2014

Annual Report
2014

Cryogenic Research Center
University of Tokyo

平成 26 年度 低温センター年報
東京大学低温センター

表紙「強磁場・磁気力場環境でのニワトリ卵白リゾチームの結晶成長観察結果」
磁気力を利用した疑似微小重力環境（強磁場・磁気力場環境; 水に対する実効
重力は 0.16G）および超伝導磁石を消磁し外部磁場をゼロにした環境（対照実験）でのタンパク質結晶成長の様子。結晶化開始から微結晶が確認されるまでの時間はそれぞれの条件で 10 時間、7 時間であり、強磁場・磁気力場環境では
自然対流の抑制効果により結晶生成が遅れることが示唆された。磁気力場環境のこのような特徴から、単結晶が生成されやすくなり、結晶の大型化や品質向上へと繋がっていると考えられる。
（農学生命科学研究科 食品生物構造学研究室より提供。詳細は共同利用研究室
研究実績報告 P60「磁気力場を用いた高品質タンパク質結晶の取得」に掲載。）

巻 頭 言低温センター長 樽茶 清悟
今年４月から本センター長に着任しました。どうぞよろしくお願いいたします。
ここ数年に渡る福山前センター長を中心とする技術職員、事務職員の皆さんのご尽力により、センターの主要業務（寒剤の供給、共同利用施設の維持管理、研究開発の推進）の維持と運営の体制がよく整備され、ユーザーの皆さんにも使いやすくなったことと思います。今後も寒剤の安定な供給と安全な取扱い、共同利用施設の使い易く安定な利用、そして低温科学の推進と学内横断的な研究交流の促進に努める所存です。これらの活動に関して平成 26 年度の主なニュースは以下の通りです。
今年度は液体ヘリウムの供給量は昨年度より 12%減少しました（平成 27 年度の前半は26 年度の前半より 13%増加）。この１年間、ガス回収、液化、液体窒素、ヘリウム容器の運搬などの業務は概ね順調でした。２月にヘリウム液化機と大型貯槽の間の移送管が閉塞するトラブルで４日間供給を休止しました。必要性の高い研究室には、外部から液体ヘリウムを購入、比較的低価格で提供するなどの緊急措置を行いました。ヘリウムガス回収配管拡張の提案が「学内共通部分に係る基幹環境整備事業」に採択され、それを受けて武田先端知ビル、工学部３号館、附属病院、薬学部南館と回収基幹配管の接続工事を行いました。前二者では、平成 27 年４月から使用を開始しています。
共同利用に関しては全７研究室が継続して実験室を使用しました。各研究室にご協力を頂いて、順次実験室の改修を行いました。装置に関しては PPMS、MPMS とも従来通り利用されていましたが、時間枠にまだ余裕があることから、利用を増やしたいと考えています。
今年度は研究開発部門に、島野教授、村川准教授、中村特任助教が着任し、低温科学の研究をより強力に進められるようになりました。実験室の整備にはもう少し時間がかかりそうですが、センター内外と共同研究の機会を広げたいと考えています。また、低温センター
研究交流会に加えて、利用者懇談会を開催し、スタンフォード大のオシェロフ教授（1996年ノーベル物理学賞）に特別講演をして頂きました。同交流会は例年の事業として定着し、学生を中心とする若手の人たちに知られるようになっていると思います。
このほか、安全な寒剤、低温装置の取り扱いの習得を促進するため、従来から安全講習会を提供していますが、今年度から技術職員の能力と資質の向上を図ることを目的として技術職員研修「低温技術研修」を実施しました。有効に活用していただければと思います。
低温センターでは、今後の課題として、ヘリウム液化装置の周辺機器とヘリウムガス回収
施設の老朽化、ヘリウム液化装置の更新などがあります。低温センターの職員一同、上記主要業務の円滑な遂行に加えて、これらの問題に計画的に取り組んでいきたいと考えています。

目次

巻頭言 ................................................................................... 1
樽茶 清悟（低温センター長）

特別寄稿「内から見た低温センター」 ............................................................... 7
福山 寛（理学系研究科・物理学専攻、低温センター・研究開発部門）

研究ノート○ 超高圧・極低温・磁場方向制御 NMR 技術............................................... 12
北川 健太郎（理学系研究科・物理学専攻 高木・北川研究室）○ エレクトロマグノンによる巨大な方向２色性 ............................................ 172
高橋 陽太郎1、十倉 好紀（工学系研究科・量子相エレクトロニクス研究センター
高橋研究室1、物理工学専攻 十倉研究室2)○ 空間反転対称性が破れた強磁性体における非相反マグノン伝搬 ............................ 23
井口雄介、小野瀬佳文（総合文化研究科・広域科学専攻 相関基礎科学系 小野瀬研究室）○ 原子スケール金属ナノギャップ電極の作製と単一分子を介した量子伝導 .................... 27
平川一彦、吉田健治（生産技術研究所・光電子融合研究センター、ナノ量子情報エレクトロニ
クス研究機構)○ DNA グリコシラーゼ活性により作用を示す制限酵素の発見................................ 34
宮園 健一、田之倉 優（農学生命科学研究科・応用生命化学専攻 食品生物構造学研究室）○ キラリティーを有する天然生理活性物質の合成研究 ...................................... 39
石神 健、加藤智子、若森晋之介、影治秀晃、渡邉秀典（農学生命科学研究科・応用生命化学専
攻 有機化学研究室）○ MRI による解剖を中心とした脳画像解析 ................................................ 45
高尾 英正（医学系研究科・生体物理医学専攻 放射線医学講座、医学部附属病院・放射線科)○ ワンストップ創薬共用ファシリティセンターの運営と低温センター ........................ 49
東 伸昭（薬学系研究科・ワンストップ創薬共用ファシリティセンター）

共同利用研究室 研究実績報告○ 酸化物およびトポロジカル絶縁体ヘテロ界面における量子ホール効果 ...................... 56
川﨑研究室（工学系研究科・物理工学専攻）○ 磁気力場を用いた高品質タンパク質結晶の取得 .......................................... 60
食品生物構造学研究室（農学生命科学研究科・応用生命化学専攻）

○ 機能性シアノ架橋型ネットワーク錯体の構築 ............................................ 64
大越研究室（理学系研究科・化学専攻）○ SQUID 検出器を用いた磁気計測の研究 ................................................. 69
関野研究室（工学系研究科・電気系工学専攻）○ IV 族強磁性半導体 GeFe における局所的な室温強磁性の発見とナノスケールでの強磁性秩序の成長 .................................................... 74
田中･大矢研究室（工学系研究科・電気系工学専攻）○ 生体模倣スピングラス Co2+ 添加ガーネット薄膜における光制御スピン流 ................... 78
田畑研究室（工学系研究科・電気系工学専攻）○ タンタル吸収体 TES を用いた γ 線スペクトロメータの開発 ............................... 82
高橋研究室（工学系研究科・原子力国際専攻）
共同利用研究発表論文リスト ............................................................. 87

低温センター 各部門報告
研究開発部門 研究実績報告 .............................................................. 94
島野 亮、村川 智、藤井 武則、中村 祥子（低温センター・研究開発部門）
共同利用部門 業務報告 ................................................................. 106
戸田 亮（低温センター・共同利用部門）
液化供給部門 業務報告 ................................................................. 108
阿部 美玲（低温センター・液化供給部門）

全般的な活動報告
研究交流会 ............................................................................ 112
安全講習会 ............................................................................ 117
東京大学技術職員研修「低温技術研修（初学コース）」 ..................................... 119

職員研修 ............................................................................ 121
1. 高圧ガス製造保安係員講習 受講報告
2. 平成 26 年度 高圧ガス保安教育 参加報告
3. 平成 26 年度 東京大学技術職員研修「デジタルエレクトロニクス研修」 参加報告
4. 東京大学教職員・学生のための救命講習会 参加報告

技術ノート
○ 液体ヘリウムの移送効率 ............................................................. 126
寺岡総一郎1、戸田 亮2、加茂 由貴1、志村芽衣1、阿部 美玲1 (低温センター・液化供給部門1、共同利用部門2)

各種委員会・センター教職員名簿 ...................................................... 130
お知らせ ............................................................................... 132
編集後記 ............................................................................... 133
村川 智（低温センター准教授）

特別寄稿「内から見た低温センター」
理学系研究科・物理学専攻、低温センター・研究開発部門 福山 寛
2015（平成 27）年 3 月末をもって低温センター長を辞したのを機に、編集長から年報への執筆打診をいただいた。6 年と 3 ヶ月の在任中、センター内外の多くの教職員と共に運営に取り組んだ日々は、大学という教育研究機関における部局横断の組織というものについて自分なりに考え実践する貴重な機会だったと思う。この間に経験したこと個人的に感じたことを、雑ぱくで多分に独断に満ちた内容であることを最初にお断りした上で、書かせていただくことにした。
前任の鹿野田一司教授（工学系研究科）からセンター長を引き継いだのは2009（平成 21）年１月のことで、その数年前から、東京大学では全学センターの組織の見直しが進められていた時期である。低温センターに対しては研究開発部門を廃し、つまり専任教員の配置を止め、ヘリウムの液化・供給と液体窒素供給の研究支援業務に特化する可能性まで踏み込んだ改組案が内々に提示され、センター運営委員会の組織検討ワーキンググループでも 1 年前から議論となっていた。支援業務は技術職員に任せ、教員は教員組織（研究科）に置く方が大学全体としてはより合理的な人材活用だという考えであろう。一方、私自身は、低温センターだけでなく他機関・他部局のものも含めて液化施設のユーザーとして長く低温物理学の研究に従事してきた経験から、寒剤とりわけ液体ヘリウムの安定供給という支援業務を十全に果たすには、業務に携わる技術職員なり事務職員がア
クティブな研究者と日常的に接触できる環境が非常に大切だとの思いを抱いてきた。打診された改組案はそれとは 180 度方向性の異なるものである。
本学の低温センターは、いまから 50 年近く前、本郷地区および駒場地区で極低温実験を欲していた研究者達の要望を、物理学教室の平田森三教授（初代センター長：故人）らが中心となって糾合し概算要求したものが認められ、1967（昭和 42）年に設置、発足した。これは他の国内主要大学と比べ決して早い方ではない。本学には、その 9 年前すでに物性研究所（当時、六本木地区）にヘリウム液化機が導入されていたという事情が大きかったのだろう。しかし、物性研には全国共同利用研究所として全国の研究者に極低温実験環境を提供する責務があり、東京大学固有のヘリウム液化機をもつのは当時の理系の研究者にとって悲願であったと思う。この「年報」の前身である「低温センターだより」の創刊第 1 号[1]からも、理学部、工学部、教養学部、薬学部、医学部、農学部、その他の附置研究所など多くの部局が協力して全学センターを立ち上げた当時の熱気が伝わってくる。このように、
低温センターは研究者自身が既存の部局をまたいで協力して造り出し、そして育ててきた、ボトム
アップ型の元祖「学際共同研究センター」といえるものである。発足当時の年間液体ヘリウム供給量
5 千リットルから、3 度の液化機更新を経て 2008 年度時点で供給量はじつに 40 倍の年間 20 万リッ
トルに達していた。この間の歴代センター長はじめ幾多の関連教職員の尽力のたまものである。
こうした長い歴史と学内需要に支えられた急速な事業拡大があったにもかかわらず、当時の低温

