツマン方程式の量子コンピューターを用いた数値シミュレーション”; 情報処理学会第 8 回量子ソフトウェア研究発表会, 慶應
義塾大学 (2023 年 3 月 13 日-14 日)[101] 林利憲, 汪士傑, 須藤靖, ”連星ブラックホールを含む三体系の探査法提案とその検証”; 弘前大学 (2022
年 5 月 18 日)[86] 藤澤幸太郎, ”クラストの弾性力によって支えられた
比較的強いトロイダル磁場を持つ中性性星”; 日本天文学会 2023 年春季年会, 立教大学 (2023 年 3 月 13
日-16 日)[102] Kawai H., ”An analytic model for the structuresin fuzzy dark matter halos”; Japan-Germany Joint
Seminar on cosmology and astroparticle physics,
Online (May 25, 2022)[87] 駒木彩乃 et al., ”原始惑星系円盤の散逸過程：中心星
質量依存性”; 日本天文学会 2023 年春季年会, 立教大
学 (2023 年 3 月 13 日-16 日)[103] Suto Y., ”Diﬀerent cultures, Same Science”; Orientation for new fellows of the Japan Society for
Promotion of Science, (June 16, 2022)[88] 仲里佑利奈, 遠方銀河シミュレーションを用いた[OIII] 輝線強度計算と輝線比診断 ; 日本天文学会
2021 年秋季年会, 立教大学 (2023 年 3 月 13 日-16 日)[104] Yoshida N., ”Formation of the First Stars in the
Universe”; Astronomy on Tap, Haket, Gothenburg, Sweden (June 21, 2022)[89] Rui Lan Z., ”Fast semi-analytical method for generating mock line intensity maps”; 日本天文学会
2023 年春季年会, 立教大学 (2023 年 3 月 13 日-16 日)[105] 須藤靖, ”見えないはずのブラックホールを見る”; 理
工学のフロンティア 第 4 回, 高知工科大学 オンラ
イン (2022 年 6 月 21 日)[90] 林利憲, Alessandro Trani, 須藤靖, ”階層的三体系における Lagrange 的安定性の軌道要素依存性”; 日本
天文学会 2023 年春季年会, 立教大学 (2023 年 3 月 13
日-16 日)[106] 須藤靖, ”宇宙は物理法則に支配されている”; 追手前
ゼミナール, 高知県立追手前高校 (2022 年 6 月 25 日)[107] 駒木彩乃, ”原始惑星系円盤の散逸過程”; 東京大学
相川研, オンライン (2022 年 6 月 28 日)[91] Nakazato Y., ”Emission line calculation of highredshift galaxies for JWST & ALMA observation”;
本郷若手研究会, 東京大学 (2022 年 3 月 20 日)[108] Moriwaki K., ”Deep Learning Application for Reconstruction of Large-Scale Structure of the Universe”; the University of Tokyo, ipi seminar (19,
October, 2022)

招待講演[92] 吉田直紀, ”バリオンの揺らぎは何を生み出したのか”;
The Future of Observational Cosmology, KMI, 名
古屋大学, (2022 年 6 月 11 日)[109] 須藤靖, ”太陽系外惑星の先にある worlds”; 日本物理学会四国支部講演会, 高知大学朝倉キャンパス (2022
年 8 月 29 日)[93] 藤澤幸太郎, ”超新星爆発と中性子星からの連続重力波”; 重力波天文学時代における超新星研究, 石垣市立図書館 (2022 年 10 月 18 日-21 日)[110] 吉田直紀, ”科学 x AI”; 三井住友 Pre-EMP プログ
ラム, 東京大学 (2022 年 9 月 18 日)

99

5.2. 村尾研究室[111] 林利憲, 汪士傑, 須藤靖, ”階層的三体系崩壊時間ス
ケールの軌道要素依存性”; 京都大学 (2022 年 11 月
14 日)
[112] Komaki A., ”Photoevaporation of protoplanetarydisks : stellar mass dependence”; University ofDuisburg-Essen(Germany), Online (December 1,
2022)[113] 須藤靖, ”地平線の先に広がる世界：マルチバースと人間原理”; 日本物理学会四国支部講演会, 高知大学朝倉キャンパス (2022 年 12 月 6 日)
[114] 藤澤幸太郎, ”マグネターの磁場進化”; Bi-monthly
meeting, オンライン (2022 年 12 月 10 日)[115] 須藤靖, ”世界はゆらぎでできている？ ボルツマン
脳とボルツマン宇宙”; 理工学のフロンティア 第 12回, 高知工科大学 オンライン (2022 年 12 月 13 日)[116] 須藤靖, ”「茶碗の湯」の世界の中と外”; 東京大学全学自由研究ゼミナール「茶碗の湯」から最新の科学を考える 第 10 回, 東京大学 駒場キャンパス (2022 年
12 月 15 日)[117] Suto Y., ”Lagrange instability timescales of threebody systems”; Colloquiuum at Niels Bohr Institute, Copenhagen (February 13, 2023)[118] Suto Y., ”Dynamical signature of triple systems
including inner binary black-holes”; Theoreticalastrophysics group seminar at Niels Bohr Institute,
Copenhagen (February 15, 2023)

5. 一般物理理論な状態で表される情報である。量子力学の許す範囲
で状態を自由に操作して変換することによって、古典力学に基づいた状態の変換として表される古典情報処理より優位な情報処理を実行しようとすること
が量子情報処理であり、古典情報処理の限界を超える
ブレークスルーの候補として近年注目を集めている。
本研究室では、計算アルゴリズムや情報処理を効率よく実行するための装置としてだけではなく、量子力学的に許されるすべての操作を自由に行うことができる装置として量子コンピュータをとらえ、量子コンピュータを用いることで現れる量子力学的効果に関する理論的研究を行っている。我々の研究は、「情報と情報処理という操作論的な観点から量子力学への基盤的理解を深める」という基礎科学的なアプ
ローチと、「エンタングルメントなどの量子力学特有の性質を情報処理、情報通信、量子学習、量子精密操作などに役立てる」という応用科学的なアプロー
チの相乗効果により、量子情報理論の分野の発展に貢献する基盤的成果をあげている。国内外の多彩な背景を持つ研究者との共同研究や研究協力を実施し、研究を遂行していることも特色である。
今年度は、村尾美緒教授、山崎隼汰助教、日本学術振興会外国人研究員の Bartosz Regula 博士、Philip
Taranto 博士、博士研究員の Hlér Kristjánsson 博士、博士課程大学院生の横島亘氏、田中雄氏、橋本豊氏、
Timothy Forrer 氏、修士課程大学院生の吉田智治氏、
大嶽竜樹氏のメンバーで、多角的な視点から量子情報の理論的研究を進めた。

[119] Nakazato Y., ”Formation and evolution of starclusters and galaxies in the early Universe”; invited
seminar at UCLA, (February 23, 2023)

5.2.1[120] 須藤靖, ”階層的三体系の力学的安定性と ZKL 効果”;
天文学談話会 鹿児島大学 (2023 年 2 月 24 日)

量子機械学習・量子学習

二分決定図を用いた量子状態生成アルゴリズム[121] 須藤靖, ”宇宙が数式にしたがっている理由”; 早稲田大学 オープンカレッジ (2023 年 3 月 4 日, 11 日)与えられた古典的データの経験分布を確率振幅とする量子重ね合わせ状態を生成する方法として、量子ランダムアクセスメモリと Grover-Rudolph の手法に基づく量子状態生成アルゴリズムが知られている。しかしこの手法は量子ランダムアクセスメモリの構成の仕方に応じて、N をデータサイズとしたときに、O(N ) の量子ビット数もしくは O(N ) の量子回路長を必要とするというトレードオフがあった。これに対し本研究では、二分決定図 (BDD) を用いて経験分布を表現するデータ構造を提案し、その BDDを用いて経験分布の量子重ね合わせ状態を生成する
量子アルゴリズムを開発することで、経験分布が効率的に表現できる場合に量子ビット数や量子回路長が N に陽に依存しない量子状態生成手法を示した。
(担当：田中、山崎、村尾)[122] 須藤靖, ”学問と政治の適切な距離感”; 軍学共同反対連絡会 シンポジウム「加速する軍事研究への動員」,
衆議院第一議員会館 (2023 年 3 月 6 日)
[123] Suto Y., ”Spin-orbit architectures of transiting planetary systems: Rossiter-McLaughlin eﬀect
and asteroseismology”; Physics Colloquium at National Taiwan University, Taipei (March 14, 2023)[124] Suto Y., ”Radial velocity modulation of a tertiarystar orbiting an inner binary black hole”; Seminar at Academia Sinica of Astronomy and Astrophysics, Taipei (March 15, 2023)[125] Nakazato Y., ”H2 cooling of gravitational collapseof SIGOs with high-resolution simulations”; Supersonic Project: Collaboration meeting, UCLA
(March 27, 2023)

コヒーレントな制御を活用した量子ニューラルネッ
トワーク

5.2

村尾研究室

量子ニューラルネットワークとは、ニューラルネッ
トワークの各パーセプトロンを量子ゲートに置き換
え、重ね合わせを保ったまま入力量子状態を変換して量子情報とは、0 と 1 のみならず 0 と 1 の任意の重ね合わせ状態を取ることができるような量子力学的100

5. 一般物理理論

5.2. 村尾研究室

御することは困難になる。そのため大規模な量子計算を実行するためには、複数の量子コンピュータで分散処理を行うことが有用である。本研究では、与えられた量子回路を複数の量子コンピュータで最小のエンタングルメントコストで分散実行するタスクを解析し、またこの解析を実行する Python パッケージを作成した。本研究は、Quantinuum(旧名称：Cambridge
Quantum Computing) の Quantum Software 部門および Jun-Yi Wu 博士 (台湾 Tamkang University) との共同研究である。(担当：Forrer、村尾)

出力するできるようにした変分量子回路である。本
研究では、量子状態だけでなく各パーセプトロンに対応する量子ゲート操作自体についても、コヒーレ
ントな制御により異なる操作の重ね合わせができる
ように拡張を行い、新しい量子機械学習のパラダイ
ムとして定式化した。また量子状態を入力データとする量子機械学習タスクにおける提案手法の性能解析を進めた。
（担当：Kristjánsson、山崎、村尾）

ユニタリ比較アルゴリズムの IBM Q による実装
量子学習は、未知の量子系の性質を効率よく学習するための枠組みである。我々は、量子コンピュータを用いることで、量子系から不必要な古典情報を取り出さずに知りたい性質の情報のみを取り出すことを目的とする完全量子学習について研究を進めてきた。昨年度までに、完全量子学習のタスクの一つとして、量子回路のブラックボックスが複数与えられた際に、与えられた量子回路が実装するユニタリ
演算同士が同じか違うかを判定する「ユニタリ比較」
を定式化し、このタスクを最適な成功確率で解く量子アルゴリズムを開発した。今年度は、Qiskit での実装を通じて、量子コンピュータの実機 IBM Q を使った実験での性能検証を行なった。実験の結果、小規模な回路ではノイズによる成功確率の低下は小さく、実用的であることがわかった。これにより、量子コ
ンピュータを用いて未知の量子系から特定の情報を抽出する「完全量子学習」が実現可能であることが、ユニタリ比較について示された。(担当：橋本、村尾)

本研究では、Eisert らの先行研究で提案された非局所制御ユニタリゲートを分散実装するプロトコルを一般化し、複数の非局所制御ユニタリゲートの列を一度に実装するアルゴリズムを与えた。昨年度に得られた分散実装に必要となるエンタングルメント
コストを削減する問題を二部グラフの最小頂点被覆問題に帰着させるアルゴリズムを「埋め込み」などの他の戦略を包含するように拡張し、また最適解の形について外部から課せられる制約も考慮できるようにした。本研究は、Quantinuum(旧名称：Cambridge
Quantum Computing) の Quantum Software 部門および Jun-Yi Wu 博士 (台湾 Tamkang University) との共同研究である。(担当：Forrer、村尾)

量子リッジレット変換による量子機械学習

5.2.3

量子機械学習における重要な課題の１つに、ニュー
ラルネットワークを用いた学習などの一般的な機械
学習タスクの中で、量子計算を適用すると大幅な高速化が達成できるような応用先を発見することがある。
本研究では、量子状態のリッジレット変換を高速に実行する量子アルゴリズムを開発し、さらにその応用先として、大規模なニューラルネットワークが与えられた際に、学習可能で疎なサブネットワークを探索する問題を効率的に解く量子アルゴリズムを構築した。これにより、ニューラルネットワークを用いた学習を高速化する量子機械学習の枠組みを明らかにした。本研究は Sathyawageeswar Subramanian
博士 (英国 University of Warwick)、早川知志氏 (英国 Univeristy of Oxford)、園田翔博士 (RIKEN AIP)との共同研究である。(担当：山崎)

新しい側面からの量子情報処理へのアプローチとして、ブラックボックスとして与えられた未知の量子演算を入力として、量子演算を出力とする関数である超写像を実装する高階量子演算 (higher-order quantum
operations、量子プロセス、量子超写像、量子超チャネルとも呼ばれる) に注目し、その実装可能性や実装
アルゴリズム、近似的実装に必要なリソース、および、高階量子演算における並列性・因果性・匿名性に関する解析への応用を進めた。

5.2.2

分散型量子情報処理アルゴリズム

量子コンピュータのネットワーク上での非局所ゲートの分散実装量子コンピュータの量子ビット数が増えるにつれ、
量子コンピュータ内の多数の量子ビットを精密に制101

エンタングルメントに補助されたパッキングプロセ
スを用いたエンタングルメント効率の高い二者間分
散量子計算

高階量子演算ハミルトニアンダイナミクスに対するユニバーサル
な変換アルゴリズム
ハミルトニアンシミュレーションの既存手法では、
シミューレートしたいハミルトニアンの古典的記述が与えられていることを仮定していた。 これに対し
本研究では、未知のハミルトニアンの正時間ダイナ
ミクスが与えられた場合に、エルミート性を保存す
る線形変換で記述される任意のハミルトニアンのダ
イナミクスをシミュレートする量子アルゴリズムを提案し、その精度について解析を行った。この量子アルゴリズムは、相関を持つランダムネスを用いることが特徴である。さらに、この量子アルゴリズム

5.2. 村尾研究室

5. 一般物理理論

ることを目指して解析を進めた。「N 者間高階量子演
算がユニタリ拡張可能ならば、ルーティングされた量子回路に分解できる」（この命題は物理的に実現可能な高階量子演算に対応するように予想されたものである）。この研究は、2021 年度に得られた我々の結果 [W. Yokojima, et al., Quantum 5, 441 (2021)]の一般化と見ることができる。本研究は、Augustin
Vanrietvelde 博士 (フランス Inria Saclay Centre) との共同研究である。（担当：横島、Kristjánsson、村尾）を用いて、未知ハミルトニアンダイナミクスの逆時
間発展や時間反転のシミュレーション、および、多パ
ラメータを持つハミルトニアンの１パラメータを効率的に推定する方法を見出した。本研究は添田彬仁
博士（国立情報学研究所）との共同研究である。(担当：大嶽、Kristjánsson、村尾)

単一量子ビットユニタリ演算を決定論的かつ正確に反転するアルゴリズム
本研究では、未知の単一量子ビットユニタリ演算
を決定論的かつ正確に時間反転する量子アルゴリズ
ムを構成した。まず、ユニタリ反転アルゴリズムを探索する問題を半正定値計画法 (SDP) として記述し、問題のユニタリ群対称性に着目することで SDP の簡約化を行った。入力として与えられるユニタリ演算
が量子ビットに作用する場合、簡約化された SDP の
数値計算の結果から決定論的かつ正確なユニタリ反転アルゴリズムの存在を示した。さらにこの数値計算の結果を用いて、ユニタリ反転アルゴリズムを実際に解析的に構成した。また、本アルゴリズムにおいて、補助系の出力状態に入力ユニタリ演算の情報が保存されていることを示し、この情報をユニタリ
反転アルゴリズムにおける触媒として用いることができることを示した。本研究は添田彬仁博士（国立
情報学研究所）との共同研究である。(担当：吉田、村尾)

量子回路を用いた量子スイッチのシミュレーション
量子スイッチは、不定因果順序の現れる代表的な高階量子演算の１つである。量子スイッチに 2 つのユニタリ演算を入力した場合に得られる演算は、片方のユニタリを 2 回使用することで因果順序を持つ量子回路でシミュレート可能であることが知られているが、ユニタリ演算の代わりに一般の量子チャネルが入力となった場合について同様のシミュレーションが可能かは不明であった。本研究では、入力の量子チャネルを任意の整数回使用できる条件の下であっても、2 つの一般の量子チャネルを入力とする量子スイッチの演算
は因果順序を持つ量子回路ではシミュレートできない
ことを示した。本研究は、Jessica Bavaresco 博士 (スイス Universitè de Genève)、Marco Túlio Quintino
博士 (フランス Sorbonne Universitè) との共同研究である。(担当：Kristjánsson、Taranto、村尾）

5.2.4

触媒的量子超写像
量子チャネルを量子チャネルに変換する量子超写
像 (=高階量子演算) は、補助系を適切に加えること
で、常にユニタリ超写像に純粋化することができる。
本研究では、補助系の出力状態が、入力チャネルの一つを復元するのに十分な情報を含んでいるような量子超写像を考察し、このような複数の例が存在する
ことを発見した。補助系の出力状態から復元された
入力チャネルは本質的に触媒として働くので、純粋化により得られたユニタリ超写像を触媒的量子超写像 (catalytic quantum supermaps) と呼ぶ。リソー
ス理論の枠組みを用いて触媒的量子超写像を定式化
し、量子情報処理における応用可能性について解析を進めている。本研究は、Jessica Bavaresco 博士（スイス Universitè de Genève）、Marco Túlio Quintino
博士（フランス Sorbonne Universitè）との共同研究である。
（担当：Kristjánsson、吉田、Taranto、村尾）

ユニタリ拡張可能な N 者間高階量子演算の分解
近年、事象の因果順序が一意に決まらない高階量子演算が関心の対象となっているが、こうした不定
因果順序の現れる高階量子演算をどのような条件下
で単純な操作に分解できるかは未解決である。本研
究では、[A. Vanrietvelde, et al., arXiv:2206.10042,
2022] で提起された次の予想を証明（または反証）す

量子エラー訂正

パウリノイズに対するランダム量子符号とテンソル
ネットワークデコーダーの開発
近年の研究 [M. J. Gullans et al., Phys. Rev. X
11, 031066 (2021)] により、１次元・n 量子ビット・O(log n) 回路長のランダムクリフォード量子回路で定義される量子エラー訂正符号を用いると、正の符号化レートを達成できることが示された。しかし先行研究の結果の適用範囲は、シンプルなイレーサー
エラーモデルの下のレートに限定されていた。これに対し本研究では、テンソルネットワークの手法を用いて、１次元・n 量子ビット・O(log n) 回路長のランダムクリフォード量子回路に対し効率的に動作する最尤デコーダーを構築することで、より一般的
なパウリノイズモデルについてもこうした正の符号化レートが達成されることを数値的に実証した。本
研究は Andrew S. Darmawan 氏 (京都大学)、中田芳
史博士 (京都大学)、 田宮志郎氏 (東京大学) との共同研究である。(担当：山崎)

時間オーバーヘッドが短い定数空間オーバーヘッド
誤り耐性量子計算
誤り耐性量子計算に必要な量子ビット数を減らす手法として量子 low-density parity-check (LDPC) 符

102

5. 一般物理理論

5.2. 村尾研究室

エンタングルメントコストに関する新たなバウンドを構成し、量子相対エントロピーなどに基づく既存のバウンドを改善した。さらに本結果を量子チャン
ネルにも拡張し、量子通信の理論においても同様の不可逆性が現れることを示した。本研究は Ludovico
Lami 博士 (オランダ University of Amsterdam) との共同研究である。(担当：Regula)号を用いた定数空間オーバーヘッド誤り耐性量子計
算プロトコルが注目されている。しかし既存の定数
空間オーバーヘッドプロトコルには、時間オーバー
ヘッドが多項式的にかかるという問題があった。これに対し本研究では量子 LDPC 符号ではなく連接符号を用いる手法を開発することで、時間オーバーヘッ
ドが短い定数空間オーバーヘッド誤り耐性量子計算
プロトコルを構築した。本研究は小芦雅斗博士 (東京大学) との共同研究である。(担当：山崎)

量子状態の確率的変換に関するタイトな制約

5.2.5

量子熱力学と量子リソース理論

量子系の冷却コスト
物理過程における制御の重要性を表す例として、熱力学第 3 法則である「ネルンストの達成不可能性原理」が挙げられる。この法則は、ある系を絶対零度まで冷却するためには無限のリソースが必要であることを示す。しかし、このリソースとは何であり、どのように利用すべきなのだろうか？ また、情報と熱力学を結びつけるランダウアーの原理とどのような関係があるのだろうか？ 本研究ではこれらの疑問に答える
ために、純粋量子状態を作り出すために必要なリソースを特定するための枠組みを構築した。無限に長い
時間、あるいは無限に複雑な制御をかけることで、ランダウアーのエネルギーコストで完全な冷却が可能であることを示した。本研究は Faraj Bakhshinezhad
博士 (オーストリア TU Wien)、 Andreas Bluhm 博士 (フランス CRNS Grenoble)、 Ralph Silva 博士(スイス ETH Zürich)、 Nicolai Friis 博士 (オースト
リア TU Wien)、 Maximilian Lock 博士 (オースト
リア TU Wien)、 Giuseppe Vitagliano 博士 (オーストリア TU Wien)、 Felix Binder 博士 (アイルランド
Trinity College Dublin)、Tiago Debarba 博士 (ブラジル University of Paraná)、 Emanuel Schwarzhans
氏 (オーストリア TU Wien)、Fabien Clivaz 博士 (ドイツ Universität Ulm)、 Marcus Huber 博士 (オーストリア TU Wien) との共同研究である。(担当：
Taranto)量子エンタングルメント変換の不可逆性
量子エンタングルメントの特徴づけにおいて長い間解かれていなかった重要な問題の１つに、熱力学でのマクロスコピックな状態変換が可逆であるのと同様に、エンタングルメントの漸近的変換は可逆にできるかという問題があった。本研究ではエンタン
グルメント変換は本質的に不可逆であることを示した。すなわち、エンタングルメントを生成しないどのようなクラスの操作を考えても、その操作で可逆に実行できない量子状態変換が存在することを示した。
本結果は、熱力学第二法則と同様の法則がエンタン
グルメントのリソース理論では一般に成立し得ないことを示すものである。こうした結果を得るための手法として「テンパードネガティヴィティ」という効率的に計算可能な量を導入することで、量子状態の103

本研究では、量子リソース理論によって課される
物理的な操作の制約のもとで、量子状態間の確率的な変換がいつ可能であるかを解析するための一般的な理論的手法を開発した。定量的なバウンドや制約の導出に加え、特に本研究では「プロジェクティブロ
バストネス」という新しいリソース尺度を解析することで既存の結果を改善し、量子状態変換の背後にある新たな制約を明らかにした。こうした結果により、エンタングルメント蒸留やマジック状態蒸留な
どの重要な量子プロトコルの性能に関してより強力なバウンドが導出された。本研究は 2021 年度の研究[B. Regula, Phys. Rev. Lett. 128, 110505 (2022)]の結果を拡張するものである。(担当：Regula)＜受賞＞[1] 吉田智治、理学系研究科研究奨励賞、東京大学理学系
研究科、2023 年 3 月[2] S. Yoshida, Poster Award in 2nd International
Symposium on Trans-Scale Quantum Science,
TSQS2022 Organizing Committee, Nov. 2022.
＜報文＞(原著論文)[3] B. Regula, Tight constraints on probabilistic convertibility of quantum states, Quantum 6, 817(2022)[4] J. Bavaresco, M. Murao and M. T. Quintino, Unitary channel discrimination beyond group structures: Advantages of sequential and indeﬁnitecausal-order strategies, J. Math Phys. 63, 042203(2022)[5] L. Lami and B. Regula, No second law of entanglement manipulation after all, Nat. Phys. 19, 184(2023)[6] L. Lami and B. Regula, Computable lower bounds
on the entanglement cost of quantum channels, J.
Phys. A: Math. Theor. 56, 035302 (2023)[7] S. Yoshida, A. Soeda and M. Murao, Universal
construction of decoders from encoding black boxes,
Quantum 7, 957 (2023)[8] P. Taranto, F. Bakhshinezhad, A. Bluhm, R. Silva,
N. Friis, M. P. E. Lock, G. Vitagliano, F. C.
Binder, T. Debarba, E. Schwarzhans, F. Clivaz,
M. Huber, Landauer vs. Nernst: What is the True
Cost of Cooling a Quantum System?, accepted inPhys. Rev. X Quantum (2023)

5.2. 村尾研究室

5. 一般物理理論(学位論文)[19] S. Yoshida, A. Soeda and M. Murao, “Reversing unknown qubit-unitary operation, deterministically and exactly”, 2nd International Symposiumon Trans-Scale Quantum Science, Tokyo, Japan,
Nov. 2022 (poster)[20] W. Jun-Yi, K. Matsui, T. Forrer, A. Soeda, P.
Andrés-Martın, D. Mills, L. Henaut and M. Murao,“Bipartite Distributed Quantum Computing with
Entanglement-Assisting Packing Processes”, 2ndInternational Symposium on Trans-Scale Quantum
Science, Tokyo, Japan, Nov. 2022 (poster)[21] W. Jun-Yi, K. Matsui, T. Forrer, A. Soeda, P.
Andrés-Martın, D. Mills, L. Henaut and M. Murao, “Bipartite Distributed Quantum Computing
with Entanglement-Assisting Packing Processes”,
the JSPS Japan-NUS (Singapore) Joint seminar,
Tokyo, Japan, Feb. 2023 (poster)[22] S. Yoshida, A. Soeda and M. Murao, “Universal decoding of a single qubit information: deterministic
and exact protocol”, 26th Conference on Quantum
Information Processing (QIP2023), Ghent, Belgium, Feb. 2023 (poster)[23] W. Jun-Yi, K. Matsui, T. Forrer, A. Soeda, P.
Andrés-Martın, D. Mills, L. Henaut and M. Murao, “Entanglement-eﬃcient bipartite-distributed
quantum computing with entanglement-assisted
packing processes”,26th Conference on Quantum
Information Processing (QIP2023), Ghent, Belgium, Feb. 2023 (poster)[9] S. Yoshida, Higher-order quantum algorithms foruniversally inverting unitary and isometry operations (ユニタリ変換およびアイソメトリ変換を普遍的に反転する高階量子アルゴリズム), 修士論文
＜学術講演＞(国際会議)
一般講演[10] H. Yamasaki, M. Koashi, “Time-Eﬃcient
Constant-Space-Overhead Fault-Tolerant Quantum Computation”, 26th Conference on Quantum
Information Processing (QIP2023),
Ghent,
Belgium, Feb. 2023 (short plenary talk)[11] S. Yoshida, A. Soeda and M. Murao, “Probabilistic
exact construction of decoders from encoding blackboxes”, Quantum Physics and Logic 2022 (QPL2022), Oxford, UK, Jul. 2022 (talk)[12] Y. Hashimoto, A. Soeda and M. Murao, “Comparison of unknown unitary channels with multiple use”, 15th Asia Paciﬁc Physics Conference(APPC15), Seoul, Korea, Aug. 2022 (talk)[13] B. Regula, L. Lami and M. Wilde, “Overcoming
entropic limitations on asymptotic state transformations through probabilistic protocols”, Beyond
IID in Information Theory (BIID) 2022, Shenzhen, China, Sep. 2022 (talk)

招待講演[14] S. Akibue, M. Owari, G. Kato and M. Murao, “Entanglement-assisted classical communication simulates ”classical communication withoutcausal order”, Time in Quantum Theory 2022, Vienna, Austria, Sep. 2022 (talk)[24] M. Murao, “Controlled quantum operations andcombs, and their applications to universal controllization of divisible unitary operations”, 5th Seefeld
Workshop on Quantum Information, Seefeld, Austria, Jun. 2022
[25] H. Kristjánsson, “On the practical realisabilityof indeﬁnite causal order and its applications”,
Causalworlds, Zürich, Switzerland, Sep. 2022
[26] B. Regula, “Projective divergences and limitationsof probabilistic state transformations”, Workshop on Quantum Information, Computation, andFoundations 2022 (QICF22), Kyoto, Japan, Oct.
2022[27] M. Murao, “Fully-quantum learning: Comparison of unknown unitary channels with multiple
uses”, Workshop on Quantum Information, Computation, and Foundations 2022 (QICF22), Kyoto,
Japan, Oct. 2022
[28] M. Murao, “Universally superposing quantum
operations toward quantum functional programming”, 2nd International Symposium on TransScale Quantum Science (TSQS2022), Tokyo,
Japan, Nov. 2022
[29] S. Yoshida, “Universal inversion of unitary andisometry operations: deterministic and exact algorithms”, the JSPS Japan-NUS (Singapore) Joint
seminar, Tokyo, Japan, Feb. 2023

[15] H. Yamasaki, K. Kuroiwa, “General Quantum Resource Theories: Maximal Resources, Catalytic
Replication and Asymptotically Consistent Measures”, Quantum resources workshop, Singapore,Dec. 2022 (talk)[16] H. Kristjánsson, Giulio Chiribella, Sina Salek,
Daniel Ebler, Matt Wilson, Yan Zhong and Anthony Munson, “General Resource theories ofcommunication and coherent routing of information”, Quantum resources workshop, Singapore,Dec. 2022 (talk)[17] M. Berta, F. G. S. L. Brandão, G. Gour, L. Lami,
M. B. Plenio, B. Regula and M. Tomamichel, “Ongeneralised quantum Stein’s lemmata and the reversibility of quantum resources”, 26th Conferenceon Quantum Information Processing (QIP 2023),
Ghent, Belgium, Feb 2023 (talk)[18] S. Yoshida, A. Soeda and M. Murao, “Probabilistic exact construction of decoders from encoding
black boxes”, 5th Seefeld Workshop on Quantum
Information, Seefeld, Austria, Jun. 2022 (poster)104

5. 一般物理理論

5.3. 上田研究室(BEC) などの巨視的量子現象や、固体物理、宇宙物
理とも類似した現象を創り出し、その普遍的性質と新しい量子多体物理の可能性を探究することができる。私たちは、環境への散逸や量子測定の反作用の影響下にある冷却原子系の非ユニタリ・ダイナミク
ス、非平衡開放系における相の分類、人工ゲージ場
中での量子ホール効果や渦格子、孤立量子系の熱平衡化などについて研究を行っている。同時に私たち
は、情報をキーワードとして量子論や統計力学の基
礎概念を捉え直し、物理と情報を融合させた新分野の構築を目指す研究にも取り組んでいる。特に測定やフィードバック制御を行うもとでの情報の流れに着目し、熱力学の第二法則や揺らぎの定理の一般化、波束収縮のダイナミクス、測定結果からのハミルトニアン推定などの研究を行っている。さらに、私た
ちは機械学習や深層学習における情報処理のプロセスに注目し、物理学の視点から AI や機械学習の理解に取り組んでいる。

[30] H. Yamasaki, “Quantum Machine Learning with
Optimized Random Features: Applications of Exponential Speedup without Sparse and Low-Rank
Matrices”, the JSPS Japan-NUS (Singapore) Joint
seminar, Tokyo, Japan, Feb. 2023
[31] H. Yamasaki, “Time-Eﬃcient Constant-SpaceOverhead Fault-Tolerant Quantum Computation”,
Quantum Error Correction Workshop, Kyoto,
Japan, Mar. 2023
[32] M. Murao, “Fully-quantum learning: Comparisonof unknown unitary channels with multiple uses”,
Near-term quantum computing 2020(+3), Warsaw,
Poland, Mar. 2023
(国内会議)
一般講演[33] S. Yoshida, A. Soeda and M. Murao, “Universal
decoding of a single qubit information: deterministic and exact protocol”, 第 47 回量子情報技術研究
会 (QIT47), Tokyo, Japan, Dec. 2022 (talk)

5.3.1[34] S. Yoshida, A. Soeda and M. Murao, “Reversing unknown qubit-unitary operation, deterministically and exactly”, 第 32 回量子情報関東 Student
Chapter, Kanagawa, Japan, Oct. 2022 (poster)Yang-Lee 量子臨界現象の開放量子系への埋め込み

招待講演[35] 村尾美緒, “量子力学から量子コンピュータまで”, 日
本学術会議 公開シンポジウム「日本の物理学研究―
過去・現在・未来」, 東京 (オンライン), 日本, Oct.
2022[36] 村尾美緒, “量子系をプログラミングする”, 東京大学
AI センター連続シンポジウム 第 11 回「共進化する
物理学と人工知能の現在」, 東京 (オンライン), 日本,
Oct. 2022[37] H. Yamasaki, “Outlook for Photonic Quantum
Computing and Quantum Machine Learning”, Session CI-3 機械学習と光・ICT 技術, IEICE (TheInstitute of Electronics, Information and Communication Engineers) General Conference 2023,
Saitama, Japan, Mar. 2023

5.3

冷却原子気体・非平衡開放系

上田研究室

近年のナノサイエンスの発展により、原子や分子、光子を量子 1 個のレベルで精密に測定し、制御することが可能になってきた。当研究室では、このような高い制御性を有する系での量子多体問題の解明と、その基礎となるナノスケールの熱力学・統計力学の構築を目指して理論研究を行っている。特に近年の中心的テーマとなっているのは、冷却原子気体・非平衡開放系の研究、および、量子論・統計力学と情報論・人工知能の融合である。レーザー冷却により絶対零度近くまで冷却された原子系においては、高い制御性のもとで、ボース・アインシュタイン凝縮

105

分配関数の零点として定義される Yang-Lee の零点は物理量の解析的性質を完全に特徴付け、それに伴い物理量やパラメータを複素平面へ解析接続する必然性が生じる。パラメータの実軸に最も近い、ゼロ点の分布の端は物理量の分岐点となっており、YangLee 端特異性と呼ばれる非ユニタリー臨界現象を示す。この臨界現象は磁場の複素平面へ解析接続された物理量において実現するが、複素数の磁場が実現する状況や複素数の物理量の観測方法は未解明だった。また、物理的な直感に反する異常なスケーリン
グ則が生じるが、その物理的意味も未解明だった。本
研究では、量子古典対応に基づき、虚数磁場を伴う古典系と等価な臨界現象を示す非エルミートな量子系に着目した。はじめに、複素平面へと解析接続された物理量を拡大されたエルミート系に埋め込むと共に異常なスケーリング則の物理的意味を明らかにした。次に、有限温度量子系におけるスケーリング則を議論し、Yang-Lee の臨界指数との整合性を確認すると共に、虚時間方向の新奇なスケーリング則を発見した（図 5.3.1）。最後に、解析接続された物理量の実部と虚部をそれぞれ実験的に観測する方法を考案した。本研究成果により、非ユニタリー臨界現象の量子開放系における物理的実現について洞察が与えられる [6]。

散逸下の朝永-Luttinger 液体の普遍的性質
量子スピン系や電子系で見られる多くの量子臨界現象は一次元系では普遍的に朝永-Luttinger 液体理論で記述される。一方で、これはユニタリな量子場の理論であるため、散逸の存在により時間発展が非ユニタリとなったとき、量子臨界現象の普遍性クラスがどのような変更を受けるかは明らかではない。

5.3. 上田研究室

5. 一般物理理論<latexit sha1_base64="YHFEORfaBzk7MuRUnyVckJi5CY8=">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</latexit><latexit sha1_base64="kZBnxU8i+9EztYVG2EE3o6Wf03s=">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</latexit><latexit sha1_base64="DJZplCC/cZxSaF1XoYYJjt0+GzU=">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</latexit>

2
R
⇡ 1

ETH）によって熱平衡化すると広く信じられている。
そこで本研究では、冪的 (∼ 1/rα ) に減衰する 2 体
長距離相互作用を含む 1 次元スピン系からなるランダム行列集団を構成し、その集団における ETH の典型性を厳密対角化による数値実験で検証した。その結果、 少なくとも α ≥ 0.6 のとき ETH が典型的に成立することを実証した。一方、有限サイズ系においては、長距離相互作用によって物理量の平衡値が、(短距離系の場合と比べ) 熱平衡値から大きくずれることを発見した。このことは、前述の実験において熱平衡化が観測されなかったことは、実験系の有限サイズ効果によるものであることを示唆している [4]。

2 p
R | cos 2 |⇡2 p
R cos 2⇡anomaloustemperature dependence<latexit sha1_base64="vt5DsOd3OFNYA49GWdg+6rPDc5c=">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</latexit>

1

Region with
Yang-Lee zeros<latexit sha1_base64="/o135fOSkK319PsLwDVmQMvsdSc=">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</latexit>

1/

Yang-Lee scaling laws
<latexit sha1_base64="ik95H+Tj3KDq9XCx0mf2JbmRdPw=">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</latexit>

000<latexit sha1_base64="SM9mDoBLfDzE42lUaaIABtEAsl4=">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</latexit>/()

periodic divergence
⇡
⇡2
1
QCP 4
2
<latexit sha1_base64="iZtgFotvPsjd6iE0BS3Cl9ORIZg=">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</latexit><latexit sha1_base64="4BCWjh5Xb297n3xlmoh9U2oFw/s=">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</latexit><latexit sha1_base64="0w407xEBB95wqPpm+kLs1YBPSGk=">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</latexit>

5.3.2

図 5.3.1: Yang-Lee 量子臨界現象の有限温度相図 [6]。
量子臨界点（QCP）に横軸（ハミルトニアンの制御パ

量子論・統計力学と情報理論・人工知能の融合

深層ネットワークを学習させる基礎理論ラメータ）上の左側から近づく場合、Yang-Lee 端特

現代の人工ニューラルネットワークには何十億ものパラメータがあり、ニューラルネットワークの学
習には対称性とその破れが自然に存在する。我々は最近の一連の研究で、ニューラルネットワークの損
失ランドスケープにおける対称性が、崩壊として知られる深層学習における重要なクラスの現象をどのように引き起こすのかを明らかにした [8, 9, 12]。[8]では、ベイズ深層学習における posterior collapse の問題の理解を進めた。[12] では、自己教師あり学習の損失ランドスケープにおける回転対称性の役割を調べ、それが自己教師あり学習の設定でよく見られる
dimensional collapse と関連していることを示した。

異性に起因するスケーリング則が現れる。一方、縦軸（温度）側から近づく場合、古典系には現れない
新奇なスケーリング則が現れる。
我々は、非弾性衝突による粒子ロスのある 2 成分冷却ボソン原子系で実現される非エルミート XXZ ス
ピン鎖を用いて、散逸下の朝永-Luttinger 液体の普遍的性質を検証した。その結果、この系の量子臨界現象は朝永-Luttinger パラメータが複素数へと拡張された非ユニタリな朝永-Luttinger 液体理論で記述されることが明らかになった。まず、一次元非エル
ミート XXZ 模型を Bethe 仮設法を用いて厳密に解くことにより、複素朝永-Luttinger パラメータの厳密な表式を得た。さらに、ボソン化による場の理論と非エルミート系に拡張された密度行列くりこみ群
による数値計算を用いて、朝永-Luttinger 液体理論の予言を定量的に確かめた。この結果は、中心電荷c = 1 の共形場理論の非ユニタリ拡張を与える [2]。

非平衡ダイナミクスにおける普遍的な熱力学的不確
定性関係

長距離相互作用系における固有状態熱化仮説の成否
相互作用の大きさが系を構成する要素間の距離 rについて 1/rα のように冪的に減衰する長距離相互作
用系は、負の比熱や相関の異常伝播など多数の興味深い現象を示す熱・統計力学的に重要な対象である。
イオントラップ系は、長距離相互作用系の研究に適した実験系であり、冪 α を 0 から 3 まで連続的に変化させることができる。この特性を活かし、 長距離相互作用する孤立量子多体系における緩和ダイナミ
クスが調べられたが、実験の時間スケール内では熱平衡状態への緩和は観測されなかった。また、この結果が有限サイズ効果によるものなのか、それとも長距離相互作用は典型的に熱平衡化を妨げるのかは未解明だった。典型的な孤立量子多体系は、固有状
態熱化仮説（Eigenstate Thermalization Hypothesis,106

非平衡統計力学の最近の進展は、ダイナミクスのエントロピー生成とこれらのダイナミクスにおける統計的観測量の揺らぎとの間に密接な関係があることを示している。様々な制限のある系において、ダ
イナミクスのエントロピー生成が、熱力学的変数の期待値をその分散で割った値の上界を与えることが見出されてきた。我々の最近の研究は、これらの上界が任意のマルコフ的な力学系に存在し、任意の種類の観測量に適用されることから、このような熱力
学的不確定性関係が普遍的であることを示した [10]。
この結果の普遍性により、確率熱力学と数理ファイ
ナンスの基本法則の間に等価な関係があることを明らかにした。

強化学習による量子剛体の制御
ナノテクノロジーの発展に伴い、最近では、ナノ粒子をトラップすることで、十分に外界から孤立させ、重心自由度を冷却して基底状態に近づけ、量子5. 一般物理理論

5.3. 上田研究室領域に入るように制御することが可能になった。しかし、ナノ粒子の回転自由度は、重心自由度の冷却に比べ制御がはるかに難しく、未だ冷却に成功した例はない。そこで、我々はトラップされたナノ粒子の冷却の問題を、ナノ粒子を量子力学的な剛体として扱うことで考察した [15]。まず、回転自由度に着目し、捕捉・測定・制御された回転剛体の量子力学モデルを構築し解析した。そして、冷却タスク、すなわち系のエネルギーを減らすことに、深層強化学
習を応用した。深層強化学習は、この多次元連続空間における量子系の制御問題をうまく処理し、強化
学習が連続空間における複雑な量子力学の問題を解決できること、量子力学的回転体はその量子的性質にもかかわらず、多くの場合にうまく制御可能であることを示した。

[10] Liu Ziyin and Masahito Ueda: Universal thermodynamic uncertainty relation in nonequilibrium
dynamics, Phys. Rev. Research 5, 013039 (2023).
[11] Kantaro Honda, Shintaro Taie, Yosuke Takasu,
Naoki Nishizawa, Masaya Nakagawa, and Yoshiro
Takahashi: Observation of the Sign Reversal of
the Magnetic Correlation in a Driven-Dissipative
Fermi Gas in Double Wells, Phys. Rev. Lett. 130,063001 (2023).
[12] Liu Ziyin, Ekdeep Singh Lubana, Masahito Ueda,
and Hidenori Tanaka: What shapes the loss landscape of self-supervised learning?, To be publishedin International Conference on Learning Representations 2023 (ICLR 2023).
(国内雑誌)＜受賞＞[13] 中川大也: 冷却原子と量子多体系 孤立系から開放系
へ、数理科学 2022 年 12 月号、サイエンス社 (2022).

＜報文＞(原著論文)(学位論文)[1] Takumi Yoshino, Shunsuke Furukawa, andMasahito Ueda: Vortex lattices in binary BoseEinstein condensates: Collective modes, quantum
ﬂuctuations, and intercomponent entanglement, J.
Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 55, 105302 (2022).

[14] Norifumi Matsumoto: Theoretical study on nonunitary critical phenomena in the quantum Isingmodel （博士論文）.
[15] Zhikang Wang: Control of Continuous Quantum
Systems with Many Degrees of Freedom based on
Convergent Reinforcement Learning （博士論文）.

[2] Kazuki Yamamoto, Masaya Nakagawa, Masaki
Tezuka, Masahito Ueda, and Norio Kawakami:
Universal properties of dissipative TomonagaLuttinger liquids: Case study of a non-Hermitian
XXZ spin chain, Phys. Rev. B 105, 205125 (2022).

[16] Koki Shiraishi: Locality of the Quantum Master
Equation in Open Quantum Many-Body Systems（修士論文）.
＜学術講演＞[3] Takashi Mori, Liu Ziyin, Kangqiao Liu, andMasahito Ueda: Power-law escape rate of SGD,
Proceedings of the 39th International Conference
on Machine Learning, PMLR 162, 15959, (2022)(ICML 2022).

(国際会議)
招待講演[4] Shoki Sugimoto, Ryusuke Hamazaki, andMasahito Ueda:
Eigenstate Thermalizationin Long-Range Interacting Systems, Phys. Rev.
Lett. 129, 030602 (2022).

[17] Masahito Ueda: Universal Thermodynamic Uncertainty Relation in Non-Equilibrium Dynamics,
The 3rd Workshop on Stochastic Thermodynamics (WOST III), The University of Tokyo, Tokyo,
Japan, 2022.5.30.

[5] Lennart Dabelow and Masahito Ueda: Threelearning stages and accuracy-eﬃciency tradeoﬀ ofrestricted Boltzmann machines, Nat. Commun. 13,5474 (2022).

[18] Masaya Nakagawa: Exact Bethe-ansatz solutions
for open quantum many-body systems, Workshop
on Non-Hermitian Quantum Mechanics, The University of Tokyo, Tokyo, Japan, 2022.7.4.

[6] Norifumi Matsumoto, Masaya Nakagawa, andMasahito Ueda: Embedding the Yang-Lee quantum criticality in open quantum systems, Phys.
Rev. Research 4, 033250 (2022).

[19] Masahito Ueda: Non-Hermitian Physics, International Conference on Atomic Physics Summer
School 2022, University of Waterloo, Waterloo,
Canada, 2022.7.11.

[7] Kohei Kawabata and Masahito Ueda: Nonlinear
Landauer formula: Nonlinear response theory ofdisordered and topological materials, Phys. Rev.
B 106, 205104 (2022).

[20] Masahito Ueda: Quantum Thermalization, International Conference on Atomic Physics Summer
School 2022, University of Waterloo, Waterloo,
Canada, 2022.7.12.

[8] Zihao Wang* and Liu Ziyin*: Posterior Collapseof a Linear Latent Variable Model, Neural Information Processing Systems (NeurIPS2022) [Oral].

[21] Masahiato Ueda: Universal Thermodynamic Uncertainty Relation in Non-Equilibrium Dynamics,
Entropy and the Second Law of Thermodynamics– The past, the present, and the future, Wilhelm
und Else Heraeus-Stiftung, Bad Honnef, Germany,2022.7.15.

[9] Liu Ziyin, Botao Li, and Xiangming Meng: Exact
Solutions of a Deep Linear Network, Neural Information Processing Systems (NeurIPS2022).

107

5.3. 上田研究室

5. 一般物理理論[34] 杉本昇大、濱崎立資、上田正仁: 量子多体系における連続スペクトル中の束縛エネルギー固有状態、日本物理学会 2022 年秋季大会、東京工業大学、2022.9.14.

[22] Masahito Ueda: Spinor Bose-Einstein Condensates, International School of Physics
EnricoFermi
on Quantum Mixtures with Ultra-Cold
Atoms, International School of Physics Enrico
Fermi Villa Monastero, Varenna, Italy, 2022.7.1823.

[35] 杉本昇大、濱崎立資、上田正仁: 測定量に対する物理的制限が固有状態熱化仮説の成立に及ぼす影響、日本物理学会 2023 年春季大会、オンライン、2023.3.25.

[23] Masahito Ueda:
Information Thermodynamics, Nobel Symposium NS166: Emerging quantum technologies, High Court, Malmo, Sweden,
2022.8.25.

(セミナー)[36] Liu Ziyin: Does the Refractory Period Help Learning?
A Spiking Neural Network Perspective,
Harvard-LMU Young Scientists’ Forum, 2022.7.

[24] Masahito Ueda: Symmetry Breaking and Topological Excitations in Spinor Condensates, 2022 PanPaciﬁc Workshop on Topology and Correlations in
Exotic Materials, Gump Station Berkley, Moorea,
Tahiti, 2022.10.24.

[37] Liu Ziyin: Collapse and Phase Transition in Deep
Learning, NeuroTheory Seminar, Harvard University, 2022.10.11.

[25] Masahito Ueda: Non-Hermitian Quantum Physics,
Physics Colloquium, University of Luxembourg
Campus Limpertsberg, Luxembourg, 2023.2.22.

[38] Liu Ziyin: Collapse and Phase Transition in Deep
Learning, Tomaso Poggio Lab, Massachusetts Institute of Technology, 2022.11.7.

[26] Masahito Ueda:
Beyond-Hermitian Quantum
Physics, APCTP Spring Colloquium, Asia PaciﬁcCenter for Theoretical Physics, Pohang, Korea,
2023.03.17.

[39] Hongchao Li: Yang-Lee Singularity in BCS Superconductivity, Department of Physics, Sun Yat-Sen
University, Guangzhou, China, 2022.12.08.
[40] Liu Ziyin: Two Low-Rank Mechanisms in Deep
Learning, Haim Sompolinsky Lab Seminar, Harvard University, 2023.1.16.

一般講演[27] Masaya Nakagawa: Exact eigenstates of multicomponent Hubbard models: SU(N ) magnetic η pairing and weak ergodicity breaking, Novel Quantum States in Condensed Matter 2022, Yukawa
Institute for Theoretical Physics, Kyoto, Japan,
2022.11.25.

[41] Liu Ziyin: The Probabilistic Stability and LowRank Bias of SGD, Math Machine Learning seminar, Max Planck Institute/UCLA, 2023.1.26.
[42] Liu Ziyin: What shapes the loss landscape of SelfSupervised Learning?, NTT Japan, Musashino R&
D Center, 2023.2.

[28] Hongchao Li, Xiehang Yu, Masaya Nakagawa, andMasahito Ueda: Yang-Lee Singularity in BCS Superconductivity, FoPM International Symposium,
the University of Tokyo, Tokyo, Japan, 2023.2.07[43] Shoki Sugimoto: Typicality of the eigenstate thermalization hypothesis in realistic systems with local interactions, MathPhys Analysis Seminar, IST
Austria, 2023.3.2.

[29] Koki Shiraishi, Masaya Nakagawa, Takashi Mori,
and Masahito Ueda: Fundamental equations foropen quantum many-body systems, FoPM International Symposium, the University of Tokyo, Tokyo,
Japan, 2023.2.07[44] Liu Ziyin: Collapse and Phase Transition in Deep
Learning, 統計数理研究所, Japan, 2023.3.7.

(国内会議)
招待講演[30] 中川大也: 冷却原子系における近藤効果、冷却原子気体における少数量子系の普遍的性質、京都大学基礎物理学研究所、2022.8.23.
[31] 中川大也: 冷却原子気体における開放量子多体系の物
理、KEK 素核研・物構研連携研究会、オンライン、
2023.2.17.
一般講演[32] 白石航暉、中川大也、上田正仁: Lieb-Robinson 限界と開放量子多体系の量子マスター方程式の局所性、日本物理学会 2022 年秋季大会、東京工業大学、2022.9.12.
[33] 中川大也、桂法称、上田正仁: 多成分 Hubbard 模型の部分可積分性：散逸によって誘起される非エルゴー
ド的ダイナミクス、日本物理学会 2022 年秋季大会、
東京工業大学、2022.9.13.

108

5. 一般物理理論

5.4

5.4. 横山 (順) 研究室

初期宇宙の一次相転移と重力波

横山 (順) 研究室

初期宇宙の一次相転移は音波・乱流等の流体の運動を引き起こし、それによって生成した重力波が宇宙空間干渉計で将来的に観測される可能性がある。
我々は音波からの重力波生成のシミュレーションを提案した [84] ほか、相互作用の弱い粒子がこのプロセスに関与した場合に特徴的な重力波シグナルが出現する可能性を指摘し [77, 85, 111]、重力の影響を考慮した場合の原始ブラックホール生成の可能性も議論した [87]。また物理学会で概説を行った [91]。

当研究室はビッグバン宇宙国際研究センターを本拠として、一般相対性理論、場の量子論、素粒子物
理学等の基礎物理学理論に基づいて宇宙論と重力理論の理論的研究を幅広く行うとともに、理学部物理学教室の教育と研究に参画しています。また、大型
低温重力波検出器 KAGRA の本格稼働を迎え、ビッグバン宇宙国際研究センターの Cannon 研究室とともに重力波データ解析の研究と人材育成にも携わっています。横山は 2021 年 9 月から KAGRA 科学会
議議長を務めるとともに [45, 48, 51, 52]、2022 年末
まで 3 年間アジア太平洋物理学会連合会長として域内の物理学の振興に務めました [46, 47, 49]。

5.4.1

数理解析と宇宙論

宇宙論: 時空構造

真空相転移のローレンツ経路積分による考察
真空相転移はユークリッド化された時空での経路積分により定式化されてきたが、終状態の曖昧さや重力存在下での負モードの唯一性の破れといった問題がある。そこで本研究では、実時間において真空相転移の確率をローレンツ経路積分で直接定式化し、鞍点法により評価することを試みた。その結果、重力を背景時空として扱った場合、ローレンツ経路積
分による解析は、従来のユークリッド経路積分で予言される相転移確率を再現した。さらに、ユークリッ
ド経路積分では評価できなかった、臨界半径とは異なる大きさを持つ真空泡の生成についても、その生成確率を評価した [5, 30, 54]。

単一場インフレーション模型における高次量子効果
我々は、単一場インフレーション模型における曲率揺らぎの 2 点相関関数に対する 3 点相互作用からの 1 ループ補正を計算し、それが古典的な寄与より十分小さくなることを要請することにより、原始非ガウス性揺らぎに上限を与えた。特に、観測的に許される非ガウス性の範囲はこの制限を満たすが、1ループ補正が古典的な寄与の 1 ∼ 10 % 程度になる領域もあるので、将来観測がそのような値を示唆した場合、高次のループ補正を考慮することが重要になる [6, 28, 33, 35, 39, 61, 105, 107]。
原始ブラックホール (PBH) 生成機構として最も研究されているものに、単一場インフレーションにおいて作られた大きな振幅を持つ小スケール密度揺らぎの崩壊が挙げられる。我々は、大スケールにおける密度揺らぎのパワースペクトルへの 1 ループ補正を計算し、大量の PBH を作るような小スケール揺らぎは
CMB スケールに大きな補正を与え、矛盾を来すことを示した [55, 56, 66, 74, 78, 92, 109, 113, 114, 108]。

LIGO/Virgo によるブラックホール連星からの重力波初観測以降、連星系の運動を解析的に理解する
post-Newtonian 或いは post-Minkowskian 理論が発展している。この際必要となるファインマン積分において、展開の高次になると解析的計算が難しくなるという問題を回避するには、積分を数値的に高精度で評価した結果から解析的表式を推測すると良い。この数値評価に、機械学習を活用した normalizing ﬂowという手法でモンテカルロ積分を行った結果、通常のモンテカルロ積分と比べてどのような改善が見られるか報告した [80, 86]。
Stochastic inﬂation において、相関関数の e-folding
展開が一般に発散級数となることが知られている。そこで本研究では、発散級数に解析的意味付けを与える
Borel 総和の手法を用いてこれを処理し、相関関数の正しい時間発展が得られることを示した。また Borel
空間における特異点の解析から、本研究で扱った λϕ4模型では非摂動効果の非存在が示唆された [83, 89]。
我々はグラディエントフローを空間方向に 4 階微分へと拡張した方程式が、場の量子論における鞍点解へ自動的に収束する振る舞いをすることを発見し、報告した [89]。

宇宙複屈折の精密計算
宇宙複屈折とは、宇宙マイクロ波背景放射 (CMB)
が伝播中にその偏光面が回転する現象を指し、近年
CMB の観測データからその存在が示唆されている。
本研究では、これまで考慮されていなかった重力レ
ンズ効果を取り入れた理論計算を実現し、将来の高精度観測では、その効果が必ずしも無視できないことを示した [7, 22, 25, 37, 41, 43, 75, 81]。

5.4.2

宇宙論: 物質の起源と進化

インフレーション後の宇宙再加熱と物質生成
インフレーション後の宇宙が運動項優勢になるよ
うな模型では、宇宙再加熱をどう実現するかに問題があったが、我々はインフラトンが U(1) ゲージ場と109

5.4. 横山 (順) 研究室

5. 一般物理理論

Chern-Simons 結合をしている場合、ゲージ場がまず増幅され、そこからシュウィンガー効果により物質粒子が生成されることにより、放射優勢のビッグバ
ン宇宙が再現されることを示した [8] 。
インフレーション後場が振動せず運動項優勢となる理論での再加熱機構として、ヒッグス場に時空曲率との結合を与え、インフレーション後にスピノー
ダル不安定性を実現する方法も考えられる。われわれは、このような理論に階層的な質量を持つ三世代の右巻きニュートリノを導入することにより、宇宙
再加熱、ダークマター、バリオン非対称生成を同時に実現するシナリオを構築した [9]。
また、こうした重い右巻きニュートリノを導入することにより、観測との相性がとても良い R2 インフ
レーション理論の再加熱機構がどのように変化し、それがスペクトル指数やバリオン非対称などの観測量にどのような影響を与えるのかを仔細に研究し、定量的に明らかにした [40, 64, 73]。

スファレロン脱結合によるバリオン非対称生成機構
近年、素粒子標準模型内で実現できるバリオン数
非対称生成のシナリオが新しく提案された。宇宙膨
張によるスファレロン脱結合で熱平衡からのずれができると主張し、CP の破れはスファレロン性質のため、従来思われたより多く稼げるという定性的な評価があった。しかし、このシナリオでは、まだ脱結合していないスファレロンによる、できたバリオン数を消す効果を考慮しなかった。本研究でその効果を入れて、このシナリオで生成できるバリオン数が僅少にとどまることを示した [21, 72, 82]。

条件付き確率を用いた原始ブラックホール形成条件

アクシオンインフレーション

Axionic inﬂaton と U(1) ゲージ場の間に ChernSimons 結合があると、偏極に依存したタキオン不安定性によってゲージ場が成長することが知られている。我々はこの系に対する準解析的なアプローチを提案し [10, 29, 57, 58]、荷電粒子生成による反作用を取り入れた場合の電磁場の強度の推定に成功した。
この結果は初期磁場やバリオン数、原始重力波や原始ブラックホールの生成等の現象論的帰結に重要な示唆を与えるものである。
また、この Chern-Simons 結合により、インフレー
ション終了後にヘリシティを持った磁場とバリオン非対称が既に生成されている状況が実現される。その後の時空の発展とともに、磁場とバリオン非対称が対消滅する可能性があるが、我々は、右巻きニュート
リノの存在下において完全な対消滅を回避し、最終的に現在の宇宙のバリオン非対称が説明できるシナリオを構築することに成功した [11, 53, 90, 93, 94, 97, 99]

宇宙論におけるカイラル効果
カイラル量子異常に代表されるカイラル効果は、宇宙論においても重要な役割を果たしうる。このテーマに関する総説を書く [12] とともに、我々は、カイラル効果によりエネルギー的にも安定化されるカイ
ラルソリトン格子と呼ばれるドメインウォールの宇宙における量子トンネルによる生成率を南部後藤作用を用いて評価することに成功した [13, 44]。また、宇宙にレプトンの存在量の世代間に大きな非対称があった場合、高温においてカイラルプラズマ不安定と呼ばれる機構によって強い磁場生成が起こることを示し、レプトン非対称にこれまでより強い制限がかかることを明らかにした [79, 100, 102, 103]。

110

原始ブラックホールの形成判定を行なうにあたって、曲率揺らぎで表される圧縮関数と呼ばれる指標を用いた判定方法がある。圧縮関数は揺らぎの平均的なプロファイルが与えられて具体的に調べられるのが常であるが、本研究では、平均プロファイル近似に頼らない定式化の構築を目的として、条件付確率分布関数を用いる方法を考察した [26, 59, 65]。

初期磁場の時間発展とバリオン等曲率揺らぎ生成
初期宇宙における磁場の時間発展を理解することは、初期磁場研究における定量的な議論の基礎となる。
本研究では、近年提案された保存量 Hosking integralに基づいて磁場の時間発展の理論を再構築し、数値計算と整合的に初期磁場の時間発展を記述した [27,31, 36, 60, 63, 69, 110, 112, 115]。
また、宇宙磁場の起源に関して、とくに電弱対称性が回復した相における磁場生成シナリオについて
一般的な議論を行なった。U(1)Y 磁気ヘリシティが
カイラル量子異常を通じて物質反物質非対称性と結びついていることから、磁場のゆらぎに由来するバリオン等曲率揺らぎ生成が帰結される。バリオン等
曲率揺らぎに対する宇宙論的制限から、このようなシナリオは観測的に示唆されるボイド磁場の強度を説明できないことを示した [34, 104, 106]。

5.4.3

重力波検出器 KAGRA データ解析

環境モニターを用いた雑音除去手法の開発
我々は独立成分解析 (ICA) と呼ばれる信号処理手法を用いた独自の雑音除去手法の開発に長らく取り組んできた。KAGRA 初の観測データに対して独立
成分解析 (ICA) と呼ばれる信号処理手法を用いた独自の雑音除去手法を適用することで、重力波の観測
周波数帯域において影響が顕著であった音響雑音等の削減に成功した [14]。また、この研究を通して培われた解析手法を用いて、2022 年 1 月のフンガ・ト
ンガ噴火時の環境モニターの応答が調べられた [15]。

5. 一般物理理論

5.4. 横山 (順) 研究室

現在は非線形雑音の除去手法を実装し、雑音を人工的に注入した試験データの解析に取り組んでいる。

[3] 鄭玄, 優秀発表賞, Joint workshop on General Relativity and Cosmology, 2023/3/13-14.
[4] 直川史寛, 理学系研究科研究奨励賞, 理学系研究科,
2023 年 3 月 23 日.

粒子放射と重力波を用いた宇宙ひもの観測的制限＜報文＞

宇宙ひものループが重力波の放射と素粒子の放射のどちらによって崩壊するかについては決定的な結論は出ていない。そこで本研究では、素粒子と重力波双方の放出を仮定した上での解析を可能とする定式化を行い、近年のパルサータイミングアレイの観測結果等を用いた制限を導出した [16, 24, 32, 38, 88]。

(原著論文)[6] J. Kristiano and J. Yokoyama, “Perturbative region on non-Gaussian parameter space in singleﬁeld inﬂation”, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 07 (2022) 007.

軽量ダークマター探索
サファイア鏡を使っている KAGRA では、干渉計の補助チャンネルを利用した軽量ベクトル場ダーク
マターのユニークな探索が可能であり、10−13 eV 程
度以下の質量を持つ B-L ゲージボゾンを、既存の上限値を 1 桁以上上回る感度での探索が可能となる見込みである。現在、KAGRA 初の観測データからの制限を算出するため、軽量ベクトル場ダークマターの統計的性質を明らかにした我々の研究に基づいた解析パイプラインを開発中である [42]。

[7] K. Murai, F. Naokawa, T. Namikawa, E. Komatsu,“Isotropic cosmic birefringence from earlydark energy” , Physical Review D 107(2023)
L041302.
[8] S. Hashiba, K. Kamada, H. Nakatsuka, “Gauge
ﬁeld production and Schwinger reheating in runaway axion inﬂation”, Journal of Cosmology andAstroparticle Physics 04 (2022) 058.
[9] K. Fujikura, S. Hashiba, and J. Yokoyama, “Generation of neutrino dark matter, baryon asymmetry,
and radiation after quintessential inﬂation”, Physical Review D 107 (2023) 063537.

KAGRA 全著者論文, LVK 論文
KAGRA プロジェクトの認定著者として横山、粂、
上野は全著者論文の著者に名を連ねている [17, 18]。
また、LIGO, Virgo と KAGRA は協定を結んでいる
ため、第三観測期の論文は LVK 論文として KAGRAの認定著者は著者になっている。後者については掲
載を省略する。

5.4.4[5] T. Hayashi, K. Kamada, N. Oshita and J.
Yokoyama, “Vacuum decay in the Lorentzian path
integral”, Journal of Cosmology and Astroparticle
Physics 05 (2022) 041.

[10] T. Fujita, J. Kume, K. Mukaida and Y. Tada, “Effective treatment of U(1) gauge ﬁeld and charged
particles in axion inﬂation”, Journal of Cosmology
and Astroparticle Physics 09 (2022), 023.
[11] V. Domcke, K. Kamada, K. Mukaida, K. Schmitz,
and M. Yamada, “Wash-in leptogenesis after axion inﬂation”, Journal of High Energy Physics 01(2023) 053.
[12] K. Kamada, N. Yamamoto, and D-L. Yang,“Chiral eﬀects in astrophysics and cosmology”,
Progress in Particle and Nuclear Physics 129(2023) 104016.

時間領域天文学

Tomo-e Gozen カメラによる赤色矮星フレアの観測
東京大学木曽観測所の 105 センチシュミット望遠
鏡に取り付けられた Tomo-e Gozen カメラを用いて、毎秒 2 フレームという高速撮像で取得した多数の天体データを解析し、これまでに観測されたことの無かった高速なものを含む赤色矮星のフレアを 22 件検出することに成功した [19, 118]。
＜受賞＞[13] T. Higaki, K. Kamada, and K. Nishimura, “Formation of a chiral soliton lattice”, Physical Review
D106 (2022) 9, 096022.
[14] H. Abe et al. (incl. J. Kume, K. Ueno, J.
Yokoyama), “Noise subtraction from KAGRAO3GK data using Independent Component Analysis”, Class. Quant. Grav. 40 (2023) 085015.
[15] T. Washimi et al. (incl. J. Kume, J. Yokoyama)“Response of the underground environment of the
KAGRA observatory against the air pressure disturbance from the Tonga volcanic eruption on January 15, 2022”, PTEP 2022 (2022) no.11, 113H02.

[1] J. Kume, 26th International Summer Instituteon Phenomenology of Elementary Particle Physics
and Cosmology, Best Poster Award, September
2022.
[2] J. Kristiano, Poster award, 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science (TSQS),The University of Tokyo, 2022/11/11.

[16] M. Hindmarsh and J. Kume, “Multi-messenger
constraints on Abelian-Higgs cosmic string networks”, [arXiv:2210.06178 [astro-ph.CO]], Journalof Cosmology and Astroparticle Physics in press.

111

5.4. 横山 (順) 研究室

5. 一般物理理論[17] KAGRA collaboration, “Input optics systems of
the KAGRA detector during O3GK”, PTEP 2023
(2023) no.2, 023F01.

[33] J. Kristiano, “One-loop perturbativity bound insingle-ﬁeld inﬂation”, 同上。
[34] F. Uchida, “Baryon isocurvature constraints about
the origin of the cosmological magnetic ﬁeld” 同上。

[18] KAGRA collaboration with LIGO Scientiﬁc andVirgo collaborations, “First joint observation by
the underground gravitational-wave detector KAGRA with GEO 600”, PTEP 2022 (2022) no.6,
063F01.

[35] J. Kristiano, “One-loop perturbativity bound insingle-ﬁeld inﬂation”, JGRG31, The University ofTokyo, 2022/10/24-28.
[36] F. Uchida, “The magneto-hydrodynamic evolutionof the cosmological magnetic ﬁelds”, 同上。

[19] M. Aizawa et al. (incl. F. Naokawa), “Fast optical ﬂares from M dwarfs detected by a onesecond-cadence survey with Tomo-e Gozen”, Publications of the Astronomical Society of Japan, 74,5, pp.1069-1094, 2022.

[37] F. Naokawa,“Gravitationally Lensed Cosmic Birefringence for the precise prediction”, 同上。
[38] J. Kume, “Multi-messenger constraints on the
Abelian-Higgs cosmic string model”, 同上。

(学位論文)[39] J. Kristiano, “One-loop perturbativity boundin single-ﬁeld inﬂation” (poster), 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science (TSQS), The University of Tokyo, Japan,
2022/11/10.

[20] 粂潤哉, “Consequences of gravitational parity violation in particle cosmology” (博士論文).
[21] 洪木子, “スファレロン脱結合によるバリオン非対称生成機構の考察” (修士論文).

[40] H. Jeong, “R2 inﬂation with the baryogenesis scenario”, FoPM International Symposium, The University of Tokyo, Japan, 2023/2/6-8.

[22] 直川史寛, “重力レンズ効果を取り入れた宇宙マイク
ロ波背景放射の旋光現象の精密計算” (修士論文).
(著書)[23] 横山順一（監修）『文系のための東大の先生が教える
宇宙の終わり』(ニュートンプレス)
2023 年 3 月。
＜学術講演＞[41] F. Naokawa,“Weak lensing eﬀect on cosmic birefringence and its tomographic analysis”, FY2022“What is dark matter? -Comprehensive study ofthe huge discovery space in dark matter-”, Kavli
IPMU, Japan, 2023/03/07.
[42] J. Kume, “Vector Dark Matter Search with KAGRA -updates for O3GK data analysis-”, 同上。

(国際会議)[43] F. Naokawa,“Weak lensing and cosmic birefringence”, Workshop on Very Light Dark Matter
2023, Nagano, Japan, 2023/03/27.

一般講演[24] J. Kume, “Abelian-Higgs cosmic string model andits multi-messenger signals”, RESCEU Summer
School 2022, Online, 2022/8/17-19.

[44] K. Kamada, “Quantum Nucleation of Chiral Soliton Lattice”, 同上。
招待講演[25] F. Naokawa, “Gravitationally Lensed Cosmic Birefringence”, 同上。

[45] J. Yokoyama, “Introduction to KAGRA experiment”, Synergies at new frontiers at gamma-rays,
neutrinos and gravitational waves, ICRR, The University of Tokyo, 2022/3/24 （昨年度の未掲載分）.

[26] K. Tokeshi, “Two-point correlation in primordial
black hole formation”, 同上。
[27] F. Uchida, “Magneto-hydrodynamic evolution of
the cosmological magnetic ﬁelds”, 同上。

[46] J. Yokoyama, “Cooperation in physics in the Asia
Paciﬁc Region”, IUPAP centennial symposium,
Trieste, Italy, 2022/7/12.

[28] J. Kristiano, “Perturbative region on non-Gaussian
parameter space in single-ﬁeld inﬂation”, The 15th
Asia-Paciﬁc Physics Conference (APPC15), Online, 2022/08/22-26.
[29] J. Kume, “A new treatment of U(1) gauge ﬁeld
and charged particles in the axion inﬂation”, 同上。
[30] T. Hayashi, “Lorentzian analysis of vacuum decay”, 同上。

[47] J. Yokoyama, “Cooperation in physics in the Asia
Paciﬁc Region through AAPPS”, Global Physics
Summit, Yonsei University, Korea 2022/8/22.
[48] J. Yokoyama, “Status of KAGRA in September
2022”, LIGO-Virgo-KAGRA meeting, Cardiﬀ University, UK, 2022/9/14.
[49] J. Yokoyama, “Mid-to-long term future throughAsia Paciﬁc physics cooperation”, APCTP basic
science forum, Korea, 2022/10/25.

[31] F. Uchida, “The scaling evolution of the cosmological magneto-hydrodynamic system”, 同上。
[32] J. Kume, “Towards the multi-messenger constraint on the Abelian-Higgs cosmic stringmodel”(poster), The 26th Summer Institute, FujiYoshida, Japan, 2022/9/18-22.

[50] J. Yokoyama, “Closing remarks”, 2nd international
symposium on trans-scale quantum science, TransScale Quantum Science Institute, The Universityof Tokyo, 2022/11/11.

112

5. 一般物理理論

5.4. 横山 (順) 研究室[51] J. Yokoyama, “Status of KAGRA in September
2022”, LIGO-Virgo-KAGRA meeting, Northwestern University, USA, 2023/3/15.

[70] R. Jinno, “Gravitational waves from ﬁrst-orderphase transitions”, 同上。

[52] J. Yokoyama, “KAGRA toward O4 and beyond”,
15th Asia Paciﬁc Physics Conference, Korea, online 2022/8/22-25.

[72] 洪木子, “スファレロン脱結合によるバリオン非対称生成機構の考察”, Joint workshop on General Relativity and Cosmology, 奥多摩町福祉会館, 2023/3/13.

[53] K. Kamada, “Wash-in Leptogenesis in the axion
inﬂationary magnetogenesis scenario”, 同上。

[73] 鄭玄, “R2 インフレーション理論におけるバリオン数生成”, 同上。

[54] K. Kamada, “Lorentzian Description of the 1st Order Phase Transition”, Online Workshop “Physics
of the Early Universe”, Online, 2022/6/16.

[74] J. Kristiano, “Ruling out primordial black hole formation from single-ﬁeld inﬂation”, 同上。

[71] K. Kamada, “Chiral eﬀects in cosmology”, 同上。

[75] 直川史寛、“宇宙複屈折に対する弱重力レンズ補正”, 日
本天文学会 2023 年春季年会, 立教大学, 2023/3/15．

[55] J. Kristiano, “Primordial black holes from singleﬁeld inﬂation?”, Cosmology and Particle Astrophysics (CosPA 2022), Online, 2022/11/30.

[76] 粂潤哉, “宇宙論的一次相転移における流体の自己重力の影響について”, 日本物理学会第 78 回年次大会,
オンライン開催, 2023/3/22-25．

[56] J. Kristiano, “Ruling out primordial black holeformation from single-ﬁeld inﬂation”, Workshop
on Dynamics of primordial black hole formation,
Rikkyo University, 2023/03/10.

[77] 神 野 隆 介, “Gravitational waves from feeblyinteracting particles”, 同上。
[78] J. Kristiano, “Ruling out primordial black hole formation from single-ﬁeld inﬂation”, 同上。

(国内会議)
一般講演[79] K. Kamada, “A new constraint on lepton ﬂavor
asymmetry in the early Universe through the chiralplasma instability”, 同上。

[57] 粂潤哉, “Production of gauge ﬁeld and charged particles during axion inﬂation”(ポスター), 素粒子物理学の進展 2022, 京大基研, 2022/8/29-9/2.

