平成 30 年度（第 64 回）仁科記念賞受賞者
平成 30 年 11 月 9 日
公益財団法人仁科記念財団
理事長

小林 誠

平成 30 年 10 月 26 日に開催された第 26 回理事会において、本年度の仁科記念賞を以下の 2 件、2 氏に授与することを決定いたしました。
１）柴田 大 Masaru Shibata (52 歳) (東京都出身)
マックス・プランク重力物理学研究所 ディレクター
京都大学基礎物理学研究所 教授
業績題目：「数値相対論による連星中性子星合体の研究」“Study of binary neutron star mergers by numerical relativitysimulations”
業績要旨：
二つの中性子星からなる近接連星(連星中性子星)の合体現象は、極めて強い重力場を伴う一般相対論における重要な研究対象であるのみならず、中性子星の内部構造や重元素の起源を解明する上で宇宙物理学においても重要なデータを与える。
柴田氏はこの合体現象に関する理論的研究を 20 年以上にわたり行い、合体の標準的なシナリオを構築し、合体に伴う観測可能量の特性を明らかにして来た。柴田氏はまず、アインシュタイン方程式や一般相対論的流体力学方程式の時間発展を数値的に解く「数値相対論」の研究を進め、適切なゲージ条件の発見、信頼性の高い数値流体コードの構築、ブラックホールへの崩壊を決定する数値的方法、重力波シグナルを抽出する計算手法の開発などを行った。さらに、これらを統合した連星中性子星合体の数値シミュレーションを 1999 年に世界で初めて実行した。これは数値相対論の本格的到来をもたらした業績として高く評価されている。その後、若手研究者を先導しながら、物理過程の精緻化や計算解像度の向上を図り、現実的な条件下でのさまざまなモデルのシミュレーションを行うことで、合体の動的過程、重力波の波形、質量放出やニュートリノ放出などに関する標準的な理論を構築し、連星中性子星の合体現象に伴う重力波及び電磁波の挙動に対する理論予想を進めた。
奇しくも、2017 年 8 月、連星中性子星からの重力波(GW170817)が重力波検出器 advancedLIGO と advanced Virgo により発見された。さらに、ガンマ線から赤外線に至る多様な波長領域で電磁波が同時観測されることで、本格的な「マルチメッセンジャー天文学」の幕が開いた。

この分野の一連の研究の流れの中、柴田氏らの理論研究は、これら観測データの背景にある物理現象を解明する上で本質的貢献をすることが明らかになった。柴田氏は、数値相対論による連星中性子星合体研究のパイオニアであると同時に世界のフロントランナーであり、今後さらに進展すると期待される重力波観測や電磁波対応天体の観測とあいまって、柴田氏の研究の重要性はますます高まると考えられる。
２）田中耕一郎 Koichiro Tanaka (55 歳) (札幌市出身)
京都大学大学院理学研究科 教授
業績題目：「固体におけるテラヘルツ極端非線形光学の開拓」“Developmentofextreme-nonlinear

terahertzoptics

insolids”
業績要旨：
極端非線形光学現象は、物質中の電子系と光の相互作用エネルギーが電子系を特徴づけているエネルギー（例えば、イオン化エネルギーやバンドギャップエネルギー）と同程度かそれを凌駕したときに発現する光学現象である。実験的には、原子に高強度の可視域パルス光を照射した際に高次高調波発生として現れることが 1990 年代に明らかとなった。このような光学現象の記述には、摂動論はもはや不十分であり、物質と光を強く結合させた新たな枠組みが必要とされた。その後、現象論の提案を契機として理論的な理解も進み、極端非線形光学現象の応用は、可視光から軟 X 線を発生させる技術やアト秒光源技術として大いに発展をとげている。
その一方で、原子に対して用いられるような高強度可視光パルスを固体に照射すると対象が破壊されてしまうことから、固体における極端非線形光学現象の解明は手つかずの状態であった。
周期性をもつ固体結晶においては、電子系はバンド描像によってよく記述されるが、極端非線形光学現象が起きるような光強度下でバンド描像がどこまで適用可能で、そこにいかなる光学現象が現れるかは未知の領域であり、その実現が待たれていた。
田中氏は、照射する光の周波数をテラヘルツ領域まで低くすることにより対象を破壊することなく極端非線形光学現象を観測できるとの着想のもと、パルス波面傾斜法に基づく高強度テラヘルツ光源の開発を行った。その結果、パルス尖頭電場値で 1.2 MV/cm（尖頭磁場は 0.4 T）を超えるテラヘルツ光源を世界で初めて実現した。これを契機に、固体におけるテラヘルツ極端非線形光学の研究は、実験、理論ともに爆発的な勢いで世界中に広がり、新しい発見が相次いでいる。田中氏自身も，実際にこの光源を用いて、GaAs 量子井戸系における 1000 倍のキャリア増幅、傾角強磁性体 HoFeO3 における巨大磁化変調、グラフェンにおける超高速テラヘルツ光スイッチを実現するとともに、グラフェンにおける高次高調波発生に世界で初めて成功している。

