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

Division of Condensed Matter Science
Division of Condensed Matter Theory

東京大学物性研究所

Division of Nanoscale Science
Functional Materials Group
Quantum Materials Group
Materials Design and Characterization Laboratory
Neutron Science Laboratory
International MegaGauss Science Laboratory
Center of Computational Materials Science
Laser and Synchrotron Research Center

Materials Science─ its Scope and Development

物性科学：その対象と発展

自然界に存在する物質は百種類ほどの元素のさまざまな組合せでできており、それぞれが固有の性質（物性）を示します。
たとえば電気伝導という物性に着目すると、物質を絶縁体、半導体、金属、超伝導体に分類することができますが、同じ物質であっても物理環境（温度、圧力、磁場など）によって絶縁体から金属に変化したり、金属から超伝導体になったりすることも珍しくありません。物性科学という学問は、そのような多彩な物質の性質を物理学（特に量子力学と統計力学）や化学の基本原理から解き明かし、統一的物質観の構築を目指す営みです。
物性科学はまた、半導体デバイスや磁気デバイス、光通信など、現代社会を支える先端技術の基盤となる学問です。
物性科学の研究対象は、伝統的な固体結晶から、アモルファス ( 非晶質 ) 物質、ゲルや液晶などのいわゆるソフトマター、あるいは人工超格子やナノ系など人為的に設計・作製される系へと広がって来ました。
物性測定の面でも、超強磁場、超低温、超高圧など未踏の極限環境の追求や、レーザー、放射光 、中性子など量子ビームプローブの巧みな活用など最先端の実験技術が開拓され、研究の最前線を形成しています。また、複雑な現象の物理的本質を捉える
モデルや理論の構築とともに、高性能スーパーコンピューターを用いた大規模数値計算による研究も近年とみに重要性を増しています。

Materials occurring in nature are composedof various combinations of a hundred-or-so
elements, and each one of them exhibits its
own characteristic properties. Take electricalconduction, for instance, materials can beclassified into insulators, semiconductors,
metals and superconductors.
There are numerous cases in which a particularmaterial changes from an insulator to a metal, or froma metal to a superconductor depending on the physicalconditions (temperature, pressure, magnetic field, etc.).
Materials science seeks to elucidate the rich variety of materials'
properties from the basic principles of physics (quantum mechanics
and statistical mechanics, in particular) and chemistry, and aims
at understanding the materials world in full perspective. Materials science also
forms the basis of state-of-the-art technologies such as semiconductor devices, magnetic devices,
optical communication, which supports the modern high-tech society.
Over the years, the scope of materials science has been expanded from conventional crystalline solids to amorphous materials,
so-called soft matters such as gels and liquid crystals, and artificially fabricated systems such as superlattices and nano-scale
systems. Pursuit of unexplored extreme conditions such as ultrahigh magnetic field, ultralow temperature and very high pressure andsophisticated utilization of quantum beam probes such as laser, synchrotron radiation light and neutron beam are at the forefront ofdevelopment of experimental techniques. In recent years, large scale numerical computations using high performancesupercomputers are gaining importance, as an approach complementary to development of models andtheories that grasp the physical essence of complex phenomena.

2History of the ISSP
■物性研究所の歴史
1960

1960

●共同利用研究所として発足

1957● Establishment of the ISSP
as a collaborative research
institute●軌道放射物性研究施設設置

1975● Foundation of Synchrotron
Radiation Laboratory●研究部門改組、
22 部門から1980● Reorganization of the institute● Start of the “Physics in Extreme Conditions” project
which includes Ultra-High Magnetic Fields, Laser Physics,
Surface Science, Ultra-Low Temperatures, and Very High Pressures●第一回 ISSP 国際シンポジウム

1989● The first ISSP International Symposium●中性子散乱研究施設の新設

1993● Foundation of Neutron Scattering Laboratory●柏移転へ向けての研究部門改組

1996● Reorganization of the institute to prepare for the movement
to the Kashiwa new campus● Foundation of Materials Design and Characterization Laboratory●柏キャンパスへ移転

2000● Relocation to the Kashiwa new campus●国立大学法人化

2004● Start of the “National University Corporation”●国際超強磁場科学研究施設の新設

2006● Foundation of Internarional MegaGauss Science Laboratory●共同利用・共同研究拠点として認可

2010● Start as a joint-usage/joint-research organization●計算物質科学研究センターの新設

2011● Foundation of Center of Computational Materials Science●極限コヒーレント光科学研究センターの発足

2012● Establishment of Laser and Synchrotron Research Center●研究部門の改組

2016

5 大部門へ●極限物性プロジェクト（超強磁場、極限レーザー、表面物性、

超低温物性、超高圧）の発足

1982●物質設計評価施設の新設●横断型研究グループ（機能物性、量子物質）の創設

Research Strategy
Office

協議会
ISSP Advisory
Committee

所員会
（教授会）
Faculty

人事選考
協議会
Selection
Committee

附属研究施設
Research
Facilities

Quantum Materials Group

研究戦略室

量子物質研究グループ

Research
Divisions

Functional Materials Group■組織・運営

研究部門

機能物性研究グループ

Organization● Reorganization of the institute● Foundation of interdisciplinary groups(Functional Materials Group and Quantum Materials Group)

凝縮系物性研究部門 Division of Condensed Matter Science
物性理論研究部門 Division of Condensed Matter Theory
ナノスケール物性研究部門 Division of Nanoscale Science
物質設計評価施設 Materials Design and Characterization Laboratory
中性子科学研究施設 Neutron Science Laboratory
国際超強磁場科学研究施設