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センターが組織として見直しを求められていたのは何故か不思議に思われるだろう。それには複合的な理由があったと思う。一つは、21 世紀に入りパルス管冷凍機や GM 冷凍機など極低温を得る新しい技術が進化し広く普及したことがある。寒剤の定期的な汲み足しが不要で、電気のみで作動するいわゆる「冷凍機」は確かに便利である。Inner Vacuum Can (IVC)と呼ばれる低温でリークタイトな真空槽が不要なので、光学実験や粒子・電子散乱実験との相性もよい。再液化施設をもたない研究機
関では、高価な市販の液体ヘリウム（2,000 円/リットル前後）に急速に取って代わる勢いである。
『液
体ヘリウムの学内需要は近い将来減少に向い、液化業務は外注でも構わないのではないか？』という議論が出てきても不思議ではない時代背景があった。ところが、センター長になって運営の詳細を把握するにつれ、本学のように再液化施設をもつ研究機関では事情が大きく異なることがすぐに理解できた。電気代だけでなく保守点検費、施設維持費、人件費まで含めたトータルの維持費で比べると、
ヘリウム再液化施設を維持する方が、全てを個別冷凍機に置き換えるよりはるかに経済的かつサステナブルなのである。試算によれば、再液化施設を維持することで、本郷地区キャンパス全体で年間２億円以上のコスト削減と全使用電力量の約 5％の節電になる。法人化以後、大学にも経営感覚と社会的責任がより強く求められる時代である。幸い、大学執行部には学内再液化施設の重要性をご理解いただけた。今後もこの点の情報発信には努めたいと考えている。
当時、低温センターが転機を迎えていた理由には、液化業務に携わる 4 名の技術職員全員がその年から 3 年間で相次いで定年を迎えるという事情もあった。うち 3 名はセンター発足から一貫して奉職してきたベテラン職員である。混乱を来すことなく技術職員の世代交代を実現することは、センター
長 1 期目となったこの時期に一番腐心したことの一つである。結果として、適度な年齢構成とさまざ
まな経験、技術、経歴をもつ優秀な人材が集まり、チームとしても高いポテンシャルをもつ技術者集団に移行できたと思う（共同利用部門担当職員も含めれば計 5 名）。大学本部には、教職員の定員削減が続く中、全員の補充を認めていただいたことに改めて感謝したい。この若い技術職員チームにいきなり試練がやってきた。それは 2011（平成 23）年 3 月 11 日の東日本大震災後の電力危機である。
運悪く大型貯槽用の超伝導モーター式液体ヘリウム汲み上げ装置の故障が重なり、大幅な供給制限を行わざるを得なくなった。電力消費が罪悪のように感じられた時期である。冷凍機よりずっと省電力とはいえ、ヘリウムの液化にもかなりの電力を使う。そこで、学内電力消費の繁忙帯を避けるよう休
日出勤や残業をして液化業務を続ける傍ら、不純物除去のための液化機内精製装置の動作サイクルを最適化して液化効率の向上を実現した[2]。その甲斐あって下半期はかつてないほどの供給量を記録し、この年度に学位論文をまとめた多くの学生を支援できたと思う。電力危機をバネにして、低温セン
ターの組織としてのチームワークは高まった。
センター長在任 2 期目にあたるこの時期は、もう一つ別の危機を経験することになった。それは、米国の主要生産施設での機器不調に端を発した世界規模のヘリウム供給不足である。国内の研究機関
では、2012（平成 24）年の秋から 1 年以上にわたり、業者から液体ヘリウムやヘリウムガスを調達するのが困難な状況に陥った。再液化設備をもたない機関は勿論のこと、これを有する主要大学でも液体ヘリウム供給が半年近く休止あるいは大幅制限に追い込まれ、我が国の基礎研究に大きな影響が出た。東京大学では、調達業者と交渉した結果、損失ガス分を補充する最低限のガス調達を確保できたので、幸い大幅な供給制限をするには至らなかった。回収ヘリウムガスの高圧貯蔵ボンベ（長尺ボンベ）を増強する工事がもともと予定されており、それに伴う供給制限の時期と重なったことも幸いし8た。しかし、最悪のシナリオもあり得たと思う。過去の経験から考えて、程度の差こそあれ今後もヘリウム供給不足は何年かの周期で繰り返すであろう。そのためにも、ヘリウムガス備蓄量の増強が必須である。本郷地区キャンパス内に常時存在するヘリウムが全て 1 気圧のガスになったとするとその体積は約 1 万 m3 である。これに対して長尺ボンベの貯蔵能力はその半分しかないのである。1 台しかない液化機がもし長期間故障したら何が起きるか？ 1 m3 あたり千円以上する貴重なヘリウムガス
を大気放出せざるを得なくなる。ヘリウム再液化システムは省エネルギーで経済的にも優れたシステ
ムだが、大学の危機管理上、この問題の解決は喫緊の課題である。ところが、現在の低温センター敷
地内には、研究スペースを潰さない限りこれ以上長尺ボンベを増強するスペースが無い。液化機の更新（現在の液化機は 2 台目として整備維持する）と十分な施設面積の確保が強く望まれるところである。余談であるが、この世界的なヘリウム供給不足を経て、使用後の大気解放が主流だった米国でもヘリウムガスを回収し再液化する施設あるいは設備を整備する研究機関が急増したとのことである。
法人化以後、大学の使命と目的をよりよく達成するため、運営の中で財務と経営の比重が高まった。
ただし、使命・目的と財務・経営の間をつなぐ情報が明示されないと予算配分者や利用者の理解や協力は得られない。例えば、どういう根拠で寒剤使用料金を決めたのか、それによってどうサービスが向上するのか、などである。理解が得られなければ組織の衰退は免れない。この点を踏まえて、寒剤
使用料金算定基準の確立と共同利用研究室・装置使用料金の段階的な改定を実施し、それによる収入増を原資として各種サービスの充実を図った。例として、迅速な寒剤料金計算システムの構築、自加圧式液体窒素容器の再検査の受け入れ、複数経費での支払い受け入れ、共同利用実験室のインフラ整備、などがある。当然であるが、万全な機器整備のもとで寒剤の安定供給を維持することは最大のサービスであり、これは高いレベルで実現できていると思う。学内予算をいただいて、長尺ボンベやキャン
パス内ヘリウム回収配管網の拡充も行った。一方、寒剤や高圧ガス取り扱いに関する安全教育を行う「安全講習会」の充実（講習内容の充実、開催頻度の拡充、英語資料の作成など）、休刊状態だった「センターニュース」と「センターだより」に換えて日英 webpage の充実と「年報」の創刊、各種センター内規の改訂と整備、ユーザー間の学際学術交流を図る「研究交流会」の立ち上げ、など多種多様なセンター活動を活性化した。これらの実現には、歴代の主査を筆頭に事務職員、技術職員の活躍に負うところが極めて大きい。
センター運営に最初の 1 年間携わってみて思い知らされたのは、ここまで巨大化した寒剤供給業務を維持発展させ、自然科学のほぼ全分野に極低温の実験技術や装置が浸透したいま必要とされる安全教育や技術を提供し、その上で低温センターを象徴するような先端研究を推進するには、センター発
足時のままの准教授 1、助教 1 の専任教員数ではまったく不足しているという事実である。それからの 5 年間は、部局長の仕事だけでなく、実質的な専任教授のように実務もこなしたつもりである。しかし、本務とセンター長を兼務するだけでも心許ない能力の者が 3 つも掛け持ちすれば、どれもが中途半端になるかどれかを犠牲にするしかない。これを見かねたのか、大変有り難いことに、教員採用
可能数再配分システムで要求した教授の恒久ポスト 1 の配置が認められることになった。部局自治の伝統が強い東京大学で、人事システムにも一定の自由度が生まれたのは法人化の一つの成果に違いない。このポストを使って、2014（平成 26）年 4 月に理学系研究科から島野亮教授を迎えることができた。また、朝光敦准教授の転出後の後任として、2015（平成 27）年 1 月には慶應義塾大学から村川智准教授も迎えた。センター長 3 期目は、このように教員組織の拡充に最も注力した。低温セン

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ターの専任教員は大学院教育には参加するが、通常、学部教育は主担当しないし研究科の教授会メン
バーでもない。センターの立地が浅野キャンパスということもあり、本学の教育部局と密接な協力体制が維持できないと、教員本人にとっても東京大学にとっても好ましくない。関係部局にはこの点を特にご理解いただきたい。残る重要な仕事は、次期センター長を工学系研究科の樽茶清悟教授に引き受けていただくことだった。今後、液化機更新の概算要求や悲願のセンター建物移転の概算要求実現という大仕事が控える中で、低温センターの舵取りをお願いできるのはこの方をおいて他にないだろう。引き受けていただいて本当に安心した。その概算要求であるが、在任中、共同利用部門の最先端
物性計測装置を 5 年間要求したが、いずれも実現していない。50 mK の超低温、16 T の高磁場まで種々の物性量が自動計測できる世界でも有数の高性能装置の要求である。これが低温センターに設置されれば全学的な使用が可能となり、本学の国際競争力を一層高めることができるだけに残念である。
研究開発部門の教員は、兼任や特任も含めて今春から 5 名となって充実してきた。今後は、これに見合う研究設備面の整備が課題である。学際共同研究には研究者を引きつける高性能な実験設備が不可欠である。
こうして、はからずも 3 期 6 年余にわたり低温センターの大きな転換点にセンター長としてかかわることになった。この間、濱田前総長はじめ前執行部の多くの理事・副学長から陰に陽に多大なご支援をいただいた。大学本部事務からも、全学センターは本部が面倒を見なければ、という支援のスタン
スを常に感じてきた。各部局選出の運営委員や専門委員の先生方には、幾度となく貴重な助力やご意見をいただいた。センターで活動を共にした教員、事務職員、技術職員にとっては、次々と難題を持ち込み、なかなか平穏に業務をさせてくれないセンター長であったと思う。よく我慢し奮闘いただい
た。これまで応援・助力・ご意見下さったすべての方々にこの場を借りて深くお礼申し上げる。この任に就かなければ、これら多くの素晴らしい方々に出会う機会はずっと限られたものになったろう。
東京大学の奥深さに触れた思いである。拙稿を結ぶにあたり、第 2 代センター長の久保亮五教授（故人）の言葉[3]を拝借したい。
『低温センターは現在、まことにささやかなもので、学内で最小の部局であろう。しかしその仕事は、単にそれだけのものではなく、それ自身一つの重要な実験であると思う。各学部、各部局の壁を越えた学内協力組織がいろんな意味で必要なことは言を俟たない。その中で、低温センターはまた、他のものとちがった性格をもっている。この実験を成功させる基本は、やはり、異なる立場の人々が互いに相手の立場を尊重することである。』
組織というものは、縦糸だけでなく横糸もあってはじめてしなやかで真の強さが保てるのだと思う。
低温センターは東京大学における元祖、学際共同研究センターである。今後は、センターでは初とな．．
る研究開発部門の兼任教員として、研究面から少しでもお手伝いできればと念じている。これも一つ．．．．．．
の重要な実験であると信じて。
[1] 「低温センターだより」第 1 号（東京大学低温センター、1966）.
[2] 「2011 年度低温センター年報」p.85（東京大学低温センター、2012）.
[3] 「低温センターだより」第 2 号（東京大学低温センター、1968）.

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研究ノート超高圧・極低温・磁場方向制御 NMR技術
理学系研究科物理学専攻 高木・北川研究室
北川 健太郎当研究室では磁性が関係した超伝導状態や量子スピン液体などの新しい量子状態の発見を目指している。状態実現の手段と測定の手段としてそれぞれ 17 万気圧までの大容積超高圧技術と核磁気共鳴（NMR）法を組み合わせて使用し始めているが、さらに 3He 温度以下と２軸回転機構を組み合わせて単結晶 NMR 実験を詳細に行うことが可能な初めての環境の構築を進めている。本稿では、我々が開発してきた超高圧技術の近況を紹介する。

1. 強相関電子系の高圧研究
固体物性研究において新しい量子状態（自発的系として初めての超伝導である。

対称性の破れによる相転移）の発見を目指す時、

H2S のような 100 GPa 級の実験は数十ミクロン

高純度の結晶に圧力を印加によって成すのが有効と先端の細いダイヤモンドを駆使する職人芸的な物

な探査手段となる。物質開発の観点から見ると化であるが、10 GPa 程度までは簡便な装置が各種開学的修飾・ドーピングが古くからの探索手段であ

発されつつあり、筆者の開発した装置[6]はその中るが、結晶に乱れを導入する非化学量論的手法はで一番簡単で便利なものを目指している物であ不都合が生じることが多いからである。超伝導研

る。MnP の研究でも極低温域の実験に使用された。

究ではコヒーレンス長に比べて不純物・欠損の存在比を少なくする必要があるし、スピン液体や複雑な磁性相の検出を目指すのであれば不純物磁性が混じらないようにする必要がある。最近の高圧印加・測定技術の発展に従って、遷移金属を主体とする強相関電子系研究では高圧研究は非常に盛んになっている。
ここ１年のホットの話題としては、H2S に200 GPa(万気圧)を印加することで報告された転移温度 Tc = 190 K〜203 K の超伝導[1]や、CrAs(1 GPa, 2.2 K)[2,3]と MnP(8 GPa, 1 K)[4]の超伝導などが挙げられる。前者は現時点で査読

図１．高圧装置の荷重—体積効率に関する無次済み論文ではないもののこれまでのゼロ抵抗超伝元量と使用可能圧力域。配線を導入可能で低温

導転移温度レコードの高圧下 Hg-1223 系銅酸化物性実験に使用されている物[6-9]を比較し

物超伝導の 153 K[5]を圧倒して更新している。

た。試料室以外を殆ど圧さない場合は１程度のCrAs と MnP は共に MnP 型結晶構造を持ち常圧値を取る。DAC は経済的に mm サイズまでス

ではらせん磁性体であるが、3d 遷移金属元素のケーラブルでないので示していないが改良ブ中で超伝導が見つかっていなかった Cr 系と Mn

リッジマン型と同程度と思われる。

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ころの最大発生圧力は約 17 GPa と WC アンビル

2. 大試料室容積の超高圧装置
一番簡単な装置は円柱ピストンを円筒シリンの対向アンビル型としてはかなり大きい。柔らかダーに挿入する物で、3〜4 GPa 程度まで使用可

い素材の銅を組み合わせるとさらに試料室体積能な非磁性 NiCrAl 合金シリンダーのピストンシを増やせることも分かっており、常圧時φ3 mm

リンダー型高圧セル[7]として商品化され広く出× 2.1 mm の空間に 10 GPa を発生することも出回っている。それを超える高圧力ではピストン材

来ている。
クランプセルも NiCrAl 合金で作り有限要素法

料の非磁性 WC 超硬合金の圧縮強度と NiCrAl 合
金の引張強度が持たないため、WC の形状に相応

応力計算で形状を最適化したことにより全体もの工夫をすることと、ガスケットの内部摩擦を利小型化（φ29 mm×41 mm）している。このサ用して圧力を保持する必要が生じる。図１に現在

イズであれば一般の希釈冷凍機などに容易に取低温物性実験に使用されている超高圧装置の模式り付け可能な他、少し広めのボア径（>φ58）を図とその体積効率を示した。ダイヤモンドアンビ

持つ温度可変インサート（VTI）内で２軸回転がルセル（DAC）は 10 GPa 以下でも盛んに使用さ可能である。１度以内の角度を制御しながら単結れているが試料室体積は 0.01 mm3 以下であるた

晶NMR 測定を精緻に行うことが出来た（図４）。

めに示していない。体積効率は、ある印加荷重 L

ウォームホイールを２組とベベルギアを３個使の条件でどの程度の圧力印加前試料室体積 V を用する２軸回転機構はこれまでも NMR 測定など取れるかを無次元量で圧力 P に対して表示した。

に使用されてきたが、高圧セルの搭載のために

L は荷重発生または保持装置（クランプセル）全空回りするベベルギアを１個追加して空間効率

体の大きさに関わるため、無次元量 V (P /L )3/2 はと方位自由度を上げている。

装置の大きさもしくは予算あたりの試料室体積の固定（クランプ）

尺度である。我々の物を除くと、4 GPa 辺りで１

< 24トン〜2 桁下がってしまうのがお分かり頂けるかと思う。NMR 測定は試料サイズが相応( > 1 mm3)に必要なため我々が対向アンビル型高圧装置の地味

41mm

非磁性
超硬合金
アンビル

試料室
NiCrAl合金
ガスケット

な開発から初めたのも V (P /L )3/2 の改善が必須な為であった。無論、他の測定手段でも mm サイ
ズは渇望されている為、我々の装置は各方面から

光ファイバー＋電気配線

好評を得ている。

直径29mm

図２に装置概要を示す。以前報告した詳細[6]電気抵抗率セットアップ例（下アンビルを上から）を出来るだけ省いてここ最近の開発を重視して記す。ガスケット材質に NiCrAl 合金を採用したこ

PrV2Al20

PrTi2Al20と、ガスケットの形を平板上ではなく裾広がりにして割れを防ぎかつ厚み保持力を増したことで高効率を得ている。アンビルの先端キュレット径とガスケットの詳細な形状などに自由度があるが、Pb (manometer)

図３に圧力発生試験の代表例を示す。評価は光図２．我々が開発してきた高圧装置のセット

ファイバーを通してルビーR1 蛍光波長のシフトアップ。
（右上）クランプセル部分の断面図（右（ルビースケール）で圧力測定している。今のと下）下アンビル内の穴を通して配線する場合のセットアップ例[10]13図３．ルビー蛍光法によりテストした荷重—圧

図４．高圧装置用に改良した２軸回転機構とそ力曲線。異なるキュレット径とガスケットの組の高圧下 NMR 単結晶実験例[11]。
（左上）

み合わせで、最高圧力発生時（17 GPa）
、標準

φ軸のギアを支持するアームを廃したため、的場合、最高試料室体積時の３種類を参考まで

φ 58 のボア内で任意の方向に回転させることに示した。圧力伝達媒体はグリセリン。

が で き る 。（ 左 下 及 び 右 ） 5.4 GPa 下 で のSrFe2As2 の 75As-NMR スペクトル。超伝導転高圧環境の質であるところの静水圧性は対向ア

移温度 T c 以下では反強磁性（AF）と常磁性超ンビル型では圧力伝達媒体の選択に依るが、低温

右図の伝導相(SC)の共存状態が出現している。

高圧下で最も良い媒体[12]の一つである希ガスの面内磁場回転実験からは、AF ドメインのみがAr を 84 K で封じて使用している。この選択は静立方晶でなく斜方晶の双晶になっていること

水圧性に敏感な鉄系超伝導の研究ではおおいに役が電気四重極分裂から分かる。

立った。
体積以外に超高圧実験を困難にしているもう一ビル上に金メッキして使用する必要がある。ル

つの理由に、ワイヤリングの問題がある。当初の

ビー蛍光測定は、φ0.2 以下のプラスチックファ

我々の配線方法も DAC や改良ブリッジマン型とイバーを導入することにより安定的に可能である同様にガスケットに沿って配線を絶縁して取り出ことが分かった。このような簡便な配線手段をしていたがせん断方向であるため歩留まりが非常