平成 30 年度 (第 64 回) 仁科記念賞 授賞理由

数値相対論による連星中性⼦星合体の研究
Study of Binary Neutron Star Mergers by Numerical Relativity Simulations
柴⽥⼤⽒ Masaru Shibata
マックス・プランク重⼒物理学研究所 ディレクター
京都⼤学基礎物理学研究所 教授
⼆つの中性⼦星からなる近接連星(連星中性⼦星)の合体現象は、⼀般相対論における重要な研究対象であるのみならず、中性⼦星の内部構造や重元素の起源を解明するための貴重な実験場を与える。このような動的で強い重⼒場を伴う天体現象では、観測可能な重⼒波の発⽣が予想され、2017 年 8 ⽉に、連星中性⼦星からの重⼒波イベント(GW170817)が重⼒波検出器 advanced LIGO と advanced Virgo によりはじめて発⾒された。さらに、ガンマ線から⾚外線に⾄る多様な波⻑領域で電磁波が同時観測されることで、本格的な「マルチメッセンジャー天⽂学」の幕が開いた。このような合体現象を理解する上では、観測される重⼒波の波形や放射される電磁波の特徴を重⼒波源の性質と結び付けることが重要な理論的課題であり、アインシュタイン⽅程式や⼀般相対論的流体⽅程式に基づいた数値的⼿法による「数値相対論」が必要不可⽋となる。
柴⽥⽒は 1995 年に、アインシュタイン⽅程式を数値的に⾼精度で時間発展させる新しい定式化を中村卓史⽒と共同で提案し、⼀般相対論的数値計算が⻑時間安定に実⾏可能であることを初めて⽰した。この定式化は、現在の数値相対論における標準形式の⼀つとなっている。さらに、柴⽥⽒は、現実的な合体現象を扱う際に重要となる適切なゲージ条件の選択、信頼性の⾼い数値流体コードの構築、ブラックホールの存在を決定する数値的⽅法や重⼒波シグナルを抽出する計算⼿法の開発、などの研究を独⾃に進め、それらを統合した数値計算の有効性を 1999 年に世界で初めて⽰した[1]。また、2000
年には、現実的な速度場を持つ初期条件を⽤いたシミュレーションにより、合体後に遠⼼⼒で⽀えられた⼤質量中性⼦星が形成されうることを初めて⽰した[2]。
その後、柴⽥⽒は若⼿研究者を先導して、物理過程の精緻化や計算解像度の向上を図り、現実的な条件下でのさまざまなモデルのシミュレーションを⾏うことで、合体の動的過程、重⼒波の波形、質量放出やニュートリノ放出などに関する標準的な理論を構築し、連星中性⼦星の合体現象に伴う重⼒波及び電磁波の挙動に対する理論予想を進めた。
特に、(i) 合計質量が太陽の 2.8 倍以下ならば、合体後にまず⼤質量中性⼦星が形成されること[3]（図 1）、(ii) ⼤質量中性⼦星は⾓運動量輸送過程を経て動⼒学的に進化し、図１．太陽質量の 1.2 倍と 1.5 倍の連星中性⼦星合体時の物質密度分布 (g/cm3)の数値相対論シミュレーション [論⽂ 5 より]。
太陽質量の 10-20 %の質量を持つトーラスをその周囲に発⽣させ、最終的にブラックホールと⾼温⾼密度の降着円盤からなる系が形成されること[5]、(iii)⼤質量中性⼦星、トーラスともに、⾼温・⾼密度の⾼光度ニュートリノ放射天体であること [6]、(iv) 太陽質量の最⼤数%程度の中性⼦過剰物質が、光速度の数%から数⼗%の速度で放出され、観測可能な可視光・⾚外線領域の⾼光度突発天体になりうること[4,6]、などを⽰した。
柴⽥⽒らによる重⼒波の波形（図 2）や質量放出現象（図 3）の詳細は、連星中性⼦星合体の標準モデルとして、重⼒波観測および重⼒波源からの電磁波対応天体の観測に必須の情報を提供している。
柴⽥⽒は、数値相対論において、現実的な問題に適⽤可能な標準的⼿法を構築・確⽴するとともに、それを特に連星中性⼦星の合体に適⽤することで、合体に伴う重⼒波波形の系統的導出や電磁波対応天体の理論解析を可能にした。柴⽥⽒は、数値相対論による連星中性⼦星合体研究のパイオニアであると同時に世界のフロントランナー