[80] 神野隆介, “Machine learning post-Minkowskian integrals”, 同上。

[58] 粂潤哉, “axion inﬂation 中の U(1) ゲージ場生成と荷電粒子による反作用の帰結”, 日本物理学会 2022 年
秋季大会, 岡山理科大学, 2022/9/6.

[81] 直川史寛, “宇宙複屈折に対する重力レンズ効果”, 同上。

[59] 渡慶次孝気, “二点相関による原始ブラックホール質量関数の補正”, 同上。

[82] 洪木子, “スファレロン脱結合によるバリオン非対称生成機構の考察”, 同上。

[60] 内田経夫, “宇宙磁場の磁気流体力学的発展の包括的記述”, 同上。

[83] 渡慶次孝気, “Stochastic Inﬂation における Borel 総
和法の適用”, 同上。

[61] J. Kristiano,“Perturbative region on non-Gaussian
parameter space in single-ﬁeld inﬂation”, 同上。

[84] 神野隆介, “Higgsless simulations of cosmologicalphase transitions and gravitational waves”, 同上。

[62] 横山順一, “My back page 2022”, JGRG31 サテライ
ト会、小柴ホール 2022/10/28.

招待講演[85] R. Jinno, “Gravitational waves from feebly interacting particles in a ﬁrst order phase transition”, 新ヒッグス勉強会第 35 回定例会, 大阪大学,
2022/11/18.

[63] 内田経夫, “初期磁場発展の記述の精密化”, 第 35 回
理論懇シンポジウム, 福島市, 2022/12/21-23.
[64] 鄭玄, “R2 インフレーション理論におけるバリオン数生成”(ポスター), 同上。
[65] 渡慶次孝気, “原始ブラックホール質量スペクトルが持つ系統的バイアス”(ポスター), 同上。

[86] 神野隆介, “Machine learning Post-Minkowskian integrals”, オンラインセミナー「機械学習と物理学」,
オンライン開催, 2022/12/22.

[66] J. Kristiano, “Ruling out primordial black hole formation from single-ﬁeld inﬂation”, Early Universe
Mini-Workshop, Kobe RIKEN, 2023/01/31.

[87] R. Jinno, “Self-gravitation and possible PBH formation in ﬁrst-order phase transitions”, 新ヒッグ
ス勉強会第 36 回定例会, 大阪大学, 2023/2/14.

[67] J. Yokoyama, “Postscript 2019 or: How I learned
to continue worrying and got involved in KAGRA”, Workshop on “Fundamental Cosmology:
from Beginning to End”, 富士河口湖町, 2023/3/4-5.

[88] 粂潤哉, “Gravitational wave observations as aprobe of particle cosmology”, Joint workshop on
General Relativity and Cosmology, 奥多摩町福祉会館, 2023/3/13.

[68] J. Kume, “Noise subtraction in Kagra data analysis”, 同上。

[89] R. Jinno, “Quartic Gradient Flow / Borel Resummation in Stochiastic Inﬂation”, Kobe Workshop
on Cosmology and Fundamental Physics 2023, 神戸大学, 2023/3/18.

[69] F. Uchida, “On the evolution of the primordial
magnetic ﬁeld”, 同上。

113

5.4. 横山 (順) 研究室

5. 一般物理理論[90] 鎌田耕平, “磁 Baryogenesis、または磁気ヘリシティの減衰によるバリオン数生成”, NITEP 素粒子現象論研究会 2022, 大阪公立大学, 2023/3/18.

[107] J. Kristiano, “One-loop perturbativity bound asa constraint on single-ﬁeld inﬂation and primordial
black hole formation”, The University of Athens,
Online, 2022/12/06.

[91] 神野隆介, “一次相転移からの重力波観測に向けて”,
日本物理学会 2023 年春季大会, 2023/3/22.

[108] K. Kamada, “Baryon asymmetry of the Universe induced from Axion Inﬂation”, 神戸大学,
2022/12/21.

[92] J. Kristiano, “Bispectrum and one-loop correction
in PBH formation from single-ﬁeld inﬂation”, 国内
モレキュール型研究会「原始密度ゆらぎの非線形成長とその観測的帰結」, 京大基研, 2023/03/27.

[109] J. Kristiano, “Ruling out primordial black holeformation from single-ﬁeld inﬂation”, 名古屋大学物
理 C 研, 2023/01/19.

(セミナー)[110] F. Uchida, “Toward the description of the evolution of the primordial magnetic ﬁeld”, Cosmology
Initiative, Arizona State University, 2023/2/3.

[93] K. Kamada, “Wash-in leptogenesis – a natural
way to rescue B+L genesis –”, 東京工業大学,
2022/4/13.

[111] 神 野 隆 介, “Gravitational waves from feeblyinteracting particles”, 富山大学理論物理学研究室,
富山大学, 2023/2/6.

[94] K. Kamada, “Magnetogenesis, Baryogenesis, andWash-in Leptogenesis in Pseudoscalar Inﬂation”,
The Uni Melbourne Theoretical Particle Physics
seminar, University of Melbourne, 2022/4/27.

[112] F. Uchida, “Analytic description of the evolutionof the primordial magnetic ﬁeld”, 慶應義塾大学高エネルギー物理研究室, オンライン, 2023/2/24.

[95] J. Kume, “Chiral asymmetry and gravitational waves”, CosmoCoﬀee, Helsinki Institute ofPhysics, 2022/5/12.

[113] J. Kristiano, “Ruling out primordial black holeformation from single-ﬁeld inﬂation”, 中国科学院理論物理学研究所 オンライン 2023/02/28.

[96] J. Kume, “Gravitational Chiral Anomaly andGravitational Waves”, GW-CERN-UNIGE meeting, University of Geneva(online), 2022/6/14.

[114] J. Kristiano, “Ruling out primordial black holeformation from single-ﬁeld inﬂation”, KEK 理論
センター 2023/03/02.

[97] K. Kamada, “Cosmology with Chiral Eﬀects”,
APEC seminar, Kavli IPMU, University of Tokyo,
2022/6/24.

[115] F. Uchida, “On the description of the evolutionof the primordial magnetic ﬁeld”, internal seminar
at Astrophysics and Cosmology groups, Carnegie
Mellon University, Pittsburgh, PA, 2023/3/6.

[98] J. Kume,“Gravitational Chiral Anomaly
and Gravitational Waves”, Aarhus University,
2022/6/28.
[99] 鎌田耕平, “ Conserved Charges in the Early Universe and Wash-in Leptogenesis”, 慶應義塾大学高エネルギー物理研究室, オンライン, 2022/7/15.

[116] J. Yokoyama, “Imprints of quantum physics on
the universe”, Physics Colloquium, University of
Wisconsin, Madison, 2023/3/7.

[100] K. Kamada, “Large Lepton Flavor Asymmetry
induced Chiral Plasma Instability”, Rice University, 2022/9/13.

(アウトリーチ)[117] 鎌田耕平, “素粒子と重力の理論で迫る宇宙の始まり”, 宇宙の「はじまり」に迫る, 朝日カルチャーセン
ター横浜教室, 2022/7/2.

[101] J. Yokoyama, “Generation of neutrino dark
matter, baryon asymmetry, and radiation after
quintessential inﬂation”, Portsmouth University,
2022/9/16.

[118] 逢澤正嵩, 樫山和己, 直川史寛, 大澤亮, 酒向重行, “
広視野動画撮影でとらえた赤色矮星たちの短時間閃光現象”, プレスリリース, 東京大学大学院理学系研究科, 2022/8/9.

[102] K. Kamada, “Chiral Plasma Instability Constrains Large Lepton Flavor Asymmetries”, University of Minnesota, 2022/9/23.

[119] 横山順一 「横山教授に聞く科学のふしぎ」 子ども新聞「風っ子」連載 第 85-108 回 上毛新聞社。

[103] K. Kamada, “Chiral Magnetic Eﬀect, Chiral PlasmaInstability, and Baryon (Over)Production from
Large Lepton Flavor Asymmetry”, University ofCalifornia at Irvine, 2022/9/30.
[104] 内田経夫, “初期磁場に対するビッグバン元素合成からの制限”, 埼玉大学素粒子論研究室, 2022/11/18.
[105] J. Kristiano, “One-loop perturbativity bound insingle-ﬁeld inﬂation”, 東京大学素粒子論研究室,
2022/11/28.
[106] F. Uchida, “BBN constraint on the origin of
the cosmological magnetic ﬁeld”, 東京工業大学,
2022/11/30.

114

6 一般物理実験

6.1

江尻研究室

当研究室では、核融合エネルギーの実現を目標に
磁場閉じこめ型トーラスプラズマの研究を行っている。 柏キャンパスに設置された TST-2 装置を用いた実験的研究を行うと共に、量子科学技術研究開発
機構、核融合科学研究所、九州大学、筑波大学等との共同研究を進めており、英国トマカクエナジー社
等の海外機関との共同研究も実施している。TST-2では強力な波動加熱により、プラズマ中に高エネル
ギー電子を発生させ、電流を駆動し、極めて自律的で非線形性の大きいプラズマを生成している。当研究室では、波動や高エネルギー電子が生み出す多彩な物理に取り組んでいる。

6.1.1

図 6.1.1: 新しく TST-2 に設置されたオフミッドプ
レーンアンテナ及び外側赤道面アンテナと上側アンテナ。

TST-2 実験の概要

TST-2 は球状トカマク（ST）型の装置であり、プラズマの主半径、小半径はおよそ 0.36、0.23 m、電磁誘導、高周波波動を用いた最大プラズマ電流はそ
れぞれ 120、27 kA であり、国内の大学の一研究室規模としては、もっとも高温のプラズマを生成することが可能な装置である。TST-2 では、主として低域
混成波（Lower-Hybrid Wave, LHW）を用いて高エネルギー電子を生成し、それにより電流を駆動する研究を行っている。2022 年度は、新たにオフミッド
プレーンから LHW を入射するアンテナを TST-2 に設置し、実験を開始した。低パワーでの初期実験では、当初目的であった中心部での加熱効率改善が見られた。アンテナで励起した LHW は進行方向や波長を変えながらプラズマ中を伝搬し、ランダウ減衰によって電子を加速すると考えられるが、測定されるその効率（電流駆動効率）は、シミュレーションの予測値よりも低いことがあり、その違いが未解明であった。これまでの研究でいくつかの要因がリストされ、それらの要因の検証、シミュレーションへの反映を進めている。要因の一つは非線形波動生成であり、これまでよりも広い範囲を探索した結果、新たな周波数掃引モードを発見した。また、これまで知られていたパラメトリック崩壊不安定性によって生成された波動がイオン加熱を引きこすことが新たにわかった。電流駆動効率を悪化させる要因の一つは高エネルギー電子の軌道の広がりによる損失であり、損失をより詳細に調べるための硬 X 線計測システムを拡充させ、アンテナによる違い、空間分布情報を得た。これまでの研究から磁場配位のわずかな違い
が波動伝搬や電流駆動効率に大きく影響することが

115

わかり、磁場配位を直接測定する手段として、マイクロ波偏光計の開発を行っている。2022 年度は、既知の磁場の測定が可能であることを実際のプラズマを使って検証した。プラズマの状態を知るための計測の開発は重要であり、上述の偏光計に加えて、ダブルパストムソン散乱法、小型磁気プローブ、分光計測の開発を行っている。

6.1.2

低域混成波によるトカマクプラズマの非誘導生成オフミッドプレーン入射シナリオ
プラズマ中心での波の吸収を改善するために、昨年度から設計を進めていた屈折率 N∥ ∼ 13 を持つオ
フミッドプレーンアンテナを制作・設置し、プラズマ生成実験を行った。図 6.1.1 に TST-2 装置へ設置された 3 台のアンテナを示す。TST-2 装置へ設置後の新オフミッドプレーンアンテナの透過率は 81 %で、反射率は 5 %であった。同程度のプラズマ電流値、入射パワーにおいて新オフミッドプレーン入射では外側赤道面入射に比べて低密度が実現された。また、オフミッドプレーン入射では上側入射に比べてX 線の放射強度が小さいことから、軌道損失が低減していることが示唆された。中心の電子温度は外側
赤道面入射 6 eV、上側入射 3 eV に対してオフミッ
ドプレーン入射 17 eV となり、プラズマ中心での波の吸収を改善できたと考えられる。

パラメトリック崩壊による非線形イオン加熱

LHW は線形には電子にのみ吸収され、電流を駆動する。このため、線形理論の範囲ではイオン加熱は

6.1. 江尻研究室

6. 一般物理実験

図 6.1.2: (a) 上側入射時 (b) 外側入射時に観測されたターゲット板からの X 線放射。

電子との衝突のみによって起こる。一方、TST-2 のLHW 立ち上げプラズマにおいては、パラメトリッ
ク崩壊不安定性 (PDI) によるイオンサイクロトン準
モード (ICQM) の励起がしばしば観測されており、ICQM によるイオン加熱のチャンネルも存在する。
このような非線形イオン加熱を調べるため、可視分光器を用いてイオン温度を、高周波用の磁気プロー
ブを用いて LHW (200 MHz) 付近の磁気揺動を測定した。LHW のパワー変調実験を行ったところ、イ
オン温度は LHW パワーの変調に対して 1 ms よりも短い時間スケールで応答し、これは電子による衝突加熱から期待されるよりも速かった。LHW のパ
ワーを 0.4-50 kW まで変化させたところ、PDI の強度は LHW のパワーに伴い大きくなった。PDI の発生には閾値が存在するが、今回の実験では 0.4 kW 程
度でも PDI の発生が確認された。また、PDI の強度とイオン温度には正の相関が確認され、ICQM によるイオン加熱の可能性が示された。

高速電子の軌道損失

TST-2 での LHW 立ち上げ実験においては、波による高速電子の径方向輸送が高速電子の主要な損失機構になっていると考えられている。そこで可動ター
ゲットリミタを設置し、高速電子がターゲットリミ
タに衝突した際の制動 X 線放射を計測することで、高速電子の軌道損失を詳しく調べた。ターゲットリ
ミタとして、幅 10 mm、長さ 90 mm の Mo 板を挿入し、ターゲットに衝突する高速電子によって生成される HXR を測定した。LHW による加速が強磁場側のプラズマ周辺部で起こっているとすると、より大きなエネルギーを持った高速電子が SOL (Scrape-Oﬀ
Layer) のより外側に存在することが予想される。そこで、外側及び上側入射の LHW 放電下で、ターゲッ
ト板を主半径方向に 565 mm から 575 mm までスキャンした。結果を図 6.1.2 に示す。外側入射ではターゲット板を外側に引くと X 線放射強度が大きく増加したが、上側入射では少し増加したのち逆に減少した。今後はこのような依存性を説明できる高速
電子輸送モデルを構築していく。

116

図 6.1.3: 静電結合進行波アンテナ使用時の MoI 線
スペクトル強度。
静電結合進行波アンテナによる不純物生成
ループアンテナを用いた LHW の励起においては、
アンテナからプラズマへの不純物混入によって放射損失が増大したり、意図せず密度が増加することが問題となる。そこでリミタでの Mo 生成を分光器を用いて調べた。図 6.1.3 に観測された MoI 放射を示す。
MoI の線スペクトル放射は外側入射と上側入射シナ
リオ両方で観測されたが、外側アンテナ近傍では、外側アンテナ使用時に強い放射が確認された。Mo 放射は電力入射時間と共に 20 ms にわたって線形に増加し、入射停止時には即座に (<1 ms) 放射が減少した。Mo 生成原理としてはアンテナでのシース生成によるイオンのスパッタリングと軌道損失高速電子によるリミタ加熱が考えられ、今後は詳しい原因の究明を行なっていく。

有限要素法による熱いプラズマ誘電率テンソルの計算

LHW の伝播を評価するには全波計算が有用である。従来全波計算に用いられているスペクトル法に比べ、有限要素法を用いた全波計算は複雑な形状の取り扱いが効率的である。これは実際のアンテナにおける LHW の励起効率を定量的に評価する上では特に大きな利点である。しかし、プラズマの応答を表す誘電率が微分・積分演算子となり、代数的になるスペクトル法に比べて実装が単純でない。
トーラス主半径方向に密度・温度分布の依存性を持った 2 次元の計算領域に対して、有限要素法において積分形誘電率テンソルを用いて計算を行った。この際、非局所的な熱いプラズマの寄与は反復計算を用いることで取り入れた。単純な反復計算では収束

6. 一般物理実験

6.1. 江尻研究室

図 6.1.5: プラズマが消滅する際に磁気プローブで計
図 6.1.4: 積分形誘電率テンソルを用いて評価した波測された磁場揺動。

動の吸収電力分布。外側境界で電場を励起している。
トロイダル方向には周期境界を仮定しており、内側

6.1.4

境界は完全導体である。

超伝導トカマクの立ち上げ信頼度を改善するために、捕捉粒子配位 (TPC: Trapped Particle Conﬁguration) における EC (Electron Cyclotron) 波補助
オーミック立ち上げを研究している。2022 年度は、
TPC 立ち上げ特性を定量的に理解するために、無衝
突運動論方程式による高速電子輸送のモデリングを行い、立ち上げの成否のパラメータ依存性を推定した。その結果、EC 波のみによる立ち上げにおいては高電力で中性ガスの低圧限界が上昇すること、垂直磁場を強めることで低圧限界が下がること、また、想定される低い周回電場を加えてもこの特性は大きく変わらないことが予想された。これらのパラメー
タ依存性は TST-2 実験結果と整合した。

性が悪かったため、積分計算のアルゴリズムの修正や微小な散逸を導入することで収束性を改善し、数値ノイズの増加を抑制した。図 6.1.4 は収束解から求まった吸収の分布であり、反復計算により吸収の誤差は 0.1 %程度に収束した。

6.1.3

電子サイクロトロン波補助オーミッ
ク立ち上げ

高速電子に起因する内部励起波動の観測

トカマク方式の核融合において逃走電子の診断と抑制が重要な課題となっている。そこで、高速電子に起因して励起する波動の励起課程を理解することができれば波動を用いた逃走電子の診断や制御が期待できる。TST-2 においてもプラズマが消滅する際に発生する高速電子による波動が観測された。図 6.1.5
は TST-2 に設置された磁気プローブで計測した磁場揺動であり、プラズマはオーミック加熱により 10 ms頃から生成され 40 ms までに維持される。40 ms 以
降ではプラズマ電流や発光はほとんど見られず、X
線計測の信号だけが見られたことから、高速電子のみが残っていることが示唆される。その時間帯において数十 MHz から数百 MHz までの広い範囲において強い磁場揺動が観測され、この特性を調べることで高速電子による波動励起について議論できる。

6.1.5

計測器開発

ダブルパストムソン散乱計測
電子温度非等方性を計測するために、ダブルパスト
ムソン散乱計測を開発した。図 6.1.6 はオーミックプ
ラズマに対する温度計測結果である。前方 (forward)と後方 (backward) ビームによる計測結果はそれぞれ磁場に対して垂直および平行な方向の温度に対応している。中心密度 1 × 1019 m−3 、中心電子温度
200 eV の放電において、周辺部で後方 (平行) 方向の温度が前方 (垂直) 方向の温度より高く観測された。

117

6.1. 江尻研究室

6. 一般物理実験

300

Forward Te,
Backward T e,//250

Te [eV]

200

150

100

50

0
100

200

300

400

500

600

R [mm]

図 6.1.8: QUEST における 120 秒から 360 秒までの
図 6.1.6: TST-2 オーミックプラズマにおけるダブル

電子密度（左）温度（右）分布。

パストムソン散乱計測結果。
小型磁気プローブ開発
350

measurement (f-TF)
measurement (r-TF)
calculation (f-TF)
calculation (r-TF)

300

LHW プラズマの周辺部電流密度を測定することを目的に、可動小型磁気プローブを開発した。過去に電流計測に用いられたロゴスキープローブは直径が 21 mm でプラズマに対する擾乱が大きかった。そこで、小型ピックアップコイルを並べた円筒状の可動プローブを開発した。直径 8 mm のステンレス管
内に外径 5 mm、高さ 3 mm、巻き数 300 ターンのピックアップコイルを配置した。制作したコイルの
感度は N S = 3.6 × 10−3 m−2 であり、幾何形状から予測される値にほぼ一致した。TST-2 装置に取り付けて、真空磁場が計測できることを確認した。

200#192883, 192916|phase| [deg]

250

150
100
50
0
10

20

30

40

50

60

time [ms]図 6.1.7: 偏光計の計測値と平衡計算再構成からの推測値の比較。

6.1.6

偏光計による内部磁場計測

QUEST におけるトムソン散乱計測

共同研究

九州大学の QUEST 球状トカマク装置での研究
テーマの一つは、超長時間での粒子の振る舞いであり、長時間運転する核融合炉では非常に重要な項目である。2022 年度は、トムソン散乱計測の制御系とデータ収集系を改造することで超長時間放電での測定に初めて成功した。図 6.1.8 は電子サイクロトン
波加熱で維持された 1000 秒放電の前半で測定された
電子密度、電子温度分布である。この結果から、プラズマが定常状態になるまでに 300 秒程度かかることがわかった。この時間スケールは、プラズマ中の粒子が、金属壁に吸蔵されたり、金属壁から放出される時間スケールを表していると考えられる。

プラズマの内部電流密度は一般に周辺部磁気計測
から計算により推定されるが、精度が限られているため、プラズマの内部磁場を直接計測可能なマイクロ波
偏光計を開発している。プローブ光としては 27 GHzの回転直線偏光を用い、直線偏光電力を計測することで、Faraday 角のみを変調信号の位相として検出することができる。2022 年度は偏光計を構成するマ
イクロ波回路素子などの性能評価を卓上試験で実施した結果、円形導波管の持つ伝送特性により、偏光子の位置が回路全体の偏光特性に対して無視できない
影響を与えることがわかった。また、計測原理検証のため、トロイダル磁場に感度を持つ接線方向視線の測定系で測定を行なったところ、平衡再構成とトムソン散乱計測、干渉計による偏光信号の推測値と比較して誤差 30 %の精度で Faraday 角の計測に成功した (図 6.1.7)。また、偏光子の位置によっては入射光が楕円偏光になるため、測定値に Cotton-Mouton
角が含まれる可能性があることが判明した。

強磁場球状トカマクにおける ICRF 加熱検討
トカマクエナジーとの共同研究として、強磁場球状トカマクにおけるイオンサイクロトロン加熱特性を数値計算を用いて解析した。1 億度に達する核融合炉級プラズマでは電子吸収が強くなるため、イオ118

6. 一般物理実験

6.1. 江尻研究室

ン加熱のためには低いトロイダルモード数を持つ波の入射が必要であること、また、有限ラーマー半径効果が大きいため、現行トカマクで必要な少数イオ
ンは必ずしも必要ではないことがわかった。

＜学術講演＞(国際会議)
一般講演[11] A. Ejiri and Measurement and Control WG, “Activity of Measurement and Control WG for JA
DEMO”, 41st Meeting of the ITPA Topical Groupon Diagnostics, online, May 30–June 2, 2022.
[12] Y. Lin, “Feasibility study of a line integrated
Thomson scattering for pedestal measurements in
DEMO”, 41st Meeting of the ITPA Topical Groupon Diagnostics, online, May 30–June 2, 2022.
[13] Y. Ko, N. Tsujii, A. Ejiri, K. Shinohara, O. Watanabe, Y. Peng, K. Iwasaki, Y. Lin, G. Yatomi,
I. Yamada, Y. Shirasawa, T. Hidano, R. Tsubata, Y. Tian and C.P. Moeller, “Development of an
oﬀ-midplane launch lower-hybrid antenna for improved core current drive in non-inductive startup plasmas on TST-2”, 24th Topical Conferenceon Radiofrequency Power in Plasmas, Annapolis,
Sep. 26–28, 2022.
[14] N. Tsuji, A. Ejiri, K. Shinohara, O. Watanabe,
Y. Peng, K. Iwasaki, Y. Ko, Y. Lin, G. Yatomi,
I. Yamada, Y. Shirasawa, T. Hidano, R. Tsubata, Y. Tian and C.P. Moeller, “Improved modeling of a lower-hybrid wave driven plasma using
an extended MHD equilibrium reconstruction on
the TST-2 spherical tokamak”, 24th Topical Conference on Radiofrequency Power in Plasmas, Annapolis, Sep. 26–28, 2022.
[15] N. Tsujii, A. Ejiri, K. Shinohara, S. Jang,
O. Watanabe, Y. Peng, K. Iwasaki, Y. Ko, Y. Lin,T. Hidano, Y. Shirasawa, Y. Tian, F. Adachi and
C.P. Moeller, “Studies of fast electron dynamics in
rf start-up plasmas on the TST-2 spherical tokamak”, 21st International Spherical Torus Workshop (ISTW 2022), Tsinghua University, Beijing,
China (online), Oct. 31–Nov. 4, 2022.
[16] Y. Peng, A. Ejiri, N. Tsujii, K. Shinohara,
O. Watanabe, S. Jang, K. Iwasaki, Y. Ko,
Y. Lin, T. Hidano, Y. Shirasawa, Y. Tian and
F. Adachi, “Investigation on anisotropic temperature in Ohmic plasmas in TST-2”, 21stInternational Spherical Torus Workshop (ISTW
2022), Tsinghua University, Beijing, China (online), Oct. 31–Nov. 4, 2022.
[17] K. Iwasaki, A. Ejiri, N. Tsujii, K. Shinohara,
O. Watanabe, S. Jang, Y. Peng, Y. Ko, Y. Lin,Y. Shirasawa, T. Hidano, Y. Tian and F. Adachi,“Properties of anomalous ion heating in lower hybrid wave sustained plasmas”, 21st International
Spherical Torus Workshop (ISTW 2022), Tsinghua
University, Beijing, China (online), Oct. 31–Nov. 4,2022.
[18] K. Shinohara, O. Watanabe, A. Ejiri, N. Tsujii,
S. Jang, Y. Peng, K. Iwasaki, Y. Lin, Y. Ko, Y. Shirasawa, T. Hidano, Y. Tian and F. Adachi, “Design of probe to investigate energetic electrons in

ENN との表面波アンテナ開発
ENN での LHW 電流駆動のために開発している金属コルゲート上の表面波を用いる 2.45 GHz フィン
ラインアンテナを TST-2 上部に設置し、LHW 励起
実験を行った。その結果、高速電子生成によると考えられる X 線放射の増加が観測され、LHW の励起に成功していることが確認できた。
＜受賞＞[1] 高竜太，若手学会発表賞，プラズマ・核融合学会，2022
年 11 月 25 日．
＜報文＞(原著論文)[2] T. Tokuzawa, S. Inagaki, M. Inomoto, A. Ejiri,
T. Nasu, T.I. Tsujimura and K. Ida, Applied Sciences 12, 4744 (2022)[3] A. Ejiri, H. Yamazaki, Y. Takase, N. Tsujii,
O. Watanabe, Y. Peng, K. Iwasaki, Y. Aoi,
Y. Ko, K. Matsuzaki, J.H.P. Rice, Y. Osawa, C.P. Moeller, Y. Yoshimura, H. Kasahara,
K. Saito, T. Seki and S. Kamio, Plasma and Fusion
Res. 17, 1402037 (2022).
[4] Y.T. Lin, A.Ejiri, K. Shinohara, Y. Peng and
S.Jang, Plasma and Fusion Research 17, 1405098(2022).
[5] T. Nasu, T. Tokuzawa, T.I. Tsujimura, K. Ida,
M. Yoshinuma, T. Kobayashi, K. Tanaka,
M. Emoto, S. Inagaki, A. Ejiri and J. Kohagura,Rev. Sci. Instrum. 93, 113535 (2022).
[6] T. Tokuzawa, T. Nasu, S. Inagaki, C. Moon,
T. Ido, H. Idei, A. Ejiri, R. Imazawa, M. Yoshida,
N. Oyama, K. Tanaka and K. Ida, Rev. Sci. Instrum. 93, 113535 (2022).
[7] K. Kono, T. Ido, A. Ejiri, K. Hanada, Q. Yue,
M. Hasegawa, Y. Peng, S. Sakai, R. Ikezoe, H. Idei,
S. Kawasaki, K. Kuroda, T. Onchi, Y. Nagashima
and S. Jang, Plasma Fusion Res. 8, 1405012(2023).
(学位論文)[8] 高竜太: “Development of the Outer-Oﬀ-Midplane
Lower Hybrid Wave Launch Scenario for Improved
Current Drive on a Spherical Tokamak”[9] 白澤唯汰: 「TST-2 装置における内部磁場計測のためのマイクロ波偏光計の開発」[10] 飛田野太一: 「TST-2 球状トカマク装置における高周波磁気プローブと可動磁気プローブを用いた低域
混成波維持プラズマの研究」

119

6.2. 山本研究室

6. 一般物理実験[27] ジャンソウォン, 飛田野太一, 江尻晶, 辻井直人, 篠原
孝司, 渡邉理, 彭翊, 岩崎光太郎, 高竜太, 林彧廷, 白澤
唯汰, 田一鳴, 安立史弥, 「TST-2 球状トカマクにおける磁気プローブを用いた内部励起波動の計測」，第39 回 プラズマ・核融合学会年会，富山，2022 年 11月 22–25 日.

lower hybrid wave plasmas in the TST-2 sphericaltokamak”, 31st International Toki Conference on
Plasma and Fusion Research (ITC31), Toki, Gifu,
Japan, Nov. 8–11, 2022.
[19] A. Ejiri, Y. Lin, S. Jang, Y. Peng, K. Shinohara,
T. Ido, K. Kono, Y. Nagashima, “Design study ofa multi-chord line integrated Thomson scatteringsystem for TST-2 spherical tokamak device”, 31st
International Toki Conference on Plasma and Fusion Research (ITC31), Toki, Gifu, Japan, Nov. 8–
11, 2022.

[28] 安立史弥, 「有限要素法における積分形誘電率テンソルを用いた低域混成波の吸収評価」，第 39 回 プラズ
マ・核融合学会年会，富山，2022 年 11 月 22–25 日.
[29] 高竜太, 「２系統低域混成波の相乗効果による電流駆動改善を目指したオフミッドプレーンアンテナの開発」，第 39 回 プラズマ・核融合学会年会，富山，2022
年 11 月 22–25 日.

[20] N. Tsujii, R. Seki, J. Wang, H. Kasahara, K. Saito,
T. Seki, “Simulation of ICRF heating in LHD withAORSA-3D”, US-Japan Workshop on RF Heating
Physics, Nagoya, Mar. 8–10, 2023.

[30] 林彧廷，江尻晶，辻井直人，篠原孝司，渡邉理，ジャン
ソウォン，彭翊，岩崎光太郎，高竜太，白澤唯汰，飛田
野太一，田一鳴，安立史弥，「TST-2 球状トカマクのスクレイプオフ層における硬 X 線計測 (Hard X-ray
measurement in the scrape oﬀ layer in the TST-2
spherical tokamak)」，第 39 回 プラズマ・核融合学会年会，富山，2022 年 11 月 22–25 日.

[21] K. Iwasaki, A. Ejiri, N. Tsujii, K. Shinohara,
O. Watanabe, S. Jang, Y. Peng, Y. Ko Y. Lin,Y. Shirasawa, T. Hidano, F. Adachi and Y. Tian,“Studies of parametric decay instability in the
TST-2 spherical tokamak”, US-Japan Workshop
on RF Heating Physics, Nagoya, Mar. 8–10, 2023.

[31] 江尻晶，林彧廷，彭翊，ジャンソウォン，篠原孝司，
井戸毅，河野香，永島芳彦，「TST-2 球状トカマク装
置における多視線線積分トムソン散乱システムの設計研究」，第 39 回 プラズマ・核融合学会年会，富山，2022 年 11 月 22–25 日.

招待講演[22] A. Ejiri, “Interferometry and reﬂectometry”, 10th
Korea-Japan Seminar on Advanced Diagnostics for
Steady-State Fusion Plasmas, Soul, Korea (online), Sep. 15–16, 2022.

[32] 篠原孝司, 渡邉理, 江尻晶, 辻井直人, ジャンソウォン,
彭翊, 岩崎光太郎, 高竜太, 林彧廷, 白澤唯汰, 飛田野太一, 田一鳴, 安立史弥, 「TST-2 球状トカマク装置
における低域混成波プラズマ研究のための高速電子
プローブの設計」, 第 39 回 プラズマ・核融合学会年会，富山，2022 年 11 月 22–25 日.

(国内会議)
一般講演[23] K. Iwasaki, A. Ejiri , N. Tsujii, K. Shinohara,
O. Watanabe, S. Jang , Y. Peng, Y. Ko, Y. Lin,Y. Shirasawa, T. Hidano, F. Adachi, Y. Tian, “Ion
temperature response of the lower hybrid wave sustained plasma on TST-2”, 第 14 回核融合エネルギー
連合講演会，オンライン, 2022 年 7 月 7–8 日.

[33] 江尻晶，辻井直人，篠原孝司，渡邉理，ジャンソウォ
ン，彭翊，岩崎光太郎，高竜太，林彧廷，白澤唯汰，飛田野太一，田一鳴，安立史弥，吉村泰夫, 「TST-2 球状トカマクにおける低域混成波電流立ち上げの研究」,
日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン, 2023 年
3 月 22–25 日.

[24] T. Hidano, A. Ejiri, N. Tsujii, K. Shinohara,
O. Watanabe, S. Jang, Y. Peng, K. Iwasaki, Y. Ko,
Y. Lin, Y. Shirasawa, Y. Tian, F. Adachi, “Analysis of wave-induced instabilities in Lower-Hybrid
wave-maintained plasmas of the TST-2 sphericaltokamak device”, 第 14 回核融合エネルギー連合講演会, オンライン, 2022 年 7 月 7–8 日.

招待講演[34] 江尻晶, 「核融合研究と計測の開発」, 計測自動制御学会第 39 回センシングフォーラム, 東京大学本郷キャンパス, 2022 年 9 月 21 日.
[35] 辻井直人，山田巌，高竜太，江尻晶，篠原孝司，TST-2
グループ，「トカマクの捕捉粒子配位における電子サ
イクロトロン加熱補助オーミック立ち上げ特性の運動論的解析」，第 39 回 プラズマ・核融合学会年会，
富山，2022 年 11 月 22–25 日.

[25] Y. Shirasawa, N. Tsujii, A. Ejiri, K. Shinohara,
O. Watanabe, Y. Peng, K. Iwasaki, Y. Ko, Y. Lin,R. Tsubata, T. Hidano, Y. Tian, “Development ofa Tangential Sight Line Microwave Polarimeter on
TST-2”, 第 14 回核融合エネルギー連合講演会, オンライン, 2022 年 7 月 7–8 日.
[26] 江尻晶, 辻井直人, 篠原孝司, 渡邉理, ジャンソウォン,
彭翊, 岩崎光太郎, 高竜太, 林彧廷, 白澤唯汰, 飛田野太一, 田一鳴, 安立史弥, 吉村泰夫, 高瀬雄一, 「TST-2
球状トカマクにおける低域混成波電流立ち上げの研究」, 日本物理学会 2022 年秋季大会, 東京工業大学,
2022 年 9 月 12–15 日.

6.2

120

山本研究室

6. 一般物理実験

6.2.1

6.2. 山本研究室

はじめに【星・惑星系形成】
恒星および惑星系の形成は、宇宙における最も基本的な構造形成過程の１つであるとともに、我々の太陽系の起源、生命の起源に直結するテーマでもある。
そのため、観測・理論両面から活発な研究が行われている。本研究室では、特に太陽系近傍における星・
惑星系形成とそこでの物質進化を、電波観測によって研究している。
新しい星は、星間ガスが自己重力で収縮して形成される。星間ガスの集まり（星間雲）の中で最も密度が高いものが星間分子雲で、新しい恒星と惑星系が形成される現場である。星間分子雲の主成分は水素分子であるが、様々な原子・分子も僅かに存在している。これまでの研究で、それらの組成は星間分
子雲の物理進化の歴史を克明に記憶していることがわかってきた。即ち、微量分子の組成から、現在の物理状態だけでなく、「過去」を辿ることができる。
本研究室では、このような物質的視点を軸に、星・惑星系形成過程を多面的に研究している。

間の違いや紫外線環境によると考えられ、星形成研究においても注目され始めている。
さらに重要なことは、このような分子組成の違いがどのように惑星系へ伝播されるかである。この点についても、ALMA を用いた本研究室の研究により理解が大きく進みつつある。角運動量を保ちつつ回転落下するガスは、遠心力バリア（近日点）より内側には入り込めないため、その近傍で後から落下す
るガスと衝突して弱い降着衝撃波が発生する。その様子が実際に ALMA で捉えられつつある。さらに遠心力バリア近傍を境として、ガスの分子組成が劇的に変化することが明らかになってきている。このことを利用すると、分子組成を特定の物理状態をハ
イライトする「マーカー」として利用できる。これ
らの成果は、原始惑星系円盤への物質進化を理解する上で非常に重要な一歩であり、これらの点を中心に、星・惑星系形成に関する幅広い研究を展開している。

【なぜ電波か】星間分子雲の温度はおよそ 10 K 程度である。この「宇宙の中でも最も低温の天体」は、最もエネルギーの低い電磁波である「電波」を主に放射する。しかも、電波は光などに比べて星間物質による吸収散乱を受けにくく、透過力が高い。そのため、星間分子雲の奥深くで起こる星形成の核心部分を見通すことができる。また、電波領域には原子・分子のスペク
トル線が多数存在し、それらの観測で星間分子雲の運動や分子組成がわかる。
【ALMA（アルマ）による観測】
ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter
Array) は、日本、北米、欧州の共同で、チリの標高
5000 m のアタカマ高原に建設された、12 m アンテ
ナ 54 台と 7 m アンテナ 12 台からなる巨大電波干渉計である。我々のグループはこれを積極的に活用し研究を進めている。ALMA は他の同様の観測装置よりも 2 桁高い感度と解像度を実現し、星・惑星系形
成の理解を大いに進展させつつある。

6.2.2

図 6.2.9: A schematic illustration of our goal

星・惑星系形成

原始星円盤から原始惑星系円盤への物質進化の理
解は、近年急速に進みつつある。その重要な結果の一つは、低質量星近傍の分子組成が天体ごとに顕著に違うことがわかった点である。その一つの典型は、HCOOCH3 などの大型飽和有機分子が原始星近傍の100 AU 程度の領域に豊富に見られる天体で、ホットコリノ天体と呼ばれる（へびつかい座の IRAS16293–
2422 など）。もう一つの典型は、炭素鎖分子などの不飽和有機分子が異常に豊富な天体（おうし座の L1527、
おおかみ座の IRAS15398–3359）で、WCCC（Warm
Carbon-Chain Chemistry）天体と呼ばれる。また、
WCCC 天体でありながら内部にホットコリノを含む
ハイブリッド天体も見出されている。このような分子組成の違いの原因は、母体となる分子雲の収縮時

121

特に、2018 年に、本研究グループが中心（山本がPI）となり、仏、伊、独、米などの研究者と共同して提案していた、FAUST（Fifty AU STudy of thechemistry in the disk/envelope system of Solar-likeprotostars）という ALMA 大型観測プログラムが採択され、観測が進行中である。FAUST は 13 個の太陽型原始星に対して、同一の感度、同一の実空間分解能（50 au）、および同一の分子輝線で観測することにより、それらの物理構造と化学組成の特徴の全貌を明らかにしようとするものである。系統的に観測を遂行することにより、星・惑星系形成における物理・化学進化の全容を明らかにしつつある。
ALMA による観測では、膨大な分子スペクトル線
データが得られるが、これまではその中から適切なものを選んで解析を行ってきている。しかし、これでは ALMA による観測能力を十分活かしきっていないばかりか、スペクトル線の選択や結果の議論に
恣意性が入り込む余地がある。そこで、スペクトル
線分布の空間（2 次元）および速度（1 次元）情報を先入観なく比較・分類するために、機械学習の方法を本格的に取り入れている。

6.2. 山本研究室

6.2.3

6. 一般物理実験(a) Geometric Structure

観測成果

Declination【回転 · 落下ガスの速度構造の三次元力学モデル】
原始星に付随する円盤/エンベロープ構造を成すガスの速度構造は、ケプラー回転円盤と回転しながら落下するエンベロープガスの二つに大別される (図6.2.10)。これらの速度構造をもつガス円盤の三次元モデルを構築した (FERIA; Flat Envelope Modelwith Rotation and Infall under Angular momentum
conservation)1 。
このモデルを用いて作成した三次元の擬似観測デー
タと、ALMA による実際の分子輝線観測データを比較2 することで、原始星質量や天体の傾き角などのパラメータが制限される。また、擬似観測データを教師データとして、機械学習/深層学習による解析を適用することで、観測された速度構造の判別を行う手法を開発した。深層学習の一種である 3DCNN (3Dimensional Convolutional Neural Network; 三次元
畳み込みニューラルネットワーク) を用いて、速度構
造 (図 6.2.10b, c) を判別する学習器を作成した。学
習機を低質量原始星天体 IRAS 16293−2422 Source
A での ALMA 観測データに適用することで、18 本の分子輝線の速度構造を分類した。学習器とその適用方法をさらに改良していくことで、観測データが持つ情報を従来とは異なる視点から捉えられることが期待される。この成果を学術論文としてまとめ、出版した。[1]
このモデルは、若い原始星天体を取り巻く円盤/
エンベロープガスの速度構造の他、活動銀河核を取り巻くコンパクトなトーラス構造など、回転を伴う
ガス運動の解析に広く適用できる可能性がある (図6.2.11)。

Position Angle(P.A.)

Line of Sight

Line of Sight
Perpendicular
to the P.A.

Inclination
Angle

Right
Ascension(b) Keplerian Rotation(c) Infalling-Rotating Motion

Inclination
Angle

Line of Sight

図 6.2.10: (a) Schematic illustration of the three di-mensional (3D) dynamical model of a disk/envelope
system. (b) Velocity structure of the disk with a
Keplerian rotation. (c) Velocity structure of theinfalling-rotating gas.の天体と多くの分子種での結果に基づいて確立することができた。

【IRAS 15398-3359 における飽和有機分子の検出】
FAUST プログラムで観測した天体の一つである IRAS
15398-3359 において、CH3 OH の高励起スペクトル【FAUST の初期成果】
線や HCOOCH3 のスペクトル線を原始星方向のコ
日米欧の協働による国際共同研究プロジェクト FAUST(Fifty AU STudy of the chemistry in the disk/envelope ンパクトな領域で検出した。この天体は、1000 au ス
ケールで炭素鎖分子などの不飽和有機分子に恵まれ
system of Solar-like protostars) では、若い低質量原
る WCCC(Warm Carbon-Chain Chemistry) 天体と始星天体に対して ALMA による化学サーベイ観測
して知られていたが、原始星の極近傍にはホットコを実施した。13 個のターゲット天体において、共通
リノ化学を示す複雑な飽和有機分子を伴っているこの感度 · 空間解像度で、多種多様な分子輝線を観測とが明らかになった。即ち、この天体は WCCC とした。その結果、複雑な飽和有機分子を豊富に含む
ホットコリノ化学の両方が異なる空間スケールで共天体と、それらがほとんど検出されない天体が見出存するハイブリッド天体であることが示された。そされた。このことは、原始星を取り巻くガスの化学のような天体は B335, L483, CB68 でも見られてお組成に、天体間で多様性があることを示している (図り、原始星天体の化学組成の「標準形」であると考6.2.12)。
えられる。IRAS 15398 では CH3 OH の高励起線はまた、一つの天体の中でも、ガスの化学組成が空ディスク方向に僅かに広がっていた。このこととス
間的に変化することがわかった。Class 0 の若い低質ペクトル解析から得られるビームフィリングファク
量原始星天体 CB68 での、FAUST で観測された分子ターから、その放射領域はディスク表面の薄い領域
輝線の分布の様子を図 6.2.13 に示す。不飽和な炭化と見られ、ディスク面への降着衝撃波による加熱が水素分子の輝線は広がって分布 (∼1,000 au) し、複示唆される。[3]雑な飽和有機分子の輝線は原始星に集中したコンパ
クトな分布 (<100 au) をしていることがわかった。
分子種の違いによる分布の違いは、FAUST で観測された他の天体でも同じ傾向が確認された。この現象
6.2.4 研究室を閉じるにあたっての概念図を図 6.2.12 に示す。この描像は、従来いく
つかの天体で個別に報告されてきた [6] が、FAUST
山本は 2023 年 3 月 31 日をもって東京大学を定年で取得された均質な観測データを用いて、より多く退職しました。1993 年からちょうど 30 年の長きにわたり、理学系研究科および同物理学専攻にお世話になったことになります。その間、宇宙の物質に着1 https://github.com/YokoOya/FERIA
2 https://github.com/YokoOya/cubechi2122

6. 一般物理実験

6.2. 山本研究室

図 6.2.12: Conceptional view of the chemical struc-ture and its diversity of young protostellar sources
revealed by the ALMA large program FAUST. Hot
corino chemistry characterized by rich existence of
saturated organic molecules is seen in a hot region(>100 K) near the protostar, while warm carbon図 6.2.11: Velocity structure of the gas surrounding

chain chemistry (WCCC) characterized by rich ex-

the AGN of NGC1377. Color represents the obser-

istence of unsaturated hydrocarbon molecules isvation result of the CO emission, while black contours show the result of the 3D dynamical model.

seen in a warm region (> 25 K) surrounding the
hot region. This is a typical chemical structure of

The observed CO emission reveals “Non-circularyoung protostellar sources. Relative appearance of

motions”. It can be explained by the dynamicalthese two distinct chemical features is diﬀerent frommodel involving an infall motion. [2]source to source: some only show hot corino chemistry and some only WCCC. [6]

目して、星間雲から星・惑星形成に至る化学進化の観測研究を楽しみました。国立天文台野辺山 45 m 望
遠鏡や ALMA など先端電波望遠鏡による観測研究、
富士山頂サブミリ波望遠鏡の建設と運用、テラヘルツ帯の検出器の開発など、様々なことに取り組みました。定年退職にあたり、これまでの研究生活を支えていただいたすべての方に感謝申し上げます。なお、大屋助教は 2022 年 10 月 1 日付けで京都大学基
礎物理学研究所に講師として異動しています。
在職中、多くの大学院生、助教、そして共同研究者の皆さんと研究を共にしました。理学系研究科において、23 名の博士取得者、42 名の修士取得者を見てきましたが、彼ら彼女らが常に研究を引っ張ってくれて、その中で私自身も多くを学びました。自然の前では、学生も教員も平等です。実際、大学院生や共同研究者から、自分では考え付かないアイデアや方法、結果が出されることもしばしばでした。若い優秀な人たちと一緒に研究できたことは幸せで、素晴らしい思い出とともに感謝の気持ちで一杯です。
それとともに、天文学と化学の境界をやっている
私を受け入れて育てていただいた物理学教室およびビッグバン宇宙国際研究センターの大きな包容力には感謝の言葉もありません。皆様との交流で、研究についても直接、間接に大きな刺激をいただきました。教室の皆様の期待に十分応えられたとは思いませんが、宇宙物理学の世界を 1 ミリくらい拡げられたのではないかと思っています。研究・教育に加えて、ここ 8 年くらいは副研究科長や専攻長を務めま123したが、その中で、物理学教室のみならず、理学系研究科の事務職員、技術職員の皆様にも大変お世話になりました。理学系研究科が持続的に成長を続けているのは、すべての構成員の力によるものだと実感しました。物理学教室、ビッグバン宇宙国際研究センター、そして、理学系研究科の益々のご発展を祈念しています。
最後に、研究生活を支えてくれた家族にもこの場を借りて感謝したいです。研究第一の生活の中で、十分に時間を取ってこなかったことを後悔しています。
これからは、総合研究大学院大学での業務とともに、そのような時間を増やして楽しみたいと思います。
＜報文＞(原著論文)[1] Oya, Y., Kibukawa, H., Miyake, S., et al., 2022,
Publications of the Astronomical Society of the Paciﬁc, 134, 094301.
[2] Aalto, S., Falstad, N., Muller, S., et al., 2020, Astronomy & Astrophysics, 640, A104.
[3] Okoda, Y., Oya, Y., Yamamoto, S.（19 人中 19 番目）他, ”FAUST VII. Detection of a Hot Corino in
the Prototypical Warm Carbon-Chain Chemistry
Source IRAS 15398-3359”, Astrophys. J., in press.

6.2. 山本研究室

6. 一般物理実験[8] Oya, Y., “Rotation Motion of the Envelope/Disk/Outﬂow in IRAS 16293-2422 Source A”,
A half century of millimeter and submillimeter astronomy: Impact on astronomy/astrophysics andthe future, Miyako (Japan), December 2022
[9] Okoda, Y., “Physics and Chemistry in the Beginning of Low-Mass Star Formation”, 241st AAS
meeting, Seattle (USA), January, 2023
[10] Okoda, Y. et al., “Detection of A Hot Corino in
the Prototypical Warm Carbon-Chain Chemistry
Source IRAS 15398 − 3359”, East Asia ALMA
Meeting, New Taipei City (Taiwan), February,2023(国内会議)【天文学会 2022 年秋季年会、 新潟大学、2022 年 9 月】

represents the integrated intensity maps of four[11] 大小田結貴、小山貴裕, 坂井南美, 渡邉祥正, Ana
Lopez-Sepulcre, 大屋瑶子, 今井宗明, 山本智, 「低質量原始星 B335 における CH3 OH の重水素化物」、
P119amolecular species observed with ALMA, while con-

【天文学会 2023 年春季年会、オンライン、2023 年 3 月】

図 6.2.13:

Molecular distribution of the young(Class I) low-mass protostellar source CB68. Color

tours show the distribution of the 1.3 mm contin-[12] Okoda, Y. et al.,「非常に若い低質量原始星 IRAS
15398 − 3359 の物理・化学構造」、Z110a

uum emission. Emission of the unsaturated hydrocarbons (upper panels; c-C3 H2 , CCH) is extended【次世代アストロケミストリー、Hybrid、 2022 年 11 月】

over the 1000 au scale. On the other hand, emis-[13] 小山貴裕、坂井南美、渡邉祥正, Ana Lopez-Sepulcre、
大屋瑶子、今井宗明、 山本智、
「若い低質量原始星天体 B335 周りの化学組成」

sion of the saturated organic molecule (lower panels; CH3 OH) is concentrated within a 100 au areaaround the protostar. [5][14] 大 小 田 結 貴 、小 山 貴 裕 、坂 井 南 美 、 渡 邉 祥 正 、
Ana Lopez-Sepulcre、大屋瑶子、今井宗明、山本智、「Deuterated CH3 OH in the Low Mass Class 0 protostellar source B335」[4] Okoda, Y., Oya, Y., Imai, M., Sakai, N., Watanabe, Y., Lopez-Sepulcre, A., Saigo,K., and Yamamoto, S., ”Chemical Diﬀerentiation and Temperature Distribution on a Few au Scale aroundthe Protostellar Source B335”, Astrophys. J., 935,
136 (20 pages) (2022).

招待講演[15] Yoko Oya, “Chemical Diagnostics for Embedded Disk/Torus Structures in Protostellar Sources:
Any Analogies with AGN Cases?”, Behind a Curtain of Dust IV, Sesto (Italy), July 2022

[5] Imai,M., Oya, Y. et al. ”Chemical and Physical Characterization of the Isolated Protostellar
Source CB68: FAUST IV”, Astrophys. J., 934, 70(18 pages) (2022).

[16] Yoko Oya, “Chemical Diﬀerentiation and its Relation with the Physical Structures in Disk-Forming
Regions: This and the Next Decade”, Symposium on Next Generation Astrochemistry, Tokyo(Japan), November 2022

(書籍)[6] Oya, Y., “A Few Tens au Scale Physical and Chemical Structures Around Young Low-Mass Protostars”, Springer (2022)[17] Yoko Oya, “Chemical Diagnostics for Tracing thePhysical Structures in Disk-Forming Regions ofYoung Low-Mass Protostellar Sources”, East Asia
ALMA Science Workshop 2023, New Taipei City
(Taiwan), February 2023

＜学術講演＞(国際会議)[18] Satoshi Yamamoto, Chemical View of Star andPlanet Formation , Second International Symposium on Trans-Scale Quantum Science, Tokyo(Japan), November, 2022

一般講演

[7] Oya, Y., “Protostellar Source Elias 29: Deﬁciency
in Organic Molecules and Richness in SulfurBearing Species”, Molecules in Extreme Environment, Tokyo (Japan), November 2022 (Online)1246. 一般物理実験

6.3. 酒井広文 研究室[19] Satoshi Yamamoto, ”50 Years of Astrochemistry:
My Personal View”, A Half Cen- tury of Millimeter and Submillimeter Astronomy, Miyakojima(Japan), December 2022
(国内会議)
一般講演【天文学会 2022 年秋季年会、新潟大学 (新潟)、2022
年 9 月】[20] 大屋瑶子、山本智、「Class I 低質量原始星天体 Elias
29 の円盤構造における落下運動の可能性」、P110a[21] 大小田結貴、小山貴裕、 坂井南美、 渡邉祥正、Ana
Lopez-Sepulcre)、大屋瑶子、今井宗明、 山本智、
「低
質量原始星 B335 における CH3OH の重水素化物」、
P119aの量子過程制御を中心に活発な研究活動を展開している。
始めに、分子の配列と配向の意味を定義する。分子の頭と尻尾を区別せずに分子軸や分子面を揃える
ことを配列 (alignment) と呼び、頭と尻尾を区別して揃えることを配向 (orientation) と呼ぶ。英語では混乱はないが、日本語では歴史的経緯からしばしば
逆の訳語が使用されて来たので注意する必要がある。
また、実験室座標系で分子の向きを規定する三つのオイラー角のうち、一つを制御することを 1 次元的制御と呼び、三つとも制御することを 3 次元的制御と呼ぶ。
以下に、研究内容の経緯とともに、今年度の研究成果の概要を述べる。特に「6.3.1 レーザー光を用いた分子配向制御技術の進展–従来の経緯」は、昨年度と重複する部分があるが、研究の進展を概観するために必要な内容であるので、ご理解いただきたい。

【天文学会 2023 年春季年会、立教大学 (東京)、2023
年 3 月】

6.3.1[22] 大小田結貴、大屋瑶子、Logan Francis、Doug Johnstone、犬塚修一郎、Cecilia Ceccarelli、Claire Chandler、Claudio Codella、坂井南美、山本 智、FAUST
Team、「FAUST: 非常に若い低質量原始星 IRAS
15398 − 3359 の物理・化学構造」、Z110a

従来の経緯
本研究室では、レーザー光を用いた気体分子の配向制御技術の開発と配列あるいは配向した分子試料を用いた応用実験を進めている。分子の向きが揃った試料を用いることが出来れば、従来、空間平均を取って議論しなければならなかった多くの実験を格段に明瞭な形で行うことが出来る。そればかりでな
く、化学反応における配置効果を直接的に調べることができるのを始めとし、物理現象における分子軸や分子面とレーザー光の偏光方向との相関や分子軌
道の対称性や非対称性の効果を直接調べることができるなど、全く新しい実験手法を提供できる。実際、配列した分子試料の有効性は、I2 分子中の多光子イオン化過程を、時間依存偏光パルスを用いて最適制御することに成功したり (T. Suzuki et al., Phys. Rev.
Lett. 92, 133005 (2004))、配列した分子中からの高次高調波発生実験において、電子のド・ブロイ波の打ち消しあいの干渉効果を観測することに成功したり(T. Kanai et al., Nature (London) 435, 470 (2005))
するなどの、本研究室の成果でも実証されている。
分子の配向制御については、始めに静電場とレーザー電場の併用により、1 次元的および 3 次元的な分子の配向が可能であることの原理実証実験に成功した。これらの実験は、分子の回転周期に比べてレー
ザー光のパルス幅が十分長い、いわゆる断熱領域で行われたものである。この場合、分子の配向度は、レー
ザー強度に追随して高くなり、レーザー強度が最大のときに配向度も最大となる。一方、光電子の観測や高精度の分光実験では、高強度レーザー電場が存在しない状況で試料分子の配向を実現することが望まれる。本研究室では、静電場とレーザー電場の併用による手法が断熱領域で有効なことに着目し、分子の回転周期 Trot に比べて立ち上がりのゆっくりしたパルスをピーク強度付近で急峻に遮断することに招待講演【天文学会 2023 年春季年会、立教大学 (東京)、2023
年 3 月】[23] Yoko Oya, Cecilia Caccarelli, Claudio Codella,
Claire J. Chandler, Nami Sakai, Satoshi Yamamoto, and FAUST team members, “ALMA
Large Project FAUST (Fifty AU STudy of thechemistry in the disk/envelope system of Solar-likeprotostars)”, Z109r (review talk)【その他の国内講演】[24] 大屋瑶子、「若い太陽型原始星の原始星円盤形成領域
における化学組成分布と物理構造の関係」、次世代アス
トロケミストリー領域研究会、東京大学 (東京)、2023
年3月
一般向け講演[25] 大屋瑶子、「巨大電波望遠鏡で見上げる星空 ∼ 太陽系の昔の姿とは？ ∼」、湯川博士の贈り物 3、京都大学(京都)、2023 年 1 月

6.3

レーザー光を用いた分子配向制御技
術の進展

酒井広文 研究室

本研究室では、(1) 高強度レーザー電場を用いた分子操作、(2) 高次の非線形光学過程 (多光子イオン化や高次高調波発生など) に代表される超短パルス高強度レーザー光と原子分子等との相互作用に関する研究、(3) アト秒領域の現象の観測とその解明、(4)整形された超短パルスレーザー光による原子分子中125

6.3. 酒井広文 研究室

6. 一般物理実験

より、断熱領域での配向度と同等の配向度を高強度
レーザー電場が存在しない状況下で実現する全く新しい手法を提案した (Y. Sugawara et al., Phys. Rev.
A 77, 031403(R) (2008))。この手法を実現すべく、
ピーク強度付近で急峻に遮断されるパルスをプラズ
マシャッターと呼ばれる手法を用いて整形する技術を開発し、レーザー電場の存在しない条件下で分子配向を実現することに初めて成功した (A. Goban etal., Phys. Rev. Lett. 101, 013001 (2008))。
一方、本研究室では先に、分子の回転周期よりも十分長いパルス幅をもつ高強度非共鳴 2 波長レーザー
電場のみを用いて断熱的に分子配向を実現する手法を提案していた (T. Kanai and H. Sakai, J. Chem.
Phys. 115, 5492 (2001))。この手法では、使用するレーザーの周波数がパルス幅の逆数よりも十分大きな場合には、分子の永久双極子モーメントとレーザー
電場との相互作用はパルス幅にわたって平均するとゼロとなる。したがって、分子の配向に寄与するのは分子の超分極率の異方性とレーザー電場の 3 乗の積に比例する相互作用、すなわち、それによって形成されるポテンシャルの非対称性である点に注意する必要がある。
この手法に基づいて、2 波長レーザー電場を用いて OCS 分子を配向制御することにも初めて成功した (K. Oda et al., Phys. Rev. Lett. 104, 213901(2010))。さらに、C6 H5 I 分子を用い、本手法の汎用性の実証も行った。一方、Even-Lavie valve を用いても、OCS や C6 H5 I 分子の配向度は、0.01 のオーダーであり、劇的な配向度の増大を図ることは困難であることが明らかになった。この困難は、回転量子状態が Boltzmann 分布している thermal ensemble
では、いわゆる right way に向く状態と wrong wayに向く状態が混在していることに起因している。本研究室では、配向した分子試料を用いた「分子内電子の立体ダイナミクス (electronic stereodynamics inmolecules)」に関する研究の推進を目指しており、配向度の高い分子試料の生成が不可欠である。そこで、初期回転量子状態を選別した試料に対し、静電場とレーザー電場を併用する手法や非共鳴 2 波長レーザー
電場を用いる手法により高い配向度の実現を目指すこととした。そして、主として対称コマ分子の状態選別に適した六極集束器 (hexapole focuser) と主として非対称コマ分子の状態選別に適した分子偏向器(molecular deﬂector) を組み込んだ実験装置を立ち上げた。その後、回転量子状態を選別した試料を用い、静電場とレーザー電場を併用する手法や 2 波長レーザー電場のみを用いる全光学的な手法により、分子配向度の向上を実現した上で、配向した分子試料を用いた「分子内電子の立体ダイナミクス」研究のさらなる推進を目指している。
先ず、初期回転量子状態を選別した非対称コマ分
子 (C6 H5 I) を試料とし、静電場とレーザー電場を併用する手法を用いて世界最高水準の高い配向度を達成することに成功した。さらに、プラズマシャッター技術を導入し、初期回転量子状態を選別した分子のレーザー電場のない条件下での 1 次元的配向制御に世界で初めて成功した (J. H. Mun et al., Phys. Rev.
A 89, 051402(R) (2014))。さらに、静電場と楕円偏光したレーザー電場の併用により、レーザー電場の126

遮断直後にレーザー電場の存在しない条件下での 3次元的な配向制御の実現に世界で初めて成功した (D.
Takei et al., Phys. Rev. A 94, 013401 (2016))。この成果は、高い配向度、レーザー電場の存在しない条
件下での配向制御、及び、非対称コマ分子の向きの完全な制御である３次元的な配向制御の３条件を満たし、静電場とレーザー電場を併用する手法の「完成形」の実現を意味している。
その後、上述した非共鳴 2 波長レーザー電場のみを用いる全光学的な配向制御手法にプラズマシャッ
ター技術を適用することにより、静電場も存在しない完全にフィールドフリーな条件下での配向制御技術の開発を進めている。2 波長レーザー電場を用いた全光学的な配向制御の実験は、静電場とレーザー電場を併用する手法と比べると、光学系の構成は複雑となる。2 波長レーザー電場としては、ナノ秒 Nd:YAG
レーザーの基本波 (波長 λ = 1064 nm) とその第 2 高
調波 (λ = 532 nm) を使用する。注意深く予備実験を進めた結果、ナノ秒 Nd:YAG レーザーの基本波とその第 2 高調波を利用した分子配向制御においては、
基本波のパルス幅よりも第 2 高調波のパルス幅の方が短いため、基本波が先に立ち上がり始めることが配向度の効率的な向上を妨げている原因の一つであることを明らかにした。これは、基本波パルスのみ
が先に立ち上がると対称な 2 重井戸ポテンシャルが形成されて分子配列のみが進行し、遅れて第 2 高調波パルスが立ち上がり非対称ポテンシャルの形成が始まっても断熱的に配向を制御するメリットを活かすことができないためである。
この困難を克服するために、干渉計型の光学遅延路を設置し、基本波パルスに約 1.8 ns の遅延を導入することにより 2 波長間の立ち上がりのタイミングを合わせた。データ取得のための工夫をして解析をした結果、配向度 |⟨cos θ⟩| ∼ 0.34 を達成することに成功した。この配向度は、プローブ光による試料分子の多価イオン生成過程における配向依存性の効果を避けるため、プローブ光の偏光を検出器面に垂直にして観測した配向度として世界で最も高い値である。上記の配向度 |⟨cos θ⟩| ∼ 0.34 の妥当性は、χ2 検
定と最小二乗法により慎重に検証した。この成果は、The Journal of Chemical Physics の Communication(Md. Maruf Hossain, Xiang Zhang, Shinichirou
Minemoto, and Hirofumi Sakai, “Stronger orientation of state-selected OCS molecules with relativedelay-adjusted nanosecond two-color laser pulses,”
J. Chem. Phys. 156, 041101(7 pages) (2022)) に発
表した。

6.3.2

最近の進展

実験
非共鳴２波長レーザー電場のみを用いる全光学的
分子配向制御法についても次の３条件を満たす「完成形」の実現を目指している。(1) 高い配向度の達成。
(2) 気体分子の向きの完全な制御である３次元的配向制御。(3) フィールドフリーな条件下での配向制御。

6. 一般物理実験

6.3. 酒井広文 研究室

全光学的配向制御では、静電場も存在しない完全にフィールドフリーな条件下での配向制御が可能となる。この目標を達成するための課題は、２波長間の相対位相を乱さないプラズマシャッター技術の開発である。主として空調機から出る空気の流れの影響によるエチレングリコールジェットシートの揺らぎを回避するとともに、プラズマシャッター動作時に光路中に残留するエチレングリコール由来のデブリを除去することを目的として、エチレングルコールのジェットシートを真空チェンバー内で生成することとした。図 6.3.14 に本年度、この目的のために設計・試作した真空チェンバーの写真を示す。エチレ
ングリコールの回収とデブリの除去、及び、真空引
きはダイヤフラムポンプで行っている。

数値計算–直線偏光した基本波パルスと楕円偏光した第 2 高
調波パルスの組み合わせによる 3 次元的配向制御–
これまでの研究で、パルス幅 10 ns 程度の Nd:YAG
レーザーパルスを用いても配向のダイナミクスが非断熱的であることが明らかになった。したがって、単に基本波と第 2 高調波の強度を上げるだけでは高い配向度を達成することはできない。この様な状況でも配向度を上げることができる手法として、最近、直線偏光した基本波パルスと楕円偏光した第 2 高調波
パルスの組み合わせが、配向度の向上に有効な「一般化された組み合わせ」であることを明らかにした(Md Maruf Hossain and Hirofumi Sakai, J. Chem.
Phys. 153, 104102 (2020))。第 2 高調波パルスを楕
円偏光とすることにより、相互作用ポテンシャルが、
極角 θ に加え、方位角 ϕ にも依存する３次元的な形状となり、非対称ポテンシャル間の障壁が方位角 ϕに沿って低い領域が生成され、配向状態へのトンネ
ル遷移の確率が上昇することがポイントであり、利用可能な第 2 高調波パルスの強度に応じて、配向度の向上を期待することができる点が大きな特長である。楕円偏光した第 2 高調波パルスを用いていることから、自然な形で 3 次元的配向制御に拡張できる。
そこで、昨年度から直線偏光した基本波パルスと楕円偏光した第 2 高調波パルスの組み合わせで 3 次
元的な配向制御のダイナミクスを調べるため、数値計
算コードの開発を進めて来た。具体的には、相互作用
ハミルトニアンの導出、必要な行列要素の計算を行った上で、高次の Crank-Nicolson 法を用いて数値計算
コードを開発した。開発した計算コードを利用して、非対称コマ分子 C6 H5 I を試料とし、3 次元的配向制御のダイナミクスを数値的に調べ、以下の知見を得た。
(1) ３次元配向のダイナミクスは、立ち上がりが比較的長いパルス、具体的には基本波の半値半幅 (HWHM)
τω = 12 ns、第２高調波の半値半幅 (HWHM) τ2ω = 9
ns を用いた場合でも非断熱的であることが確認できた。(2) 本研究室が提案した直線偏光の基本波パルスと楕円偏光の第 2 高調波パルスを用いる手法は、2 波
長の直線偏光パルスを交差させる手法よりも高いオー
ダーパラメータを達成することができ、その優位性は配向のダイナミクスが非断熱的であるときにより顕著となる。(3) 配向のダイナミクスとは対照的に、配列のダイナミクスと第 2 高調波パルスの楕円偏光面への配列のダイナミクスは、基本波の半値半幅 (HWHM)
τω = 12 ns、第 2 高調波の半値半幅 (HWHM) τ2ω =9 ns に対して断熱的であることが明らかになった。
数値計算コードの開発にあたり、昨年度の特別実験
II で配属された江崎蘭世君が貢献した。近日中に江崎君を共著者とする以下の論文を投稿予定である。
Md. Maruf Hossain, Nanse Esaki, and Hirofumi
Sakai, “All-optical three-dimensional orientation ofasymmetric top molecules with combined linearlyand elliptically polarized two-color laser ﬁelds,” tobe submitted to J. Chem. Phys.