10 GPa クラスまで実用化したのは初めてだと思に低かった。現在はピストンシリンダー型やインわれる。

デンター型と同様、上下方向に取り出している。

多岐にわたったので一言で纏めると、（配線がアンビルに空けられたコーン状の穴に 0.5 ミクロ

容易なので）早くて、（全体が小さいので）安く

ンダイヤモンド粉末とエポキシ樹脂を重量比 3.8て、（試料室が大きく静水圧性も良いので）うま〜3.9:1 で混ぜたパテで封じて非常に高い歩留まい、と三拍子揃った装置を実現させた。

りを得ている。例えば、１２本の配線で電気抵抗3. 超高圧NMRの３試料同時測定（図２右下）のような非凡なことも共同研究者により実施されている。NMR 測

核磁気共鳴（NMR）法はサイト選択性を有す

定時はコイルの２本の配線のみで良いが、Q 値をる微視的なプローブであり、磁性と超伝導に感度稼ぐために出来るだけ太い配線を使うことやアンがあることから圧力で制御しながら基底状態を変14化させるような強相関電子系の量子相転移の研究

Cu2O の NQR 周波数は圧力依存だけでなく大きに用いれば、更にうまいという訳である。検出コ

な温度依存性もあるが、以前から知られていたよ

イルを内部に入れれば μSR や中性子実験の様に

うにフォノン励起で定式化してかなり良好に

圧力セルに邪魔されることもないため、圧力とのフィット可能であった。Pt は強磁性ゆらぎの強相性も比較的良い微視的実験である。ただし、可い金属であるので、SCR 理論による磁化率の温能な限り磁性の小さい材料を選ぶことが必要で、度依存性に基づいて広い温度—圧力範囲でフィッ

信号強度が核種と試料サイズに依存することが難ト可能となった。Sn も便宜上同じ式を利用して点である。我々の前には 5GPa 以上は DAC を用いる。図５に圧力依存性の例を示すように Pt/Sn

いた水素 NMR の実験[13]や SiC アンビル／改良

ナイトシフトが圧力計として利用可能となったのブリッジマンセルを用いた 10 GPa までのいくつで、高圧 NMR 実験の際は薄い Pt と Sn 箔を同かの実験報告[14,15]があったが、強相関電子系で梱するだけで圧力値が求められるようになった。

物性を議論可能な実践的な実験報告は無かった。

今後は 17 GPa まで Pt ナイトシフト圧力計を校

これまで鉄系超伝導母物質の SrFe2As2 と正する予定である。

NaFeAs に対して超高圧下の NMR 実験を行い[12,16]、前者では 5 万気圧付近の狭い圧力範囲
でのみ超伝導と反強磁性相の共存相が出現する（図４）ことを報告したが、ここでは NMR 圧力計[6]について記す。
対向アンビル型でかつクランプセルの時、圧力の加重に対する再現性が乏しいため、NMR 実験に適した圧力計が in-situ で必要とされる。ル
ビースケールも簡便で小型ではあるが、２軸回転機構との相性が悪い。鉛の超伝導転移温度は良く
圧力スケールとして使用されるが、校正結果は報告によって差が大きく厳密さに欠く。我々は、Cu2O 電気四重極共鳴(NQR)周波数のスケールと、Pt 及び β-Sn ナイトシフトスケールの開発を

図５．NMR ナイトシフトの圧力依存性を利用行った。Cu2O の NQR 信号はシャープで再現性した、10 GPa までの NMR 圧力計及び磁場校もよく圧力に敏感であるため、2 GPa まで詳細に

正手段[6]。ここでは 4.2 K と 300 K のデータ

校正[17]されており、10 K 以下のみは 10 GPa まのみ示した。

で校正されていた[15]。ただし、NMR in-situ 圧

4. おわりに力計としては周波数域が限られることと信号強度が弱いことが難点である。そこで、Pt と Sn のナ

最後に今後の方針について書く。我々は 3He 循

イトシフト（概ね常磁性磁化に比例する量）が圧

環冷凍と磁場中２軸回転機構と超高圧セルを同時力に比較的敏感なことに着目し、Cu2O の NQRに組み合わせ可能な装置を本年完成予定で製作し周波数と共に Pt と Sn のナイトシフトをルビーている。これまで実施した超高圧 NMR 実験は鉄スケールに対して幅広い温度範囲(4.2〜300 K)と系高温超伝導関連であったため 1.5 K 以上の 4He

10 GPa までの圧力に対して校正作業を行った。

温度で済んでいたが、それ以外の系で最低励起を15観測するには１桁温度を下げる必要がある。常圧[8] N. Fujiwara, K. Koyama-Nakazawa, T.

のNMR測定と回転機構の冷却の為に内径 59 mm

Matsumoto, A. Hisada, and Y. Uwatoko, J.

の断熱層内は

4He/3He

Phys.: Condens. Matter 19, 425203 (2007).

混合液体で満たすことにしており、将来的には簡易希釈冷凍機[18]化する[9] T. C. Kobayashi, H. Hidaka, H. Kotegawa,予定である。この用途の為に広いボア径を持つ8 T

K. Fujiwara, and M. I. Eremets, Rev. Sci.

超伝導マグネットを導入しているが、掃引タイプ

Instrum. 78, 023909 (2007).

にも関わらず液体ヘリウムのみの寒剤で一週間以[10] K. Matsubayashi, T. Tanaka, J. Suzuki, A.

上もつ低消費タイプでエコと言える。昨今は機械

Sakai, S. Nakatsuji, K. Kitagawa, Y. Kubo, and式冷凍機が流行りであるが、本計画のようにパラ

Y. Uwatoko, JPS Conf. Proc. 3, 011077 (2014).

メータの多い複合極限環境実験には実験環境（振[11] K. Kitagawa, N. Katayama, H. Gotou, T.

動及び冷凍能力）やトータルコストで寒剤タイプ

Yagi, K. Ohgushi, T. Matsumoto, Y. Uwatoko,の方がはるかに適していると考える。これまでのand M. Takigawa, Phys. Rev. Lett. 103, 257002

研究開発に対して、低温センターの寒剤供給、及(2009).

び共同研究者の協力に感謝を表して締めくくりた[12] N. Tateiwa and Y. Haga, Rev. Sci. Instrum.

い。

80, 123901 (2009).
[13] T. Okuchi, M. Takigawa, J. Shu, H.-K.

参考文献

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144104 (2007).

Troyan, arXiv:1412.0460; A.P. Drozdov, M. I.

[14] M. G. Pravica and I. F. Silvera, Phys. Rev.

Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, and S. I.

Lett. 81, 4180 (1998).

Shylin, arXiv:1506.08190.

[15] H. Fukazawa, N. Yamatoji, Y. Kohori, C.

[2] H. Kotegawa, S. Nakahara, H. Tou, and H.

Terakura, N. Takeshita, Y. Tokura, and H.

Sugawara, J. Phys. Soc. Jpn. 83, 093702 (2014).

Takagi, Rev. Sci. Instrum. 78, 015106 (2007).

[3] W. Wu, J. -G. Cheng, K. Matsubayashi, P.

[16] K. Kitagawa, Y. Mezaki, K. Matsubayashi,Kong, F. Lin, C. Jin, N. Wang, Y. Uwatoko, andY. Uwatoko, and Masashi Takigawa, JPS Conf.

J. Luo, Nature Comm. 5, 5508 (2014).

Proc. 3, 015031 (2014).

[4] J. -G. Cheng, K. Matsubayashi, W. Wu, J. P.

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Eisaki, J. Phys. Soc. Jpn. 82, 023711 (2013).

16, 16 (1993).

[6] K. Kitagawa, H. Gotou, T. Yagi, A. Yamada,T. Matsumoto, Y. Uwatoko, and M. Takigawa, J.

著者紹介

Phys. Soc. Jpn. 79, 024001 (2010).; 北川健太郎,
北川 健太郎松林和幸,後藤弘匡,松本健彦,上床美也,八木健彦,
瀧川 仁, 高圧力の科学と技術, 22, 198 (2012).

専門分野 固体物理学[7]毛利信男, 村田恵三, 上床美也, 高橋博樹 編:

講師（東京大学大学院理学系研究科）

高圧技術ハンドブック（丸善, 東京, 2007）.

16

エレクトロマグノンによる巨大な方向２色性
工学系研究科・量子相エレクトロニクス研究センター 高橋研究室、物理工学専攻 十倉研究室
高橋 陽太郎、十倉 好紀
固体中での電気的（誘電的）性質と磁気的な性質が強く結びついた時に起こる現象の一つとして、光の進行方向の反転により物質の光吸収が変化する方向２色性と呼ばれる新奇な光学応答が存在する。我々はらせん型に配列したスピン秩序を持つ物質に着目し、エレクトロマグノンというスピンの運動でありながら光の電場に応答する新しい磁気共鳴の研究を行った。その結果、エレクトロ
マグノンの共鳴が強大な方向２色性を示すことを明らかにした。ここでは、らせん磁性体と誘電性の一般的な関係から、その光学応答がどのように方向２色性を誘起するかについて解説する。

(a)

1. はじめに(b)

Si

電気と磁気という二つの性質の間に強い結びつP

きがあることは、コイルに電流を流した時に磁場

eij

Sj

Si

Sj

j-siteが発生するという例を挙げるまでもなくよく知ら

i-siteれている。静的に磁場をつくるためには強磁性体

P∝ eij×(Si×Sj)

Pと呼ばれる磁石も用いられ、冷蔵庫に貼るシート(c)から、モーター、メモリまで様々な用途に使用さプロパースクリュー型磁気構造れている。では磁石に電場をかけることで磁化のP=0chiral

向きを制御することは可能であろうか？また物質の電気分極の向きを磁場で制御することは可能であろうか？このような概念は物性物理学の草創期に P. キュリーによってすでに指摘されており、実サイクロイド型磁気構造P≠0

験的には１９６０年頃に発見されているものの、その効果は小さく大きな注目を集めるには至らなPかった。しかし２００３年にマルチフェロイック

図１.(a)スピンカレントモデルと(b)交換歪効果

スと呼ばれる新しいタイプの電気磁気効果を示す

によるスピンと電気分極の関係。(c)代表的なら

物質群の発見によって、このような状況に大きなせん型磁気構造とスピンカレント機構による分転機訪れた[1]。現在までにマルチフェロイックス
を用いて、磁場による電気分極の反転やフロップ、
また逆に電場による磁化の反転などで通常の電気極P研究ノートでは、我々がここ数年取り組んでいる
エレクトロマグノンと呼ばれるスピンの集団運動

磁気効果の枠組みを超えた巨大な応答が実現してと、その光学応答が示す巨大な方向２色性についいる[2,3]。

て解説する。

一方でマルチフェロイックスが持つ一般的な性エレクトロマグノンを観測するために磁場中で質として電気磁気光学効果や方向２色性と呼ばれの時間領域テラヘルツ分光と呼ばれる手法を用いる新奇な光応答の存在が明らかになってきた。本ている。これは、磁気共鳴の一種であるエレクト

17

ロマグノンがテラヘルツ帯域に共鳴周波数を持つ

ペロブスカイト型構造を持ち、磁性は３価のマンためである。液体ヘリウムを利用した超電導磁石

ガンイオンが担っている。Eu0.55Y0.45MnO3 というによる磁性の制御と、高精度の分光技術を組み合

組成では図２(d)にあるようにｂ軸方向にスピンわせることでエレクトロマグノンの性質を明らかがサイクロイド型に巻き、スピンの回転面は abにすることがはじめて可能となる。

面である。この時、スピンカレント機構によれば
a 軸方向に強誘電分極が生じるが、実際図２(b)にあるように、スピンがらせん型に秩序化する 24 K

２. らせん磁性体とエレクトロマグノン
マルチフェロイックスの研究が飛躍的に進展し以下で分極が生じている。

た大きな理由は「らせん磁性体はすべて強誘電体

テラヘルツ帯（1 THz ∼ 4 meV）と呼ばれる低となりうる」という新しい強誘電性の発見に由来

エネルギー領域に共鳴周波数を持つマグノンやエしている。この機構はスピンカレントモデルや逆

レクトロマグノンによる吸収を表すスペクトルがジャロシンスキ・守谷機構によって説明すること

図２(c)である。結晶に対する光の電場 Eωと磁場ができる[4]。図１(a)にあるような、二つのスピンHωの方向により、モードの特性を区別することがを考える。これらのスピンが非共線的（平行でも可能である。例えば、らせん磁気構造により出現

反平行でもない）に配置するとき、スピン間の外した分極 P を揺らすためには、それに垂直な c 軸積(Si×Sj)に更にスピン同士を結ぶ単位ベクトル方向の振動電場が必要である（図２(d)上段）。こ(eij)との外積をとったもの(eij×(Si×Sj))が電気分極のモードに対応するのは図２(c)の I とラベルされの方向を示す。このスピン間の微視的な電気分極

た 1 meV の共鳴である。このエレクトロマグノン

は図１(c)にあるサイクロイド型の磁気構造におい(a)て全て同じ方向を向くことから、巨視的な電気分

R:rare-earth(b) 1.2

Si×Sj の符号、を反転させると分極の方向も反転す

P (mC/m2)

極が現れる。さらにこのスピンの巻き方、つまりMncる。このようにサイクロイド型磁性体は分極の反転が可能な強誘電体となる。

(c)

通常磁性体では、秩序化したスピンの運動はス
動磁場によって生成することができる。一方、マ7T
0T

E//c, H//a
Hdc//c0.08

ルチフェロイックスでのマグノンは誘電応答、つ

まり電磁波の電場に対する応答を示す可能性があ

0.06

I

0.04
0.02

ることが指摘された[5]。これは電場活性なマグノ

I

0.04
0.02

２００６年に初めて実験的に報告された[6]。

0.00

３. マンガン酸化物のエレクトロマグノン

a

II

1

0.2
0

10
20
30
Temperature (K)0.0

c モードI: エレクトロマグノン

b

P

E//c
モードII: 反強磁性共鳴

q=qm

b

a

H//a

c
モードIII: エレクトロマグノン

E//c, H//b
Hdc//cq=2qm

0T
0

0.4

0.4

c

7T

7T

0.6

q=qm

Hdc//cE//a, H//c

0T

0.00



ンという意味でエレクトロマグノンと名付けられ、

III

0.8

0.8

0.0

(d)

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0



ピン波やマグノンと呼ばれ、マイクロ波領域の振

a
b

1.0
SW (arb. unit)

O

2
3
Energy (meV)

4

b

a

E//a

図２.(a)ペロブスカイト型マンガン酸化物の結らせん磁性体のモデル物質として知られるペロ

晶構造

ブスカイト型のマンガン酸化物(R MnO3: R は希(b)強誘電分極 P（黒線）とエレクトロ

マグノン（モード I）の強度(SW、赤丸)の温度依土類)を例にとりエレクトロマグノンとその特性存性を見ていく[7]。R MnO3 は図２(a)のような歪んだ(c)異なる偏光配置におけるテラヘルツ帯のスペクトル18(d)磁気共鳴のモード I, II, III(a)は分極 P を含んだらせん面の回転運動でもあるE