Internarional MegaGauss
Science Laboratory

計算物質科学研究センター

Center of Computational
Materials Science

極限コヒーレント光科学研究センター

Laser and Synchrotron
Research Center

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

副所長
Vice
Director

共同利用施設専門委員会
Advisory Committee
for Joint Research

低温液化室 Cryogenic Service Laboratory

国際交流室 International Liaison Office

共通施設

工作室 Machine Shop

情報技術室 Information Technology Office

Supporting
Facilities

放射線管理室 Radiation Safety Laboratory

広報室 Public Relations Office

図書室 Library
事務部
Administrative
Office3

Research Divisions

Quantum Materials Group■量子物質研究グループ

分野融合による新しい量子物質とその機能の創出
物性物理はこれまで新しい物質、新しい現象、新しい概念の発見によって、大きく発展してきました。
物性研究所で活発に研究されてきた強相関電子系
は、その顕著な例です。一方、研究のブレークスルー
は多くの場合、分野の融合によることが多いのも事実です。そのような視点のもとに、当グループにおいては量子物質研究のさらなる飛躍を目指して、理論と実験の緊密な連携を核とし、従来の研究部門の垣根を超えた共同研究を推進しています。
当グループは 3 つのコアグループと 9 つの連携グループからなり、互いに強く連携しながら、強相関電子系の新しい量子相や新しい機能性材料の発見を目指した研究を進めています。実験的には、バルクや薄膜の試料を作成し、その精密物性測定、スピン
トロニクス機能の開拓を行っています。これらは、理論手法の開発を通じて新しいトポロジカルな量子相の開拓を行う理論チームと強く協力をして進めています。
Interdisciplinary research to discover novel quantum
materials and their functions
Discovery of new materials, new phenomena, and newconcepts has progressed condensed matter physics. A
good example can be found in the history of research instrongly correlated electron systems, one of the major fields
studied at ISSP. On the other hand, breakthroughs havebeen often made at an intersection of various different
research fields. To facilitate another leap forward in our
activity, the quantum materials group has promoted
interdisciplinary studies based on the collaboration between
the experimental and theoretical groups beyond theconventional research disciplines.
The quantum materials group currently consists of threecore groups and nine joint groups. All these groups
vigorously conduct collaborative research to discover novel
quantum phases and functional materials in correlated
electron and spin systems. The activities include newmaterials synthesis in bulk and thin film forms and theircharacterization through state-of-art measurement systems.
Device fabrication is also made for spintronics applications.
These experiments are being conducted through lively
discussions and tight collaboration with theory groups,
which search for novel topological phases by using new
theoretical approach and numerical methods.

4反強磁性体 Mn3Snにおける室温巨大異常ホール効果。a, 強磁性体（左図）と反強磁性体 Mn 3 Sn（右図）における異常ホール効果。b, Mn 3Sn のカゴメ格子上の反強磁性構造。c , Mn 3Sn における室温でのホール抵抗率の磁場依存性。

Large Anomalous Hall Effect in the noncollinear antiferromagnet Mn3Sn at room temperature. a,
Anomalous Hall effect in ferromagnets (left) and in noncollinear antiferromagnets (right) b, Crystal
and spin structure of Mn3Sn. c, Magnetic field dependence on the Hall resistivity in Mn3Sn atroom temperature.

(a) 特徴的なナノ構造を有する新物質・材料

薄膜 (b) 外部から MgO 誘電層に電界をかけながら行われた薄膜デバイスにおける X 線

磁気円二色性分光の結果。次世代不揮発性メモリの駆動技術として重要な磁性金属薄膜における電気磁気効果の起源を解明。

(a) A novel multilayer with characteristic
nano-structure. (b) Results of X-ray
magnetic circular dichroism spectroscopy
conducted under electric-field application.
The origin for the voltage-controlled
magnetic anisotropy, which is importantfor non-volatile random access memory,has been revealed by the atomicallycontrolled device and X-ray spectroscopy.

キタエフスピン液体の候補物質として新たに提案した金属有機構造体。

A Metal-Org anic Framework
proposed as a new candidate
material for the Kitaev Spin
Liquid.

研究部門

Functional Materials Group■機能物性研究グループ

光で様々な機能を発現する微生物型ロドプシン（上）、ロドプシンのカラーバリエーション（中央）、バクテリ
オロドプシンの発色団レチナール結合部位（左下）、レチナールの光異性化（右下）。

Microbial rhodopsins (top), color-variation of
purified rhodopsins (middle), retinal binding pocketof bacteriorhodopsin (lower-left), photo-isomerization of retinal (lower-right).

機能物性の基礎科学
科学技術や産業の発展は、新しく興味深い機能物
性研究題材を生み出しています。機能物性の基礎研究を行うには、基底状態・平衡状態の静的電子物性にとどまらず、励起状態・非平衡状態、さらには化学反応や生体系にいたる動的な性質という難題に取りプロトン―電子カップリング界面によ組む必要があります。そのため、分野横断の約 10 研

り機能を発現する有機ヘテロ二層膜。

究室が連携する機能物性研究グループが発足しましOrganic hetero-double-layer withfunctional proton-electron coupledinterface.

た (2016 年 10 月 )。例えば、タンパク質・脂質膜のようなバイオ系、マルチスケール・階層的複合構造をもつ物質系、光・電気・化学エネルギーにより駆動されたアクティブ系など、新しい機能物質系を開拓します。
また、非平衡や励起状態の時間分解分光、ナノスケー
ルの空間分解分析・分光、動作・反応中のオペランド計測などの実験手法を開発・実践します。さらに計算機科学やデータ科学をふくむ新しい非平衡・励起・タンパク質の自己集合による生体膜の構造形成。( 左から順に ) ストライプ構造、
チューブ形成、ネットワーク構造、出芽。

Structure formation of biomembranes induced by protein self-assembly.
(left to right) Stripe assembly, tubulation, network formation, and budding.

ホタル生物発光酵素ルシフェラーゼと発光分子。ミュータント酵素で発光色が変化する。

Enzyme and luminescent molecule in fireflybioluminescence. Mutation changes bioluminescence color.