図 6.3.14: 2 波長間の相対位相を乱さないプラズマシャッ
ター技術を開発するため、エチレングリコールジェット
シートを真空中で生成することとした。写真はこの目的のために設計・試作した真空チェンバー。3 次元マニピュレー
タ内部の矢印部分にエチレングリコールのジェットシートを生成するためのノズルが装着されている。詳細は本文参照。

最近、ナノ秒２波長レーザーパルスとプラズマ生
成用のフェムト秒 Ti:sapphire レーザーパルスをエチ
レングリコールジェットシートに同軸上に集光する
位置や角度をチューニングした結果、２波長間の相対位相を数時間程度安定に維持できることが明らかになった。ナノ秒レーザーパルスを立下り ∼150 fs
程度で急峻に遮断した後の残留電場成分をレーザー
光と分子線の相互作用領域で無視できる程度に抑制できることは確認済みである (J. H. Mun et al., Opt.
Express 27, 19130 (2019))。したがって、次年度以降、2 波長間の相対位相を乱さないプラズマシャッ
ター技術を開発した上で、OCS 分子などを試料とした１次元的配向制御の実験を行い、さらに、3,4dibromothiophene 分子などの非対称コマ分子を試料として 3 次元的配向制御を実現し、上記の３条件を満たす「完成形」の実現を目指す。なお、２波長間の相対位相を乱さないプラズマシャッター技術は、項
目 6.3.3 で述べる、マクロな３回対称性をもつ分子アンサンブルをレーザー電場の存在しない条件下で生成するためにも必要な技術である。

127

6.3. 酒井広文 研究室

6.3.3

6. 一般物理実験

マクロな３回対称性をもつ分子アン
サンブルの生成6.3.4

最近、気体分子に対する既存の配列・配向制御技
術と概念的に異なる全く新しい分子アンサンブルの生成法を考案した。互いに逆回りに円偏光した基本
波パルスと第 2 高調波パルスを重ね合わせると、3回対称な電場トラジェクトリーが形成される。この様な特異な電場トラジェクトリーと BX3 (X=F, Cl,
Br, I) の様な点群 D3h に属する分子の超分極率相
互作用によって、試料分子の三つの腕を 3 回対称な電場の向きに揃え、マクロな 3 回対称性をもつ分子
アンサンブルを生成できる。実験的に実現可能な回転温度とレーザー強度を仮定して、有意なオーダー
パラメータを達成できることを数値計算で確認した(H. Nakabayashi, W. Komatsubara, and H. Sakai,Phys. Rev. A 99, 043420 (2019))。
上述したマクロな 3 回対称性をもつ分子アンサン
ブルの生成を、実験でも初めて実現することを目指している。円偏光面内に 3 回対称性をもつ分子アンサンブルが生成されている様子をクーロン爆裂イメー
ジングで観測するために、高強度フェムト秒プロー
ブパルスによるクーロン爆裂で生成されたフラグメ
ントイオンをまずイオン光学の原理で引き出してから、2 次元イオン検出器面に射影して観測する装置は既に開発済みである。さらに、元の第 2 高調波と基本波から KD∗ P 結晶で発生させた第 2 高調波との干渉信号を PID フィードバック制御することにより、2 波長間の相対位相として ± ６度以内の安定度、3 回対称性をもつ電場トラジェクトリーの各ローブの角度の安定度として ± ２度以内を維持する技術も開発済みである。
昨年度に引き続き、本年度も 3 回対称な分子アン
サンブルの生成実験に挑戦した。本年度は特に、ナノ秒 Nd:YAG レーザーの基本波パルスと第 2 高調波
パルスの偏光状態の最適化を注意深く行うとともに、プローブ用フェムト秒 Ti:sapphire レーザーパルスの偏光状態の最適化 (できるだけ完全な円偏光が望ましい) も行った。また、本年度は、1,3,5-triiodobenzeneを試料とし、3 回対称性をもつ分子アンサンブルの生成実験に挑戦したが、生成の明確な証拠となるデータは得られなかった。原因は基本波と第 2 高調波の強度不足にあると考えられる。実際、現状では基本
波強度 ∼3×1011 W/cm2 、第 2 高調波強度 ∼3×1011
W/cm2 であるが、上記の Phys. Rev. A の論文では、十分なオーダーパラメータを達成するためには、それ
ぞれ 1×1012 W/cm2 程度の強度が必要であることが示唆されている。そこで、次年度はナノ秒 Nd:YAG
レーザーから出力される基本波と第 2 高調波のビー
ム径を拡大率 2 倍程度のテレスコープで拡大し、集光強度を 4 倍程度以上に増大させて再度目的の達成にチャレンジしたいと考えている。

128

PAL-XFEL 施設の軟 X 線自由電子レーザーを用いた光電子角度分布の計測

本研究室では、フェムト秒スケールで進行する超高速光化学反応ダイナミクスを探究するため、X 線
自由電子レーザー (XFEL) を用いた超高速 X 線光電子回折法の開発を進めている。X 線光電子回折法は、
X 線照射により生成された内殻光電子の角度分布を解析することによって、分子の構造を決定する手法である。光学レーザーの照射後、一定の遅延時間をおいて X 線パルスを照射し、生成された光電子の角度分布 (光電子回折パターン) を測定する。遅延時間を変えながら回折パターンの変化を調べ、理論計算と比較することによって、光化学反応ダイナミクス
における分子の構造変化を直接調べることができる。
これまでは、兵庫県播磨の SPring-8 内にある XFEL
施設 SACLA の超短パルス X 線、真空紫外パルスを用いて、超高速 X 線光電子回折の実証実験や超短パル
ス光学レーザーとの同期実験など、基礎技術の開発を行ってきた。まず、光子エネルギー 4.7 keV の XFEL
を用いて、配列した I2 分子の I2p 光電子回折像を得ることに成功した。理論計算と比較した結果、配列用のナノ秒 Nd:YAG レーザー電場中 (6×1011 W/cm2 )で、I2 分子の核間距離は、平衡核間距離 (2.666 Å)
よりもアンサンブル平均で 0.18-0.30 Å 伸長していることを初めて明らかにした (K. Nakajima et al.,Sci. Rep. 5, 14065 (2015)、S. Minemoto et al., Sci.
Rep. 6, 38654 (2016))。
さらに、極端紫外 (EUV) 領域の FEL パルスを用いて、フェムト秒 Ti:sapphire レーザーパルスとの同期実験を行った。具体的には、
EUV-FEL と Ti:sapphire
パルスが時間的に重なったときに、それぞれのパルスの光子が同時に関与するイオン化過程 (超閾イオン化過程) に相当するピークの観測に成功した。EUVFEL と Ti:sapphire パルスとの時間ジッターを考慮したモデル計算から、∼1 ps のジッターをもつことが分かった (S. Minemoto et al., J. Phys. B 51,
075601 (2018))。また、Ti:sapphire パルスにより二酸化炭素 CO2 分子を非断熱的に配列させ、光子エネ
ルギー 55.4 eV の EUV-FEL パルスによって生成される光電子の角度分解スペクトルを測定した。この実験では、光電子の角度分布と同時にフラグメント
イオンの角度分布も観測することによりショットごとの配列状態を評価した。光電子スペクトルと配列状態の対応付けをすることにより、光電子スペクト
ルの時間発展を追うことができた。その結果、FEL
パルスの偏光方向に分子軸の向きを固定した光電子
角度分布 (Molecular-Frame Photoelectron Angular
Distribution: MF-PAD) を得ることに成功した (S.
Minemoto et al., J. Phys. Commun. 2, 115015(2018))。
一方、超高速Ｘ線光電子回折実験を行うには光子エネルギー 200–1000 eV 程度の軟Ｘ線領域のパルスが最適であるが、SACLA では軟 X 線 FEL パルスが供給されていない。そこで、軟 X 線 FEL パルスを供給する施設として韓国・浦項にある PAL-XFEL に6. 一般物理実験

6.3. 酒井広文 研究室

着目し、PAL-XFEL の軟Ｘ線 FEL パルスを用いて超高速 X 線光電子回折実験を行うための準備を 2019年度より始めている。これまでに、SACLA で開発を行ってきた X 線光電子回折装置を PAL-XFEL のビームラインに接続できるように一部を改造して設置し、Xe 原子から生成される Xe3d 光電子の角度分布測定によって、十分高いエネルギー・角度分解能をもって観測できることを確認した。ただし、現状では軟 X 線 FEL パルス の集光径が大きいため (直径50–80 µm 程度)、分子試料の配列用 YAG レーザー
パルスとの良好な空間的重なりを確保するに至っていない。
本年度、超高速 X 線光電子回折の対象となる反応系の候補として、ジヨードエタン C2 H4 I2 のヨウ素脱離反応のシミュレーションを行った。この分子は、266 nm 付近の紫外光を吸収すると ∼200 fs の速い時
間スケールで 1 つ目の I 原子を脱離し、その後 ∼25
ps かけて I 原子と C2 H4 分子を生成する。I 原子一つが脱離した C2 H4 I 中間体に対して、構造をそのまま保った古典的構造と I 原子が大きく移動して構造変化したブリッジ構造が考えられるが、従来の分光学的実験ではどちらの中間体を経て反応が進行するか判別できていない。この分子に対して、楕円偏光した Nd:YAG パルスによる 3 次元的配列の度合をシ
ミュレーションし、得られた配列度における光電子
回折パターンを調べたところ、古典的構造とブリッジ構造とで回折パターンがなまることなく十分判別可能であることを明らかにした。すなわち、化学反応途中の中間体の構造を明らかにするという目的に適した反応系の一つであることが分かった。これら
光化学反応の超高速 X 線光電子回折を実現すべく、
現在は、FEL パルス の集光径を小さくすること、光学レーザーパルスと軟Ｘ線パルスを精度よく同期させることなどビームラインの詳細を PAL-XFEL のスタッフと議論を進めている。
本研究は、高エネルギー加速器研究機構の柳下明名誉教授、寺本高啓氏 (大阪大学)、間嶋拓也准教授(京都大学)、水野智也氏 (東京大学物性研究所)、Dr.
Je Hoi Mun (韓国、Max Planck Korea/POSTECH)との共同研究である。

6.3.5[1] 酒井広文、令和 5 年度科学技術分野の文部科学大臣
表彰、科学技術賞 (研究部門)、「高強度レーザー電場を用いた気体分子の配向制御技術の研究」、2023 年 4月 19 日.
＜報文＞(原著論文)[2] Je Hoi Mun, Shinichirou Minemoto, Dong Eon
Kim, and Hirofumi Sakai, “All-optical control ofpendular qubit states with nonresonant two-color
laser pulses,” Commun. Phys. 5, 226 (7 pages)(2022).
[3] S. Minemoto, J. H. Mun, T. Teramoto, A. Yagishita, and S. Tsuru, “Ultrafast X-ray photoelectron diﬀraction from free molecules: Simulationsof diﬀraction proﬁles from transient intermediates
in the elimination reaction of C2 H4 I2 ,” J. Electron
Spectrosc. Relat. Phenom. 258, 147221 (7 pages)(2022).
[4] T. Teramoto, S. Minemoto, T. Majima, T. Mizuno,
J. H. Mun, A. Yagishita, P. Decleva, and S. Tsuru,“Basic studies toward ultrafast soft x-ray photoelectron diﬀraction; its application to probing local
structure in iodobenzene molecules,” Struct. Dyn.
9, 024303 (12 pages) (2022).
＜国際会議＞(一般講演)[5] Shinichirou Minemoto, Naoki Hara, and Hirofumi
Sakai, “Challenge to form a molecular ensemble
with macroscopic threefold symmetry,” presented
in 37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics (online), 1P11, June 1st, 2022.
[6] Naoki Hara, Shinichirou Minemoto, and Hirofumi
Sakai, “Development of a plasma shutter techniqueapplicable to intense nanosecond two-color laser
pulses,” to be presented in 38th Symposium on
Chemical Kinetics and Dynamics, June 2023.
＜国内会議＞

その他(一般講演)

昨年度の S セメスターの特別実験Ｉで本研究室に配属されて活躍した原直樹君が修士課程に進学した。
ここで報告した研究成果は、酒井広文研究室のメンバーと客員共同研究員として受け入れた Md. Maruf
Hossain 氏 (日本アイ・ビー・エム株式会社)、水流翔太氏 (ルール大学ボーフム、後、理化学研究所) の活躍によるものである。なお、項目 6.3.2–実験–と項目 6.3.3 の研究課題については、科学研究費補助金、
挑戦的研究 (萌芽)、研究課題「マクロな回転対称性をもつ分子アンサンブルの生成技術の開拓」(課題番
号：22K19005、研究代表者：酒井広文) の支援を受けて行われた。ここに記して謝意を表する。
＜受賞＞

129

[7] Maruf Hossain, Nanse Esaki, and Hirofumi Sakai,“Dynamics of all-optical three-dimensional molecular orientation with a linearly polarized fundamental pulse and an elliptically polarized second
harmonic pulse,” 2022 年第 83 回応用物理学会秋季
学術講演会、オンライン、2022 年 9 月 23 日 (金).
＜セミナー＞[8] 峰本紳一郎、「レーザー光による分子配列・配向技術の高度化と X 線光電子回折法への応用」、東北大学多元物質科学研究所マテリアル・計測ハイブリッド研究センター講演会、2022 年 9 月 28 日 (水).

6.4. 五神 研究室

6.4

6. 一般物理実験

五神 研究室

6.4.1

本研究室では、光と物質の物理学の新たな側面を探ることを狙いとした研究を進めてきた。具体的には、冷却原子系、半導体といった幅広い物質系を対象として、光と物質の相互作用を通じて物質系を精緻に制御し、そこに生じる多体量子現象の探求と特異な光学現象を追求している。特に、半導体の電子
正孔系の基底状態の探索として、長年の懸案である
複合ボース粒子である励起子のボース・アインシュ
タイン凝縮 (BEC) 相について、低温高密度かつ準熱平衡条件下での定量的な実験を進めてきた。本研究室では、サブケルビン領域で 3 次元ポテンシャル中にトラップした励起子ガスの BEC 転移を捉えることに成功した。さらに、より安定な凝縮体の形成のため励起子ガスのさらなる低温化実験を進め、これまで到達できなかった低温域 (∼100 mK) まで励起
子ガスの温度を下げることに成功している。この低温領域で BEC の直接的観測法を開発し、3 次元半導体中の励起子 BEC の観測を世界で初めて実現した。
我々はこれまで、アインシュタインが初めに提唱した粒子間の相互作用を伴わない相転移、という量子統計性が顕著に現れた現象を励起子系及び極低温 7 Li
ボース · 6 Li フェルミ混合原子気体系で実現しその特徴の研究を進めてきた。
一方、従来の光物性研究の手法では捉えることが困難な、光励起された固体の電子励起状態を直接かつ精緻に観測するため、狭線幅レーザーを光源とするポンププローブ角度分解レーザー光電子分光法を開発した。
本研究室では物理学教室における活動と共に、理学系研究科附属フォトンサイエンス研究機構及び工学系研究科附属光量子科学研究センターの活動を密接に連携して活動を進め、高強度パルス光によるコヒー
レント軟 X 線を用いた新たな分光計測手法の開拓と実証などを進めてきた。さらに、物性研究所極限コ
ヒーレント光科学研究センターも加えて発足した光量子科学連携研究機構を基盤とし、文部科学省革新的イノベーション創出プログラム（COI STREAM）「コヒーレントフォトン技術によるイノベーション拠点」、NEDO プロジェクト「高輝度・高効率次世代
レーザー技術開発」、内閣府 SIP「光・量子を活用した
Society 5.0 実現化技術」などの産学連携による研究
開発活動も推進するとともに、文科省/JST Q-LEAP「次世代レーザー技術領域」においてレーザー加工の学理を追求してきた。そして、これらの活動を通して、近年産業技術として非常に注目されているレー
ザー加工のメカニズム解明と新規応用技術の開発に取り組んできた。本年度に進めた研究を以下に紹介
する。

130

物質系の巨視的量子現象の探索

希釈冷凍機を用いた励起子 Bose-Einstein 凝縮転移の系統的観測
半導体において光励起して形成される伝導電子とその抜け穴である正孔は、クーロン引力によって水
素原子様の束縛状態が安定に存在することが知られており、これを励起子と呼ぶ。励起子はフェルミ粒
子の対であることから、ボース統計に従う準粒子として低温高密度領域において BEC 相を形成しうることが予想されてきた。励起子が格子と熱平衡になり十分に低温状態となるためには、寿命が非常に長いことが要求されるため、我々はスピン禁制励起子である亜酸化銅 (Cu2 O) における 1s パラ励起子に着目してきた。しかし寿命が長いことの代償として、従来の検出手段である発光スペクトル観測による励起子の温度や密度の評価が難しい。そこで我々は、水素原子様の Lyman 遷移を励起子について観測することで、パラ励起子の密度や温度を正確に評価する手法を独自に開拓してきた。
世界各地での長年の研究にもかかわらず、BEC の確証は得られなかった。その原因は、光励起強度を増して高い励起子密度を生成する時に、十分な励起子寿命を維持できるか不明であったことによる。そこで上記の分光法（励起子 Lyman 分光法）を用いた
結果、励起子間の 2 体衝突による励起子消失の頻度が極めて高く、超流動ヘリウム温度 (2 K) において
BEC 転移が期待される励起子密度 (1017 cm−3 ) に到達するのは困難であることが判明した。従って BECを実現するためには励起子間の散乱頻度を下げるべく、より低密度な領域で BEC の条件を実現する必要がある。そこで我々はヘリウム 3 冷凍機を使用し、励起子をサブケルビンの温度領域まで冷却することで、1016 cm−3 程度の転移密度を実現し、BEC 転移の観測を試みた。歪誘起トラップしたパラ励起子は0.8 K という低温に到達していることを空間分解発光スペクトルから確認し、この温度で BEC 転移に必要である 109 個程度のパラ励起子を蓄積した。その結果、BEC 転移条件を満たすときに励起子ガスの高温成分が閾値的に増大することを見出した。数値計
算との比較の結果、上記のような非弾性散乱が強く起こる系においては、BEC 転移が生じたと仮定すると、基底状態を多数の粒子が占有して局所的に密度が急上昇し、励起子を爆発的にトラップ中央からはじき出す（緩和爆発）ことが分かっている。
この実験においては、全励起子に対する凝縮体の割合は最大で 1 %程度と推測される。より凝縮体を顕在化させるためには、励起子間散乱を軽減するためさらに転移密度を下げる必要がある。そこで、無冷媒希釈冷凍機を用いて励起子をさらに冷却するセットアップを構築した。光学窓を通じた熱輻射の流入を極力遮断し、冷凍機のベース温度として 38 mK を達成した。このような 100 mK 以下の極低温環境下
でレーザーによる励起子生成と捕獲、微弱な発光の空間分解イメージングといった実験手法を開発してきた。その結果 100 mK を下回る世界最低温度の励起子系を実現したこと、および歪誘起トラップを生成する応力が大きいほど低密度極限における励起子

6. 一般物理実験

6.4. 五神 研究室

Tmix > TC
Tmix = 500 mK
15

Tmix < TC
Tmix = 100 mK-3

15

Density (×10 cm )BEC critical density-3

Density (×10 cm )

2.0

2.0

1.5

1.5

1.0

1.0

0.5

0.5

15

1.5x10

1.0

0.5

0

0

Po -30
sit
0
ion
(μ 30
m
)

Po -30
sit
0
ion
(μ 30
m
)

-30

0
(μm)
Position

30

Density (cm-3 )

温度が低下すること発見した。ボルツマン方程式に基づく数値計算との比較により、応力印加による励起子 TA フォノン相互作用の活性化が冷却機構に重要な役割を果たしていることを明らかにしている。
またこの極低温の領域においてのみ、励起子発光強度の特徴的な励起パワー依存性が観測されることを発見した。発光過程における運動量保存則により凝縮体からの発光は禁制となることによって、この特徴的な励起パワー依存性が生じることを明らかにし、
極低温領域での BEC 転移を示唆していることを見出した。[5]
さらに、発光禁制となる凝縮体そのものを直接観測するために、1s-2p 遷移に伴う誘導吸収測定法を用いてトラップした励起子を測定する実験系を構築し、励起子温度を 100 mK 台に保ちつつ誘導吸収測定を行うことに成功した。本手法を用いることで、各励起パワーにおける励起子の密度を正確に評価できる。
上に述べた励起子発光強度の特徴的な励起パワー依
存性と、励起子密度の励起パワー依存性の比較を進めることで、励起子密度が BEC 転移密度近傍に到達すると特徴的な励起パワー依存性が生まれることが確かめられた。
また励起子の空間分布が励起子の温度、ポテンシャ
ル形状、粒子数から決定される熱分布と一致するか否かを調べることは凝縮体を検出する上で大変重要な課題である。そこで時間分解発光測定によって極低温でパラ励起子がトラップ中で蓄積される様子を詳細に観測した。その結果、励起子の空間分布が熱分布で定義される分布に到達するためにはフォノンとの相互作用の少ない極低温の環境を実現することが極めて重要であることを明らかにした。また亜酸
化銅中の励起子は不純物などの散乱を受けずに巨視的な空間スケールを自由に動ける、自由粒子として取り扱えるという特徴を抽出することができた。
このことを踏まえ、上記の誘導吸収測定を用いてイメージングを行い、希釈冷凍機温度でのトラップ
ポテンシャル中パラ励起子の実空間密度分布を測定した。励起パワーを系統的に変化させて密度分布を取得したところ、BEC 転移密度を超える励起子を生成した励起パワーの条件で、トラップポテンシャルの底に局所的な高密度信号が現れることを発見した(図 6.4.15)。出現する励起子密度、温度の条件を抽出することで、この局所的高密度信号は BEC 転移
条件で現れる凝縮体であることを明らかにした (図6.4.16)。さらに凝縮体の空間広がりが励起子密度の上昇とともに大きくなることを発見し、粒子間の斥
力相互作用を取り込んだ Gross-Pitaevskii 方程式を適用することで励起子間の相互作用が斥力であること、そしてその散乱長が 4 nm と推定されることを明らかにした。さらに Condensate fraction に着目
すると、ゼロ温度で 1 になる理想ボース気体とは大きく異なり、最大でも 0.016 にとどまることを明らかにした。これは熱浴と接触した非平衡開放系という励起子系のボース・アインシュタイン凝縮の特徴を反映しているものと言える。[5]

0.0

-30

0
Position

30(μm)

図 6.4.15: 誘導吸収イメージングの結果、観測された励起子ボース・アインシュタイン凝縮体。励起パ
ワー 1.6 mW、mixing chamber 温度 400 mK 以下で

1s パラ励起子の実空間分布に生じたボース・アイン
シュタイン凝縮体が観測された。左 (右) は mixing

chamber 温度 500 mK(100 mK) の時の励起子密度の空間分布を示している。縦軸が、空間各点でのパラ励起子の密度を表している。右図において BEC 転移密度を超えたところに局所的な高密度領域として凝縮体が現れている。

Tmix=64 mK
Excitoncondensatekink

図 6.4.16: トラップされたパラ励起子の動径方向密度分布。mixing chamber 温度 64 mK での測定結果を表す。励起パワー 1.6 mW 以上で密度分布がガウス分布 (破線) から外れて、kink が生じていることが分かる。局所的な高密度信号が現れる境界条件である励起パワー 940 µW(1.6 mW) では中心の密度が1.2(1.9) × 1015 cm−3 であった。この境界条件の二つの密度は BEC 転移密度 (1.7 ± 0.6 × 1015 cm−3 )と誤差の範囲内で一致する。

131

6.4. 五神 研究室

6. 一般物理実験

極低温ボース・フェルミ混合原子気体による量子物性の探索
極低温原子気体で実現される量子多体系は普遍的な物理法則に従う。例えば相転移時の臨界現象やフェルミ原子系で実現される BCS-BEC クロスオーバーの物理等である。極低温原子気体で電子系や核子・クォーク系と同じ物性を示す粒子系を再現し、それらの物性を探索することにより、相互に物理の理解を深めることはもちろん、新規の物理現象の発見も期待できる。特に我々は極低温ボース・フェルミ混
合原子気体を有しているため、これまで研究できな
かった新規の臨界現象に挑むことが可能である。具体的には、フェッシュバッハ共鳴を用いた散乱長のコントロールによって極力ボース粒子間相互作用を抑制した 7 Li ボース粒子系において、6 Li のフェルミ粒子系を冷媒とする symapathetic cooling を通じて
BEC 転移を引き起こすことに成功している [4]。我々は、ボース粒子系とフェルミ粒子系の混合物がボース粒子の性質を大きく変えないことを示し、フェルミ粒子は単純な熱浴とみなすことができることを明らかにした。ボース粒子間で弾性散乱がなく、熱浴との相互作用で冷えるボース粒子が如何にボース凝縮に至るかは、実験的にも理論的にも研究されていない。これらは、アインシュタインが初めに提唱した、粒子間の相互作用を伴わない相転移という特異な相転移現象である BEC 転移の裏付けとなる実験的証拠である。

6.4.2

図 6.4.17: 銅に対してフェムト秒レーザーによって作製した加工穴の穴径のパルスエネルギー依存性についてのシミュレーションと実験結果の比較。実験は各パルスエネルギーにおいて 5 回ずつ行った結果を示す。

フェムト秒レーザー加工穴径の定量的予測を可能にするシミュレーショ
ン手法の開発フェムト秒レーザーは近年、旧来の加工法では難しかった高精細かつ高品質な加工を実現できる手段として注目を集めている。フェムト秒レーザー加工
では、波長、パルス幅、パルスエネルギー、繰り返
し周波数など、レーザーパラメーターが膨大であり、加工対象物に合わせた最適なパラメーター探索が簡単ではないという点が実用上の大きな課題である。
この課題を解決するために、フェムト秒レーザー加工の結果をサイバー空間で予測するためのシュレー
ターの開発が重要となっている。最近、ロボットによって取得した加工データをもとに、深層学習やベイズ推計などの帰納的なアルゴリズムを利用したシ
ミュレーション手法の研究も活発に進められるようになってきた。
フェムト秒レーザー加工では、パルス幅が極めて短く、尖頭値の高いパルス光を空気中で集光するため、空気中で生じる様々な非線形効果によってビームのプロファイルがガウスビームから大きく変わることが予想される。機械学習によるシミュレーションを行う場合においてもこの影響は内在しており、計算負荷が増大する要因となっている可能性がある。一方、空気中のパルス光の非線形伝播については、大気中におけるフィラメンテーション現象の研究など

132がこれまでに研究されてきており、物理現象の理解は進んでいる。この知見を適切に取りこむことが重要であるが、レーザー加工の状況に適合する詳しい検討はこれまで行われていなかった。
我々は、このような空気中を伝搬する光において生じる複雑な非線形現象の物理をレーザー加工の状
況に即して明らかにすることで、フェムト秒レーザー
加工の予測精度を高め、技術の汎用化とさらなる高性能化の実現に取り組んできた。これまで、特定のパルスエネルギーでの数値計算と実験の比較は報告されていたが、幅広いパルスエネルギー範囲でビームの非線形伝搬を系統的に捉えた報告はなく、加工
形状のパルスエネルギー依存性の振る舞いを統一的に説明できるかは明らかではなかった。そこで本研
究では、非線形伝搬が生じる条件での加工穴径のパルスエネルギー依存性を定量的かつ実用的な計算時間内で予測可能な計算手法を提案し、レーザー加工実験の結果と比較することでその有効性を示した [1]。
まず、3 次の非線形効果による自己収束、気体のイオン化、プラズマによるエネルギー吸収、ビーム
発散の効果を組み込んだ非線形伝搬方程式を用いて、フェムト秒レーザーパルス (波長 800 nm、パルス幅
40 fs) の空気中での伝搬過程をシミュレートし、ビー
ムの電場強度分布のパルスエネルギー依存性を調べた。ここで、特にプラズマ密度を決める空気のイオ
ン化レートを正しく導入することが重要であることを見出した。その結果得られる集光点におけるビー
ムプロファイルの計算結果と、銅のレーザー破壊閾
値フルエンスから、銅の加工穴径を予測した結果を
図 6.4.17 に示す。一方、シミュレーションと同じ条件で実際に銅に対してフェムト秒レーザー加工を行
い、形成された加工穴径の測定結果も図 6.4.17 に示した。これらの結果から、2 桁におよぶ広いパルス
エネルギー範囲で、シミュレーション結果と実験結
果がよく一致していることがわかる。金やアルミニ
ウムを対象とした場合でも、同様の結果を得ること

6. 一般物理実験

6.4. 五神 研究室ができた。本手法は、非線形伝搬が生じるような比較的強い励起条件下でのフェムト秒レーザー加工について、幅広いパルスエネルギー領域において加工結果を定量的に予測可能な手法であり、レーザー加工結果の演繹的予測を実現にむけた重要な知見である。
本研究は、三尾研究室との共同研究の成果である。

6.4.3

新規コヒーレント光源開発と新しい分光手法開拓レーザー励起角度分解光電子分光の開発
本研究室では、レーザー光源をベースとする高分
解能角度分解光電子分光法を光物性物理学の観点で発展させることを試みてきた。従来の光物性物理学
では発光測定や吸収分光などを用いて光励起に伴う電子や正孔の状態変化を捉えてきた。これらの手法
では結合状態密度を反映した結果が得られる。一方、
光電子分光においては純粋な電子の状態密度を取得できるという点で電子系の状態を捉える手法として強力である。また電子系の波数に関する情報も取得できるという点で、光励起を受けた電子系がバンド
内でどのように変化するかという教科書的な問いについてエネルギースペクトルに着目した光学測定にはない、新たな視点で知見を与える可能性がある。
我々は特に低温において光励起された固体電子系に焦点を当て、電子系の状態を直接かつ詳細に調べることで、光物性物理学において解決できなかった問題に挑んできた。そのため我々は従来の半球型ではなく Time of Flight（ToF）形式の角度分解光電子分光装置を採用した。ToF 型の光電子分光装置は半球型と比較して放出された電子の取り込みの立体角が 2 桁程度大きく、収率が高い。この点は非占有バ
ンドのバンド構造や、基底状態ではなく光励起された電子系の振る舞いを調べる上でとても有利な点であり、本研究の大きな特色になっている。我々はこの ToF 型の角度分解光電子分光を用いた測定において、エネルギー分解能 1.8 meV、 角度分解能 0.33◦という高分解能を達成した。これは類似の ToF 型装置と比べても世界最良レベルの分解能である。次に、モード同期 Ti:S レーザーの第二高調波を比較的高い強度で試料に照射し、その励起パルスの直後に光電子放出用の第四高調波を照射することで、光励起されたトポロジカル絶縁体の表面近傍の非平衡電子系の時間分解光電子分光を行えるよう実験系を拡張した。
本年度は ToF 型の光電子分光装置が高い収率を有することに着目して、トポロジカル絶縁体の非占有バンド構造を高いエネルギー分解能で測定することを試みた。この結果、従来の手法では長時間での測定を必要とする非占有バンド構造測定を短時間で実現し、なおかつ 2 次元波数空間上での電子分布も一挙に取得できることを示した。

6.4.4

フォトンサイエンス研究機構

最先端光科学を通して既存の学術分野を横断する融合科学を創ることを目的とし、2013 年 10 月に理学系研究科附属フォトンサイエンス研究機構が発足した。本組織では、学内の最先端研究を連携させながら国内外の諸機関とも連携し、フォトンサイエン
スの世界拠点を東京大学に形成することを目指すと同時に、産業界との連携も進め、基礎研究の成果を活用した技術を社会に波及浸透させることを目指している。これによって、真理を探究する基礎科学の活動が、人類社会の課題を解決し、さらに社会の変革をもたらすイノベーション創出につながるものであることを示し、基礎科学の新たな役割を社会に発信している。この活動は、東京大学が、未来社会協創推進本部を設置し推進している SDGs 達成に向けた活動に沿うものである。
このような社会との連携活動を進める上で、学内他部局の光科学研究組織間での連携を強化する不可欠であり、本機構が中心となって、工学系研究科附属光量子科学研究センター、物性研附属極限コヒー
レント光科学研究センターと共に、平成 28 年 12 月
1 日に光量子科学連携研究機構 (UTripl) を発足させた。また、「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発」（平成 28 年度から令和 2 年度）が NEDO プロジェク
トとして採択され、平成 29 年 10 月には、NEDO プ
ロジェクト参画者を中心とした「高効率レーザープ
ロセッシング推進コンソーシアム」(TACMI) が発足した。それに加え、平成 30 年度には、Q-LEAP「先端レーザーイノベーション拠点」、SIP「光・量子を活用した Society5.0 実現化技術」の活動が開始され、他の先行プロジェクトとの連携を強化し、SDGs で目指している持続可能な社会構築に向けて貢献するものである。
＜報文＞(原著論文)[1] Ryohei Yamada, Wataru Komatsubara, Haruyuki
Sakurai, Kuniaki Konishi, Norikatsu Mio, Junji
Yumoto, and Makoto Kuwata-Gonokami: “Simulation of nonlinear propagation of femtosecond
laser pulses in air for quantitative prediction of theablation crater shape”, Optics Express 31, 7363
(2023).
[2] Masataka Kobayashi, Yusuke Arashida, Kanta
Asakawa, Keisuke Kaneshima, Masashi Kuwahara,
Kuniaki Konishi, Junji Yumoto, Makoto KuwataGonokami, Jun Takeda and Ikufumi Katayama:“Pulse-to-pulse ultrafast dynamics of highly photoexcited Ge2 Sb2 Te5 thin ﬁlms”, J. Appl. Phys.
62, 2 (2023).
[3] H. Yuyuan, K. Kuniaki, M. Deura, Y. Shimoyama,
J. Yumoto, M. Kuwata-Gonokami, Y. Shimogaki,
T. Momose: “Suitability of metallic materials
for constructing metal-coated dielectric terahertz
waveguides”, J. Appl. Phys. 131, 105106 (2022).
[4] Y. Chen, M. Horikoshi, M. Kuwata-Gonokami, K.
Yoshioka: “Creating a noninteracting Bose gas in133

6.5. 安東研究室

6. 一般物理実験(国内会議)

equilibrium at ﬁnite temperature”,Phys. Rev. A
105, 043312 (2022).

一般講演[5] Y. Morita, K. Yoshioka, M. Kuwata-Gonokami:“Observation of Bose-Einstein condensates of excitons in a bulk semiconductor”,Nature Communications 13, 5388 (2022).

[13] 櫻井 治之、小西 邦昭、田丸 博晴、湯本 潤司、五神
真:「シングルパルスレーザー加工における局所フルー
エンスと加工深さの直接相関」第 7 回フォトニクス
ワークショップ、1-P-40、2022 年 11 月

[6] J. Omachi, N. Naka, K. Yoshioka, M. KuwataGonokami: “Mid-infrared dielectric response of
Fermi-degenerate electron-hole droplets in diamond”,Phys. Rev. B 106, 235205 (2022).

[14] 山田 涼平、小松原 航、櫻井 治之、小西 邦昭、三尾典克、湯本 潤司、五神 真:「レーザー加工穴形状の定量的予測を可能とする空気中でのフェムト秒光パル
スの非線形伝搬シミュレーション」第 7 回フォトニ
クスワークショップ, 1-P-28, 2022 年 11 月

(解説記事)[7] 森田 悠介、吉岡 孝高、五神 真:「極低温で励起子のボース・アイン シュタイン凝縮体の可視化に成功」理学部ニュース 1 月号 (2023)(プレスリリース)[15] 的場 みづほ、小西 邦昭、三尾 典克、湯本 潤司、五神
真:「テラヘルツラディアル偏光パルスを用いたダー
クプラズモンモード選択励起の数値計算解析」第 7 回
フォトニクスワークショップ, 1-P-22, 2022 年 11 月

[8] 森田 悠介、吉岡 孝高、五神 真:「世界最低温の励起子に生じたボース・アインシュタイン凝縮体を可視化することに成功」（2022 年 9 月 16 日プレスリリー
ス; 東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室、東京大学大学院工学系研究科・工学部 広報室）

[16] 山田 涼平、小松原 航、櫻井 治之、小西 邦昭、三尾典克、湯本 潤司、五神 真: 「レーザー加工穴径の定量的予測を可能とする空気中でのフェムト秒光パル
スの非線形伝搬シミュレーション」第 83 回応用物理学会 秋季学術講演会, 2022 年 9 月 22 日

＜学術講演＞[17] 黄 昱源、小西 邦昭、出浦 桃子、下山 裕介、湯本 潤
司、五神 真、霜垣 幸浩、百瀬 健:「THz 波デバイス
用高アスペクト比構造への超臨界流体薄膜堆積法による Cu 被覆の検討」第 83 回応用物理学会 秋季学術講演会, 2022 年 9 月 22 日

(国際会議)
招待講演[9] Kuniaki Konishi, Makoto Kuwata-Gonokami:“Metamaterials for controlling and generating
circular polarization”, EPS symposium on thethird generation metamaterials (METAMATERIALS 3.1) (2022/8/3, Italy)[18] 川野 将太郎、戸田 圭一郎、櫻井 治之、小西 邦昭、井手口 拓郎:「サブピコ秒から数ナノ秒時間遅延領域における超短パルスレーザー加工の時間分解複素透過率イメージング」第 83 回応用物理学会 秋季学術講演会, 2022 年 9 月 21 日

一般講演[10] Mizuho Matoba, Kuniaki Konishi, Norikatsu Mio,
Junji Yumoto, Makoto Kuwata-Gonokami: “Simulation Of Selective Excitation Of Dark Plasmon
Modes In Single Metal Rods By Focused Terahertz Radial Beams”, 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves(IRMMW-THz) 2022, Tu-AM-3-4 (2022/8/30,
Delft, The Netherland, Oral)

6.5

安東研究室

本研究室では重力と相対論・量子論に関する実験的研究を進めている．その中でも，重力波望遠鏡の開発と，それによる宇宙の観測は一貫して研究室の中心
テーマとなっている．2016 年 2 月には米国の LIGO
によって，重力波信号の初観測が報告され，「重力波天文学」が幕をあけた．国内でも大型低温重力波検出器 KAGRA の観測が開始された．それに加え，将来計画である宇宙空間重力波アンテナの実現へ向けた検討や基礎開発も行われている．実験室内の基礎研究としては，独自の方式のねじれ型重力波検出器
TOBA の開発，さらには重力波研究で用いられる精密計測技術を用いた基礎物理研究として，ダークマ
ター探査実験, オプトメカニクスを用いた巨視的な量子現象の測定実験などを進めている．
2015 年の Advanced LIGO による重力波の初観測
以降，重力波望遠鏡の感度は着実に向上し，観測ネッ
トワークも拡大している．2020 年 3 月に終了した
O3 と呼ばれる最新の長期共同観測運転以降，LIGO，
Virgo，KAGRA の各望遠鏡はさらなる高感度化を目指した調整やアップグレードを行っている．2023
年 5 月から約 1 年半の観測運転 O4 を共に開始する[11] Ryohei Yamada, Wataru Komatsubara, Haruyuki
Sakurai, Kuniaki Konishi, Norikatsu Mio, Junji
Yumoto, Makoto Kuwata-Gonokami: “Modeling of
Nonlinear Propagation of Femtosecond Laser Pulse
in Air for Laser Ablation”, Conference on Lasers
and Electro-Optics 2022 (CLEO 2022) (2022/5/19,
Poster)[12] Ryota Takaku, Qi Wen, Scott Cray, Mark Devlin, Simon Dicker, Shaul Hanany, Takashi Hasebe,
Teruhito Iida, Nobuhiko Katayama, Kuniaki Konishi, Makoto Kuwata-Gonokami, Tomtoake Matsumura, Norikatsu Mio, Haruyuki Sakurai, Yuki
Sakurai, Ryohei Yamada, Junji Yumoto: “Large
diameter millimeter-wave low-pass ﬁlter made ofalumina with laser ablated anti-reﬂection coating”,
16th International Conference on Laser Ablation(COLA2021/2022) (2022/4/28, Shimane, Oral)134

6. 一般物理実験

6.5. 安東研究室

予定であり，これまで以上に密接な連携を取っている．KAGRA は O4 の初めには連星中性子星の観測可能レンジとして 1 Mpc 以上の感度で運転を行い，
O4 の終わりまでに 10 Mpc 程度まで感度を向上させるための作業を行う予定である．アメリカ，イタリ
ア，日本の三極での共同観測が実現されれば，到来方向決定精度が各段に上がる．また，一般相対性理論が予言するテンソルモードとは異なる偏極モードが初めて明確に分離できるようになり，一般相対性
理論に代わる重力理論の検証が可能となると期待されている．さらに，KAGRA は地下建設と鏡の低温化という次世代重力波望遠鏡に必須と考えられている技術を取り入れたレーザー干渉計であり，次世代へ向けても重要な役割を担っている．

6.5.1

長基線信号増幅共振器
近年の LIGO-Virgo-KAGRA コラボレーションによる重力波観測を経て，連星ブラックホール・中性子星に関する数多くの知見が得られた．一方で観測された重力波の周波数は 10 Hz から 1 kHz 程度と限定的であるため，今後はより広い周波数帯での重力波観測が求められる．特に，数 kHz 帯の重力波は連星
中性子星合体時に放出されるため，その観測は中性子星の状態方程式決定に重要である．数 kHz に特化した重力波望遠鏡が計画されており，そこで用いられるのが長基線信号増幅共振器と呼ばれる技術である．当研究室ではこの技術がテーブルトップスケー
ルでさえ未実証であることに着目し，その原理実証を目指している．本年度は光学系や干渉計の構築が完了し，様々な干渉計自由度の同時制御に取り組んだ．

重力波望遠鏡 KAGRA
宇宙空間重力波望遠鏡

KAGRA の現状

6.5.2

KAGRA 計画は 2010 年にスタートした，岐阜県神岡の地下に大型低温重力波望遠鏡を建設する計画である．2020 年 4 月には 1 Mpc の連星中性子星観測可能レンジを実現し，ドイツの GEO との共同観測運転を実施した．観測運転の休止以降，O4 観測に向けて鏡の懸架系や干渉計の調整が行われている．当研究室では KAGRA の根幹部分となる主干渉計の光学系
や制御系の設計開発，KAGRA の将来計画の検討などを行っている．本年度は特に，重力波信号に混入する他自由度の長さ信号をあらかじめ除去するためのフィードフォワードの設計と実装や，他自由度のフィードバック制御によって混入する雑音を低減するために制御フィルターの改良を行なった．これにより数 100 kpc 程度観測可能レンジが向上し，短時間ではあるものの 1 Mpc のレンジを達成している．
今後は干渉計動作の安定化および自動化に取り組みつつ，さらなる感度向上を目指す．また他にも，サファイア鏡の複屈折が干渉計に与える影響についてのシミュレーションを進めた．

宇宙空間でレーザー干渉計を実現することで，長い基線長による高感度化，地面振動の影響の回避が可能になり，低い周波数帯での重力波観測が可能になる．
宇宙空間レーザー干渉計 DECIGO は基線長 1000 kmのファブリペロー型レーザー干渉計を宇宙空間に建設するという野心的な計画である．DECIGO は巨大
ブラックホールの合体や，初期宇宙からの重力波などの観測を目指している．この DECIGO の前段階の重力は望遠鏡 B-DECIGO や，技術実証ミッショ
ン SILVIA の設計検討を進めている．

Birefringence calibration of sapphire mirrors
The birefringence eﬀect of KAGRA s sapphire
test masses is currently an important factor that inﬂuences the interferometer s stable control. This
year, we calibrated birefringence properties of sapphire mirrors using transmission wavefront error
measurements. We successfully estimated the energy coupling from s-polarization to p-polarizationand compared it with on-site measurements. We
also designed a tabletop experiment which will demonstrate new real-time alignment control schemes for
future KAGRA.

135

宇宙重力波望遠鏡 B-DECIGO

B-DECIGO は，DECIGO の前哨ミッションと位置付けられる一方，連星合体現象に対して宇宙全体を見渡すことができるだけの性能を持つ本格的な重力波望遠鏡である．ET や CE といった次世代地上重力波望遠鏡や，ESA が主導する LISA とは異なる周波数帯と独自の科学的成果が期待されている．また，DECIGO の感度を制限する量子雑音の低減手法の検討に関する共同研究も進めた．本年度は特に，量子ロッキングと呼ばれる量子雑音低減手法において最適な信号処理を実現するフィルターの原理実証を行なった．

超精密フォーメーションフライト実証計画 SILVIADECIGO や B-DECIGO の実現には超精密なフォーメーションフライトが必要であり，着実な技術実証が必要となる．当研究室は JAXA フォーメーショ
ンフライトワーキンググループに参画し，公募型小型クラスで実行可能な超精密フォーメーションフライト実証計画 SILVIA (Space Interferometer Laboratory Voyaging towards Innovative Applications)を進めている．SILVIA は複数の宇宙機で構成され，その間の長さを精密測定・制御することでサブ um

6. 一般物理実験
低温モノリシック光学系

6.5. 安東研究室

シリコン製モノリシック光学系 → 最終アラインメント調整中.

級のフォーメーションフライトを実現することを目指す計画である．2019 年度公募型小型計画・宇宙科
学ミッションコンセプト公募に応募し，2020 年 8 月には次フェーズに進むことが承認された．本年度は，さらなるミッション構成の具体化とコスト評価等の検討を進め，2022 年 11 月に行われたプリプロジェ
クト候補移行審査を通過した．また，国立天文台とも共同で SILVIA 光学系の詳細設計にも取り組んでいる．

写真: 高野哲

テストマス
固定ヒンジ

光ファイバカプラ

DECIGO/SILVIA のための地上実証実験

テンプレート当研究室では，DECIGO, B-DECIGO のレーザー干渉計を構成する双方向 Fabry-Perot 光共振器の制御手法を確立するために，地上での検証実験を行っている．
本年度は特に角度方向の制御に着目し，地上検証用の実験セットアップを完成させた．また，wavefront
sensor 法，beam pointing control 法によって双方向
Fabry-Perot 共振器の角度制御の全 12 自由度の制御に成功した．現在は，制御の最適化や残留変動の評価を行っている．

6.5.3

モノリシックベンチ

光・量子飛躍フラッグシッププログラム 第8回領域会議 (2022年12月14日, 東京工業大)

図 6.5.18: シリコン製モノリシック光学系．
取り光学系は低温下にあるため，モノリシック光学
系についても低温化で動作するものを開発する必要がある．本年度はモノリシック光学系のセンサー部分について，光学上盤上に通常の光学系を組み，特性評価を行った [66]，またモノリシック光学系の光学設計を行い，光学系の構築を始めた．今年度は特に干渉計の入射部分についてアセンブリを行った (図6.5.18) [56]．今後は，モノリシック光学系のアセンブリを進め，低温下での測定を行う予定である．

ねじれ型重力波検出器 TOBA

Torsion-Bar Antenna (TOBA) とはねじれ振り子の水平回転を利用した新しい重力波検出器である. 地
上でも低周波数帯 (0.1 Hz 前後) の重力波に感度を持
ち，中間質量ブラックホール連星合体の観測が可能になり，銀河中心の超巨大ブラックホールの形成過程に知見を与えることなどが期待できる. 重力波観
測以外にも地球活動による重力場変動を計測することで将来の地上重力波望遠鏡の低周波感度向上に貢献したり，地震の早期アラートに応用するなどの研究も進められている.
現在は長さ 35 cm の棒状の試験マスを用いた小型
プロトタイプ (Phase-III TOBA) の開発が進められており，将来的な大型化 (10 m) に備えた雑音低減実証や地球重力場変動の観測，地震速報の実現などを目指している．Phase-III における目標感度は，0.1 Hz√においてひずみ換算で 10−15 / Hz となっている．
Phase-III TOBA の特徴の 1 つは，雑音の低減のために試験マスを 4 K にまで冷却することである．これまでに試験マスの冷却には既に成功しており，現
在はさらなる高感度化に向けて次に述べる低温下での要素開発や光学系の改良などを行っている．

改良型角度センサ

TOBA の回転を高精度に読み取る角度センサとして，wavefront sensor の後ろに鏡をもう 1 枚置いて補助共振器を構成する改良型角度センサを考案した．
補助共振器による位相補償によって角度信号を増幅できることに加えて，ビームジッター雑音が小さいという利点がある．本年度は，共振器制御の安定化のため，テストマスを懸架するセットアップへの変更を行った．

Fiber Q measurement
Research was focused on characterising and lowering the suspension noise for torsion pendulums,
focusing on two main key technologies: cryogenic
temperatures, and crystalline ﬁbres. This is in order to ensure that the noise ﬂoor of TOBA is low
enough for its intended sensitivity. The key measurement metric is the Q factor, which we measure
via the ringdown method with a torsion pendulum
setup.
We have succeeded in achieving Q = 2.2 × 105 at
cryogenic temperatures for a torsion pendulum witha 1 mm sapphire ﬁbre, which is a record for thissetup. This was achieved by changing the length of
the ﬁbre for the torsion pendulum. This suggeststhat the limiting noise source for the current setup
is coupling between the torsion modes and the other

低温モノリシック光学系の開発
目標感度を妨げる雑音の 1 つに，読み取り光学系の変動に起因する雑音がある．この雑音の低減のた
め，Phase-III TOBA では基材に光学素子を直接接着するモノリシック光学系を用いて試験マスの変位を測定する．Phase-III TOBA の試験マス及び読み

136

8

6. 一般物理実験

6.5. 安東研究室

resonant modes, and further characterisation is underway to quantify and reduce this coupling.

Tilt meterTo achieve the desired sensitivity of TOBA, theActive Vibration Isolation Table (AVIT) must effectively suppress ground vibrations. However, thetilt-horizontal coupling of seismometers on AVIT
can aﬀect its performance. To mitigate this, a highly
sensitive tilt meter that is not inﬂuenced by translation is required. We have developed a beam balance type tilt meter as a proof of concept, with a 20
cm long beam balance and a resonance frequency
of approximately 0.8 Hz. An optical level is used
for readout, and feedback control is implemented tomaintain the operating point. We have measured
several tilts using this tilt meter and are currently
investigating its noise sources and improving thedesign.

6.5.4

図 6.5.19: 光リング共振器を用いたアクシオン-光子
結合定数の上限値．

アクシオンダークマター探索

数々の宇宙観測によって宇宙に存在する物質の 8割以上がダークマターという未知の物質で占められていることが明らかになっている．ダークマターは宇宙の構造形成の重要な役割を果たしたことがわかっており，その存在は確実視されているが，正体は全く不明である．これまでは素粒子物理学からの強い示
唆から，WIMP と呼ばれる重い粒子のダークマター
候補に探索が集中していたが，検出の兆候は得られていない．こうした背景から，WIMP 以外の候補への関心が高まっており，質量で 90 桁に及ぶ様々な候補を新しい発想によって探索することの重要性が認識されてきた．
我々は特に超軽量ダークマターに分類されるアクシオンに着目し，レーザー干渉計を用いた探索実験を進めている．我々は，アクシオンが質量に応じた周期で光の偏光面を周期的に変化させる性質に着目し，テーブルトップサイズの光リング共振器を用いて軽い
アクシオンを探索する手法を提案し，DANCE (Darkmatter Axion search with riNg Cavity Experiment)
計画を 2018 年度より開始した．また，重力波望遠鏡の線形光共振器を用いて直線偏光の偏光面回転を調べることで，アクシオン探索を行う新手法も提案している．KAGRA に必要な偏光光学系の導入は完了しており，2023 年 5 月に開始予定の O4 観測では重力波観測データに加え，アクシオン探索データが取得できる見込みである．

DANCE
DANCE は光リング共振器を用いることでアクシオンによる直線偏光の偏光面回転を増幅し，10−10 eV
程度以下の軽量アクシオンを広帯域にわたって探査
137

することを目指した実験である．本年度は 2021 年 5月にプロトタイプを用いて取得した 12 日間のデータの解析を完了し，光リング共振器を用いた初のアク
シオン-光子結合定数の上限値を設けた (図 6.5.19)．
また，s/p 偏光が共振器に同時に共振しないと感度が大幅に低下してしまうという問題が明らかになっており，現在は同時共振のための機構を備えた装置の開発も進められている．昨年度には補助共振器を利用した同時共振の実現に成功しており，本年度は光学素子の改良とオフライン解析によって約一桁の雑音低減に成功した．また，波長可変レーザーを用
いて s/p 偏光の反射位相差をキャンセルすることにより同時共振を実現する手法も提案されている．本
年度は V 字型の光共振器を作成し，ミラー 1 枚あたりの s/p 偏光間の反射位相差測定を行った．今後は，
s/p 偏光間の反射位相差の時系列データを取得し，制御量についての調査を行った後．波長可変レーザーを用いた同時共振の実現を目指す．

6.5.5

相対論・量子光学実験

オプトメカニクス研究
重力波望遠鏡における最も原理的な雑音として，
レーザー光の量子雑音が挙げられる．また巨視的な機械振動子を用いて量子雑音に制限された変位感度を観測することで，巨視的重ね合わせ状態を実現することが可能となる．当研究室では，その最初のステップとして 10 mg 程度のねじれ振り子を用いて量子輻射圧雑音を観測することを目指している．ねじれ振り子は両端に曲率のついた鏡を固定したダンベル型である．本年度は，鏡を固定するためのダンベ
ル型のスペーサの制作を企業と共同で進め，設計通りのものが完成した．来年度は，鏡を固定して光共振器を構築し，量子輻射圧雑音観測を行う予定である．また，レーザー光によって共振器内の光学結晶が熱膨張する光熱効果をモデル化し，実験的に実証する共同研究も行った．

6.5. 安東研究室

6. 一般物理実験

B-L 相互作用探査
超軽量ダークマターの候補の一つとして，標準理論に含まれていないゲージ対称性である U (1)B−L ゲー
ジボソンが提案されている．このモデルでは，レプ
トン数とバリオン数の差である B-L に比例する力が存在するため，異なる原子で構成された機械振動子が異なる力を受ける．当研究室では，このような異なる機械振動子の変位差を光共振器で測定し，ダークマ
ターを探査することを目指している．本年度は，探査可能なパラメータ範囲の設計，入射光学系の構築，
機械振動子を防振するための懸架系の準備を行った．

[13] H. Abe, et al.: Performance of the KAGRA detector during the ﬁrst joint observation with GEO600(O3GK), PTEP ptac093 (2022).
[14] H. Abe, et al.: The Current Status and Future Prospects of KAGRA, the Large-Scale Cryogenic Gravitational Wave Telescope Built in the
Kamioka Underground, Galaxies 10, 63 (2022).
[15] R. Abbott, et al.: Search for Subsolar-Mass Binaries in the First Half of Advanced LIGO s andAdvanced Virgo s Third Observing Run, Phys.
Rev. Lett. 129, 061104 (2022).
[16] R. Abbott, et al.: All-sky, all-frequency directional
search for persistent gravitational waves from Advanced LIGO s and Advanced Virgo s ﬁrst threeobserving runs, Phys. Rev. D 105, 122001 (2022).

＜受賞＞[1] 高野哲: 2022 年秋季大会 日本物理学会 学生優秀発
表賞，日本物理学会 (2022 年 10 月)[17] R. Abbott, et al.: Search for Gravitational Waves
Associated with Gamma-Ray Bursts Detected byFermi and Swift during the LIGO–Virgo Run O3b,
ApJ 928, 186 (2022).

[2] Yuka Oshima: 2nd International Symposiumon Trans-Scale Quantum Science Poster Award(November 2022).
＜報文＞[18] R. Abbott, et al.: Searches for Gravitational Waves
from Known Pulsars at Two Harmonics in the Second and Third LIGO-Virgo Observing Runs, ApJ
935, 1 (2022).

(原著論文)[3] T. Ishikawa, et al.: First-step experiment for sensitivity improvement of DECIGO: Sensitivity optimization for simulated quantum noise by completing the square, Phys. Rev. D 107, 022007 (2023).

[19] R. Abbott, et al.: All-sky search for gravitational
wave emission from scalar boson clouds aroundspinning black holes in LIGO O3 data, Phys. Rev.
D 105, 102001 (2022).

[4] M. Croquette, et al.: Recent advances toward
mesoscopic quantum optomechanics, AVS Quantum Sci. 5, 014403 (2023).

[20] R. Abbott, et al.: Narrowband Searches forContinuous and Long-duration Transient Gravitational Waves from Known Pulsars in the LIGOVirgo Third Observing Run, ApJ 932, 133 (2022).

[5] T. Kawasaki, et al.: Angular trapping of a linearcavity mirror with an optical torsional spring,
Phys. Rev. A 106, 013514 (2022).

[21] R. Abbott, et al.: All-sky search for continuous
gravitational waves from isolated neutron stars using Advanced LIGO and Advanced Virgo O3 data,
Phys. Rev. D 106, 102008 (2022).

[6] T. Shimoda, et al.: Coherent angular signs ampliﬁcation using an optical cavity Appl. Opt. 61,
3901-3911 (2022).

[22] R. Abbott, et al.: Search for gravitational waves
from Scorpius X-1 with a hidden Markov model in
O3 LIGO data, Phys. Rev. D 106, 062002 (2022).

[7] S. Otabe, et al.: Photothermal eﬀect in macroscopic optomechanical systems with an intracavity
nonlinear optical crystal, Opt. Express 30, 4257942593 (2022).

[23] R. Abbott, et al.: Search for continuous gravitational wave emission from the Milky Way centerin O3 LIGO-Virgo data, Phys. Rev. D 106, 042003(2022).

[8] Yuta Michimura, et al.: Ultralight dark mattersearches with KAGRA gravitational wave telescope, J. of Phys.: Conf. Ser. 2156, 012071 (2022).

[24] R. Abbott, et al.: Model-based Cross-correlation
Search for Gravitational Waves from the Low-mass
X-Ray Binary Scorpius X-1 in LIGO O3 Data,
ApJL 941, L30 (2022).

[9] Yuka Oshima, et al.: First Results of Axion Dark
Matter Search with DANCE, arXiv:2303.03594(2023).
[10] Yuka Oshima, et al.: Wavefront Sensing witha Coupled Cavity for Torsion-Bar Antenna,
arXiv:2207.13847 (2022).

(国内雑誌)[25] 安東正樹: 重力波望遠鏡のための光・量子技術, 光学,
51, 7（2022 年 7 月).

[11] R. Abbott, et al.: Population of Merging Compact Binaries Inferred Using Gravitational Waves
through GWTC-3, Phys. Rev. X 13, 011048 (2023).

(学位論文)[12] R. Abbott, et al.: First joint observation by theunderground gravitational-wave detector KAGRA
with GEO 600, PTEP 2022, 063F01 (2022).

[26] 小野將矢: 宇宙重力波望遠鏡に向けたレーザー干渉計の角度制御, 修士論文 (2023 年 3 月).
＜学術講演＞

138

6. 一般物理実験

6.5. 安東研究室(国際会議)[40] Haoyu Wang, et al.: Current status of birefringence characterization and simulation of KAGRA
ITMs, The 29th KAGRA Face-to-Face meeting(August 2022, University of Tokyo and online).

招待講演[27] Masaki Ando: KAGRA: Large Cryogenic Gravitational Wave Telescope, International Conference
on the Physics of Two Inﬁnites (March 30th, 2023,
Kyoto, Japan).

[41] Yuka Oshima, et al.: Wavefront Sensing witha Coupled Cavity for Torsion-Bar Antenna,
GRAvitational-wave Science & technology Symposium 2022 (June 2022, Padova, Italy).

[28] Hiroki Fujimoto, et al.: Recent Upgrades of Optical System and Data Analysis in DANCE, Workshop on Very Light Dark Matter 2023 (Mar. 2023,
Chino, Japan).

[42] Masaki Ando: Gravitational Waves: VIRGOKAGRA and Future R&Ds, ILANCE Meeting(June 8, 2022, ICRR Kashiwa, Chiba).
[43] Masaya Ono, Control of Dual-Pass Fabry-Perotcavity for space gravitational antennas:DECIGO
and B-DECIGO The 9th KAGRA International
Workshop (June 2022, online).

[29] Yuka Oshima, et al.: First Results of DANCE from
Long-Term Observation, Workshop on Very Light
Dark Matter 2023 (Mar. 2023, Chino, Japan).
[30] Masaki Ando: DECIGO: a space gravitationalwave antenna, KIW9: KAGRA International
Workshop (June 6, 2022, Online).

[44] Haoyu Wang, et al.: Birefringence characterization of KAGRA ITMs and simulation with Finesse,
GWADW2022 (May 2022, online).

一般講演[45] Hiroki Fujimoto, et al.: Recent Upgrades and Future Prospects of DANCE, FY2022 ”What is dark
matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter” (Mar. 2023, Kavli IPMU
and online).

[31] Yuka Oshima, et al.: First Results of Axion Dark
Matter Search with DANCE, FY2022 ”What isdark matter? - Comprehensive study of the huge
discovery space in dark matter” (Mar. 2023, Kavli
IPMU and online).

ポスター発表[32] Hiroki Fujimoto, et al.: Axion dark matter searchwith optical ring cavity, FoPM International Symposium (Feb. 2023, University of Tokyo).

[46] Yuka Oshima, et al.: Torsion-Bar Antenna for
Low-Frequency Gravity Gradient Observation, 2ndInternational Symposium on Trans-Scale Quantum
Science (November 2022, University of Tokyo).

[33] Hiroki Fujimoto, et al.: Latest Status and Sensitivity of DANCE: Dark matter Axion search withriNg Cavity experiment, KASHIWA DARK MATTER SYMPOSIUM 2022 (Dec. 2022, University ofTokyo and online).

[47] Masaya Ono, et al.: Control of Dual-Pass FabryPerot Cavity for space gravitational wave antennas: DECIGO and B-DECIGO, Gravitational
Wave Advanced Detector Workshop 2022 (May
2022, online).

[34] Ching Pin; Ooi, et al.: Development of a cryogenic suspension system for TOrsion-Bar Antennae(TOBA), The 5th International Forum on Quantum Metrology and Sensing (November 29th,2022,
online).

[48] Yuka Oshima, et al.: Angular Signal Ampliﬁcation
with a Coupled Cavity for Torsion-Bar Antenna,
Gravitational Wave Advanced Detector Workshop
2022 (May 2022, online).

[35] Yuka Oshima, et al.: Torsion-Bar Antenna for
Early Earthquake Alert, The 5th International Forum on Quantum Metrology and Sensing (November 29th,2022, online).

[49] Satoru Takano, et al.: The Current Status of
Torsion-Bar Antenna (TOBA) Experiment, Gravitational Wave Advanced Detector Workshop 2022
(May 2022, online).

[36] Masaki Ando: Future Strategy Committee, KAGRA F2F (Nov 30th, 2022, Online).

[50] Masaki Ando: Space GW Antennae: DECIGO/BDECIGO, Gravitational Wave Advanced Detector
Workshop 2022 (May 2022, online).

[37] Yuka Oshima, et al.: Angular Measurement with a
Coupled Cavity for Torsion-Bar Antenna, KAGRA
Future Working Group 2nd open meeting (November 2022, University of Tokyo and online).

(国内会議)
招待講演[38] Masaki Ando, et al.: FWG Open Meeting, KAGRA Future Working Group 2nd open meeting(November 2022, University of Tokyo and online).

[51] 安東 正樹: 重力波観測による時空の探査, KMI 分野横断セミナー 時空の漸近構造，赤外発散，重力波 (2022
年 12 月 18 日, 名古屋大学).

[39] Haoyu Wang, et al.: Mirror birefringence in KAGRA, LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration Meeting (September 2022, Cardiﬀ and online).

一般講演[52] 小森健太郎, 他: 高周波重力波望遠鏡のための長基線
信号増幅共振器の実証, 日本物理学会 2023 年春季大会 (2023 年 3 月, オンライン).

139

6.6. 馬場研究室

6. 一般物理実験[53] 藤本拓希, 他: 光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質の探索実験 DANCE (9)：コミッショニングおよび最新の感度, 同上.

[70] 安東 正樹: 宇宙重力波望遠鏡 B-DECIGO, 第 23 回
宇宙科学シンポジウム (2023 年 1 月 5-6 日, オンラ
イン).

[54] 瀧寺陽太, 他: 光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質の探索実験 (10): ミラー 1 枚あたりの s/p 偏光の反射位相差測定, 同上.

(セミナー・アウトリーチ講演)[71] 小森健太郎: 宇宙にこだまする残響を聴く〜重力波観測の現在と未来〜, 第 35 回 東京大学 理学部 公開講
演会 (2023 年 3 月, 小柴ホール).

[55] 大島由佳, 他: ねじれ振り子型重力波検出器 TOBA
(Phase-III) の開発 (37)：ねじれ振り子と読み取り光学系の開発, 同上.

[72] 藤本拓希: Axion dark matter search with laser interferometry, 重力波交流会 (2023 年 1 月).

[56] 高野哲, 他: ねじれ振り子型重力波望遠鏡 TOBA
(Phase-III) の開発 (38): 低温モノリシック干渉計の開発と観測，同上.

[73] 大島由佳: 重力波望遠鏡でダークマターを探す, 第 73
回 東京大学 駒場祭 10 分で伝えます！ 東大研究最前
線 (2022 年 11 月).

[57] Mengdi Cao, et al.: Development of Phase-III
TOBA for Gravitational Wave Observation (39):Development of Tiltmeter 同上.

[74] Kentaro Komori: Precise measurement by laserinterferometer: from macroscopic optomechanics
to gravitational wave observation, QUP Project Q(B) 7th meeting (Sep. 21st, 2022, online).

[58] Ching Pin; Oo, et al.: Development of Phase-III
TOBA for Gravitational Wave Observation (40):
Current Status on the Measurement of Q Valuefor Torsion Pendulums using Sapphire Fibres at
Cryogenic Temperatures, 同上.

[75] Kentaro Komori: Revival of 20-m interferometer or
TAMA 300 as GW detectors, 2nd GWSP Future
Strategy Meeting (Aug. 4th, 2022, NAOJ).

[59] 安東 正樹: スペース重力波アンテナ DECIGO 計画(157)： B-DECIGO の概要, 同上.

[76] 安東 正樹: 宇宙物理学の挑戦, 令和 4 (2022) 年度 物理学科 進学ガイダンス (2022 年 5 月 18 日, オンライ
ン).

[60] 小野將矢, 他: スペース重力波アンテナ DECIGO 計
画 (160): 双方向 Fabry-Perot 共振器のアライメント
制御, 同上.
[61] 小野將矢: 双方向 FP 共振器の角度方向制御, 第 21
回 DECIGO ワークショップ (2022 年 12 月，オンラ
イン).

6.6

馬場研究室

宇宙は一見冷たく静かな世界に見えるが、実際は高エネルギー現象に満ち満ちた世界であり、これらの理解なくして宇宙の理解には至らない。本研究室
では、宇宙の高エネルギー現象を研究対象としている。手法としては、高エネルギー現象が発する X 線
やガンマ線を人工衛星や地上の検出器で観測することで、実験的に解明しようとしている。また、2023
年度打ち上げ予定の XRISM 衛星や GRAMS 計画な
ど、将来の高エネルギー天文衛星実現に向けて開発を続けている。本年は特に中性子星や超新星残骸、中性子星-中性子星合体の観測的研究と、XRISM 衛星・
GRAMS 計画・cipher 計画の開発研究を行った。

[62] 安東 正樹: 宇宙重力波望遠鏡 B-DECIGO の実現に向けて同上.
[63] 安東 正樹: 高感度重力勾配センサによる 地震早期アラート手法の確立, 光・量子飛躍フラッグシッププロ
グラム 第 8 回領域会議 (2022 年 12 月 14 日, 東京工業大).
[64] 安東 正樹: 重力波望遠鏡 B-DECIGO, 第 66 回 宇宙
科学技術連合講演会 (2022 年 11 月 1 日, 熊本城ホール， 熊本).
[65] 大島由佳, 他: ねじれ振り子型重力波検出器 TOBA
(Phase-III) の開発 (34), 日本物理学会 2022 年秋季大会 (2022 年 9 月, 岡山理科大学).
[66] 高野哲, 他: ねじれ振り子型重力波望遠鏡 TOBA
(Phase-III) の開発 (35): 低温モノリシック干渉計の開発同上.

6.6.1

宇宙物理現象観測に関する研究

中性子星[67] Ching Pin; Ooi, et al.: Development of Phase-III
TOBA for Gravitational Wave Observation (36):Development and characterisation of cryogenic suspension system, 同上.

中性子星はブラックホールを除いて宇宙空間で最も密度の高い天体であり、強重力、高密度、強磁場下での特異な物理現象を実現する宇宙で唯一の実験室である。伴星からの物質が降着する中性子星 (降着駆動型中性子星) は、最も明るい宇宙 X 線源の一つであり、中性子星磁場などの幾何構造を知る上でも重要である。しかし降着駆動型中性子星からの X
線放射は、中性子星自身と 1012 G にものぼる超強磁
場による磁気圧・降着物質・伴星が公転する複雑な幾何構造をもつ系であるため、スペクトルは激しく[68] 小野將矢, 他: DECIGO, B-DECIGO のための双方
向 Fabry-Perot 共振器の制御, 同上.
[69] 藤本拓希, 他: 光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質の探索実験 DANCE (8)：長時間測定に向けた制御法の開発, 同上.
ポスター発表140

6. 一般物理実験

6.6. 馬場研究室

時間変動する。これを解くことで降着駆動型中性子星の幾何構造を理解することが重要となっている。
我々は、明るい降着駆動型中性子星 Cen X-3 の公転周期 2 周期分を覆う長時間観測を NuSTAR に提案、採択された。このデータから中性子星の自転周期と連星系の公転周期を分離し、中性子星への降着流は一定であり、スペクトル変動は伴星の星風による X 線の吸収と散乱に起因することを示唆した [14]。
同様の解析を別の降着駆動型中性子星 Her X-1 についても行っている。また、中性子星の自転に伴う位相変化を 3 次元放射モデルと比較し、いずれの天体でも(1) 降着柱は半径より高さが大きい形状をしている、(2) 放射は降着柱上面からの放射 (”pencil beam”) は
ほとんどなく降着柱側面からの放射 (”fan beam”) が主である、(3) fan beam が直接観測者に届く成分と中性子星表面で反射した成分がある、という特徴を持つことを示した [20]。これらは降着駆動型中性子星の幾何構造に共通する特徴である可能性があり、サンプルを増やしたさらなる解析が期待される。また、
IXPE をはじめとする X 線偏光観測による情報と併せることで、降着駆動型中性子星の幾何構造にさらなる制限をつけられると考えている。
また、我々は energetic なパルサー星雲の広帯域 X
線系統解析を NuSTAR データを用いて初めて行った。その結果、4 天体中 3 天体で X 線スペクトルに有意な折れ曲がりを発見した [6]。この折れ曲がりは
放射の空間構造を考えない場合には再現できず、起源の解明が必要である。また折れ曲がりの形状が中心パルサーの進化に伴って進化する兆候も発見した。
パルサー星雲が銀河宇宙線電子成分の主な起源と考
えられており、今後理論面でもこのスペクトル形状を再現し宇宙線電子成分の加速に関する知見を広げていきたい。

超新星残骸
超新星残骸は星が死ぬ際の大爆発であり、そのエ
ネルギーは 1051 erg にものぼる。爆発時には星が核融合で作っていた重元素をばらまき、また衝撃波で宇宙線を加速する。いわば超新星残骸は宇宙の多様性の源である。
超新星残骸衝撃波は、銀河宇宙線加速源の最も有力な候補であるものの、衝撃波からのエネルギー注
入率や衝撃波からの逃亡タイムスケールなど、定量的理解はまだ進んでいない。我々は今年度も特に超新星残骸での宇宙線加速に特に注目した研究を続けている。
我々は宇宙線加速がどのような環境下でより効率よく起こるかを観測的に明らかにしようとしている。
(a) 密度が薄い環境で減速されない衝撃波の方が加速効率が良くなるのか、(b) 密度が高い領域で乱流磁場が増幅されることで加速効率が良くなるのか、どちらが有利なのかを調べるため、我々は西暦 1604 年に爆発の記録の残る Kepler の超新星残骸衝撃波で加速された電子からのシンクロトロン X 線を XMM 衛
星と NuSTAR 衛星で観測した。その結果、星周物質との衝突が見られない超新星残骸南部では (a) の傾

141

向が強いものの、星周物質との衝突が示唆される北部では (b) の傾向が強くなることを示した [3]。この問題の解明にはさらなるサンプルが必要で、我々はRCW 86 など複数の天体で同様の解析を始めている。
また XRISM 衛星の高分光観測を活かしたプラズマ診断を本問題に応用する手法を開発し [5]、XRISM
での観測に備えている。
また、加速された粒子が如何に加速現場の増幅磁場から逃亡し宇宙線となるかも未解決問題のままである。我々は古い超新星残骸 G298.6-0.0 を Fermi(GeV ガンマ線)、Chandra (X 線)、NANTEN (電波 CO 輝線) などの多波長解析を行った。その結果、この超新星残骸の GeV ガンマ線は非常に soft であり、ジャイロ半径の大きい高エネルギー宇宙線は既に逃亡して比較的低エネルギーの粒子のみが残っていること、特に逃亡の様子が分子雲と衝撃波が衝突しているところでよくみられることを示した [13]。この天体からの GeV ガンマ線は超新星残骸としては最も soft な部類であり、G298.6-0.0 が GeV ガンマ線
超新星残骸の中で最も古い天体である可能性を示唆している。我々は本天体の詳細解析を続け、宇宙線がこの天体から逃亡するタイムスケールを測定する予定である。
このほか、超新星残骸の X 線放射の進化のモデル
計算 [4]、特性 X 線ドップラー偏移を利用した超新星残骸 0509-67.5 の膨張測定 [23] なども行っている。

中性子星-中性子星合体残骸
中性子星-中性子星合体は、重力波イベントとして重要なだけでなく、宇宙の超重元素の起源として高い注目を浴びている。しかし現在までに重力波観測で検出されたのは 1 イベントのみで、その頻度分布などは全く明らかになっていない。中性子星-中性子
星合体では多くの中性子過剰原子核が生成され、その beta 崩壊から多くの核ガンマ線が放出される。しかし中性子星-中性子星合体は頻度が低く近傍で起こることはほとんどなく、宇宙ガンマ線観測の感度の低さから核ガンマ線検出はほぼ不可能とされてきた。
そのような中、我々は中性子星-中性子星合体の残骸に着目した。合体時に生成された中性子過剰核の中には寿命が比較的長く合体から長時間経っても核ガンマ線を放射するものがある。フラックスは下がるが観測可能なものがあるかもしれないという着想である。我々は様々な原子核からの核ガンマ線放射計算を行い、X 線望遠鏡で集光が可能な 100 keV 以下にも有力な核ガンマ線が複数あることを示した [2]。
現在稼働中の衛星での現実的な検出は残念ながら難しいが、いくつかの核ガンマ線については、我々の銀河系内で中性子星-中性子星合体が 104 年以内に起こっていれば、アメリカで計画されている X 線宇宙
衛星 HEX-P で検出可能なことを見出した 6.6.20。具
体的には、126 Sn や 243 Am からの輝線が特に有力である。現在、HEX-P チームとより詳細な観測予想について議論を始めている。

6.6. 馬場研究室

6. 一般物理実験

図 6.6.20: 中性子星-中性子星合体残骸からの核ガン
マ線予測と X 線・ガンマ線衛星感度曲線の比較 [2]。
残骸は 10 kpc の距離にあると仮定し、年齢は 100-104
年で計算している。いくつかの輝線が HEX-P(観測時間 1Ms) の感度より上に来ており、観測可能であ
図 6.6.21:

ることが分かる。

XRISM 衛星の振動試験の様子 ((c)JAXA)。

6.6.2

将来宇宙計画に関する開発

XRISM 計画
我々は JAXA-NASA 共同ミッションである XRISMに参加している。衛星は 2023 年度打ち上げに向け、最終調整が進んだ。衛星機器は全て正常に機能することが確認されてから衛星に搭載され、2022 年 11 月に熱真空試験、2022 年 12 月に振動試験 (図 6.6.21)を完了し、2023 年 3 月に種子島に移動して打ち上げを待っている。
サイエンス検討では、他波長や理論を専門とする
外部メンバーを観測予定天体ごとに選定し、共同研
究を始めている。2022 年 12 月にはコロナ禍以来初の対面国際会議を開催し、今後の研究方針を確認した。また、較正天体の選定も進めている。

6.6.3

GRAMS 計画

観測天文学における未開拓の電磁波帯域である中間エネルギーガンマ線、すなわち 0.1–10 メガ電子
ボルト (MeV) の帯域には、原子核が放出するライン
ガンマ線が存在し、超新星爆発や連星中性子星の合体、ブラックホールなどの高エネルギー天体における核反応の唯一の直接的プローブを提供する。我々は、MeV ガンマ線天文学開拓のため、液体アルゴン
Time Projection Chamber (LArTPC) を気球に搭載
して、同一検出器で反重陽子検出によるダークマター
間接探索とコンプトンカメラによる MeV ガンマ線観測を同時に行なう GRAMS 実験を日米国際協力のもと推進している。検出器媒体に液体を用いること
で、高密度かつ大容量の充填が可能となり、これまでにない大有効面積が実現できる。

今年度は、LArTPC 中でのイベント再構成に機械学習を取り入れることでエネルギー分解能や位置分解能をあげられることをシミュレーションで示した[15]。また、LArTPC 中の光検出器は光電子増倍管が予定されているが、代わりに Multi-Pixel Photon
Counter (MPPC) を用いることで小型化・低電力化・検出効率向上が可能か検討を行った。まず採用候補の MPPC が液体アルゴン温度に近い液体窒素温度中でも正常に動作することを確認した。また液体窒素
温度下での時定数は 250 ns という要求値を満たしており、MPPC は LArTPC の光検出器として有用であることを示した [21]。
LArTPC は上空での運用実績がないため、実際に上空で正常に運用できるか実証する実験が必要である。我々は大樹町で行われている JAXA 気球プラッ
トフォームを利用した LArTPC の工学実証実験を申請し、2023 年度の実験として採用された。2023 年夏
期の放球を目指しており、現在その準備を急ピッチで進めている。

6.6.4

cipher 計画

宇宙高エネルギー現象の観測手段として、技術的フ
ロンティアに位置付けられるのが、X 線より高いエ
ネルギー帯域での偏光測定である。X 線偏光観測は、
X 線天文学の中心的手法である撮像分光観測に比べて、大きく遅れており今後の発展が期待される分野である。偏光観測がもたらす情報は極めて強力であり、等方的な熱的放射には偏光は生じないため、偏光は天体の放射機構を区別し、物理系のジオメトリを含む非等方性に関する重要なプローブとなる。シン
クロトロン・サイクロトロン放射のように磁場が放142