（図２(d)上段）。このエレクトロマグノンの強度

+M

E

+P

H

k

H

を強誘電分極 P とともにプロットしたのが図２(b)

(b)

M

+k

c

+M

かに分極 P の揺らぎに由来したエレクトロマグノ

M H
dc

a

ンであることを示している。
一方、図２(c,d)でモード II とラベルされている(c)のは反強磁性共鳴と呼ばれる通常の磁気共鳴で、

+P ‐P
k
b

P

歪むことで分極が発生する機構を指し(図１(b)参





0.04

0.00

1

2



0.03

+k

0.02
0.01

k

0.02

グノンである。これは交換相互作用により格子が

=k

0.04

0.06

は交換歪と呼ばれる機構に由来したエレクトロマ

‐M

(d)

0.08

光の磁場成分に対する応答を示す。またモード III‐Mであるが、両者の振る舞いは一致しており、たし



k

P

‐P

=k

0.00
0

1

2

3

Energy (meV)

4

0

3

Energy (meV)4照)、エレクトロマグノンでは結晶構造と磁気構造

図３．(a)方向２色性の概念図と、対応するスピの両者が発現に寄与している。

ン構造(b)分極 P と磁化 M の符号による方向２

色性の符号の分類(c)エレクトロマグノンの方向２色性を示すスペクトル

４. エレクトロマグノンの方向２色性(d)(c)のスペクトルの差分から得られた方向２色性のスペクトルエレクトロマグノンは単に電場で駆動できるマ
グノンであるだけでなく、電場・磁場の両者に活カレント機構による分極 P と磁化 M が直交した配性になることで新奇な応答を示す。これは電気磁置をとる。

気光学効果や方向２色性と呼ばれ、物質中を対向

図３(a)の配置でエレクトロマグノンの吸収をして進む光が異なる光学応答を示す現象である。

測定したのが(c)である。図２でモード I とラベル

極端な場合には片側から入射した光のみを吸収し、したスピンカレント機構によるエレクトロマグノ

逆側から入射した光は完全に透過する。これは定ンの吸収が大きく変化していることがわかる。エ

性的には簡単に理解することができる。例えば図レクトロマグノンの共鳴（1 meV 付近）ではピー

３(a)のように分極 P と磁化 M が直角に結合してク強度が３倍近く変化しており、非常に大きい方

ω×Hω//kωの関係

向２色性が存在していることがわかる。
（なお、こを満たして進むため、左から入射した光の電場とこで+kωと−kωは光の進行方向を表しているが、実磁場が P と M を揺らす向きは逆になり、光による際の測定では P または M を反転させることで、光振動は抑制される。一方右側から入射した光は Pの進行方向の反転と等価なスペクトルを測定してと M を同じ方向に揺らすため、振動が増強され光いる。）両者のスペクトルの差をとったものが(d)吸収が大きくなる。分極 P、もしくは磁化 M のどで、これは方向２色性のスペクトルに相当する。

ちらかを反転させると、光をよく吸収する方向がエレクトロマグノンによるピーク(1 meV)の他に、反転する。この関係は図３(b)のようになり、P と

2.5 meV 付近にも構造が現れているが、これは通M の外積(P×M)の符号により異なる光学応答に分常は磁場のみに活性な反強磁性共鳴が、エレクト類できる。この直交した P と M の関係は、サイク

ロマグノンと結合することにより方向２色性を示

ロイド型の磁性体を使うことで簡単に作ることがしていると考えている。

いると仮定する。光の電磁場は Eできる。図３(a)のように、スピン面に垂直に磁場以上の結果は、サイクロイド型磁性体では分極をかけてやると円錐型の磁気構造となり、スピンの揺らぎに対応するエレクトロマグノンが存在し、

19

(a)

更にその共鳴において巨大な方向２色性が存在す

c

ることを示している。

P

E
H

５. 方向２色性の巨大化

aM

ここで観測されたエレクトロマグノンの方向２bHdc

色性はこれまで報告されているものに比べても非

(b)

(c)

2.0

0.8

1.5
1.0



よる光制御、またテラヘルツによる磁性の制御等、+k

新しい展開を考えると更に巨大な応答が望まれる。
そこで、この方向２色性の巨大化を目指した研究

常に大きいものであるが、エレクトロマグノンに

k

0.5
0.0

0.4
0.0

0

1

を行った[8]。

2
3
Energy (meV)

4

0

1

2
3
Energy (meV)4

図４．(a) bc 面サイクロイド型磁気構造における方

ここで注目しているのは、ペロブスカイト型マ(b)エレクトロマグノンのンガン酸化物のサイクロイド磁性相では２種類の向２色性検出の配置図

エレクトロマグノンが共存しているという点であ方向２色性を示すスペクトルる。図２(c)のモード I は巨大な方向２色性が存在

ルの差分から得られた方向２色性のスペクトルするエレクトロマグノンであり、モード III は方(c)(b)のスペクト

また方向２色性を示す差分スペクトル(図４(c))

向２色性を示さないが交換歪を介した巨大な電場を見るとスピンカレント機構によるエレクトロマ

応答が可能である。この両者の特徴を活かし、巨グノンの共鳴で∆κ∼1 という極めて巨大な値が観大で方向２色性を示すエレクトロマグノンの実現測された。これは ab 面サイクロイドの場合(図３を試みた。サイクロイド面が ab 面内にある時には(d))と比べると３０倍を超える非常に巨大な値で二つのエレクトロマグノンは異なる偏光を示す。

ある。これは、これまでに報告されている最大の一方、サイクロイド面が図４(a)のように bc 面と方向２色性の値と比べても、１桁以上大きい。

なった場合は分極 P の揺らぎであるスピンカレン

このスペクトルは同時に 3 meV 付近にある交換ト機構に由来したエレクトロマグノン(モード I)は歪に由来したエレクトロマグノンにおける方向２

a 軸方向に偏光する。交換歪に由来したエレクト

色性の存在も示している。図４(c)のスペクトルをロマグノン（モード III）は常に a 軸方向に偏光し見ると 3 meV 付近では複雑な形状をしているものており、両者が同じ偏光を有することからモードの、非常に大きな方向２色性が観測されている。

間のカップリングが可能となる。

本来この交換歪によるエレクトロマグノンは方向

bc 面 内 に サ イ ク ロ イ ド 磁 気 構 造 を 持 つ

２色性を示さないが、低エネルギーのスピンカレ

Tb0.5Gd0.5MnO3 という組成のマンガン酸化物を用いて図４(a)の配置で測定を行った結果を示す。
吸収を表すスペクトル図４(b) を見ると 1 meV にント機構に由来したエレクトロマグノンと結合することで方向２色性に対する活性が得られたと考えられる。

巨大なピークがあり、大きな方向２色性が観測さこのように、振動子強度と呼ばれる光学応答のれている。このモードはスピンカレント機構に由大きさがスピンカレント機構に由来したエレクト

来したエレクトロマグノンである。以前の配置(図ロマグノンに移動する一方、方向２色性の性質が３)ではピークの大きさは消衰係数κで 0.04 であっ高エネルギー側の交換歪に由来したエレクトロマ

たので、ここで観測された κ=2 という値は５０倍グノンに移動することで巨大な方向２色性が実現という極めて高い増強効果を示している。

した。

20

(b)

(a)

６. らせん磁性体の磁気カイラル効果
方向２色性を実現するためには、分極 P と磁化H

M を共存させる以外の方法も存在する。例えば、物質にキラリティと磁化が共存している時には、左巻き磁化に平行に進む光に対して方向２色性が現れる。
これは特に磁気カイラル効果と呼ばれている。キ

右巻き

0.3





M

(d) 0.4
+k

0.3
0.2

つく性質を指し、例えばらせん型の構造は右巻き

0.1と左巻きに分けられる代表的なキラリティを有す

0.0
0.0

る系である。磁気カイラル効果では方向２色性の

P

(c)

0.4

ラリティは右手と左手のように鏡像によって結び

M

E

k
0.5

1.0
1.5
2.0
Energy (meV)

0.2
0.1
0.0

2.5

0.0

0.5

1.0
1.5
2.0
Energy (meV)

2.5

図５．(a)左巻き、右巻きの円錐型らせん磁気構

符号は磁化 M の符号とキラリティの符号（右手系造

か左手系か）によって決まる。

(b)光の磁場成文 Hω によって傾いた円錐型

らせん磁気構造とそれによって誘起される動的

図 １ (c) に は サ イ ク ロ イ ド 型 と プ ロ パ ー ス ク

な分極∆P

リュー型の２種類のらせん磁気構造を示している(c)エレクトロマグノンの方向２色性を示すスペクトル

が、このうちプロパースクリュー型は電子的なキ(d)(c)のスペクトルの差分から得られた方向２色性のスペクトル

ラリティを有している。
（ここではスピンカイラリ
ティと呼ばれる量と区別するために電子的という実際にスクリュー型の磁気構造を示す物質で方表現を用いている。）図５(a)にあるように、右巻

向 ２ 色 性 を 観 測 し た 例 を 示 す [9] 。 こ こ で はきと左巻きのスクリューはキラリティによって区

CuFeO2 という組成を持つデラフォサイト型の化

別することが可能である。磁気カイラル効果を実合物に少量の Ga をドープした試料を用いた。こ現するためには、巨視的な磁化 M が必要であるのの Ga のドーピングによりスクリュー型の磁気構で、外部から磁場を印加する必要がある。例えば、造が安定化する。左巻き、もしくは右巻きのスク

らせん軸の方向に磁場を印加すると図５(a)のよ

リュー型の磁気構造を用意し、図５(b)のようにス

うに円錐型のスクリュー構造となり磁化が生じる。 クリューの軸方向に光を入射することで測定を行った。その結果、図５(c)にあるようにスクリュー（注：この時、スピンカレント機構による分極 P型のスピンのキラリティの反転、もしくは磁化 M

はゼロである。
）
この時のエレクトロマグノンによる方向２色性の反転により巨大な方向２色性が観測された。

もやはりスピンカレント機構から理解することが1.3 meV にある共鳴の強度の変化は４倍に達してできる。図５(b)のように、磁化 M に平行に光が入おり、非常に高い効率で方向２色性が実現してい射すると光の磁場成分は円錐型のスクリューを傾ることがわかる。方向２色性を表す∆κのスペクトける。この傾いたスクリューの射影を見るとサイクルの見ると、エレクトロマグノンの共鳴エネル

ロイド型の成分が現れるため、振動分極 ∆P が ∆Mギーである 1.3 meV に鋭いピークを持ち、その大に直交して現れる。スクリューの右巻きと左巻きのきさは ∆κ∼0.3 と非常に大きな値を示している。

入れ替えによって、振動分極の符号が反転すること

以上の結果から、スクリュー型の磁気構造を持もスピンカレント機構から導くことができる。このつらせん磁性体がエレクトロマグノンの共鳴におスクリュー型の磁性体のようにスピンカレントモ

いて巨大な磁気カイラル効果を示すことが明らか

デルによる強誘電分極 P が巨視的に存在しなくてになった。これはらせん磁性体の持つ一般的な光も方向２色性を起こすことは可能である。

学応答の性質であり、様々な物質に適用することが可能である。

21

[3] Y. Tokura and S. Seki, Adv. Mater. 22, 1554

７. おわりに(2010).

本研究ノートでは、我々が近年取り組んでいる
マルチフェロイックスの持つ新しい光応答である[4] H. Katsura, N. Nagaosa and A. V. Balatsky,

電気磁気光学効果について解説した。スピンカレ

Phys. Rev. Lett. 95, 057205 (2005).

ント機構によってらせん磁性体が強誘電体となる[5] H. Katsura, A. V. Balatsky and N. Nagaosa,という新しいマルチフェロイックスの発見は近年

Phys. Rev. Lett. 98, 027203 (2007).

の物性物理の大きな成果であるが、それにとどま[6] A. Pimenov, A. A. Mukhin, V. Yu. Ivanov, V. D.

らずマグノンというスピンの秩序の揺らぎを用い

Travkin, A. M. Balbashov and A. Loidl, Nature

ることで新奇な光応答が可能となることが明らか

Phys. 2, 97 (2006).

になった。電気磁気光学効果が初めて報告された[7] Y. Takahashi, R. Shimano, Y. Kaneko, H.

のは２０年近く前であるが、マルチフェロイック

Murakawa and Y. Tokura, Nature Phys. 8, 121スへの適用以前は最大でも 10−3 程度の光学応答(2012).

の変化という基礎研究の域を出ない現象であっ[8] Y. Takahashi, Y. Yamasaki and Y. Tokura,

た。しかし、エレクトロマグノンの共鳴を用いる

Phys. Rev. Lett. 111, 037204 (2013).

ことで、対象となる物質が格段に広がっただけで[9] S. Kibayashi, Y. Takahashi, S. Seki and Y.

はなく、方向２色性による高効率な光学応答の制

Tokura, Nat. Commun. 5, 4583 (2014).

御が可能な段階に近づいている。

著者紹介

方向２色性は光のアイソレーターの動作そのものであるので、近年大きな注目を集めているテラ
ヘルツ帯で動作するアイソレーターなどの光学素子への展開が期待できる。また、エレクトロマグ

氏名：高橋 陽太郎

ノンは通常の磁気共鳴と比較しても非常に共鳴の

専門分野：光物性、レーザー分光

強度が大きい。これを利用することで、エレクト

東京大学工学系研究科 特任准教授

ロマグノンと方向２色性を介した超高速の磁化・理化学研究所創発物性科学研究センター

分極の制御や、更にはスピントロニクスへの応用

ユニットリーダーも期待できる。
最後に、本研究では低温センターより供給され
氏名：十倉 好紀

た寒剤を用いて実験を行っており、この場を借り

専門分野：物性物理学、応用物理学て深くお礼申し上げます。

東京大学工学系研究科 教授
理化学研究所創発物性科学研究センター
センター長

参考文献
[1] T. Kimura, T. Goto, H. Shintani, K. Ishizaka,
T. Arima and Y. Tokura, Nature (London) 426,
55 (2003).
[2] W. Eerenstein, N. D. Mathur and J. F. Scott,Nature (London) 442, 759 (2006).