動的状態の理論的手法の開発・実践を行います。
Basic science in functional mateirals
New interesting materials functions emerge everyday
thanks to the developments in science, technology, industry,and society. To investigate fundamental science of materials
functions, we must deal with non-equilibrium or/and excitedstate dynamics of complex materials systems, which aremuch more difficult than the well-established equilibrium
ground-state physics and chemistry. The Functional Materials
Group, which consists of about 10 faculty members and theirlab members, is one of the two new trans-divisional andinterdisciplinary research groups in ISSP started in October
2016. They deal with systems with hierarchical andinhomogeneous structures, including chemical reactions anddynamical processes in biological systems. They develop anduse time-resolved, nano-scale local-probe, and operando
spectroscopy, and other new methods for measurement,
and first-principles calculations and data/computer science
methods for theoretical analysis. The Functional Materials
Group is an open platform for challenging collaborations.

ルベアン酸銅水和物のプロトン伝導。水を内包したナノ多孔性錯体は室温における高性能

プロトン伝導体として利用される。

Proton conduction in copper rubeanate
hydrate. Nano porous complexes containing
water molecules are utilized as high-performance proton conductors at room temperature.

5

Research Divisions

Division of Condensed Matter Science■凝縮系物性研究部門

新物質と新現象
酸化物高温超伝導体、有機伝導体、フラー

超高圧下角度分解 NMR 測定プローブ。
Angle resolved high pressure NMR probe.

レン、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの例に見られるように、「新物質」の発見はこれまでに何度となく物質科学の新しい局面を開いてきました。また、物質系を超低温、超高圧、強磁場など、「極限環境下」に置くと、通常の状態とは全く異なる性質を示す様になります。新奇な物質や物性現象の発見はまた将来の新しい素材やデバイスの開発にもつながります。凝縮系物性研究部門では、遷移金属酸化物、重い電子系物質、有機伝導体など強い電子相関を示し、トポロジー、
多極子、分子自由度など新たな自由度が加わった物質における多彩な現象の解明を主
要なテーマの１つとしています。多様な物質
合成や原子層やナノ構造体の作製、構造解析、常温常圧ばかりでなく、極低温、超高圧、強磁場下における輸送測定、精密磁化、熱測定、核磁気共鳴など、高度な実験技術を駆使した研究が進められています。
New materials and new phenomena
Discoveries of new materials have often opened
ne w horizons in materials science. Hightemperature oxide superconductors, carbon
clusters, nanotubes, graphene, and organic
conductors are good examples. Materials under
extreme conditions such as low temperatures, highpressure, and high magnetic field demonstrateunusual electronic states. New materials and new
phenomena also lead to the future development of
new devices and technologies. One of the subjectsof our current intensive research is the effects ofstrong electronic correlation, in particular, novel
phenomena related to topological, multipoles,
molecular degrees of freedoms in transition metaloxides, heavy electron systems, and organic
conductors. Here, various advanced experimental
techniques are employed, such as materials
syntheses, device fabrication, and transport,
magnetic and calorimetric measurements. The
goal of the Division is to uncover novel phenomenathat lead to new concepts of matter, throughcombined efforts of search, synthesis andcharacterization of new materials.

6

有機超伝導体κ（BEDT-TTF）
2 Cu
（NCS）
2
の定電流電解結晶育成とその単結晶。
Electrocrystallization and single
crystals of organic superconductorκ-(BEDT-TTF) 2 Cu (NCS) 2 .

ディラック電子系 α-(BEDT－TTF) 2 I 3 のヘリカ
ルな表面状態と層間磁気抵抗。
Helical surface state in the n = 0 QH statein the Dirac multilayer and interlayer
m a g n e t o r e si s t an c e s c ale d b y c r o s ssectional area of two samples.

物性研で作製されたスピンアイス化合物 Dy2Ti 2 O 7 の磁化の角度変化。
Angular dependence of the magnetization of thespin-ice compound Dy2Ti2O7 grown at ISSP.

研究部門

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

物質の性質の基本原理にもとづくミクロなレベ
ルからの理解さまざまな性質をしめす物質も、その構造の内部に入り原子レベルまで分け入って考えると量子力学という普遍的な物理法則によって支配されていまAl 薄膜と低速入射イオンの摩擦係数の第一原理計算

は殻構造を反映した振動を含めて実験をよく再現する。
First-principles calculations of the friction coefficient
between a thin aluminum film and low-energy
incident ions reproduce experimental results very
well, including the oscillatory behavior reflecting theionic shell structures.

す。単純な物理法則から多様な現象が生じる鍵は
2310 個という天文学的な数の基本粒子がお互いに相互作用をしていることにあります。物性理論の研究
者は各人のアイディアに導かれて、理論的枠組み
やモデルを構成し、その性質を研究することによってこれまで未知と考えられてきた現象の理解と新しい現象の予言が可能となることを目指しています。

1 次元ボース凝縮体の理論研究を遂行するに当たっては、数理物理学やの密度の反射。

場の量子論などの解析的手法や、密度汎関数理論

Neg ative density
reflection in Y-junctionof one-dimensional
Bose condensates.

に基づく第一原理計算や量子モンテカルロシミュ
レーションなどの計算物理的手法などが駆使され

Y 字型接合における負ています。
Microscopic understanding of the nature of matter fromthe fundamental laws of physics
The microscopic basis for understanding the diversity ofproperties of matter is the law of quantum mechanics,
which is the fundamental law of physics governing the
motion of electrons and nuclei. The key aspect producing
the remarkable complexity from this simple law of physics
is the effect of the interaction among an astronomical
23
number of particles on the order of 10 . To understandnovel phenomena, a condenced-matter theorist formulatesa theoretical model for an interacting many-body systemthat captures the essential physics of the problem. To
conduct a theoretical study on such a model, various
approaches developed in theoretical physics are
employed: the analytic methods of mathematical physics,
field-theoretic methods, and numerical methods including
first-principles calculations based on density functional
theory and quantum Monte Carlo simulations.

磁場 φ の下における 2 次元六角格子上の電子のエネルギー E と量子ホール係数 σxy 。
Energy spectrum and the Hall
conductance of electrons on ahoneycomb lat tice under amagnetic field.