6. 一般物理実験

6.6. 馬場研究室

射に関わるときは、磁場のコンフィギュレーションを直接的に反映する。また降着天体では特殊および一般相対論的な効果により物質の高速運動や時空構造に制限を得ることができる。我々は、特に 10 keV
以上の硬 X 線と呼ばれる波長域における撮像偏光測定を開拓することを目指して、その基礎技術開発を行い、超小型衛星計画「cipher」を推進している。その技術基盤は微小ピクセル CMOS イメージセンサとレーザー微細加工による符号化開口マスクであり、超小型衛星という大きさの制限の中で、30 秒角という高い角度分解能を実現可能である。ここ数年の開発において、10—30 keV での偏光感度と 30 秒角の符号化開口イメージングを実証してきた。
今年度は、主に現実的な観測に向けた実験と解析手法の開発を行った。今までの偏光解析には、CMOS
センサで入射 X 線が作った電子雲が 2 ピクセルにまたがったイベントのみを用いて偏光能を測定してきた。しかし、10 keV を超える X 線の場合多くは 2 ピ
クセル以上に拡がった電子雲を形成し、2 ピクセル以内に留まるイベントは数%しか存在しない。そこで
我々は、2 ピクセル以上に拡がったイベントでも入射 X 線の偏光方向を測定できるよう、イベントの波
高値分布の 2 次モーメントを最大とする主軸方向を
電子雲の拡がり方向と定義することで偏光測定が出来ないか検証した。その結果、100%偏光 X 線が入射した時の偏光測定能 modulation factor は従来手法の 70%程度に落ちるものの偏光検出が可能なことを見出した。さらに検出光子数も考慮に入れた偏光測定能を比較できる quality factor を導入し、20 keV
では従来手法に比べ quality factor が 4 倍近くにあがることを示した。また、実際に cipher でブラック
ホール連星 Cygnus X-1 を観測するために必要な検出器条件を求めた。その結果、現実的な観測時間で有意な結果を得るためには、X 線望遠鏡など集光系が必要なことを明らかにした [22]。
＜受賞＞[4] Katsuragawa, M., Lee, S.-H., Odaka, H., Bamba,
A., Matsumura, H., Takahashi, T. ”On the Formation of Over-ionized Plasma in Evolved Supernova
Remnants”, 2022, Astrophys.J., 938, 23[5] Shimoda, J., Ohira, Y., Bamba, A., Terada, Y.,
Yamazaki, R., Inoue, T., Tanaka, S. J. ”X-ray line
diagnostics of ion temperature at cosmic ray accelerating collisionless shocks”, 2022, PASJ, 74, 1022
[6] Bamba, A., Shibata, S., Tanaka, S. J., Mori, K.,
Uchida, H., Terada, Y., Ishizaki, W. ”Spectral
break of energetic pulsar wind nebulae detectedwith wideband X-ray observations”, 2022, PASJ,74, 1186[7] Abe, S., Bamba, A., et al.
Multi-wavelength
study of the galactic PeVatron candidate LHAASO
J2108+5157”, 2022, A&A, in press[8] Jana, A., Ricci, C., Naik, S., Tanimoto, A., Kumari, N., Chang, H., Nandi, P., Chatterjee, A.,
Saﬁ-Harb, S. ”Absorption Variability of the Highly
Obscured Active Galactic Nucleus NGC 4507”,
2022, MNRAS, 512, 5942
[9] Yoneda, H., Odaka, H., et al., ”Reconstructionof multiple Compton scattering events in MeV
gamma-ray Compton telescopes towards GRAMS:
The physics-based probabilistic model”, 2023, Astroparticle Physics, 144, 102765[10] Tsuji, N., Inoue, Y., Yoneda, H., Mukherjee, R.,
Odaka, H., ”MeV Gamma-Ray Source Contribution to the Inner Galactic Diﬀuse Emission”, 2023,
ApJ, 943, 48[11] Fukushima, A., Ezoe, Y., Odaka, H., ”Suzaku
and Chandra study of diﬀuse X-ray emission fromthe massive star-forming region RCW 38”, 2023,
PASJ, 75, 187[12] Tanimoto, A., Ueda, Y., Odaka, H., Yamada, S.,
Ricci, C. ”NuSTAR Observations of 52 Comptonthick Active Galactic Nuclei Selected by the
Swift/BAT All-sky Hard X-Ray Survey”, 2022,
ApJS, 260, 30[1] 岩田季也、”Unveiling the origin of the iron emission line of Centaurus A with high-resolution X-ray
spectroscopy”, 最優秀ポスター賞、XRISM core-tocore oﬃce、2022 年 10 月 21 日

[13] Yeung, P. K., Bamba, A., Sano, H. ”Multiwavelength studies of G298.6-0.0: An old GeV supernova remnant interacting with molecular clouds”,
2023, PASJ, in press＜報文＞(原著論文)[2] Terada, Y., Miwa, Y., Ohsumi, H., Fujimoto,S., Katsuda, S., Bamba, A., Yamazaki, R.
”Gamma-Ray Diagnostics of r-process Nucleosynthesis in the Remnants of Galactic Binary
Neutron-star Mergers”, 2022, Astrophys.J., 933,
111. doi:10.3847/1538-4357/ac721f[14] Tamba, T., Odaka, H., Tanimoto, A., Suzuki, H.,
Takashima, S., Bamba, A., ”Orbital- and Spinphase Variability in the X-Ray Emission from theAccreting Pulsar Centaurus X-3”, 2023, ApJ, 944,9[15] Takashima, S., Odaka, H., Yoneda, H., Ichinohe,Y., Bamba, A., Aramaki, T., Inoue, Y. ”Event reconstruction of Compton telescopes using a multitask neural network”, 2022, NIMA, 1038, 166897[3] Sapienza, V., Miceli, M., Bamba, A., Katsuda, S.,
Nagayoshi, T., Terada, Y., Bocchino, F., Orlando,
S., Peres, G. ”A Spatially Resolved Study of Hard
X-Ray Emission in Kepler’s Supernova Remnant:Indications of Diﬀerent Regimes of Particle Acceleration”, 2022, Astrophys.J., 935, 152[16] Nagasawa, S., Minami, T., Watanabe, S., Takahashi, T. ”Wide-gap CdTe Strip Detectors forHigh-Resolution Imaging in Hard X-rays”, 2023,
NIMA, in press

1436.6. 馬場研究室

6. 一般物理実験(会議抄録)[28] Yeung, P.K., Bamba, A., Sano, H., Gamma-ray
and X-ray study of possibly oldest GeV supernova
remnant G298.6 − 0.0 , ”Particle Acceleration in
Astrophysical Objects”, Rome/Hybrid, 2022, Sep.
5-7 (oral)[17] Hasan, P., Pandey-Pommier, M., Vargas
Domı́nguez, S., Piccialli, A., Saad Hassanin,A., Lazzaro, D., Norman, D. J., Wilkes, B. J.,
Leibacher, J., Lagos, C. a. D. P., Masegosa, J.,
Yang, L., Valls-Gabaud, D., Bamba, A., Nastula,
J. ”The IAU-Women in Astronomy Working
Group and Inclusivity”, 2022, Revista Mexicanade Astronomia y Astroﬁsica Conference Series, 54,
129[29] Yeung, P.K., Multiwavelength studies of G298.60.0: Possibly one of the oldest GeV supernova remnants , ”XRISM Core-to-Core Science Workshop”,
Saitama, 2022, Octobar 19-21 (poster)[30] Tamba, T., Odaka, H., Bamba, A., Murakami, H.,
Mori, K., Hayashida, K., Teradam Y., Nobukawa,M., MIzuno, T., Yoneyama, T., XRISM MOPT,”Development of a new analysis framework for pileup data of X-ray CCDs based on Monte-Carlo simulation”, IACHEC 2022 Spring Virtual Workshop,
online, 2022, May 23-25 (oral)[18] Mori, K., Bamba, A., et al. ”A broadband x-ray
imaging spectroscopy in the 2030s: the FORCE
mission”, 2022, Proc. of SPIE, 12181, 1218122[19] Eguchi, S., Odaka, H., et al. ”Xappl: software
framework for the XRISM pre-pipeline”, 2022,
Proc. of SPIE, 12181, 1218161[31] Takashima, S., Odaka, H., Bamba, A., Yoneda, H.,
Ichinohe, Y., Aramaki, T., Inoue, Y., “A multitask neural network model for event reconstruction of large eﬀective area Compton cameras”,“ADASS Conference XXXII”, online, 2022, October 30-November 4 (poster)(学位論文)[20] 丹波翼, ”X-ray study of the accretion ﬂow onto
highly magnetized neutron stars”, Ph.D. thesis[21] 市橋正裕, 「宇宙 MeV ガンマ線観測実験 GRAMS のためのシンチレーション光検出器の開発」, 学位修士
論文[32] Minami,T., Bamba, A., Terada, Y., ”XRISM とNuSTAR の同時観測による強磁場白色矮星の非熱的放射の探査”, XRISM Core-to-Core Science Workshop 2022 , Saitama, 2022, October19-21 (poster)[22] 岩田季也, 「微小ピクセル半導体検出器を用いた X 線
偏光計の応答関数の構築とブラックホール連星観測の検討」, 学位修士論文[33] Minami,T.,Katsuragawa,M,Nagasawa,S.,Takeda,S.,
Takahashi,T.,Tsuzuki,Y.,Watanabe,S., ”Study of
performance and response of thick CdTe doublesided strip detectors for various ﬁelds”, The 4thworkshop on quantum beam imaging , Riken
Wako, 2022, September26-27 (oral)[23] 南木宙斗, 「超新星残骸 0509-67.5 の爆発機構解明に向けた X 線輝線のドップラー偏移による非等方膨張の測定」, 学位修士論文(著書)[34] Ichihashi, M., Kasuga, T., Odaka, H., Bamba,
A., Kato, Y., Katsuda, S., Suzuki, H., Nakazawa,
K., ”The discovery of spatial variation of electron temperature in the northwestern region ofSN1006”, ”Supernova Remnants and their Progenitors”, Harvard/Hybrid, 2022, August 16-18 (oral)[24] 馬場 彩 (著), 衛宮紘 (訳),「世界第一簡單物理數學」(マンガでわかる物理数学台湾語版), 2022, 世茂 (ISBN：
9789865408961)(国際会議)
一般講演[35] Ichihashi, M., Kasuga, T., Odaka, H., Bamba, A.,
Kato, Y., Katsuda, S., Suzuki, H., Nakazawa, K.,”Understanding the heating mechanism of collisionless shocks with XRISM observations of supernova remnants”, ”XRISM Core-to-Core Science
Workshop”, Saitama, 2022, Octobar 19-21 (poster)[25] Bamba, A., Sano, H., Yamazaki, R., Vink, J., Understanding shock-cloud interaction on the supernova remnant RCW86 with Athena , The thirdscientiﬁc conference dedicated to the Athena Xray observatory , Madrid/Hybrid, 2022, Nov. 7-10
(oral)[36] Ichihashi, M., Kasuga, T., Odaka, H., Bamba, A.,
Kato, Y., Katsuda, S., Suzuki, H., Nakazawa, K.,”The observation and future prospect of temperature gradient in the shock of SN1006”, ”Third
Athena Scientiﬁc Conference 2022: Exploring the
Hot and Energetic Universe”, Saitama, 2022,
November 7-10 (poster)[26] Odaka, H., “X-ray Imaging Polarimetry using a
Fine Pixel CMOS Imager”, NDIP20 (Conference
on New Development in Photodetection), Troyes,
France, 2022, July 4-8 (poster)[27] Odaka, H., “Unveiling accretion disc winds fromsupermassive black holes with Monte Carlo Xray radiative transfer modeling”, What Drives the
Growth of Black Holes?, Reykjavik, Iceland, 2022,
September 26-30 (poster)[37] Iwata, T., Tanimoto, A., Odaka, H., Bamba, A.,
Inoue, Y.,
Unveiling the origin of hard X-ray
emission of Centaurus A with multi-epoch NuSTAR observations: disk or jet? , ”What Drives
the Growth of Black Holes: A Decade of Reﬂection , Reykjavik, 2022, September 26-30 (poster)144

6. 一般物理実験

6.6. 馬場研究室[38] Iwata, T., Tanimoto, A., Odaka, H., Bamba, A.,
Inoue, Y., Unveiling the origin of the iron emission line of Centaurus A with high-resolution Xray spectroscopy , XRISM Core-to-Core Science
Workshop 2022 , Saitama, 2022, October19-21(poster)[50] 高嶋聡、新井翔大、市橋正裕、小高裕和、馬場彩、青山一天、櫻井真由、田中雅士、中曽根太地, 寄田浩
平、米田浩基、渡辺伸、GRAMS コラボレーション、「GRAMS 実験 11: 液体アルゴンコンプトンカメラ
実証機の開発状況」、日本物理学会春季大会、オンラ
イン、2023 年 3 月 22–25 日[39] Arai, S., Odaka, H., Bamba, A., ”Hunting forjet/wind interactions in Cygnus X-3 with XRISM”,
XRISM Core-to-Core Science Workshop 2022 ,Saitama, 2022, October19-21 (poster)[51] 南喬博, 桂川美穂, 長澤俊作, 武田伸一郎, 都築豊, 渡辺
伸, 高橋忠幸, 「硬 X 線・MeV ガンマ線撮像分光観測に向けた厚型 CdTe 両面ストリップ検出器の性能評価及び応答の研究」, 宇宙科学シンポジウム, オン
ライン, 2023 年 1 月 5 日-6 日 (poster)

招待講演[52] 南喬博, 寺田幸功, 高橋忠幸, 馬場彩,「スペクトル・時間変動解析に基づく強磁場白色矮星 AE Aquarii の非熱的放射の性質の探査, 日本天文学会 2023 年春季
年会, 立教大学, 2023 年 3 月 13-16 日 (oral)[40] Odaka, H., “X-ray Polarimetry for Astrophysics
with CMOS imaging sensors”, Pixel22 (10th International Workshop on Semiconductor Pixel Detectors for Particles and Imaging), Santa Fe, USA,2022, December 12-16[53] 市橋正裕, 小高裕和, 高嶋聡, 馬場彩, 一戸悠人, 八幡和志, 米田浩基, GRAMS コラボレーション,「GRAMS
計画 6: 低温環境下での光検出系の開発」, 日本天文学会 2022 年秋季年会, 新潟大学, 2022 年 9 月 13–15
日 (oral)(国内会議)
一般講演[41] 馬場 彩、佐野栄俊、山崎了、Jacco Vink、「RCW 86
東部の X 線・分子雲観測を用いた衝撃波-分子雲相互作用と宇宙線加速の関係の検証」、日本天文学会春季
年会、立教大学/ハイブリッド、2023 年 3 月 13-16 日(oral)[54] 市橋正裕, 高嶋聡, 新井翔大, 丹波翼, 南木宙斗, 馬場彩, 青山一天, 櫻井真由, 清水虎冴, 田中雅士, 谷
口日奈子, 中曽根太地, 寄田浩平, 一戸悠人, Dmitry
Khangulyan, 小高裕和, 井上芳幸, 内田悠介, 須田祐介, 高橋弘充, 深沢泰司, 辻直美, 廣島渚, 八幡和志,
米田浩基, 渡辺伸, Tsuguo Aramaki, Georgia Karagiorgi, Reshmi Mukherjee, GRAMS コラボレーショ
ン,「GRAMS 実験 12 : シンチレーション光検出器系の開発 」, 日本物理学会 2023 年春季年会, オンラ
イン, 2023 年 3 月 22–25 日 (oral)[42] 小高裕和, GRAMS コラボレーション, 「GRAMS 実
験 9: ステータス報告」, 日本物理学会 2022 年秋季
年会, 岡山理科大学, 2022 年 9 月 7 日 (oral)[43] 小高裕和, “A new concept of a large-area MeV
gamma-ray Compton telescope using liquid argon& the GRAMS project”, Ukakuren-RNCP Conference on Astronuclear Physics (ANP2022), 大阪大学, 2022 年 7 月 20-21 日 (oral)[55] 岩田季也、小高裕和、丹波翼、馬場彩、谷本敦、高嶋聡、
南木宙斗、市橋正裕、新井翔大、神谷好郎、「CMOS
イメージャを用いた X 線偏光撮像システムの開発 XI:
検出器応答の測定」、日本物理学会秋季大会、岡山理科大学、2022 年 9 月 6–8 日 (oral)[44] 小高裕和, 他,「FF-LAGRAN: Formation Flying が実現する高分解能・高感度の宇宙 MeV ガンマ線観測」, 第 66 回宇宙科学技術連合講演会, 熊本城ホール, 2022 年 11 月 1 日 (oral)[56] 岩田季也、新井翔大、小高裕和、高嶋聡、南喬博、丹波翼、南木宙斗、市橋正裕、馬場彩、高橋忠幸、長澤俊作、渡辺伸、成影典之、「CMOS イメージャを用いた X 線偏光撮像システムの開発 XII: X 線偏光検出
感度の評価」、日本物理学会春季大会、オンライン、
2023 年 3 月 22―25 日 (oral)[45] 小高裕和,「MeV ガンマ線の高感度観測への挑戦とその展望」, 2040 年代のスペース天文学研究会, 名古屋大学, 2022 年 11 月 14-15 日 (oral)[46] 丹波翼, 小高裕和, 谷本敦, 鈴木寛大, 高嶋聡, 馬場彩,
「NuSTAR 衛星の長時間観測による大質量 X 線連星
Cen X-3 のスペクトル変動機構の解明」, 日本天文学会 2022 年秋季年会, 新潟大学, 2022 年 9 月 13–15 日(oral)[57] 新井翔大, 「公転による変動の解析による Cyg X-3 の鉄輝線の放射起源の推定」, 第 52 回天文・天体物理若手夏の学校, オンライン, 2023 年 8 月 23-26 日 (oral)[58] 新井翔大, 小高裕和, 高嶋聡, 馬場彩, 寄田浩平, 田中雅士, 青山一天, 内海和伸, 中島理幾, 深沢泰司, 高橋弘充,
須田祐介, 荒牧嗣雄, Karagiorgi Georgia, GRAMS
コラボレーション, 「GRAMS 計画 8: 工学気球実験に向けた準備」, 日本天文学会 2023 年春季年会, 立教大学, 2023 年 3 月 13-16 日 (oral)[47] 丹波翼, ”X-ray study of the accretion ﬂow onto
highly magnetized neutron stars”, SXI 修士論文発表会, 大阪大学, 2023 年 2 月 14 日 (oral)[48] 丹波翼, ”X-ray study of the accretion ﬂow onto
highly magnetized neutron stars”, 第 22 回高宇連研究会・博士論文発表会, 関東学院大学, 2023 年 3 月
6–8 日 (oral)

招待講演[49] 丹波翼, 小高裕和, 谷本敦, 鈴木寛大, 高嶋聡, 馬場彩,
「降着 X 線パルサーのパルスプロファイル解析を用いた 降着円柱からの放射異方性の解明」, 日本天文学会 2023 年春季年会, 立教大学, 2023 年 3 月 13–16 日(oral)[59] 丹波翼, 「Xtend を使い倒す: 明るい点源の観測と解
析」, XRISM core-to-core workshop, 埼玉大学, 2022
年 10 月 19–21 日(セミナー)

145

6.7. 日下研究室

6. 一般物理実験[60] 馬場 彩, 「多様性の源・超新星残骸」, 京都大学集中
講義 (大学院), 2022 年 7 月 11 日-13 日[74] 馬場 彩, 「目には見えない激しく熱い宇宙を探る -X
線天文学-」、新宿高校分野別模擬講義、オンライン
2022 年 10 月 21 日

[61] 馬場 彩, 「X 線宇宙物理学とその検出技術」, 第 3 回
創発研究交流会, オンライン 2023 年 2 月 3 日[75] 馬場 彩, 「熱い星の声を聴くと」、「第 7 回 やっぱり
物理が好き！ 〜物理に進んだ女子学生・院生のキャリア〜」、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 (Kavli IPMU), 2022 年 11 月 19 日

[62] 馬場 彩, 「女性限定公募へ応募しづらさはありますか？ ざっくばらんに話してみよう」、「女性天文研究者の会・オンライン交流会」、オンライン 2023 年 3月 16 日[76] 山口弘悦, 馬場 彩, 492. 「X 線で観る激動の宇宙」、「アストロノミー・パブ」、三鷹ネットワーク大学、オンライン, 2022 年 11 月 19 日

[63] 小高裕和, 「コンパクト天体の物理：宇宙進化の駆動源として」, 宇宙地球科学セミナー, 大阪大学, 2022
年 7 月 14 日
[64] Yeung, P.K., Supernova Remnant Kes 79 ,U.Tokyo/Hybrid, open to Department of Astronomy & Institute of Astronomy of The Universityof Tokyo Japan, June 2022

6.7

日下研究室

宇宙は高温高密度の原始宇宙から始まり、膨張・冷却を経て現在に至るとされる。日下研究室では、宇宙マ
イクロ波背景放射 (Cosmic Microwave Backgroundradiation, CMB) の観測を通じて、この高温高密度の原始宇宙がどうやって作り出されたのかを調べ、宇宙の進化が何によって支配されているのか、宇宙物
理の、そして素粒子物理の根本にも関わりうる謎を解き明かすことを目指している。
インフレーション仮説によれば、宇宙創成 10−32 秒の間に時空の加速度的膨張が起き、高温高密度の原
始宇宙が作られた。この仮説の決定的証拠となるのが重力場の量子ゆらぎに起因する「原始重力波」である。この重力波が、「B モード」と呼ばれる負のパ
リティを持つパターンを、CMB のおよそ 2 度の角度
スケールに刻印する。我々が探索するこのパターンが検出されれば、インフレーション宇宙論を証明するだけでなく、重力の量子化の確認という、現代物理学における一大ブレークスルーとなる。
一方、CMB の精密測定を通して未知の粒子の探索と宇宙進化メカニズムの解明も目指している。地球に届く過程で、CMB は「暗黒物質」による重力レンズ
効果の影響を受ける。この効果を測定することで、宇宙進化を探り、それに影響を及ぼす「宇宙背景ニュートリノ」の質量を測定することが出来る。また、CMBが銀河団を通過する際には、そこに分布する高エネ
ルギー電子との相互作用により周波数スペクトルにゆがみが生じる。これは Sunyaev-Zel’dovich (SZ) 効果と呼ばれ、この効果を CMB 観測を通して測定することで、銀河団の分布図を作り、宇宙進化、そしてそれを司る暗黒エネルギーや宇宙背景ニュートリノ
を探ることが出来る。重力レンズ効果や SZ 効果は、
インフレーションとは異なり、より小さな 1 ∼ 3 分
角の角度スケールに現れる。
我々は、チリ・アタカマ高地で観測を継続してきた
Polarbear 実験、その後継である Simons Array 実
験を通して研究を進めてきた。これに加えて、Simons
Array と Atacama Cosmology Telescope (ACT) のグループを統合して発足した Simons Observatory 実
験においても、2023 年の観測開始へ向けた設計・開発を進めている。
CMB を通した物理探索に加えて、自前の実験系を用いた暗黒物質探索も目指している。アクシオンや暗黒光子といった比較的エネルギーの低い暗黒物[65] Yeung, P.K.,
High-Energy Studies of Two
Intermediate-Aged/Old Supernova Remnants Kes
79 & G298.6-0.0 , Department of Electrical, Electronic and Computer Engineering, Gifu University,
Gifu, Japan, August 2022
[66] Yeung, P.K., Multiwavelength studies of G298.60.0: Possibly one of the oldest GeV supernova remnants , Department of Physics, Kindai University,
Higashiosaka, Japan, September 2022
[67] Yeung, P.K., Multiwavelength studies of G298.60.0: Possibly one of the oldest GeV supernova remnants , Department of Astronomy, Kyoto University, Japan, September 2022
[68] Yeung, P.K., Multiwavelength studies of G298.60.0: Possibly one of the oldest GeV supernova remnants , Department of Physical Sciences, Aoyama
Gakuin University, Japan, October 2022
[69] Yeung, P.K., Multiwavelength studies of G298.60.0: Possibly one of the oldest GeV supernova remnants , The University of Hong Kong, Hong Kong,
November 2022
[70] Yeung, P.K., Multiwavelength studies of G298.60.0: Possibly one of the oldest GeV supernova remnants , Kagoshima University, Kagoshima, Japan,
November 2022
[71] Yeung, P.K., Multiwavelength studies of G298.60.0: Possibly one of the oldest GeV supernova remnants , Core of Research for the Energetic Universe (CORE-U), Hiroshima University, Higashihiroshima, Japan, November 2022
[72] Yeung, P.K., Hadronic gamma-rays from the radiative shell & molecular clouds of the old GeV
supernova remnant G298.6–0.0 , Department of
Physics, Nagoya University, Nagoya, Japan, March2023(一般向け講演)[73] 馬場 彩,「BossB トーク第１弾「宇宙がアツい」w 馬
場彩」、オンライン (2022 年 5 月 26 日)

146

6. 一般物理実験

6.7. 日下研究室

質の探索では、標準量子限界によって感度が制限され得る。本研究では、標準限界に制限されることな
く暗黒物質の探索を行うためにマグノンと量子ビットを用いた測定系の構築を進めている。

6.7.1

Polarbear 実験

Polarbear 実験は、インフレーション測定と重力レンズ効果の両方を同時に測定する事を目指してデザインされている。Polarbear 実験は 2012 年から 2016 年末まで観測を行い、これまでに 10 報以上の科学論文を出版してきた。データ解析の進展としては、2020 年に報告したインフレーション測定に特化したワイド観測データの再解析を行った結果、統計量を約 80%向上させることに成功した。その他現在までに、CMB 偏光データの AC oscillation を使った Axion-like particle (ALP) への制限解析、ワイド
観測データによる宇宙論的複屈折解析や宇宙論的円偏光への制限解析が進められている。

6.7.2

図 6.7.22: チリサイトでの 2 台目望遠鏡建設作業の様子。検出機較正装置の導入やデータ読み出し回路の準備作業などを行った。

Simons Array 実験

Simons Array 実験は Polarbear 実験の後継であり、Polarbear のおよそ 6 倍に当たる一台あたりおよそ 7,000 チャンネルの検出器を擁する望遠鏡を、最終的に合計 3 台同時運用することで Polarbear 実
験の約 20 倍の感度を実現することを目指している。
すでに運用を開始した 1 台目望遠鏡の較正観測や科学観測を継続する中で、日下研究室はデータ解析
を中心となって率いてきた。データ較正手法を確立・改善した他、Planck 衛星による観測結果との crosscorrelation や null-test といった CMB 解析の肝となる枠組みも開発した。
さらに、2022 年度は 2 台目望遠鏡の運用開始に向けた作業も大きく前進した。望遠鏡の目である超伝
導ボロメータ、データを読み出す電子回路、系統誤差削減の鍵となる連続回転式半波長板などを望遠鏡にインストールし、人工光源や月・木星といった天
体光源の観測に成功した。日下研究室からも学生がチリのサイトに赴き、現地での作業に大いに貢献した。現在は、テスト観測で得られたデータを解析し、サイトでの作業へフィードバックすることで科学観測実現に向けた準備を推し進めている。ここでも、1台目望遠鏡のデータ解析の経験をもとに日下研究室のメンバーたちが中心的な役割を担っている。

6.7.3

Simons Observatory 実験

Simons Observatory は、2016 年に発足した史上最大規模の地上 CMB 実験・国際共同研究グループであり、当研究室もその推進に中心的な役割を果たす。
Simons Observatory 実験においては、インフレー
ション測定における感度向上に特化した口径 42 cm
程度の小口径望遠鏡群と、重力レンズ効果や SZ 効

147

果の測定を主眼に置いた口径 6 m の大口径望遠鏡との両方を建設し、これまでの測定を遙かに上回る精度で CMB を測定し、宇宙の始まりから進化までの姿を解き明かす。
望遠鏡作成においては、本研究室では、特に小口径望遠鏡群に注力して開発を行ってきた。Kavli IPMUの共同研究グループとともに、光学設計および光学筒の設計を進め、直径 460 mm の単結晶シリコンレンズを有する屈折光学系を採用し、光学筒自身からの熱放射を抑えるため 1 K まで冷却するという基本設計を固めた。焦点面は、希釈冷凍機により 100 mK
以下まで冷却される。本研究室では、これまでに開発してきた光学鏡筒に加えて細い金属線を偏光光源とした校正装置を開発した (図 6.7.24)。本研究室と京都大学の修士学生が主体となって共同開発を行い、遠隔かつ自動で較正が可能なシステムを構築した。
昨年度はカリフォルニア大学サンディエゴ校にて試
験中の小口径望遠鏡にて統合試験を行い偏光信号を取得することに成功した。
また、偏光変調のための冷却型連続回転式半波長板システムの開発において本研究室は世界の先端を走っており、Kavli IPMU、岡山大学との共同研究により開発した世界最大の内径 55 cm の超伝導ベア
リングは、Simons Observatory に採用され、２台の望遠鏡システムへの統合・評価を進めている。2022
年度には 3 台目の半波長板システムを完成させ (図6.7.25)、本研究室大学院生がローレンスバークレー
国立研究所に一ヶ月間滞在し、望遠鏡との統合を行なった。大口径サファイアを 3 枚積層し、防反射加工を施した半波長板光学素子についても、Kavli IPMU
および KEK との共同で開発を進め、1 台目分の光学素子作成を完了した。現在、3 台目の作成を順調に進めると共に、非接触による位置・温度計測システ
ムや、位相補償によりモーターの効率を大きく向上する仕組みの開発など、観測開始に向けた性能向上を進めている。
データ解析においては、2023 年の観測開始と早期の結果報告を目標に、パイプラインの開発を進めてきた。特に小口径望遠鏡群にによるインフレーショ
ン測定データを解析する「B モードパイプライン」の開発を、共通する要素を多く含む Simons Array の6.7. 日下研究室

6. 一般物理実験

パイプライン開発と連携させながら進めている。また、パイプライン開発、及びシカゴ大学やカリフォ
ルニア大学サンディエゴ校での試験データの解析を行うために、計算機 (64 コア CPU、1TB メモリ) を新たに導入した。

図 6.7.25: ローレンスバークレー国立研究所の望遠鏡受信機に統合された 3 台目半波長板システム。

図 6.7.23: KEK および KavliIPMU と共同で Simons

開発を行っており、設計・試作を行った。超伝導検出器との統合試験に向けて理解を進めている。
光学素子の分野においては、半波長板用サファイ
アや赤外光フィルタ用アルミナなど、高屈折率素材のための広帯域防反射加工の開発を、高エネルギー加速器研究機構および Kavli IPMU との共同研究により進めている。ムライト溶射とプラスチック素材を用いた二層防反射加工を確立し、90∼160 GHz 帯に加えて 200∼300 GHz 帯についても開発を進めた他、低温での誘電損失の評価も行なった。また、30∼40 GHz
帯のための三層の防反射加工の開発も進めている。

Observatory 実験用の低温反射防止膜を開発し、光学特性を KavliIPMU にて測定した。

6.7.5

強い CP 問題を解決するために導入されたアクシ
オンは、宇宙の物質の 80%を構成する暗黒物質の有力な候補でもある。アクシオンのような低エネルギー
暗黒物質を探索する上で、不確定性関係に起因する
標準量子限界が感度を制限する要因になり得る。そこで、本研究室では工学系研究科物理工学専攻中村研究室と共同でマグノン (強磁性結晶における集団
電子スピン励起) と量子ビットのハイブリット量子系の研究開発を進め、標準量子限界を超えた感度でアクシオン探索を行うことを目指している。
2022 年度は R&D として小サイズでの開発を進めた。有限要素シミュレーションで強磁性結晶を導入するキャビティを設計, 作成した。キャビティを 2 mm
サイズの強磁性結晶とともに希釈冷凍機内へインストールすることでマグノン励起による共鳴ピークを観察することができた。さらに、より一様性の高い磁場を目指したキャビティの改良や 400 倍の大きさの強磁性結晶を用いた測定に向けて準備を進めている。

図 6.7.24: 京都大学と共同で Simons Observatory 実
験用に偏光校正装置を開発した。自動で校正する機構を有している。

6.7.4

マグノンを用いたアクシオン探索

次世代 CMB 実験用 装置開発

超伝導体を用いた検出器として、超伝導力学的イ
ンダクタンス検出器および超伝導転移端センサが挙げられるが、いずれも従来の半導体検出器などでは達成不可能だった高感度・多チャンネル化が達成できる。CMB 観測実験、暗黒物質探索実験を始め、素粒子・宇宙分野の実験でも採用例が増加している。これまでに、希釈冷凍機を利用した検出器の試験環境を構築し超伝導検出器の測定・評価を行ってきた。超伝導検出器はその低い検出閾値からミリ波の検出が可能であるが、そのためにはミリ波回路を検出器に統合する必要がある。2022 年度はこのミリ波回路の＜報文＞(原著論文)[1] The Polarbear Collaboration, “Improved Upper
Limit on Degree-scale CMB B-mode Polarization148

6. 一般物理実験

6.7. 日下研究室[11] Kana Sakaguri for POLARBEAR Collaboration,“Preparation for the second telescope of the Simons Array CMB polarization experiment,” International Conference on the Physics of the Two Inﬁnities, Kyoto University (2023/3)[12] Junna Sugiyama for Simons Observatory collaboration, “Development of a Cryogenic Half-wave
Plate for Simons Observatory,” International Conference on the Physics of the Two Inﬁnities, Kyoto
University (2023/3)

図 6.7.26: キャビティ内に直径 2mm の強磁性結晶（YIG）の球を導入したキャビティ-マグノンハイブ
リッド系[13] Atsuto Takeuchi for POLARBEAR Collaboration,“Status of the Simons Array Experiment,” International Conference on the Physics of the Two Inﬁnities, Kyoto University (2023/3)

Power from the 670 Square-degree POLARBEAR
Survey,” ApJ, 931 101 (2022)[14] Kana Sakaguri for POLARBEAR Collaboration,“Preparation fot the Simons Array CMB polarization experiment and development of optical elements,” 2nd International Symposium on TransScale Quantum Science (TSQS) 2022, The University of Tokyo (2022/11)[2] The Polarbear Collaboration, “Constraints onaxion-like polarization oscillations in the cosmic microwave background with POLARBEAR,”
arXiv.2303.0841 (2023)[3] Yume Nishinomiya et al., “Development of the
Characterization Methods Without Electrothermal Feedback for TES Bolometers for CMB Measurements,” Journal of Low Temperature Physics,
209 1079-1087 (2022)[15] Kana Sakaguri、他 Polarbear Collaboration,“Preparation for the Simons Array second telescope for CMB polarimetry,” FoPM international
symposium, The University of Tokyo (2023/2)[4] Kana Sakaguri et al., “Broadband multi-layer antireﬂection coatings with mullite and duroid used forhalf wave plate and alumina ﬁlter for CMB polarimetry,” Journal of Low Temperature Physics,
209 1264–1271 (2022)[16] Yaman Singh Shrestha 他, “Development for axion search using quantum non-demolition detectionof magnons,” FoPM international symposium, The
University of Tokyo (2023/2)[17] Tomoki Terasaki、他 Simons Observatory Collaboration, “The Simons Observatory,” FoPM
international symposium, The University ofTokyo (2023/2)[5] Tomoki Terasaki et al., “Development of Al-Nb hybrid Lumped-Element Kinetic Inductance Detectors for infrared photon detection,” Journal of Low
Temperature Physics, 209 441-448 (2022)[18] Akito Kusaka, “Quantum Sensing & Magnons
for Particle Detection,” QUP Workshop toward
Project Q, Online / KEK, Tsukuba (2022/11)[6] The Polarbear Collaboration, “Constraints onaxion-like polarization oscillations in the cosmic microwave background with POLARBEAR,”
arXiv:2303.08410 (Mar 2023)[19] Akito Kusaka, “The next generation of CMB
observation that will realize the neutrino massmeasurement and the exploration of super-TeV
physics,” International Conference on the Physics
of the Two Inﬁnities , Kyoto, Japan (2023/3)[7] Kevin D. Crowley, et al., “The Simons Observatory: A large-diameter truss for a refracting telescope cooled to 1 K,” Review of Scientiﬁc Instruments 93, 055106 (May 2022)(学位論文)

招待講演[8] 飯島健五, “Simons Observatory 実験に用いる偏光角度較正手法の開発と性能評価,” 修士論文 (2023/01)[20] Akito Kusaka, “Cosmic Microwave Background challenges and future prospect,” Frontiers in Cosmology, Bangalore, India (2023/2)[9] 杉山純菜, “CMB 偏光観測のための低温半波長板を用いた偏光変調器の開発,” 修士論文 (2023/01)[21] Akito Kusaka, “Exploration of Inﬂation andDark Universe through Cosmic Microwave Background,” 2nd International Symposium on TransScale Quantum Science, Tokyo, Japan (2022/11)＜学術講演＞(国際会議)(国内会議)

一般講演

一般講演[10] Masaaki Murata et al., “Development of the Calibration System with a sparse wire grid for Small
Aperture Telescope of Simons Observatory,” SPIE
Astronomical Telescopes + Instrumentation, Montreal, Quebec, Canada (2022/7)[22] 山田恭平, 他 POLARBEAR コラボレーション, “Simons Array 実験, POLARBEAR 実験の蟹星雲の観測による Axion 探索,” 日本天文学会 2022 年秋季年
会, オンライン (2022/9)

149

6.8. 竹内研究室

6. 一般物理実験と統合試験,” 日本物理学会 2023 年春季大会, オンラ
イン (2023/3)[23] 山田恭平, 他 POLARBEAR コラボレーション, “Simons Array 実験, POLARBEAR 実験のかに星雲の観測による Axion 探索,” 日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン (2023/3)[38] 佐藤澪、寺崎友規、木内健司, “単一赤外線光子検出に向けた集中定数型力学的インダクタンス検出器の性能評価,” 日本物理学会 2022 年秋季大会, 岡山理科大学 (2022/9)[24] 竹内敦人, 他 POLARBEAR コラボレーション,“CMB 偏光観測に向けた Simons Array 実験の解析の現状,” 日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン (2023/3)[39] 佐藤澪、木内健司, “両偏波感度を有する超伝導検出器に向けたミリ波回路の開発,” 日本物理学会 2023 年
春季大会, オンライン (2023/3)[25] 村田雅彬、他 POLARBEAR コラボレーション, “Simons Array 実験におけるデータ選別手法の開発,” 日
本物理学会 2023 年春季大会, オンライン (2023/3)[40] 茅根 裕司 他, “POLARBEAR 実験による CMB 偏光を用いた Axion 探査の現状,” 日本天文学会 2023
年春季大会, 立教大学 (2023/3)[26] 坂栗佳奈, “CMB 偏光観測に用いる反射防止膜の開発,” 日本物理学会 2022 年秋季大会 企画講演, 岡山
理科大学 (2022/9)[41] シン シュレスタ ヤマン 他, “マグノン量子非破壊測定を用いたアクシオン探索の検討,” QEd サマース
クール 2022, OIST (2022/9)[27] 坂栗佳奈、他 POLARBEAR コラボレーション, “Simons Array 実験の概要と 2 台目望遠鏡の準備状況,”
日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン (2023/3)[42] Akito Kusaka, “Exploration of Inﬂation and Dark
Universe through CMB Polarization,” Astronomy
Colloquium at Tohoku University, Sendai (2022/6)[28] 西ノ宮ゆめ, 他 POLARBEAR コラボレーション,“Simons Array 実験における検出器応答および視線方向の評価,” 日本物理学会 2022 年秋季大会, 岡山理科大学 (2022/9)[43] 日下暁人 他, “量子計測による新しい宇宙・素粒子物理学,” 日本物理学会 秋季大会 シンポジウム「2020 年代のヨタスケールへの挑戦」, オンライン開催 (2022/9)[29] 西ノ宮ゆめ, 他 POLARBEAR コラボレーション,“Simons Array 実験における検出器応答の非線形性の評価,” 日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン (2023/3)[44] 日下暁人 他, “量子計測による新しい宇宙・素粒子物理学,” 日本大学 素粒子論研究室セミナー, オンライン開催 (2023/1)＜受賞＞[30] 杉山純菜, 他 Simons Observatory コラボレーショ
ン, “Simons Observatory 実験に用いる低温偏光変調器の効率化と性能評価,” 日本物理学会 2022 年秋季大会, 岡山理科大学 (2022/9)[45] 坂栗佳奈、測定器開発優秀修士論文賞、KEK 測定器
開発室 (2022/05)。

[31] 杉山純菜, 他 Simons Observatory コラボレーショ
ン, “Simons Observatory 実験に用いる低温偏光変調器の運転試験および望遠鏡との統合試験,” 日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン (2023/3)

6.8

竹内研究室

自然界には、本質的に非平衡な現象が数多く存在する。日常的な現象をとってみても、気象を司る気流や海流のダイナミクス、空や大地を彩る様々な自己組織構造の形成、生物の存在や、それを支える種々の生命活動など、例の枚挙にいとまがない。これらは皆、非平衡な状況で相互作用する自由度が数多く集まった結果、マクロスケールで非自明な性質が発現する典型例である。このような非平衡現象を扱う
熱力学・統計力学の枠組みは発展途上にあり、その構
築は現代科学に課された大きな未解決問題と言える。
近年は、学際的な流れも本格化している。例えば、非平衡で広く成り立つ「ゆらぎの定理」や「熱力学的不確定性関係」は、非平衡ゆらぎの基本的性質の理解を深化させただけでなく、生体分子モーターなどの具体的問題に切り込む力となっている。自力で動く粒子集団を扱うアクティブマター物理学は、液晶理論と統計力学の融合により基礎学理が整備され、生体分子集団から細胞組織、微生物集団に至る様々な対象において、普遍的な物理学の存在を描き出した。
こうした背景のもと、竹内研究室では、大自由度の非平衡現象を支配する物理法則の理解を目指して、
液晶・粉体などのソフトマターや、バクテリアなどの微生物を用いた様々な実験課題を展開している。個[32] 寺崎友規, 他 Simons Observatory コラボレーショ
ン, “Simons Obeservatory 実験小口径望遠鏡の統合試験の現状報告,” 日本物理学会 2023 年春季大会, オンライン (2022/9)[33] 飯島健五, 他 Simons Observatory コラボレーショ
ン, “Simons Observatory 実験に用いる偏光角装置の光学測定に向けた準備,” 日本物理学会 2022 年秋季大会, 岡山理科大学 (2022/9)[34] シン シュレスタ ヤマン、日下暁人、木内健司、中村泰信、砂田佳希, “マグノン量子非破壊測定を用いたアクシオン探索の検討,” 日本物理学会 2022 年秋季大会, 岡山理科大学 (2022/9)[35] シン シュレスタ ヤマン、日下暁人、木内健司、中村泰信、砂田佳希, “量子非破壊検出を用いたアクシ
オンダークマター探索への応用に向けた YIG 結晶の特性評価 ,” 日本物理学会 2023 年春季大会, オンラ
イン (2023/3)[36] 木内健司、他、Simons Observatory, “Simons Observatory 小口径望遠鏡用光学鏡筒の開発と統合試験,” 日
本物理学会 2022 年秋季大会, 岡山理科大学 (2022/9)[37] 木内健司、Simons Observatory, “Simons Observatory 実験小口径望遠鏡に用いる低温光学鏡筒の開発

150

6. 一般物理実験

6.8. 竹内研究室

別の現象の理解はもとより、現象に依らない共通の物理法則を抽出すること、そのような俯瞰的な視点から物事を捉えることを目指し、研究室単位では比較的多彩な問題を扱っている。2022 年度は、以下のような課題に取り組んだ。なお、テーマによっては研究室ウェブサイト https://labjp.kaztake.org/ でも紹介をしているので、適宜参照されたい。

6.8.1

液晶乱流の負粘性と自発流動
電圧印可によって駆動される液晶乱流は、条件により、実効的な粘性が負となる特異な物性を示す [17]。
我々は、負粘性が生む顕著な現象である自発流動に着目し、平行平板間や微小流路において生じる自発流動パターンの計測に取り組んでいる。また、レオロジー測定と対流観察を同時に行うため、レオメー
ターの顕微鏡化にも着手した。

ソフトマター系の非平衡実験
スポンジ状の粉体

液晶トポロジカル欠陥の 3 次元ダイナミクス観測
液晶は、流動性がありながら分子の長軸を揃える
配向秩序をもつが、配向が整合しない領域が存在することがある。そのような領域はトポロジカル欠陥と呼ばれ盛んに研究されてきたが、3 次元の線欠陥の運動を観測することは容易でなかった。我々は蛍光色素の静止した欠陥への吸着という先行研究を応用し、共焦点イメージングによる線欠陥の 3 次元ダイナ。2 本の線欠陥がミクス測定に成功した（図 6.8.27）
繋ぎ替わる再結合というトポロジカル欠陥特有の現象のうち、同一平面内で起こるものに着目して解析を行った。その結果、欠陥間距離のスケーリングを確認するとともに、2 次元欠陥にはない 3 次元欠陥ならではの対称性を明らかにし、その対称性が現れる
メカニズムを議論した [5, 22, 26, 38, 41, 42, 46, 57]。
より一般的な配置の再結合（図 6.8.27）についても解析を進め、理論との比較を行っている。
50 �m

多孔質土壌や雪などの圧縮性の高い媒体は、剪断を受けると突然、壊滅的な流動不安定を起こすことがある。このような不安定性の発生と大きな圧縮性の関わりを探求するため、我々は、リング状の弾性粒子の集団からなるモデル実験系を構築した。リング
は、砂の中の粒のように配置を変えながら、スポンジ。このように大変形を示すこともできる（図 6.8.28）のようなハイブリッド材料を用い、形状のゆらぎが不可逆的な変位にどのようにつながるかを明らかにし、定量化することを目指している [18, 19, 24, 50]。
本研究は、ソフトマテリアルが示す興味深い力学特性 [8, 9, 12, 35, 45, 58, 72, 63] の一例と位置付けら
れる。
a)

b)

1

20 �m
10 mm

0

図 6.8.28: スポンジ状粉体。(a) 1 回の剪断サイクル
による不可逆変位。(b) リングの変形（離心率）。

確率的な粒子輸送のモデル実験

図 6.8.27: 液晶トポロジカル欠陥の共焦点観察 [5]。

2 本の線欠陥が近づき、ぶつかり、組み変わる（再結
合）
。

151

確率的な粒子輸送を記述するモデルとして、また非平衡多体問題の代表的な可解模型として、非対称単純排他過程（asymmetric simple exclusion process,
ASEP）がよく知られている [54]。ASEP は、理論的・数学的研究が大いに進んでいる一方で、その特徴的指数が確率的粒子輸送の実験で報告された例はなく、ASEP の普遍的性質が出現する実験条件の探求は重要な課題である。そこで我々は、ビーズ粒子を収めるチャネル付き基板（図 6.8.29）を垂直加振することで確率的粒子輸送を実現し、その輸送特性を明らかにするモデル実験に取り組んでいる。

6.8. 竹内研究室

6. 一般物理実験

図 6.8.29: 確率的な粒子輸送のモデル実験

6.8.2

微生物系の非平衡実験

バクテリア集団内の不均一性を生む物理機構
単細胞生物であるバクテリアも多細胞生物の如く細胞集団を形成する。その集団はバイオフィルムとして知られ、細胞と彼らを繋ぐ細胞外マトリクスで構成される立体的な構造である。細胞とマトリクス、
これら柱梁の時空間的な配置が規定する集団構造の理解のために、細胞集団におけるマトリクス生産の時
空間的なパターンとその機構を調べている [47]。ハイドロゲル製ウェルに棒状の細胞が二次元的に詰められたとき、彼らはその長軸方向に向きが揃ったド。この集団を飢餓条
メインを形成する（図 6.8.30 左）件下で培養すると、集団内の一部の細胞がマトリクス生産を開始する（図 6.8.30 右）。我々は、この不均一なマトリクス生産が、細胞配向ドメインと関係する可能性を見出している。また、液晶のパターン配向技術や微細加工技術などを活用し、マトリクス遺伝子の発現パターンや細胞集団形態の制御を目指す。
細胞の配向という微小環境の不均一性が集団の形態形成に与える影響に迫る。

ラス転移」と呼ばれ、構成粒子の運動停止、緩和の
急激なスローダウン、動的不均一性などの特徴を伴う。近年は、アクティブマターなど、非平衡ソフトマ
ターにおいてもガラス状態やガラス転移の探求が行われている。そこで我々は、一種の自己駆動粒子である運動性大腸菌を用い、独自の微小流体デバイス
で長時間培養し高密度相を実現することで、大腸菌集団のガラス状態の探索を行った。結果、図 6.8.31に示すように、充填密度の増大に伴い、アクティブ
流体相からガラス相への転移を発見した [1, 11, 16,
20, 21, 23, 25, 28, 27, 51, 59, 61]。このガラス転移
は、配向自由度の後に重心運動がガラス化する、二段階転移を示す。また、高密度化に伴い、向きの揃った菌集団からなるドメイン構造が形成され、それが集団運動や、動的感受率の異常なふるまいなどの特徴をもたらす。我々は、バクテリアガラスの更なる特徴づけによって、アクティブマターのガラスが何たるかを理解するとともに、高密度バクテリアが示すバイオフィルム形成などの生命現象における役割についても考察を進めたいと考えている。

102
101
100
10-1
10-2
0.75

Q

0.8

0.85

0.9

0.95

図 6.8.31: バクテリア集団のガラス転移 [11]。充填率 ϕ の増大に伴い、配向自由度の緩和時間 τθ と重心
自由度の緩和時間 τQ が急激に増大する。

バクテリア集団運動の磁気応答
大腸菌や枯草菌などのバクテリアは、排除体積効
果等により細胞の配向秩序が生じ、豊かな集団運動を見せる。我々は、細胞そのものが磁気応答を示す磁性細菌を用いて、外場の影響下でバクテリアの配向秩序を探索する実験系を模索している [49, 44]。PDMS
上に円形のウェルを構築し、螺旋形の磁性細菌 Magnetospirillum magneticum を閉じ込めて観察したところ、細胞集団に局所的なネマティック配向秩序が生じた。また、ウェル内での細胞集団に磁場を印加したところ、配向秩序は大域的なものに変化した。これらの結果は、バクテリア集団のネマティック配向
秩序を磁場により操作し、関係を議論できる可能性

図 6.8.30: ウェル内に閉じ込められたバクテリア細胞（左、色は配向を表す）と不均一な細胞外マトリクス遺伝子発現（右）。

バクテリア集団のガラス転移
一般に流体は、密度の増大や過冷却によって、非晶質固体への動的な状態変化を起こす。これは「ガ152

6. 一般物理実験

6.8. 竹内研究室を示している。今後、配向秩序の磁気応答を解析してゆき、秩序形成過程の外場応答の理解を目指す。

6.8.3[4] A. N. Kato, K. A. Takeuchi, and M. Sano, Active colloid with externally induced periodic bipolar motility and its cooperative motion, Soft Matter, 18, 5435 (2022).
[5] Y. Zushi and K. A. Takeuchi, Scaling and spontaneous symmetry restoring of topological defectdynamics in liquid crystal, Proc. Natl. Acad. Sci.
U.S.A., 119, e2207349119 (2022).

非線形動力学によるアプローチ

閉鎖系におけるアクティブ流体模型の乱流化シナリオ
アクティブマターの集団運動において、時空間的に乱れた集団運動であるアクティブ乱流が幅広く観測される [14, 39, 43, 55, 53, 52, 73, 69, 67, 66, 65, 64]。
アクティブ乱流を円形閉鎖領域に閉じ込めると、安定した定常な渦を自発形成する。我々は、この渦秩序が如何にして乱れるかを数値的に調べた。極性を持
つアクティブ流体模型 (Toner-Tu-Swift-Hohenberg
方程式) を任意形状の閉鎖領域内で高速に計算可能な GPU ベースのコードを開発し、速度場を詳細に解像した。これにより、円形閉鎖領域内の定常な渦は、半径を大きくするに従って亜臨界ホップ分岐により振動する２渦へと転移し、さらに複数の振動状
態とカオス状態の間を行き来するリエントラント転移を経て最終的な乱流状態へと至る道筋が明らかとなった [3, 29, 30, 32, 34, 37, 40, 48, 55, 62]。任意形状の境界での挙動を高速で予測できる本計算コード
は、実験系のデザインに有用である。

非平衡界面の大偏差計測のためのアルゴリズム開発
非平衡界面成長を記述する Kardar-Parisi-Zhang(KPZ) 普遍クラスは、ゆらぎの厳密解が実験的にも検証されるなど、理論、実験の両面から発展が続いている [54]。これらの結果の多くは典型ゆらぎに関するものであり、典型値から大きく外れたゆらぎ（大偏差）については、理論的には盛んに研究されているものの、実験的に計測された例はない。本研究では、KPZ 普遍クラスにおける大偏差法則の実験計測手法の開発を目的とする。KPZ クラスの可解模型の一つである 1 次元完全非対称単純排他過程を例に、実験で実装可能な形式の重点サンプリング法によるシミュレーションを行い、大偏差を記述する特徴量の計測能力を実証するとともに、各種パラメータに対する収束性を調査した [36]。

[6] T. Shimaya and K. A. Takeuchi, Tilt-induced polarorder and topological defects in growing bacterial
populations, PNAS Nexus, 1, pgac269 (2022).
[7] Y. Takaha and D. Nishiguchi, Quasi-twodimensional bacterial swimming around pillars:enhanced trapping eﬃciency and curvaturedependence, Phys. Rev. E, 107, 014602 (2023)[8] A. Douin, S. Poincloux, J. P. Bruneton, and F.
Lechenault, Assessing seismic-like events prediction in model knits with unsupervised machinelearning, Extreme Mech. Lett., 58, 101932 (2023).
[9] S. Poincloux, C. Vallat, T. Chen, T. G. Sano,and P. M. Reis, Indentation and stability of woven
domes, Extreme Mech. Lett., 59, 101968 (2023).
[10] H. Lama, L. Pauchard, F. Giorgiutti-Dauphine,and S. Khawas, Salinity induced stiﬀening of drying particulate ﬁlm and dynamic warping, Phys.
Rev. Mater., 7, 025604 (2023).
[11] H. Lama, M. J. Yamamoto, Y. Furuta, T. Shimaya,
K. A. Takeuchi, Emergence of bacterial glass: twostep glass transition in 2D bacterial suspension,
arXiv:2205.10436.
[12] S. Poincloux, P. M. Reis, T. W. de Geus, Stickslip synchronization in stack of elastically coupledfrictional interfaces, arXiv:2301.13745.
(会議抄録・総説)[13] D. Nishiguchi, Physics of Bait Balls: How Do
Schooling Fish Form Rotating Clusters? JPSJNews Comments 19, 13 (2022).
[14] 西口大貴, アクティブマター物理学：集団運動の秩序とゆらぎ. 物性若手夏の学校テキスト 67, 304 (2023).
(国内雑誌)＜受賞＞[15] 竹内一将, トポロジカルな点が導く、細胞の集団運動.
細胞 55(3), 166 (2023).

[1] H. Lama, Best poster prize, Artiﬁcial and Living
Matter Conference, Erice (Italy), Jul. 1, 2022.

＜学術講演＞[2] K. A. Takeuchi, IOP Trusted Reviewer Status, IOP
Publishing, Oct. 17, 2022.

(国際会議)[3] 西口大貴, 第 6 回領域会議発表賞, 新学術領域研究「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第 6 回
領域会議, ポスター, アクロス福岡, 2023 年 3 月 7 日.

一般講演[16] H. Lama, M. J. Yamamoto, Y. Furuta, T. Shimaya and K. A. Takeuchi, Glass transition in 2D
bacterial suspension, Active and Intelligent Living
Matter Conference, poster, Erice (Italy), June 27,
2022.

＜報文＞

(原著論文)

153

6.8. 竹内研究室

6. 一般物理実験(国内会議)[17] F. Kobayashi, S. Ujiie, H. Orihara, and T. Nagaya,
Search for Negative Viscosity induced by liquid
crystal turbulence in various liquid crystal materials, 28th International Liquid Crystal Conference,
Lisbon (Portugal), July 25, 2022.

一般講演[30] 西口大貴, アクティブ乱流の３次元構造と制御方法の開拓. JST さきがけ「複雑な流動・輸送現象の解明・予測・制御に向けた新しい流体科学」第 2 回領域会
議, 講演, AP 市ヶ谷, 2022 年 4 月 15 日.

[18] S. Poincloux and K. A. Takeuchi, Mechanics of anassembly of highly compressible grains, Workshop
Méphy and Mecaﬁb on “Friction and slender structures”, oral, Paris (France), Oct. 10, 2022.

[31] 横山文秋, André Kling, Petra Dittrich, Extracellular Vesicle Detection of Single-Cell Escherichia coli
on a Microﬂuidic Device. 新学術領域研究 「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第 5 回領域会議, ポスター, 淡路夢舞台, 2022 年 6 月 20 日.

[19] S. Poincloux and K. A. Takeuchi, Sponge-like granular media, Graphyz2: the ﬁrst Graphics-Physics
workshop 2nd edition, oral, Saline Royale d’Arcet-Senans (France), Oct. 17, 2022.

[32] 竹内一将, 西口大貴, バクテリア集団の統計力学実験,
新学術領域研究 「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第 5 回領域会議, ポスター, 淡路夢舞台,
2022 年 6 月 20 日.

[20] H. Lama, M. J. Yamamoto, Y. Furuta, T. Shimaya
and K. A. Takeuchi, Glassy Phase in Dense Bacterial Population, 13th Annual Symposium by Indian
Scientist Association in Japan (ISAJ), oral, Tokyo(Japan), Nov. 17, 2022.

[33] 高羽悠樹, 西口大貴, 擬 2 次元での遊泳バクテリアと柱の相互作用：トラップ能率の増大と曲率依存性, 新学術領域研究 「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第 5 回領域会議, ポスター, 淡路夢舞台,
2022 年 6 月 20 日.

[21] H. Lama, M. J. Yamamoto, Y. Furuta, T. Shimaya
and K. A. Takeuchi, Glass transition in dense 2D
bacterial population, Active Matter in complex environment, poster, Aspen (USA), Jan. 4, 2023.

[34] 白谷空, 竹内一将, 西口大貴, アクティブ流体モデル
が閉鎖領域で示す振動転移と履歴現象, 新学術領域研
究 「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」
第 5 回領域会議, ポスター, 淡路夢舞台, 2022 年 6 月
20 日.

[22] Y. Zushi, Three-dimensional dynamics of topological “strings” in liquid crystal, FoPM International
Symposium, oral, Tokyo (Japan), Feb. 8, 2023.
[23] K. A. Takeuchi, H. Lama, M. J. Yamamoto, Y.
Furuta, T. Shimya, Emergence of bacterial glass:two-step glass transition in 2D bacterial suspension, APS March Meeting 2023, oral, Las Vegas(USA), Mar. 10, 2023.

[35] S. Poincloux, P. M. Reis, T. W. J. de Geus, Stickslip in a sheared multi-layer system, The Physical Society of Japan 2022 Autumn Meeting, 講演,
Tokyo Institute of Technology, 2022 年 9 月 12 日.
[36] 柳橋勇太, 竹内一将, TASEP における KPZ 大偏差の Population Dynamics シミュレーション. 日本物理学会 2022 年秋季大会, 講演, 東京工業大学, 2022
年 9 月 14 日.

[24] S. Poincloux and K. A. Takeuchi, Flow and deformation of a sponge-like granular media, JapanFrance joint Seminar “Physics of dense and active
disordered materials”, poster, Kyoto (Japan), Mar.
13-16, 2023.

[37] 白谷空, 竹内一将, 西口大貴, アクティブ流体モデル
が閉鎖領域で示す振動転移と履歴現象. 日本物理学会
2022 年秋季大会, 講演, 東京工業大学, 2022 年 9 月
14 日.

招待講演

[25] K. A. Takeuchi, Bacterial glass, The 15th Asia Paciﬁc Physics Conference (APPC15), invited talk,online, Aug. 22, 2022.

[38] 図司陽平, 竹内一将, ネマチック液晶における欠陥再結合のスケーリングと対称性. 2022 年液晶学会討論会, 講演, オンライン, 2022 年 9 月 15 日.

[26] K. A. Takeuchi, Scaling and spontaneous symmetry restoring of topological defect dynamics in liquid crystal, The 12th Dynamics Days Asia Paciﬁc(DDAP12), invited talk, Daejeon (South Korea),Nov. 7, 2022.

[39] 西口大貴, アクティブ乱流の３次元構造と制御方法の開拓. 第 16 回さきがけ研究者交流会, オンライン,
2022 年 11 月 9 日.

[27] H. Lama, Microbial life from physics lens, Workshop on Sustainable Nanotechnology, invited talk,
NIT Warangal (India), Oct. 11, 2022.

[40] 西口大貴, アクティブ乱流の３次元構造と制御方法の開拓へ向けた諸問題. JST さきがけ「複雑な流動・輸送現象の解明・予測・制御に向けた新しい流体科学」
第３回領域会議, 講演・ポスター, クロスウェーブ梅田, 2022 年 11 月 15 日.

[28] K. A. Takeuchi, Bacterial glass, Japan-France joint
seminar “Physics of dense and active disorderedmaterials”, invited talk, Kyoto (Japan), Mar. 15,
2023.

[41] 図司陽平, 竹内一将, 液晶におけるトポロジカル線欠陥再結合のスケーリングと対称性. 第 10 回ソフトマター研究会, 講演, 九州大学 西新プラザ, 2022 年 11
月 23 日.

[29] D. Nishiguchi, Route from vortex order to active
turbulence. Japan-France joint seminar “Physics
of dense and active disordered materials”, invitedtalk, Kyoto (Japan), Mar. 15, 2023.

[42] 図司陽平, 竹内一将, 液晶におけるトポロジカル線欠陥ダイナミクスの 3 次元蛍光イメージング. 第 14 回
光塾, ポスター, 大阪大学吹田キャンパス, 2023 年 1
月 18 日.

154

6. 一般物理実験

6.8. 竹内研究室[43] 西口大貴, アクティブ乱流のトポロジカル制御、そして３次元時空間ダイナミクス測定への挑戦. 第 14 回
光塾, ポスター, 大阪大学吹田キャンパス, 2023 年 1
月 18 日.

[56] 横山文秋, 細菌の細胞外膜小胞分泌とその細胞レベルの個性. UBI lunch-meeting, 講演, オンライン, 2022
年 4 月 20 日.
[57] 図司陽平, 液晶におけるトポロジカル線欠陥再結合のスケーリングと対称性. Young Soft Webinar 第 10回セミナー, 講演, オンライン, 2022 年 5 月 10 日.

[44] 後藤崇志, 西口大貴, 竹内一将, 環境への応答から探る
生物集団運動の秩序形成 - 磁性細菌による探索 -. 第14 回光塾, 講演, 大阪大学吹田キャンパス, 2023 年 1
月 18 日.

[58] S. Poincloux, Shape and indentation response of
weaved domes, Young Soft Webinar 11 回セミナー,
講演, オンライン, 2022 年 5 月 30 日.

[45] S. Poincloux, Réponse mécanique d’assemblages destructures élancées, 26ème Journée Francophonede la Recherche, 講演, Maison franco-japonaise,Tokyo, 2023 年 2 月 3 日.

[59] H. Lama, Living bacterial glass, invited talk, Wenzhou Institute, UCAS (China), June 17, 2022.
[60] 竹内一将, アクティブマターの物理学. 名古屋大学 大学院理学研究科 理学専攻 物理科学領域 集中講義, 名
古屋大学, 2022 年 7 月 4-6 日.

[46] 図司陽平, 竹内一将, 液晶におけるトポロジカル線欠陥ダイナミクスの 3 次元観測. 新学術領域研究 「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第 6 回
領域会議, ポスター, アクロス福岡, 2023 年 3 月 6 日.

[61] 竹内一将, アクティブマターのガラス転移とバクテリ
ア実験. 名古屋大学 大学院理学研究科 理学専攻 物理科学領域 談話会, 名古屋大学, 2022 年 7 月 5 日.

[47] 横山文秋, 竹内一将, 大腸菌集団内における微小空間
依存的な細胞外マトリクスの生産. 新学術領域研究「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第 6回領域会議, ポスター, アクロス福岡, 2023 年 3 月 6日.

[62] 西口大貴, アクティブ乱流と境界とトポロジー. JST
さきがけ「複雑な流動・輸送現象の解明・予測・制御に向けた新しい流体科学」数学・幾何セミナー, 東北大学 AIMR, 2023 年 1 月 13 日.

[48] 西口大貴, アクティブ乱流は如何にして乱れるか？ 集団運動秩序の構造予測と制御とキラリティ. 新学術領域研究 「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第 6 回領域会議, ポスター, アクロス福岡, 2023
年 3 月 6 日.

[63] S. Poincloux, Mechanics of assemblies of slender
structures, Wada Lab seminar, 講演, Ritsumeikan
University, Kusatsu, 2023 年 3 月 17 日.
(アウトリーチ)[64] 竹内一将, 西口大貴, ほのぼの物理キーワード辞典「アクティブマター」動画監修, 2022 年 4 月 18 日公開.

[49] 後藤崇志, 西口大貴, 竹内一将, Active matter に外場を印加する: 磁性細菌による実験系の構築. 新学術領域研究 「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第 6 回領域会議, ポスター, アクロス福岡, 2023
年 3 月 6 日.

[65] 西口大貴, 微生物の泳ぎと群れの物理学：生物学・化学・物理学がまじわるアクティブマター物理学. 古川学園高等学校高校 1 年生・東大見学における講演, 2022
年 6 月 8 日.

[50] S. Poincloux and K. A. Takeuchi, Flow and deformation of a sponge-like granular media, The Physical Society of Japan 2023 Spring Meeting, , 講演,
オンライン, 2023 年 3 月 23 日.

[66] 西口大貴, 微生物の泳ぎと群れの物理学：生物学・化学・物理学がまじわるアクティブマター物理学. 大阪
星光学院高等学校・東京ツアーの受け入れおよび講演, 2022 年 7 月 30 日.

招待講演[67] 西口大貴, 泳ぐ微生物、泳ぐコロイド、そしてその群れを物理する. 東京大学理学部オープンキャンパス,オンライン, 2022 年 8 月 3 日.

[51] 竹内一将, バクテリア集団のガラス転移. 非平衡ソフ
トマター・アモルファス物質の 物性解明への力学的
自己組織化からの挑戦, 招待講演, 2022 年 6 月 24 日.

[68] 竹内一将, 熱統計力学と生命の架け橋「アクティブマ
ター物理学」. 灘中学校・高等学校 有志合宿 研究室
見学・講演, 東京大学, 2022 年 8 月 10 日.

[52] 西口大貴, アクティブマター物理学：集団運動の秩序とゆらぎ. 第 67 回 物性若手夏の学校, 集中ゼミ, オ
ンライン, 2022 年 8 月 4 日.

[69] 竹内一将, 西口大貴, 新学術領域「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第一回実験勉強会, 東京
大学, 2022 年 10 月 3-5 日.

[53] 西口大貴, アクティブマター物理学：集団運動の秩序,
ゆらぎ, 波, かたち. 流体若手夏の学校 2022, 紹介講義, 埼玉, 2022 年 8 月 26-27 日.

[70] 後藤崇志, 柳橋勇太, 図司陽平, 西口大貴, 竹内一将,
茨城県立緑岡高等学校生徒による研究室見学, 東京大学, 2022 年 10 月 26 日.

[54] K. A. Takeuchi, Kardar-Parisi-Zhang universality class, Stat&QuantPhys Autumn School 2022
(SQP2022), invited lecture, Sep. 27, 2022.

[71] 竹内一将, トポロジーが決める特別な点：欠陥があや
つる自然現象、あやつられる一研究者. MPUF 研究
開発プロフェッショナルの流儀 第 21 回, オンライン,
2022 年 12 月 21 日.

[55] 西口大貴, アクティブ乱流の気持ち：如何にして秩序化し、如何にして乱れるか？ . 統計物理学懇談会（第10 回）, 招待講演, オンライン, 2023 年 3 月 27 日.

[72] S. Poincloux and D. Nishiguchi, From eating pizza
to the shape of salad: Geometry and mechanics ofplates, JSPS Science dialogue program, 講演, 長野
県諏訪清陵高校, 2023 年 2 月 24 日.

(セミナー・集中講義)

1556.9. 三尾研究室

6. 一般物理実験[73] 竹内一将, 西口大貴, 統計物理と生命の架け橋「アクティブマター物理学」. 東大の研究室をのぞいてみよう！ 〜多様な学生を東大に〜, 東京大学, 2023 年 3月 27 日.

6.9

三尾研究室

三尾研究室では、レーザーとその応用に関する研究を行うことを目的としている。レーザーの発明は1960 年で、それ以来、基礎から応用まで大変、幅広く利用されている。また、現代社会を支える基盤技術としても極めて重要で、通信、情報処理、加工などでなくてはならないものとなっている。さらに、2015
年に初めて観測された重力波でも、最先端の光技術が駆使されており、学術と社会を結ぶ架け橋である。
当研究室は、理学系研究科附属フォトンサイエン
3
ス研究機構（IPST）に所属しており、上述のように、光を使って学術の深化と産業への展開を目指している。IPST には当研究室以外に多くのメンバーが所属しており、全員が密接に連携して、研究と教育を進めている。

6.9.1

レーザー加工の物理

まず、自己収束、気体のイオン化、プラズマによるエネルギー吸収、ビーム発散の効果を組み込んだ
非線形伝搬方程式を用いて、ガウシアンビームの光
パルス (波長 800 nm、パルス幅 43 fs) の空気中での伝搬を調べた。続いて、計算と同じ条件で銅のレーザー加工実験を行った。そして、線形伝搬領域での加工結果から抽出したレーザー破壊閾値を用いて、計算結果から加工穴直径を求めた。両者を比較した
結果を図〇に示す。2 桁に及ぶ幅広いパルスエネル
ギー範囲で定量的によく一致していることがわかる[1]。さらに、数値計算の結果から、気体のイオン化
レートがビームの伝搬に大きく影響する重要なパラメータであることを見いだした。本研究では、過去の詳細な実験データから導かれた Perelomov-PopovTerent’ev (PPT) モデルを用いているが、先行研究
では、PPT モデルを近似したモデルも用いられていた。そこで、PPT モデルと複数の代表的な近似モデルを用いた場合の計算結果をそれぞれ比較した結果、近似モデルを用いた場合には加工結果の予測性能が有意に低下することが明らかとなった。この結果は、空気中での非線形伝搬が生じる場合の加工結果を精度よく定量的に予測する上では、PPT モデルを用いることが重要であることを示している。今後は、本計算を光と物質の相互作用を考慮した計算と組み合わせることで、レーザー加工の物理的な理解を深めるとともに、加工穴深さの定量的な予測の可能性についても検討を進める予定である。

レーザーを使って、切断、溶接、切削などの加工を行うことをレーザー加工と呼ぶ。この分野はレーザー光源の進歩により、高出力の紫外光が利用できるようになり、また、パルス幅や波長などがかなり自由に制御できるようになってきて、新しい加工が可能になってきた。しかし、実際に起きている現象
は、非平衡、開放系で、レーザー光と物質の相互作用も摂動的な考え方では説明できない領域にある。この現象の理解を進めて、応用への展開を進めていく
ことがこの研究の目的である。この研究は五神研究室、および IPST の小西研究室と共同で進めている。
図 6.9.32: 加工穴直径の 2 乗のパルスエネルギー依
存性について計算結果 (黒線) と実験結果 (黒丸) を加工時におけるレーザービームの非線形伝搬の効果
当研究室では、近年産業応用が盛んに進められている、フェムト秒レーザー加工に注目して研究を進めている。フェムト秒レーザーは、パルス幅が電子系
から格子系への熱緩和時間 (〜ps) よりも短いため、加工領域周辺への熱影響のない「非熱加工」が可能となる。一方、そのようなパルス幅の極めて短いレー
ザーを空気中で集光すると、非線形効果でビームの伝搬が大きく変わってしまう。これは当然、加工結果にも影響を及ぼすため、高出力のフェムト秒レー
ザーによる加工を行う上で、応用上の大きな障壁となっている。我々は、このような空気と光との複雑な非線形現象の物理を明らかにすることで、フェム
ト秒レーザー加工技術のさらなる高性能化に取り組んでいる [1, 22, 23]。
3 http://www.ipst.s.u-tokyo.ac.jp/

156

比較した結果。

レーザーによる微細加工技術の応用
フェムト秒レーザー加工技術を、アルミナやサファ
イアなどの誘電体の 3 次元マイクロ加工へと応用する研究も進めている。例えば高出力レーザー加工を利用して、「モスアイ構造」という、光の波長よりも小さなピラミッド型の微細構造を作製し、反射率を1%以下に下げることができる。モスアイの名前の通り、蛾の眼を模した構造で、等価的な屈折率が連続的に変化するので界面での反射が起きない、つまり、無反射な状態をつくることができる。

6. 一般物理実験

6.9. 三尾研究室

これまで、電波望遠鏡用の大型のモスアイの作製などに成功して来たが、現在は、このモスアイ構造の格子構造の最適化の検討を進めている [17]。通常はモスアイでは正方格子を作る作ることが多いが、これを 3 角形や 6 角形に変更した場合の電磁波に対する応答特性をシミュレーションによって調べた（図6.9.33）。それによると 6 角形の格子を使うことで、高い周波数の電磁波に対しても透過特性を保つことが判明した（図 6.9.34）。図中の点線は正方格子の場
合の透過最大周波数であり、6 角形にすることで帯域が広がることが確認できる。今後、実際の加工を行って透過特性の検証を進める予定である。

クホールの合体なども観測されている。このような天体は重力波観測以前にはまったく存在が知られていなかった。重力波の観測によって、新しい宇宙像が構築されつつある。
日本では、岐阜県神岡鉱山の中に、KAGRA が建設されている。KAGRA は地下の静粛な環境を利用し、また、低温技術を取り入れるなど先進的な技術を導入して、感度の向上を測っている。現在、米国の LIGO, 欧州の VIRGO との協力体制を構築している。KAGRA がこれまで、建設、調整を進めており、O4 と呼ばれる国際共同観測（2023 年 5 月に開始予定）に参加する。今後も、KAGRA プロジェクトの推進に関わっていく予定である。
＜報文＞(原著論文)[1] R. Yamada, W. Komatsubara, H. Sakurai, K.
Konishi, N. Mio, J. Yumoto, and M. KuwataGonokami: Simulation of nonlinear propagation of femtosecond laser pulses in air for
quantitative prediction of the ablation crater
shape, OPTICS EXPRESS, 941 7363-7382 (2023)(10.1364/OE.482986).