22

空間反転対称性が破れた強磁性体における非相反マグノン伝搬
総合文化研究科広域科学専攻相関基礎科学系
井口雄介、小野瀬佳文

物質中の相対論効果に由来するスピン軌道相互作用は、物質界面や極性がある場合のように空間反転対称性が破れているときには、電子のエネルギーバンド構造にスピン分裂を起こすラシュバ効果
やドレッセルハウス効果とよばれる働きをする。同様なバンド構造変化は、実は電子以外の量子でも起こる。ここでは、空間反転対称性が破れた磁性体中のスピン波の量子であるマグノンが非対称になることにより、進む向きの正負でマグノンの伝搬が異なる非相反なマグノン伝搬が起こることを紹介する。

1. はじめに磁性体中の交換相互作用は通常、 − JSi ⋅ S j のよのホール効果は、熱輸送の方法により著者らにうにスピンモーメントの内積の形で書かれ、J のよって最近観測されている[5]。一方で、空間反転

正負により強磁性か反強磁性かが決定されるが、対称性が破れた強磁性体では、一様なジャロシン

スピン軌道相互作用を介したより高次の項にはスキー守谷相互作用が存在するため、ジャロシン

H DM = D ⋅ (S i × Sj ) のようなスピン磁気モーメン

スキー守谷相互作用で定められたある方向に関し

トの外積で書かれるジャロシンスキー守谷相互作ては、マグノンの伝搬距離に比例した位相が生じ用が存在する[1,2]。この相互作用は、局所的な対

るため非対称なマグノン分散が運動量空間に現れ

称性に強く依存しており、i サイトと j サイトの中る [6–9] 。 こ こ で は 、 空 間 反 転 対 称 性 が 破 れ

点に反転対称性がある場合には D=0 となり、反転た LiFe5O8における非対称なマグノン分散に由来対称性が破れている場合の D ベクトルの方向は、する（波数 + k と − k で伝搬が異なる）非相反な

守谷ルールと呼ばれる対称性のルールで決定されマグノン伝搬を、マイクロ波を用いて観測した結る[2]。このジャロシンスキー守谷相互作用はスピ

果を紹介する[10]。

ンを傾かせ、スキルミオン格子のようなトポロジ

2. LiFe5O8 の構造と磁性

カルな磁気構造を発生させる場合もある[3,4]。ス
ピンの動的な性質は、ジャロシンスキー守谷相互作用の影響をより大きく受ける。スピンが完全に平行にそろった強磁性状態においても、スピンの歳差運動の量子波（マグノン）がジャロシンスキー
守谷相互作用によって位相を獲得する。マグノン
が一定のループに沿って有限の位相を獲得する場
合には、その位相は電子でいうアハラノフ・ボー
ム位相とみなすことができるため実効磁場として

図１

働き、ホール効果を起こす。このようなマグノン

23

LiFe5O8 の結晶構造

LiFe5O8 は図１のようなスピネル型の結晶構造

図２には、この系で期待されるマグノン分散を示をしている[11]。この物質はマグネタイト Fe3O4

す。ここでは簡単のために磁気双極子相互作用ののうち、スピネル構造 B サイトにおける Fe3+イオ

影響は無視している。片岡によって理論的に示さ

ンの 1/4 を Li+イオンで置換したものであり、Liれたように[7]、マグノン分散は、放物線的であるの秩序化により鏡映対称が破れていわゆるキラル

が、極小値がΓ点から D/J 程度磁化の方向にシフな結晶構造となっている(空間群 P4132)。Fe イオ

トし運動量空間で非対称になる。このような場合

ンがもつ磁気モーメントは 900 K 付近の高温で強には、+ k と − k でマグノンモードが縮退せずに非磁性（正確にはフェリ磁性）に整列する。この系

相反な伝搬が起こることが期待される。

における実効的なハミルトニアンは連続体近似を

3.実験配置
LiFe5O8 における非相反なマグノン伝搬を観測用いると[7]、J
H = ∫ dr  (∇S )2 + DS ⋅ (∇ × S) + H A + H D + H Z
2

薄膜で作成したコプラナー回路でマイクロ波応答のようになる。ここで J、D、S は、強磁性相互作を観測した。蛇行型アンテナには、電流が２０回用、（一様な）ジャロシンスキー守谷相互用、位置

蛇行した線路にマイクロ波電流が流れている。そに依存したスピン角運動量であり、HA、HD、HZの伝導路の幅と伝導路間の間隔はともに 5 μm には、磁気異方性相互作用、磁気双極子相互作用、なっている。これによって 20 μm 周期の空間的にゼーマンエネルギーを表している。もし、磁気異変動した交流磁場が誘起される。これにより比較

方性相互作用がジャロシンスキー守谷相互作用に的大きな波数におけるマグノンの励起・検出が可するために、図３のような Au 200nm/Ti 50nm の比べて十分小さい場合には、MnSi などで観測されるように長周期のヘリカル磁気構造が生じるが[12]、この系ではおそらくジャロシンスキー守谷
相互作用が磁気異方性エネルギーよりも小さいた
めにヘリカル磁気構造は観測されていない。一方で、磁気異方性もそれほど大きくはなく、どの結晶軸方向に磁場をかけても 0.2 T 程度の小さな磁場で飽和する。このような比較的弱いジャロシン
スキー守谷相互作用の影響も、マグノン励起に顕著に反映される。

図３ 上段: 測定に用いたマイクロ波コプラ
ナー回路。二つの蛇行型アンテナの上にサンプルがのっている。下段:蛇行型アンテナに流図２

れる交流電流 Jによる空間変調した磁場 H。

LiFe5O8 におけるマグノンバンド

24

能 に な る 。 二 つ の ア ン テ ナ の 上 に 2 × 0.9 ×

ルにおける S12 と S21 の差、つまり非相反性の大き0.6 mm3 大きさの直方体のサンプルを置いた。サさをプロットした。LiFe5O8 の場合には 5.5 GHz

ンプルにはフラックス法によって作製した付近で大きな非相反性を示している。一方で、LiFe5O8 とクリスタルシステム社より購入した比Y3Fe5O12 の場合は、どの周波数領域でも非相反性

較対象の空間反転対称な Y3Fe5O12 を用いた。両方が小さくマグノン伝搬に相反性があることが分かのサンプルともに、最も広い面が(111)面で最も長る。図３中の点線で示したようにこの実験配置は

い軸が[1–10]とした。

鏡映対称性があり、Y3Fe5O12 の場合にはその対称

4.実験結果性により S12=S21 が保障されている。LiFe5O8 の場

図４(a)–(d)に、マグノン伝搬によるアンテナ間

合、鏡映対称性はサンプルによって破れており、ΔS 21 を示す。ΔS 21、のマイクロ波透過強度ΔS 12、

これにより、非相反なマイクロ波応答が発現してΔS 12 は、アンテナ１から２の透過強度 S 21、アンいる。つまり、実験配置の非相反性を使ってサン

テナ２から１の透過強度 S 12 からマグノンに関係

プルの鏡映対称性の破れを敏感に測定出来ている。

ない透過強度を差し引いたものである。

図５ LiFe5O8 と Y3Fe5O12 における非相反性
図４ マグノン伝搬によるマイクロ波透過強度。
非相反性の起源を詳しく調べるために非相反性
図 4(a),(b)は LiFe5O8 のサンプルを置いた回路で

S12－S21 の積分強度ΔI12 の角度依存性を図 6 に示測ったもので、図 4(c),(d)は Y3Fe5O12 を置いた回す。積分範囲は、LiFe5O8 は 5 GHz≦f ≦6 GHz路で測ったデータである。(a),(b)は図 3 に示したで、Y3Fe5O12 は 4.3 GHz≦f ≦5.3 GHz である。

磁場角度θが 0°で、(c),(d)はθ=180°のデータ

Y3Fe5O12 のΔI12 は、θ=0°のときほぼゼロでθである。LiFe5O8 は、5 GHz から 6 GHz 付近でに比例して増えていく。このような振る舞いは、

ΔS12 とΔS21 が異なる非相反な応答を示しており、デーモンエシュバッハモードによる非相反性で説

磁場を反転すると非相反性も反転している。一方明される。デーモンエシュバッハモードは、強磁で、Y3Fe5O12 のデータはΔS12 とΔS21 が全領域で性体表面を磁気双極子相互作用によって伝搬するほぼ一致している。図５(a),(b)は、両方のサンプ

表面静磁波モードで磁化と垂直に伝搬する非相反25

モードである。一方でジャロシンスキー守谷相互[6] R.L. Melcher, Phys. Rev. Lett. 30, 125作用による非相反性は、θ=0 で最大を示しそこか(1973).

らθを増加もしくは減少すると、減っていく。

[7] M. Kataoka, J. Phys. Soc. Jpn. 56, 3635

LiFe5O8 の非相反性の角度依存性は、ジャロシン(1987).

スキー守谷相互作用によるものとデーモンエシュ[8] K. Zakeri et al., Phys. Rev. Lett. 104, 137203

バッハによるものの重ね合わせで説明できるよう(2010).

に見える。したがって、θ=0 の大きな非相反性は[9] K. Di et al., Phys. Rev. Lett. 114, 047201

ジャロシンスキー守谷相互作用によるものと理解(2015).

できる。

[10]

Y. Iguchi, S. Uemura, K. Ueno, and Y.

Onose Preprint (arXiv:1505.01942).
[11]

V.J. Folen, Landolt-Bornstein-Group III

condensed matter 4b, 325[12]

Y. Ishikawa, K. Tajima, D. Bloch, and M.

Roth, Solid State Commun. 19, 525 (1976).

著者紹介
氏名： 井口雄介
専門分野： 物性物理学
東京大学総合文化研究科 大学院生

図６：LiFe5O8 と Y3Fe5O12 における非相反性の積分強度
氏名: 小野瀬佳文
専門分野： 物性物理学

５．謝辞

東京大学総合文化研究科 准教授

この研究は、上野和紀、上村宗一朗両氏との共同研究によっている。この研究で用いた磁場は超伝
導マグネットによって発生させており、駒場低温センターが供給した液体ヘリウムを用いている。

参考文献[1] I. Dzyaloshinsky, J. Phys. Chem. Solids 4,
241 (1958).
[2] T. Moriya, Phys. Rev. 120, 91 (1960).
[3] S. Muhlbauer et al., Science 323, 915 (2009).
[4] X.Z. Yu et al., Nature 465, 901 (2010).
[5] Y. Onose et al., Science 329, 297 (2010).

26原子スケール金属ナノギャップ電極の作製と単一分子を介した量子伝導生産技術研究所 光電子融合研究センター
ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構
平川一彦、吉田健治

近年、原子スケールのギャップを有する金属電極を作製することが可能になってきた。作製できるギャップの大きさは 1 nm 以下であり、このナノギャップ電極に単一分子をトラップしてトランジスタを作製することも可能である。さらに、このナノギャップ電極は電磁波を分子スケールまで集光するアンテナとしても機能し、ナノ領域の物性を解明する新しい可能性をもたらしつつある。

1. はじめにヒューズや電球のフィラメントが切れるように、 ニア大学にいた Park, McEuen らは、エレクトロ
金属線に過大な電流を流すと、金属線はやがて断マイグレーションを応用してナノギャップ電極を線してしまうことが知られている。これは通電に作製する手法を提案し、分子エレクトロニクスのよって金属中の格子原子が平衡位置を保てなくな

分野に大きなブレークスルーをもたらした 6,7)。しり原子が流動（マイグレーション）を起こし、やかし、この手法によるナノギャップ電極の作製歩

がて結晶構造自体が破壊されうることを示してい留まりは、当時数%程度であった。

る。このような通電による原子の流動はエレクト

本稿では、エレクトロマイグレーションの機構

ロマイグレーションと呼ばれている 1-4)。エレクトを解明し、精密に制御すれば、原子を１個ずつマロマイグレーションは、様々な金属配線の故障のイグレーションさせることができるようになるこ

原因であり、エレクトロニクスにおいては抑制すとを示す。さらに、作製できるギャップの大きさべき現象であると考えられてきた 5)。

は 1 nm 以下であり、このナノギャップ電極を用

しかし近年、エレクトロマイグレーションを積いて、単一分子を活性層とするトランジスタを作極的に利用し、単一分子を捕獲できるような原子製することが可能となる。さらに、このナノギャッ

スケールのギャップを有する電極対を作製する新プ電極は電磁波を分子スケールまで集光するアン

しい手法が注目を集めている 6-10)。単一分子を活テナとしても機能し、ナノ量子系の電子状態やダ性領域に用いてデバイスを実現しようという考え

イナミクスを解明する新しい可能性をもたらしつ方は分子エレクトロニクスと呼ばれ、エレクトロつあることを示す。

ニクスの黎明期から提案がなされてきた 11,12)。容困難である。フラーレンやベンゼンといった分子

2. エレクトロマイグレーションに関する
従来の物理描像の寸法は一般に非常に小さく、金属電極を接触さエレクトロマイグレーションの主要な機構は、せて接合を作製しようとすれば、1 nm 程度の間隔

通電に伴う Joule 熱の発生と電子風効果と呼ばれまで接近したナノギャップ電極が必要となる。

る 2 つの効果による原子移動であると考えられて易に想像できるように、分子接合の作製は非常に1999 年から 2000 年にかけて、当時カリフォル

きた 1-5)。Joule 熱が発生すると格子の温度が上昇

27

し、原子移動が促進される。一方、電子風効果は、合試料を用いた。図１に試料の走査電子顕微鏡

金属原子が高い電流密度に曝されている状況で、（SEM）写真を示す。図１(a)は断線させる前の金伝導電子が結晶格子と何度も衝突し、やがて原子ナノ接合であり、このようなナノ接合に通電するが格子の平衡位置に戻れなくなる効果であり、電とエレクトロマイグレーションが起こり、やがて流密度 j によって特徴づけられる。一般的にはエ接合が断線して、図１(b)のようなナノギャップがレクトロマイグレーションの生じる臨界電流密度得られる。ただし、何の制御も加えずにただ印加

jC は、銅や金などの良導体で数 MA/cm2 の値が報電圧を増大させると、しばしば爆発的な接合の破告されている 1-5)。

壊を生じ、原子スケールのギャップは得られない。

金属配線が断線するまでの平均寿命を、絶対温印加電圧を徐々に増加させながら金属接合の伝導度 T および電流密度 j に対する依存性として測定度をモニターし、エレクトロマイグレーションをすると、Black の経験式と呼ばれる熱活性化型の制御する必要がある 8,13)。

経験式が得られることが知られている 2)；exp E a k BT jn

(1)

ここで、kB はボルツマン定数である。分母の指数

図１ (a)通電断線前の金属ナノ接合の SEM 像、(b)通電断線法で作製したナノギャップ電極。

n は経験的に 2 に近い値を取る。また Ea は活性化
エネルギーであり、金属配線の種類によって様々な値を取る。寿命の活性化エネルギーが大きいほ

図２(a)に用いた実験系を示す。実験では、系のどエレクトロマイグレーションに耐性のある配線

伝導度をモニターしつつ、印加電圧 V を少しずつであると言われる。

増大させ、断線の予兆を示す伝導度の急激な減少

一般にこのような議論では、電子が金属線を伝が認められたら、印加電圧をできるだけ素早く減導するとき、何度も散乱を経験する拡散的伝導領

少させ、爆発的な断線を防ぐというフィードバッ

域にあることが仮定されており、この散乱の効果

ク制御を行う 13)。

で Joule 熱や電子風効果が発生する。

この制御断線過程において、接合からエレクト

しかし、単一分子デバイスのような原子スケー

ロマイグレーションによって原子が流出し始める

ルの極微細金属ナノ接合では、金属ナノ接合の寸と、接合抵抗 RJ が増大する。この接合抵抗によっ法が電子の平均自由行程よりも短い、いわゆるバて回路中に新たに発生する電圧降下がナノ領域のリスティック伝導領域に入ると考えられる。この接合部分に発生する接合電圧 VJ であり、VJ = RJI