環境と結合した量子二重井戸系のモンテカルロ

法による相図。

Phase diagram of quantum dissipative
double-well systems obtained by Monte Carlocalculation.

時間依存密度行列繰り込み群を用いて計算した量子ドットを介して流れる非平衡定常状態の電流。

Current through a quantum dot calculated by thetime-dependent density matrix renormalizationgroup method.

白金電極上の水の構造と相互作用する非調和振動子の相転移。原点での振動子の占有率ｎ0 の温度（T/t) ポテンシャルエネル

ギー（ε/t）依存性。

Phase transition of interacting
anhar monic oscillator s.
Temperature (T/t) and potential
energy ε( /t) dependences of the

分布関数：第一原理分子

動力学計算。

Structure and distributionfunction of water on a Pt
electrode : first-principles
mole cular dy namic ssimulation.

occupation (n 0 ) of the oscillator.

7

Research Divisions

研究部門

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

チタン酸ストロンチウム薄膜内に自己組織的に析出させたイリジウム金属のナノピラー構造。界面での特異な性質を生かし、水分解光電極として応用が期待される。

Nanoscale iridium pillar spontaneously phaseseparated from a SrTiO 3 matrix, which can be used
as an electrode for photoelectrochemical watersplitting reaction.

ナノスケール人工物質・表面・界面の物性
構成元素の配列を高度に制御した人工低次元系、
ナノメートルの周期で規則正しく配列した自己組織
化構造、原子レベルで規定された様々な固体表面・界面構造などでは、ナノ特有の電気的・磁気的性
質や化学反応性が現れます。最新の薄膜生成技術、
微細加工技術、超精密計測技術、顕微鏡技術などを駆使し、緻密に制御された物質を創成し特異な物性を探索するとともに、その起源をミクロに解明することを目標として研究を推進しています。さらに、そのために必要となる新しい実験手法の開発や観測された物性を応用するための素子作製技術

強磁性窒化鉄原子層のＳＴＭ像。
鉄原子が明るくみえている。

STM image of an iron-nitride
atomic layer. Bright dots are ironatoms.

超伝導体ニオブとの近接効果により超伝導状態にして測定した希薄磁性半導体インジウム鉄ひ素の電流電圧特性。

Current-Voltage characteristics of superconductivity in adiluted magnetic semiconductor indium-iron-arsenide
induced by the proximity effect from niobium.

階段状基板上の単原子層グラフェの開発も行っています。
Nanoscale materials, surfaces, and interfaces
In atomically well-controlled artificial low-dimensional
systems, self-organized nanoscale structures, andatomically well-defined surfaces/interfaces, novel
electronic, magnetic, and chemical properties instrinsic to
the nano-size emerge. Using advanced thin-film growthmethods, micro fabrication techniques, ultimately precise
measurement technologies, and microscopic techniques,
we have studied these nano systems to explore the uniqueproperties and elucidate the mechanisms in a microscopic
manner. We have also developed new experimental
techniques suitable for these studies and device
fabrication methods aiming for the application of newly
found properties.

ンのＳＴＭ像

STM image of graphene on a
step-and-terrace substrate.
液体金属４端子法による単分子層有機 FET の無侵襲伝導測定
走査トンネル顕微鏡による超伝導近接効果の実空間観察

スピンポンピング法を用いた
Cu/Bi2O3 界面におけるスピン流 - 電流変換の観測

Obser vation of spin-tocharge current conversion at
C u /Bi 2 O 3 in t e r f a c e b ymeans of spin pumping.

8

Real-space obser vation of theproximity effect of superconductivity
by scanning tunneling microscopy.

Non-invasive liquid-metal four
probe transport measurementof an organic monolayer FET.

Research Facilities

附属研究施設Materials Design and Characterization Laboratory■物質設計評価施設

物性物理学をリードする物質合成・超高圧物性

3 次元 2 重 XY モデル（２つの XY モデルを双二次研究とスーパーコンピュータによる仮想物性実験

流れ図。２つの XY モデルの間の相互作用（λ）が相互作用で結合させたモデル）の数値くり込み群の有限のとき、くり込みの流れは独立 XY 固定点から系

物質設計評価施設では、
物質の「設計（Design）」、

統的に遠ざかり、一次相転移が確かめられている領「合成（Synthesis）」、合成された物質を総合的に域（λ= － 2）に至る。このことは常磁性相から秩序相への相転移が一次転移となることを意味する。

調べる「評価（Characterization）」の３つの研究を

A flow diagram of the 3D double-XY modelobtained by numerical simulation. The flow starting
around the decoupled XY fixed point (indicated bya large filled circle) systematically deviates from it,
evolving toward the region where a clear first ordersignature has been obtained (λ=-2). No separatrix
is found and it strongly suggests that the transitionis always of the first order for this model.

有機的に連携させる（DSC サイクル）ことにより、新しい物性・機能を持つ物質の開発を目指しています。さらに、15 万気圧を越える超高圧下における極限環境物性の開拓を行っています。物質設計部では、最先端の物性研究専用スーパーコン
ピュータを駆使して、原子間の相互作用によって生み出される様々な協力現象を解明しつつ新物質の設計を行います。物質合成・評価部では物質のMDCL において発見されたパイロクロア酸
化物超伝導体 AOs 2O 6 (A = Cs, Rb, K)。

Pyrochlore oxide superconductors foundin the MDCL.