図２．太陽質量の 1.2 倍と 1.5 倍の連星中性⼦星合体から放出される重⼒波の波形と振動数の数値相対論シミュレーション [論⽂ 5 より]。

図３．重⼒波イベント GW170817 に対応する太陽質量の 1.3 倍と 1.4 倍の連星中性⼦星合体シミュレーションに基づいた質量放出の密度分布 (左)、電⼦⽐ Ye(中央)、放出質量と Ye の関係（右）。いずれも合体してから 40ms 後のスナップショット[論⽂ 6 より]。
であり、今後さらに進展すると期待される重⼒波観測や電磁波対応天体の観測とあいまって、その研究の重要性はますます⾼まると考えられる。
数値相対論および中性⼦星連星合体の研究における柴⽥⽒の業績は、⾼い独創性と当該分野への⼤きなインパクトを持った世界的なものであり、仁科記念賞の授賞に値する。
参考⽂献：
1. “Fully general relativistic simulation of coalescing binary neutron stars:Preparatory test”, M. Shibata, Phys. Rev. D 60, 104052-1-25 (1999).
2. “Simulation of merging binary neutron stars in full general relativity: Γ=2 case”,
M. Shibata and K. Uryu, Phys. Rev. D 61, 064001-1-18 (2000).
3. “Merger of binary neutron stars with realistic equations of state in full generalrelativity”, M. Shibata, K. Taniguchi, and K. Uryu, Phys. Rev. D 71, 084021-1-26(2005).
4. “The mass ejection from the merger of binary neutron stars”, K. Hotokezaka, K.
Kiuchi, K. Kyutoku, H. Okawa, Y. Sekiguchi, M. Shibata, and K. Taniguchi, Phys.
Rev. D 87, 024001-1-27 (2013).
5. “Remnant massive neutron stars of binary neutron star mergers: Evolution
process and gravitational waveform”, K. Hotokezaka, K. Kiuchi, K. Kyutoku, T.
Muranushi, Y. Sekiguchi, M. Shibata, and K. Taniguchi, Phys. Rev. D 88,044026-1-30 (2013).
6. “Modeling GW170817 based on numerical relativity and its implications”, M.
Shibata, S. Fujibayashi, K. Hotokezaka, K. Kiuchi, K. Kyutoku, Y. Sekiguchi, andM. Tanaka, Phys. Rev. D 96, 123012-1-22 (2017).

固体におけるテラヘルツ極端⾮線形光学の開拓
Development of Extreme-nonlinear Terahertz Optics in Solids
⽥中耕⼀郎⽒ Koichiro Tanaka
京都⼤学⼤学院理学研究科 教授
極端⾮線形光学現象は、物質中の電⼦系と光の相互作⽤エネルギーが電⼦系を特徴づけているエネルギー（例えば、イオン化エネルギーやバンドギャップエネルギー）と同程度かそれを凌駕したときに発現する光学現象である。実験的には、原⼦に⾼強度の可視域パルス光を照射した際に⾼次⾼調波発⽣として現れることが 1990 年代に明らかとなった。このような光学現象の記述には、摂動論はもはや不⼗分であり、物質と光を強く結合させた新たな枠組みが必要とされた。その後、現象論の提案を契機として理論的な理解も進み、極端⾮線形光学現象の応⽤は、可視光から軟 X 線を発⽣させる技術やアト秒光源技術として⼤いに発展をとげている。その⼀⽅で、原⼦に対して⽤いられるような⾼強度可視光パルスを固体に照射すると対象が破壊されてしまうことから、固体における極端⾮線形光学現象の解明は⼿つかずの状態であった。周期性をもつ固体結晶においては、電⼦系はバンド描像によってよく記述されるが、極端⾮線形光学現象が起きるような光強度下でバンド描像がどこまで適⽤可能で、そこにいかなる光学現象が現れるかは未知の領域であり、その実現が待たれていた。
⽥中⽒は、照射する光の周波数をテラヘルツ領域まで低くすることにより対象を破壊することなく極端⾮線形光学現象を観測できるとの着想のもと、パルス波⾯傾斜法に基づく⾼強度テラヘルツ光源の開発を⾏った。その結果、図１に⽰すような、パルス尖頭電場値で 1.2 MV/cm（尖頭磁場は 0.4 T）を超えるテラヘルツ光源を世界で初めて実現した [１]。これを契機に、固体におけるテラヘルツ極端⾮線