ような散乱のない原子スケールの金属ナノ接合にの関係が成り立つ。図２(b),(c)は接合伝導度 GJ

おいては、全く別の機構が関与しているのではな（=1/RJ）と接合電圧 VJ の時間発展を示したもの

いかというのが、我々の問題意識である。

である。伝導度の値は、量子化伝導度 G0  2e2/hを単位にしている（e は電荷素量、h はプランク定3. フ ィ ー ド バ ッ ク 通 電 断 線 に よ る ナ ノ
ギャップ形成数）。金接合の場合、原子ひとつで架橋された接合の伝導度が量子化伝導度に等しいことが知られて実験には、２層レジストを用いた電子線リソグ

おり、図２(b),(c)の縦軸の数値は、接合の狭窄部分

ラフィと傾斜蒸着法によって作製した金属ナノ接の断面にある原子数にほぼ等しい。

28

（接合の原子数にして 50 原子程度まで）、VC2/RJ
が一定値になるように VC が増加することがわかる。VC2/RJ は電力の次元を持ち、接合での消費電力がある臨界値 PC （=VC2/RJ）に達した時、エレクトロマイグレーションが進行することを示している。このことは、金属線のエレクトロマイグレー
ションが、接合における Joule 発熱に伴う温度上(a)

昇によるものであるという従来の描像と整合する
1–5,8,9)。
しかし図３のR J ≿ 0.02R 0 の領域のように、

金属ナノ接合の断面にある原子数が 50 以下の極微領域に入ると、VC は消費電力一定の法則に従わなくなり、RJ が増大してもそれほど変化しなくな
る。
(b)

(c)

図２ (a) 通電断線時に系に印加した電圧 V と系のコンダクタンス G の全体のトレース。挿入図は測定系の回路図。(b),(c)接合部のコンダクタンス
GJ と接合電圧 VJ 時間変化の様子。(b) GJ ≈ 200G0(phase I)の付近、(c) GJ ≈ 40G0 (phase II; ballistic
regime) の付近（参考文献 13 より）
図２(b)は金接合の狭窄部分が 200 原子程度の比較
的伝導度の大きな領域、図２(c)は 40 原子程度の伝導度の小さな領域について示している 13)。接合

図３ エレクトロマイグレーションの臨界電圧 Vc
を接合抵抗 RJ の関数としてプロットしたもの。測定温度：（青）4.2 K、（赤）300 K

電圧 VJ はフィードバック制御を反映して、鋸波状の時間発展をする。それに応じて、接合伝導度 GJ
も徐々に小さくなり、爆発的な断線を防ぐことが

4. 原子スケール金属接合におけるエレク
トロマイグレーションの素過程できている。
また図２を見ると、接合伝導度 GJ が減少するときの接合電圧 VJ の値が、ほぼ一定値を取っている

図４は、バリスティック領域における単一原子

ことがわかる。そこで、接合電圧 VJ の極大値をエ

マイグレーションの頻度を、臨界電圧を階級としレクトロマイグレーションの臨界電圧 VC と呼ぶてヒストグラムに表したものである。これより、ことにしよう。

バリスティック伝導領域にある金のナノ接合にお

図３は、室温と 4.2 K に冷却した場合について

いては、接合電位差が 0.4 V に達した時に原子の臨界電圧 VC の接合抵抗 RJ に対する依存性を示し

マイグレーションが最も頻繁に生じることがわかたものである。RJ は量子化抵抗 R0 ≡ h/2e2 を単位る。この臨界電圧 0.4 V の背景にある物理は何でにプロットしてある。これをみると、エレクトロ

あろうか。

マイグレーションには少なくとも 2 つのフェーズ

エレクトロマイグレーションにおいては、原子が存在することがわかる。図３において、は金属表面の、あるサイトから別のサイトに移動

RJ ≾ 0.02R0 のような接合が比較的太い領域ではする。その時、ある大きさのエネルギー障壁（表29

面拡散ポテンシャルと呼ばれる）を越えなければトロマイグレーションに関して様々な興味深い点ならない。この表面拡散ポテンシャル（Ed）の値が見えてくる。すぐ思い浮かぶことは、ヒストグ

は、走査トンネル顕微鏡などにより様々な金属表

ラムのピークが現れる電圧でバイアスすることに面に対して調べられており、金表面の場合は約

よって原子１個ずつのマイグレーションを起こす

0.4 eV である 14)。図４で得られたヒストグラムのことができ、精密なナノギャップの加工が可能に

ピーク（0.4 eV）が、表面拡散ポテンシャルにほなることである。

ぼ等しいということは、図４の挿入図に示すように、1 個の伝導電子がそのすべてのエネルギーを 1

5. 通電断線法を用いた単一分子トランジ
スタの作製

個の原子に渡すことで、単一原子の表面拡散を励

2000 年に Park らはエレクトロマイグレーショ

起していることを示している 13)。

ンを用いてナノギャップ電極を作製し、単一の C60
分子を伝導層とするトランジスタ構造を実現した 7)。この成果は単一分子デバイスの研究に大きなインパクトを与えた。例えば、酸化膜を形成した Si 基板上に、図１に示すような極微金属ナノ接合を作製し、さらに分子を塗布し、その後、通電断線させると、ナノギャップ部分に単一の分子が捕獲され、単一分子トランジスタ（SMT）となることがある。さらに基板をゲートとして用いると、
図４ GJ < 45G0 の領域の臨界電圧 Vc のヒストグ
ラム。挿入図は、Ed 以上の運動エネルギーを持った１個の電子が１個の金原子の拡散を励起する模式図。

単一電子トランジスタ的な伝導特性を得ることができる。
試料は図１に示したような微小金属接合である。
断線前の金属ナノ接合表面に、溶媒に溶かした分

単一電子が単一原子のマイグレーションを励起子を塗布し、試料とする。クライオスタットに試するという素過程は、非常に明快である。バリス

料を装着し、約 4.2 K に冷却した後、フィードバッ

ティック領域においては、電子は散乱を受けずにク通電断線を行い、単一分子トランジスタを作製

接合を通過してしまうものの、個々の伝導電子がする。我々のグループでは、通電断線プロセスは原子の表面拡散を励起できるだけのエネルギーを

PC を用いてほぼ自動化しており、約 10 分で精密放出しうるようになれば、たった一回の電子の衝な断線が完了する。また爆発的な断線は完全に抑突でも原子のマイグレーションを引き起こすこと制され、ナノギャップ電極が作製できる歩留まりができるのである。またこのような素過程は、バ

は、ほぼ 100%である。

リスティック伝導領域のエレクトロマイグレー

我々は通電断線法を用いて原子スケールの金属ションにおいて、接合部で Joule 熱に起因する温ナノギャップ電極を作製し、SMT を作製している。

度上昇がほとんど見られないという実験結果や 10)、

特に、我々が開発したフィードバック通電断線プ

断熱的な過程では単一原子のマイグレーションがロトコルを用いて、強磁性金属である Ni を電極にほとんど励起できないことを示す理論予測とも整用いた C60 SMT の作製に世界で初めて成功し合している 15)。

た 16)。得られた Ni/C60/Ni SMT に磁場を印加し、電極の磁化の向きによるトンネル磁気抵抗（TMR）

このような解析を通じて金属ナノ接合のエレク30を測定したところ、強磁性電極のスピン分極した成されると考えられている。I-V 特性に現れた大状態密度から予想される+20%程度の正の TMR できなヒステリシスは、このダイポールに起因して、はなく、図１に示すように−100%程度の大きな負

Ce@C82 分子が電極間で回転するためであると考の TMR が観測された。
塚田グループによる Ni/C60

えている。

分子界面付近の第一原理計算から、Ni 表面と C60

また、図６に示すように、C84 SMT のクーロン

分子が混成することにより、フェルミ面近傍の分安定化ダイアグラムには、クーロン閉塞の境界に子軌道に Ni 電極の多数スピンと反強磁性的な配平行にケージ分子の内部振動モードの励起（約置となる状態が C60 分子内に形成され（図５(b)）
、20 meV）が見られたが、Ce@C82 分子では約 5 meV

そのためにスピンフィルター効果が発生し、大きの間隔で多数の励起モードが観測された 17)。このな負の TMR が得られることがわかった。このこ

励起モードの起源は明らかではないが、Ce 原子はとは、電極と分子のミクロな界面の電子状態がス

C82 ケージ内で非調和的に振動していることが理

ピン依存伝導の起源になっていることを示してお論的に予測されており、観測された振動モードはり、今後の分子スピントロニクスに大きな可能性

ケージ内での Ce 原子の振動を検出したものではをもたらすものである。

ないかと考えている。このことは、電流−電圧測定

Ni/C60 SMTという基本的な測定でも、原子１個の振る舞いをParallelup downup downup down検出できることを示しており、単一原子を利用しEFたエレクトロニクスの基礎を築くものである。
Ni16

Ni/C60hybridized state

Ni

Anti-parallel
14

12

10
-100

up down-95%

up downup down

EF

B

C84

300 mK
0

Magnetic Field (mT)

(a)

100

Ni

Ni/C60hybridized state

Ce@C82VSD (mV)

Resistance (MΩ)

18

Ni

(b)

図５ (a) Ni/C60/Ni 単一分子トランジスタのトン
ネル磁気抵抗、(b)Ni 電極および C60 分子内のスピン分解状態密度の模式図

VG (V)(a)(b)

図６ (a)単一 C84 ケージ分子トランジスタのクー
ロン安定化ダイアグラム。19–22 meV に観測される励起準位はケージ分子の breathing mode。(b)単一 Ce@C82 分子トランジスタのクーロン安定化
ダイアグラム。約 5 meV 間隔の多数の励起準位が観測される。

我々は、単一分子トランジスタの作製技術を応用して、機能分子の伝導にも着手している。我々
は、Ce 原子１個を内包した Ce@C82 SMT の作製を行うとともに、比較のために C84 ケージ分子
SMT の作製も行った 17)。500 mV までの比較的大6. 単一分子とテラヘルツ電磁波の相互作用

きな電圧を印加し、電流−電圧（I-V）特性を測定

単一分子トランジスタにおける特徴的なエネル

したところ、Ce@C82 SMT においては 100 mV 以

ギーや時間（分子振動周波数、エネルギー準位間上の電圧を印加すると I-V 特性に大きなヒステリ

隔、トンネル時間など）はテラヘルツ（THz）電シスが現れるのに対して、C84 SMT においては全磁波の領域にあり、単一分子と THz 電磁波の相互くヒステリシスが見られなかった。Ce@C82 分子内作用は物性解明や伝導制御に非常に重要である。

では、Ce 原子は中心からシフトした位置に存在す

しかし、THz 電磁波の波長は 100 m 程度あり、ることが知られており、電気的なダイポールが形回折限界のために、1 nm 程度の寸法の単一分子と

31

は相互作用が極めて小さい。

なる基板上でのナノギャップ電極の作製におけるそこで我々は、単一分子トランジスタにおける制御性を飛躍的に高めるものであり、今後単一分

ソース・ドレイン電極を THz ボウタイアンテナと子トランジスタ構造の進展に大きく貢献するであして用いることにより（図７(a)参照）、2.5 THz

ろう。また、ナノギャップ電極を用いることによの単色 THz 電磁波を単一 C60 分子に集光し、そのり、長波長の THz 電界をサブ nm まで集光し、単伝導の様子調べた（図７）。図７(c)に示すように、一分子とも強く相互作用させることができること

THz 電磁波の強度が数十 mW 程度になると、THzがわかった。この知見は、ナノ領域の THz 分光と非照射時のコンダクタンスラインの上下 10 mV

いう新しい研究分野を拓くものである。

のところに新しいコンダクタンスラインが観測されるようになる。一般に、量子準位上にある電子
Sourceが強い単色交流電界にさらされると、その光子を吸収・放射することにより、光子エネルギーhで

THz

Gate

等間隔な仮想的な準位が形成され（フォトンサイ

Drain

ドバンド）
、この準位を経由する新しいトンネル経(a)路が形成される（光子支援トンネル効果）。図７(c)

PTHz = 0 mW

30

10 μm

200 nmPTHz = 16 mW, f = 2.5 THz

で観測された新しいコンダクタンスピークは、単VSD (mV)

一分子を介して THz 電磁波による光子支援トン
ネル効果が観測されたことを示している 18)。
さらに、その光子支援コンダクタンスを解析す

10 meV0

10 meV

ることにより、分子が感じる THz 電界の大きさを(b)見積もったところ、100 kV/cm 以上の THz 強電界

-30
-5.0

が誘起されていることがわかった。試料に入る前(c)

VG (V)-3.0-5.8

VG (V)-3.8

図７ (a)実験に用いた単一分子トランジスタの電極構造、(b)THz 電磁波を照射しないときの単一
C60 分子トランジスタのクーロン安定化ダイアグ
ラム、(c)16 mW の 2.5 THz 電磁波を照射したときのクーロン安定化ダイアグラムの THz レーザの電界が数 V/cm 程度なので、電界増強は 105 倍にも上る。この非常に大きな電界増
強は、ナノギャップ電極のプラズモン効果によるものであり、今後 1 nm 以下の極微領域の非線形ダイナミクスの研究や分子スケールの電子状態の解明に非常に有効なツールとなるであろう。

謝辞

7. まとめ

教授と研究室メンバーの方々に有益な議論を頂い

本研究の遂行にあたり、東北大学 WPI の塚田捷

これまで、単一分子伝導は機械的ブレークジャ

た。また、本稿のデータは、研究室の杜少卿、岡ンクション法や STM などを用いて、詳細な検討

村直柔、坂田修一、梅野顕憲、柴田憲治の諸氏とがなされてきたが、これらの手法は基本的に２端の実験の成果である。この場を借りて感謝申し上子計測を行うものであり、得られる情報は限られげる。本研究は、科学技術振興機構 CREST プロ

る。電気化学ポテンシャルを制御するための第３

グラム、文部科学省イノベーションシステム整備の電極であるゲートを作製することは非常に本質

事業、キャノン財団､カシオ財団の支援を受けて行的である。本稿で述べた原子スケールでのエレク

われた。

トロマイグレーションの機構の解明は、ゲートと32

Umeno, M. Tsukada, and K. Hirakawa,

参考文献
1)

Nano Lett. 13, 481 (2013).

H. B. Huntington and A. R. Grone, J. Phys.
Chem. Solids 20, 76 (1961).

2)3)17) N. Okamura, K. Yoshida, S. Sakata, and K.

J. R. Black, IEEE Trans. Electron Devices

Hirakawa, Appl. Phys. Lett. 106, 043108

16, 338 (1969).

(2015).

P. S. Ho and T. Kwok, Rep. Prog. Phys. 52,

18) K. Yoshida, K. Shibata, and K. Hirakawa,

301 (1989) and references therein.
4)

Phys. Rev. Lett. 115, 138302 (2015).

M. Etzion, I. A. Blech, and Y. Komem, J.
Appl. Phys. 46, 1455 (1975).

著者紹介

5)

http://www.itrs.net/

6)

H. Park, A. K. Lim, A. P. Alivisatos, J. Park,

氏名：平川一彦

and P. L. McEuen, Appl. Phys. Lett. 75, 301

専門分野：ナノ物理(1999).

東京大学生産技術研究所教授；ナノH. Park, J. Park, A. K. L. Lim, E. H.

量子構造、テラヘルツ物性に興味をAnderson, A. P. Alivisatos, and P. L.