合成、単結晶育成およびその組成分析や結晶構
造解析 を行うとともに、新しく開拓された物質群の電気的・磁気的・光学的性質の総合評価を行っています。さらに、超高圧物性測定技術の開発と磁場・低温を組み合わせた多重環境下での物性探索に力を入れています。また、施設の機器は全国の研究者も利用できるよう維持・運営されています。
Materials synthesis, high-pressure measurements andvirtual experiments using a supercomputer for solidstate physics
The aim of the Materials Design and Characterization
Laboratory (MDCL) is to promote materials science withthe emphasis on the DSC cycle, where DSC represents
the three processes involved in developing newmaterials; design, synthesis, and characterization. A
modern supercomputer is used to reveal novel
mechanisms behind various cooperative phenomena incondensed matter and to pursue theoretical design of
new materials as well as materials with novel nanoscale
structures. Various types of new materials aresynthesized and single crystals are grown for physicalmeasurements. The structural, electromagnetic, andoptical properties of the materials are characterized invarious ways. The results are immediately feedback tothe synthesis and design of materials. Moreover, novel
phenomena that have never been observed at normal
conditions are explored under extreme conditions,especially at high pressures up to 15 GPa. Almost all thefacilities of the MDCL are open to domestic scientists
through the User Program conducted by the Steering
Committee of the MDCL.

キュービックアンビル圧力発生装置。12 万気

圧以上の超高圧を低温強磁場と組み合わせた多重極限環境下での物性測定を行う事が出来る。

Cubic anvil high-pressure apparatus. Cryostat
for experiment under multiple extreme
conditions of low temperature, high magnetic
field, and high pressure.

細管を流れる赤血球型ベシクルのシミュレーション。
流速と密度によって異なる性格のダイナミクスが見られる。上図：低密度、低速
下図：高密度中図：低密度、高速

Simulation of red blood cells in capillary flow. We
observe different dynamics for different flow rateand density of the cells. Upper: low density, small
flow rate Middle: low density, high flow rate
Bottom: high density

スーパーコンピュータ システム B SGI ICE XA/UV ハイブリットシステム
Supercomputer System B SGI ICE XA/UV hybrid system

9Research Facilities

Neutron Science Laboratory■中性子科学研究施設

物質の構造と運動を調べる中性子散乱
物質を構成する最小基本粒子である中性子は、透過力に優れ、微小磁石（スピン）の性質を持つ
ので、原子の中心にある原子核やその周りにある電子のつくる磁場（磁気モーメント）と力を及ぼし合います。この性質を利用して多数の中性子を物質に当て、その散乱の仕方（方向・スピード・スピンの向きの変化）を測り、物質内での原子や磁気モーメントの配列や運動の様子を知る実験方法を「中性子散乱」と言います。この方法により物質の性日本原子力研究開発機構所有

質や機能が、原子・分子の配列や運動状態とどの

研究用原子炉 JRR-3。

ように関わっているかを解明することができるため、

Research Reactor, JRR-3, atJapan Atomic Energy Agency(JAEA)

物性物理のみならず、化学・高分子科学・生物学・材料科学などの広い分野で研究に応用されていま

J-PARC 物質・生命科学研究す。当施設では、定常中性子源（研究用原子炉

施 設 に設 置され た 高 エネ ル

ギーチョッパー (HRC) 分光器。
High Resolution Chopper(HRC) spectrometer installed
at J-PARC/MLF.

実験装置を設置して中性子散乱の全国共同利用を進めるとともに、米国オークリッジ国立研に設置さ中性子小角散乱によるナノコンポジットゲル

れた実験装置の共同運営も行っています。これらの変形機構の研究。図は応力－延伸比曲線と対応する 2 次元中性子散乱パターン。水実験装置を全国の研究者とともに駆使することによ

分率が 90％にもおよぶゲルにもかかわらず、り、ハードマター・ソフトマター・ガラス等の物性

10 倍以上の延伸が可能。その秘密は厚み

1nm 直径 30nm の板状粘土鉱物と高分子解明を行っています。

の架橋構造にある。

Small-angle neutron-scattering study on
deformation mechanism for nanocomposite polymer gels. Stress vs stretchingratio plot with two-dimensional scattering
patterns. Although the water content ismore than 90%, the gel can be stretched
to more than 10 times its original length
owing to network structure of polymer
chains and clay platelets of 1 nm thickness and 30 nm diameter.

パルス冷中性子分光器 (AGNES) によるルベアン酸

銅水和物のプロトン伝導の研究。準弾性散乱スペク

トル（左下）から拡散係数（右上）を計算し、プロ
トン伝導モデル（左上）との比較を行う。

Study on proton conductivity of copper rubeanate
hydrates using a pulse cold-neutron spectrometer(AGNES, JRR-3). The diffusion coefficients (upper
right) were calculated from the quasielastic
spectra (lower left) and compared with the modelof proton conduction (upper left).

高エネルギーチョッパー分光器で測定された

マルチフェロイック物質 NdFe 3 (BO 3 )4 の中性子スペクトル。

10

JRR-3、日本原子力研究開発機構、JAEA）とパルス中性子源 ( 大強度陽子加速器施設、J-PARC) に

Neutron spectra of NdFe 3 (BO 3) 4 measured
by High Resolution Chopper spectrometer.

Neutron scattering - a unique tool to study the structureand dynamics of matter
Neutron is one of ingredients which form nuclei or atoms.
It can penetrate deep inside of materials and interact witha nucleus or magnetic fields created by electrons whichsurround the nucleus. To utilize such neutron properties,
crystal and magnetic structures in the materials areinvestigated by neutrons, and this method is called"Neutron Scattering". The Neutron Science Laboratory(NSL) provides General User Program for Neutron
Scattering in Tokai area. Furthermore, we cooperate aneutron instrument installed in Oak Ridge National
Laboratory in the United States. Major research areas
include solid state physics (strongly correlated electron
systems, high-Tc superconductors, heavy fermion
systems, low dimensional magnetism, high-pressure
physics etc.), fundamental physics and neutron beam
optics, polymer, chemistry, biology, and materials
sciences.