図 6.9.33: いろいろな格子構造のモスアイ[2] R. Abbott, et al.: Model-based Cross-correlation
Search for Gravitational Waves from the Low-mass
X-Ray Binary Scorpius X-1 in LIGO O3 Data, ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 31 (5)L30 (2022) (10.3847/2041-8213/aca1b0).
[3] R. Abbott, et al.: All-sky search for continuous
gravitational waves from isolated neutron stars
using Advanced LIGO and Advanced Virgo O3
data, PHYSICAL REVIEW D 106 (10) 102008(2022)(10.1103/PhysRevD.106.102008).
[4] R. Abbott, et al.: Search for gravitational waves
from Scorpius X-1 with a hidden Markov model in
O3 LIGO data, PHYSICAL REVIEW D 106 (6)62002 (2022) (10.1103/PhysRevD.106.062002).
[5] R. Abbott, et al.: Search for continuous gravitational wave emission from the Milky Way center in O3 LIGO-Virgo data, PHYSICAL REVIEW D 106 (4) 42003 (2022) (10.1103/PhysRevD.106.042003).

ミュレーション結果[6] R. Abbott, et al.: Search for Subsolar-Mass Binaries in the First Half of Advanced LIGO’s andAdvanced Virgo’s Third Observing Run, PHYSICAL REVIEW LETTERS 129 (6) 61104 (2022)(10.1103/PhysRevLett.129.061104).

6.9.2[7] R. Abbott, et al.: Searches for Gravitational Waves
from Known Pulsars at Two Harmonics in theSecond and Third LIGO-Virgo Observing Runs,
ASTROPHYSICAL JOURNAL 935 (1) 1 (2022)(10.3847/1538-4357/ac6acf).

図 6.9.34: 6 角形格子モスアイの透過特性に関するシ

KAGRA project

重力波が実際に検出されてから、すでに、7 年以上の時が過ぎ、現在までに検出されたイベントは 90 となった。その多くは、ブラックホール連星の合体時のものであるが、観測されている質量の範囲は、重力波検出以前に比べて、もっと広い範囲となっている。また、中性子星連星の合体や中性子星とブラッ[8] R. Abbott, et al.: First joint observation by theunderground gravitational-wave detector KAGRA
with GEO 600, PROGRESS OF THEORETICAL AND EXPERIMENTAL PHYSICS 2022 (6)063F01 (2022) (10.1093/ptep/ptac073).

157

6.9. 三尾研究室

6. 一般物理実験[9] S. Kato, Susumu, S. Kurimura and N. Mio: Inﬂuence of thermal stress on continuous-wave secondharmonic generation in periodically poled LiTaO3
crystals, OPTICS EXPRESS 30 (12) 21258-21267(2022) (10.1364/OE.458209).

[19] R. Takaku,et al.: Large diameter millimeter-wave
low-pass ﬁlter made of alumina with laser ablated
anti-reﬂection coating,” 16th International Conference on Laser Ablation (COLA2021/2022), Th-O67, Shimane, April 2022.

[10] R. Abbott, et al.: All-sky, all-frequency directional
search for persistent gravitational waves from Advanced LIGO’s and Advanced Virgo’s ﬁrst threeobserving runs. PHYSICAL REVIEW D 105 (12)122001 (2022) (10.1103/PhysRevD.105.122001).

(国内会議)
一般講演[20] 小池 陸生、川野 将太郎、櫻井 治之、小西 邦昭、三尾 典克：
「モスアイ反射防止構造の透過スペクトルの格子構造依存性」[18a-A405-3] 第 70 回応用物理学会
春季学術講演会、2023 年 3 月 18 日、上智大学四谷キャンパス.

[11] R. Abbott, et al.: Narrowband Searches forContinuous and Long-duration Transient Gravitational Waves from Known Pulsars in the LIGOVirgo Third Observing Run, ASTROPHYSICALJOURNAL 932 (2) 133 (2022) (10.3847/15384357/ac6ad0).

[21] 的場 みづほ, 小西 邦昭, 三尾 典克, 湯本 潤司, 五神
真: 「テラヘルツラディアル偏光パルスを用いたダー
クプラズモンモード選択励起の数値計算解析」第 7 回
フォトニクスワークショップ, 1-P-22, 2022 年 11 月
25 日.

[12] H. Abe, et al.: The Current Status and Future Prospects of KAGRA, the Large-Scale Cryogenic Gravitational Wave Telescope Built in the
Kamioka Underground, GALAXIES 10 (3) 63(2022) (10.3390/galaxies10030063).

[22] 山田 涼平、小松原 航、櫻井 治之、小西 邦昭、三尾典克、湯本 潤司、五神 真：「レーザー加工穴形状の定量的予測を可能とする空気中でのフェムト秒光パル
スの非線形伝搬シミュレーション」、第 7 回フォトニ
クスワークショップ、1-P-28、沖縄県青年会館、2022
年 11 月 (ポスター賞受賞).

[13] R. Abbott, et al.: All-sky search for gravitational wave emission from scalar boson clouds
around spinning black holes in LIGO O3 data,
PHYSICAL REVIEW D 105 (10) 102001 (2022)(10.1103/PhysRevD.105.102001).

[23] 山田 涼平、小松原 航、櫻井 治之、小西 邦昭、三尾典克、湯本 潤司、五神 真：「レーザー加工穴径の定量的予測を可能とする空気中でのフェムト秒光パル
スの非線形伝搬シミュレーション」、第 83 回応用物
理学会秋季学術講演会、22p-C301-8、東北大学 川内キャンパス、2022 年 9 月.

[14] R. Abbott, et al.: Search for Gravitational Waves
Associated with Gamma-Ray Bursts Detected byFermi and Swift during the LIGO-Virgo Run
O3b, ASTROPHYSICAL JOURNAL 928 (2) 186(2022) (10.3847/1538-4357/ac532b).
[15] R. Abbott, et al.: Constraints on dark photon dark
matter using data from LIGO’s and Virgo’s thirdobserving run, PHYSICAL REVIEW D 104 (6)63030 (2022) (10.1103/PhysRevD.105.063030).
(学位論文)[16] 山田涼平：「レーザー加工におけるファムト秒パルスの
空気中での非線形伝搬効果の探求」博士（理学）2023
年 3 月.
＜学術講演＞(国際会議)
一般講演[17] K. Soeda, K. Naganuma, K. Konishi, H. Tamaru,
N. Mio, H. Ito,and J. Yumoto: ”3D-Printed
Waveguide for 220 GHz-325 GHz Band,” 2022
47TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON
INFRARED, MILLIMETER AND TERAHERTZWAVES (IRMMW-THZ 2022) (August 31, 2022).
[18] M. Matoba, K. Konishi, N. Mio, J. Yumoto and
M. Kuwata-Gonokami:”Simulation of Selective Excitation of Dark Plasmon Modes in Single Metal
Rods by Focused Terahertz Radial Beams,” 2022
47TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON
INFRARED, MILLIMETER AND TERAHERTZWAVES (IRMMW-THZ 2022) (August 30, 2022).

158

は神経回路構造を網羅的に明らかにすることを可能とする画期的な手法だが、回路構造の追跡に膨大な労力がかかるという問題がある。私たちは様々な数
理統計手法を用いてこれらの困難点を克服し、回路の構造に関する情報を効率よく取得し、最終的には神経活動と回路構造に関する実験データをひとつのプラットフォームに落とし込むことにより、神経回路の作動原理をシステムレベルで明らかにしたいと願っている。一方、深層学習を用いてガン組織病理学の診断を効率化することも試みている。

7 生物物理7.1

能瀬研究室

脳・神経系は多数の神経細胞がシナプスという構造を介して連絡した複雑な回路である。このなかを神経インパルスが伝わることが、脳機能の基本であると考えられているが、その実体はほとんど謎のままである。一体、どのような回路の中を、どのようにインパルスが伝わることにより高度な情報処理が可能になるのか？ また、複雑な神経回路が正確に形成されるための設計図は私達の遺伝子にどのように記述されているのか？ 当研究室では、ショウジョ
ウバエ幼虫の神経系をモデルとし、これらの問題に迫っている。特に、カルシウムイメージングや光遺伝学（オプトジェネティクス）とよばれる光による神経活動操作法を用いて、特定の神経細胞の活動を可視化・操作することにより神経回路の作動原理を探っている。また、2013 年以降、米国 Janelia 研究所、英国ケンブリッジ大との共同研究において、コ
ネクトミクス解析（網羅的な神経回路構造の再構築）を用い、ショウジョウバエ幼虫の運動回路の構造を系統的に決定するプロジェクトを推進している。一方、実験で得られた神経活動や回路構造に関する知
見を統計解析したり数理モデル化したりすることにより、神経回路の動作原理を探る研究も推進している。配線パターンの分かっているモデル神経回路において、個々の神経細胞の活動をリアルタイムに解析することにより、神経回路の情報処理の仕組みを明らかにすることが私達の目標である。一方、2022
年 4 月に赴任した松永光幸助教が中心となり神経回路の進化に関する研究も開始した。

7.1.1

神経回路の活動ダイナミクスと構造の数理統計解析

動物の行動はニューロンの集団活動により創出されると考えられている。しかし、脳神経系がどのようにして協調的かつ機能的な集団活動を生成するのかは、神経科学における大きな謎の一つである。私たちは、ショウジョウバエ幼虫の脳神経系を構成する多数（数千個）の神経細胞の活動を経時的に測定し、得られた高次元時系列データを数理統計学的に解析することにより、神経回路全体の巨視的ダイナ
ミクスを捉えることに挑戦している。一方、脳の情報処理の仕組みを理解するためには、集団活動の基盤となる神経回路の構造を明らかにすることも重要である。最近開発された電子顕微鏡画像３次元再構
築や膨潤試料顕微鏡法を用いたコネクトミクス解析

159

運動制御回路におけるシナプス集団活動の時空間構造の解明（福益一司、能瀬聡直、高坂洋史）
動物の運動における筋収縮の時空間パターンは、中枢神経系（CNS）において運動神経細胞の上流に存在する神経回路、中枢パターン生成器（CPG）によって調整される。CPG では多数の介在神経細胞が相互作用し、それによって生じた様々な波形の信号
を運動神経細胞が統合することで、洗練された運動パターンが筋肉へと伝えられる。膨大な数の細胞が相互作用しながら時間発展する CPG の運動生成は非常に複雑なため、そのプロセスの解明には至っていない。
そこで本年度は、CPG において運動パターンを生成する経時プロセスを明らかにするため、回路内のシナプス集団活動における時空間構造の解析に取り組んだ。一般に神経系は、様々な感覚・認知情報を表現する脳内マップに神経突起を適切に配線することで、効率的に情報処理を行う。同様に、運動制御回路における運動神経細胞は、それらが制御する筋肉の配置を反映した樹状突起の分布を示す。従って、CPG におけるシナプスの空間配置とその活動の時間
構造が、運動における筋収縮の時空間パターンの起源であることが予想される。これを確かめるため、幼虫の運動生成に関わる腹部神経節（VNC）を用いて、シナプス集団活動を解析した。まず、前年度までに開発を進めていた、カルシウムイメージングデータ
からブトン（シナプス前部）を自動検出するアルゴ
リズムを完成させた。この手法によって VNC のイ
メージングデータから取り出されたブトン集団活動を分析し、ブトン集団において運動生成時に生じる
活動伝搬の詳細な時空間構造を抽出した。
解析の結果、運動生成時のブトン集団活動には、活動伝搬が局所的に周囲に拡散する点（発散点）と、そこに向かって収束する点（収束点）が、システム内に複数存在することを突き止めた。さらに、これらの点は、いくつかの列に沿って規則的に配置されていた。このような特徴的な活動伝搬の時空間構造に対して、神経活動の興奮性・抑制性に関わる神経伝
達物質の分布、そして運動生成に関わることが知られる特定の神経回路の空間構造を比較解析したところ、活動伝搬の発散・収束点がこれらの構造と相関することが示され、これまでの研究と整合することが明らかとなった。従って、発散・収束点を含むシナプス集団の活動伝搬場に対して神経細胞を適切に配線することで、運動パターン生成が実現している

7.1. 能瀬研究室

7. 生物物理可能性が高い。実際、得られたシナプス集団の活動
データに対して神経細胞の配置を最適化する、人工ニューラルネットを用いたシミュレーションを実行
したところ、同様の活動伝搬を再現することに成功した。これらの成果は、イメージングデータからブトン集団活動を抽出する新たな手法によって初めて得られたものであり、神経系の回路機構解明のためにシナプス集団の活動解析が極めて重要であることを示す。

深層学習モデルの病理画像データへの適用によるイメージングバイオマーカーの探索（パク ジョンヒョ
ク、能瀬聡直）Expansion Microscopy を用いた幼虫中枢神経系の微細構造解析（伊達隆久、能瀬聡直、高坂洋史）
脳神経系では膨大な数の神経細胞がネットワークを形成しており、各神経細胞が動物の行動生成に果たす機能を理解することは神経科学の重要な課題である。
これまでに我々は Expansion microscopy (ExM) という技術を用いてショウジョウバエ幼虫の中枢神経系の高解像度画像を取得し、神経系全体の構造を細胞レベルで解析してきた。ExM は、サンプルを吸水性ポリマーに埋め込んで等方的に膨張させ、蛍光プ
ローブ同士を引き離すことで回折限界以下の構造を可視化する技術である。今年度は、全神経細胞を染色した ExM サンプルの画像から、神経細胞の情報伝達を担う軸索の束の配向を抽出することで、その細胞群の系譜が推定できることを明らかにした。また、主要な神経伝達物質であるアセチルコリン、GABAの免疫染色を ExM と組み合わせることで、興奮性と抑制性のシナプスの分布を高解像度で明らかにした。
これらの神経回路の物理的基盤に関する知見が、動物行動という時空間パターンを生み出す回路機構の解明に貢献できると考えられる。

光変換型カルシウムセンサーによる自由行動中の神経活動の解析（伊達隆久、能瀬聡直、高坂洋史）
個々の動物は多様な運動パターンを駆使することで、複雑な環境下で活動している。異なる活動パター
ンが神経回路によってどのように生み出されるのかは、神経科学において重要な問題である。本研究では、自由行動中のショウジョウバエ幼虫において、異なる運動が生み出されるときに、中枢神経系のどの神経細胞が活動するのかを明らかにすることを目指した。この目的のために、幼虫の神経活動を光変換型カルシウムセンサー CaMPARI で記録する実験を開始した。CaMPARI は、神経活動に伴うカルシウ
ムイオン濃度上昇と紫外線照射によって蛍光波長が緑から赤へ不可逆的に変化する。CaMPARI を全神
経細胞に発現させた幼虫の自由行動時に紫外線を照射することで、その行動時に活動していた神経細胞・シナプスの形態と分布を赤色蛍光として読み取ることに成功した。今後この手法を用いることで、前進・後退・方向転換といった幼虫の様々な行動と相関する神経細胞とその形態・系譜を網羅的に明らかにしていく予定である。

組織病理学の診断や遺伝子変異に関連するイメー
ジングバイオマーカーを探索する深層学習基盤の方法論は大きく２つのカテゴリに分類することができる。
深層学習モデルを End-to-end で使用する方法 (高レベル方法論) と、多数の深層学習モデルと特徴量のデ
ザイン、そして機械学習モデルを組み合わせる方法(低レベル方法論) である。本研究では The Cancer
Genomic Atlas（TCGA）において公開されている病理イメージデータを使用して、マイクロサテライト不安定性（MSI）予測と MSI に関係があるイメージング
バイオマーカーの探索における二つの方法論の比較を行なった。その結果、高レベル方法論と低レベル方法論両方が臨床の知見とも一致するイメージングバ
イオマーカーを探索できることを発見した。この研究成果は韓国 Seegene Medical Foundation の Yul Ri
Chung 博士との共同研究として Scientiﬁc Reports に出版された。さらに、この研究に基づき、高レベル方法論を用いて予後を予測するイメージングバイオ
マーカーの探索を現在行なっている。がん細胞の局所的な密度をバイオマーカーの候補として見出しており、今後 TCGA の多数の臓器のデータを用いて検証を行う予定である。

7.1.2

運動出力ダイナミクスの定量的解析

神経回路の最終的な出力は、筋収縮による動物の体の局所的変形である。多数の筋収縮が協調的に生じることにより、動物の行動が生成される。筋細胞
は体全体に配置しているため、そのダイナミクスを
細胞レベルで解析するのは容易ではなかった。そこで、本研究室ではこれを可能とする新しい運動解析の方法を開発している。また、開発した手法を用いて種分化における運動の多様化の仕組みや行動制御を担う神経修飾を探っている。

遠隔触覚刺激によるショウジョウバエ幼虫への行動
介入技術基盤の開発（張旭、能瀬聡直、高坂洋史）
動物が示す洗練された行動は、進化の過程で、不均一で多様な環境に適応した産物である。この動物の適応性の高さを調べるには、多彩な環境を自在に生み出せる実験系の開発が不可欠であり、これにより神経回路、及び動物行動が高い環境適応性を備える機構を明らかにすることが期待できる。本研究では、
ショウジョウバエ幼虫の運動に対して、高い自由度
での物理的な介入を実現するために、超音波フェー
ズドアレイにより生成される局所圧力場を用いた行動介入実験系の開発を行なった。このシステムを用いることにより、従来の手法では難しかった可変な
時空間障壁パターンでの幼虫行動への介入が可能になった。本研究は、新領域創成科学研究科の牧野泰160

7. 生物物理7.1. 能瀬研究室

才博士、南山大学の藤原正浩博士らのグループとの共同研究である。

ショウジョウバエ幼虫の行動制御を担う神経修飾物
質の探索（OSNATO Nicodemo、張旭、能瀬聡直、
高坂洋史）
動物の運動パターンは、単位となる運動（歩行であれば一つのステップ）より長い時間スケールにおいても、制御されていることが知られている。例えば、
ショウジョウバエ幼虫において飢餓状態になると運動速度が上昇する。このメタ時間スケールでの運動制御に関わると考えられるのが神経修飾物質である。
神経修飾物質は、通常の神経伝達物質に比べて、広範囲でかつ長い時間スケールで作用することが知られている。しかし、神経修飾物質がどのように運動制御に関わっているかは、まだ不明な点が多い。
本研究では、ショウジョウバエ幼虫の探索行動をモデルとして、神経修飾物質が運動に及ぼす効果の定量的な解析を進めた。RNA 干渉法を用いて、ショ
ウジョウバエゲノムで同定されている各神経ペプチ
ド遺伝子の発現を全神経細胞で抑制し、幼虫の運動をマシンビジョンを用いて解析し、昨年度までに幼虫の運動スピードや方向転換頻度の制御に関わる候補遺伝子を同定した。今年度は、これらの候補遺伝
子の飢餓状態での行動に与える効果を解析した。その結果、インシュリン様ペプチドなどの神経修飾物
質の発現を阻害した個体で、飢餓状態における運動
速度上昇がみられなくなった。このことから、これらの神経修飾物質が、動物の内的状態の情報を長い
時間スケールの運動制御につなげる役割をもつことが示唆される。

て、移動を実現している。骨格を持たない多くの柔らかい動物の体表筋組織は、主に longitudinal（体軸方向）と transverse（体軸に垂直な方向）の筋肉群から構成されている。Longitudinal 筋は体節長の収縮を担うため、動物の推進力を生み出すが、一方の transverse
筋の機能には不明な点が多い。本研究は、ショウジョ
ウバエ幼虫の運動速度制御における transverse 筋の機能解析を行なった。まず、自由行動中の transverse
筋の収縮の様子を明らかにするために、筋を蛍光標識した個体の高速撮影を行い、transverse 筋の長さの変化とぜん動運動との関係を解析した。その結果、
longitudinal 筋の局所的な収縮が体軸上を伝播する
ぜん動運動中においては、transverse 筋はあまり収
縮せず、ぜん動運動の合間に transverse 筋が収縮することが分かった。このとき、興味深いことに、全ての体節の transverse 筋が同時に収縮することが観察された。次に、transverse 筋の機能を理解するため、これを制御する介在神経細胞を同定し、光遺伝学を用いてこれらの神経細胞の活動を人工的に制御することによって、transverse 筋の活動に摂動を与え、その影響を調べた。その結果、transverse 筋の過剰収縮によって、体の長さの増加、運動速度の低下が確認された。一方、transverse 筋収縮の抑制によって運動速度の上昇が観察された。以上から、transverse
筋の収縮は、運動速度に影響を与えることが明らかになった。このことは、ぜん動運動を行なう動物において、ぜん動運動を行なっていない時間幅を調整することが速度制御において重要であることを示しており、動物の運動速度制御における新しい機構を示唆するものである。この研究は英国セントアンド
リュース大学の Maarten Zwart 博士との 共同研究である。

行動選択を担う神経回路の構造機能解析（橋本裕作、
石津大我、能瀬聡直）

7.1.3

行動制御回路を構成する神経細胞の同定と機能解析

触覚刺激は動物にとって潜在的な脅威である。そのため、動物はその刺激から反対方向に逃げる能力を有することが知られているが、どのような神経回路がこの過程を制御しているかについては、いまだ明らかにされていない。本研究ではショウジョウバ
エ幼虫を用いてこの問題に迫っている。幼虫は、頭部と尾部へ触覚刺激を受容すると、それぞれ後退運
動、速い前進運動を伴う逃避行動を引き起こす。当研
究の以前の研究においてこのような部位特異的な逃避行動において重要な役割を担うコマンドニューロ
ンとして Wave ニューロンが同定されている。Wave
ニューロンは、A2-A7 の神経分節で左右 1 組ずつ存在するが、前方（A2、3 分節）の Wave ニューロン (以降、a-Wave) は体前方への触覚刺激に関する感覚入力を受け後退運動を誘発するのに対し、後方（A4-7
分節）の Wave ニューロン (以降、p-Wave) は体後方への触覚刺激の入力を受取り速い前進運動を誘発する。このように、Wave ニューロンは触覚刺激の位置に応じて、適切な方向への運動を駆動する役割を果
たすが、その下流でどのような回路がこの分節特異的な行動誘発を実現しているのかについては不明であった。

中枢神経回路内の個々の介在神経細胞が互いに神経活動を介して相互作用することで回路全体として統合された時空間的活動パターンが生成される。回路内で生起する神経活動の集団現象を構成的に理解するためには、個々の構成要素の機能や特性を理解する必要がある。そこで我々は光遺伝学的手法、及びコネクトミクスを効果的に用いることで、運動パターン生成や行動選択に関与する介在神経細胞群の同定と機能解析を進めている。

ショウジョウバエ幼虫運動速度制御における trans-verse 筋肉群の機能解析（劉英涛、能瀬聡直、高坂洋史）
ショウジョウバエ幼虫は、ぜん動運動によって移動する。ぜん動運動を行なう動物においては、各体節に存在する筋が体軸に沿って順次収縮することによっ161

7.1. 能瀬研究室

7. 生物物理

そこで本研究では、過去のコネクトミクス解析から
Wave と実行ニューロン (運動を実行する介在ニューロン) の間にあることが分かっていた介在ニューロン
bilateral thoracic (以降、BLT; a-Wave の下流ニューロン) と A19d(p-Wave の下流ニューロン) に着目し、これら 2 つのニューロンに対して機能解析を行った。
はじめに、機能解析を可能にするため両ニューロン
を遺伝学的に標的とする Gal4 系統の同定を試みた。
約 6000 の Gal4 系統の発現パターンが蓄積された
Flylight データベースを利用し、まずこれらニューロンを標的する可能性のある 22 系統を選び、さらに実際に実験的に確認することにより、 最終的にBLT と A19d ニューロン両方を標的とする Gal4 系
統 R72E03-Gal4 を同定した。
続いて、Gal80 系統などを用いて R72E03-Gal4 の発現をさらに限局することで BLT、A19d それぞれを特異的に活性化・不活性化する実験を行った。まず、
a-Wave の下流である BLT の特異的な活性化では後退運動が誘導され、反対にその不活性化時には頭部
触覚刺激呈示による後退運動の発生が阻害されることが分かった。一方、p-Wave の下流である A19d の活性化は早い前進運動を誘導し、反対に p-A19d（および他の R72E03-Gal4 標的ニューロン）の不活性化
時には熱刺激呈示による速い前進運動の誘導が阻害されることが明らかとなった。したがって、BLT の活動は後退運動、A19d の活動は早い前進運動の誘導に必要かつ十分であることが示唆された。以上の結果は、Wave ニューロンが BLT、A19d を介して、それぞれ後退、速い前進運動を誘発することを示唆している。現在、さらなる行動選択の回路機序解明に向け、a-Wave-BLT や p-Wave-A19d 間の機能的なつながりや BLT/A19d の下流ニューロンについて調査
している。

7.1.4

機能的神経回路の発生と進化

自律的に自身を形作り機能を獲得することができるという自己組織能は脳の大きな特徴のひとつである。脳神経系を構成する多数のニューロンはどのよ
うにしてお互いに配線し、機能的な回路を作り上げるのか。この問いに答えるために、これまで私たちは個々のニューロンの配線が形成される過程を生体内で可視化し、さらにこの過程を制御する機能分子を同定してきた。現在、これまでの単一ニューロンレベルの研究を回路レベルに発展させ、複数の神経配線からなる機能的な神経回路がどのようにして構築されるのかを調べている。さらに、進化の過程で、どのように神経回路の構造と機能が変化することで、種特異的な行動が生み出されるのかを探っている。

行動選択を担う神経回路の構築原理（石津大我、橋本裕作、能瀬聡直）
外界からの刺激に対して適切な行動を取れるよう行動戦略を適応させることは動物の生存にとって極めて重要である。しかし、適応行動を実装する神経

162

回路がどのようにして機能するのか、また個体発生や進化の過程でどのように形作られるのかに関する理解は限られている。本研究では、ショウジョウバエ
幼虫において前進・後退運動の選択を制御する Wave
コマンドニューロンに着目し、この問題に取り組んでいる。Wave ニューロンは 腹部神経節 (VNC) の各
節に 1 対ずつ存在し、節ごとにその軸索の形状が異なる。また、尾部に近いものを刺激すると前進を、頭部に近いものを刺激すると後退を惹起するというよ
うに、体節特異的な機能を持つ。当研究室の先行研究において、Wave ニューロンの軸索誘導に関わる分子の探索が行われ、Drosophila Wnt4(DWnt4) と、その受容体 Drosophila Frizzled 2(DFz2)、Drosophila
Frizzled 4 (DFz4) が同定された。しかし DWnt4 変
異体の表現型には DFz2 および DFz4 の機能欠失だ
けでは再現されない部分があり、DFz2、DFz4 以外の受容体の関与が示唆されていた。そこで本研究では、
そのような DWnt4 の受容体を探索している。胚発生の時期から Wave ニューロンを標的とする GAL4
系統 R60G09-GAL4 を用いて、候補となる受容体に対して RNAi 法を用い Wave ニューロン特異的に機能欠失させ、その形状を免疫組織化学で確認するス
クリーニングを計画しているが、この GAL4 系統は、
VNC において Wave ニューロン以外の或る求心性のニューロンをも標的とする。そこでまず、このニューロンと Wave ニューロンの重なりを、透明化試薬と3 次元レンダリングツールを用いて見分ける手法を現在探索している。

運動回路の発達初期における自発神経活動の分子及び細胞基盤 （関崇貴、曾祥孫澤、能瀬聡直）

多くの動物は、子宮や卵の中で動き始める。この発生初期の運動は、局所的で協調性のないものであるが、動物が成長するにつれて成熟した運動パターンを示すようになる。この現象は様々な動物種で見られるにも関わらず、その意義や分子基盤はまだ十分に解明されていない。研究室の以前の研究において、運動経験からの感覚フィードバックが運動回路の発達に必要であることを明らかにし、感覚フィー
ドバックの標的として M/A27h 神経回路（M ニュー
ロンと A27h ニューロンから構成される）を同定した。M ニューロンは発生の最初期には散発的な運動を行うが、次第に体節間での同時発火を起こすようになり、最終的には尾側から頭側へ伝わる波状の活性を示すようになる。この M ニューロンの活動は他のニューロンからの入力に依るものではなく、IP3 シ
グナルに依存した自発的なものであることも明らかにし、「M/A27h 回路は自発活動により引き起こした未熟な出力のフィードバックを介して自身および他の構成細胞を再編成する」という運動回路の自己構
築モデルを報告した。
今年度は、この IP3 シグナルを誘導する G タンパク共役受容体 (GPCR) とそのリガンドの起源の同定を目標とした。M と A27h の両方を標的とする Gal4 系
統を用いて候補の GPCR を RNA 干渉法によりノッ
クダウンし、その際の M ニューロンの神経活動をカ

7. 生物物理7.1. 能瀬研究室

ルシウムイメージングする実験により、PdfR と LkRが自発活動と運動回路の発達に影響のある GPCR の候補であることが明らかになった。現在、M ニュー
ロン特異的な Gal4 系統を用いた同様の実験を行う
ことで、M と A27h のどちらにおける GPCR が重要であるかを探っている。また、PdfR のリガンドである Pdf の抗体を用いた免疫染色により、自発活動に関わる Pdf の起源は腹部神経節尾端に存在する Pdf
発現細胞のクラスターである可能性が示唆された。
さらに、今年度は体節間の同時発火から波状の活性へと” 回路の” 神経活動が発達する機構も調査した。M ニューロンで RNA 干渉法を用いて GABAA
受容体をコードする遺伝子（Rdl）をノックダウンす
ると、M ニューロンの波状の活性は消失したが同時発火への影響は見られなかった。ここから、M/A27h
回路は GABA 作動性ニューロンからの入力を新たに組み込み、協調的な波状の活性を生み出す成熟した回路に再編成しているという仮説を立てた。現在、コネクトミクス解析を用いて M ニューロンに入力している上流のニューロンの候補を絞り込み、それらのニューロンの機能解析を行っている。また、新領域創成科学研究科の郡宏博士、渡邊絵美理氏と共同でこの回路再編成過程の理論モデル解析も進めている。本研究により、発生期における運動回路の自己組織化機能についての普遍的な原理を報告できると期待している。

匂い選好性の脳内表現の解明（松永光幸）
食べ物、または毒物質が近くにあるか、さらには魅力的なパートナーがいるかなど、生存または生殖上における判断をする上で嗅覚は動物にとって不可欠である。匂い源物質が個体にとって 良いもの であると判断した場合、個体は匂い源に近づこうとするが、 悪いもの と判断した場合は匂い源から離れる行動をとる。このように動物の匂いに対する応答を記録することで快・不快の匂いを定義することができる。上記のように動物は匂い選好性を持つが、どのように匂い選好性が脳内で符号化されているのかについては不明な点が多い。この点に関して、これまでに大きく二つの仮説が考えられてきた。1. 特定の匂いに対応する嗅覚受容体は、好きまたは嫌い、どちらかの行動を 1 対 1 で符号化している。2. 複数の嗅覚受容体の特定の組み合わせが好きまたは嫌いの行動を符号化しており、単一の嗅覚受容体が好き嫌いを符号化するわけではない。これまでの研究では、
ショウジョウバエの嗅覚受容体のいくつかは、特定の匂いのみに明確に反応性を示し、好き嫌いは単一受容体にラベルされているとする、1 の仮説が支持されてきた。一方で、多くの嗅覚受容体は、一つの匂いだけでなく、様々な匂い物質に反応することが知られている。このことは 2 の可能性を支持するが、嗅覚受容体を組み合わせるという実験の困難さから研究は進んでいなかった。本研究では 2 の仮説の検証を行った。不快物質としてはマスタードオイル、快物質
としては、果物から生成される gamma-hexalactone(以下 g-hex) を用い、これら両方の匂い物質の反応を媒介する嗅覚受容体を探索し、2 の仮説を検討した。

163

まず昨年までに不快物質と快物質の両方に反応する嗅覚受容体のスクリーニングを、電気生理学的手法を用いて行った。その結果 Odorant receptor 42a(Or42a) はマスタードオイルと g-hex の両方に反応性を持つことを明らかとした。続いて、マスタードオ
イル、g-hex に対して、ショウジョウバエはそれぞれ
どのような行動を示すかを解明するために行動アッセイを行った。その結果、ショウジョウバエはマス
タードオイルを嫌い、g-hex に近づくことを明らかとした。さらに Or42a はこれらの行動の表現型に必要であるかを調べるために、Or42a の機能喪失変異体を用いて同様の行動アッセイを行った。実験の結果、変異体はマスタードオイルに対する忌避、g-hex に対する誘引の両方の行動が失われたことから、Or42aはこれら両方の表現型に必要であることが明らかとなった。
本年ではこれらの行動を促す脳内表現を調べるた
めに、CaMPARI2 を用いて、マスタードオイルと ghex によって活性化された神経細胞群をそれぞれラベ
ルした。すると予想通り、Or42a 発現細胞はマスタードオイルでも g-hex どちらでも活性化されていたが、興味深いことに、それぞれ互いに別々のニューロン群も活性化していることを明らかとした。これらの結果から、ニューロンの活動の組み合わせが匂いの好き嫌いを符号化しており、必ずしも１つ１つのニューロンが個々に好き嫌いをコードしているわけではな
いことが示唆された。今後は、CaMPARI2 で明らかにした、マスタードオイルと g-hex それぞれで活動するニューロン群を、人為的に活性化させることで、これらのニューロン群の活動がそれぞれ忌避と誘引にとって十分であるかを解明する。これによって好き嫌いがどのように脳内で表現されているのかを解明し、個体間の選好性の差または種間での行動の違いを生み出す神経基盤の解明に貢献することができる。
本研究は米国 University of California、Berkley のNoah Whiteman 博士 と University of California、Davis の Santiago Ramirez 博士と共同で進められている。
(原著論文)[1] CNG. Giachello, I. Hunter, T. Pettini et al., Electrophysiological validation of monosynaptic connectivity between premotor interneurons and theaCC motoneuron in the Drosophila larval CNS.
Journal of Neuroscience, 42, 6724-6738 (2022)[2] X. Sun, Y. Liu, C. Liu et al., A neuromechanical model for Drosophila larval crawling basedon physical measurements. BMC Biology, 20, 130(2022)[3] J. Park, YR. Chung, A. Nose, Comparative analysis of high- and low-level deep learning approaches
in microsatellite instability prediction. Scientiﬁc
Reports, 12, 12218 (2022)[4] K. Fukumasu, A. Nose, H. Kohsaka, Extraction of
bouton-like structures from neuropil calcium imaging data. Neural Networks, 156, 218-238 (2022)(学位論文)

7.2. 樋口研究室

7. 生物物理[5] パクジョンヒョク：Deep learning-based analyses ofneural activities and histopathological images（博士論文）[15] Jeonghyuk Park, Junya Fukuoka, Wataru Uegami,
Akinao Nose. Analysis of image features related tosurvival prediction across multiple cancer types. 日
本デジタルパソロジー・AI 研究会総会 20th Annual
Meeting of Japanese Society of Digital Pathology,
2022.8.28, 東京[6] 福益一司：Structure estimation of motor patterngenerating neural circuits from calcium imaging
data of synapse population（博士論文）[16] Xu Zhang, Akinao Nose, Hiroshi Kohsaka. Automated real-time Quantitative analysis of behavior in Drosophila larvae. 第 45 回日本神経科学大会, 2022.6.30-7.3, 沖縄[7] AOKI Nicodemo Akiro：RNAi-based screening of
neuromodulators involved in the motor control in
Drosophila larvae（修士論文）[8] 橋本裕作：Identiﬁcation of homologous neurons mediating motor commands for diverse aversive behaviors in Drosophila larvae（修士論文、新領域創成科学研究科）[17] Xu Zhang, Akinao Nose, Hiroshi Kohsaka. Automated real-time Quantitative analysis of behavior
in Drosophila larvae. 第 15 回日本ショウジョウバエ
研究集会，2022. 9.12-14, 名古屋＜学術講演＞[18] Kazushi Fukumasu, Akinao Nose, Hiroshi
Kohsaka. Module structures in spatial distributionof activity timing and transmitters of synapse
population in motor generating circuits. 第 45 回
日本神経科学大会, 2022.6.30-7.3, 沖縄(国際会議)
一般講演[9] Teruyuki Matsunaga. Olfactory avoidance of toxic
volatile electrophiles is mediated by a broadly
tuned olfactory receptor in Drosophila, APS Comparative Physiology Meeting, 2022. 10. 28-31, San
Diego, USA[19] Takahisa Date, Akinao Nose, Hiroshi Kohsaka.
Comprehensive characterization of the axon bundles in the Drosophila larval motor circuits withexpansion microscopy. 第 15 回日本ショウジョウバ
エ研究集会, 2022.9.12-14, 名古屋[10] Yingtao Liu, Akinao Nose, Maarten Frans Zwart,
Hiroshi Kohsaka. Synchronous multi-segmental activity controls the speed of axial locomotion bymodulating the interval between peristaltic waves
in Drosophila larvae. SfN Neuroscience meeting
2022, 2022.11.12-16, San Diego, USA[20] Takahisa Date. Dissecting active neuronal population in moving ﬂy larvae. Forefront Physics andMathematics Program to Drive Transformation(FoPM) Symposium, 2023.2.6-8, 東京[21] 橋本裕作, 高野詩菜, 高木優, 能瀬聡直, Searchingof neural circuits regulating segment-speciﬁc touch
responses in Drosophila larvae. 第 45 回日本分子生物学会年会, 2022.11.30-12.2, 幕張[11] Takahisa Date, Akinao Nose, Hiroshi Kohsaka.
Comprehensive characterization of behavior speciﬁc neurons in fruit ﬂy larvae with a photoconvertible calcium sensor, Adaptive Circuit Census(ACC) International Symposium 2023, 2023.2.2122, Saitama, Japan[22] Akiro Aoki, Xu Zhang, Akinao Nose, Hiroshi
Kohsaka. RNAi-based screening of neuromodulators involved in motor patterns of foraging behavior in Drosophila larvae. NEURO2022, 2022.6.307.3, Okinawa[12] Takaki Seki, Yuko Komanome, XiangSunZe Zeng,
Akinao Nose. Motor-experience dependent reorganization of central circuits and its critical period. IRCN-iPlasticity International Symposium,
2023.1.10, Tokyo, Japan

招待講演[23] Yingtao Liu, Akinao Nose, Maarten F Zwart, Hiroshi Kohsaka. Synchronous multi-segmental activity between metachronal waves controls the
crawling speed in ﬂy larvae. 第 45 回日本分子生物学会年会 (MBSJ2022), 2022.11.30-12.2, 幕張

招待講演[13] XiangSunZe Zeng, Yuko Komanome, Hokto
Kazama, Akinao Nose. Molecular and cellularmechanisms underlying the emergence of spontaneous patterned activity crucial for motor development in Drosophila. NEURO2022, 2022.7.2, Okinawa, Japan

(講義等)[24] 医学共通講義 III 機能生物学入門（東京大学・医学系
研究科）[14] Akinao Nose. Functional development of neural circuits that regulate animal behaviors. The Neurophysics of Locomotion, 2022.7.28, California, USA

7.2

樋口研究室

(国内会議)

7.2.1

はじめに

一般講演

生物は、分子細胞、動物個体といった構造や機能の階層性を持っている。個体や細胞の機能は，もと164

7. 生物物理7.2. 樋口研究室をただせば分子の機能であるわけであるが、生体分子の種類の多さや複雑さゆえに、分子機能から個体や細胞機能を直接導くことは困難であるのが現状である。我々研究室では、この溝を埋めるために、まず分子の機能を詳しく理解するために、1 分子の力や変位の計測を行い、得られた結果から分子機能をできるだけ仮説を少なくして理解する研究を行った。
また、細胞と分子との関係を結ぶために、分子の機能があらわになるような細胞の輸送機能や運動機能を研究した。個体機能は、分子と結ぶことが困難であるが、これを可能にすべく、マウス個体内の細胞や分子の観測を行った。

7.2.2

弱体化した細胞における細胞内小胞拡散の定量

細胞を生育に適さない環境に晒すと、細胞は弱体化し、一定時間後の生存確率が低下する。弱体化した細胞では元気な時に比べ収縮などの状態変化が観察され、そうした細胞状態の変化が細胞の生存確率に寄与していると考えられる。しかし弱体化した細胞が元気な細胞と比べ、どのように状態が異なるのかは詳しくわかっていない。本研究では細胞が弱体化した時の状態変化を定量するパラメーターとして
細胞内小胞拡散に注目した。また、細胞を弱体化させる方法として細胞内での活性酸素発生、ATP 枯渇
環境への細胞の曝露という二種類の方法を用いた。
まず細胞内で活性酸素発生させた時、細胞の位相差像において、細胞内の 光揺らぎ値 が低下することから、 光揺らぎ値 が細胞損傷度の指標となることが本研究室の研究成果として既に報告されていたが、光揺らぎ値の実態についての知見はなかった。そこで光揺らぎ値が低下した細胞において、細胞内小胞を追跡し拡散係数を算出したところ、小胞拡散の低下率が光揺らぎ値の低下率のおよそ二乗になっていることがわかり、小胞拡散の低下が光揺らぎ値低下の要因の一つであることが明らかとなった。次にATP 枯渇環境への細胞の曝露についても同様に小胞の拡散係数を算出したところ、大きく低下し、 さらに生存確率と相関を持つことがわかった。したがって、小胞の拡散係数は弱体化した細胞の特徴的な量になっていることがわかった。さらに小胞の拡散係数が低下したメカニズムを解明するため、小胞と細胞骨格の位置関係を蛍光観察によって調べたところ、動きが極端に遅くなった小胞の近くに細胞骨格がある様子が見て取れたことから、小胞の拡散係数低下に対して細胞骨格が関与していることが示唆された。

7.2.3

低温から培養温度に至る過程における細胞の形態や発生力の変化

細胞の形態変化と運動は生命維持のための様々な機能と直結している。細胞運動は、細胞骨格タンパク質であるアクチンの重合力による細胞膜の押し出し、及び、接着タンパク質の細胞外基質と相互作用が165

協調的に起こることで生じる。この細胞の運動はさ
まざまな刺激や環境変化によって活性化される。例
えば、細胞を低温下に置くと、細胞骨格が消失し、細胞接着もがほぼ消失し細胞の形態及び運動能が劇的に変化する。本研究では、細胞の形態変化と運動との関係を明らかにするために、細胞を 4 ℃の低温環境におき、再び 37 ℃の通常の培養環境に戻した際に生じる形態変化と細胞の運動を調べた。その結果、低温ではアクチンフィラメント及び微小管などの細胞
骨格タンパク質の構造が消失し、また接着面積も大幅に減少し、丸く小さな形態をとっていた、低温から
37 ℃の培養温度に戻すと骨格タンパク質が 30 分程
度の短い時間で再び重合する様子や、細胞の接着面積が急速に拡大していく様子が観察された。この細胞接着面積の拡大や、細胞の運動能の回復は、細胞が接着する基盤の種類や表面処理の状態によって影響を受けることが判明した。細胞が移動する際に細胞外基質へと発揮する力を直接測定するという目的から、牽引力顕微鏡という手法が開発されている。この方法を用いて細胞が冷却効果から復帰してくる際に牽引力がどのように変化するのかを解析した。その結果、細胞が接着面積を等方的に拡大させていく
過程において、細胞膜周辺における力の局在位置が頻繁に入れ替わる様子が確認された。以上のことか
ら、低温から 37 ℃培養温度に移された細胞は、急激に細胞骨格を重合することで等方的な接着面積の拡大を示し、面積の増加は細胞膜周辺のランダムな分
布の牽引力により引き起こされていることが明らかとなった。また、十分に細胞骨格の重合がなされた
後には細胞の運動に極性が生じ、力も極性を持った分布を示すようになることも推察された。

7.2.4

精子鞭毛振動のメカニズム解明

精子鞭毛は、高次構造をもつが、各階層構造においてダイニン集団がどのような特性を持つ力を発生するのか、また力振動のメカニズムはわかっていない。そこで、軸糸そのもの、あるいは bundle またはダブレット上のダイニン列と平行に結合させた重合微小管を利用し、ダイニンの発する力を光ピンセッ
トによって測定した。これら intact な状態に近い 3
つの階層のダイニン集団に加え、精製したダイニン
を用いて、鞭毛内でのダイニン集団が発生する力の特性やダイニン分子自体の特性を明らかにした。更に、モンテカルロシミュレーションを行うことによりダイニン分子小集団による振動のメカニズムを提案した。軸糸の長さと発生力の関係、bundle およびダブレットでは相互作用している重合微小管の長さと力の関係を解析した。その結果、軸糸では力は長さに比例し、1 μ m あたり約 14 pN の力が発生した。Bundle もこれに従うことが明らかになった。ダ
ブレット上には 1 μ m あたり約 115 分子のダイニンが存在し、ダイニン 1 分子が出す力は約 5 pN と報告されていることから、14 pN はダイニン約 3 分子の力に相当し、同時に力を発生するダイニンは全体の約3 ％程度であることが示唆された。一方でダブレッ
トでは長さと力の大きさに明確な比例関係は見られず、いずれの長さの微小管でも約 5 pN の力が最頻値

7.2. 樋口研究室

7. 生物物理であった。このことから、ダブレットで測定された力は 1 分子程度のダイニンによるものと考えられる。
測定された単位長さあたりの力が小さいことは、ダイニン分子の duty ratio（力を出す割合）が低い可能性を示す。このことを検証するため、21S ダイニ
ンの in vitro motility assay で duty ratio を求めた。
ダイニン密度と滑り速度の関係を、Sakakibara らの式（Sakakibara et al., 1999）でフィットして得られた duty ratio は約 7 ％となった。長さ当たりの力が小さい原因が低い duty ratio にあることが示された。
軸糸、bundle、ダブレットの全ての階層で力の振動が観察され、振動数は 10〜234 Hz であった。この内何例かは step ﬁnding algorithm によりステップを検出できた。ステップの大きさの分布からステップサ
イズはそれぞれ 8〜10 nm であった。さらに、振動数が高くなると dwell time が短くなること、プラス
方向とマイナス方向で dwell time が変化しないことが明らかになった。反応モデルを用いてシミュレー
ションを行った結果、振動を再現することに成功した。ステップ解析により得られたステップサイズは
約 8 nm であり、dwell time とあわせ実験結果と非常に近い値となった。このモデルから、振動のメカニズムとして次の仮説を提案する：力の増加フェー
ズでは、パワーストロークを行うダイニン分子数が増加する。力のピークを迎えると解離やリバースス
トロークが起こる頻度が上昇し力が減少する。粘性により力の減少はゆっくりとなり、その間に再結合やパワーストロークを行うダイニンの割合が増加し再び力が増加に転じる。 以上の結果から、軸糸では同時に力を発生するダイニンは全体のわずか数％程度で、bundle も同じ特徴を示した。これはダイニ
ンの duty ratio の低さによることが明らかになった。
また、軸糸からダブレットまでの 3 階層でダイニンの振動を測定することに成功し、ステップサイズが8〜10 nm であったことから、振動時には、少数のダ
イニン分子が微小管の周期 8.2 nm に沿ってステップ
運動を行うことが明らかとなった。さらに、シミュ
レーションにより力の振動が起こるメカニズムを提
唱した。

7.2.5

鞭毛振動運動を再現できる最小モデ
ルシステムの構築

じであれば、反対向きのダイニンは反対の力を発揮することが期待される。2 本の微小管の片方をガラス表面に固定し、もう一方の微小管の上にビーズを結合した。このビーズを光トラップし、Caged-ATPの光分解後にダイニン-微小管-DNA-オリガミ複合体が実際に往復振動することが示された。興味深いことに、複合体の一端を保持すると、反復的な屈曲運動が見られた。この結果は、反対向きのダイニン、微小管、微小管間架橋体の集合体からなる単純なシス
テムが、追加の制御構造を持たずに、振動と反復的な屈曲運動を引き起こす本質的な能力を持っていることを示すものである。
＜報文＞(原著論文)[1] Seohyun Lee, Hyuno Kim, Hideo Higuchi. Automation of detecting and tracking 3D vesicle transport using dual-focus optics. Image Acquisition
and Processing XXX 12385, 80-83 (2023).
[2] Shimaa A. Abdellatef, Hisashi Tadakuma, Kangmin Yan, Takashi Fujiwara, Kodai Fukumoto,
Yuichi Kondo, Hiroko Takazaki, Roﬁa Boudria,
Takuo Yasunaga, Hideo Higuchi, and Keiko
Hirose*. Oscillatory movement of a dyneinmicrotubule complex crosslinked with DNA
origami. elife. e76357 (2022.6)[3] Seohyun Lee, Hyuno Kim, Hideo Higuchi,
Masatoshi Ishikawa. Deep learning approach formetastatic cancer cell classiﬁcation using live-cell
imaging data. Imaging, Manipulation, and Analysis of Biomolecules, Cells, and Tissues XX. 11964,
15-20 (2022).
＜学術講演＞(招待講演)[4] Hideaki Ota, M. Sakuma and H. Higuchi. Quantitative evaluation of cell damages by motility ofintercellular organelles. Symposium on Internatinal Nanomedicine. Tokushima, Japan (2022.12)[5] 樋口秀男「宇宙の普遍性と生命の普遍性」 東京大学
理学系研究科 名誉教授の会 (2022. 10)[6] Motoshi Kaya.Autonomous characteristics of skeletal and cardiac myosin ensembles are essential
for contractile functions of skeletal muscle andheart,Symposium:Autonomous Characteristics ofMolecular and Cellular Ensembles: Toward an Understanding of Biological Functions, 第 60 回日本生物物理学会 函館アリーナ (2022.9)

繊毛や鞭毛の屈曲は、軸糸の片側にある軸糸ダイ
ニン分子が力を発生し、微小管マイナス端に向かうことで起こる。軸糸が反対方向に曲がるときに、このダイニンは引き戻される。つまり、繊毛・鞭毛の屈曲を繰り返す際にダイニンが振動的に往復運動する。ダイニンの活動を制御する要因としては、ネキ
シン・ダイニン制御複合体、中心体から放射状に伸びるスポーク、中央装置など、様々なものが考えられる。ダイニンの振動運動の基本的なメカニズムを理解するために、我々は、微小管、外腕ダイニン、および DNA 折り紙で作られた微小管間の架橋からなる単純なモデル系を構築した。その尾部は微小管のどちらに結合するかによって、2 つの異なる向きに結合していることがわかったため、微小管の極性が同[7] 樋口秀男, 太田英暁. 「細胞の元気さを測る」遺伝子・デリバリー研究会 第 21 回シンポジウム 東京大学
(2022.8)[8] Motoshi Kaya.Unique Molecular Properties of Cardiac Myosin Essential for Heart Contraction. Symposium on 9th World Congress of Biomechanics,
Taipei, Taiwan(2022.7)166

7. 生物物理7.3. 岡田研究室

一般講演

7.3.1

[9] 樋口秀男, 藤原貴史, 茅元司, 鷲尾巧. 精子鞭毛ダイニ
ンは少数分子でも振動を起こせるのはなぜか？ 生体運動研究合同班会議 東京大学 (2023.1)

ナノ流路を用いたタンパク質動態計
測

蛍光一分子計測では、通常 100 ミリ秒程度の撮影時間が必要である。タンパク質分子の拡散係数は10 − 100 µm2 /s であり、100 ミリ秒の間に 1 µm2 以上の範囲を動いてしまうため、溶液中で自由拡散するタンパク質分子を観察することは困難であった。そのため、これまでタンパク質分子の一分子計測では、カバーグラス表面などに固定する必要があった。
私たちは、高強度励起光を輪環状に成形する独自の照明光学系と高速低ノイズな cMOS カメラを組み合わせることで、1 ミリ秒程度の撮影時間で蛍光一分子を撮影できる高速蛍光一分子イメージングシス
テムを構築してきた。これを用いることで溶液中でタンパク質分子が自由拡散する様子を観察することが可能となったが、全反射照明で照明される範囲はカバーグラス表面から 100 nm 程度であるため、深さ方向の拡散により個々のタンパク質分子を追跡することは困難であった。
そこで、理化学研究所の田中陽研究室との共同研
究により、カバーグラス表面に 100 nm 以下の深さ・幅のナノ流路を形成し、タンパク質分子の拡散できる範囲を制限することで、この問題を解決した。ナノ流路に閉じ込められた蛍光分子は常に視野内に留まり (図 7.3.1)、これを追跡し定量的に解析できることが実証された (図 7.3.2)。

[10] 太田英暁, 樋口秀男. ATP 枯渇時の細胞内小胞運動にもとづく細胞損傷度の定量. 生体運動研究合同班会議
東京大学 (2023.1)[11] カシムチェティ亜瑠夢, 樋口秀男, 茅元司. 情報理論からミオシン分子集団機能を考える. 生体運動研究合同
班会議 東京大学 (2023.1)[12] Seohyun Lee, Hyuno Kim, Hideo Higuchi. An automatic detection and tracking method for the 3D
reconstruction of vesicle movement in a living cell
第 60 回日本生物物理学会. 函館アリーナ (2022.9)[13] Hideaki Ota, Hideo Higuchi. Quantitative evaluation of the decrease in intracellular mobility of cells
in which ATP synthesis is inhibited, 第 60 回日本
生物物理学会. 函館アリーナ (2022.9)[14] Yuta Sekiguchi, Hideo Higuchi, Motoshi Kaya. Understanding of robustness in cancer morphology incold temperature、第 60 回日本生物物理学会. 函館アリーナ (2022.9)[15] 篠原 健一, 大貫 祐河, 堀 諒雅, 樋口 秀男 ポリマー
1 分子の直視：イオン性分子モーターの高速 AFM イ
メージングとレーザートラップ法による力学計測 高
分子学会高分子討論. 北海道大学 (2022.9)[16] 太田英暁, 樋口秀男. 細胞運命に関わる細胞内運動低下率の定量化, 第 21 回東京大学生命科学シンポジウ
ム 東京大学 (2022. 6)[17] 篠原健一, 大貫佑河, 堀諒雅, 樋口秀男. ポリマー 1 分子の直視-イオン性ポリマー鎖による力発生- Polymer,
Japan Vol. 71, No. 1 (2022.5)
社会貢献[18] 樋口秀男「地球外にどのような生物が存在するか」東京大学オープンキャンパス＆ YouTube 対象：高校・中学生 (2022.8)

7.3

図 7.3.1: ナノ流路に閉じ込めたタンパク質分子の一分子イメージング

岡田研究室

生命の基本単位は細胞である。細胞は、タンパク
質や脂質、核酸など様々な生体分子が密に集まった構造物である。細胞を構成する個々の生体分子については、その構造がオングストロームの解像度で原子模型が作成できる程度に解明され、動態も分子動力学計算などにより物理化学的な理解が進んでいる。
しかし、それらが集合することで、細胞という生命現象が如何にして生じるかは全く判っていない。私たちは、細胞の中で生体分子やその集合体がどのような構造をとり、どのような動態を示し、それによってどのような機能が発現されるかを、生きた細胞の中で生体分子を直接見て、測って、操作することを通じて理解したいと考えている。そのために、当研究室では、主に生きた細胞の中を可視光を用いて観察、計測、操作するための技術開発と、これを用いた細胞生物学・生物物理学研究を並行して進めている。

167

7.3.2

耐光性蛍光タンパク質 StayGold

蛍光色素や蛍光タンパク質などの蛍光分子は、基底状態 (S0 と一重項励起状態 (S1 ) の間を遷移することで蛍光を発するが、低い確率で三重項状態 (T1 ) へと遷移することがある (系間交差)。三重項状態から基底状態への遷移は禁制遷移であるため確率は低く、一重項励起状態の寿命がナノ秒程度であるのに対して、三重項状態の寿命はミリ秒程度と桁違いに長い。
また、三重項状態の蛍光分子が、電子を授受すると、アニオンないしカチオンといったイオン状態へと遷移する。イオン状態の寿命は、数秒〜数分と非常に長い。この三重項状態およびイオン状態の蛍光分子
は、励起蛍光のサイクルから外れて蛍光発光を起こさない状態であるため、暗状態と総称される。この暗状態が存在するため、蛍光分子１分子を経時的に

7.3. 岡田研究室

7. 生物物理行った (図 7.3.3)。その結果、StayGold は、標準的な蛍光タンパク質として広く用いられている EGFPの 10 倍以上の褪色しにくいことが、一分子レベルで確認された。

図 7.3.2: ナノ流路に閉じ込めたタンパク質分子の拡散計測
観察すると、ときどき光らなくなり、しばらくすると再び光るようになるという明滅現象 (ブリンキング)がみられる。 また、暗状態はエネルギー準位が高く化学的に不安定である。特に、溶液中の溶存酸素
分子と反応しやすいため、不可逆的な化学反応を経て蛍光を発しない分子へと変化しやすい。これを蛍光褪色と呼ぶ。
生きた細胞などを経時的に蛍光顕微鏡で観察する
際、多くの場合は、この蛍光褪色が大きな制約となる。観察している間に、蛍光褪色が進行して試料が光らなくなってしまうため、観察できる時間が限られてしまう。特に、蛍光一分子イメージングや、これを応用した超解像蛍光ライブセルイメージングに
おいては、通常の蛍光顕微鏡観察よりも強い励起光を用いる必要があるため、如何に褪色を防ぐかが重要となる。たとえば in vitro での実験系では、溶液中の溶存酸素濃度を下げるなどの工夫で蛍光褪色を遅らせることができるが、これを生きた細胞の観察に応用することは難しい。
私たちはこれまで、蛍光色素および蛍光タンパク質の研究者との共同研究を通じて、蛍光一分子イメー
ジングや超解像蛍光ライブセルイメージングに適した蛍光分子の開発と応用に取り組んできた。2022 年
度には、理化学研究所の宮脇敦史研究室で発見・開発されたタマクラゲというクラゲ由来の緑色蛍光タ
ンパク質 StayGold について、宮脇研究室と共同で、このタンパク質の一分子レベルでの光化学的性質の検討と蛍光一分子イメージングおよび超解像蛍光ラ
イブセルイメージングへの応用を行った ([2])。
精製した StayGold タンパク質およびスペクトルの類似した既存の緑〜黄緑色の蛍光タンパク質 3 種
類 (EGFP, mNeonGreem, mClover3) について、精製タンパク質を用意し、蛍光一分子イメージングで褪色速度を比較した。蛍光タンパク質によって、励起光として用いた 488 nm のレーザー光による励起
効率 (モル吸光係数×量子収率) が異なるため、実用的に意味がある比較として、カメラに到達する光子
数が 2,000 photons/秒 となる条件に揃えて比較を

168

図 7.3.3: 新規蛍光タンパク質 StayGold と既存の緑 黄緑色蛍光タンパク質の褪色速度の比較
さらに、この一分子レベルの解析によって、StayGold の暗状態の寿命が短いことが示された。このことから、StayGold では、三重項状態からイオン状態に遷移する確率が低く、このことにより褪色しづら
いのではないかと考えられる。
このように、従来の蛍光タンパク質より 10 倍以上
褪色しにくい StayGold は、超解像ライブセルイメー
ジングにも適した蛍光分子であることが示された (図7.3.4)。特に、私たちが開発したスピニングディスク
超解像顕微鏡 ([?]) との組合せに適しており、長時間の 3 次元超解像ライブセルイメージングなど多様なアプリケーションが可能となった。

7.3.3

超解像蛍光顕微鏡の生物学研究への応用

脊椎動物の左右軸決定機構
私たちの身体は、表面から観ると概ね左右対称であるが、内臓は左右非対称に配置されていて、たとえば心臓は左側に、盲腸は右側にある。この左右非対称性を決定する機構として、私たちは脊椎動物の発生初期に胚表面での線毛運動により生じる左向きの水流の向きが「左側」を決定することで左右非対称性が生じることを示した。
しかし、この水流を細胞がどのように感知して左側の決定に至るかについては、水流により、左側を決定する化学物質が下流に濃縮するというモデルと、

7. 生物物理7.3. 岡田研究室

さいため、通常の光学顕微鏡での解析は困難である。
そこで、私たちは、超解像顕微鏡を用いた 3 次元的な計測が行った。その結果、水流を感知する線毛では、身体の中心線側に受容体タンパク質が集積していることが示された (図 7.3.6)。

図 7.3.4: 新規蛍光タンパク質 StayGold を用いた蛍光ライブセルイメージング (アクチン線維)
図 7.3.6: 超解像顕微鏡で観察した線毛表面の受容体
水流による線毛の変形が重要であるというモデルが提唱され、論争が続いていた。
前者については、閉鎖環境での水流で濃度勾配が形成されるのかという疑問が提起されている。一方、水流による線毛の変形だけでは、細胞は水流の向きは感知できても、その細胞が水流の下流側にいるのか上流側にいるのかを区別することはできないとも指摘されている (図 7.3.5A)。

タンパク質の非対称分布 ([3])
この結果から、水流の上流側か下流側かは、線毛の変形で受容体タンパク質が縮められるか伸ばされるかで区別できると考えられる (図 7.3.5B)。濱田研
究室では、光ピンセットを用いて線毛に変形を加えることでこのモデルを検証し、左右非対称性の決定
機構の理解が進展した ([3])。

高分解能 3 次元ライブセルイメージング
倒立型の高分解能ライトシート顕微鏡を用いた 3次元ライブセルイメージングにより、図 7.3.7 のように生きた細胞を高い時空間分解能で 3 次元観察することが可能になった。2022 年度には、この手法を応用して、がん細胞の浸潤突起の 3 次元観察を行った。
がん細胞は、基底膜を浸潤することで上皮から脱出し、転移する。したがって、がん細胞がどのように基底膜を浸潤していくかは、転移の初期過程の理解としても重要である。
しかし、通常の顕微鏡観察では、がん細胞が顕微鏡の光軸方向に突起を伸ばして浸潤するため、この浸潤突起を観察することは困難であった。そこで、本手法を用いた 3 次元観察を行った結果、がん細胞が基底膜側に突起を伸ばす様子を観察することができた ([1])。

図 7.3.5: 水流による左右非対称性決定機構のモデル＜報文＞

この問題に取り組んできた理化学研究所の濱田研究室と共同研究で、私たちは、線毛表面で変形を感知する受容体タンパク質の分布を解析した。線毛の太さは 100 nm 程度で光学顕微鏡の回折限界より小(原著論文)[1] Saji T, et al., J. Biol. Chem. 298, 102090 (2022).

169

7.3. 岡田研究室

7. 生物物理[11] 岡田康志、実験自動化からバイオ DX へ、情報計算
化学生物学会第 433 回講演会「生命科学の理解を飛躍させるデジタルな研究環境革新」オンライン、2022
年 5 月 13 日
[12] 岡田康志、分子・細胞のライブイメージングからバイオ DX へ、生物工学懇話会、オンライン、2022 年 5月 24 日[13] 岡田康志、エピゲノム状態・転写・代謝など細胞状態を可視化する蛍光プローブ技術、AMED 難治性疾患
実用化研究事業成果報告会、オンライン、2022 年 7月 11 日〜8 月 10 日
[14] 岡田康志、4 次元イメージング、第 33 回細胞生物学
ワークショップ、大阪大学、2022 年 8 月 5 日[15] 岡田康志、シン・ライブセルイメージング、健都イ
メージングサポート拠点キックオフシンポジウム『シン・ミクロの世界』、国立循環器病研究センター、2022
年9月7日

図 7.3.7: 倒立型ライトシート顕微鏡で観察した HeLa
細胞表面の糸状仮足)[16] 岡田康志、超解像技術と蛍光寿命を用いた最新バイオ
イメージング、ライカオンラインセミナー、オンライ
ン、2022 年 9 月 15 日

[2] Hirano M, et al., Nat. Biotechnol. 40, 1132-1142(2022).
[3] Katoh TA, et al., Science 379, 66-71 (2023).

[17] 岡田康志、細胞内で RNA を見て、操作する技術の開発と応用、第 1 回 CREST・さきがけ領域横断シンポ
ジウム、オンライン、2022 年 10 月 14 日

[4] Nozaki T, et al., Science Adv 9, eadf1488 (2023).
(国内雑誌)[18] 岡田康志、超解像・一分子顕微鏡技術を用いた細胞内分子動態の計測、薬物動態学会第 37 回年会ライカラ
ンチョンセミナー、パシフィコ横浜、2022 年 11 月 9日[5] 岡田康志、「超解像顕微鏡法への誘い」、BIO Clinica
11, 982-983 (2022)(学位論文)[6] 向井智哉、細胞の力学センサー実現へ向けた評価系の構築 (修士論文)[19] 岡田康志、ライブイメージングの限界を超える、順天堂大学イメージングセンターキックオフシンポジウ
ム、順天堂大学、2022 年 11 月 13 日

[7] Andre Lee, Screening for ﬂuorescent proteins forthe development of lifetime-based biosensors (修士
論文)[20] 岡田康志、ライブイメージングの限界を超える、北海道大学ニコンイメージングセンター学術講演会、北海
道大学、2022 年 11 月 22 日

(著書)[21] 岡田康志、蛍光ライブセルイメージングの限界への挑戦、光塾、2023 年 1 月 18 日
[22] 岡田康志、標準量子限界への挑戦、量子生体さきがけ
領域会議特別講演、2023 年 1 月 25 日

[8] 岡田康志、「超解像顕微鏡技術の開発と軸索輸送研究への応用」in 『ブレインサイエンス・レビュー 2022』,
17-39 アドスリー、(2022)[9] 岡田康志、「イメージングによるオミクス状態の推定」
in 『空間オミクス解析スタートアップ実践ガイド』,196-202 羊土社、(2022)＜学術講演＞[23] 岡田康志、蛍光ライブセルイメージングの限界への挑戦、大阪大学微研セミナー、2023 年 2 月 9 日[24] 岡田康志、機械学習・人工知能を活用したライブセル
イメージング、日本解剖学会シンポジウム、2023 年
3 月 20 日(セミナー)(国際会議)[25] 岡田康志、細胞や分子を見て、判るためのイメージン
グ、奈良県立医大特別講義、奈良県立医大、2022 年
9 月 14 日

招待講演[10] 秋の学会 15. Yasushi Okada, Toward super spatiotemporal resolution ﬂuorescence microscope forlive imaging of molecules and cells , OPIC, ALPS,
2022, パシフィコ横浜、2022 年 4 月 18 日

[26] 岡田康志、基礎研究と製品開発のニーズとシーズ、TGex 研究成果エキシビション、名古屋大学、2022 年
11 月 7 日(国内会議)
招待講演170

7. 生物物理

7.4

7.4. 古澤研究室

古澤研究室

生物システムは、様々な環境変化や内部状態の揺らぎの下で機能し続けられる頑強性（ロバストネス）を持つ一方で、 環境変化などに対して柔軟に内部状態を変化させる可塑性を持つ。 このロバストネスと可塑性が両立できるという性質は、生物システムと人工システムの本質的な違いであるが、 どのようにして複雑な化学反応のネットワークがその両立を可能とするか、そのメカニズムの理解は進んでいない。
一方で、大規模な生物実験データが取得できるようになり、そうしたデータに基づいてシステムの状態
遷移やそのロバストネスを議論できるようになりつつある。我々の研究室では、分子から生態系といった様々な階層における生物システムの振る舞いに関して、その状態のロバストネスと可塑性がどのような性質を持つか、理論研究と実験研究の双方からの理解を目指している。

数薬剤の濃度勾配を適切に組み合わせることにより、進化軌跡の制御を実現している。この手法を用い、様々に異なるターゲット表現型へ向けた進化実験を実施したところ、その進化ダイナミクスに履歴依存性が多く見られることが示された。例えば、ある親株の状態 P から表現型 A へ向けた進化軌跡と、同じ表現型 A へと到達する制御をかけるが一旦別の表現
型 B を介して A に到達させる進化軌跡を比較した
ところ、迂回路を介した後者の方がより速く表現型
A に到達する場合があることを見出した。こうした履歴依存性を調べることにより、その表現型空間における進化のしやすさを定量的に理解することが可能となり、その背後にある進化的拘束が出現するメ
カニズムの理解につながると期待している。今後は、様々なターゲットへ向けた進化実験を系統的に行い、高次元の表現型空間における進化可能性を定量する予定である。

7.4.3
7.4.1

環境応答に基づく表現型進化の予測ある環境に対する適応進化が、別の環境に対する適応度をどのように変化させるかを理解することは、その進化ダイナミクスが持つ性質を明らかにする上で重要な意味を持つ。例えば病原性バクテリアにおいて、ある抗生物質に対する耐性獲得が別の薬剤への耐性能を変化させる現象は、交差耐性・感受性と呼ばれ盛んに研究が進められている。この問題に対して、内部に化学反応ネットワークを持つ細胞モデルを用いた理論研究により、複数の環境変化に対する応答と、その環境に対する交差耐性との間に相関関係が存在することが示された。この相関関係は、環境変化に対する応答と、その環境下での表現型進化
が表現型空間において同一の低次元構造に拘束されていることに起因する。この理論を検証するために、大腸菌の実験データを用い、抗生物質を添加したときの遺伝子発現プロファイルの変化（応答）と、その抗生物質の下で数百世代の進化実験を行ったときの発現量変化に有意な相関があることを確認した。こ
れらの結果は、環境変化に対する応答を解析することにより、その環境下での表現型進化をある程度は予測可能であること意味している。

7.4.2

選択圧にフィードバック制御をかけた進化実験による進化能の定量

ある一つの薬剤を添加した環境での大腸菌進化実験を行い、その過程において同時に他の複数の薬剤に対する耐性能を定量することにより、薬剤耐性能を軸とした高次元空間における軌跡として薬剤耐性
進化のダイナミクスを記述することが出来る。この耐性能空間においてターゲットとする表現型を指定し、現在の表現型からそのターゲット表現型へ向けた進化過程を実現する手法を構築した。具体的には、
単純なフィードバック制御のアルゴリズムにより複171

代謝モデルを用いた共生進化過程の解析

細胞内共生をしている微生物は、縮小したゲノムを持つことが多い。このゲノム縮小が生じるメカニ
ズムについて、有効集団サイズが小さいことによる有害変異の蓄積などの仮説が考えられるが、その実証は進んでいないのが現状である。この問題に対して本研究では、単純化した代謝モデルを用い、宿主と共生体の対立的な多階層進化過程を考えることにより、共生体の代謝自由度が減少する選択圧が生じることを見出した。このモデルでは、宿主内部に共生体があるとし、それぞれが代謝ネットワークを持
ちそれによって増殖速度が決まるとしている。このとき、宿主の増殖速度で選択圧をかける進化シミュ
レーションを行ったところ、結果として共生体の代謝自由度が減少することが見出された。これは、共生体の代謝自由度が減少することにより、宿主が共生体の代謝状態をコントロールすることが可能になることに起因する。この共生体の代謝自由度の減少
は、実際の宿主と共生している微生物のゲノム縮小の要因の一つになる可能性がある。今後は、このモデルを実際の微生物の代謝ネットワークに基づくものに変え、どのようなゲノム縮小の過程が生じやす
いかを計算機シミュレーションにより探索し、さらにその理論からの予測と実際の共生進化実験のデー
タとの対応を議論する予定である。

7.4.4

数理モデルを用いた無細胞翻訳系の最適化

PURE（Protein synthesis Using Recombinant Elements）システムは、細胞外でのタンパク質合成を可能にする無細胞翻訳系の一つであり、大腸菌由来のタンパク質をコードする遺伝子を含むプラスミド
DNA と、その遺伝子産物であるタンパク質の合成に必要な酵素、タンパク質因子、および ATP などの補

7.4. 古澤研究室

7. 生物物理因子を含む混合物で構成される。この PURE システ
ムでは、投入した成分はすべて精製されたものであり、内部で生じている化学反応はすべて既知であるにもかかわらず、その反応ダイナミクスの振る舞いには不明な点が多く残されている。例えば、ある基質の初期濃度を変化させ、最終生成物であるペプチドの生成量を定量する実験を行ったところ、その生成量はある基質濃度で最大値を持つ単峰性の依存性を示したが、どのようにしてその非線形の依存性が出現するか、そのメカニズムは不明である。
この PURE システム内部で生じている化学反応は既知であり、その振る舞いを記述した数百の自由度からなる微分方程式で構成された ePURE と呼ばれる数理モデルが存在する。この ePURE において化学反応のパラメータは実験値や文献値から収集されたものを用いているが、その計算結果と実験データの間には大きな差異が残されている。そこで本研究
では、PURE システム内部で生じている高次元の化学反応ダイナミクスが持つ性質を理解することを目的として、実験データを再現できる ePURE のパラ
メータ探索を行った。遺伝的アルゴリズムを用い、実験データと ePURE による計算結果の差異を小さくするパラメータの探索を行ったところ、実験データと近い振る舞いを生み出すパラメータセットを得る
ことに成功した。また、その最適化されたパラメー
タセットを用いたときの化学反応ダイナミクスを詳細に解析することにより、様々な律速反応が存在し、それらによって実験データで見出されている初期基
質濃度への非線形な依存性が出現することが示唆された。今後は、実験データを再現できる複数のパラ
メータセットのパターンをさらに詳細に解析することにより、現実の PURE システムが持つ複雑なダイナミクスが持つ性質の理解を試みる。

7.4.5

代謝動力学モデルにおける恒常性の乱れ『恒常性』は変動する環境下で生命システムが持続的に存在し、繁殖していくために必須の機構である。恒常性を支えるひとつのメカニズムとして生命システムにおける頑健性の研究は広く行われてきたが、どのような状況下で生命システムの恒常性が乱れるのかという逆方向の問いは、頑健性に比べればあまり注目されていない。本研究では細胞の代謝状態における恒常性の乱れがどのように起こるのかを調べた。生命機能のなかでもとりわけ代謝状態に着目した理由は、転写翻訳などの高分子合成や、細胞の環境適応を支えるシグナル伝達経路を稼働させるために必要なエネルギー分子が、煎じ詰めれば代謝系を通じて生成されているためである。フラックスバ
ランス解析などの静力学モデルでは恒常性の乱れを扱うことは出来ないため、代謝の動力学モデル、な
かでも最も単純な大腸菌の中心代謝経路モデルを研究対象とした。
３つの異なる大腸菌中心代謝経路動力学モデルを用いて、代謝物質の濃度を定常状態の値から 20∼40%程
度摂動するという数値計算を行った。この 20∼40%172という値は、反応を触媒する酵素の転写翻訳プロセスにおける確率性を考慮することで見積もられる、細胞内であり得る代謝物質濃度の揺らぎの大きさである。ランダムにさまざまな摂動を行った結果、多くの場合代謝状態は元の定常状態へと単調に緩和した。
しかし一定の割合で、最終的には元の定常状態に戻るものの、その過程で多くの代謝物質の濃度が大きく（100 倍近く）変化することがあることが分かった。摂動への応答の強さについて定量的な差はある
ものの、この現象自体は調べた 3 つのモデル全てに見られる現象であった。代謝物質濃度の大きな変化
は細胞機能の阻害や、場合によっては細胞死を誘発し得るものであるため、これを数理モデルにおける代謝状態恒常性の乱れと捉え、そのメカニズムを調べた。
機械学習やネットワーク拡張を用いた数値解析の
1
結果、代謝状態恒常性の乱れには○ATPなどの補酵
2 代謝反応ネットワークが疎な素のダイナミクスと○ネットワークであることの２点が重要な役割を果たしていることが分かった。これらの観察をもとに、上述の２要素を持つ単純な化学反応ネットワークモデ
ル（ミニマルモデル）を構築し、その数値計算を行った。その結果、補酵素と共役している反応が多く、代謝反応ネットワークが疎であるときに、摂動に対する応答性が高くなることが分かった。

7.4.6

実験室進化における遺伝子の配列進化速度と発現量の逆相関

遺伝子配列の進化速度は、その発現量によって制約を受けており、発現量の多い遺伝子は相対的に進化が遅いと一般に信じられている。その根拠として、発現量と配列進化速度の間には負の相関関係（E-R
逆相関と呼ばれる）があることが、少なくとも過去の種間進化においては広く認められている。しかしながらこの法則が、同一種内の進化や、さらには新規に生じる進化をも支配するような、より高い一般性をもった法則であるかは、これまで検証されてこなかった。我々は、新規に生じる進化を含めたより一般的な進化の法則の理解を目指しており、この未検証課題に取り組んだ。
発現量が分子進化に与えるユビキタスな影響を探り、これまでに提案されている E-R 逆相関の分子メ
カニズムの妥当性を検証するために、我々は約 100株の大腸菌のゲノム配列を解析し、自然界で過去に生じた大腸菌種内の配列進化と発現量の関係を調べた。また、新規に生じる進化（de novo 進化）のモ
デルとして、実験室で長期間継代した大腸菌のゲノム変異を解析した。これらの２つの解析の結果、大腸菌の過去の種内進化と de novo 進化の両方において、統計的に有意な E-R 逆相関が成り立つことがわかった。また、いずれの進化においても、高い発現量をもつ遺伝子の配列に対して純化選択がかかっており、それによって、配列進化が相対的に遅いことが確認された。検出された純化選択には、コドンレベ
ルの純化選択も含まれており、発現量が相対的に高い遺伝子では新規にレアコドンを獲得することが純7. 生物物理

7.4. 古澤研究室

化選択によって制限されていることが明らかとなった。このことは、E-R 逆相関を生む分子メカニズムとして予想されているコドンレベルの純化選択の妥当性を支持するものである。一方で、コドンレベルの純化選択が種内進化に与える影響は、予想よりも小さく、E-R 逆相関が生じる主たる分子メカニズム
は、その大部分が未知であることが示唆された。

[3] Distinct Survival, Growth Lag, and rRNA Degradation Kinetics during Long-Term Starvation for
Carbon or Phosphate. Himeoka Y, Gummesson B, Sørensen MA, Svenningsen SL, Mitarai
N.mSphere. 2022 Jun 29;7(3):e0100621.