持っています7)

McEuen, Nature (London) 407, 57 (2000).
8)9)D. R. Strachan, D. E. Smith, D. E. Jonston,T. H. Park, M. J. Therien, D. A. Bonnell,

氏名：吉田健治

and A. T. Johnson, Appl. Phys. Lett. 86,

専門分野：ナノ物理

043109 (2005).

東京大学生産技術研究所助教；金属A. Houck, J. Labaziewicz, E. K. Chan, J. A.

ナノ構造の応用に興味を持っていますFolk, and I. L. Chuang, Nano Lett. 5, 1685
(2005).
10) Z. M. Wu, M. Steinacher, R. Huber, M.

Calame, S. J. van der Molen, and C.
Schonenberger, Appl. Phys. Lett. 91,
053118 (2007).
11) R. P. Feynmam による 1959 年米国物理学会

APS Annual Meeting における講演
12) Aviram and M. A. Ratner, Chem. Phys. Lett.

29, 277 (1974).
13) A. Umeno and K. Hirakawa, Appl. Phys.

Lett. 94, 162103 (2009).
14) S. Günther, A. Hitzke, and J. Behm, Surf.

Rev. Lett. 4, 1103 (1997).
15) M. Araidai and M. Tsukada, Phys. Rev. B 80,

045417 (2009).
16) K. Yoshida, I. Hamada, S. Sakata, A.

33

DNA グリコシラーゼ活性により作用を示す制限酵素の発見
農学生命科学研究科

応用生命化学専攻
宮園 健一、田之倉

食品生物構造学研究室
優

制限酵素とは、配列特異的に DNA を切断する活性を持つ酵素群であり、遺伝子組換え実験等の生化学実験で多用されている。既存の制限酵素による DNA の切断は、DNA の主鎖を構成するホス
ホジエステル結合の加水分解反応によって引き起こされることから、制限酵素は「制限エンドヌク
レアーゼ」とも呼ばれていた。本研究では、制限酵素の一つである超好熱古細菌 Pyrococcus abyssi
由来 R.PabI が、エンドヌクレアーゼ活性ではなく、DNA 中の N-グリコシド結合を加水分解する
DNA グリコシラーゼ活性によって作用する酵素であることを明らかにした[1]。エンドヌクレアー
ゼ以外の活性を用いて作用を示す制限酵素の存在はこれまでに全く知られておらず、本研究により明らかになった「制限 DNA グリコシラーゼ」の存在は、細菌がもつ配列特異的な DNA 分解機構について、これまでの常識を覆すものである。

１．制限酵素とはの作用により速やかに分解されるため、制限修飾

制限酵素は、二本鎖 DNA の特定の配列を認識系を持つ細菌類は自己の DNA を外敵から保護す

し、DNA の切断を行う活性を持つ。制限酵素は本ることができる（図１）。制限酵素という名称は、来、細菌類がウイルス等の外来 DNA の侵入を防これらの酵素がウイルスの活動を「制限」する働

ぐために持つ自己防御機構に関わる酵素として発きを細胞内で示すことから名づけられた。細菌が見された酵素群であり、配列特異的に DNA を切持つこのような自己防御機構は、制限修飾系と呼断する制限酵素と、同じ配列を認識し自己の DNA

ばれている。

を制限酵素による切断から保護する修飾酵素

既存の制限酵素による DNA の切断は、DNA の（DNA メチル化酵素）が共同的に作用することに主鎖を構成するホスホジエステル結合の加水分解

よりその機能を発揮している。つまり、配列特異によってもたらされるため、その活性から制限酵的な DNA メチル化酵素によって保護されていな

素 は 制 限 エ ン ド ヌ ク レ ア ー ゼ （ restrictionいウイルス等に由来する外来 DNA は、制限酵素

endonuclease）とも呼ばれている。制限酵素の中でも、その認識部位内あるいはそのごく近傍の特定部位において二本鎖 DNA の切断反応を触媒す
る II 型制限酵素は、二回対称軸を持ったホモ二量体を形成し、Mg2+を始めとする二価イオン依存的に DNA の加水分解反応を触媒する。II 型制限酵素によって認識される DNA 配列は酵素の種類によって異なるが、その構造的な特徴により、多くの II 型制限酵素は回文配列を認識する。これまでに多くの II 型制限酵素が同定され、切断する配列の異なる多数の制限酵素が実験用試薬として販売

図１：細菌の持つ制限修飾系

34

されており、遺伝子組換え実験を始めとする生物学の多くの分野で多用される酵素群となっている。
近年の生物学の発展において制限酵素が果たした役割は極めて大きい。

２．新奇制限酵素 R.PabI
制限酵素遺伝子及び、DNA メチル化酵素遺伝子からなる制限修飾遺伝子複合体は、利己的な遺伝子としてふるまい、ゲノム間を水平伝搬すること

図２：R.PabI の立体構造が知られている。このような制限修飾遺伝子複合

規構造（half pipe フォールド）を形成することを体の特徴に着目し、近縁種のゲノム比較をするこ

明らかにした[3]。この新規 half pipe フォールドとによって発見された制限酵素が、超好熱古細菌

は強い正電荷を有していたため、R.PabI はこの領

Pyrococcus abyssi 由来 R.PabI である[2]。R.PabI

域を用いて、負に帯電した二本鎖 DNA を認識すは 226 アミノ酸（分子量：26011）からなるタるであろうと推測されたが、R.PabI が実際にどのン パ ク 質 で 、 二 本 鎖 DNA に 含 ま れ る

ように塩基配列を認識し、二本鎖 DNA の切断反5’-GTAC-3’配列を認識し、DNA を切断する活性応を触媒するかに関しては不明なままであったを持つことが知られていた。R.PabI とアミノ酸(図２)。そこで本研究では、half pipe フォールド

配列上の相同性がある酵素は非常に限られた生物

による DNA 配列の認識機構及びその切断機構を種のみで保存されており、一部の古細菌と、ヘリ解明するため、R.PabI と認識配列（5’-GTAC-3’）

コバクター属やカンピロバクター属といった病原を含む二本鎖 DNA の複合体構造を決定した[1]。

菌でのみ保存されている。R.PabI は、既存の制限
酵素や機能既知のタンパク質とはアミノ酸配列上

３．R.PabI による DNA 認識・切断機構の相同性を持たなかったため、発見された当初は本研究により決定した R.PabI-DNA 複合体の立

どのような機構によって R.PabI が DNA を認識し切断を行うかに関しては全く知られていなかった。
しかしながら、R.PabI は一般的な DNA 分解酵素

体構造を図 3ab に示す。当初から予想されていた通り、R.PabI はその塩基性に富んだ half pipe フ
ォールド領域を用いて二本鎖 DNA の認識を行っや多くの制限酵素とは異なり、60℃以上の高温環ていた。しかしながら、R.PabI は DNA 二重鎖の境下において Mg2+イオン非依存的に DNA を分解

構造を大きく変化させ、他のタンパク質-DNA 複できる活性を持つことが知られており、その特徴

合体では見られないような特徴的な機構により配的な機能に関わる構造基盤の解明が求められてい

列特異的な DNA 結合を行っていることが明らかた。

になった。R.PabI は、その特徴的な β8-β9 ループ

我々の研究室では、R.PabI による二価金属イオを用い、二本鎖 DNA の副溝側から DNA 二重螺旋

ン非依存的な DNA 切断機構を構造学的な観点かの中に侵入し、認識配列（5’-GTAC-3’）に含まれら 解 明 する た め、 X 線結 晶 構 造解 析 法に よる

る二つの塩基（グアニン及びアデニン塩基）を

R.PabI の立体構造解析を行ってきた。2007 年に

DNA 二重鎖の外側に反転させることにより、塩基は R.PabI 単独構造の構造解析に成功し、R.PabI

配列の認識を行っていた（図３c）。また、二つのは二量体を形成し、その接触面領域において、既塩基の反転により生じた、塩基対を形成しない二存のタンパク質立体構造とは相動性を持たない新つの塩基（チミン及びシトシン塩基）
は、主に β8-β935

R.PabI-DNA 複合体構造解析の結果から示唆されたことは、R.PabI は DNA 中の N-グリコシド結合を加水分解する DNA グリコシラーゼに相当する活性を持つ酵素であるということであった。これまでに DNA グリコシラーゼは、損傷等を受けた部位を特異的に認識・分解することにより、DNAの修復を行う酵素として知られており、R.PabI のように、特定の配列を認識し活性を示す DNA グ
リコシラーゼはこれまでに知られていない。また、
R.PabI のように二量体を形成し作用する DNA グ
リコシラーゼも知られていない。今回の構造解析の結果から、制限酵素 R.PabI は、エンドヌクレア
ーゼではなく、新規の配列依存的 DNA グリコシ
ラーゼであることが示唆された。
R.PabI による配列依存的な DNA グリコシラー
ゼ活性を確認するため、様々な生化学的な手法を
図３：R.PabI-DNA の複合体構造

用いて DNA グリコシラーゼ活性測定を行った。

a, X 線結晶構造解析法により決定した

DNA グリコシラーゼの作用により生じた脱塩基

R.PabI-DNA 複合体構造（3.0Å）b, a の図を部位（AP サイト）は構造的に不安定であるため、横から見た図。DNA の電子密度（composite

アルカリ処理により容易に切断される。この特徴

omit map, 2 σ）を青色のメッシュで示していを利用し、R.PabI で処理した DNA の長さをアルる。c, β8-β9 ループによる塩基の反転。

カリ処理の有無に応じて調べたところ、アルカリ処理を行った場合でのみ DNA の特異的な切断がループに存在するアミノ酸残基によって配列特異検出された（図４a）。この結果は、R.PabI の処理

的に認識されていた。R.PabI-DNA 複合体構造でによって、基質 DNA 中に AP サイトが部位特異見られた、DNA 二重螺旋の外側への塩基の反転は、的に生まれたことを示唆している。次に、R.PabI

DNA の塩基に対して特異的に作用する DNA メチの作用により DNA 鎖中から遊離した化合物を高ル化酵素や DNA グリコシラーゼの構造中でよく速液体クロマトグラフィー（HPLC）により分析みられるが、今回の構造解析で見られたような 4したところ、アデニンの遊離が確認できた（図４b）。

塩基対にわたる領域における塩基の反転は、

この結果は、R.PabI が何らかの触媒作用により、

R.PabI-DNA 複合体構造で初めて観察された特徴

DNA 鎖からアデニンを遊離させることができる的な構造である。

ことを示唆している。最後に、R.PabI 処理を行っ

今回決定した R.PabI-DNA 複合体構造の中で最た DNA の分子量をマトリックス支援レーザー脱も驚くべき点であったのは、R.PabI 認識部位に含離イオン化質量分析法（MALDI-TOFMS）によりまれるアデニン塩基の N-グリコシド結合が、結晶解析したところ、反応前の DNA と比較して、一中で分解されていたことであった（図３c）。制限つのアデニンが取れ、一つの水酸基が結合した分酵素は、DNA 主鎖に存在するホスホジエステル結子に相当する分子量のピークが検出された（図４

合を加水分解する反応を触媒する酵素（エンドヌc）。これは、R.PabI による DNA からのアデニン

クレアーゼ）であるとこれまで考えられてきたが、36

塩基の遊離が、加水分解反応によって引き起こさいた。また、ピロリ菌の有する R.PabI ホモログタ

れることを示している。
以上の結果により、
R.PabI

ンパク質（R.HpyAXII）は、外来 DNA の取り込は二本鎖 DNA 中の 5’-GTAC-3’という配列を認識みを制限する、いわゆる「制限酵素」としての活し、その配列内のアデニン塩基の N-グリコシド結性を持つことが知られている[4]。R.PabI 型の制限

合を加水分解する反応を触媒する配列特異的酵素によってもたらされる DNA の分解は、異なDNA グリコシラーゼであることが証明できた。

る二種類の機構によって引き起こされると考えられる（図５）。一つ目は、R.PabI の DNA グリコ
シラーゼ作用によって生まれた AP サイトの自己分解である。構造的に不安定な AP サイトは、前述のとおりアルカリ処理によって容易に分解されるが、通常の pH 条件でも徐々に分解される。この分解速度は熱によって加速される。R.PabI が60℃以上の条件でのみ DNA 切断活性を示すという先の研究による知見は、AP サイトの熱分解のために高温環境が必要であったためだと考えられる。
実際 R.PabI による DNA グリコシラーゼ活性（AP
サイトを生じさせる活性）は、60℃以下の常温環
境下でも十分に起こることが確認されている。また細胞内においては、R.PabI の作用によって生じた AP サイトは、宿主細胞が元来有する AP サイ
ト特異的 DNA 分解酵素の作用によって速やかに分解される。37℃付近の常温で生育する R.PabI
ホモログタンパク質 R.HpyAXII が外来 DNA を処

図４：R.PabI による DNA グリコシラーゼ活性a, R.PabI処理によって生じたAPサイトはアルカ
リ処理によって分解される。b, R.PabI反応産物のHPLC解析。c, R.PabI産物のMALDI-TOFMS
解析。

４．制限酵素としての R.PabI の働き

本研究により、R.PabI は DNA 中のN -グリコシド結合を配列特異的に加水分解する酵素であることが示された。しかしながら、これまでの研究では、R.PabI 及びそのホモログタンパク質は、DNA

図５：制限DNAグリコシラーゼ R.PabI によるを配列特異的に切断する活性を持つと報告されてDNA 切断機構

37

理する際には、このような他酵素との共同的な作

Uchiyama,

I.,

Bujnicki,J.,

Kawakami,

B.,

用が重要な役割を果たしていると考えられる。

Tanokura, M. and Kobayashi, I. (2005) Discovery
of a novel restriction endonuclease by genome
comparison and application of a wheat-germ-

５．今後の展望
R.PabI は、既存の制限酵素とは全く異なる機構

based cell-free translation assay: PabI (5'-GTA/C)（DNA グリコシラーゼ活性）によって DNA に損from the hyperthermophilic archaeon Pyrococcus

傷を与える新規制限酵素（制限 DNA グリコシラ

abyssi. Nucleic Acids Res, 33, e112.

ーゼ）であることが示された。制限 DNA グリコ[3] Miyazono, K., Watanabe, M., Kosinski, J.,

シラーゼの作用によって切断される DNA 鎖にはIshikawa, K., Kamo, M., Sawasaki, T., Nagata, K.,

脱塩基部位が存在するため、通常の制限酵素で切Bujnicki, J.M., Endo, Y., Tanokura, M. et al. (2007)

断された断片のように、二つの DNA 鎖をつなぎ

Novel protein fold discovered in the PabI family of

合わせる活性を持つ DNA リガーゼによる修復を

restriction enzymes. Nucleic Acids Res , 35, 1908–

受けづらい。そのため、R.PabI 型の酵素がかかわ

1918.

る制限修飾系は、一般的なヌクレアーゼ型の制限[4] Humbert, O. and Salama, N.R. (2008) The

修飾系よりも、より強く外来 DNA の取り込みを

Helicobacter

制限できると期待される。実際、R.PabI のホモロ

modification system limits exogenous DNA uptake

pylori

HpyAXII

restriction-

グタンパク質は、外来 DNA を取り込みやすい性

by targeting GTAC sites but shows asymmetric

質を持つピロリ菌等に多く保存されており、これconservation of the DNA methyltransferase andらの菌の自己防御機構として重要な役割を果たし

restrictionていることが想像される。R.PabI による配列非特

endonuclease components.