附属研究施設

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

世界最強のマグネットによる物質極限機能の解明
強磁場を半導体、磁性体、新奇な金属、超伝導物質などに適用し、極限状態における電子状態を調べています。また、より強い磁場発生の為のマグ
ネット開発も行っています。非破壊型長時間パルス
マグネットでは、電気伝導、光学、磁化測定などの精密な物性計測に用いられるだけでなく、高圧、
低温環境と組み合わせた実験にも使用されます。
これらは、強い磁場を必要とする国内外の多くの物性研究者に利用されています。世界最大の直流発電機 (210 メガジュール ) によって駆動されるロング
パルスマグネットとして 100 テスラ磁場発生へ向けた研究開発も進めています。また、電磁濃縮法、
および、一巻きコイル法による破壊的手法にて 100
テスラ以上の超強磁場発生とそれを用いた物性研究をおこなっています。
Investigation of extreme material functions using theworld’s strongest magnets
Strong pulse magnets are being developed, and theelectronic states in semiconductors, magnetic materials,
novel metals, and superconducting materials are understudy in extreme physical conditions. The measuring
techniques by use of the non-destructive and long-pulse
magnets are available for electric transport, optical, andmagnetization measurements at low temperatures and/or
high pressures. The facilities are offered for use by not
only domestic users but also those from overseas. It isplanned to establish long pulse magnets energized by theworld’s largest 210 MJ-DC flywheel generator to explore
the 100 T regime. Magnetic fields above 100 T areachieved by destructive electro-magnetic flux compression
and the single-turn coil techniques, and are used forresearch in solid-state physics.

爆破保護室内に設置された「電磁濃縮法」による超強磁場発生装置。
An ultra high-magnetic-field generation system using the electromagnetic flux
compression method has been installed at ISSP inside protection housing.

非破壊長時間パルスマグネットと磁場波形。
The non-destructive long-pulse magnet
with the waveform of a magnetic field.

電磁濃縮超強磁場発生に用いる銅内張主コイルと初期磁場発生コイル（両側）。
1000 テスラ級の磁場が発生可能。

The copper-lined primary coil and apair of seed field coil used for theelectromagnetic flux compression,
capable of generating 1000 Tesla.

世界最大の直流電源 ; 回転蓄積エネル

ギー 210MJ のフライホイール発電機。

The world’s largest DC electric power
generator; a flywheel generator capable
210 MJ stored by a rotation energy.

ロングパルスマグネットによる磁場波形。
Waveform of the Long Pulsed Magnetic Field.

11

Research Facilities

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

超並列計算で切り拓く新しい物質科学
物質科学の目的は、本来的に非常に多数の構成要素からなる物理系の性質を解き明かすことにあります。そのような問題に対する完全な解答を人間の頭脳だけで導くことは不可能であり、近年、大規模数値計算によるアプローチが盛んになったのは当然のことといえます。コンピュータを利用した精密な物性予測によって、物性物理学の基礎的な問題から、産業応用に結びつく応用問題に至るまで、広「京コンピュータ」（理化学研究所計算科学研究機構，神戸）

い範囲で重要な成果が挙がっています。
一方で、
近年のハー

"K-computer" (AICS/RIKEN, Kobe)

ドウェア開発のトレンドは並列化（＝演算器の多数化）であり、多くのコアにいかに効果的に計算を分業させるかが計算物質科学の挑戦的課題となっています。本センターは、「京」コンピュータや、物性研究所共同利用スパコンを始めとする様々な計算資源を活用し、この課題に組織的に取り組 むと同 時 に、ソフトウェア 普 及 の た め の サ イト
MateriApps の運営などのコミュニティ支援活動を行っています。また、本センターは、ポスト京プロジェクト重点課
題７の事務局機能を果たしているほか、ポスト京プロジェ
クト萌芽的課題１、計算物質科学人材育成コンソーシアム、元素戦略＜研究拠点形成型＞など多くの計算科学関連プ
物性研究所計算物質科学研究センターのスタッフ

ロジェクトに参画し、これらを推進しています。

Staff members of CCMS

MateriApps のウェブサイト
The website "MateriApps"

12

Exploring new frontiers in materials science with massively
parallel computing
The goal of the materials science is to understand and predict
properties of complicated physical systems with a vast number ofdegrees of freedom. Since such problems cannot be solved withhuman brains only, it is quite natural to use computers in materials
science. In fact, computer-aided science has been providing
answers to many problems ranging from the most fundamental
ones to the ones with direct industrial applications. In the recent
trends of the hardware developments, however, the growth ofcomputer power is mainly due to the growth in the number of theunits. This fact thrusts a very challenging problem before us --- how
can we parallelize computing tasks? In order to solve this problem
in an organized way, we coordinate the use of the computational
resources available to our community. In addition, we support
community members through various activities such asadministrating the website "MateriApps" for information on
application software in computational science. We are also acting
as the headquarters of the post-K computer project (priority area7), as well as participating other national projects such as thepost-K computer project (pioneering area 1), Professional
Development Consortium for Computational Materials Scientists,
and Energy Strategy Initiative.

附属研究施設

Laser and Synchrotron Research Center■極限コヒーレント光科学研究センター

Yb ファイバー光周波数コム

物性科学を先導する極限光

Optical frequency comb basedon an Yb-fiber laser

二十世紀初頭に量子力学や相対論を生み出す
きっかけを作ったのは光でした。現在ではレーザーや放射光により高度に制御された多彩な光の発生が可能になり、物性研究において活躍しています。
当センターでは、レーザーを用いて極限的な光を発生させる技術により、軟 X 線などの高エネルギー
光や超高速現象を捉えるためのアト秒（10 -18 秒）光を開発しています。また、SPring-8 では世界最高輝
アト秒軟 X 線発生に用いられる
高強度チタンサファイアレーザー

In t e n s e u l t r a s h o r t - p u l s e
Ti:sapphire laser for producing
attosecond soft-X-ray pulses度の放射光ビームラインを使用した軟 X 線科学を研究しています。これらの最先端光を用いて、各種の分光計測法を開発し、超伝導体、強相関系物質、
液体、生体物質、半導体ナノ構造、固体表面界面、
光誘起相転移物質などに適用し、幅広く物性研究を展開しています。