長期定常期の大腸菌の遺伝子発現状態の推定[4] Development of a device that generates a temperature gradient in a microtiter plate for microbial
culture. Shibai A, Kotani H, Kawada M, Yokoi N,
Furusawa C. SLAS Technol. 2022 Jul 29;27(5):279283.

7.4.7

Shigenobu S, Takeda H, Furusawa C, Irie N. BMC
Biol. 2022 Apr 11;20(1):82.

増殖の停止は、利用可能な栄養素や資源が限られている自然界において、微生物の生存戦略の一つとして広く観察されている。実験室の培養系では、一定の飢餓条件の下で、大腸菌は長期定常期と呼ばれる増殖期を示し、増殖停止状態で何年も生き延びることができる。これまでに我々は、長期定常期では、生存個体が、非生存細胞から放出される資源を再利用することで、生き延びていることを実証している。
一方で、生存個体がどのような生理状態を形成することで、長期の飢餓に適応しているかについては、ほとんど明らかとなっていない。その原因は、長期定
常期が、生存個体と非生存個体の混在によって成立しているため、非生存個体の混入によって、生存個体だけの生理状態を解析することが困難であることが一因である。この技術的な課題を突破するため、近年我々は、長期定常期の培養液の上清を用いて大腸菌を比較的短時間培養する実験手法を提案しており、この培養系（長期定常期模倣培養）を活用すること
で、長期定常期の生存個体の生理状態に迫ろうと試みている。
今年度は、30 日間の長期定常期を経た培養液の上清を用い、その上清にさらされた大腸菌の網羅的発現解析を行った。その結果、長期定常期上清中の細胞は、短期定常期中の細胞に比べて、ファージショッ
クプロテイン（psp）などのストレス応答遺伝子の発現が高く、リボソームプロテインなどの増殖関連遺伝子の発現が低いことが明らかになった。これらの結果は、長期定常期における増殖停止が、細胞のメ
ンテナンスにより傾いた生理状態によってもたらされていることを示唆している。実際に、psp 遺伝子群を欠損した変異体を用いて詳細に調べたところ、この欠損変異体は、長期定常期培養の上清において生存率と増殖率がいずれも低下することが確認された。
このように、本研究によって、長期定常期の遺伝子発現状態が推定され、増殖停止中の細胞のメンテナ
ンスにおける psp 遺伝子群の重要性が示唆された。
＜受賞＞[1] 金井雄樹, ゲノム微生物学会ポスター賞, 日本ゲノム
微生物学会, 2023 年 3 月.

[5] Single mutation makes Escherichia coli an insect mutualist. Koga R, Moriyama M, OnoderaTanifuji N, Ishii Y, Takai H, Mizutani M, Oguchi
K, Okura R, Suzuki S, Gotoh Y, Hayashi T, Seki
M, Suzuki Y, Nishide Y, Hosokawa T, Wakamoto
Y, Furusawa C, Fukatsu T. Nature Microbiol. 2022
Aug;7(8):1141-1150.
[6] Purifying selection enduringly acts on the sequence evolution of highly expressed proteins inEscherichia coli. Shibai A, Kotani H, Sakata N,
Furusawa C, Tsuru S.G3 (Bethesda). 2022 Nov
4;12(11):jkac235.
[7] Experimental evidence for the correlation between
RNA structural ﬂuctuations and the frequency
of beneﬁcial mutations. Maeda Y, Mizuuchi R,
Shigenobu S, Shibai A, Kotani H, Furusawa C,
Ichihashi N.RNA. 2022 Dec;28(12):1659-1667.
[8] Analysis of the evolution of resistance to multiple antibiotics enables prediction of the Escherichia
coli phenotype-based ﬁtness landscape. Iwasawa J,
Maeda T, Shibai A, Kotani H, Kawada M, Furusawa C.PLoS Biol. 2022 Dec 13;20(12):e3001920.
[9] Wickerhamiella bidentis sp. nov., a novel yeast
species isolated from ﬂowers and insects in Japan.
Seike T, Takekata H, Uchida Y, Sakata N, Furusawa C, Matsuda F. Int J Syst Evol Microbiol. 2023
Mar;73(3). doi: 10.1099/ijsem.0.005739.
[10] Stability in gene expression and body-plan development leads to evolutionary conservation. Uchida
Y, Takeda H, Furusawa C, Irie N.Evodevo. 2023
Mar 14;14(1):4.
[11] Common and distinctive transcriptome signaturesof E. coli between short- and long-term stationary
phase environments. Takano S, Takahashi H, Yama
Y, Miyazaki R, Furusawa C, Tsuru S. Sci. Rep.
2023 Apr 6;13(1):5647.
[12] Rare-Event Sampling Analysis Uncovers the Fitness Landscape of the Genetic Code. Omachi Y,
Saito N, Furusawa C, PLOS Comp. Biol. in press.

＜報文＞(国内雑誌)(原著論文)[13] 津留三良: 実験室で分子進化を再現する, 生物工学会
誌 100(11):621 (2022).

[2] Potential contribution of intrinsic developmental
stability toward body plan conservation. Uchida Y,

173

7.4. 古澤研究室

7. 生物物理(学位論文)[24] Yuri Yasuoka, Chikara Furusawa, Yasushi Okazaki:
Fluctuation of gene expression levels in early embryos is correlated to environmental and evolutionary responses, 第 55 回日本発生生物学会, 2022 年 6月[14] 宮内優綺: 神経細胞内の高分子ネットワークが情報処理に与える影響：ニューラルネットワークモデルによる解析（修士論文）[15] 一井俊介: 細胞内部の空間構造による代謝機能の分業化進化（修士論文）[25] 芝井厚, 古澤力: 細菌の薬剤耐性空間上の進化軌跡を
自動フィードバック制御する, 日本進化学会第 24 回
大会, 2022 年 8 月＜学術講演＞[26] 清家泰介, 阪田奈津枝, 小谷葉月, 松田史生, 古澤力:
pH 変化によるフェロモン活性の変動と種分化に与える影響, 酵母遺伝学フォーラム第 55 回研究報告会,
2022 年 9 月(国際会議)
一般講演[16] Masato Tsutsumi, Nen Saito, Daisuke Koyabu,
Chikara Furusawa: A Deep learning approach forthe shape analysis of the primates mandible, Euro
Evo Devo 2022, 2022 年 6 月[27] 芝井厚, 古澤力: 細菌の複数薬剤耐性実験進化をラボ
オートメーションでフィードバック制御する, 2022 年
日本バイオインフォマティクス学会年会, 2022 年 9月[17] Yui Uchida, Shuji Shigenobu, Hiroyuki Takeda,
Chikara Furusawa, Naoki Irie: Potential contribution of intrinsic developmental stability toward
body plan conservation, Euro Evo Devo 2022, 2022
年6月

[28] 金井雄樹, 津留三良, 古澤力: 挿入配列活性によるオペロン構造形成の大腸菌を用いた実証実験, 日本遺伝学会第 94 回大会, 2022 年 9 月[29] 姫岡優介, 古澤力: 代謝ネットワークの構造と緩和ダ
イナミクスの定性的特徴, 日本物理学会 2022 秋季大会, 2022 年 9 月[18] Yoshiyuki Nakamura, Yusuke Himeoka, Nen Saito,
Chikara Furusawa: Evolution of hierarchy and irreversibility in theoretical cellular diﬀerentiation
model, Euro Evo Devo 2022, 2022 年 6 月[30] 伊與田裕大, 古澤力, 姫岡優介: Bow-tie 型代謝ネット
ワークの出現条件, 日本物理学会 2022 秋季大会, 2022
年9月

[19] Yusuke Himeoka, Namiko Mitarai: Emergence ofgrowth and dormancy from a kinetic model of the
Escherichia coli central carbon metabolism, Major
ideas in quantitative microbial physiology: Past,
Present and Future, 2022 年 6 月[31] Yuki Kanai, Chikara Furusawa: Does Genome Reduction Accelerate Evolution of Endosymbiosis?,
第 60 回日本生物物理学会年会, 2022 年 9 月[32] 一井俊介, 姫岡優介, 古澤力: 触媒反応ネットワーク
におけるコンパートメントの進化的獲得, 第 60 回日
本生物物理学会年会, 2022 年 9 月[20] Yusuke Himeoka: Emergence of growth and dormancy from a kinetic model of the Escherichia coli
central carbon metabolism, Roles of Heterogeneity in Nonequilibrium Collective Dynamics 2022
(RHINO2022), 2022 年 9 月[33] 堤真人, 斉藤稔, 小薮大輔, 古澤力: A method for morphological feature extraction based on variational
auto-encoder: an application to mandible shape,
第 60 回日本生物物理学会年会, 2022 年 9 月[21] Yusuke Himeoka: Disruption of metabolic homeostasis : Sensitivity due to the network structure,
Quantitative Biology of Non-growing Microbes,
2022 年 10 月

[34] 村上茉奈美, 川井隆太郎, 三吉健太, 芝井厚, 前田智也,
堀之内貴明, 古澤力, 戸谷吉博, 清水浩: 異なる炭素源を消費する 2 種類の大腸菌株を用いた共培養によるイ
ソプレノール生産, 第 74 回日本生物工学会大会, 2022
年 10 月

招待講演[35] 金井雄樹, 津留三良, 古澤力: オペロン構造が組み上がる過程を実験的に再構成する, 第 45 回日本分子生物学会年会, 2022 年 11 月

[22] Chikara Furusawa: Toward prediction and controlof microbial evolution: Analysis of phenotypic constraints in laboratory evolution, OIST workshop“Cell, Energetics, and information: New perspectives on nonequilibrium systems , 2022 年 6 月[36] 武藤愛, Suzanne Hingley-Wilson, 古澤力, Johnjoe
McFadden, 森浩禎: ハイスループット bar-seq 解析
およびラボラトリーオートメーションシステムを用いた抗生物質環境下における大腸菌パーシスター集
団動態の観察, 第 45 回日本分子生物学会年会, 2022
年 11 月[23] Chikara Furusawa: Toward prediction and control of microbial evolution: Analysis of phenotypic constraints in laboratory evolution, ELSI
Symposium on Evolution and Emergence of Living
Systems:from Geochemistry to Synthetic Biology,
2022 年 10 月

[37] 芝井厚, 古澤力: マイクロタイタープレート上のウェ
ル間に温度勾配を生じさせる微生物培養装置の開発,
第 45 回日本分子生物学会年会, 2022 年 12 月

(国内会議)[38] 堤真人, 斉藤稔, 小薮大輔, 古澤力: 変分オートエン
コーダを用いた霊長目の下顎形態特徴量抽出, 定量生
物学の会第十回年会, 2022 年 12 月

一般講演

174

7. 生物物理

7.4. 古澤研究室[39] 中村能之, 姫岡優介, 斉藤稔, 古澤力: 細胞分化の階層
性と不可逆性に関する理論, 定量生物学の会第十回年会, 2022 年 12 月

[55] 古澤力: 微生物の大規模進化実験〜進化の予測と制御へ向けて〜, 第 5 回分子サイバネティクス・第 49 回
分子ロボティクス定例研究会, 2022 年 12 月

[40] 一井俊介, 姫岡優介, 古澤力: 細胞内部の空間構造による反応の最適制御の変化, 定量生物学の会第十回年会, 2022 年 12 月

[56] 姫岡優介: ネットワークの構造と代謝状態の恒常性,
日本生物物理学会サブグループ 人工細胞モデル＆分子ロボティクス 第 4 回研究会, 2022 年 1 月[41] 西田慧, 姫岡優介, 古澤力: ホスト・パラサイト分子複製ネットワークのダーウィン進化による複雑化, 定量
生物学の会第十回年会, 2022 年 12 月

(セミナー)[57] Saburo Tsuru: Environmental plasticity constrains
and directs evolution, ELSI Seminar, 2022 年 7 月[42] 金井雄樹, 津留三良, 古澤力: 挿入配列活性によるオペロン構造形成の実証実験, 第 17 回日本ゲノム微生物学会年会, 2023 年 3 月[58] 姫岡優介: 大腸菌中心代謝ネットワークから生じる休眠状態様のダイナミクス, 理論合成インシリコ生物学
セミナー, 2022 年 10 月

[43] 永野有佳理, 小谷葉月, 吹谷智, 古澤力, 前田智也: 他の腸内細菌存在下における大腸菌の薬剤耐性進化実験, 第 17 回日本ゲノム微生物学会年会, 2023 年 3 月[59] 古澤力: 普遍生物学は宇宙生物学にどのように貢献できるか?, 宇宙普遍生物学セミナー, 2022 年 11 月

[44] 山上晃汰郎, 小谷葉月, 吹谷智, 古澤力, 前田智也: 実験室進化による大腸菌のエネルギーおよび酸化還元
バランスの不均衡化に対する適応機構の解明, 第 17回日本ゲノム微生物学会年会, 2023 年 3 月[60] Chikara Furusawa, ”Super-high-throughput E. coli
experimental evolution ”, 琉球大学熱帯生物圏研究センター・ランチョンセミナー, 2022 年 11 月
[61] 堤真人: 機械学習を用いた様々な生物形態の定量化,
広島大学数理生命科学プログラムセミナー, 2022 年
11 月[45] 清家泰介, 武方宏樹, 古澤力, 松田史生: ショウジョウ
バエ体内に存在する酵母叢の多様性解析, 第 17 回日
本ゲノム微生物学会年会, 2023 年 3 月[62] Yusuke Himeoka: Emergence of growth and dormancy from a kinetic model of the Escherichia coli
central carbon metabolism, RIKEN iTHEMS Seminar, 2022 年 11 月

[46] 前田智也, 田邊久美, 芝井厚, 小谷葉月, 古澤力: 9 種細菌の薬剤耐性進化実験による薬剤耐性進化ダイナミ
クスの比較解析, 第 17 回日本ゲノム微生物学会年会,
2023 年 3 月[63] 姫岡優介: 大腸菌代謝動力学モデルにおける恒常性の崩壊と死, 大阪大学代謝情報工学セミナー, 2023 年 3月[47] 戸谷吉博, 三吉健太, 川本優一, 芝井厚, 古澤力, 清水
浩: モデルベース指向性進化による中枢代謝の各経路における律速の解放, 化学工学会第 88 年会, 2023
年3月

[64] Chikara Furusawa: Toward Prediction and Control of Microbial Evolution: Analyzing Phenotypic
Constraints through High-Throughput Laboratory
Evolution, ICTP/Spring College on the Physics ofComplex Systems, 2023 年 3 月

招待講演[48] 古澤力: 生きている状態をどのように理解するか〜理論と実験からのアプローチ〜, 第 34 回 南部コロキウ
ム, 2022 年 6 月(アウトリーチ)[49] 金井雄樹: オペロンの進化的起源を実験的に再構成する, 日本進化学会第 24 回大会, 2022 年 8 月[65] 内田唯, 重信秀治, 武田洋幸, 古澤力, 入江直樹: 動物の形態進化は、「体づくり過程の変化しにくさ」に制限されてきた, 東京大学プレスリリース, 2022 年 4 月[50] 姫岡優介: 細胞の休眠ダイナミクスと代謝ネットワー
ク構造, ネットワーク科学研究会 2022, 2022 年 8 月[66] 金井雄樹, 津留三良, 古澤力: 実験室で細菌ゲノムの進化を捉える, 学部生に伝える研究最前線, 理学部ニュー
ス 2022 年 5 月号

[51] 古澤力: 微生物の大規模進化実験〜進化の予測と制御へ向けて〜, 第 16 回バイオ関連化学シンポジウム,
2022 年 9 月[67] 岩澤諄一郎, 前田智也, 古澤力: 微生物の薬剤耐性進化を大規模データから予測―適応度地形を用いた微生物進化の予測手法を開発―, 東京大学プレスリリー
ス, 2022 年 12 月

[52] 坂本健作, 大竹和正, 芝井厚, 古澤力, 田谷千歳: 非ア
ミノ酸をコード化した遺伝暗号の下での大腸菌進化,
第 45 回日本分子生物学会年会, 2022 年 11 月

[68] 古澤力: 「生きている状態」をどのように理解するか？ 〜理論と実験からのアプローチ〜, 東京大学 高
校生と大学生のための金曜特別講座, 2023 年 1 月[53] Tomoya Maeda, Chikara Furusawa: Laboratory
evolution of bacterial multispecies community for
antibiotic resistance, 第 45 回日本分子生物学会年会,
2022 年 11 月
[54] 内田唯, 重信秀治, 武田洋幸, 古澤力, 入江直樹: 発生
システムの安定性がもたらす遺伝子発現パターンの進化的な保存性, 第 45 回日本分子生物学会年会, 2022
年 12 月175

8.2.2

各種委員会• 理学系技術部運営委員会 (下澤)8 技術部門＜報文＞[1] 技術部報告集 2022 (東京大学大学院理学系研究科 · 理
学部技術部、2023 年 3 月).

(下澤、佐伯、大塚 ∗ )＜学術講演＞∗ 技術補佐員(国内会議)

技術部門では、実験装置試作室、学生実験、などの業務を行っている。技術部門の担当教員 (酒井教授、藤堂教授、日下准教授、岡本准教授) と月に１度の物理技術室ミーティングを行った。

8.1

実験装置試作室

8.1.1

利用状況

[2] 八幡和志、佐伯喜美子、金長正彦、非物理系の物理学
実験教材開発 (I), 日本物理学会 2022 年秋季大会, (オンライン、2022 年 9 月).
[3] 佐伯喜美子、物理学科における生物物理学生実験、実験・実習技術研究会 2023 広島大学 (オンライン、2023
年 3 月).

(下澤、大塚)[4] 八幡和志、佐伯喜美子、金長正彦、非物理系の物理学実験教材開発 (II), 日本物理学会 2023 年春季大会,(オンライン、2023 年 3 月).

2022 年 2 月から 2022 年 12 月までの実験装置試作
室の主な利用状況は以下の通りであった。
• 内部製作図面数：389 枚、総製作個数 815 個• 加工依頼
依頼元別の加工時間数の割合：物理 66.4%、化学：7.4%、地殻化学：6.0%、フォトンサイエ
ンス：5.0%、素粒子センター：7.0%、地球惑
星：5.5%、生物：2.7%、主な依頼者（物理：安東研、島野研、日下研、村川研、中辻研、素粒子センター：浅井研、化学：岩崎研）

8.1.2

設計・加工の自動化の推進

設計・加工の自動化を推進し教育・研究に利用していくために、メール送付での 3D-CAD データの図
面受付を開始し、マシニングセンタを用いた加工を推進している。

8.2

技術室

8.2.1

学生実験

(佐伯)

学部 3 年生向けの物理学実験 I、II のグループ編
成、スケジューリング、解説書の編集と発注など学生
実験全般の運営を行った。今学生向けの物理学実験
説明会 (2 回)、実験担当教職員の実験担当者会議 (2回) はオンラインで行った。放射線安全講習は、ア
イソトープ総合センターの DVD を使い、オンラインで行った。(佐伯)• 物理学実験 II (A セメスタ)「生物物理学」の指導 [3] (佐伯)
176

II

Summary of group activities in 2022

1. FUKUSHIMA GROUP

1Fukushima Group

Research Subjects: QCD phase diagram, Conﬁnement, Lattice simulation, Neutron star,
Chiral anomaly
Member: Kenji Fukushima and Arata Yamamoto
In Theoretical Hadron Physics group, many-body problems of quarks and gluons are studied theoreticallyon the basis of the quantum chromodynamics (QCD). The subjects studied include quark-gluon plasma in
relativistic heavy-ion collisions, lattice gauge simulations with classical and quantum computing, matter
under extreme conditions, neutron stars, etc.
Highlights in research activities of this year are listed below:
1. New conﬁnement mechanism with imaginary rotation
2. Quantum sampling in lattice gauge theories
3. Lattice gauge theory at nonzero baryon density
4. Neutron star equation of state and the gravitational wave signals
5. Trace anomaly and the speed of sound in dense nuclear/quark matter

2

Liang Group

Research Subjects: Quantum many-body theories in nuclear and cold-atom physics
Member: Haozhao Liang and Hiroyuki Tajima
In our group, we study the properties of atomic nuclei and neutron stars based on various nuclear manybody theories. In particular, one of the main research themes is nuclear density functional theory (DFT),
which aims at understanding both ground-state and excited-state properties of thousands of nuclei in aconsistent and predictive way. Our research interests also include the microscopic foundation of nuclear
DFT, the interdisciplinary applications in nuclear astrophysics, particle physics, condensed matter physics,
etc., and the relevant studies in general quantum many-body problems. To this end, a cold atomic gas canbe regarded as an ideal testing ground for many-body theories because of its controllability. In this regard,
we are also interested in investigating novel many-body phenomena and developing quantum many-bodytheories through the comparisons with cold-atom experiments.
Highlights in research activities of this year include:
1. Charge symmetry breaking force in nuclear DFT
2. Functional renormalization group approach to DFT
3. Neutron-star properties and nuclear structure
4. Nuclear mass predictions with machine learning
5. A systematic calculation of β-decay half-lives
6. A Kohn-Sham scheme based neural network for nuclear systems
7. Cooper multiplet correlations
8. Density-induced BCS-BEC crossover and its three-body counterpart
9. Polarons and clusters in ultracold atoms and their applications to nuclear systems
10. Non-Hermitian topological unitary p-wave Fermi superﬂuid
11. Multi-particle tunneling transport in strongly-correlated systems
12. Andreev reﬂection through nonlinear radio-frequency transport178

3. HIGH ENERGY PHYSICS THEORY GROUP

3

High Energy Physics Theory Group

Research Subjects: Particle Physics and Cosmology
Member: Takeo Moroi, Koichi Hamaguchi, Yutaka Matsuo
We are working on various topics in particle physics and cosmology, such as physics beyond the Standard Model, dark matter, baryogenesis, inﬂation, phenomenology of supersymmetric models, grand uniﬁed
theories, string theory, supersymmetric ﬁeld theories, conformal ﬁeld theories, holography, entanglement
entropy, and so on. Speciﬁc subjects studied in this academic year are summarized below:
1. Phenomenology
1.1. Vacuum stability in SUSY models [1]1.2. Vacuum stability in inﬂation models [2]1.3. Axion detection at the ILC [3]1.4. Dark matter searches in compact stars [4, 5, 6]
1.5. New physics searches at the MUonE experiment [7]1.6. Supersymmetric Grand Uniﬁed Theories [8]1.7. Electric dipole moments in supersymmetric standard model [9]1.8. Dipole moments in vector-like lepton models [10]1.9. Muon anomalous magnetic dipole moment at the ILC [11]2. Superstring theory and formal aspects of quantum ﬁeld theories
2.1. AGT correspondence of supergroup gauge theories [12]2.2. Bethe equations of 2d conformal ﬁeld theory [13]2.3. Generalized symmetry [14, 15, 16, 17]
2.4. Defect/boundary conformal ﬁeld theories [18, 19, 20]
2.5. Narain CFTs and error-correcting codes [21]References[1] S. Chigusa, T. Moroi and Y. Shoji, “Upper bound on the smuon mass from vacuum stability in the light ofmuon g − 2 anomaly,” Phys. Lett. B 831 (2022), 137163 [arXiv:2203.08062 [hep-ph]].
[2] Q. Li, T. Moroi, K. Nakayama and W. Yin, “Instability of the electroweak vacuum in Starobinsky inﬂation,”
JHEP 09 (2022), 102 [arXiv:2206.05926 [hep-ph]].
[3] H. Fukuda, H. Otono and S. Shirai, “Searching for the QCD axion with the proposed International Linear
Collider beam facility,” Phys. Rev. D 106, no.5, 055029 (2022) [arXiv:2203.06137 [hep-ph]].
[4] M. Fujiwara, K. Hamaguchi, N. Nagata and J. Zheng, “Capture of electroweak multiplet dark matter in neutronstars,” Phys. Rev. D 106, no.5, 5 (2022) [arXiv:2204.02238 [hep-ph]].
[5] K. Hamaguchi, N. Nagata and M. E. Ramirez-Quezada, “Neutron star heating in dark matter models for themuon g − 2 discrepancy,” JHEP 10, 088 (2022) [arXiv:2204.02413 [hep-ph]].
[6] M. E. Ramirez-Quezada, “Constraining dark matter interactions mediated by a light scalar with white dwarfs,”[arXiv:2212.09785 [hep-ph]] accepted for publication in Phys. Rev. D.
[7] K. Asai, K. Hamaguchi, N. Nagata, S. Y. Tseng and J. Wada, “Probing the Lµ-Lτ gauge boson at the MUonE
experiment,” Phys. Rev. D 106 (2022) no.5, L051702 [arXiv:2109.10093 [hep-ph]].
[8] K. Hamaguchi, S. Hor and N. Nagata, “Minimal Nambu-Goldstone-Higgs model in supersymmetric SU(5)revisited,” Phys. Rev. D 107, no.3, 035016 (2023) [arXiv:2210.09333 [hep-ph]].
[9] K. Kaneta, N. Nagata, K. A. Olive, M. Pospelov and L. Velasco-Sevilla, “Quantifying Limits on CP Violating
Phases from EDMs in Supersymmetry,” JHEP 03, 250 (2023) [arXiv:2303.02822 [hep-ph]].

179

4. NAKAMURA GROUP[10] K. Hamaguchi, N. Nagata, G. Osaki and S. Y. Tseng, “Probing new physics in the vector-like lepton model bylepton electric dipole moments,” JHEP 01, 100 (2023) [arXiv:2211.16800 [hep-ph]].
[11] M. Endo, K. Hamaguchi, S. Iwamoto, S. i. Kawada, T. Kitahara, T. Moroi and T. Suehara, “Stau study at
the ILC and its implication for the muon g-2 anomaly,” Contribution to Snowmass 2021 [arXiv:2203.07056[hep-ph]].
[12] G. Noshita, “5d AGT correspondence of supergroup gauge theories from quantum toroidal gl 1 ,” JHEP 12(2022) 157 [arXiv:2209.08313[hep-th]].
[13] T. Procházka and A. Watanabe, “On Bethe equations of 2d conformal ﬁeld theory,” [arXiv:2301.05147 [hep-th]].
[14] T. C. Huang, Y. H. Lin, K. Ohmori, Y. Tachikawa and M. Tezuka, “Numerical Evidence for a Haagerup
Conformal Field Theory,” Phys. Rev. Lett. 128 (2022) no.23, 231603 [arXiv:2110.03008 [cond-mat.stat-mech]].
[15] C. Cordova, K. Ohmori and T. Rudelius, “Generalized symmetry breaking scales and weak gravity conjectures,”
JHEP 11 (2022), 154 [arXiv:2202.05866 [hep-th]].
[16] Y. Choi and K. Ohmori, “Higher Berry phase of fermions and index theorem,” JHEP 09 (2022), 022[arXiv:2205.02188 [hep-th]].
[17] C. Cordova and K. Ohmori, “Noninvertible Chiral Symmetry and Exponential Hierarchies,” Phys. Rev. X 13
(2023) no.1, 011034 [arXiv:2205.06243 [hep-th]].
[18] T. Nishioka, Y. Okuyama and S. Shimamori, “Method of images in defect conformal ﬁeld theories,” Phys. Rev.
D 106 (2022) no.8, L081701 [arXiv:2205.05370 [hep-th]].
[19] T. Nishioka, Y. Okuyama and S. Shimamori, “Comments on epsilon expansion of the O(N) model with boundary,” JHEP 03 (2023), 051 [arXiv:2212.04078 [hep-th]].
[20] T. Nishioka, Y. Okuyama and S. Shimamori, “The epsilon expansion of the O(N) model with line defect from
conformal ﬁeld theory,” JHEP 03 (2023), 203 [arXiv:2212.04076 [hep-th]].
[21] S. Yahagi, “Narain CFTs and error-correcting codes on ﬁnite ﬁelds”, JHEP 08 (2022) 058 [arXiv:2203.10848[hep-th]].

4

Nakamura Group

Research Subjects: Spectroscopic study of hypernuclei and related hadron/nuclear physics

Member: Satoshi N. Nakamura and Sho Nagao
Nuclear Experimental Group (NEX) started research activities under a new structure with the arrival ofProf. Nakamura in April 2022 and Assistant Prof. Nagao in September.
We are performing experimental research in modern nuclear physics to understand quantum many-bodysystems interacting with the strong interaction. To this end, we are conducting experiments of hypernuclei
which are composed of nucleons (protons and neutrons) and hyperons (with strange quarks), by making
full use of particle accelerators in Japan and abroad.
Quantum many-body systems in which the strong interaction plays an important role include; baryons,
which consist of quarks including protons and neutrons; (hyper)nuclei as baryonic many-body systems;
and neutron stars, the densest objects in the universe, which are gravitationally bound baryon many-bodysystems and may be described as “giant nuclei” whose masses are supported by the baryon interaction.
Those quantum many-body systems have size scales from 1 fm (10−15 m) to 10 km (104 m), spanning 19
orders of magnitude. In order to understand these in a uniﬁed manner based on the baryon interaction,
which extends the nuclear force, we have been conducting experiments at 1) Jeﬀerson Laboratory (JLab)in the United States, 2) Johannes Gutenberg University Mainz, Germany (MAMI), and 3) Research Center
for Electron Photon Science, Tohoku University (ELPH). These facilities have high-energy, high-intensity
electron accelerators capable of producing strange quarks. In addition to the above, we are leading hypernuclear experiments using the next-generation π meson beams at the High-Intensity High-Resolution
beamline (HIHR), which is being prepared as a next-generation ﬂagship project at the hadron experimental
facility of J-PARC in Tokai.
180

5. YOKOYAMA(M)-NAKAJIMA GROUP

Currently, there are four key issues to be solved in hypernuclear research: 1) the hyperton puzzle, 2)
the existence or non-existence of atomic number zero hypernuclei (nnΛ), 3) charge symmetry breakingof Lambda hypernuclei, and 4) the hyperon puzzle (why heavy neutron stars exist). We are promoting
research to solve these puzzles through the following experiments.
• Spectroscopic study of Λ hypernuclei at Jeﬀerson Lab––––

Search of a neutral hypernuclei, nnΛ
Electro-production of hyperons
Electro-production of η ′ mesons
High-precision spectroscopy of Λ hypernuclei with the (e, e′ K+ ) reaction• Decay π − spectroscopy of electro-produced hypernuclei at MAMI
– Precise measurement of mass of hypertriton– Precise measurement of electron beam energy• Study of light hypernuclei at ELPH
– Lifetime measurement of hypernuclei– Study of the Λn interaction by the Final State Interaction measurement• Design of the next generation experiment with the (π, K) reaction at HIHR, J-PARC

5

Yokoyama(M)-Nakajima Group

Research Subjects: Experimental Particle Physics and Particle Astrophysics
Member: Masashi Yokoyama, Yasuhiro Nakajima, and Kota Nakagiri
The main focus of our group is the study of neutrino properties and research using neutrinos as a probe.
We are leading experiments using Super-Kamiokande and Hyper-Kamiokande detectors and the J-PARC
accelerator.
T2K long-baseline neutrino oscillation experiment
We have been studying neutrino oscillations with the T2K long-baseline neutrino experiment. In
T2K, intense neutrino and anti-neutrino beams produced using the J-PARC accelerator complex aremeasured with the SK detector, 295 km away. Our current major research goal is the search for a
new source of CP symmetry violation in neutrino oscillations.
We have been leading the project to upgrade near neutrino detectors for the reduction of uncertainties associated with understanding of neutrino interactions. This year, we ﬁnished the mechanicalassembly of a new neutrino detector named SuperFGD. The SuperFGD detector will be installed in
the experimental hall and start taking data by the end of 2023.
Super-Kamiokande experiment
Super-Kamiokande is the world’s largest underground detector for neutrino physics and nucleon decay.
In the summer of 2022, we added 27 tons of Gd2 (SO4 )3 to increase the Gd concentration in SuperKamiokande from 0.011% achieved in 2020 to 0.033%. The addition of gadolinium improves thedetection eﬃciency of neutrons. Utilizing this new capability, we aim for the world’s ﬁrst observationof supernova relic neutrinos.
Hyper-Kamiokande
In order to signiﬁcantly extend the reach in the neutrino physics and the proton decay search beyond
T2K and SK, the next-generation water Cherenkov detector, Hyper-Kamiokande is under construction. The Hyper-Kamiokande will be a large water Cherenkov detector with a cylindrical tank 68
meters in diameter and 71 meters deep, ﬁlled with 260,000 tons of ultrapure water. Our group isleading the design and construction of the Hyper-Kamiokande detector system. We are also testing
the performance of the photomultiplier tubes and developing calibration methods.
181

6. ASAI GROUP

R&D of particle detectors for future experiments
We have been developing new particle detectors for future experiments. One example is a Time
Projection Chamber (TPC) using an organic liquid as a medium for precise measurement of reactor
neutrinos and supernova neutrinos. Another is the search for neutrinoless double-beta decay with160
Gd, utilizing ultra-high purity Gd technology developed for the SK-Gd project.

6

Asai groupResearch Subjects: (1) Particle Physics with the energy frontier accelerators (LHC) (2)Physics analysis in the ATLAS experiment at the LHC: (Higgs, SUSY andExtra-dimension) (3) Particles Physics without accelerator using high intensityof Photon (4) Positronium and QED (5) Quantum Technology and Artiﬁcial
Intelligence (AI)Member: S.Asai, A.Ishida• (1) LHC (Large Hadron Collider) has the excellent physics potential. Our group is contributing to
the ATLAS group in the Physics analyses: focusing especially on three major topics, the Higgs boson,
Supersymmetry, and new diboson resonances(WW and γγ).
– Higgs: After the discovery of Higgs Boson, We are measuring the Yukawa coupling precisely.
– SUSY: We have excluded the light SUSY particles (gluino and squark) whose masses are lighter
than 1.4 and 1.5TeV, respectively.
• (2) Small tabletop experiments have the good physics potential to discover the physics beyond thestandard model, if the accuracy of the measurement or the sensitivity of the research is high enough.
We perform the following tabletop experiments:– Dark matter indirect search with multi-wavelength photons.
– Search for Photon-Photon scattering with XFEL.
– Search for WISPs in various wavelengths with high-power light sources.
– Basic study for Bose-Einstein condensation of positronium.
– Search for vacuum birefringence.
– Search for vacuum diﬀraction with an XFEL and high power laser beams.
– Precision measurement of the energy spectrum in the orthopositronium decay.
– Measurement of Positronium Hyper-ﬁne splitting.
– Search for weakly coupling neutral particles with ortho-positronium.
– Search for CP violation with ortho-positronium.
– Search for the invisible decay of ortho-positronium.
– Lifetime measurement of ortho-positronium.
– Search for solar axions with Fe-57 resonant absorption.
• (3) Quantum Technology and Artiﬁcial Intelligence (AI) for application to fundamental physics.
– Optimization problems (database search and gradient estimation).
– Performance evaluation and improvement of quantum machine learning model with repetitive
structure.

182

7. OGATA GROUP

7

Ogata Group

Research Subjects: Condensed Matter Theory
Member: Masao Ogata, Hiroyasu Matsuura
We are studying condensed matter physics and many body problems, such as strongly correlated electron
systems, high-Tc superconductivity, Mott metal-insulator transition, topological materials, Dirac electron
systems in solids, thermoelectric materials with large response, organic conductors, and magnetic systems
with frustration and/or spin-orbit interactions. The followings are the current topics in our group.
• Dirac electron systems in solids [1]• Thermal transport phenomena [2-6]• Theories on superconductivity [7,8]• Orbital magnetic eﬀects [9-11]• Theories on organic conductors [12,13]• Physics of chirality [14,15][1] T. Mizoguchi, H. Matsuura, and M. Ogata: Phys. Rev. B 105, 205203 (2022). “Thermoelectric transportof type-I, II, and III massless Dirac fermions in a two-dimensional lattice model”[2] H. Matsuura, M. Ogata, N. Tujii, and T. Mori: in preparation. “Theory of thermoelectric eﬀect basedon antiferromagnetic magnon drag in natural chalcopyrite Cu1+x Fe1−x S2 ”
[3] H. Maebashi and C. M. Varma: arXiv:2207.11982. “Quantum-critical transport of marginal Fermiliquids”[4] T. Hirosawa, F. Schafer, H. Maebashi, H. Matsuura, and M. Ogata: J. Phys. Soc. Jpn. 91, 114603(2022) (Editors’ choice). “Data-Driven Reconstruction of Spectral Conductivity and Chemical Potential
Using Thermoelectric Transport Properties”[5] K. Takahashi, H. Matsuura, H. Maebashi, and M. Ogata: Phys. Rev. B 107, 115158 (2023). “Thermoelectric properties in semimetals with inelastic electron-hole scattering”[6] M. Hosoi, I. Tateishi, H. Matsuura, and M. Ogata: Phys. Rev. B 105, 085406 (2022). “Thin ﬁlms of
topological nodal line semimetals as a candidate for eﬃcient thermoelectric converters”[7] J. Endo, H. Matsuura and M. Ogata: Phys. Rev. B 107, 094521 (2023). “Theoretical analysis of
anisotropic upper critical ﬁeld of superconductivity in nodal-line semimetals”[8] H. Yokoyama, K. Kobayashi, T. Watanabe, and M. Ogata: J. Phys. Soc. Jpn. 91, 124705 (2022).
“Excited States beyond Mott Gap in Half-Filled-Band Hubbard Model”[9] S. Ozaki, and M. Ogata: Phys. Rev. B 107, 085201 (2023). “Topological contribution to magnetism in
the Kane-Mele model: An explicit wave-function approach”[10] S. Ozaki, I. Tateishi, H. Matsuura, T. Koretsune, and M. Ogata: in preparation. “Dia- to paramagnetic
anisotropy of the orbital magnetic susceptibility emerging from the nodal line with energy variation”[11] M. Wallerberger, S. Badr, S. Hoshino, S. Huber, F. Kakizawa, T. Koretsune, Y. Nagai, K. Nogaki, T.
Nomoto, H. Mori, J. Otsuki, S. Ozaki, T. Plaikner, R. Sakurai, C. Vogel, N. Witt, K. Yoshimi, and
H. Shinaoka: Software X 21, 101266 (2023). “sparse-ir: Optimal compression and sparse sampling of
many-body propagators”[12] K. Kitayama, M. Ogata, M. Mochizuki, and Y. Tanaka: J. Phys. Soc. Jpn. 91, 104704 (2022). “Predictednovel type of photoinduced topological phase transition accompanied by collision and collapse of Diraccone pair in organic salt α-(BEDT-TTF)2 I3 ”
[13] Y. Suzumura and M. Ogata: arXiv:2211.00966. “Seebeck Coeﬃcient of Two-dimensional Dirac Electronsin Organic Conductor under Pressure”[14] K. Ohe, H. Shishido, M. Kato, H. Matsuura, and Y. Togawa: submitted. “Chirality-Induced Selectivityof Phonon Angular Momenta in Chiral Quartz Crystals”[15] R. Hirakida, J. Fujimoto, and M. Ogata: Phys. Rev. B 106, 085127 (2022). “Chirality-dependent
second-order spin current in systems with time-reversal symmetry”

183

8. TSUNEYUKI GROUP

8Tsuneyuki Group

Research Subjects: Theoretical Condensed-Matter Physics
Member: Shinji Tsuneyuki and Takahiro Ishikawa
Computer simulations from ﬁrst principles enable us to investigate the properties and behavior of materials beyond the limits of experiments or predict them before experiments. Our main subject is to develop
and apply such computational physics techniques to investigate fundamental problems in condensed matter physics. We primarily focus on predicting material properties under extreme conditions like ultra-highpressure or at surfaces where experimental data are limited. Our principal tools are molecular dynamics(MD) and ﬁrst-principles electronic structure calculation based on the density functional theory (DFT).
We are also developing new methods that go beyond the limitation of classical MD and DFT to study theelectronic, structural, and dynamical properties of materials.
One such new method is ﬁrst-principles lattice dynamics calculations considering the anharmonicity. We
have developed a scheme for modeling the phonon Hamiltonian with third and higher-order anharmonicity
from the ﬁrst principles and applied the self-consistent-phonon method to calculate the lattice thermal
conductivity and thermal expansivity. This year, we improved and used the method for calculating thecomplex permittivity of crystals in the THz region.
Another important method is the so-called data assimilation for crystal structure exploration. We newly
applied the method to amorphous materials and successfully accelerated its precise structural simulation.
Major research topics in FY 2022 are as follows.
• First-principles study of dielectric functions in rutile TiO 2• Dielectric function calculations for molecular condensed systems by machine learning of dipole moments• Theoretical calculations of laser ablation considering electronic entropy eﬀects• Data assimilation method for crystal structure exploration• Data assimilation method for amorphous structure exploration• Structure search using evolutionary algorithms• Exploration of trinitrotoluene (TNT) degradation process• Search for superconducting phases in the lanthanum-boron-hydrogen and lanthanum-boron-nitrogensystems• Superconductivity in hydride perovskites• Electronic structure calculation with explicitly correlated wave functions

9

Todo Group

Research Subjects: Development of simulation algorithms for strongly-correlated systems; Application of machine learning technique to materials science; Fundamental theory of quantum computer; Novel state and critical phenomena instrongly correlated systems; Thermalization and non-equilibrium dynamic ofquantum many-body systems; Quantum computing and quantum algorithms;
Development of open-source software for next-generation parallel simulations

184

10. KATSURA GROUP

Member: Synge Todo, Tsuyoshi Okubo, Hidemaro Suwa, and Shinichiro Akiyama
To know the state of matter, one can solve the many-body Schrödinger equation and obtain the partition
function of statistical mechanics. However, even with the computational power of modern supercomputers,
the many-body Schrödinger equation cannot be solved exactly. Therefore, an essential key in computational
physics is to re-express the original equations in a form that facilitates simulation without losing physicallycritical properties in the original equations, such as symmetry and quantum correlations.
We are exploring novel computational physics methods based on sampling methods such as the Monte
Carlo algorithm, path integrals to represent quantum ﬂuctuations, information compression using the singular value decomposition and the tensor networks, statistical machine learning, etc. By entirely using thesepowerful numerical methods, we aim to elucidate various exotic states, phase transitions, and dynamics inquantum many-body systems, from quantum spin systems to actual materials. Also, we are studying thebasic theory of quantum computers and quantum machine learning algorithms and working on developing
and releasing open-source software for next-generation large-scale simulations.
[1] Masaki Gen, Hidemaro Suwa, Nematicity and fractional magnetization plateaus induced by spinlattice coupling in the classical kagome-lattice Heisenberg antiferromagnet, Phys. Rev. B 105, 174424(10pp) (2022).
[2] Yuichi Motoyama, Tsuyoshi Okubo, Kazuyoshi Yoshimi, Satoshi Morita, Takeo Kato, Naoki Kawashima,
TeNeS: Tensor Network Solver for Quantum Lattice Systems, Comp. Phys. Comm. 279, 108437(10pp) (2022).
[3] Junyi Yang, Hidemaro Suwa, Derek Meyers, Han Zhang, Lukas Horak, Zhaosheng Wang, Gilberto
Fabbris, Yongseong Choi, Jenia Karapetrova, Jong-Woo Kim, Daniel Haskel, Philip J. Ryan, M. P. M.
Dean, Lin Hao, and Jian Liu, Quasi-Two-Dimensional Anomalous Hall Mott Insulator of TopologicallyEngineered Jeﬀ=1/2 Electrons, Phys. Rev. X 12, 031015 (11pp) (2022).
[4] Yuichi Motoyama, Kazuyoshi Yoshimi, Takeo Kato, Synge Todo, MateriApps LIVE! and MateriApps
Installer: Environment for starting and scaling up materials science simulations, Software X 20,
101210 (8pp) (2022).
[5] Shinichiro Akiyama, Bond-weighting method for the Grassmann tensor renormalization group, J.
High Energy Phys. 11, 030 (2022).
[6] Hidemaro Suwa, Lifted directed-worm algorithm, Phys. Rev. E 106, 055306 (9pp) (2022).
[7] Seiji Yoshikawa, Ryuhei Sato, Ryosuke Akashi, Synge Todo, Shinji Tsuneyuki, A Noise-Robust Data
Assimilation Method for Crystal Structure Prediction Using Powder Diﬀraction Intensity, J. Chem.
Phys. 157, 224112 (8pp) (2022).
[8] Xizhi Liu, Sayan Mukherjee, Stability theorems for some Kruskal–Katona type results, Eur J.
Combin. 110, 103666 (20pp) (2022).
[9] Dhruv Mubayi, Sayan Mukherjee, Triangles in graphs without bipartite suspensions, Discrete Math.
346, 113355 (19pp) (2023).

10

Katsura Group

Research Subjects: Condensed Matter Theory and Statistical Physics
Member: Hosho Katsura and Yutaka Akagi
In our group, we study various aspects of condensed matter and statistical physics. In particular, ourresearch focuses on strongly correlated many-body systems in and out of equilibrium, which would give rise
to a variety of novel phases. We study theoretically such systems, with the aim of predicting intriguing
quantum phenomena that have no counterpart in weakly-interacting systems and cannot be understoodwithin standard approaches. Our work involves a combination of analytical and numerical methods. We are
currently interested in (i) topological phases of matter, (ii) quantum magnetism, (iii) dissipative quantum
many-body systems, and (iv) non-ergodic dynamics in non-integrable systems. In addition, we are alsointerested in the mathematical aspects of the above-mentioned ﬁelds. Our research projects conducted in
FY 2022 are the following:185

11. KABASHIMA GROUP• Topological phases of matter– Symmetry-protected quantization of complex Berry phases in non-Hermitian systems [1]– Duality, criticality, anomaly, and topology in quantum spin-1 chains [2]• Quantum magnetism– CP 2 skyrmion crystals in an SU(3) magnet with a Dzyaloshinskii-Moriya type interaction [3]– Semi-classical simulation of spin-1 quantum magnets [4]• Nonequilibrium quantum dynamics– Quantum many-body scars of spinless fermions in higher dimensions [5]– Liouvillian gap and single spin-ﬂip dynamics in the dissipative Fermi-Hubbard model [6]• Mathematical and statistical physics– Spontaneously broken supersymmetric fracton phases with fermionic subsystem symmetries [7]– Flat-band ferromagnetism in the SU(N ) Hubbard and Kondo lattice models [8][1] S. Tsubota, H. Yang, Y. Akagi, and H. Katsura, Phys. Rev. B 105, L201113 (2022).
[2] H. Yang, L. Li, K. Okunishi, and H. Katsura, Phys. Rev. B 107, 125158 (2023).
[3] Y. Amari, Y. Akagi, S. B. Gudnason, M. Nitta, and Y. Shnir, Phys. Rev. B 106, L100406 (2022).
[4] K. Remund, R. Pohle, Y. Akagi, J. Romhanyi, and N. Shannon, Phys. Rev. Research 4, 033106 (2022).
[5] K. Tamura and H. Katsura, Phys. Rev. B 106, 144306 (2022).
[6] H. Yoshida and H. Katsura, Phys. Rev. A 107, 033332 (2023).
[7] H. Katsura and Y. Nakayama, J. High Energ. Phys. 2022, 72 (2022).
[8] K. Tamura and H. Katsura, Preprint, arXiv:2303.15820 [cond-mat.str-el] (2023).

11

Kabashima Group

Research Subjects: Statistical mechanics of disordered systems and its application to
information science
Member: Yoshiyuki Kabashima, Takashi Takahashi, Xiangming Meng
We are working in a cross-disciplinary ﬁeld between statistical mechanics and information science. Our
research interests include error-correcting codes, cryptography, CDMA multi-user detection, data compression, compressed sensing, sparse modeling, high-dimensional statistics, probabilistic inference, neuralnetworks, random matrix, machine learning, spin glasses, etc.
The followings are highlights in our research activities in AY 2022:
1. Performance analysis of ℓ1 -reguralized linear regression for Ising model selection
2. Average case analysis of Lasso under ultra-sparse conditions
3. Statistical mechanics analysis of general multi-dimensional knapsack problems
4. Replicated simulated annealing with a global-best reference for eﬃcient hardware implementation
5. Performance analysis of iterative self-training with linear classiﬁer
6. Analysis of ensemble learning
7. Analysis of eigenspace of sample covariance matrices
8. Compressive sensing using diﬀusion models
18612. TSUJI GROUP

12

Tsuji Group

Research Subjects: Theory of condensed matter physics, nonequilibrium quantum manybody systems
Member: Naoto Tsuji and Kazuaki Takasan
We are interested in nonequilibrium physics of quantum many-body systems and statistical mechanics.
The aim is to realize a new order or new physical property by driving quantum systems out of equilibrium.
At ﬁrst sight, it sounds unlikely to happen because energy injected by an external drive would turn into
heat, which would destroy all the interesting properties of quantum many-body systems that might emerge
at low energies. However, contrary to our intuition, recent studies have found various possibilities suchthat novel states of matter that can never be realized in equilibrium do emerge out of equilibrium. We aretrying to understand their mechanism and explore the frontier of nonequilibrium condensed matter physics.
In the academic year of 2022, we worked on the following projects:• Dynamics of superconductors– Higgs mode in superconductors and nonlinear responses [1]– Optical ampliﬁcation of third harmonic generation in superconductors [2]– Floquet states in superconductors [3, 4]• Dynamics of open quantum many-body systems– Analysis of energy current based on quantum master equations– Feedback control of quantum many-body systems– Quantum active matter• DC-electric-ﬁeld- and current-induced quantum phases [5, 6]• Nonlinear response of quantum many-body systems [7]• Dynamics of topological phases [8][1] Naoto Tsuji, “Collective modes in superconductors: a new perspective from nonlinear terahertz responses”,
CCES seminar (online), IBS Center for Correlated Electron Systems (CCES), Seoul National University, March
2023.
[2] Naoto Tsuji, “Higgs-mediated nonlinear optical response and its ampliﬁcation in superconductors”, Novel
Quantum States in Condensed Matter 2022 (NQS2022), YITP, Kyoto, November 2022.
[3] Huanyu Zhang, Kazuaki Takasan, Naoto Tsuji, “Floquet Many-body Theory for Driven BCS Superconductors:
With Potential Application to the Nonlinear Responses”, FoPM Symposium 2023, University of Tokyo (Tokyo,
Japan), February 2023.
[4] Youichi Yanase, Akito Daido, Kazuaki Takasan, and Tsuneya Yoshida, “Topological d-wave superconductivity
in two dimensions”, Physica E 140, 115143 (2022).
[5] Kazuaki Takasan, Shuntaro Sumita, and Youichi Yanase, “Supercurrent-induced topological phase transitions”,
Phys. Rev. B 106, 014508 (2022).
[6] Shuntaro Sumita, and Kazuaki Takasan, “Supercurrent-induced Weyl superconductivity”, J. Phys. Soc. Jpn.
91, 074703 (2022).
[7] Kazuaki Takasan, Masaki Oshikawa, and Haruki Watanabe, “Drude weights in one-dimensional systems witha single defect”, Phys. Rev. B 107, 075141 (2023).
[8] Ryo Mori, Samuel Ciocys, Kazuaki Takasan, Ping Ai, Kayla Currier, Takahiro Morimoto, Joel E. Moore, andAlessandra Lanzara, “Spin-polarized spatially indirect excitons in a topological insulator’, Nature 614, 075141(2023).

187

13. ASHIDA GROUP

13

Ashida Group

Research Subjects: Condensed matter theory, Theoretical quantum optics
Member: Yuto Ashida and Kazuki Yokomizo
This group focuses on theoretical studies at the intersection of quantum many-body physics and quantum
optics. We have been studying physics of open and out-of-equilibrium systems, where quantum systems
interact with external world and thus feature nonunitary dynamics. We employ the ideas/methods, including ﬁeld theory, renormalization group, topology, and variational approach. In addition, we are interested
in physical phenomena in the corresponding classical systems and their potential applications. We havealso been doing studies related to machine learning and physics. We list research/review papers publishedin the academic year of 2022 below.
• Non-Hermitian physics, open quantum systems [1, 2, 4]• Strongly interacting quantum light-matter systems [3, 5, 8]• Statistical physics, machine learning [6, 7][1] K. Yokomizo, T. Yoda, and S. Murakami, Non-Hermitian waves in a continuous periodic model and application
to photonic crystals, Physical Review Research 4, 023089 (May 2022).
[2] K. Sone, Y. Ashida and T. Sagawa, Topological synchronization of coupled nonlinear oscillators, PhysicalReview Research 4, 023211 (June 2022).
[3] Y. Ashida, T. Yokota, A. Imamoglu and E. Demler, Nonperturbative Waveguide Quantum Electrodynamics,
Physical Review Research 4, 023194 (June 2022).
[4] K. Sone, Y. Ashida and T. Sagawa, Exceptional Topological Surface Laser, Physical Review B 105, 235426(June 2022).
[5] K. Masuki, H. Sudo, M. Oshikawa, and Y. Ashida, Absence versus Presence of Dissipative Quantum Phase
Transition in Josephson Junctions, Physical Review Letters 129, 087001 (17 Aug. 2022).
[6] M. Tsukamoto, S. Ito, K. Ogawa, Y. Ashida, K. Sasaki and K. Kobayashi, Machine-learning-enhanced quantum
sensors for accurate magnetic ﬁeld imaging, Scientiﬁc Reports 12, 13942 (Sep. 2022).
[7] S. Baba, N. Yoshioka, Y. Ashida and T. Sagawa, Deep reinforcement learning for preparation of thermal andprethermal quantum states, Physical Review Applied 19, 014068 (Jan. 2023).
[8] T. Yokota, K. Masuki and Y. Ashida, Functional Renormalization Group Approach to Circuit Quantum Electrodynamics, accepted for publication in Physical Review A.

14

Hasegawa Group

Research Subject: Experimental Surface/Nano Physics
Members: Shuji HASEGAWA and Ryota AKIYAMA
Surfaces/interfaces of materials and atomic-layer materials are platforms of our research where rich
physics is expected due to the low-dimensionality, symmetry breaking, a wide variety of structures, anddirect access for measurements. (1) Charge/spin/mass transports including superconductivity and spin current, (2) atomic/electronic structures, (3) phase transitions, (4) spin states and spintronics, and (5) epitaxial
growths of coherent atomic/molecular layers/wires on surfaces of metals, semiconductors, topological materials, and nano-scale phases such as surface superstructures, ultra-thin ﬁlms including atomic-layer materials
such as graphene and transition metal dichalcogenides. We use various kinds of ultrahigh-vacuum experimental techniques, such as electron diﬀraction, scanning electron microscopy(SEM), scanning tunnelingmicroscopy/spectroscopy (STM/S), photoemission spectroscopy(PES), in-situ four-point-probe conductivity measurements with four-tip STM and monolithic micro-four-point probes, and surface magneto-optical188

15. OKAMOTO GROUP

eﬀects apparatuses. Main results in this year are as follows.
(1) Surface transport and magnetism:- soft-magnetic skyrmions at interfaces/heterostructures at ferromagnetic topological insulators and magnetic interaction therein.
- 2D superconductivity at α-Sn layers on a topological crystalline insulator- non-reciprocal photocurrent at Rashba surfaces induced by irradiation of circularly polarized light- surface transport of SrTiO3 inﬂuenced by electron beam irradiation- Ferromagnetic states at Yb-intercalated graphene(2) Surface phases and atomic-layer materials:- Epitaxial growth of ultra-ﬂat SnTe and PbTe ﬁlms on SrTiO3 (001)(3) New methods:- Fabrication of a four-point probe UHV system with tunneling-spectroscopy capability- Fabrication of a UHV-MBE system with polarization-controlled mid-infrared irradiation[1] R. Akiyama, R. Ishikawa, K. Akutsu-Suyama, R. Nakanishi, Y. Tomohiro, K. Watanabe, K. Iida, M. Mitome, S.
Hasegawa, S. Kuroda: Direct probe of ferromagnetic proximity eﬀect at the interface in SnTe/Fe heterostructure
by polarized neutron reﬂectometry, The Journal of Physical Chemistry Letters 13, 8228-8235 (Aug, 2022).

15

Okamoto Group

Research Subjects: Experimental Condensed Matter Physics,
Low temperature electronic properties of two-dimensional systems.
Member: Tohru Okamoto and Ryuichi Masutomi
We study low temperature electronic properties of two-dimensional systems.
The current topics are following:
1. Two dimensional electrons at cleaved semiconductor surfaces:
At the surfaces of InAs and InSb, conduction electrons can be induced by submonolayer depositionof other materials. Recently, we have performed in-plane magnetotransport measurements on in-situ
cleaved surfaces of p-type substrates and observed the quantum Hall eﬀect which demonstrates theperfect two dimensionality of the inversion layers. Research on the hybrid system of 2D electrons andadsorbed atoms has great future potential because of the variety of the adsorbates and the applicationof scanning probe microscopy techniques.
To explore exotic physical phenomena related to spin at a semiconductor surface, magnetic-adatom
induced two dimensional electron systems are investigated by using low-temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy combined with transport measurements.
2. Superconductivity of monolayer ﬁlms on cleaved GaAs surfaces:
Recently, we studied the eﬀect of the parallel magnetic ﬁeld H∥ on superconductivity of monolayer
Pb ﬁlms on GaAs(110). Superconductivity was found to occur even for H∥ = 14 T, which is muchhigher than the Pauli paramagnetic limiting ﬁeld HP . The observed weak H∥ dependence of the superconducting transition temperature Tc is explained in terms of an inhomogeneous superconducting
state predicted for 2D metals with a large Rashba spin splitting.
We have studied nonreciprocal charge transport in superconducting ultrathin ﬁlms. For ultrathin
Pb and Al ﬁlms grown on the cleaved surface of GaAs (110), the antisymmetrized second harmonicmagnetoresistance was observed, which suggests that rectiﬁcation eﬀect occurs in the superconducting
ultrathin ﬁlms. Moreover, to clarify the origin of the rectiﬁcation eﬀect, we made the observation of
the cleaved GaAs surface using a scanning electron microscope. We found that an asymmetric edge
structure causes the rectiﬁcation eﬀect, which is called vortex ratchet.

189

16. SHIMANO GROUP

3. Formation of Dirac cones in ultrathin Bi ﬁlms
Magnetotransport measurements have been performed on ultrathin Bi ﬁlms grown on GaAs(110).
While large positive magnetoresistance is observed at low temperatures, the Hall resistance is foundto be extremely small. This is explained by the cancellation of contributions of electrons and holes,
which are estimated to have close density and mobility values. By analogy with graphene near the
charge neutral point, magnetotransport properties are discussed in relation to the formation of Diraccones.

16

Shimano Group

Research Subjects: Optical and Terahertz Spectroscopy of Condensed Matter
Member: Ryo Shimano and Naotaka Yoshikawa
We study light-matter interactions and many body quantum correlations in solids, aiming at light-controlof many-body quantum phases. In order to investigate the role of electron and/or spin correlations in the
excited states as well as in the ground states, we focus on the low energy electromagnetic responses, inparticular in the terahertz(THz) (1 THz∼4 meV) frequency range where various quasi-particle excitationsand various collective excitations exist. The research highlights in FY2022 are as follows.

1. Nonequilibrium dynamics of superconductors: We have investigated the photoexcited nonequilibrium dynamics of high-Tc cuprate superconductors and iron-based superconductors through theobservation of collective modes. In La-based compounds, La1.6−x Nd0.4 Srx CuO4 , the signature oflight-induced superconductivity was identiﬁed though the emergence of light-induced plasma edge
was observed above Tc upon the near-infrared optical pulse excitation, with the plasma frequency
almost identical to that of Josephson plasma frequency in the superconducting phase. The inducedplasma edge was identiﬁed up to the onset temperature of the charge stripe order, indicating theintimate interplay between the stripe order and superconductivity.
2. Nonequilibrium dynamics of charge density wave system: We investigated a thin ﬁlm oftransition metal dichalcogenide (TMD) 3R-Ta1+x Se2 which shows a charge density wave(CDW) orderat low temperatures. The dynamics of the CDW order parameter was studied by time-resolved
measurements of amplitude mode oscillation. Nonthermal melting of the CDW order induced by theintense THz pulses was revealed with the injected THz pulse energy far below the thermal energy
required to heat the system up to the CDW onset temperature.
3. Floquet engineering of Dirac electron systems: Floquet states in Dirac electron system in
Bi were investigated by irradiating the circular polarized mid infrared light pulses. In particular,
we discovered that a new type of Weyl nodes appears at the one photon resonance position, which
dominates the light-induced anomalous Hall eﬀect in three-dimensional Dirac electron system.
4. All optical switching of chirality and magnetization in a ferromagnetic Weyl semimetal:
Co3 Sn2 S2 , which has a kagome lattice, is a Weyl semimetal in which the electrons behave as massless
Weyl particles due to the characteristic band structure. By irradiating Co 3 Sn2 S2 with circularly
polarized light, we succeeded in all optical switching of the magnetization and the chirality of Weyl
cones.
References[1] Kota Katsumi, Morihiko Nishida, Stefan Kaiser, Shigeki Miyasaka, Setsuko Tajima, Ryo Shimano: Absence ofthe superconducting collective excitations in the photoexcited nonequilibrium state of underdoped YBa 2 Cu3 Oy ,arXiv.2209.01633.
[2] Naotaka Yoshikawa, Yoshua Hirai, Kazuma Ogawa, Shun Okumura, Kohei Fujiwara, Junya Ikeda, Takashi
Koretsune, Ryotaro Arita, Aditi Mitra, Atsushi Tsukazaki, Takashi Oka, Ryo Shimano: Light-induced chiralgauge ﬁeld in a massive 3D Dirac electron system, arXiv.2209.11932.

190

17. TAKAGI-KITAGAWA GROUP[3] Naotaka Yoshikawa, Kazuma Ogawa, Yoshua Hirai, Kohei Fujiwara, Junya Ikeda, Atsushi Tsukazaki and Ryo
Shimano: Non-volatile chirality switching by all-optical magnetization reversal in ferromagnetic Weyl semimetal
Co3 Sn2 S2 , Communications Physics 5, 328 (2022).
[4] Yoshua Hirai, Naotaka Yoshikawa, Masashi Kawaguchi, Masamitsu Hayashi, Shun Okumura, Takashi Oka, Ryo
Shimano: Anomalous Hall eﬀect of light-driven three-dimensional Dirac electrons in bismuth, arXiv.2301.06072.
[5] Morihiko Nishida, Kota Katsumi, Dongjoon Song, Hiroshi Eisaki, Ryo Shimano: Light-induced coherent interlayer transport in stripe-ordered La1.6−x Nd0.4 Srx CuO4 , arXiv.2303.01961.

17

Takagi-Kitagawa Group

Research Subjects: Physics of Correlated Electron Systems
Member: Hidenori Takagi, Kentaro Kitagawa, Naoka Hiraoka
We are exploring new compounds with transition metal elements in which novel, exotic and/or functional electronic phases are realized. Our main targets in FY2022 included, 3d-electron superconducting
materials under high pressure, 4f lanthanoide honeycomb-lattice compounds with interplay of electron correlations and strong spin orbit coupling, spin liquids, and instrumental development of ultrahigh-pressure
magnetometry devices.
Realization of spin liquid, where quantum spins ﬂuctuates at absolute zero, should be a milestone inthe ﬁeld of quantum spin physics. After a theoretical achievement of the exactly solvable spin liquid state
on a honeycomb lattice, by Alexei Kitaev, a materialization of this Kitaev Honeycomb Model (KHM)
has been intensively pursuit. One dimensional spin liquid has been commonly accepted, while in two or
three dimensions, typical known frustrated quantum spin liquid materials, like triangular compounds, isnot based on an exactly solvable lattice model. We have been focussed on a two-dimensional honeycomb
iridate, H3 LiIr2 O6 , and discovered that H3 LiIr2 O6 is indeed spin liquid, as the ﬁrst material of such a liquid,
down to 50 mK by speciﬁc heat, magnetic susceptibility, and nuclear magnetic resonance experiments.
The key ingredient to realize KHM is bond-dependent anisotropic Ising-like interactions, and it wassuggested that material engineering for spin-orbit coupled Jeﬀ = 1/2 quantum pseudo spins of Ir eightheron two-dimensional honecomb lattice or on three-dimensional hyper-honeycomb lattice would be a mainroute. Two kinds of Majorana fermions represent KHM and they are particles on the exactly solved groundstate. Since our discovery is an only spin liquid on Kitaev system, and no report was given to proof two
Majorana particles. We will pursuit realization of the ”true” Kitaev material. For this purpose, we are
exploring a new route to Kitaev physics, by exploring Lanthanoid honeycomb materials. For example,
α, β-type Na2 PrO3 are newly suggested candidates for a platform having an antiferromagnetic Kitaevtype interaction. We have clariﬁed α-Na2 PrO3 (two-dimensional) exhibits metamagnetic behavior which
would be related to the theoretically expected behavior for the antiferromagnetic Kitaev spin liquid andits proximate. We further clariﬁed that β-Na2 PrO3 shows a signiﬁcant short-range ordering above theantiferromagnetic transition temperature, implying that frustration takes place in this three-dimensional
hyperhoneycomb compound. We further explore other 4f Lanthanoid honeycomb materials as a new ﬁeld
for quantum magnetism in combination with Material Informatics and traditional crystal growth techniques.
To further accelerate quantum magnetism research in diﬀerent ways, we apply ultrahigh pressure on suchcandidate materials to modify the ground state. However, it has been diﬃcult to evaluate magnetic samples
above a few giga pascals. We have recently developed a highly sensitive technique to conduct magnetometry19118. HAYASHI GROUP

under very high pressures up to 9 GPa using an opposed-anvil type cell, which can detect a weak volume
susceptibility as small as ∼ 10−4 . The high-pressure cell has an optimized geometry to yield a reduced
background in the magnetic response, one order of magnitude smaller than those for previously reported
high-pressure cells in a commercial SQUID magnetometer. This year, we started making a redesigned
Moissanite anvil cell realizing even better resolutions and/or higher pressure. Using this state-of-the-art
experimental technique, we pursue novel magnetism under pressure.

18

Hayashi Group

Research Subjects: Quantum spintronics/optics
Member: Masamitsu Hayashi, Masashi Kawaguchi
In solids, it is understood that the spin angular momentum of electrons plays an important role in, forexample, magnetism, superconductivity, electrical transport and optical properties of solids. In addition toelectrons and photons, magnons (magnetic excitation), phonons (lattice vibration), and other excitations
in solids possess spin angular momentum. We want to understand the dynamics of particles and waves
with spin and how they inﬂuence the physical properties of solids.
• Spin current generation- Spin magnetic moment current in Dirac materials[4]The spin transport properties of Dirac Hamiltonian systems is studied using Bismuth as a model case.
We ﬁnd the spin Hall conductivity takes a maximum near the Dirac point and decreases with increasing carrier density. The sign of the spin torque conductivity is the same regardless of the position of
the Fermi level. These features can be accounted for quantitatively using a Dirac Hamiltonian model
if spin current is deﬁned as a ﬂow of spin magnetic moment. The results demonstrate that the giant
spin magnetic moment, with an eﬀective g factor that approaches 100, is responsible for the spin Halleﬀect in Bi.
• Chiral magnetism- Current induced domain walls in ferrimagnetic TbFeCo alloy[2]The direction to which domain walls move in a ferrimagnetic TbFeCo alloy changes when the Tb
concentration crosses the magnetization compensation point. Interestingly, the domain walls movealong (against) the current ﬂow for FeCo-rich (deﬁcient) ﬁlms. These results suggest that two competing torques act on the domain walls in the Tb-based ferrimagnets (TbFeCo), causing the domain
wall velocity to be more than one order of magnitude smaller than that of Gd-based ferrimagnets.
• Magnon-phonon coupling- Highly non-reciprocal transmission of surface acoustic waves[5]We ﬁnd the transmission of surface acoustic waves (SAWs) in ferromagnetic/non-magnetic/ferromagnetic
tryilayers is non-reciprocal. The SAW transmission amplitude depends on its propagation direction
when the two ferromagnetic layers are coupled antiferromagnetically. The degree of such SAW nonreciprocity increases with increasing exchange coupling strength. These results show the potential ofinterlayer exchange coupled synthetic antiferromagnets for viable acoustic nonreciprocal transmission
devices, such as circulators and isolators.
192

19. KOBAYASHI GROUP[1] Large intrinsic spin Hall conductivity in orthorhombic tungsten. T Ishikawa, R Akashi, K Kubo, Y Toga, K
Inukai, I Rittaporn, M Hayashi, S. Tsuneyuki. Phys. Rev. Mater. 7, 026202 (2023).
[2] M. Ishibashi, K. Yakushiji, M. Kawaguchi, A. Tsukamoto, S. Nakatsuji, M. Hayashi, Reversal of currentinduced domain wall motion in TbFeCo ferrimagnetic thin ﬁlms across the magnetization compensation point.
Jpn. J. Appl. Phys. 62 013001 (2023).
[3] T. Taniguchi, S. Isogami, Y. Shiokawa, Y. Ishitani, E. Komura, T. Sasaki, S. Mitani, M. Hayashi, Magnetization
switching probability in the dynamical switching regime driven by spin-transfer torque. Phys. Rev. B 106 104431(2022).
[4] Z. Chi, G. Qu, Y.-C. Lau, M. Kawaguchi, J. Fujimoto, K. Takanashi, M. Ogata, M. Hayashi, Spin Hall eﬀect
driven by the spin magnetic moment current in Dirac materials. Phys. Rev. B 105, 214419 (2022).
[5] H. Matsumoto, T. Kawada, M. Ishibashi, M. Kawaguchi, M. Hayashi, Large surface acoustic wave nonreciprocity in synthetic antiferromagnets. Appl. Phys. Express 15, 063003 (2022).