図１．パルス⾯傾斜法によって発⽣した中⼼周波数１THz のテラヘルツ光源のパルス電場波形 [論⽂１より]。

形光学の研究は、実験、理論ともに爆発的な勢いで世界中に広がり、新しい発⾒が相次いでいる。
⽥中⽒はこの光源を⽤いて、固体物質における極端な⾮線形光学現象を明らかにした。
まず、ガリウムヒ素（GaAs）量⼦井⼾系において 1000 倍のキGraphene at 300 K

ャリア増幅を実現し、その機構が⾼強度テラヘルツ電場による電⼦のバリスティックな加を明らかにした[２]。この研究!T0.04!T

速と衝突イオン化であること

0.010.02

は、テラヘルツ光の照射により2して⽤いることにより、テラヘルツパルスの先頭磁場を 0.9 T

THz field

⾦属構造体を⼀種の共振器と6 80.00が現れるという特異な現象の最初の観測例となった。また、4100THz Field [kV/cm]

可視域の発光（この場合は、GaAs 量⼦井⼾の励起⼦発光）

1.94!T"E-1

123

12Time [ps]3に まで⾼めることに成功し、-1

傾⾓強磁性体ホロミウムフェライト（HoFeO3）に対して、0反強磁性モードの励振による

図 2．⾼強度テラヘルツ光照射によるグラフェン磁化の変調を、飽和磁化の 40%の近⾚外光領域の吸収変化とその回復（上）。照にまで⼤きくすることに成功

射テラヘルツ光の電場波形を下に⽰す[論⽂４よした [３]。これは、強磁性体にり]。

おいて超⾼速磁化反転につながる道筋を⽰した例として⾼く評価されている。
単⼀原⼦層物質であるグラフェンにおいても、図２に⽰すようにテラヘルツ光の照射による近⾚外光透過率の⾼速スイッチングが１ピコ秒という短い時間で起こることを⽰した [４]。この現象についても、GaAs 量⼦井⼾の場合と同様に、⾼強度テラヘルツ電場による電⼦のバリスティックな加速と衝突イオン化がそのメカニズムであることを明らかにした。
さらに、⽥中⽒は最近、周波数 60 THz のテラヘルツ光をグラフェンに照射することにより、図３に⽰すような９次までの⾼次⾼調波発⽣に成功した[５]。これは、反転対称性を有する単⼀原⼦層物質における世界で初めての⾼次⾼調波発⽣である。⽥中⽒は⾼次⾼調波が有する特異な楕円偏光励起依存性が、光との相互作⽤を取り⼊れてからバンド計算を⾏うという新しい⽅510とを⽰し、グラフェン炭素間の結合の異⽅性が⾼次⾼調波の特異な楕円偏光励起依存性を⽣み出すことを明らかにした。
⽥中⽒の⼀連の研究は、固体におけるテラヘルツ極端⾮線形光学の研究の発端として認識されるべきものであり、その功績は多⼤であり、世界を先導してきた⽥中⽒の業績は、仁科記念賞の授賞に値する。

Intensity (arb. units)

式の理論によって再現できるこ

4101351072109110010-1100

12Photon Energy (eV)3

図３. グラフェンの⾼次⾼調波スペクトル。1 は励起光のスペクトルを表す。[論⽂５より]
参考⽂献：
1. "Single-cycle terahertz pulses with amplitudes exceeding 1 MV/cm generated by

2.

3.

4.
5.

optical rectification in LiNbO3", H. Hirori, A. Doi, F. Blanchard, and K. Tanaka, Appl.
Phys. Lett. 98, 091106 (2011).
"Extraordinary Carrier Multiplication Gated by a Picosecond Electric Field Pulse",
H. Hirori, K. Shinokita, M.Shirai, S.Tani, Y. Kadoya, and K. Tanaka, NatureCommunications 2, 594 (2011).
"Nonlinear magnetization dynamics of antiferromagnetic spin resonance induced
by intense terahertz magnetic field", Y. Mukai, H. Hirori, T. Yamamoto, H.
Kageyama and K. Tanaka, New J. Phys. 18 013045 (2016).
"Ultrafast Carrier Dynamics Under High Electric Field in Graphene", S. Tani, F.
Blanchard, and K. Tanaka Phys. Rev. Lett. 109, 166603 (2012).
"High-harmonic generation in graphene enhanced by elliptically polarized lightexcitation", N. Yoshikawa, T. Tamaya, and K. Tanaka, Science 356, 736-738(2017).