高強度チタンサファイアレーザー

オクテット・ラインノード構造を持つ鉄系超伝導体 KFe2As2におけるフェルミ面の超伝導ギャップの異方性と軌道成分

Superconducting-gap anisotropy and orbital contributionsof Fermi surfaces of iron-based superconductor KFe2As2
with octet-line node structureによるコヒーレント軟 X 線光源( 高次高調波 ) を用いた時間分解
光電子分光装置

Time-resolved photoemission
apparatus using coherent soft
x-ray pulses produced fromhigh-power Ti:sapphire laser
and its higher har monic
generation

Materials science using extreme light
Understanding the nature of light played an importantrole in establishing the theories of relativity and quantum
mechanics at the beginning of the 20th century. These
two theories have not only made modern physics but havealso been crucial to the development of modern opticaltechnologies such as synchrotron radiation and lasers. It is
now possible to produce extremely short bursts of laser
light with attosecond (10-18sec) time scales. The range ofavailable spectral windows of laser-based light sources has
also expanded significantly, and now ranges fromterahertz frequencies to soft X-rays. In SPring-8, we are
studying soft X-ray sciences using the most brilliant
synchrotron beamline. We are developing both extreme
light sources and various spectroscopic techniques to
explore wide ranges of novel materials and phenomena
including high-Tc superconductors, strongly correlatedmaterials, photo-induced phase transitions, biologicalmolecules, solid surfaces/interfaces, and semiconductor
nanostructures.
(c)

100 周期 T 型量子細線レーザー(a,b) と短パルス発生用電流注入
多セクション半導体レーザー (c)Nano-structures in a 100-period
T-shaped quantum-wire laser(a,b) and current-injection multisection semiconductor laser for
short-pulse generation (c).

13Research Facilities

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

長尺クロス型アンジュレー

タ：SPring-8 蓄積リングの長直線部に挿入されている。高輝度な軟 X 線放射光を発生すると共に、その偏光を自在に制御することができる。

Polarization-controlled soft
X-ray undulator installed in
30m long straight sectionof SPring-8.

高輝度放射光で物性を解明する
ほぼ光速で運動する電子は磁場によって運動方向を曲げられると高輝度な光を発生します。この光は放射光と呼ばれ、基礎科学から応用科学までの広い分野でこれまで利用されてきています。本施設は、世界最初の放射光専用リング（SOR-RING）を有し、わが国の放射光科学分野のパイオニアとしての役割を果たしてきました。現在は、我が国を代表する放射光施設 SPring-8（ス
プリングエイト）に世界最高性能の高輝度軟Ｘ線ビーム
ラインを設置して、最先端物質科学研究を行っていると共に、ビームライン実験設備を共同利用に供しています。

超高分解能軟Ｘ線発光分光装置。

固体・液体試料の測定ができる。

Ultrahigh energy resolution soft
X-ray emission spectrometerequipped with a manipulator forsolids and a flow-through cell for
liquid experiments.

Materials science using synchrotron radiation
Synchrotron Radiation Laboratory (SRL) was established in1975 as a research group dedicating to study solid statephysics using synchrotron radiation from SOR-RING, the first
dedicated light source for the material science in the world andwas operated. SRL holds and maintains a soft X-ray undulator
beamlines at the SPring-8. SRL has been studying materials
science using synchrotron radiation intensively. And thebeamline is fully opened to outside users for experiments.

Supporting Facilities■低温液化室 Cryogenic Service Laboratory
低温実験に必要な液体ヘリウムや液体窒素を供給すると共に、低温技術に関する開発とサービスを行っています。
Cryogenic Service Laboratory provides liquid helium and liquid
nigtrogen, as well as technical advices for low-temperatureexperiments.

用研究者のために、物性科学を中心とした資料を多数所蔵し、利用に供しています。
The ISSP library holds many documents concerning materials science
for researchers.

■国際交流室 International Liaison Office
外国人客員所員や研究員のサポート全般及び ISSP 国際シンポ■工作室 Machine Shop

ジウムの運営に関する業務を行っています。

研究用の特色ある装置や部品の制作、改良を行っており、独○ Support the ISSP visiting professorship program

創的な実験装置の開発に重要な役割を果たしています。

○ Provide necessary information for overseas researchers

The machine shop, where unique research instruments and devices are
made, plays an important role in developing innovative experimental
apparatus.

○ Assist the organization of the ISSP international symposium■情報技術室 Information Technology Office
所内 LAN、および、WWW サーバなどの各種サーバの管理運■放射線管理室 Radiation Safety Laboratory

用を行なっています。

放射性物質や X 線装置など放射線発生装置の取扱者の安全

The office operates the local area network in ISSP, WWW server, andother servers to support all ISSP users.

を確保すると共に、放射性試料作成や放射線測定にも利用されています。

■広報室 Public Relations Office

The lab is aimed to protect researchers from irradiation and provides
equipment for radiation experiments and radiochemical operations.

Web・出版物での情報発信や、一般講演会等の社会貢献とな■図書室 Library
14

共通施設

所内研究者の研究や大学院生の教育とともに、全国の共同利

るアウトリーチ活動を行っています。
The office offers information of our institute by webpage andpublications, and is also in charge of outreach activities.

Domestic Joint Research ■各種研究員制度■採択件数および採択人数

全国の物性科学研究者に対する共同利（共同利用の一般・物質合成・中性子・スーパーコ
ンピュータおよび留学研究員と嘱託研究員の合計）
Number of subjects and researchers adopted todomestic joint research■ 採択件数する制度で、6 か月を限度としています。

１．
一般研究員――― 所外研究者が本所をその他、物性研スーパーコンピュータシ

利用したい場合の制度で、申請研究計画等

ステムは、インターネットを通じ全国の研究■ 採択人数

subjectsに共同研究計画の遂行上必要な研究を嘱託

用・共同研究を促進するための制度です。

researchers

1400

1400

を検討のうえ決定します。

者の利用に供されています。

1200

1200

２．留学研究員――― 公的研究機関の若

1000

1000

800

800

600

600

400

400

200

200

The facilities of ISSP are open to domestic
researchers, who are encouraged to submit joint
research proposals. In addition, ISSP provides
opportunities for young scientists including
graduate students to research on exchange at
ISSP. ISSP supports travel and research expenses
for visitors.
The supercomputer system of ISSP is used via
internet by domestic researchers.