19

Kobayashi Group

Research Subjects: quantum sensing and mesoscopic physics
Member: Kensuke Kobayashi and Kento Sasaki
The development of nanotechnology since the 1980s has given rise to mesoscopic physics. This ﬁeld aims
to control various properties of matter using tiny electronic circuits (= mesoscopic systems) made fromsemiconductors, metals, superconductors, and magnetic materials. Developments in this ﬁeld have led tothe possibilities of various quantum technologies. One of these is quantum sensing, a precision measurement
technique based on the principles of quantum mechanics. Our goal is to construct precise condensed matterphysics based on quantum sensing.
Using color center quantum sensors, we are developing a single quantum spin microscope for diverse
quantum sensing applications. This technique can quantitatively image the distribution of magnetic ﬁelds
and temperature on a sub-micron scale in various environments. Such a technique has never existed incondensed matter physics. Many essential and fascinating topics, such as non-equilibrium transport, spinglass, topological edge states, and persistent currents, lie ahead.
In FY2022, we addressed the following research topics:• Floquet engineering using pulse driving in a diamond two-level system• Spin state readout optimization in a diamond quantum sensor• Demonstration of geometric non-adiabatic dynamics• Development of hexagonal boron-nitride quantum sensors• Accurate magnetic ﬁeld imaging using nanodiamond quantum sensors using machine learning• Lock-in thermography using diamond quantum sensors• Observation of quantum vortices in superconductors• Magneto-optic Kerr eﬀect measurement in a quantum spin microscope• Microwave imaging

19320. NAKATSUJI-SAKAI GROUP• Nonlinear conduction in magnetic tunnel junctions• Determination of the Kondo temperature in quantum dots
Published papers:[1] Y. Nakamura, et al., AIP Advances 12 (5), 055215 (2022).
[2] M. Tsukamoto, et al., Scientiﬁc Reports 12 (1), 13942 (2022).
[3] S. Nishimura, et al., Physical Review Applied 18 (6), 064023 (2022).
[4] K. Ogawa, et al., Journal of the Physical Society of Japan 92 (1), 014002 (2023).
[5] M. Shinozaki, et al., Physical Review B 107 (9), 094436 (2023).

20

Nakatsuji-Sakai GroupA new era in quantum materials research arises, featuring discoveries of novel topological phases ofmatter and interdisciplinary approaches. Our research activities focus on designing and synthesizing newmaterials with emergent quantum properties that have never been seen before, then exploring the physics
and functionalities of such properties with our world-leading measurement facilities. We aim to lead theinnovative quest for new quantum materials that bear a far-reaching impact not only on basic science but
also on our everyday life in the future.
Major research themes:
1. Solid-state analogs of relativistic particles and new quantum phenomena in strongly correlated topologicalphases and frustrated magnets
2. Room-temperature topological transport in magnetic materials
3. Non-Fermi-liquid behavior and exotic superconductivity in multipolar Kondo materials

Summary of research subjects in 2022
1. Room-temperature tunneling magnetoresistance in an all-antiferromagnetic memory device [4]Magnetoresistive random access memory (MRAM) has the potential to revolutionize computer memory byoﬀering ultrafast, high-density, and energy-saving data storage and processing. A critical step to realizing
such a possibility is to improve MRAM’s operation speed and integration density; both factors are currently
limited by the ferromagnetic materials used for this technology. Antiferromagnets have recently emerged aspromising constituents for future ultrahigh-speed on-chip MRAM, owing to their thousandfold faster spin
dynamics and lack of a stray ﬁeld. However, a critical challenge to address is demonstrating the tunnelingmagnetoresistance (TMR) in all-antiferromagnetic MRAM, which is essential as a reading protocol. In thisstudy, we report the observation of a ﬁnite room-temperature TMR in all-antiferromagnetic spintronics
devices comprising Mn3 Sn, which breaks the common belief that TMR is directly related to interfacial
spin polarization, and thus is restricted to ferromagnetic materials. This ﬁrst-of-its-kind demonstration
not only pushes the boundaries of operation speed in magnetic memory but also lays a ﬁrm foundation foradvancing all-antiferromagnetic MRAM toward commercialization.

19420. NAKATSUJI-SAKAI GROUP

2. Full electrical switching of antiferromagnet unlocks unprecedented speed and capacity for spintronic
devices [2]Spintronic applications make a great leap forward by turning to antiferromagnets. Antiferromagnetic
memories are insensitive to stray ﬁelds and can operate hundreds of times faster than their ferromagnetic
counterparts. These unique characteristics open the door to high-speed, high-density, and low-power dataprocessing. A major obstacle, though, is the diﬃculty in controlling the antiferromagnetic spin structure,
which limits the device s performance. In this study, we achieved full electrical switching of the antiferromagnetic Mn3 Sn for the ﬁrst time, enabled by applied 0.2% tensile strain owing to the lattice mismatchwith the substrate. Such switching maximizes the device’s operating speed and dramatically simpliﬁes thedevice conﬁguration, setting down a vital milestone in antiferromagnetic spintronics.
3. Large piezomagnetic eﬀect allows strain control of antiferromagnet [3]Identifying eﬀective control knobs for antiferromagnets is key to pushing forward their spintronic applications. In this study, we found sizable piezomagnetic eﬀect in the topological antiferromagnet Mn 3 Sn,
famous for its nearly magnetization-free anomalous Hall eﬀect. This piezomagnetic eﬀect enables an applied
strain as small as about 0.1% to reverse the sign of the anomalous Hall signal by rotating the underlying
spin structure. The eﬀective strain control of the anomalous Hall eﬀect complements the conventional
means, such as a magnetic ﬁeld and electric current, and will be indispensable for widening the scope of
topological antiferromagnetic spintronics.
4. Ultrafast dynamics of the Anomalous Hall eﬀect in the topological antiferromagnet Mn 3 Sn [5]The large, magnetization-free anomalous Hall eﬀect in Mn3 Sn makes the material highly promising forachieving all-antiferromagnetic memory devices with unprecedented operation speed and minimal energy
consumption. Previous research using THz time-domain spectroscopy found that the nonequilibrium AHE
in the THz-regime resembles the static AHE and is nearly dissipation-free at room temperature. This
result suggests that the observed THz-scale AHE could be used for the electrical readout of high-speed
magnetic memory. To realize this perspective, a sub-picosecond time-resolved investigation is necessary to
clarify the origin of the nonequilibrium AHE and its interplay with the time evolution of the underlying
magnetic order. Our new study investigates the dynamics of AHE in Mn3 Sn using ultrashort optical pulses
with sub-100fs time resolution. By comparing the experimental results with microscopic calculations,
we conclude that the intrinsic Berry-curvature mechanism is responsible for the nonequilibrium AHE. This
work demonstrates that nonequilibrium dynamics can provide essential clues to the microscopic mechanismof anomalous transport.
5. Fabrication and thermal stability of nanoscale grains of the Weyl antiferromagnet Mn 3 Sn [1]A key step towards the integration of Mn3 Sn into electronics is to establish the functionality of the material
with nanoscale dimensions. In this study, we fabricated isolated island-like structures of Mn 3 Sn withdiameters of one to several hundred nanometers through deposition of Mn3 Sn on a Si/SiO2 substrate
kept at a high temperature [1]. By connecting the islands using an extra aluminum conducting layer, wewere able to measure the transport properties of the grains in series, conﬁrming that they exhibit thelarge anomalous Hall eﬀect indicative of the time-reversal symmetry breaking magnetic structure. The
stability of the magnetic orientations of these islands under ambient temperature was conﬁrmed throughthe transport measurements, indicating promise for functional nanoscale devices based on Mn 3 Sn.

19521. THEORETICAL ASTROPHYSICS GROUP[1] T. Matsuo, T. Higo, D. Nishio-Hamane, S. Nakatsuji “Anomalous Hall eﬀect in nanoscale structures of theantiferromagnetic Weyl semimetal Mn3 Sn at room temperature” Appl. Phys. Lett. 121, 013103 (2022).
[2] T. Higo, K. Kondou, T. Nomoto, M. Shiga, S. Sakamoto, X. Chen, D. Nishio-Hamane, R. Arita, Y. Otani,
S. Miwa, S. Nakatsuji “Perpendicular full switching of chiral antiferromagnetic order by current” Nature 607,
474–479 (2022).
[3] M. Ikhlas, S. Dasgupta, F. Theuss, T. Higo, Shunichiro Kittaka, B. J. Ramshaw, O. Tchernyshyov, C. W.
Hicks, S. Nakatsuji “Piezomagnetic switching of the anomalous Hall eﬀect in an antiferromagnet at room
temperature” Nat. Phys. 18, 1086–1093 (2022).
[4] X. Chen et al.,“Octupole-driven magnetoresistance in an antiferromagnetic tunnel junction” Nature 613, 490495 (2023).
[5] T. Matsuda et al., “Ultrafast Dynamics of Intrinsic Anomalous Hall Eﬀect in the Topological Antiferromagnet
Mn3 Sn” Phys. Rev. Lett. 130, 126302 (2023).

21

Theoretical Astrophysics Group

Research Subjects:Observational Cosmology, Extrasolar Planets, Star Formation, highenergy astrophysics, and Artiﬁcial Intelligence
Member:Yasushi Suto, Naoki Yoshida, Kotaro Fujisawa , Kana Moriwaki & Tilman Hartwig
The Theoretical Astrophysics Group conducts a wide range of research programmes. Observationalcosmology is our primary research area, but we also pursue other forefront topics such as extrasolar planets,
star formation, high-energy astrophysics, and artiﬁcial intelligence.
Observational Cosmology

attempts to understand the evolution of the universe on the basis of theobservational data in various wavebands. The proper interpretation of recent and future data provided by
Planck, Hubble Space Telescope, ALMA, and wide-ﬁeld galaxy surveys such as Subaru Hyper-Suprime-Cam
survey are very important both in improving our understanding of the present universe and in determining
several basic parameters of the universe, which are crucial in predicting the evolution of the universe.
Our current interests include non-linear gravitational evolution of cosmological ﬂuctuations, formation andevolution of proto-galaxies and proto-clusters, X-ray luminosity and temperature functions of clusters ofgalaxies, hydrodynamical simulations of galaxies and the origin of the Hubble sequence, thermal historyof the universe and reionization, prediction of anisotropies in the cosmic microwave background radiation,
statistical description of the evolution of mass functions of gravitationally bound objects, statistics ofgravitationally lensed quasars, and the chemical formation history of the Milky Way.
Astronomical observations utilizing large ground-based telescopes discovered distant galaxies and quasars
that were in place when the Universe was less than one billion years old. We can probe the evolution of thecosmic structure from the present-day to such an early epoch. Shortly after the cosmological recombination
epoch when hydrogen atoms were formed, the cosmic background radiation shifted to infrared, and thenthe universe would have appeared completely dark to human eyes. A long time had to pass until theﬁrst generation stars were born, which illuminated the universe once again and terminate the cosmic Dark
Ages. We study the formation of the ﬁrst stars and blackholes in the universe. The ﬁrst stars are thought
to be the ﬁrst sources of light, and also the ﬁrst sources of heavy elements that enable the formation ofordinary stellar populations, planets, and ultimately, the emergence of life. We perform simulations of
196

21. THEORETICAL ASTROPHYSICS GROUP

structure formation in the early universe on supercomputers. Direct and indirect observational signatures
are explored considering future radio and infrared telescopes. We study the formation and mixing of theﬁrst heavy elements in the universe. Comparing the predictions of our simulations to observations allows
us to better understand the nature of the underlying physical processes.
Can we discover a second earth somewhere in the universe? This puzzling question used to be very
popular only in science ﬁctions, but is now regarded as a decent scientiﬁc goal in the modern astronomy.
Since the ﬁrst discovery of a gas giant planet around a Sun-like star in 1995, more than 4000 exoplanets
have been reported as of March 2021. Though most of the conﬁrmed planets turned out to be gas giants,
the number of rocky planet candidates was steadily increasing, which therefore should give the aﬃrmative
answer to the above question. Our approaches towards that exciting new ﬁeld of exoplanet researches include the spin-orbit misalignment statistics of the Rossiter-MacLaughlin eﬀect, simulations of planet-planet
scattering, simulations of tidal evolution of the angular momentum of the planetary system, photometricand spectroscopic mapping of a surface of a second earth and detection of possible biomarker of habitable
planets.
To maximise the information gain from astrophysical observations and numerical simulations, we also
apply and develop state-of-the-art machine learning techniques. We use supervised machine learning algorithms to classify observations of metal-poor stars, quasars, and satellite galaxies of the Milky Way. We
improve existing deep learning methods with a new class of activation functions that allow users to improve the extrapolation properties of their neural networks. Artiﬁcial intelligence (AI) is a rapidly evolving
ﬁeld with many promising applications. To better understand the social impact of AI research, we alsocollaborate with social scientists to better understand the impact and public attitudes towards AI research.
Let us summarize this report by presenting recent titles of the PhD and Master’s theses in our group;2022• Formation and evolution of star clusters and galaxies in the early Universe• Understanding Atmospheric Escape of Hot Jupiters Using Radiation Hydrodynamics Simulations• Neutron-capture element enrichment of early galaxies
2021• Study on the eﬀect of supernova fallback on the neutron star diversity• Gravitational hierarchical three-body systems with an invisible inner binary: application to binary
black-hole search and their dynamical stability• Analysis of the Large-Scale Structure of the Universe Using Cosmological Simulations and Machine
Learning• Planetary systems predicted from the ALMA disks: planet-disk evolution and long-term orbital
stability of multi-planets• Structure Formation of the Universe with Fuzzy Dark Matter• Dispersal mechanism of proto-planetary disks
2020
197

21. THEORETICAL ASTROPHYSICS GROUP• Observational signatures from tidal disruption events of white dwarfs• Multiwavelength Signals From Pulsar-Driven Supernovae• Measuring stellar rotation periods and stellar inclinations of kepler solar-type stars
2019• Observational characterization of protoplanetary disks, exo-rings, and Earth-twins in exoplanetarysystems• Non-sphericities and alignments of clusters and central galaxies from cosmological hydrodynamical
simulation: theoretical predictions and observational comparison• Probing Cosmic Star-Formation History with Blind Millimetre Searches for Galaxy Emission Lines• Photoevaporation process of giant planets• Dilution of heavy elements in galaxies and its implications
2018• Stellar Inclinations from Asteroseismology and their Implications for Spin-Orbit Angles in Exoplanetary Systems• Numerical Investigations on Explosion Mechanisms of Core-collapse Supernovae′• Cosmology and Cluster Astrophysics with Weak Gravitational Lensing and the Sunyaev-Zel dovich
Eﬀect• Photoevaporation of Protoplanetary Disks and Molecular Cloud Cores in Star-Forming Regions• Numerical Algorithms for Astrophysical Fluid Dynamics• Radial velocity modulation of an outer star orbiting an unseen inner binary: analytic perturbation
formulae in a three-body problem to search for wide-separation black-hole binaries• The distribution and physical properties of emission line galaxies in the early universe• Diversities out of the observed proto-planetary disks: migration due to planet-disk interaction andarchitecture of multi-planetary systems
2017• Formation of supermassive stars and black holes via direct gravitational collapse of primordial gas
clouds• Formation and growth of massive black holes in the early universe• Measuring Dynamical Masses of Galaxy Clusters with Stacked Phase Space• GCM simulation of Earth-like planets for photometric lightcurve analysis• Tidal disruption events of white dwarfs caused by black holes• Radio, Submillimetre, and Infrared Signals from Embryonic Supernova Remnants
19822. MURAO GROUP

22

Murao Group

Research Subjects: Quantum Information Theory
Member: Mio Murao and Hayata Yamasaki
Quantum mechanics allows a new type of information represented by quantum states which may be in asuperposition of 0 and 1 state. Quantum information processing seeks to perform tasks that are impossible
or not eﬀective with the use of conventional classical information, by manipulating quantum states tothe limits of quantum theory. Examples are quantum computation, quantum cryptography, and quantum
communication.
We consider that a quantum computer is not just a machine to run computational algorithms but
also a machine to perform any operations allowed by quantum mechanics. We analyze what kinds of
new properties and eﬀects may appear in quantum systems by using quantum computers to improve ourunderstanding of quantum mechanics from an operational point of view. We also investigate applications ofquantum properties and eﬀects such as entanglement for information processing, communication, quantum
learning, and quantum manipulations by developing quantum algorithms and quantum protocols.
This year, our group consisted of faculty members, Mio Murao (Professor), Hayata Yamasaki (AssistantProfessor), postdoctoral researchers, Bartosz Regula (JSPS foreign postdoctoral fellow), Philip Taranto(JSPS foreign postdoctoral fellow), Hlér Kristjánsson (Postdoctoral researcher), graduate students, Wataru
Yokojima (D3), Yutaka Hashimoto (D1), Yu Tanaka (D1), Timothy Forrer (D1), Satoshi Yoshida (M2) and
Tatsuki Odake (M1). Our projects engaged in the academic year of 2022 were the following:• Distributed quantum information processing– Distribution of non-local gates between networks of quantum computers (By Forrer, Murao)– Distributed quantum computing with entanglement-assisted packing processes (By Forrer, Murao)• Quantum machine learning and Quantum learning– Quantum state generation via binary decision diagram (By Tanaka, Yamasaki, Murao)– Quantum neural networks with coherent control (by Kristjánsson, Yamasaki, Murao)– Quantum simulation of unitary comparison (By Hashimoto, Murao)– Quantum ridgelet transform (by Yamasaki)• Higher-order quantum computation– Algorithm for transforming Hamiltonian dynamics (By Odake, Kristjánsson, Soeda, Murao)– Deterministic exact algorithm for inverting qubit-unitary operations (By Yoshida, Murao)– Catalytic supermaps (by Kristjánsson, Yoshida, Taranto, Murao)• Indeﬁnite causal order– Decomposition of unitarily extendable n-partite processes (by Yokojima, Kristjánsson, Murao)

199

23. UEDA GROUP– Simulatability of quantum switch using deﬁnite causal order (by Kristjánsson, Taranto, Murao)• Quantum thermodynamics– Landauer vs. Nernst: what is the true cost of cooling a quantum system (By Taranto)• Quantum resource theories– Irreversibility of quantum entanglement (By Regula)– Tight constraints on the probabilistic convertibility of quantum states (By Regula)• Quantum error correction– Low-depth random Cliﬀord circuits for quantum coding against Pauli noise (By Yamasaki)– Time-eﬃcient constant-space-overhead fault-tolerant quantum computation (By Yamasaki)

23

Ueda Group

Research Subjects: Bose-Einstein condensation, fermionic superﬂuidity, topological phenomena, open quantum systems, information thermodynamics, quantum information, measurement theory, machine learning
Member: Masahito Ueda and Masaya Nakagawa
With recent advances in nanoscience, it has become possible to precisely measure and control atoms,
molecules, and photons at the level of a single quantum. We are interested in theoretically studying
emergent quantum many-body problems in such highly controllable systems and developing nanoscale
thermodynamics and statistical physics that lay the foundations of such problems. Our particular focuses inrecent years include many-body physics of ultracold atomic gases and uniﬁcation of quantum and statisticalphysics and information theory. Atomic gases which are cooled down to nearly zero temperature by laser
cooling techniques oﬀer unique opportunities for studying macroscopic quantum phenomena such as a
Bose-Einstein condensation (BEC) in controlled manners. Unprecedented controllability of such gases alsoenables us to simulate phenomena analogous to condensed matter and astronomical physics, to investigate
their universal properties, and to explore unknown quantum many-body physics. In our recent works, wehave studied nonunitary dynamics of atomic gases subject to dissipation and/or measurement backaction,
classiﬁcation of phases of matter in nonequilibrium open systems, quantum Hall eﬀect and vortex lattices
in synthetic gauge ﬁelds, and thermalization of isolated quantum systems. We are also interested inrelating fundamental concepts of quantum and statistical physics with information theory and exploring
interdisciplinary ﬁelds that unify physics and information. In particular, we have recently worked on
generalizations of the second law of thermodynamics and ﬂuctuation theorems and the formulations ofstate reduction dynamics and Hamiltonian estimation in light of information ﬂow under measurements andfeedback controls. Furthermore, we have recently tackled an understanding of AI and machine learningfrom a viewpoint of physics. We list our main research subjects in FY2022 below.

200

24. YOKOYAMA (J) GROUP• Quantum many-body phenomena in ultracold atoms, nonequilibrium open systems- Embedding of the Yang-Lee quantum criticality in open quantum systems [1]- Universal properties of dissipative Tomonaga-Luttinger liquids [2]- Eigenstate thermalization in long-range interacting systems [3]• Uniﬁcation of quantum physics, statistical mechanics, information theory, and machine learning- Fundamental theory for training deep neural networks [4, 5, 6]- Universal thermodynamic uncertainty relation in nonequilibrium dynamics [7]- Control of a quantum rigid body using reinforcement learning [8][1] Norifumi Matsumoto, Masaya Nakagawa, and Masahito Ueda, Phys. Rev. Research 4, 033250 (2022).
[2] Kazuki Yamamoto, Masaya Nakagawa, Masaki Tezuka, Masahito Ueda, and Norio Kawakami, Phys. Rev. B
105, 205125 (2022).
[3] Shoki Sugimoto, Ryusuke Hamazaki, and Masahito Ueda, Phys. Rev. Lett. 129, 030602 (2022).
[4] Zihao Wang* and Liu Ziyin*, Neural Information Processing Systems (NeurIPS2022) [Oral].
[5] Liu Ziyin, Botao Li, and Xiangming Meng, Neural Information Processing Systems (NeurIPS2022).
[6] Liu Ziyin, Ekdeep Singh Lubana, Masahito Ueda, and Hidenori Tanaka, To be published in International
Conference on Learning Representations 2023 (ICLR 2023).
[7] Liu Ziyin and Masahito Ueda, Phys. Rev. Research 5, 013039 (2023).
[8] Zhikang Wang, Doctoral Thesis, the University of Tokyo (2022).

24

Yokoyama (J) Group

Research Subjects: Theoretical Cosmology and Gravitational Waves
Member: Jun’ichi Yokoyama, Kohei Kamada, and Ryusuke Jinno
This group being a part of Research Center for the Early Universe (RESCEU) participates in research andeducation of Department of Physics in close association with Theoretical Astrophysics Group of Departmentof Physics. We are studying various topics on cosmology of the early universe, observational cosmology,
and gravitation on the basis of theories of fundamental physics such as quantum ﬁeld theory, particle
physics, and general relativity. We have also been working on gravitational wave data analysis to prepare
for completion of KAGRA. Below is the list of topics studied during the academic year 2021.

Early Universe Cosmology• Vacuum decay in the Lorentzian path integral• One-loop correction on the primordial curvature perturbation from single-ﬁeld inﬂation• Schwinger reheating through the helical gauge ﬁeld ampliﬁcation• Backreaction on the axion inﬂation from the charged particle production• Chiral eﬀects in cosmology

201

25. EJIRI GROUP• Baryogenesis in the axion inﬂationary scenario• Precise calculation of the cosmic birefringence• Baryogenesis from sphaleron decoupling• Condition of the PBH formation with conditional probability• Time evolution of the primordial magnetic ﬁeld
• Baryon isocurvature perturbation from primordial magnetic ﬁeld
• Production of radiation, dark matter, and baryon asymmetry in quintessential inﬂation with hierarchical right-handed neutrinos• Reheating in the R2 inﬂation model with massive right-handed Majorana neutrinos• Ruling out PBH formation in the single-ﬁeld inﬂation models• Machine learning post-Minkowskian integrals• Borel resummation in stochiastic inﬂation• First order phase transition in the early Universe• Gradient ﬂow method for the construction of saddle-point solutions

Gravitational wave analysis• Noise removal method with environmental monitors• Observational constraints on cosmic string with particle and gravitational wave emission• Exploration of light dark matter

Time-domain astronomy• Observation of the ﬂare from red dwarf stars with Tomo-e Gozen camera

25

Ejiri Group

Research Subjects: high temperature plasma physics experiments, spherical tokamak,
wave heating and current drive, nonlinear physics, collective phenomena, ﬂuctuations and transport, advanced plasma diagnostics development
Member: Akira Ejiri, Naoto Tsujii

20225. EJIRI GROUP

In our laboratory, we conduct research on magnetically conﬁned torus plasma with the goal of realizing
nuclear fusion energy. In addition to conducting experimental research using the TST-2 device at the
Kashiwa Campus, we are also conducting joint research with National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (QST), National Institute for Fusion Science (NIFS), Kyushu University,and the University of Tsukuba. We are also conducting joint research with overseas institutions such as
Tokamak Energy. In TST-2, we use powerful wave heating to generate a highly non-linear self-organizedplasma through fast electron generation and current drive. Our laboratory is working on various physics
of waves and fast electrons.
TST-2 is a spherical tokamak (ST) with the major radius of 0.36 m and the minor radius of 0.23 m. The
maximum plasma current is 120 kA for inductive operation and 27 kA for non-inductive operation using
radio frequency waves. At TST-2, we mainly use the Lower-Hybrid Wave (LHW) to study non-inductive
current drive. In 2022, we started experiments using a new oﬀ-midplane launch LHW antenna. Initial
experiments showed improvement in the heating eﬃciency at the plasma core as it was designed. The x-ray
radiation was also observed to be small compared to the previously studied top launch scenario, whichindicated that LHW driven fast electron losses were reduced. The eﬃciency for LHW current drive can bealso limited by parasitic LHW loss mechanisms at the edge. Ion heating was observed in correlation withparametric decay activities. Fast electron losses were studied by measuring thick-target x-ray radiation
at the target limiter. Theoretically, fast electron energy is expected to increase with major radius aroundthe low-ﬁeld side scrape-oﬀ layer (SOL) if the electrons are accelerated at the high-ﬁeld side. During theouter-midplane antenna pulse, the x-ray ﬂux increased by an order of magnitude when the target limiter
was moved outward across the SOL. In contrast, during the top antenna pulse, the intensity increasedslightly before it decreased by a factor of ﬁve. Fast electron transport model is being developed to explain
the observed characteristics. Impurity generation at the LHW antenna can be a problem since radiation by
high-Z impurities may cool the plasma and density may increase in an uncontrolled way. Mo radiation wasobserved to increase linearly during the outer-midplane antenna pulse near the antenna and drop promptly
when the power was turned oﬀ. Hot plasma ﬁnite element full-wave simulation was developed to perform
realistic simulation of LHW excitation.
Diagnosis and suppression of runaway electrons are important issues in a tokamak fusion reactor. The
fast electron characteristics may be studied by measuring the instabilities driven by fast electrons. We
have observed instabilities with magnetic probes during the plasma current ramp-down in TST-2. During
the period when instabilities were observed, no visible radiation was observed and only x-ray radiation wasobserved, suggesting that only fast electrons remain. Coherent magnetic ﬂuctuations were observed over awide range of frequencies from several tens of MHz to several hundreds of MHz, which may help understandfast electron transport during this time.
To improve the startup reliability of superconducting tokamaks, we study EC (Electron Cyclotron)wave-assisted Ohmic startup in the Trapped Particle Conﬁguration (TPC). In FY2022, to quantitatively
understand the TPC start-up characteristics, we modeled the fast electron transport using the collisionless
kinetic equation and estimated the parameter regime for successful start-up. It was predicted that the low
neutral pressure limit increased at high power for pure EC start-up and that the low pressure limit decreased
at stronger vertical magnetic ﬁeld strength. Introduction of small loop voltage did not signiﬁcantly alter
this parametric dependence. The predictions were consistent with TST-2 experimental results.
Microwave polarimeter is developed to measure directly the internal current proﬁle of LHW driven
plasmas. In 2022, the diagnostic principle was veriﬁed by measuring the known toroidal magnetic ﬁeld. We

203

26. YAMAMOTO GROUP

have also developed a double-pass Thomson scattering system, a compact magnetic probe and spectroscopy.
Particle transport over a very long period of time is studied in QUEST at the Kyushu University. In
2022, we have upgraded the Thomson scattering diagnostic to measure the discharge for tens of minutes.
We found that it took about 300 seconds for the EC driven plasma to reach a steady state. This time scaleis thought to represent the time scale for the particles to interact with the wall.

26

Yamamoto Group

Research Subjects: Millimeter- and submillimeter-wave Astronomy, Star and Planet Formation, Chemical Evolution of Interstellar Molecular Clouds
Member: Satoshi Yamamoto and Yoko Oya
Molecular clouds are birthplaces of new stars and planetary systems, which are being studied extensively
as an important target of astronomy and astrophysics. Although the main constituent of molecular clouds
is a hydrogen molecule, various atoms and molecules also exist as minor components. The chemical composition of these minor species reﬂects formation and evolution of molecular clouds as well as star formation
processes. It therefore tells us how each star has been formed. We are studying star formation processes
from such an astrochemical viewpoint.
Since the temperature of a molecular cloud is 10 − 100 K, an only way to explore its physical structure
and chemical composition is to observe the radio wave emitted from atoms, molecules, and dust particles.
Particularly, there exist many atomic and molecular lines in the millimeter/submillimeter wave region, andwe are observing them toward formation sites of Solar-type protostars mainly with ALMA (Atacama Large
Millimeter/submillimeter Array).
So far, it has well been recognized that an envelope/disk system of a Solar-type protostar shows asigniﬁcant chemical diversity. One distinct case is so called Warm Carbon Chain Chemistry (WCCC),
which is characterized by rich existence of various unsaturated carbon-chain molecules such as C 2 H, C4 H,
and HC5 N. A prototypical source is L1527 in Taurus. Another distinct case is so called hot corino chemistry,
which is characterized by rich existence of various saturated organic molecules such as CH 3 OH, HCOOCH3 ,and C2 H5 CN. A prototypical source is IRAS 16293–2422 in Ophiuchus. Recently, sources having the bothcharacteristics have also be found. Such chemical diversity would reﬂect the star formation history of eachsource, more speciﬁcally, a duration time of the starless core phase.
We are now studying how such chemical diversity is brought into protoplanetary disks by using ALMA.
For the WCCC source L1527, we have found that carbon-chain molecules only exist in an infalling-rotatingenvelope outside its centrifugal barrier (r = 100 AU), while SO preferentially exists around the centrifugal
barrier. For the hot corino source IRAS 16293–2422, OCS traces an infalling-rotating envelope, whilesaturated organic molecules such as CH3 OH and HCOOCH3 trace the centrifugal barrier. Hence, chemicalcompositions drastically change across the centrifugal barrier of the infalling gas. Since a protostellar disk
is formed inward of the centrifugal barrier, the chemical diversity at an envelope scale (∼ 1000 au) is indeed
inherited in the disk forming region (∼ 100 au). Then, what is the initial chemical condition of the Solar
System? Is it a common occurrence in our Galaxy? To answer these questions, the ALMA large program
FAUST (Fifty AU Study of the chemistry in the disk/envelope system of Solar-like protostar) is ongoing.

20427. SAKAI (HIROFUMI) GROUP

Furthermore, we are now incorporating machine-learning techniques to explore the physical and chemical
structures in an unbiased way.
Note: Our group is closed on March 31, 2023 due to formal retirement of Satoshi Yamamoto. Yoko Oya
already moved Kyoto University on Oct.1, 2022.
[1] Oya, Y. et al. Infalling-Rotating Motion and Associated Chemical Change in the Envelope of IRAS
16293–2422 Source A Studied with ALMA, Astrophys. J. 824, 88 (2016).
[2] Oya, Y. and Yamamoto, S. Substructures in the Disk-forming Region of the Class 0 Low-mass Protostellar Source IRAS 16293–2422 Source A on a 10 au Scale, Astrophys. J., 904, 185 (2020).
[3] Okoda, Y. et al. FAUST II. Discovery of a Secondary Outﬂow in IRAS 15398–3359: Variability in
Outﬂow Direction during the Earliest Stage of Star Formation?, Astrophys. J., 910, 11 (2021).
[4] Okoda, Y. et al. Molecular Distributions of the Disk/Envelope System of L483: Principal Component
Analysis for the Image Cube Data, Astrophys. J, 923, 168 (2021).

27

Sakai (Hirofumi) Group

Research Subjects: Experimental studies of atomic, molecular, and optical physics

Members: Hirofumi Sakai and Shinichirou Minemoto
Our research interests are as follows: (1) Manipulation of neutral molecules based on the interaction
between a strong nonresonant laser ﬁeld and induced dipole moments of the molecules. (2) High-intensity
laser physics typiﬁed by high-order nonlinear processes (ex. multiphoton ionization and high-order harmonic
generation). (3) Ultrafast phenomena in atoms and molecules in the attosecond time scale. (4) Controlling
quantum processes in atoms and molecules using shaped ultrafast laser ﬁelds. A part of our recent research
activities is as follows:(1) All-optical control of pendular qubit states with nonresonant two-color laser pulses [1]Practical methodologies for quantum qubit controls are established by two prerequisites, i.e., preparationof a well-deﬁned initial quantum state and coherent control of that quantum state. Here we propose a new
type of quantum control method, realized by irradiating nonresonant nanosecond two-color (ω and 2ω)laser pulses to molecules in the pendular (ﬁeld-dressed) ground state. The two-color ﬁeld nonadiabaticallysplits the initial pendular ground state |0̃, 0̃⟩ to a superposition state of |0̃, 0̃⟩ and |1̃, 0̃⟩, whose relative
probability amplitudes can be controlled by the peak intensity of one wavelength component (ω) while
the peak intensity of the other component (2ω) is ﬁxed. The splitting of the quantum paths is evidenced
by observing degrees of orientation of ground-state selected OCS molecules by the velocity map imaging
technique. This quantum control method is highly advantageous in that any type of polar molecules canbe controlled regardless of the molecular parameters, such as rotational energy, permanent dipole moment,
polarizability, hyperpolarizability, and hyperﬁne energy structures.

20528. GONOKAMI GROUP(2) Ultrafast X-ray photoelectron diﬀraction from free molecules: Simulations of diﬀraction
proﬁles from transient intermediates in the elimination reaction of C2 H4 I2 [2]We have performed the simulations of C1s X-ray photoelectron diﬀraction (XPD) proﬁles from C 2 H4 I2 ,bridged and classical anti-forms of C2 H4 I intermediates and C2 H4 products to capture structures of transientintermediates in the elimination reaction of C2 H4 I2 , under our ultrafast X-ray photoelectron diﬀraction(UXPD) scheme for free molecules using soft X-ray free-electron laser (SXFEL). In the UXPD scheme,
the sample molecules are aligned in advance by near-infrared (NIR) laser with ns pulse duration before
applying a pump-probe method. Then, we have considered alignment control of C 2 H4 I2 by using theelliptically polarized NIR laser to realize the UXPD experiments for the free molecules. As the resultsof simulations of XPD proﬁles from the laser-aligned C2 H4 I2 molecules, we have demonstrated the twodimensional (2D) color maps of the C1s XPD proﬁles from C2 H4 I2 , C2 H4 I, and C2 H4 . The 2D color maps
have revealed that the transient C1s XPD proﬁles from the bridged-form and classical anti-form C 2 H4 I
intermediates exhibit remarkable diﬀerences, reﬂecting diﬀerent intra-molecular scattering pathways of C1s
photoelectrons within the intermediates. Thus, the present result has proved that UXPD for the freemolecules has an advantage, compared with other traditional diﬀraction methods.
[1] Je Hoi Mun, Shinichirou Minemoto, Dong Eon Kim, and Hirofumi Sakai, “All-optical control ofpendular qubit states with nonresonant two-color laser pulses,” Commun. Phys. 5, 226(7 pages)(2022).
[2] S. Minemoto, J. H. Mun, T. Teramoto, A. Yagishita, and S. Tsuru, “Ultrafast X-ray photoelectron
diﬀraction from free molecules: Simulations of diﬀraction proﬁles from transient intermediates in theelimination reaction of C2 H4 I2 ,” J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 258, 147221(7 pages) (2022).
[3] T. Teramoto, S. Minemoto, T. Majima, T. Mizuno, J. H. Mun, A. Yagishita, P. Decleva, and S.
Tsuru, “Basic studies toward ultrafast soft x-ray photoelectron diﬀraction; its application to probing
local structure in iodobenzene molecules,” Struct. Dyn. 9, 024303(12 pages) (2022).

28

Gonokami Group

Research Subjects: Experimental studies on light-matter interaction in many-body quantum systems, optical phenomena in artiﬁcial nanostructures, and developmentof laser based coherent light sources
Member:Makoto Gonokami and Junji Yumoto
We explore new aspects of many-body quantum systems and their exotic quantum optical eﬀects by designing light-matter interactions. Our current target topics consist of a wide variety of matters, including
excitons and electron-hole ensembles in semiconductors, and ultra-cold atomic gases. In particular, we havebeen investigating the phase of Bose-Einstein condensation of excitons, which has not been experimentally
proven while considered as the ground state of an electron-hole ensemble. Based on quantitative spectroscopic measurements, the temperature and density of the excitions are determined in a quasi-equilibrium
condition where they are trapped in a highly pure crystal kept below 1 K. We are now investigating astable Bose-Einstein condensate of dark excitons at the low temperature. We also study lthe mechanism206

29. ANDO GROUP

of laser ablation by femtosecond lasers. Furthermore, we are now developing novel coherent light sources
and spectroscopic methods. We achieved precision measurements of the refractive index of materials in an
EUV region using techniques of higher-order harmonics generation. We also developed laser-based angle
resolved photoemission spectroscopy using time-of-ﬂight photoelectron analyzer.
The group activities of this year are as follows:

1. The quest for macroscopic quantum phenomena in photo-excited systems:
1.1. Systematic study of the Bose-Einstein condensation transition of excitons using a dilution refrigerator
1.2. Preparation of new quantum many-body systems using ultra-cold atomic gases
2. Investigation for non-trivial optical responses and development of applications:2.1. Exploring the mechanism of laser ablation by femtosecond lasers
3. Development of novel coherent light sources and spectroscopic methods:
3.1. EUV precision spectroscopy using higher-order harmonics
3.2. Laser-based angle resolved photoemission spectroscopy
3.3. Institute for Photon Science Technology

29

Ando Group

Research Subjects: Experimental Relativity, Gravitational Wave, Laser Interferometer
Member: Masaki Ando and Kentaro Komori
Gravitational waves has a potential to open a new window onto the Universe and brings us a new typeof information about catastrophic events such as supernovae or coalescing binary neutron stars or binary
black holes; these information can not be obtained by other means such as optics, radio-waves or X-ray.
Worldwide eﬀorts are being continued in order to construct and improve detectors.
In Japan, we are constructing a large-scale cryogenic gravitational-wave antenna, named KAGRA, at
Kamioka underground site. This underground telescope is expected to catch gravitational waves from thecoalescence of neutron-star binaries at the distance of 200 Mpc. A space laser interferometer, DECIGO,
was proposed through the study of the gravitational wave sources with cosmological origin. DECIGO could
detect primordial gravitational waves from the early Universe at the inﬂation era.
The current research topics in our group are followings:• KAGRA gravitational wave detector• Space laser interferometer, DECIGO and precursor missions• Development of TOBA (Torsion Bar Antenna)20730. BAMBA GROUP• Dark Matter Seach• High-precision experiments on relativity and opto-mechanics
Reference[1] T. Ishikawa, et al.: First-step experiment for sensitivity improvement of DECIGO: Sensitivity optimization forsimulated quantum noise by completing the square, Phys. Rev. D 107, 022007 (2023).
[2] M. Croquette, et al.: Recent advances toward mesoscopic quantum optomechanics, AVS Quantum Sci. 5,014403 (2023).
[3] T. Kawasaki, et al.: i Angular trapping of a linear-cavity mirror with an optical torsional spring, Phys. Rev.
A 106, 013514 (2022).
[4] T. Shimoda, et al.: Coherent angular signs ampliﬁcation using an optical cavity Appl. Opt. 61, 3901-3911(2022).
[5] M. Croquette, et al.: Photothermal eﬀect in macroscopic optomechanical systems with an intracavity nonlinear
optical crystal, Opt. Express 30, 42579-42593 (2022).
[6] Yuta Michimura, et al.: Ultralight dark matter searches with KAGRA gravitational wave telescope, J. of Phys.:Conf. Ser. 2156, 012071 (2022).
[7] Yuka Oshima, et al.: First Results of Axion Dark Matter Search with DANCE, arXiv:2303.03594 (2023).
[8] Yuka Oshima, et al.: Wavefront Sensing with a Coupled Cavity for Torsion-Bar Antenna, arXiv:2207.13847(2022).
[9] R. Abbott, et al.: Population of Merging Compact Binaries Inferred Using Gravitational Waves through
GWTC-3, Phys. Rev. X 13, 011048 (2023).
[10] R. Abbott, et al.: First joint observation by the underground gravitational-wave detector KAGRA with GEO
600, PTEP 2022, 063F01 (2022).
[11] H. Abe, et al.: Performance of the KAGRA detector during the ﬁrst joint observation with GEO600 (O3GK),
PTEP ptac093 (2022).
[12] H. Abe, et al.: The Current Status and Future Prospects of KAGRA, the Large-Scale Cryogenic Gravitational
Wave Telescope Built in the Kamioka Underground, Galaxies 10, 63 (2022).

30

Bamba Group

Research Subjects: High-energy astrophysics, mainly utilizing X-ray/Gamma-ray observatories in orbit. Targets are, supernova remnants, black-holes, neutron-stars,
magnetars, white dwarfs, active galactic nucleus, and so on.
Member: Associate Prof: Aya Bamba, Assistant Prof: Hirokazu Odaka (– December),
Kouichi Hagino (January –)Our aim is understanding high energy phenomena in the universe, such as supernova explosions andtheir remnants, compact stars such as neutron stars and blackholes, and active galactic nucleus. Such highenergy objects emit X-rays and gamma-rays, thus we observe such high energy photons using balloons andsatellites. This year we focused our research speciﬁcally on neutron stars (NSs), supernova remnants, and
NS-NS merger remnants, as well as the development of coming missions, XRISM, GRAMS, and cipher.
Neutron stars are compact stars, as dense as nuclei, and have quite large dipole magnetic ﬁeld of ∼1012−15 Gauss. Neutron stars accreted from companion stars are ideal to study with high X-ray luminosities.
We have made wide band spectroscopy of the bright accreting neutron star, Cen X-3, and succeeded toresolve the orbital and rotational variabilities. With this analysis, we found that the original emission from208

31. KUSAKA GROUP

the neutron star is stable and the absorption partially cover the neutron star make the complicated time
variability. We have made similar analysis to another accreting pulsar, Her X-1, and derived the geometricstructure of emission column. We also made the ﬁrst systematic study of wide-band spectroscopy ofnebulae of pulsars. Supernova remnants distribute heavy elements and cosmic rays into the space, andmakes the diversity of the universe. It is unknown which environmental parameters changes the spectrum
and acceleration eﬃciency of cosmic rays. We have made spatially resolved spectroscopy of the young
SNR, Kepler’s remnant, and found that there are two regime to determine the acceleration eﬃciency; thelow medium environment with high shock speed and strong magnetic ﬁeld due to the interaction between
shocks and interstellar medium.
We will launch our next generation satellite, XRISM on Japanese ﬁscal year 2023, and now in preparation.
We also have a plan to launch balloon experiment for engineering demonstration experiments of GRAMS.

Selected Papers[1] Terada, Y., Miwa, Y., Ohsumi, H., Fujimoto, S., Katsuda, S., Bamba, A., Yamazaki, R. ”Gamma-Ray Diagnostics of r-process Nucleosynthesis in the Remnants of Galactic Binary Neutron-star Mergers”, 2022, Astrophys.J.,
933, 111. doi:10.3847/1538-4357/ac721f[2] Sapienza, V., Miceli, M., Bamba, A., Katsuda, S., Nagayoshi, T., Terada, Y., Bocchino, F., Orlando, S.,
Peres, G. ”A Spatially Resolved Study of Hard X-Ray Emission in Kepler’s Supernova Remnant: Indicationsof Diﬀerent Regimes of Particle Acceleration”, 2022, Astrophys.J., 935, 152[3] Shimoda, J., Ohira, Y., Bamba, A., Terada, Y., Yamazaki, R., Inoue, T., Tanaka, S. J. ”X-ray line diagnostics
of ion temperature at cosmic ray accelerating collisionless shocks”, 2022, PASJ, 74, 1022
[4] Bamba, A., Shibata, S., Tanaka, S. J., Mori, K., Uchida, H., Terada, Y., Ishizaki, W. ”Spectral break ofenergetic pulsar wind nebulae detected with wideband X-ray observations”, 2022, PASJ, 74, 1186
[5] Yoneda, H., Odaka, H., et al., ”Reconstruction of multiple Compton scattering events in MeV gamma-ray
Compton telescopes towards GRAMS: The physics-based probabilistic model”, 2023, Astroparticle Physics,
144, 102765[6] Tanimoto, A., Ueda, Y., Odaka, H., Yamada, S., Ricci, C. ”NuSTAR Observations of 52 Compton-thick Active
Galactic Nuclei Selected by the Swift/BAT All-sky Hard X-Ray Survey”, 2022, ApJS, 260, 30[7] Yeung, P. K., Bamba, A., Sano, H. ”Multiwavelength studies of G298.6-0.0: An old GeV supernova remnant
interacting with molecular clouds”, 2023, PASJ, in press[8] Tamba, T., Odaka, H., Tanimoto, A., Suzuki, H., Takashima, S., Bamba, A., ”Orbital- and Spin-phase Variability in the X-Ray Emission from the Accreting Pulsar Centaurus X-3”, 2023, ApJ, 944, 9[9] Takashima, S., Odaka, H., Yoneda, H., Ichinohe, Y., Bamba, A., Aramaki, T., Inoue, Y. ”Event reconstructionof Compton telescopes using a multi-task neural network”, 2022, NIMA, 1038, 166897[10] Nagasawa, S., Minami, T., Watanabe, S., Takahashi, T. ”Wide-gap CdTe Strip Detectors for High-Resolution
Imaging in Hard X-rays”, 2023, NIMA, in press

31

Kusaka Group

Research Subjects: Observational Cosmology, Cosmic Microwave Background (CMB)
Observation, Dark Matter Search. (1) Study of Inﬂation in the early universe
and the evolution of the universe through gravitational lensing using Polarbear and Simons Array experiment; (2) Design, Development, and Construction of Simons Observatory aiming to study Inﬂation, evolution of the universe,
Neutrinos, Dark Energy, and Dark Radiation; (3) Research and Developmentof technologies for Simons Observatory and CMB-S4; (4) Dark matter searchusing Magnon.
20932. TAKEUCHI GROUP

Member: A. Kusaka and K. Kiuchi• Polarbear experiment and its successor, Simons Array, are optimized to measure both inﬂationary
signature and the gravitational lensing eﬀect in CMB polarization. Polarbear experiment has
concluded its observation campaign, and Simons Array experiment started the osbervation. Our
focus is on data analysis as well as the development and characterization of the continuously-rotatinghalf-wave plate (HWP) enabling accurate measurement of CMB polarization.
• Simons Observatory experiment is under constraction, with the ﬁrst light expected in two years.
We plan to deploy an array of what we call “small aperture telescopes,” which are dedicated for theinﬂationary signal, and a six-meter “large aperture telescope,” which enables observation for Neutrinos
and the dark content of the universe. We are primarily focusing on the design and development forthe small aperture telescope.
• Research and Development for the next generation experiments such as Simons Observatory and
CMB-S4 are crucial component of our research program. We speciﬁcally work on superconducting
technologies used in the detectors, cryogenic bearing system for HWP, and anti-reﬂection coating forhigh-index optical material. We also develop techniques for high-performance computation (HPC)
enabling data analysis for new experiments producing order-of-magnitude larger data volume thanthe current instruments.
• Dark matter accounts for about 80% of the matters in the Universe. Axion is one of the candidatesof the dark matter. In searching for relatively light dark matters such as axion, detectors free fromstandard quantum limit (SQL), which constrains the sensitivity of conventional methods, play animportant role. We are developing Magnon Q-bit hybridized system to overcome SQL aiming at theaxion dark matter search.

32

Takeuchi Group

Research Subjects: Experimental statistical physics for non-equilibrium systems

Members: Kazumasa A. Takeuchi and Daiki Nishiguchi
We aim to explore statistical physics of out-of-equilibrium phenomena experimentally. Using soft andliving matter, such as liquid crystal, colloids, and granular materials, as well as bacteria, we carry out
experiments that we design to capture underlying physical principles, in addition to the understanding ofspeciﬁc phenomena we observe. As a result, we deal with diverse subjects in the group, sometimes enjoying
interesting connections in between. More speciﬁcally, we carried out the following projects among othersin the academic year 2022:(1) Non-equilibrium phenomena in soft matter systems(1-1) Observation of 3D dynamics of topological defect lines in nematic liquid crystal [2](1-2) Negative viscosity and spontaneous ﬂow formation of liquid crystal turbulence(1-3) Sponge-like granular media(1-4) Model experiment of stochastic particle transport210

33. MIO GROUP(2) Non-equilibrium phenomena in living systems(2-1) Physics underlying heterogeneity of bacterial community(2-2) Glass transition of bacterial populations [8](2-3) Magnetic response of collective motion of bacteria(3) Approaches based on nonlinear science(3-1) Route to turbulence in an active ﬂuid model under conﬁnement(3-2) Algorithm to measure large deviations in non-equilibrium interfaces
More detailed information can be found at the group’s website, https://lab.kaztake.org/
References[1] A. N. Kato, K. A. Takeuchi, and M. Sano, Active colloid with externally induced periodic bipolar motility andits cooperative motion, Soft Matter, 18, 5435 (2022).
[2] Y. Zushi and K. A. Takeuchi, Scaling and spontaneous symmetry restoring of topological defect dynamics inliquid crystal, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 119(41), e2207349119 (2022).
[3] T. Shimaya and K. A. Takeuchi, Tilt-induced polar order and topological defects in growing bacterial populations, PNAS Nexus, 1, pgac269 (2022).
[4] Y. Takaha and D. Nishiguchi, Quasi-two-dimensional bacterial swimming around pillars: enhanced trapping
eﬃciency and curvature dependence, Phys. Rev. E 107, 014602 (2023)[5] A. Douin, S. Poincloux, J. P. Bruneton, and F. Lechenault, Assessing seismic-like events prediction in modelknits with unsupervised machine learning, Extreme Mech. Lett., 58, 101932 (2023).
[6] S. Poincloux, C. Vallat, T. Chen, T. G. Sano, and P. M. Reis, Indentation and stability of woven domes,
Extreme Mech. Lett., 59, 101968 (2023).
[7] H. Lama, L. Pauchard, F. Giorgiutti-Dauphine, and S. Khawas, Salinity induced stiﬀening of drying particulate
ﬁlm and dynamic warping, Phys. Rev. Mater., 7, 025604 (2023).
[8] H. Lama, M. J. Yamamoto, Y. Furuta, T. Shimaya, K. A. Takeuchi, Emergence of bacterial glass: two-step
glass transition in 2D bacterial suspension, arXiv:2205.10436.
[9] S. Poincloux, P. M. Reis, T. W. de Geus, Stick-slip synchronization in stack of elastically coupled frictional
interfaces, arXiv:2301.13745.

33

Mio Group

Research Subjects: Application of lasers
Member: Norikatsu Mio
Mio Group is conducting research on lasers and their applications. Since the laser was invented in 1960,
the laser technology has been widely used in various ﬁelds as a fundamental technology that supports
modern society, thus is extremely important and indispensable for communication, information technology,
material processing and so on. In addition, state-of-the-art photon technology was used in the ﬁrst observation of a gravitational wave in 2015; photon science and technology work as an important bridge between
academia and society.
Our laboratory belongs to Institute for Photon Science and Technology (IPST), where various researches
are conducted to deepen science and to promote collaboration with industry. IPST has many members

21134. NOSE GROUP

in addition to our laboratory; all of them are working closely together to promote research and education(http://www.ipst.s.u-tokyo.ac.jp).
Physics on laser material processing
The processes such as cutting and welding, using lasers are called laser processing. Since advances inlaser sources have made it possible to use high-power ultraviolet light and to control pulse widths andwavelengths more freely, the development of new processing has become possible.
However, the actual phenomena are non-equilibrium, open systems, and the interaction between laser
light and materials is in a region that cannot be explained by a perturbative approach. The goal of thisproject is to advance our understanding of this phenomenon and to develop its application.
We are now investigating the non-linear eﬀects on laser beam propagation for laser material processing
and the applications of the ﬁne-processing using femto-sesond laser pulses.
KAGRA project
More than seven years have already passed since gravitational waves were actually detected. The numberof events detected to date reaches 90 and observations of gravitational waves become important to build a
new picture of the universe.
In Japan, KAGRA is being constructed in the Kamioka Mine in Gifu Prefecture. KAGRA takes advantage of the quiet underground environment and incorporates cryogenic technology. to improve its
sensitivity.
Currently, we are cooperating with LIGO in the U.S. and VIRGO in Europe. KAGRA is being improved
to join international joint observation called O4 (scheduled to start in May 2023). Our group is involved
in developing the laser source of KAGRA. Now, a new solid-state laser that has higher power and stability
is being evaluated for replacing the current laser source.

34

Nose Group

Research Subjects:Formation and function of neural networks
Member:Akinao Nose and Teruyuki Matsunaga
The aim of our laboratory is to elucidate the mechanisms underlying the formation and function of neuralnetworks, by using as a model, the simple nervous system of the fruitﬂy, Drosophila. A part of our recent
research activity is summarized below.

1.Extraction of bouton-like structures from neuropil calcium imaging data.
The neuropil, the plexus of axons and dendrites, plays a critical role in operating the circuit processingof the nervous system. Revealing the spatiotemporal activity pattern within the neuropil would clarify how
the information ﬂows throughout the nervous system. However, calcium imaging to examine the circuit
dynamics has mainly focused on the soma population due to their discrete distribution. Here, we propose
a new method to decompose calcium imaging data of the neuropil into populations of bouton-like synaptic

21235. HIGUCHI GROUP

structures with a standard desktop computer. To extract bouton-like structures from calcium imaging data,
we introduced a new type of modularity, a widely used quality measure in graph theory, and optimized theclustering conﬁguration by a simulated annealing algorithm, which is established in statistical physics. To
assess this method s performance, we conducted calcium imaging of the neuropil of Drosophila larvae andestablished artiﬁcial neuropil imaging datasets. We applied the decomposition procedure to the artiﬁcial
and experimental calcium imaging data and extracted individual bouton-like structures successfully. Basedon the extracted spatiotemporal data, we analyzed the network structure of the central nervous system ofﬂy larvae and found it was scale-free. These results demonstrate that neuropil calcium imaging and its
decomposition could provide new insight into our understanding of neural processing.

2. A neuromechanical model for Drosophila larval crawling based on physicalmeasurements.
Animal locomotion requires dynamic interactions between neural circuits, the body (typically muscles),and surrounding environments. While the neural circuitry of movement has been intensively studied,
how these outputs are integrated with body mechanics (neuromechanics) is less clear, in part due to thelack of understanding of the biomechanical properties of animal bodies. Here, we propose an integrated
neuromechanical model of movement based on physical measurements by taking Drosophila larvae as amodel of soft-bodied animals. We ﬁrst characterized the kinematics of forward crawling in Drosophila
larvae at a segmental and whole-body level. We then characterized the biomechanical parameters of thelarvae, namely the contraction forces generated by neural activity, and passive elastic and viscosity of thelarval body using a stress-relaxation test. We established a mathematical neuromechanical model based on
the physical measurements described above, which succeeded in quantitatively reproducing the kinematics
of larval locomotion that were obtained experimentally and the observation of optogenetic studies reported
previously. Furthermore, the model predicted a signiﬁcant contribution of intersegmental connections in thecentral nervous system, which contrasts with a previous study. In conclusion, we generated a neurochemical
model based on physical measurement to provide a new foundation to study locomotion in soft-bodied
animals and soft robot engineering.

References[1] Fukumasu, K., Nose, A., Kohsaka, H. . Extraction of bouton-like structures from neuropil calcium imaging
data. Neural Networks, 156, 218–238 (2022)[2] Sun, X., Liu, Y., Liu, C., Mayumi, K., Ito, K., Nose, A., Kohsaka, H. A neuromechanical model for Drosophila
larval crawling based on physical measurements. BMC biology, 20(1), 130 (2022)

35

Higuchi Group

Research Subjects:Protein dymamics in vitro,cells and mice
Member:Hideo Higuchi and Motoshi Kaya213

35. HIGUCHI GROUP

35.1

Oscillation by the minimum model system of ﬂagella

Bending of cilia and ﬂagella occurs when axonemal dynein molecules on one side of the axoneme produce force and move toward the microtubule minus end. These dyneins are then pulled back when theaxoneme bends in the other direction, meaning oscillatory back and forth movement of dynein during
repetitive bending of cilia/ﬂagella. There are various factors that may regulate the dynein activity, e.g.
the nexin-dynein regulatory complex, radial spokes, and central apparatus. In order to understand thebasic mechanism of dynein s oscillatory movement, we constructed a simple model system composed of
microtubules, outer-arm dyneins, and crosslinks between the microtubules made of DNA origami. Electron
microscopy showed pairs of parallel microtubules crossbridged by patches of regularly arranged dynein
molecules bound in two diﬀerent orientations, depending on which of the microtubules their tails bind to.
The oppositely oriented dyneins are expected to produce opposing forces when the pair of microtubules
have the same polarity. Optical trapping experiments showed that the dynein- microtubule -DNA-origami
complex actually oscillates back and forth after photolysis of caged ATP. Intriguingly, the complex, whenheld at one end, showed repetitive bending motions. The results show that a simple system composed ofensembles of oppositely oriented dyneins, microtubule s, and inter- microtubule crosslinkers, without any
additional regulatory structures, has an intrinsic ability to cause oscillation and repetitive bending motions.

35.2

Quantitative evaluation of intracellular vesicle diﬀusion in weakened cells.

When cells are exposed to an unsuitable environment for growth, they become weakened and the survival
rate after a period decreases. Weakened cells show changes in their state, such as shape contraction,compared to healthy cells, and these changes in cell state are considered to contribute to the survival rateof the cells. However, it is not known in detail how the state of weakened cells diﬀers from that of healthy
cells. In this study, we focused on intracellular vesicle diﬀusion as a parameter to quantify the change
in state when cells are weakened. Two methods were used to weaken cells: intracellular generation ofreactive oxygen species (ROS) and exposure of cells to an ATP-depleted environment. First, when ROS
is generated in cells, the ”ﬂuctuation value” in the cell decreases in the phase contrast image of the cell,and the ”ﬂuctuation value” is an index of the degree of cellular damage, which has already been reported
in our laboratory. However, the actual meanings of the ﬂuctuation value have not been reported. We havetherefore tracked intracellular vesicles in cells which have decreased ﬂuctuation values and calculated thediﬀusion coeﬃcient, and the decrease rate in vesicle diﬀusion was found to be approximately the squareof that in the ﬂuctuation value, indicating that the decrease in vesicle diﬀusion is one of the causes of thedecrease in ﬂuctuation value. Next, we also calculated the vesicle diﬀusion coeﬃcient for cells exposed to
ATP-depleted environment and found that it decreased signiﬁcantly and was correlated with the survival
rate. Thus, the vesicle diﬀusion coeﬃcient was found to be a characteristic quantity of ATP-depleted cells.
To further elucidate the mechanism by which the diﬀusion coeﬃcient of vesicles decreased, we examined thepositional relationship between vesicles and the cytoskeleton by ﬂuorescence observation and found thatthe cytoskeleton was located near the extremely slow-moving vesicles, suggesting that the cytoskeleton was
involved in the decrease in the diﬀusion coeﬃcient of vesicles.

214

36. OKADA GROUP

36

Okada Group

Research Subjects: Biophysics, cell biology, super-resolution microscopy, live cell imaging and single molecule imaging.
Member: Yasushi Okada, Sawako Enoki and Keigo Ikezaki
Our primary goal is to answer the very basic question “What is life”. To answer this question , we aretrying to ﬁll the gap between the world of molecules and the world of living cells. Direct measurement ofmolecules in living cells would serve as a basic technology to ﬁll this gap. Thus, we have been working on
the development of the technologies for the visualization and non-invasive measurement of the molecular
processes in living cells. High-speed, super-resolution live-cell imaging and single-molecule measurement inliving cells are the two main technologies we develop.
By using these technologies, we are trying to understand the regulatory mechanisms of motor proteinsduring axonal transport. Despite the many studies in the past decades by our group and others, it isstill unclear how the biophysical properties of motor proteins are related to their biological functions. For
example, a point mutation in kinesin-1 can cause hereditary spastic paraplegia, but it is unclear why thismutation selectively aﬀects neurons in the longest tract in the aged patients.
Through these studies and development, we have realized the importance of the cellular states, and our
microscope technologies can also be applied to the measurement of the cellular states. Thus, we haveproposed a project for the visualization, prediction and control of cellular states. We are now leading thisproject, and the project members in our lab are working on the development of the technologies to visualize
and control cellular states.
This year, we had progress in development of several microscope-related technologies. For example,
we have collaborated with Miyawaki-lab in RIKEN for the development and application of a new, highly
photostable green ﬂuorescent protein, StayGold. This enabled a three-dimensional super-resolution live cell
imaging for longer period without photobleaching.
We also applied our superresolution imaging technologies to solve various biological quesitons. One
example is the analysis of the distribution of the force sensor protein Pkd1 on the surface of the nodal
immotile cilia. The asymmetric distribution of this protein solved the long-lasting mystery of the mechanismof the left-right symmetry breaking in the development of our body.

37

Furusawa Group

Research Subjects: Theoretical Biophysics, Evolutionary Biology, Complex Systems
Member: Chikara Furusawa and Yusuke Himeoka
Biological systems have both robustness and plasticity, a property that distinguishes them from artiﬁcial
systems and is essential for their survival. Biological systems exhibit robustness to various perturbations,
including noise in gene/protein expressions and unexpected environmental changes. Simultaneously, they
are plastic to the surrounding environment, changing their state through processes such as adaptation,
evolution and cell diﬀerentiation. Although the coexistence of robustness and plasticity can be understood215

37. FURUSAWA GROUP

as a dynamic property of complex and interacting networks consisting of a large number of components,
the mechanisms responsible for the coexistence are largely unknown.
Our work extracts the universal features of cellular dynamics responsible for robustness and plasticity
in biological systems. We describe the systems using a relatively small number of degrees of freedom withthe macroscopic state variables. We expect that such a description will provide novel methods for theprediction and control of complex biological systems.
The current research topics in our group are followings:
1. Laboratory evolution of bacterial cells to analyze dynamics of phenotype-genotype mappings
2. Construction of macroscopic state theory describing adaptation and evolution of biological systems
3. Theoretical analysis of evolutionary process under dynamically changing environments
4. Metabolic simulation for understanding growth and lag-phase
5. Development of a method to characterize animal morphology using machine learning

References[1] Potential contribution of intrinsic developmental stability toward body plan conservation. Uchida Y, Shigenobu
S, Takeda H, Furusawa C, Irie N. BMC Biol. 2022 Apr 11;20(1):82.
[2] Distinct Survival, Growth Lag, and rRNA Degradation Kinetics during Long-Term Starvation for Carbon
or Phosphate. Himeoka Y, Gummesson B, Sørensen MA, Svenningsen SL, Mitarai N.mSphere. 2022 Jun
29;7(3):e0100621.
[3] Development of a device that generates a temperature gradient in a microtiter plate for microbial culture.
Shibai A, Kotani H, Kawada M, Yokoi N, Furusawa C. SLAS Technol. 2022 Jul 29;27(5):279-283.
[4] Single mutation makes Escherichia coli an insect mutualist. Koga R, Moriyama M, Onodera-Tanifuji N, Ishii
Y, Takai H, Mizutani M, Oguchi K, Okura R, Suzuki S, Gotoh Y, Hayashi T, Seki M, Suzuki Y, Nishide Y,
Hosokawa T, Wakamoto Y, Furusawa C, Fukatsu T. Nature Microbiol. 2022 Aug;7(8):1141-1150.
[5] Purifying selection enduringly acts on the sequence evolution of highly expressed proteins in Escherichia coli.
Shibai A, Kotani H, Sakata N, Furusawa C, Tsuru S.G3 (Bethesda). 2022 Nov 4;12(11):jkac235.
[6] Experimental evidence for the correlation between RNA structural ﬂuctuations and the frequency of beneﬁcial
mutations. Maeda Y, Mizuuchi R, Shigenobu S, Shibai A, Kotani H, Furusawa C, Ichihashi N.RNA. 2022
Dec;28(12):1659-1667.
[7] Analysis of the evolution of resistance to multiple antibiotics enables prediction of the Escherichia coli
phenotype-based ﬁtness landscape. Iwasawa J, Maeda T, Shibai A, Kotani H, Kawada M, Furusawa C.PLoS
Biol. 2022 Dec 13;20(12):e3001920.
[8] Wickerhamiella bidentis sp. nov., a novel yeast species isolated from ﬂowers and insects in Japan. Seike T,
Takekata H, Uchida Y, Sakata N, Furusawa C, Matsuda F. Int J Syst Evol Microbiol. 2023 Mar;73(3). doi:
10.1099/ijsem.0.005739.
[9] Stability in gene expression and body-plan development leads to evolutionary conservation. Uchida Y, Takeda
H, Furusawa C, Irie N.Evodevo. 2023 Mar 14;14(1):4.
[10] Common and distinctive transcriptome signatures of E. coli between short- and long-term stationary phase environments. Takano S, Takahashi H, Yama Y, Miyazaki R, Furusawa C, Tsuru S. Sci. Rep. 2023 Apr 6;13(1):5647.
[11] Rare-Event Sampling Analysis Uncovers the Fitness Landscape of the Genetic Code. Omachi Y, Saito N,
Furusawa C, PLOS Comp. Biol. in press.

216

III

2022 年度 物理学教室全般に関する報告1 学部講義概要

1.1

2 年生 A セメスター

1.1.1

電磁気学 I : 横山 将志

1. 特殊相対性理論

3.3 一定速度で運動する点電荷がつくる電磁場

1.1 光の伝播とエーテル

3.4 電磁場テンソル

1.2 Michelson-Morley の実験

3.5 電磁場テンソルと Maxwell 方程式

1.3 Lorentz 変換

4. 電磁場中の粒子の運動1.4 種々の相対論的効果

4.1 一様な静電場中の運動

1.5 時空の構造

4.2 一様な静磁場中の運動

2. 2. 相対論的力学
4.3 非一様な静磁場中での運動
2.1 ４元ベクトル
4.4 一様な静電磁場中の運動

2.2 相対論的エネルギーと運動量5. 電磁場のエネルギーと運動量2.3 相対論的運動学

5.1 電磁場のエネルギーと Poynting の定理

2.4 相対論的力学
3. 電磁気学と特殊相対論

5.2 電磁場の運動量と Maxwell の応力テンソル

3.1 相対論効果と磁気

5.3 電磁場のエネルギー・運動量テンソル

3.2 電磁場の変換

5.4 電磁場のラグランジアン

1.1.2

解析力学 : 常行 真司

1 ニュートンの法則からラグランジュ形式へ

1.5 ダランベールの原理

1.1 ニュートンの法則

1.6 ホロノーム系の E-L 方程式の導出

1.2 ガリレイ変換

2 最小作用の原理

1.3 オイラー-ラグランジュ方程式

2.1 最小作用の原理

1.4 一般化座標と拘束条件

2.2 変分法218

1. 学部講義概要

1.1. 2 年生 A セメスター

2.3 自由粒子のラグランジアン

5.1 ルジャンドル変換

2.4 相互作用する質点系のラグランジアン

5.2 ハミルトニアン

2.5 ラグランジュ未定乗数法と拘束条件

5.3 正準方程式

3 対称性と保存則

5.4 ポアソン括弧と保存量

3.1 保存量

5.5 ポアソン括弧の諸性質

3.2 エネルギー保存則

6 正準変換3.3 運動量保存則

6.1 正準変換

3.4 角運動量保存則
6.2 正準変数と母関数

3.5 循環座標と保存則

6.3 正準変換の具体例

3.6 ネーターの定理

6.4 無限小変換

4 さまざまなラグランジアン

6.5 正準変換とポアソン括弧

4.1 回転座標系とコリオリ力
4.2 速度に比例する摩擦力（抵抗力）

6.6 リウヴィルの定理

4.3 電磁場中の荷電粒子

6.7 ハミルトン-ヤコビの方程式

5 ハミルトニアンと正準方程式

7 相対論と解析力学

1.1.3

量子力学 I : 日下 暁人

1. イントロダクション

5. 量子力学の基本的な性質

1.1 古典論とその綻び

5.1 波動関数を用いた方法まとめ

1.2 量子力学的効果の例

5.2 エルミート演算子と物理量

2. シュレディンガー方程式

5.3 測定値と期待値

2.1 シュレディンガー方程式と波動関数

6. 形式的な体系

2.2 確率解釈と物理量の期待値

6.1 ディラックの記法と演算子を用いた定式化

2.3 不確定性関係
6.2 ハイゼンベルグ表示

3. １次元の束縛状態

6.3 正準量子化

3.1 １次元の箱に閉じ込められた粒子

7. 調和振動子

3.2 井戸型ポテンシャル
4. １次元の散乱

7.1 調和振動子の量子論的扱い：波動関数

4.1 自由粒子の波動関数：平面波

7.2 調和振動子の量子論的扱い：演算子法

4.2 散乱問題のいくつかの例

7.3 量子ビット219

1.1. 2 年生 A セメスター

1.1.4

1. 学部講義概要

物理実験学 : 安東 正樹, 中島 康博

1. 序論

4.3 距離の計測

1.1 現代物理と科学的手法

4.4 その他の計測

2. 物理量と単位

5. 実験の基礎技術

2.1 国際単位系 SI

5.1 真空技術

2.2 各種の常用単位系とその変換

5.2 エレクトロニクス

3. 誤差論

5.3 X 線回折

3.1 実験誤差

6. データ解析と可視化

3.2 確率統計

6.1 グラフ作成

4. 計測法6.2 非線形最小自乗法

4.1 電磁波の計測

6.3 逆問題

4.2 温度の計測

7. 実験レポートや論文を書く上での注意事項

1.1.5

物理学演習 II : 常行 真司, 日下 暁人, 鎌田 耕平, 松浦 弘泰
1.15 電磁場中の荷電粒子の運動（サイクロトロン

1 解析力学共鳴等）

1.1 運動エネルギー、位置エネルギーと仮想仕事

1.16 正準変換

1.2 一般化座標

1.17 ポアソン括弧

1.3 振り子の運動

2 量子力学
1.4 汎関数の極値問題
2.1 ハミルトン-ヤコビ方程式
1.5 二重振り子

2.2 コンプトン効果/光の二重性

1.6 拘束問題

2.3 黒体放射1.7 ビリアルの定理

2.4 黒体放射の性質

1.8 ばねの振動

2.5 断熱不変量

1.9 ラグランジュ未定乗数法

2.6 ボーアの原子模型

1.10 保存量

2.7 アインシュタイン模型

1.11 時間に陽に依存するラグランジアン

2.8 デバイ模型

1.12 戸田格子

2.9 波動方程式から Schrödinger 方程式の導出

1.13 分子振動2.10 波動関数と波束

1.14 対称性と保存量2.11 2 重スリットを通過する電子線220

1. 学部講義概要

1.1. 2 年生 A セメスター

2.12 確率の保存・物理量の期待値の時間変化

2.15 デルタ関数型ポテンシャル

2.13 波動関数のガリレイ変換

2.16 エネルギー固有状態

2.14 井戸型ポテンシャル

2.17 線形ポテンシャルとエアリー関数

1.1.6

物理数学 I : 濱口 幸一

1. 複素関数

1.7 発展的話題

1.1 この章の目標

2. 常微分方程式

1.2 準備

2.1 べき級数展開による 2 階斉次微分方程式の解法

1.3 複素関数とその微分、正則関数
2.2 定義と分類

1.4 複素積分
1.5 テイラー展開、ローラン展開と留数、留数定理

2.3 線形微分方程式

1.6 一致の定理と解析接続

2.4 一階微分方程式の解法の例

1.1.7

物理数学 II : 辻 直人

1. 偏微分方程式

3.3 デルタ関数

1.1 導入4. 熱伝導方程式

1.2 線形と非線形

4.1 初期値問題

1.3 重ね合わせの原理

4.2 初期境界値問題
4.3 熱の発生がある場合

1.4 2 階の線形偏微分方程式の分類

5. グリーン関数

1.5 境界条件

5.1 ポアソン方程式

1.6 波動方程式

5.2 ラプラス方程式
2. フーリエ級数
5.3 鏡像法
2.1 実フーリエ級数

6. ベッセル関数

2.2 フーリエ級数の収束

6.1 ベッセルの微分方程式

2.3 複素フーリエ級数

6.2 級数展開

2.4 ベクトル空間としての見方

6.3 ベッセル関数の諸性質

3. フーリエ変換

6.4 関連する諸関数

3.1 周期 L の周期関数

7. 直交多項式3.2 非周期関数のフーリエ変換

7.1 ルジャンドル多項式2211.1. 2 年生 A セメスター

1. 学部講義概要

7.2 古典直交多項式

9.1 球面調和関数

7.3 ラゲール多項式9.2 回転操作

7.4 エルミート多項式

9.3 無限小回転

8. 超幾何関数

9.4 球面調和関数との関係

8.1 ガウスの超幾何関数

10. スツルム・リウビル理論

8.2 リーマンスキーム

10.1 スツルム・リウビル型微分方程式

8.3 積分表示

10.2 自己随伴演算子

8.4 合流型超幾何関数

10.3 固有値、固有関数の性質

9. 球面調和関数と回転群

10.4 量子力学との関係

1.1.8

物理学演習 I : 横山 将志, 濱口 幸一, 辻 直人, 永田 夏海, 高三 和晃

1.