0

2013

2014

2015

2016

0

2017

い研究者に対し本所への留学の機会を提供する制度で、3 か月を超える長期留学研究員と、3 か月以下の短期留学研究員の 2 種類の制度があります。
３．嘱託研究員―――本所の研究計画並びInternational Activities ■国際交流
本所では、特徴ある設備を活用した国際共同研究や、国際シンポジ
ウム・国際ワークショップの開催など、物性研究の国際的拠点としても重要な役割を担っています。本所独自制度も含めた様々な外国人招聘制度などを利用した研究者も多数在籍し、また、1981 年以降、中性子散乱に関する日米協力事業の実施機関の役割も果たしています。

ISSP plays an important role as an international center of condensed
matter science, as the unique facilities have been used in many
international collaborations and international symposiums and workshops
are organized. Many foreign researchers have been staying at ISSP
supported by various fellowship programs, including ISSP’s own uniqueones. ISSP has also been coordinating the Japan-US cooperative research
program on neutron scattering since 1981.

Workshop ■短期研究会

Staff Members

物性研究上興味深い特定テーマについて、２〜３日程度集中的な討議を行うための制度です。全

■短期研究会（回数および参加者数）
ISSP Regular Workshop

教授 Professors

国の物性研究者からの申請に基づき、共同利用施

2500

設専門委員会によって採択が審議決定されます。

2000

ISSP holds domestic workshops on specific subjects ofcondensed matter science typically with a two to three-day
schedule. Proposals for workshops are submitted fromresearchers over the country and selected by the Advisory
Committee for Joint Research.

020

准教授 Associate Professors

15

1500

15

特任准教授 Project Associate Professors

1

1000

10

助教 Research Associates

38

500

5

特任助教 Project Research Associates

3

0

0

技術職員 Technical Associates302012 2013 2014 2015 2016 2017

■博士課程 Docter Course Students

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

2015

2016

2017

2018

複雑理工学 Complexity Sci.
and Eng.

物質系 Advanced Materials
物理工学 Appl.Phys.

12

合計 Total

124

Budget■予算

平成 29 年度予算額（単位：千円）
2017 Fiscal Year（Unit: Thousand Yen）

化学 Chemistry
物理学 Physics
2013

2014

2015

本所では、特色ある施設を利用し、物性科学に関連した大学院教育に力を注いでいます。教員は、研究分野に応じて、大学院理学系研究科物理学専攻、化学専攻、工学系研究科物理工学専攻、あるいは新領域創成科学研究科物質系専攻、複雑理工学専攻に属していますが、これらの従来の枠を越えた総合的視
野に立つ研究者の養成に力を入れています。例年、物性科学入門講座と大学院進学希望者のためのガイダンスを実施しています。

事務職員 Administrative Staff

平成 30 年 4 月 1 日現在■修士課程 Master Course Students

2014

25

特任教授 Project Professors

Education ■教育

2013

■教職員数

2016

2017

2018

ISSP contributes to the graduate
education in condensed matter science
using its unique facilities. The faculties
participate in the following departmentsof the graduate school of the Universityof Tokyo: Physics, Chemistry, Applied
Physics, Advanced Materials, andComplexity Science and Engineering.
However, students are encouraged todevelop their careers across theestablished disciplines. Introductorylectures on condensed matter scienceand a guided tour are held every year.

人件費（A）

1,124,758

物件費（B）

1,663,282

その他補助金（C）

20,030

寄附金（D）

18,808

受託研究・共同研究（E）

714,259

科学研究費（F）
合計 Total

424,530
3,965,667(A) Regular Budget (Personnel) (B) Regular Budget (NonPersonnel) (C) Other Subsidies from the Govermment(D) Grant-in-Aid from Private Corporations (E) Grant-in-Aid
from Governmental Agencies and Private Corporations(F) Grant-in-Aid from Ministry of Education, Culture, Sports,
Science and Technology, and Japan Society for the
Promotion of Science15

東京大学物性研究所
The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo〒 277-8581 千葉県柏市柏の葉 5-1-5
5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 277-8581
TEL:(04)7136-3207
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/

E●柏の葉キャンパス 駅西口（つくばエクスプレス）より□徒歩 約 25 分
□東武バス利用 約 10 分
〔西柏 03〕流山おおたかの森駅東口行、東大西行 →「東大前」下車〔西柏 04・西柏 10〕江戸川台駅東口行→「東大前」下車●柏駅西口（JR 常磐線、東京メトロ千代田線）より□東武バス利用 約 25 分
〔西柏 01〕国立がん研究センター行（県民プラザ経由）→「東大前」下車〔柏 44〕国立がん研究センター行（税関研修所経由）→「国立がん研究センター」下車●常磐自動車道柏 I.C.から車で約 5 分

Ａ棟：本館
Ｂ棟：低温・多重極限実験棟
Ｃ棟：ショートパルス強磁場実験棟
Ｄ棟：先端分光実験棟
E 棟：極限光科学実験棟
K棟：ロングパルス強磁場実験棟

附属極限コヒーレント光科学研究センター
軌道放射物性研究施設播磨分室（SPring-8 内）附属中性子科学研究施設

Harima Branch of Synchrotron Radiation Laboratory,
Laser and Synchrotron Research Center〒 319-1106 茨城県那珂郡東海村白方 106-1
106-1 Shirakata, Tokai, Ibaraki 319-1106
TEL: (029)287-8900〒 679-5198 兵庫県佐用郡佐用町光都 1-1-1
1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5198
TEL: (0791)58-0802 ext.4111

Neutron Science Laboratory

2018.6