4.4 光のドップラー効果

1.1 Julia 集合・Mandelbrot 集合

5.

1.2 リーマン球面

5.1 定積分の計算

1.3 Galilei 変換

5.2 粒子の崩壊

1.4 Michelson–Morley の実験

5.3 相対論的散乱問題と MUonE 実験
6.

2.

6.1 定積分計算（branch cut がある場合）

2.1 収束判定

6.2 相対論的力学

2.2 正則関数の性質

6.3 Lorentz 変換の一般論

2.3 Lorentz 変換

7.
3.
7.1 ベータ関数
3.1 複素微分と吸引的不動点・周期点

7.2 斜交座標系における反変・共変ベクトル

3.2 コーシーの積分公式の応用

7.3 相対論的質点の運動と作用汎関数

3.3 速度の合成と超光速運動

8.

3.4 Lorentz 収縮に関するパラドックス

8.1 解析接続

4.

8.2 ラプラス変換と微分方程式

4.1 Laurent 展開

8.3 電磁場の Lorentz 変換

4.2 実績分への応用 I

8.4 電磁ポテンシャルと対称性

4.3 実績分への応用 II

9.
222

1. 学部講義概要

1.1. 2 年生 A セメスター

9.1 ２次元 Laplace 方程式の境界値問題

10.3 Larmor の定理，Zeeman 効果

9.2 Gibbs の現象

11.

9.3 電磁場テンソル，４元電流11.1 Airy 関数
10.
11.2 合流型超幾何関数

10.1 Fourier 変換の応用
10.2 空洞共振器と Bessel 関数

1.1.9

11.3 電磁場と粒子の相互作用，暗黒光子

物理学のための科学英語基礎 : 小野 義正

1. 科学・技術英語とは、日本人英語の欠点と改善策；

8. 否定形を避けて、肯定形で書く、あいまいな表現

動詞の適切な時制；What Is Physics

をさけ、きっぱりと書く；冠詞； Hydrogen forCars

2. 直接翻訳はするな、和文和訳せよ、物主構文; 句
読点の使い方； Science and Technology

9. 辞書の使い方、参考文献; 短い簡潔な文を書く；

3. 英語の基本は三拍子、パラグラフ・ライティング;

Hurricanes and Global Warming

文頭・数字の書き方；Why We Should Learn

10. 通じる英語のしゃべり方 １; レポート課題: Self

Science and Technology

Introduction; 受動態を避けて能動態で書く;

4. パラグラフ・リーディング; 関係代名詞と前置詞

Global Warmingの使い方； What is Science11. 通じる英語のしゃべり方 ２；連結語を使う； The

5. 読みやすい英語（論文）を書く、論文用英文の組Internet

み立て; 並列構造で書く； Questions about the

Universe

12. 通じる英語のしゃべり方 ３；不必要な単語は省
く； Micro-Nano Technology

6. 起承転結はやめよう、日本語の構造 vs. 英語の構造、結論を先に、理由を後に；数字・記号の表

13. 英語口頭発表での注意点; 日本人に多い間違い

現法； Slowing Down of the Earthを直す； Nanosciences Beneﬁts and Risks

7. わかってもらえる英語は「英語の発想で書く」(Leggett’s Trees)、英語活用メモを作り、英借14. 元素記号・化学用語発音の仕方： 実験ノート（研文する名詞； Fuel Cells

究ノート） の書き方; Scientiﬁc Fraud

223

1.2. 3 年生 S セメスター

1.2

3 年生 S セメスター

1.2.1

電磁気学 II : 島野 亮

1. 学部講義概要

1. 電磁場の基本法則

2.6 静電エネルギー

1.1 真空中の Maxwell 方程式

2.7 電気容量

1.2 微視場と巨視場

3. 静磁場と定常電流

1.3 分極と磁化3.1 静磁場の方程式とアンペールの法則

1.4 連続媒体 (物質) 中の Maxwell 方程式

3.2 磁性体の境界値問題

1.5 電磁場とポテンシャル

3.3 回路のインダクタンス

1.6 電磁場のエネルギー

3.4 準定常電流

1.7 電磁場の運動量

4. 電磁波1.8 境界面での境界条件

4.1 真空中と物質中の電磁波

2. 静電場

4.2 波動方程式のグリーン関数

2.1 静電場の方程式

4.3 電磁波の伝播

2.2 境界値問題とグリーン関数の方法

4.4 電磁波の性質

2.3 極座標における境界値問題

4.5 誘電関数の模型と性質

2.4 静電ポテンシャルの多重極展開

4.6 導波路

2.5 誘電体

4.7 幾何光学

1.2.2

物理学実験 I: 全実験担当教員
4. エレクトロニクス I：三尾 典克、中島 康博、小1. 放射線： 横山 将志、中桐 洸太

貫 良行

2. 真空技術：岡本 徹、枡富 龍一
5. エレクトロニクス II：馬場 彩、小高 裕和、大屋
3. X 線回折：高木 英典、北川 健太郎、平岡 奈緒香

1.2.3

瑶子

量子力学 II : 福嶋 健二

0. 量子力学 I の復習

3. 角運動量の合成

1. 対称性・ユニタリー変換・保存則

4. 磁場中のスピンの運動・Berry 位相

2. 角運動量代数・スピン

5. 3 次元球対称ポテンシャル中の量子力学
224

1. 学部講義概要

1.2. 3 年生 S セメスター

6. 球面調和関数の性質

13. 断熱定理

7. 水素原子14. Ritz の変分原理

8. 時間に依存しない摂動

15. WKB 近似と Euclid 時空での量子トンネル

9. 縮退のある場合の Brillouin-Wigner 摂動論

16. WKB 近似の応用：摂動展開の漸近形と破綻
17. Wigner 関数

10. 摂動計算の例 (Stark 効果・正常および異常 Zeeman 効果)

18. 経路積分法による量子化

11. 摂動展開の破綻と Borel 再和

19. 経路積分法による調和振動子の解法

12. 時間に依存する摂動

20. ダイヤグラムによる摂動展開

1.2.4

物理学演習 III : 福嶋 健二, 島野 亮, 中川 大也, 田島 裕之

1. 量子力学1.10 WKB 近似

1.1 量子力学 I の復習, Gauss 波束, 不確定性関係

2. 電磁気学

1.2 対称性と保存則

2.1 Maxwell 方程式の性質, ベクトル解析

1.3 角運動量の合成

2.2 Poisson 方程式, 鏡像法

1.4 極座標系と角運動量, スピン演算子, 球面調和
2.3 Laplace 方程式, Green 関数, 多重極展開

関数

1.5 極座標表示での Schrödinger 方程式の解法, 合

2.4 静電場, 誘電体中の境界値問題

流型超幾何関数2.5 静磁場, 定常電流, 磁性体

1.6 時間に依存しない摂動

2.6 準定常電流, 導体内の電磁波

1.7 時間に依存しない摂動（縮退のある場合）
1.8 時間に依存する摂動

2.7 電磁波の反射・屈折

1.9 変分法

2.8 物質中の電磁波

1.2.5

現代実験物理学 I : 江尻 晶, 酒井 明人
X 線の発生、構造解析、元素分析 等

1. 電気回路
フィルター、インピーダンス、雑音、演算増幅器

5. 極限環境技術
真空、低温、磁場

2. 光計測光源、検出器、光の性質、回折・干渉、レーザー

等

6. 低温測定技術
比熱、磁化、電気抵抗、ホール効果、熱膨張 等

3. 歴史的実験
重力定数、流体実験、ブラウン運動

7. 電子構造及び磁気構造の決定手法
光電子分光、量子振動、中性子散乱 、核磁気共鳴、ミューオンスピン回転

4. X 線による試料の同定
225

等1.2. 3 年生 S セメスター

1.2.6

1. 学部講義概要

計算機実験 I : 藤堂 眞治, 高橋 昂, 藤澤幸太郎

1. 講義・実習の概要

3.2 Euler 法・Runge-Kutta 法

1.1 講義・実習目的

3.3 陽解法と陰解法

1.2 講義・実習内容

3.4 Numerov 法

1.3 計算機実験に必要な環境整備

3.5 シンプレクティック積分法

2. 計算機実験の基礎

4. 連立一次方程式

2.1 数値誤差

4.1 物理に現れる連立一次方程式

2.2 数値微分

4.2 ガウスの消去法・LU 分解

2.3 ニュートン法

4.3 逆行列の求め方

2.4 二分法

4.4 反復解法

2.5 行列と LAPACK

5. 行列の対角化

2.6 疑似乱数5.1 物理の問題にあらわれる行列演算

2.7 複素数5.2 行列の性質・べき乗・指数関数

2.8 ライブラリの利用

5.3 密行列の対角化

2.9 グラフの描画

5.4 疎行列に対する反復法

3. 常微分方程式

5.5 特異値分解・一般化逆行列

3.1 初期値問題と境界値問題

5.6 最小二乗法による回帰分析

1.2.7

量子コンピューター実習 : 浅井 祥仁, 寺師 弘二

1. 量子コンピュータに触れる

3.2 量子フーリエ変換

1.1 量子計算の流れ

3.3 量子ダイナミクスシミュレーション

1.2 量子計算の概念

4. ショアのアルゴリズム

1.3 CHSH 不等式の検証

4.1 量子位相推定

2. 量子回路を書く

4.2 位数を発見する量子回路

2.1 Qiskit の基本構造を学ぶ

4.3 アルゴリズムの実装と実習

2.2 量子回路シミュレータ

5. グローバーのアルゴリズム

2.3 回路の実装と実習

5.1 非構造化データの探索

3. 量子コンピュータでの並列計算

5.2 グローバー探索の量子回路

3.1 さまざまな量子状態を作る

5.3 アルゴリズムの実装と実習
226

1. 学部講義概要

1.2. 3 年生 S セメスター

6. 変分法と変分量子固有値ソルバー

9. 超伝導量子コンピュータを操作する

6.1 量子力学における変分法

9.1 基本ゲートを実行する

6.2 変分量子固有値ソルバー法

9.2 量子ビットを読み出す

6.3 変分量子回路を使った実習

9.3 ソフトウェアによる実習

7. 量子・古典ハイブリッド機械学習

10. 光量子系

7.1 機械学習とニューラルネットワーク

10.1 光学系の基礎を学ぶ

7.2 変分量子回路を使った機械学習
10.2 量子もつれ状態を作る

7.3 素粒子現象の探索への応用

10.3 HOM 干渉による CNOT 実装

7.4 アルゴリズムの実装と実習

11. 核磁気共鳴（NMR）

8. 超伝導量子コンピュータの仕組み
8.1 回路 QED の基礎を学ぶ

11.1 NMR の基礎を学ぶ

8.2 超伝導量子ビットとは11.2 状態準備と量子ゲートの実行

8.3 マイクロ波パルスによる制御

11.3 量子アルゴリズムの実装と測定

1.2.8

統計力学 I : 小林 研介

0. 熱力学 再訪

2.2 熱平衡と微視的状態

0.1 熱力学

2.3 ミクロカノニカル分布の導入

0.2 熱力学第 0 法則

2.4 ボルツマンの原理

0.3 熱力学第 1 法則

2.5 理想気体

0.4 カルノーサイクル

2.6 二準位系

0.5 熱力学第 2 法則

2.7 ミクロカノニカル分布のまとめ

0.6 エントロピー

3. カノニカル分布：導入0.7 熱力学関数

3.1 カノニカル分布の導出

0.8 平衡条件

3.2 カノニカル分布の性質

1. 統計力学とは

3.3 ヘルムホルツの自由エネルギー

1.1 統計力学の考え方

3.4 二準位系

1.2 確率分布4. カノニカル分布：古典近似

2. ミクロカノニカル分布

4.1 量子論と古典論

2.1 状態数

4.2 古典統計力学近似
227

1.2. 3 年生 S セメスター

1. 学部講義概要

4.3 振動子系

6.3 ラングミュアの等温吸着式

4.4 理想気体

7. フェルミ統計とボース統計

4.5 エネルギー等分配則

7.1 フェルミ粒子とボース粒子

4.6 エルゴード仮説

7.2 フェルミ分布とボース分布

5. カノニカル分布：量子効果

7.3 理想フェルミ気体

5.1 熱力学第 3 法則
7.4 理想フェルミ気体の比熱

5.2 黒体放射7.5 理想フェルミ気体の帯磁率5.3 格子比熱
6. グランドカノニカル分布

7.6 フェルミ気体の例

6.1 グランドカノニカル分布の導出

7.7 理想ボース気体

6.2 グランドカノニカル分布の性質

8. まとめと展望

1.2.9

流体力学 : 吉田 直紀

1. 流体力学の基礎方程式

4.1 ナビエ-ストークス方程式

1.1 流れを表す物理量

4.2 ポアズイユの法則

1.2 保存則とエネルギー方程式

4.3 乱流の生成

2. 二次元の流れ

5. 波

2.1 流れ関数と複素ポテンシャル

5.1 重力波と表面張力波

2.2 解析関数による流れの表現

5.2 非線型波動とソリトン

2.3 渦の運動

6. 流体の不安定性

3. 圧縮性流体

7. プラズマ・電磁流体力学

3.1 音波と特性曲線

8. ボルツマン方程式と運動論

3.2 準一次元流

8.1 速度分布関数と局所熱平衡

3.3 衝撃波8.2 運動量輸送とストレステンソル

4. 粘性流体の力学

8.3 モーメント方程式

1.2.10

物理学演習 IV: 小林 研介, 竹内 一将, 赤城 裕, 諏訪 秀麿

1. 統計力学モデル

1.4 エントロピー

1.1 ミクロカノニカルアンサンブル

1.5 グランドカノニカルアンサンブル

1.2 カノニカルアンサンブル

2. 波の振動1.3 理想気体

2.1 格子振動228

1. 学部講義概要

1.2. 3 年生 S セメスター

2.2 黒体輻射

4.2 Heisenberg 模型

2.3 電磁場の量子化

4.3 転送行列

3. 量子理想気体

5. 相転移3.1 理想フェルミ気体
5.1 平均場近似

3.2 理想ボース気体
4. スピン系

5.2 Landau 理論

4.1 Ising 模型

5.3 繰り込み群229

1.3. 3 年生 A セメスター

1.3

3 年生 A セメスター

1.3.1

物理学実験 II: 全実験担当教員

1. 学部講義概要

1. パルス技術： 浅井 祥仁、石田 明

8. 量子演算入門：中辻 知、酒井 明人

2. メスバウア効果：日下 暁人、木内 健司

9. 相転移：竹内 一将、西口 大貴

3. 原子核散乱：中村 哲、永尾 翔

10. レーザー：酒井 広文、峰本 紳一郎

4. 分光測定：島野 亮、吉川 尚孝
11. 生物物理：樋口 秀男、茅 元司、佐伯 喜美子

5. 低温：小林 研介、佐々木 健人
6. 自動計測制御： 林 将光、河口 真志

12. 顕微鏡光学系：岡田 康志、池崎 圭吾、榎 佐和子

7. 電子回折：長谷川 修司、秋山 了太

13. ブラウン運動：安東 正樹、小森 健太郎

1.3.2

光学 : 井手口 拓郎, 三尾 典克

1. イントロダクション

7. 幾何光学

2. 真空中の光の性質

8. レーザー3. 等方媒質中の光の伝搬
9. ビーム光学
4. 結晶光学
10. 光共振器

5. 回折

11. 光計測：分光、イメージングなど

6. 干渉

1.3.3

量子力学 III : 諸井 健夫

1. 同種粒子系の量子力学的扱い

2.3 ランダウ順位

1.1 多体系の量子力学

3. ３次元の散乱問題

1.2 同種粒子の多体系

3.1 散乱断面積

1.3 同種粒子系の波動関数
3.2 光学定理
1.4 第２量子化
3.3 グリーン関数を用いた散乱の記述

2. 電磁場中での荷電粒子
2.1 電磁場中の荷電粒子を記述するハミルトニアン

3.4 ボルン近似

2.2 ゲージ対称性

3.5 部分波展開

230

1. 学部講義概要

1.3.4

1.3. 3 年生 A セメスター

現代実験物理学 II : 安東 正樹, 中島 康博

1. イントロダクション

二重ベータ崩壊探索

2. 物質と粒子の相互作用と粒子検出器

ニュートリノ実験

素粒子実験の例

6. 宇宙観測における物理量の求め方

粒子と物質の相互作用

宇宙の観測

粒子測定器の原理

距離、質量、温度の導出方法

素粒子実験で使われている測定器

7. 望遠鏡とその仕組み

3. 粒子加速器
粒子加速の歴史

解像度を決める要因

現代の加速器施設

光・赤外線望遠鏡

将来計画と課題

電波望遠鏡の仕組み
集光と光検出器

4. 統計の基礎・実験データの解析

干渉計と開口合成

確率分布
パラメーター推定

8. 重力波の観測

5. その他の宇宙素粒子実験

望遠鏡の仕組み

低バックグラウンド実験

連星合体の観測暗黒物質探索宇宙論的観測1.3.5

物理学演習 V : 諸井 健夫, 竹内 一将, 浅井 祥仁, 大森 寛太郎, 山本 新

1. 量子力学

1.13 磁場中の原子

1.1 調和振動子と摂動論

1.14 水素分子

1.2 平面回転子

1.15 Aharonov-Bohm 効果

1.3 時間に依存する摂動

1.16 平面波の展開公式

1.4 スピンの相互作用

1.17 一様磁場中の荷電粒子の縮退度

1.5 結晶場分裂

1.18 放物線座標

1.6 同種類のスピン 1/2 フェルミ粒子 2 個からな

1.19 Coulomb 散乱

る系

1.20 散乱断面積
1.7 フェルミ粒子と Kramers 縮退
1.21 同種粒子の散乱
1.8 球対称調和振動子型ポテンシャルのもとでの N
1.22 Born 近似

粒子系

1.9 同種粒子の多体系と第二量子化

1.23 共鳴散乱1.10 合流型超幾何関数

1.24 GHZ 状態

1.11 電磁場中での荷電粒子の運動

2. 電磁気学

1.12 コヒーレント状態

2.1 波動方程式の Green 関数
231

1.3. 3 年生 A セメスター

1. 学部講義概要

2.2 真空中の Maxwell 方程式と対称性

2.10 磁気双極子放射とパルサー

2.3 原子の電気双極子モーメント2.11 電磁波の境界面での反射と屈折

2.4 古典的な原子・分子模型と光ピンセット

2.12 ロンドン方程式

2.5 同軸ケーブル

2.13 導波管

2.6 Lienard-Wiechert ポテンシャル

3. 統計力学

2.7 振動する電荷からの放射

3.1 Boltzmann 方程式

2.8 Larmor の公式

3.2 線形応答理論

2.9 複素誘電率とファラデー効果

3.3 Langevin 方程式

1.3.6

生物物理学 : 樋口 秀男, 岡田 康志

1. 生命とは何か、生命誕生と遺伝情報

8. 神経科学概論、細胞膜の電気的性質

2. タンパク質の構造と安定性

9. 神経細胞の生物物理学

3. タンパク質の 1 分子機能10. 活動電位の生成4. 筋肉運動と制御の分子論

11. 活動電位の伝搬

5. エネルギー生産系

12. イオンチャネル・ポンプ

6. 細胞内で働く分子たち

13. シナプス伝達・可塑性と学習

7. 分子による人体の制御

14. 神経回路網

1.3.7

物理数学 III : 小形 正男

1. 群と対称操作

6. 点群、結晶群

2. 群論の基本概念

7. リー群

3. 有限群の表現

8. リー群からリー代数へ

4. 既約表現の指標、物理への応用

9. リー代数の表現

5. 回転群10. ルート系とウエイト

1.3.8

固体物理学 I : 林 将光

0. 固体物理学とは1.2 分子軌道法

1. 固体の電子構造

1.3 並進対称性とブロッホの定理

1.1 一電子近似

1.4 周期的境界条件
232

1. 学部講義概要

1.3. 3 年生 A セメスター

1.5 強結合モデル

2. 輸送特性

1.6 ブラベー格子

2.1 ドルーデモデル

1.7 逆格子2.2 半古典近似

1.8 自由電子モデル

2.3 ボルツマン輸送方程式

1.9 結晶面と結晶方位2.4 磁場中の電子の運動

1.10 回折現象

2.5 量子振動1.11 状態密度

2.6 半導体

1.12 フェルミ面

2.7 pn 接合

1.3.9

電磁気学 III : 浅井 祥仁

1. 電磁波の基礎

3.4 点電荷による電磁波の散乱

1.1 自由電磁場とその性質

3.5 チェレンコフ放射

2. 電磁波の放射

4. 電磁波の伝播

2.1 遅延ポテンシャルと先進ポテンシャル

4.1 導波管2.2 遅延ポテンシャルの多重極展開
4.2 空洞共振器

3. 荷電粒子の出す電磁波

4.3 電磁波の回折3.1 リエナール-ヴィーヒェルトのポテンシャル
3.2 運動する荷電粒子の作る電磁波

5. 電磁場の角運動量

3.3 制動放射

6. 電磁波と重力波

1.3.10統計力学 II : 竹内 一将

1. 相互作用がある系の平衡統計力学‐相転移を中1.10 スケーリング仮説

心に‐1.11 くりこみ群の考え方

1.1 相転移とは何か？

2. 線形応答理論：非平衡統計力学への序論

1.2 相転移と自由エネルギー、分類2.1 現象1.3 磁性体モデル：相転移の代表的舞台

2.2 Boltzmann 方程式

1.4 相転移のメカニズムと空間次元

2.3 線形応答理論

1.5 平均場近似

3. Brown 運動と確率過程

1.6 Landau の理論（平均場）

3.1 現象1.7 Ginzburg-Landau の理論

3.2 Langevin 方程式

1.8 平均場の破綻と空間次元

3.3 Fokker-Planck 方程式

1.9 臨界現象
233

1.3. 3 年生 A セメスター

1.3.11

1. 学部講義概要

計算機実験 II : 藤堂 眞治, 高橋 昂, 藤澤 幸太郎

1. モンテカルロ法

3.1 少数多体系・分子動力学

1.1 乱択アルゴリズム

3.2 シンプレクティック積分法

1.2 物理過程のシミュレーション

3.3 長距離ポテンシャルの計算

1.3 モンテカルロ積分

3.4 ビリアル定理

1.4 多体系の統計力学

3.5 温度の制御

1.5 マルコフ連鎖モンテカルロ

4. 最適化問題

2. 偏微分方程式と多体系の量子力学

4.1 最適化問題

2.1 偏微分方程式の初期値問題

4.2 最急降下法・勾配降下法

2.2 横磁場イジング模型

4.3 共役勾配法

2.3 多体量子系の時間発展

4.4 勾配の計算

2.4 量子コンピュータ

4.5 Nelder-Mead の滑降シンプレックス法

3. 少数多体系・分子動力学

4.6 シミュレーテッドアニーリング234

1. 学部講義概要

1.4

4 年生 S セメスター

1.4.1

機械学習概論 : 樺島 祥介

1.4. 4 年生 S セメスター

1. 導入

8. カーネル法 (1)：ガウス過程

2. 数理基礎 (1)9. カーネル法 (2)：サポートベクトルマシン

3. 数理基礎 (2)10. 多層ニューラルネット (1)4. 回帰と分類 (1)11. 多層ニューラルネット (2)5. 回帰と分類 (2)12. 主成分分析と因子分析

6. 統計的信頼性 (1)13. クラスタ分析

7. 統計的信頼性 (2)14. 敵対的生成ネットワーク

1.4.2

場の量子論 I : 松尾 泰

1. 準備

4. 場の正準量子化

1.1 自然単位系

4.1 スカラー場

1.2 ローレンツ変換

4.2 Causality と Feynman 伝搬関数

1.3 相対論的古典力学

4.3 Dirac 場

1.4 第二量子化

4.4 電磁場

2. 相対論的場の方程式

5. 相互作用と摂動展開

2.1 Klein-Gordon 方程式
5.1 相互作用描像と Dyson 展開

2.2 Dirac 方程式

5.2 S 行列、Feyman 則, Wick の定理

2.3 場のローレンツ変換

5.3 崩壊率と散乱断面積3. 対称性と保存則
3.1 Euler-Lagrange 方程式

6. 量子補正概論

3.2 ネーターの定理

6.1 ループ振幅

3.3 例

6.2 くりこみ理論

1.4.3

サブアトミック物理学 : 中村 哲

1. はじめに成、サブアトミック物理を俯瞰する

物質の構成、相互作用、歴史、加速器、元素合

235

1.4. 4 年生 S セメスター

1. 学部講義概要

2. 原子核の基本的性質

5. クォーク、グルーオン

質量と結合エネルギー

ハドロン、構造関数

3. ミクロの世界を観る

6. 核力

電子散乱実験、加速器技術、原子核や核子の大パイオン交換ポテンシャル、格子 QCD

きさと形

7. 原子核構造

4. 核子の内部構造

フェルミガス模型、殻模型、魔法数、ハイパー

電子-核子散乱、核子共鳴、クォーク

1.4.4

原子核

計算科学概論 : 6 名によるオムニバス講義・実習

1. 高性能計算機のアーキテクチャ

4. 高性能プログラミングと性能測定

2. スーパーコンピュータと並列プログラミング

5. 第一原理計算による物質科学研究

3. 並列 FEM と CAE（Computer Aided Engineering）

1.4.5

6. 大規模疎行列ソルバー入門

統計力学特論 : 押川 正毅

1. Phase transitions and spontaneous sym-tion and epsilon expansion

metry breaking
5. Large-N expansion
2. Landau-Ginzburg model and scalar ﬁeld
theory6. Lower critical dimensions and MerminWagner theorem

3. Scaling and concept of renormalizationgroup

7. Classical and quantum critical phenom-

4. Perturbative renormalization group equa-

1.4.6

ena

現代物理学入門 : 蘆田 祐人, 中村 哲

1. 開放系の物理の概観

6. ストレンジネス核物理

2. 量子不純物系

7. ハイパー核

3. ボソン化法と臨界現象

8. 中性子星とハイペロンパズル

4. 繰り込み群と近藤効果

9. エキゾティック原子

5. 量子散逸相転移

10. 原子核、素粒子実験技術

1.4.7

一般相対論 : 横山 順一

1. Introduction: Equivalence principle andGeneral Relativistic Principle236

1. 学部講義概要

1.4. 4 年生 S セメスター

6. Black Holes

2. Tensor Calculus
3. Physics in curved spacetime

7. Gravitational Waves
4. The Einstein Equation
8. Application to Cosmology

5. Spherically Symmetric Space

1.4.8

系外惑星 : 相川 祐理, 河原 創

1. 系外惑星検出法

6.1 放射平衡大気モデル

1.1 視線速度法

6.2 放射対流平衡モデル

1.2 トランジット惑星

7. 原始太陽系形成と林モデル

1.3 直接撮像

7.1 惑星形成の概略: コア集積モデル

1.4 マイクロレンジング

7.2 最小質量太陽系モデル

1.5 アストロメトリ

8. 原始惑星系円盤

2. 系外惑星キャラクタリゼーション法

8.1 輻射輸送の基礎事項

2.1 透過光分光

8.2 円盤の組成と質量分布2.2 放射分光

8.3 円盤の温度分布2.3 反射分光8.4 質量降着円盤

3. 惑星からの光 I

9. 微惑星仮説

3.1 放射伝達

9.1 ダスト粒子の opacity

3.2 吸収と散乱

9.2 ダストの沈殿と合体成長

3.3 分子原子吸収9.3 Radial Drift

4. 惑星からの光 II

9.4 微惑星形成

4.1 二流近似

9.5 微惑星集積

4.2 散乱を含む解法

9.6 ガス惑星形成

5. 惑星大気構造 I

10. 円盤観測と惑星系形成理論

5.1 理想気体

10.1 リング-空隙構造

5.2 等温静水圧平衡モデル

10.2 ガス散逸過程

6. 惑星大気構造 II

10.3 円盤質量分布と惑星系の多様性 t237

1.4. 4 年生 S セメスター

1.4.9

1. 学部講義概要

量子光学 : 酒井 広文

1. 原子と放射の相互作用

2.8 モード位相演算子

1.1 時間に依存する Schrödinger 方程式

2.9 単一モード個数状態の物理的性質

1.2 相互作用ハミルトニアン

2.10 コヒーレント光子状態

1.3 遷移速度2.11 単一モードコヒーレント状態の物理的性質

1.4 B 係数の表式

3. 量子化した場と原子との相互作用

1.5 光学 Bloch 方程式

3.1 原子の多極モーメント1.6 Rabi 振動

3.2 多極相互作用ハミルトニアン

1.7 放射広がり

3.3 電気双極子近似

1.8 飽和広がり3.4 原子ハミルトニアンの第 2 量子化

1.9 放射減衰を伴う Rabi 振動

3.5 光子の吸収速度と放出速度

1.10 衝突広がり

4. レーザーの基礎

1.11 Doppler 広がり

4.1 光共振器のモード

1.12 合成吸収線の形状

4.2 光共振器の安定性

2. 電磁場の量子化

4.3 発振条件

2.1 古典電磁場のポテンシャル論

4.4 波動方程式に基づくレーザー理論

2.2 Coulomb ゲージ

4.5 各種のレーザー

2.3 自由古典場

4.5.1 3 準位レーザーと 4 準位レーザー

2.4 量子力学的調和振動子

4.5.2 固体レーザー

2.5 場の量子化

4.5.3 気体レーザー

2.6 場の交換の性質

4.5.4 色素レーザー

2.7 零点エネルギー

4.5.5 半導体レーザー

1.4.10固体物理学 II : 中辻 知

1. 強束縛近似とバンド構造

2.1 曲面の曲率と平行移動

1.1 Bloch の定理

2.2 量子系への拡張

1.2 強く束縛された電子の近似

3. 固体中の Berry 位相と電子運動

1.3 グラフェンと Dirac 方程式

3.1 磁場中の電子の運動と Aharonov-Bhom 効果

2. 幾何学と Berry 位相

3.2 異常速度と異常ホール効果
238

1. 学部講義概要

1.4. 4 年生 S セメスター

3.3 二準位系

4.4 遷移金属反強磁性体

3.4 量子ホール効果

5. 超伝導3.5 Weyl 半金属

5.1 超伝導現象

4. Mott 絶縁体と Hubbard 模型
5.2 第一種超伝導体と第二種超伝導体

4.1 Mott 転移
4.2 Hubbard Model

5.3 電子と格子振動の相互作用

4.3 超交換相互作用

5.4 Cooper pair1.4.11

プラズマ物理学 : 江尻 晶

1. 様々なプラズマ

4.4 MHD 発電，MHD 加速

1.1 様々なプラズマ

4.5 磁気再結合

1.2 プラズマを特徴づける量

5. 平衡と安定性

1.3 サハの熱電離平衡

5.1 プラズマの圧力と磁場の圧力

1.4 衝突時間

5.2 円柱プラズマの平衡

1.5 電気抵抗5.3 トーラスプラズマの平衡

1.6 プラズマ中のスケール

6. 不安定性

1.7 デバイ遮蔽

6.1 不安定性の分類

2. 単一粒子の軌道6.2 不安定性の例

2.1 サイクロトロン運動、ラーマ運動

6.3 交換不安定性の成長率の導出

2.2 各種のドリフト

6.4 トマカクにおける良い曲率、悪い曲率

2.3 ミラー配位と断熱不変量

7. プラズマ中の波2.4 種々の磁場配位と粒子軌道

7.1 波動の分類と取り扱い方

3. 衝突と拡散

7.2 電磁場中の粒子の運動

3.1 衝突時間

7.3 誘電率と誘電テンソル

3.2 電気抵抗7.4 屈折率と分散式

3.3 拡散とランダムウォーク

7.5 分散式の解と様々な波

3.4 拡散係数と閉じ込め時間

8. 波と粒子の相互作用

4. 電磁流体としてのプラズマ

8.1 ランダウ減衰

4.1 電磁流体方程式

8.2 トランジットタイム減衰

4.2 MHD 方程式のまとめ

8.3 サイクロトロン減衰

4.3 抵抗の役割と磁力線の凍結

9. プラズマ物理と核融合
239

1.4. 4 年生 S セメスター

1.4.12

1. 学部講義概要

宇宙物理学 : 馬場 彩

1. 万有引力の法則から見る宇宙と天体

6. 膨張宇宙の性質

2. 電磁波の法則から見る宇宙と天体

7. 初期の宇宙

3. 星の基礎物理
8. 宇宙の超高エネルギー現象

4. 星の進化と終末
5. 縮退星（白色矮性と中性子星）とブラックホール

1.4.139. 宇宙観測の今

生物物理学特論 II : 能瀬 聡直, 酒井 邦嘉, 新井 宗仁

1. 脳情報処理の素子としてのニューロンの機能

8. 人工知能と人間の創造性

2. 神経活動の測定と操作

9. 脳イメージングの原理

3. 神経ネットワーク研究の方法論

10. タンパク質はどのようにして立体構造を形成す
るのか

4. 感覚情報処理と運動制御
5. 脳−心−言語の関係

11. タンパク質の動きと機能

6. 普遍文法と言語獲得装置

12. タンパク質と疾患の関わり

7. 再帰性が生み出す構造

13. タンパク質の進化とデザイン

1.4.14

化学物理学 : 高木 英典

1. 原子（イオン）の電子状態

1.6 群論1.1 水素原子の 1 電子波動関数

1.7 配位子場とイオンの電子状態

1.2 多電子原子（イオン）の電子状態と周期表

2. 分子の電子状態

1.3 電子間相互作用と多重項

2.1 水素分子

1.4 孤立イオンの磁性

2.2 分子軌道

1.5 Hartree -Fock 近似

2.3 分子振動240

1. 学部講義概要

1.5

4 年生 A セメスター

1.5.1

素粒子物理学 : 田中 純一, 大谷 航

1.5. 4 年生 A セメスター

7. Weak Interactions

1. Introduction
2. Basic Concepts

8. Electroweak Theory

3. Experimental Tools
9. Quark Model and QCD
4. Decay and Cross Sections
10. Quark Mixing and CP Violation

5. Dirac Equation
6. Quantum Electrodyamics (QED)

1.5.2

11. Forefront of Particle Physics

場の量子論 II : 伊部 昌宏

1. 場の量子論の基礎

3.8 反応断面積

1.1 場の量子論

3.9 Fermion 場の経路積分

1.2 場の量子論に基づく模型

3.10 質量のある Vector 場の経路積分

1.3 対称性

3.11 質量のない Vector 場の経路積分

1.4 相対論的場の量子論

3.12 Connected Green 関数および Transition Amplitude のまとめ

1.5 SO(1,3) 群の表現
1.6 スピン統計定理

4. Quantum Electrodynamics (QED)

2. 自由場の量子化

4.1 Introduction to QED

2.1 自由粒子の量子化

4.2 QED の構成

2.2 場の正準量子化

4.3 Ward-Takahashi 恒等式

2.3 反粒子

4.4 Compton Scattering

3. 経路積分による量子化

4.5 高次補正

3.1 遷移関数

4.6 QED のパラメータ決定

3.2 Green 関数

4.7 波動関数繰り込み

3.3 分配関数

4.8 紫外発散

3.4 相互作用のある理論

4.9 正則化

3.5 Feynman Rule4.10 繰り込まれた摂動論

3.6 Connected Green 関数の分配関数

4.11 Power counting

3.7 S 行列4.12 赤外発散
241

1.5. 4 年生 A セメスター

1.5.3

1. 学部講義概要

原子核物理学 : Haozhao Liang

1. Introduction of atomic nuclei

3.2 Non-perturbative nature and eﬀective interactions

1.1 Basic properties
4. Nuclear structure and its understandings
1.2 Creations and decays
4.1 Global descriptions and Hartree-Fock vs density functional theory

1.3 Outstanding features

4.2 Pairing correlations and BCS vs Bogoliubov

2. Nuclear bulk properties

5. Nuclear radioactivity and its understand-2.1 Nuclear masses and liquid drop model

ings
2.2 Nuclear saturation and Fermi-gas model

5.1 Alpha decays

2.3 Magic numbers and shell model

5.2 Beta decays

3. Nucleon-nucleon interactions

5.3 Gamma decays

3.1 Symmetries and basic properties

6. Selected advanced topics and discussion

1.5.4

現代物理と機械学習 : 蘆田 祐人

1. Introduction

5. Quantum light-matter interaction

2. Quantum mechanics review

5.1 Quantized electrodynamics Hamiltonian

2.1 Fundamental concepts

5.2 Long wavelength approximation

2.2 Ensembles

5.3 Introduction to Cavity/Waveguide QED

2.3 Distance measures

6. Machine learning and quantum science

3. Theory of quantum measurement and6.1 Supervised learning

open systems
3.1 Positive operator-valued measure

6.2 Unsupervised learning

3.2 Kraus operators

6.3 Black-box optimization

3.3 Bayesian inference and quantum measure-

7. Reinforcement learningment

7.1 Motivating example

3.4 Continuous quantum measurement
7.2 Markov decision process
4. Foundations of quantum optics
7.3 Value-based search
4.1 Quantization of the electromagnetic ﬁeld
7.4 Deep Q-learning

4.2 Bosonic Gaussian states

7.5 Policy-based search

4.3 Fermionic Gaussian states

7.6 Black-box optimization in deep RL

4.4 Superconducting qubits242

1. 学部講義概要

1.5.5

1.5. 4 年生 A セメスター

電子回路論 : 北川 健太郎

0. 令和時代の信号処理・装置制御

5. 分布定数回路と信号伝送

1. 回路図の書き方、シミュレーション

6. 雑音と信号

2. 線形システムとフィルタ

7. デジタル回路

3. 離散信号とデジタル信号処理

8. パワー回路

4. 増幅回路とフィードバック制御

9. 基板実装

1.5.6

固体物理学 III : 酒井 明人

1. 電子相関を考慮した固体中の電子2.1 超伝導の性質

1.1 相互作用の無い電子系

2.2 GL 理論

1.2 フェルミ液体

2.3 BCS 理論

1.3 ハバードモデルにおける電子相関2.4 非 BCS 超伝導

1.4 アンダーソンモデルにおける電子相関3. 磁性

1.5 重い電子系

3.1 磁性の起源

2. 超伝導3.2 量子磁性

1.5.7

非平衡科学 : 伊藤 創祐
Shannon エントロピーと微分エントロピー、

1. 序論
定常と非定常、確率のダイナミクス、定常状態

Kullback-Leibler ダイバージェンス、エントロと平衡状態

ピー生成と Kullback-Leibler ダイバージェン
ス、詳細釣り合い条件におけるエントロピー生

2. 確率過程

成率と Kullback-Leibler ダイバージェンス、熱Markov 連鎖 、Chapman-Kolmogorov 方程

力学第二法則と平衡状態の安定性

式、マスター方程式、Fokker-Planck 方程式、

5. 力学系と安定性

Onsager-Machlup 関数、Langevin 方程式

キュムラントとモーメント、Fokker -Planck 方

3. ゆらぎの熱力学

程式とキュムラントの力学系、キュムラントの

流れと力、熱力学第二法則、overdamped な

固定点と安定性

Fokker-Planck 方程式における熱力学第二法則、
非平衡定常状態での熱力学と Kirchhoﬀ の法則、
線形不可逆熱力学と Onsager 相反関係

6. 熱力学的トレードオフ関係
Fokker-Planck 方程式と最適輸送理論、熱力学
的速度限界、熱力学的不確定性関係、定常状態
熱力学

4. 情報量とゆらぎの熱力学

243

1.5. 4 年生 A セメスター

1.5.8

1. 学部講義概要

普遍性生物学 : 古澤 力
5. Evolution (I)1. Introduction

ﬂuctuation-response relationship in evolution,

Universal properties of biological systems

genetic variance and ﬂuctuation

2. Universal properties in steady growing
systems

6. Evolution (II)growth laws, phenomenological theory of dor-emergence of evolutionary constraint, experi-mant state

mental evolution studies

3. Adaptation
7. Ecosystem

attractor selection dynamics for environmen-

mechanisms for coexistence, symbiosis

tal adaptation
4. Robustness of development

8. Summary and perspectives

dynamical system model of cell diﬀerentia-

toward phenomenological theories for univer-tion, morphogenesis

sal biology

1.5.9

重力波物理学 : Kipp Cannon, 都丸 隆行

1. Introduction to General Relativity

3.4 Laser Interferometric Gravitational Wave Detector

1.1 Motivation
1.2 Spaces

3.5 Noises in Gravitational Wave Detector

1.3 Linear Gravity

4. Gravitational-Wave Signal Identiﬁcation

2. Orbiting Binary System
4.1 Choosing a Detector
2.1 Metric Perturbation
4.2 Neyman-Pearson Criterion

2.2 Time Evolution
2.3 Energy Balance

4.3 Neyman-Pearson Lemma

2.4 Time to Coalescence

4.4 Time Series as a Vector

2.5 Newtonian Chirp

4.5 The Fourier Transform as a Unitary Linear
Operator

2.6 Extra Comments
3. DetectionofGravitational

Waves

4.6 Gaussian Random Variables(Tomaru)
3.1 Philosophical Introduction

4.7 Karhunen-Loève Theorem

3.2 Various Methods of Gravitational Wave De-

4.8 Matched Filter

tection 1 – Doppler Tracking & Pulsar Tim5. Gravitational-Wave Astronomying
3.3 Various Methods of Gravitational Wave De-

5.1 Parameter Estimation and Bayes’ Theorem

tection 2 – Resonant Mass Detector & CMB
5.2 Compact Object Merger Rates

Polarization244

1. 学部講義概要

1.5.101.5. 4 年生 A セメスター

物理学のための科学英語特論 : 小野 義正
方、名詞の使い方、和製英語に注意、スペリン

1. 英語論文作成の概要 1

グに注意

科学・技術英語とは、論文審査報告（英文が悪い）：理由と対策、わかってもらえる英語論文

8. 文法的事項 2

は「英語の発想で」（Leggett s Trees)、日本
人英語が通じない理由と対策（脱日本的発想）、
直接翻訳 j はするな⇒「和文和訳して、簡潔な

前置詞の使い方、注意すべき句読法、数字・数式の表現法、記号の読み方、元素記号の読み方、参考書、レポートのフォーマット

物主構文へ」

9. 論文投稿と査読者対策

2. 英語論文作成の概要 2
結論を先に理由を後に、英語の基本は三拍子

10. 英語プレゼンの概要（パラグラフ構造）、「起承転結」から「結論がプレゼンテーションとは、プレゼンテーション

先」（序論・本論・結論）のエッセイへ、否定（口頭発表）の心構え、プレゼンテーションのプ文を避けて肯定文で書く、「英語活用メモ」をランニング、英語プレゼンテーションの構成、作り英借文する、本文を直接英文で書けない場

スライドの効果的な使い方、標準スライド

合には Two Steps で書く

11. 英語の構造としゃべり方
3. 英語論文の構成と作法 1

英語の構造（わかりやすい英語表現）、講演用

効率のよい英語論文執筆の進め方、よい英語

英語表現 vs. 論文用英語表現、わかってもらえ

論文の書き方、日本人英語の脱却ポイント、英る英語のしゃべり方、うまく聞こえる発音のコ語論文執筆の基本的な注意、英語論文の構成

ツ、カタカナ英語 (False Friends) に注意、わ（IMRAD 方式）、英語論文のフローチャート、

かってもらえる英語のしゃべり方（事前準備）

英語論文の校正項目の書き方 1（表題、著者と12. 発表のマナー・テクニック

所属、抄録、略語の使用方法）

原稿は読むべきか読んではならないか、聞いて

4. 英語論文の構成と作法 2

わかる原稿・メモ作成上の注意、発表練習（リ

英語論文の各項目の書き方 2（序論、本論、結ハーサル）、発表時のマナー・テクニック、Non-

果、考察、結論、謝辞、引用文献、図と表）、辞

verbal Communication、プレゼンテーション

書の使い方

当日のコツ（まとめ）5. 作文技術 1

13. 英語プレゼンの実際

文頭、数字の使い分け、用語の統一、リスト項
目の一貫性（並列構造で書く）、つづりの統一、
短い簡潔な文 (Simple Sentences) を書く、受動

口頭発表の決まり文句：最初の挨拶、プレセンの流れと決まり文句、ここのスライドの説明、
具体的な図表の説明、数字・数式・記号の読み態を避け能動態を使う、修飾する節や句は修飾

方、グラフ表現、図形、言い回しの工夫

対象のすぐ近くに、文意を明確にする言葉（連14. 質疑応答・ポスターセッション・チェックリス

結語）を使うト・まとめ

6. 作文技術 2

質疑応答 (Q ＆ A) の心構え・指針、質問が聞き不必要な単語を省く、日本人に多い間違いをとれなかったとき・質問に答えられないときの直す、自動詞と他動詞の取り違え、動名詞と不対応、ポスターセッションの利点・発表の技術、定詞の使い方、よく使われる略語、注意すべき

プレゼンの注目点と評価のポイント、チェック

単語リスト、Hints for a Successful Conference、参考書、補遺１．国際会議用アブストラクトの執7. 文法的事項 1

筆手順、Professional Self Introduction

動詞の適切な時制、主語を明確に、冠詞の使い

245

2 各賞受賞者紹介

2.1

牧島 一夫 名誉教授

— 瑞宝中綬章 —2022 年春の叙勲において、牧島一夫名誉教授が、公務等に長年にわたり従事し、優れた業績を挙げた方に授与される瑞宝中綬章を受章されました。牧島先生は、X 線天文学の黎明期から飛翔体搭載 X 線検出器の開発と高エネルギー天体物理の観測的研究の両面で世界を牽引してこられ、日本の X 線天文学分野が「お家芸」と言われるまでに発展する上で中心となって貢献されました。その業績で特筆すべき点は、白色矮星や中性子星・ブラックホールといったコンパクトな高密度天体から銀河団のような宇宙最大の構造まで、種族や規模を問わず天体に共通する物理現象を見抜き、その理解を極められた点です。牧島先生の下からは、様々な高エネルギー宇宙物理学分野の専門家が数多く巣立っています。

2.2

辻 直人 准教授— 令和４年度文部科学大臣表彰若手科学者賞 —辻直人准教授が、「超伝導体におけるヒッグスモードの光共鳴現象の理論研究」の業績により 2022 年度文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞されました。超伝導体中では電子が位相の揃った一つの波として振る舞い、その振幅の振動はヒッグスモードと呼ばれています。ヒッグスモードは超伝導体に普遍的に存在する基本的な現象と考えられてきたにも関わらず、理論的な予言から 50 年以上の間、純粋な超伝導体において実験的に観測されていませんでした。辻氏はこの超伝導のヒッグスモードと光が非線形相互作用を介して結合することを理論的に明らかにしました。さらに超伝導体に光を照射した際に、その周波数の 2 倍が超伝導ギャップ
エネルギーに一致するときヒッグスモードと光が共鳴し、ヒッグスモードの振幅が発散的に増幅すること、それに伴って超伝導体から入射周波数の 3 倍の周波数の光が共鳴増大して放射されることを理論的に示しました。辻氏の研究は超伝導体におけるヒッグスモードという新分野の発展に大きく貢献し、非従来型超伝導体の研究や、光誘起超伝導現象への応用などに研究が広がっています。

2.3

肥後 友也 特任准教授— 丸文研究奨励賞（令和４年度） —物理学専攻の肥後友也特任准教授が「トポロジカル反強磁性体 Mn3Sn における機能物性開拓」に関する研究
により、第 26 回丸文研究奨励賞を受賞されました。本賞は、科学技術の進歩ならびに次世代の産業創出に資する創造的産業技術の向上に対して最も貢献が期待される顕著な研究業績、将来的に貢献が期待される研究業績、または成果を挙げつつある研究を表彰するもの」です。肥後特任准教授は、磁気抵抗メモリなどの強磁

2462. 各賞受賞者紹介

2.4. 酒井 明人 講師

性体からなるデバイスの超高速・高集積化を目指し、ワイル点と呼ばれるトポロジカル電子構造を有する反強磁性体 Mn3Sn を舞台に、反強磁性体の表面・膜界面における電子機能の開拓を進めており、反強磁性金属において初めて巨大な磁気光学カー効果の観測に成功されました。また、Mn3Sn 薄膜と重金属から構成される多層膜を用いて、スピン軌道トルクにより、反強磁性秩序を介してワイル点・ベリー曲率由来の応答を制
御可能なことを実証しました。より最近では、Mn3Sn からなるトンネル接合素子においてトンネル磁気抵抗効果を共同で観測するなど世界的に注目される研究を進められており、今後の益々のご活躍が期待されます。

2.4

酒井 明人 講師

— 令和４年度文部科学大臣表彰若手科学者賞 —酒井明人講師が「強相関電子系およびトポロジカル磁性体を用いた量子物性研究」により令和４年度文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞しました。ホール効果は電流に垂直方向に電圧が生じる現象であり、そのトポ
ロジカルな性質はこれまでの様々な研究で明らかになってきました。例えば整数量子ホール効果はベリー曲率（波数空間の仮想磁場）の積分値がチャーン数と呼ばれるトポロジカル数になることで生じると理解されています。一方、熱流に垂直方向に起電力が生じるネルンスト効果は理解が進んでおらず、実験・理論双方からのアプローチによる解明が必要な状況でした。酒井氏はホイスラー合金 Co2 MnGa や Fe3 X (X = Ga, Al)
系が室温で巨大異常ネルンスト効果を示すことを発見し、多角的な実験と共同で行った数値計算との比較か
らトポロジカルな電子構造がその起源として重要であることを明らかにしました。本研究成果は、トポロジ
カル電子物性の理解を進めただけでなく、革新的熱電変換技術としてセンサーや発電モジュール等で利用され、省エネ・超スマート社会において不可欠な技術へと発展することが期待されます。

2.5

和田 有希 氏（馬場研、現大阪大学大学院工学研究科）— 第 39 回（2022 年度）井上研究奨励賞 —元馬場研大学院生和田有希さんが第 39 回井上研究奨励賞を受賞されました。和田氏は在学時から日本海沿岸に発生する冬季雷雲が雷現象に関連する高エネルギー現象の研究を続け、自ら可搬型検出器を設計・制作・展開しました。その結果、多くの雷放電・雷雲由来のガンマ線を地上で検出し、地球大気中の原子との相互作
用による光核反応など重要な気象現象を発見しました。大気中でも粒子加速やそれに伴う高エネルギー光子放射が存在することを初めて定量的に示した素晴らしい結果です。現在は気象学にも守備範囲を広げ、物理学の融合研究も進めています。今後の益々の活躍が期待されます。

2.6

赤城 裕 助教（桂研）— 第 17 回（2023 年）日本物理学会若手奨励賞 —桂研究室助教の赤城裕氏が「トポロジカルな磁性とその発現機構・創発現象に関する理論的研究」により、第17 回日本物理学会若手奨励賞を受賞しました。トポロジカルな磁気構造であるスキルミオン結晶は、2009 年にその直接観察に成功したことを契機に世界中で精力的に研究されています。赤城氏らはその黎明期に、ス
ピン電荷結合系において最小サイズのスキルミオン結晶が安定化する相が存在すること、またこの相ではトポロジカルな Hall 効果が発現することを世界で初めて示しました。さらにこの相の発現機構は、フェルミ面

247

2.7. 秋山 進一郎 特任助教（藤堂研）

2. 各賞受賞者紹介

効果により現れる正の双二次相互作用にあることを見出しました。これは現在ではスキルミオン結晶の安定化機構の一つとして認知されるようになっています。また、従来の古典スピンによる磁気スキルミオンの取り扱いを超えて、S=1 の量子スピン系において、創発的反発的相互作用を伴う新しいスピン液晶スキルミオンが現れることも明らかにしました。これらの先駆的な成果が高く評価され、今回の受賞に至りました。

2.7

秋山 進一郎 特任助教（藤堂研）— 第 17 回（2023 年）日本物理学会若手奨励賞 —藤堂研の秋山進一郎特任助教が「テンソル繰り込み群法による格子場理論研究の開拓」により、第 17 回日本
物理学会若手奨励賞を受賞しました。通常、場の量子論の非摂動計算はモンテカルロ法で行われますが、有限密度 QCD などでは符号問題が発生し、通常のシミュレーションの実行が極めて困難になります。そこで、近年、テンソルネットワーク（TN）法を使った格子理論の研究が素粒子分野で進められています。秋山氏は一連の研究において、TN 法の一種であるテンソル繰り込み群（TRG）を用いて、4 次元 NJL 模型の極低温高密度下でのカイラル相転移の解析、Hubbard 模型が示す金属-絶縁体転移の臨界指数の決定、4 次元 Z2 ゲー
ジヒッグス理論の臨界終点の決定に成功し、TRG が非常に有効な計算手法であることを示しました。これらの成果は、TRG による 4 次元系の数値研究において障害となる様々な点を世界に先駆けて解決した注目すべきものであると評価され、受賞に至りました。

2.8

田島 裕之 助教（Liang 研）— 第 17 回（2023 年）日本物理学会若手奨励賞 —Liang 研助教の田島裕之氏が、第 17 回日本物理学会若手奨励賞を受賞されました。研究内容は「強相関多成
分フェルミ気体の理論研究」であり、冷却原子気体系を中心に様々な物理学分野に現れる量子多体問題に関する理論研究です。2 成分フェルミ粒子系では強相関多体現象の代表例として BCS-BEC クロスオーバーが幅広く研究されてきましたが、3 成分以上を含むフェルミ粒子系における強相関多体現象は、少数多体系の物
理と凝縮系多体物理が絡む理論解析の難しさ故に多くの謎が残されている状況にありました。同氏は、両者を包括するような理論的枠組みを開発することで、強相関 3 成分フェルミ気体において 3 体束縛分子の気体からクーパー対の 3 体版に相当するクーパートリプルへのクロスオーバーが現れることを理論的に示しました。こうした新奇な強相関多体現象に関する一連の研究についてその独創性が高く評価されました。

2.9

野辺 拓也 特任助教（浅井研）— 第 17 回（2023 年）日本物理学会若手奨励賞 —宇宙を支配する暗黒物質が何なのか？

多くの素粒子研究者が、超対称性粒子が暗黒物質であり、ニュート

ラリーノだと考えています。このニュートラリーノが、光子、Z 粒子、ヒッグス粒子のどの成分が多いかはモデルに依存するためわかりません。モデルにあまり依存しない点は、ニュートラリーノが Z ボソンに結合するだろうと言う点です。野辺さんは、Z ボソンを効率よく検出する方法を開発し、これまで LHC で２０４０年頃到達可能であろうと考えられていた感度で、２０２０年に探索を行いました。歴史を２０年早めた男です。Z 粒子が高い運動量で放出されると、独特の構造を作るだろうと言う物理的な直感と、それを選び出

248

2. 各賞受賞者紹介

2.10. 吉川 尚孝 助教（島野研）

す細かなプログラミング技術が可能にした研究です。このことが評価され、日本物理学会若手奨励賞が与えられました。残念ながらニュートラリーノはまだ見つかっていませんが、これからより質量スペクトラムが縮退した場合を探っていきます。野辺さんは、２０２３年度より特任助教から助教になり、現地ジュネーブ
での日本の研究者を束ねて、超対称性ばかりでなく様々な研究を推進しています。毎日新しいアイデアを試す充実した日々を送っています。

2.10

吉川 尚孝 助教（島野研）— 第 17 回（2023 年）日本物理学会若手奨励賞 —吉川尚孝氏が第 17 回日本物理学会若手奨励賞を受賞されました。吉川氏は、物質の熱化や破壊を抑えて強い
光電場を印加することのできる高強度中赤外光・テラヘルツ（THz）波パルスを用いて、強い光駆動下で現れる電子応答や電子状態の研究を行なってきました。グラフェンに代表される単原子層物質からの高次高調波発生、電荷密度波物質の非熱的光誘起相転移など、周期外場により動的に駆動された量子物質が示す非平衡現象に関する一連の研究が高く評価されました。今後の益々の活躍が期待されます。

2.11

石橋 未央 氏（中辻研）— 第 39 回（2022 年度）井上研究奨励賞 —石橋未央特任研究員が第 39 回 (2022 年度) 井上研究奨励賞を受賞されました。石橋氏は京都大学大学院化学専攻での博士課程在学中に磁性体のスピン波の伝搬現象の研究をスピントロニクスの立場から研究に従事されました。その中でも今回受賞対象となったのは、「人工反強磁性体におけるスピン波の研究 」です。この研究は非常に特異な現象である非相反現象を発見され世界的に注目を集めております。受賞おめでとうござい
ます。

2.12

鈴木 寛大 氏（馬場研、現甲南大学）— 第 17 回日本物理学会若手奨励賞 —馬場研元大学院生の鈴木寛大氏が、第 17 回日本物理学会若手奨励賞を受賞されました。鈴木氏は XMM-Newton
や Chandra、Fermi といった様々な波長の宇宙Ｘ線衛星データを駆使し、超新星残骸プラズマからの熱的 X線を超新星爆発からのストップウォッチにする画期的な手法で、超新星残骸衝撃波での宇宙線加速効率の時
間発展を世界で初めて定量的に示しました。また鈴木氏は本研究のために開発した Chandra 衛星のバックグ
ラウンド定量評価ツールが NASA 推奨となり、2023 年度打ち上げ予定である XRISM 衛星搭載 CCD の開発に深く貢献するなど、ハードウェアソフトウェア共に大きな貢献をしています。今後の益々の活躍が期待さ
れます。

249

2.13. 仲里 佑利奈 氏（吉田研）

2.13

2. 各賞受賞者紹介

仲里 佑利奈 氏（吉田研）— 令和 4 年度 東京大学総長賞 総長賞 —仲里佑利奈さんが令和 4 年度東京大学総長賞総長賞を受賞されました。仲里佑利奈さんは早期の宇宙に生まれる星団や銀河に関する研究で顕著な業績をあげました。修士論文では最新の宇宙望遠鏡による観測データと自らの 3 次元流体シミュレーションを直接比較して、生まれたての銀河の急速な進化を示すとともに、輝線を用いた新たな化学診断法を提案しました。宇宙初期の超音速ガス流に関する研究では、宇宙の「風」に駆動されて生成する濃い分子ガス雲の例を初めて示し、さらにカリフォルニア大グループとの共同研究をす
すめてガス雲からの星団生成過程やその典型的質量などを明らかにしました。現在は日本-スペインの共同観
測プロジェクトで理論研究班を牽引し、稼働中の宇宙望遠鏡のための模擬観測データを作成し、新たな観測提案に貢献しています。

2.14

理学系研究科研究奨励賞・理学部学修奨励賞

以下の方々が令和 4 年度理学系研究科研究奨励賞・理学部学修奨励賞を受賞されました。

• 理学系研究科研究奨励賞（博士課程） 加藤 勢 氏、川田 拓弥 氏、髙久 諒太 氏、杉山 素直 氏
• 理学系研究科研究奨励賞（修士課程） 仲里 佑利奈 氏、吉田 智治 氏、小川 和馬 氏、直川 史寛 氏
• 理学部学修奨励賞 佐々木 大地 氏、高波 海斗 氏、永島 来悟 氏
皆様の今後の更なるご活躍を期待します。

250

3 人事異動[物理学教室に来られた方々]
中村 哲
高三 和晃
福田 朝
Tsai Hanshen
板橋 浩介
小林 史明
竹内 敦人
藤原 素子
横山 文秋
奥澤 浩未
浅野 いずみ大橋 美波
田熊 友加里佐藤 貴一
齊藤 暁子
Fu Mingxuan
Gladen Randall Wayne
甘利 悠貴
千野 夏子
横溝 和樹
Kristjansson Hler
多田 裕子
石河 孝洋
永尾 翔
山崎 隼汰
柚木 茉璃奈冨田 崇弘
日向 理華
Feng Zili
Taranto Philip Guy
萩野 浩一
鎌田 翔
Su Hang
大沼 若菜
田中 克大
福草 加世子Forsyth Perry William Fox

教授
助教（辻研）
助教（諸井研）特任助教（未来社会）
特任研究員（中村研）
特任研究員（竹内研）
特任研究員（日下研）
特任研究員（濱口研）
特任研究員（竹内研）
特任専門職員（常行研）
事務補佐員（物理事務分室）
事務補佐員（未来社会）
事務補佐員（中辻研）
上席係長（物理教務）係長（物理事務）特任研究員（未来社会）
特任研究員（浅井研）
特任研究員（桂研）
事務補佐員（JSR 包括連携）
助教（蘆田研）特任研究員（村尾研）
特任研究員（JSR 包括連携）
特任助教（常行研）
助教（中村研）助教（村尾研）事務補佐員（物理事務分室）
技術専門職員
特任専門職員（中辻研）
特任研究員（中辻研）
特任研究員（村尾研）
助教（馬場研）特任助教（福嶋研）
特任研究員（中辻研）
事務補佐員（未来社会）
特任助教（JSR 社会連携講座）
事務補佐員（物理事務分室）
特任研究員（辻研）

R4/4/1
R4/4/1
R4/4/1
R4/4/1
R4/4/1
R4/4/1
R4/4/1
R4/4/1
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R4/4/1
R4/4/1
R4/4/1
R4/4/1
R4/5/1
R4/5/16
R4/6/1
R4/6/1
R4/8/1
R4/8/1
R4/8/1
R4/8/16
R4/9/1
R4/9/1
R4/9/1
R4/10/1
R4/10/1
R4/10/16
R4/12/1
R5/1/1
R5/1/1
R5/1/1
R5/1/1
R5/2/1
R5/2/1
R5/3/16

251

採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
配置換え
転入
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
職名変更
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用
採用

東北大学
ローレンス・バークレー国立研究所
ローレンス・バークレー国立研究所
本学物性研究所
東北大学
大分大学
日本学術振興会特別研究員
日本学術振興会特別研究員
ETH Zurich
本学物性研究所

本学総合文化研究科
本学工学系研究科
国立科学博物館
日本学術振興会特別研究員
University of Texas
Joint Institute for Nuclear Research
日本学術振興会特別研究員
University of Oxford
高エネルギー加速器研究機構
本専攻 JSR 包括連携
東北大学
IQOQI Vienna
産業技術総合研究所
日本学術振興会特別研究員
TU Wien
関東学院大学
National Centre for Nuclear Research
浙江大学
本学先端科学技術センター

The Australian National University

3. 人事異動[物理学教室から移られた方々]
明石 遼介
山下 麻依
浅野 いずみ藤本 純治
板橋 浩介
Andraus Robayo Sergio Andres
大屋 瑶子
藤原 素子
小林 史明
冨田 崇弘
Le Minh Cristian
唐楠
小高 裕和
見波 将
清水 幸子
Kristjansson Hler
Taranto Philip Guy
佐山 芳恵
五神 真
山本 智
宮下 哲
森田 悠介
HARTWIG TILMAN
藤澤 幸太郎
甘利 悠貴
竹内 敦人
多田 裕子
中野 湧天
前橋 英明
横山 文秋
上田 美樹
長島 礼子
大塚 茂巳
右田 美奈

助教（常行研）事務補佐員（JSR 包括連携）
事務補佐員（物理事務分室）
特任研究員（小形研）
特任研究員（中村研）
特任研究員（JSR 包括連携）
助教（山本研）特任研究員（濱口研）
特任研究員（竹内研）
技術専門職員
特任研究員（常行研）
特任研究員（中辻研）
助教（馬場研）特任助教（JSR 社会連携講座）
事務補佐員（未来社会）
特任研究員（村尾研）
特任研究員（村尾研）
主事員（物理事務分室）教授
教授
特任教授（JSR 包括連携）
助教（五神研）助教（吉田研）特任助教（須藤研）
特任研究員（桂研）
特任研究員（日下研）
特任研究員（JSR 包括連携）
特任研究員（濱口研）
特任研究員（小形研）
特任研究員（竹内研）
特任専門職員（山本研）
特任専門職員（高木研）
技術補佐員（試作室）
一般職員（物理事務）252

R4/4/30
R4/4/30
R4/6/13
R4/6/30
R4/7/15
R4/7/31
R4/9/30
R4/9/30
R4/9/30
R4/10/6
R4/10/15
R4/10/16
R4/12/31
R4/12/31
R5/1/31
R5/2/13
R5/2/28
R5/2/28
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31
R5/3/31

退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
定年退職
定年退職
退職
配置換え
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
退職
配置換え

量子科学技術研究開発機構

埼玉大学
高エネルギー加速器研究機構
筑波学院大学
京都大学
Technical University of Munich
九州大学

Max Planck Institute
University of Augsburg
大阪大学
京都大学
Perimeter Institute for Theoretical Physics
日本学術振興会特別研究員
理化学研究所
総合研究大学院大学
物質・材料研究機構
本学フォトンサイエンス研究機構
The German Environment Agency
東京工科大学
日本学術振興会特別研究員
日本学術振興会特別研究員
理化学研究所
日本学術振興会特別研究員
物質・材料研究機構
日本学術振興会特別研究員

本学社会連携部4 役務分担【役務】
専攻長・学科長
幹事
専攻主任
専攻副主任
常置委員
教務
学生実験
卓越大学院

【外国人学生・留学】
優先配置
海外学部生インターンシップ受入
GSGC 留学生支援
留学【駒場生進学】
進学指導/推薦入試アドバイザー
駒場対策【奨学金・支援】奨学金
博士課程学生支援制度
就職
部屋割
安全衛生
放射線
管理技術室
(技術室会議メンバー)

図書
コロキウム
年次報告
記録係
理交会
親睦会
ホームページ、IT
オープンキャンパス
JSR 東大 包括連携 CURIE
緊急対応教職員

【教員】
小形
浅井、島野
吉田
福嶋
髙木、濱口
松尾 (理・学部)、馬場 (大学院・学部)、
上田 (学部・学生)、北川 (学部・学生)
日下、岡本、竹内
浅井・安東（XPS）、山本（FoPM）、
古澤 (IGPEES)、長谷川・常行 (MERIT)、
藤堂 (Q-STEP)【職員】
佐藤、齊藤、右田福嶋髙木、島野横山 (順)、Liang
濱口

物理教務
物理教務
物理教務
物理教務

小林、濱口
教務担当者が兼務

物理教務
物理教務

島野
長谷川
林
酒井 (広)
横山 (将)
酒井 (広)（統括、試作室）
日下（学生実験）酒井 (広)、岡本（安全衛生・低温）
藤堂（IT 関連）横山 (順)(理)、岡田、酒井 (明)古澤、濱口、林
辻、樺島
安東
竹内
藤堂、蘆田
蘆田
中辻、小形、常行、宮下 (哲)酒井 (広)、松尾

253

物理教務
物理教務
物理教務
物理教務
佐伯
物理教務、物理事務

物理教務
渡辺、右田
仁井田、佐藤
齊藤
物理事務
下澤
佐伯
物理ネットワーク担当
総務課図書チーム
物理事務
仁井田
物理事務、物理教務齊藤
レクリエーション委員
物理ネットワーク担当
物理事務5 教室談話会• 2022 年 12 月 16 日（金）10:30-12:00
Carlos Meriles 氏（ニューヨーク市立大学、米国）「Controlling the charge state of color centers at the nanoscale:Challenges and opportunities 」• 2023 年 1 月 31 日（火）17:00-18:30
Valerie Domcke 氏 (CERN Staﬀ Scientist)「GWs as a probe of the early Universe」• 2023 年 3 月 8 日（水）10:30-12:00
山本 智 教授（最終講義）「宇宙に巡らす化学の夢」

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6 物理学教室コロキウム• 第 127 回コロキウム

2022 年 4 月 22 日 (金) 17:00-18:30

松村 知岳 氏（東京大学 カブリ数物連携宇宙研究機構 准教授)
「CMB 偏光観測を用いたインフレーション宇宙の探索 Probing the inﬂationary Universe with mea-

surement of CMB polarization」• 第 128 回コロキウム

2022 年 6 月 10 日 (金) 17:00-18:30

中村 哲 氏（東京大学 大学院理学系研究科 教授）「ハイパー原子核精密分光：電荷ゼロハイパー核、荷電対称性の破れ、重い中性子星の謎」• 第 129 回コロキウム

2022 年 6 月 17 日 (金) 17:00-18:30

塩澤 真人 氏（東京大学 宇宙線研究所 教授）「ハイパーカミオカンデ計画〜ニュートリノ研究の次なる挑戦〜」• 第 131 回コロキウム

2022 年 11 月 18 日 (金) 17:00-18:30

杉田 有治 氏（理化学研究所・開拓研究本部/計算科学研究センター/生命機能科学研究センター 主任研究員）「細胞内環境の生物物理学」• 第 132 回コロキウム

2022 年 12 月 16 日 (金) 17:00-18:30

清水 克哉 氏（大阪大学 教授）「水素化物高温超伝導研究の現状ー室温超伝導は達成できたのかー」• 第 133 回コロキウム

2023 年 1 月 13 日 (金) 17:00-18:30

中山 和則 氏（東北大学 准教授）
「暗黒物質の発見に向けて」

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7 金曜ランチトーク• 2022 年 6 月 24 日（金）13:00-13:25
藤澤 幸太郎（須藤研究室 特任助教）“Rotating Stars”「回転星」• 2022 年 7 月 8 日（金）13:00-13:25
高三 和晃（辻研究室 助教）“Nonequilibrium quantum phases of matter”「非平衡量子物質相」• 2022 年 7 月 22 日（金）13:30-13:25
福田 朝（諸井研究室 助教）“Physics of axions”「アクシオンの物理」• 2022 年 10 月 14 日（金）13:00-13:25
森脇 可奈（吉田研究室 助教）“Distant galaxies and their distributions”「遠方銀河とその分布」• 2022 年 10 月 28 日（金）13:00-13:25
小森 健太郎（安東研究室 助教）“Precise measurement by laser interferometer: From observation of gravitational waves to realizationof macroscopic quantum states”「レーザー干渉計による精密計測: 重力波観測から巨視的量子状態の実現まで」• 2022 年 11 月 11 日（金）13:00-13:25
横溝 和樹（蘆田研究室 助教）“Non-Bloch band theory of non-Hermitian systems”「非エルミート系におけるブロッホバンド理論」• 2022 年 12 月 9 日（金）13:00-13:25
石河 孝洋（常行研究室 特任助教）“Search for hydride superconductors by evolutionary algorithm”「進化的アルゴリズムによる水素化物超伝導の探索」

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7. 金曜ランチトーク• 2022 年 12 月 23 日（金）13:00-13:25
永尾 翔（中村研究室 助教）“Research for Charge Symmetry of Hypernuclei via High-resolution Spectroscopy and Future Prospects”「ハイパー核精密分光によるアイソスピン対称性の研究と今後」• 2023 年 2 月 10 日（金）13:00-13:25
萩野 浩一（馬場研究室 助教）“Unveiling the nature of ultra-fast black hole outﬂows with X-ray observations”「X 線観測による超高速ブラックホールアウトフローの研究」

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8 ニュートン・カフェ
新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の流行により失われた、学生と教員、そして学生同士の交流を図るため、少人数の学部学生（主に 2 年生と 3 年生）を対象として、研究セミナー “ニュートン・カフェ” を 12
回にわたって開催した。実施にあたっては物理学科 3 年生のニュートン祭委員の協力を得た。

• 第 1 回 2022 年 10 月 7 日 (金) 18:00–19:00
開催研究室：浜口研究室、小林研究室、古澤研究室、中村研究室• 第 2 回 2022 年 10 月 12 日 (水) 18:00–19:00
開催研究室：横山 (順) 研究室、竹内研究室、藤堂研究室• 第 3 回 2022 年 10 月 17 日 (月) 18:00–19:00
開催研究室：常行研究室※、上田研究室、馬場研究室（※駒場キャンパスにて、17:00–18:00 に実施）

• 第 4 回 2022 年 10 月 26 日 (水) 18:00–19:00
開催研究室：吉田研究室、小林研究室、横山 (将) 研究室、辻研究室• 第 5 回 2022 年 11 月 8 日 (火) 18:00–19:00
開催研究室：横山 (順) 研究室、安東研究室、古澤研究室、中島研究室• 第 6 回 2022 年 11 月 14 日 (月) 18:00–19:00
開催研究室：蘆田研究室、林研究室、馬場研究室• 第 7 回 2022 年 11 月 30 日 (水) 18:00–19:00
開催研究室：吉田研究室、中村研究室、竹内研究室• 第 8 回 2022 年 12 月 9 日 (金) 18:00–19:00
開催研究室：浜口研究室、日下研究室、樺島研究室• 第 9 回 2022 年 12 月 12 日 (月) 18:00–19:00
開催研究室：藤堂研究室、岡田研究室• 第 10 回 2022 年 12 月 22 日 (木) 18:00–19:00
開催研究室：常行研究室、林研究室• 第 11 回 2023 年 1 月 10 日 (火) 18:00–19:00
開催研究室：蘆田研究室、Liang 研究室• 第 12 回 2023 年 1 月 18 日 (水) 18:00–19:00
開催研究室：樺島研究室258

年 次 研 究 報 告 2022年度
2023年 5 月 30 日

東京大学大学院理学系研究科・理学部
物 理 学 教 室
発行

小 形 正 男編集

樺 島 祥 介蘆 田 祐 人仁 井 田 和 子