Acids Res, 36, 6893–6906.

異的な DNA 認識のためには、二本鎖 DNA の大きな構造変化が必要である。現在我々は、R.PabI が著者紹介

この大きな構造変化をどのように引き起こすかに関する知見を得るため、R.PabI-DNA 複合体の解

氏名

宮園 健一

析を続けている。

専門分野

構造生物学

本研究におけるサンプルの凍結保存等に重要な役割を果たした寒剤の供給に関して、低温センターの皆様に大変お世話になりました。この場を借氏名りて深く感謝申し上げます。

田之倉 優

専門分野

構造生物学

参考文献

老化の分子機構[1] Miyazono, K., Furuta, Y., Watanabe-Matsui, M.,

食品の NMR

Miyakawa, T., Ito, T., Kobayashi, I. and Tanokura,
M. (2014) A sequence-specific DNA glycosylase
mediates restriction-modification in Pyrococcus
abyssi. Nat Commun, 5, 3178.
[2] Ishikawa, K., Watanabe, M., Kuroita, T.,

38

Nucleic

キラリティーを有する天然生理活性物質の合成研究
農学生命科学研究科・応用生命化学専攻・有機化学研究室
石神 健、加藤智子、若森晋之介、影治秀晃、渡邉秀典
生物活性を有する天然有機化合物にはキラリティーを有するものが多い。こうした化合物の合成
では、化合物に適した効率的な骨格構築法の立案が重要であるだけでなく、高い鏡像体純度で合成することも必要である。キラルな低分子化合物を如何に合成したかに焦点を当て、最近の研究成果をいくつか紹介する。

1. はじめに
我々の研究室では生物活性を有する天然有機化
合物の合成研究を主なテーマとして研究を行っている。つまり、様々な有機合成の反応を積み重ね、様々な骨格を有する有機化合物をつくりあげるの図１．キラリティーのイメージと鏡像体の例

であるが、その目的は様々であり、2000 年の本年報にて紹介させて頂いた[1]。合成した化合物は中2. 合成による天然物の構造研究

間体にせよ最終目的物にせよ、NMR による構造

Litseaone A はハマビワ属の樹皮から単離され確認・決定が不可欠であるので、その維持のためたカルコン誘導体で、種々のがん細胞に対して細に液体ヘリウムや液体窒素を低温センターから供胞毒性を示すが、その立体化学は相対・絶対配置

給頂いている。また液体窒素は、反応温度を調節

ともに不明であった[2]。また構造決定は主に二次するための寒剤としても必要である。本稿ではこ元 NMR により決定されているが、シクロヘキサ

うした天然物の合成研究の中から、キラリティー

ジエノン環の上下をつなぐ相関が観測されておらに着目しながらいくつかの例を紹介したい。

ず、合成による平面構造の確認も必要と考えた。
本節では、Litseaone A の合成による構造研究につ生物活性を有する天然有機化合物の合成においいて紹介する。

ては、その立体化学が重要な意味を持つことが多い。有機化合物の中にはキラリティーを有するもまず、Litseaone A の提唱構のが多いが、これは一般に右手と左手になぞられ造として可能な二種のジアスて説明される（図１：実際、chiral（キラル）の語

テレオマーをラセミ体として源はギリシア語の cheir（手）である）。つまり平

合成した。合成経路は省略するが、合成した両ジ面的な構造は同一でありながら決して重ね合わせ

アステレオマーともに NMR が天然物とは一致せることの出来ない鏡像の関係にある立体異性体のず、提唱構造の誤りが明らかとなった。

存在である。鏡像体同士の物理化学的性質は基本

そこで、初めに述べたとおり、シクロヘキサジ

的に同一であるが、互いに逆の旋光性を示す。まエノン環の上下のつながりを反転させた化合物 6た生物活性物質の場合には、鏡像体間で活性に違もしくは 7（互いにジアステレオマーの関係にあいが見られることも多いため、キラリティーを持る）を新たな推定構造として提案し、ラセミ体合

つ物質の合成においては、立体選択的に高い鏡像成を行った（図２）。フロログルシノール誘導体 1

体純度で目的物を合成することが重要である。

から出発し中間体であるアルコール 3 の酸化的脱39

芳香化を鍵反応として、スピロエポキシドを二種のジアステレオマー4 および 5 の 1:1.5 混合物として合成した。これらを分離後、それぞれをベンズ
アルデヒドとのアルドール縮合を経て、二種の推定構造 6 および 7 をラセミ体として合成できた。
合成した両者の相対立体配置はメトキシ基とのNOE 相関により決定したが、このうち 6 の NMR

図３．Litseaone A の可能な四種の互変異性体

スペクトルが天然物と良い一致を示した。以上の（6a-6d）と重水素化実験による化学シフト値

ラセミ体合成により Litseaone A の構造は、相対立体配置も含めて 6 の様に訂正することができた。

の高磁場シフト（6c-A: 単位 ppb）
、エノール
性水酸基との HMBC と NOESY 相関（6c-B）
以上のように Litseaone A のラセミ体合成を通じて、提唱平面構造の改訂・相対立体配置の決定・
互変異性体の決定に成功したので、最後に不斉合成による絶対立体配置の決定を目指した。不斉合成のためには、図２に示したアルコール中間体 3を不斉還元により光学活性体として調製すればよい。不斉還元に関しては多くの手法が知られるが、ケトン 2 に対して種々検討したところ、Brown[3]により報告されている(Ipc)2BCl を用いた場合に

図２．Litseaone A の我々の推定構造とラセミ

最も良い立体選択性を示すことがわかった（図４）。

体合成

その鏡像体過剰率はメチル化を行った(R)-3 の段

さて、
Litseaone A の構造を訂正することができ階でキラル HPLC により確認したが、69%であったが、本化合物はケト-エノール平衡により四種のた。さらに酸化的脱芳香化前駆体(R)-4 に導いた段

互変異性体 6a-6d を生じる可能性がある（図３）。

階で再結晶が可能になり、最終的に 99%以上の鏡

NMR ではほぼ単一の異性体として観測されてい像体過剰率にまで向上することに成功した。また、ることから、主にどの異性体として存在している

不斉還元により得られた水酸基の立体化学は対応のか確認するために重水素化実験を行った。つまする MTPA エステルへと導き、改良 Mosher 法[4]り、6 のエノール性水酸基を重水素へと置換し 13Cにより決定している。最後にラセミ化を避けた穏

NMR における化学シフトの変化を観測した。
6c-A

やかな条件下で酸化的脱芳香化とアルドール縮合に示すように共役系すべての炭素で化学シフトのを行い、光学活性な(R,R)-6 の合成を達成するとと変化が観測されたが、中でも C1’位での変化が圧もに、同様の手法で(S,S)-6 も合成した。合成した

倒的に大きく、次に C6 位の変化が大きかったこ

両鏡像体の比旋光度を天然物 ([α]D23=+17)[2]と比とから、Litseaone A は主に、C1’位がエノール化較したが、絶対値に大きな差がみられたことから、し、6 位カルボニルと水素結合した互変異性体 6c

この時点での絶対立体配置の決定は不確かと考え、として存在することが示唆された。この結果は

今後は天然物の HPLC 分析なども検討する予定で

6c-B に示すエノール性水酸基との HMBC やある。

NOESY 相関からも支持される結果であった。

本研究では Litseaone A の合成により、提唱平40

面構造の訂正・相対立体配置の決定・互変異性体の決定・絶対立体配置の決定を試みたもので、有機合成と NMR 解析により、天然物の構造研究を幅広く行えた例と言える。

図５．Phomallenic acid C のラセミ体合成
ラセミ体でうまく反応が進行したので、光学活性なプロパルギルメシラート 9 を基質として用いれば、容易に光学活性体も合成できるものと期待した。光学活性なプロパルギルメシラートは酵素を用いた速度論的光学分割によって調製した（図図４．Litseaone A の光学活性体合成６）。つまりラセミ体のプロパルギルアルコールに

3. 光学活性アレン新規合成法の開発と、一方の鏡像体のみがアセチル化され、高い光

対し、リパーゼの存在下酢酸ビニルを作用させる

一般にキラリティーを有する有機化合物には、学純度かつ高収率で両鏡像体が分割できる[6]。酵

前節に述べたような不斉炭素を有するものが圧倒

素の基質特異性をうまく使った手法である。これ的に多いが、軸性キラリティーと呼ばれるものもをメシラート(S)-9 へと変換後、ラセミ体と同様に知られる。例えば、バクテリアの脂肪酸合成経路

SN2’反応を行い、生成物をキラル HPLC で分析しの阻害剤である Phomallenic acid C (8)[5]は、不斉た。しかし、残念ながら得られてくるのはラセミ

炭素は持たないが、アレン構造を持つことにより体だと判明した。つまり、銅アセチリドを用いた軸性キラリティーを有する。本節ではアレンに対方法では立体選択的な SN2’ 反応が進行しないこ

しジインが結合した特徴的な構造を有するとがわかった。同時期に徳島大学のグループ[7]が、Phomallenic acid C の光学活性体合成について紹同様の銅試薬とパラジウム触媒を用いた SN2’反応介する。

で、Phomallenic acid C の合成に関する報告を行っているが、彼らもラセミ体しか得られず、エナ
ンチオ選択的な SN2’反応は困難であると結論づけている。

本合成ではアレン構造をいかに構築するかが問題となるが、SN2’反応を用いた合成法を選択した。
光学活性なアレンを有機銅試薬などの SN2’反応で合成する例は報告されているが、本化合物のように三重結合が共役した化合物への適用例は知られていない。まずはラセミ体で反応が進行するのか確認することとした（図５）。容易に調製可能なプ
ロパルギルメシラート 9 を基質として、銅触媒存
在下、ジインのアセチリドを作用させた。すると
期待通り SN2’反応が速やかに進行し、アレニルジ

図６．Phomallenic acid C の光学活性体合成

イン骨格が形成され、末端の酸化を経てラセミ体と大類・赤坂法による鏡像体純度の決定の Phomallenic acid C (8)が合成できた。

41

こうした中、トリフェニルインジウムをパラジ

右対称なため一見アキラルな化合物に見えるが、ウム触媒下でプロパルギルエステルに反応させる

本化合物も軸性キラリティーを有している。このと、まずまずの立体選択性で SN2’反応が進行する

フェロモン活性についてはよく研究されているが、例が報告された[8]。我々の基質で同様の反応が進

興味深いことに、雌が放出する Olean はラセミ体

むかは不明であったが、試してみることとした。

で、S 体がメスを、R 体がオスを興奮させること数日後学生が、注文した試薬を手に暗い顔つきが知られている[14]。本節では、単純な構造ながらでやって来た。３価のインジウムを購入するはず

軸性キラリティーを有する Olean の光学活性体合が、間違って２価のインジウムを買ってしまった成について紹介する。

という。インジウムは 1 価と３価を取るが、一般に２価としては存在しないことが知られている。
本当に「２価」のインジウムが存在するのか疑問であったが、折角買ったのだから使ってみようと

図７．Olean の構造とラセミ体合成

いうことになった。
すると翌日、今度は明るい顔つきで学生が現れ、本化合物には置換基が一切なく、キラリティー

高収率かつ高立体選択性で望む反応が進行したとを誘起する手がかりはないため、14 のようなジヒ

報告してくれた。さらにパラジウム触媒を検討し、ドロキシケトンを酸処理すれば当然ラセミ体が得

種々反応条件を最適化すると、98%の鏡像体過剰られる (図７)。Olean の光学活性体合成にはいく

率、85%の収率にまでに向上できた（図６）。これつかの報告例があるが、立体制御を行うための置に対し、当初計画した３価や１価のインジウムを換基を導入した基質をスピロアセタール化させ、用いたところ、収率も低く鏡像体過剰率も思わし

最後に不用な置換基を除去するのが一般的である

くなかった。
「２価」のインジウムを誤って購入し[15,16]。
今回スピロ中心の新たな立体制御法として、たことが功を奏したのである。得られた光学活性

鍵中間体 18 を考案した（図８）。この中間体の四中間体を目的の Phomallenic acid C へと導き、最員環スルフィドは、立体的ひずみが大きく効率的

終物の光学純度を再度確認することとした。キラな立体制御が可能になると考えた。

ルな蛍光性試薬である大類・赤坂試薬[9,10]を用い最終的なスピロ中心に相当する 3-チエタノンて誘導化し HPLC 分析したところ、光学純度の低(15)に対し、Enders[17]の手法に従い不斉補助基

下はほとんどないことが確認出来た。大類・赤坂（SAMP）を導入したヒドラゾン中間体に対して法は、微量で分析可能で、不斉点と誘導化できる

ジアルキル化を行い、必要な炭素鎖を立体選択的官能基が遠隔である場合に効力を発揮する優れたに導入した。ここでフッ化水素を用いて TBS 基と方法であるが、アレンのような軸不斉の分析にも不斉補助基の除去を行うとアセタール化が進行し、有用であることを示した初めての例である[11,12]。

鍵中間体 18 が高い鏡像体純度で得られた。最後

本研究では、光学活性アレンの新規合成法を提案できたとともに、大類・赤坂法の汎用性の高さも示せたものと考えている。

4. スピロアセタールの新規立体制御
オリーブミバエの性フェロモンである Olean[13]は、置換基のない単純なスピロ化合物である。左

図８．Olean の両鏡像体合成

42

に Raney ニッケルを用いた脱硫により、望む基を二つ導入し 20 とした。フッ化臭素処理による(S)-Olean が効率的に合成できた。同様に逆の立体

アセタール化と続く脱硫を経て、(2R,6R,8R)-19を有する不斉補助基を用いて、(R)-Olean も合成の立体選択的合成に初めて成功した（図１０）。

し、最終物の鏡像体純度はキラルなガスクロマト
グラフィー分析により確認している。
さて、今回の新規立体制御法の更なる応用を考えた。天然には置換基を有するスピロアセタール
図 10．不安定なスピロアセタールの合成が多く知られる。スピロアセタールにはアノマー効果が存在するため、一般に置換基の配向とアノ本研究では、置換基の有無やアノマー効果の有マー効果の影響により、立体異性体間で大きなエ無に関係なくスピロ中心の立体制御が可能となるネルギー差が生じ得る。そのため安定な異性体は画期的な手法が開発でき、多様なスピロアセター

合成しやすいが、不安定な異性体は合成しにくい

ル型天然物の合成に新たなアプローチを提案できというのが現状である。しかし今回の手法を用いたものと考えている。

れば、四員環スルフィドの立体ひずみの存在により、置換基やアノマー効果の影響を受けずにどん

5.. おわりにな異性体も合成が可能ではないかと考えた。そこ

以上、キラリティーを有する天然有機化合物ので、ヒメハナバチの一種の集合フェロモンとして合成について三例紹介させて頂いた。化合物の特知られる 19[18]に着目した（図９）。スピロ中心の徴的な骨格に適した合成手法を考案し、如何に効

立体化学を R に固定して考えると、可能なジアス

率よく、如何に鏡像体純度を高く合成するかが腕テレオマーは三種類存在し得る。このうち二つのの見せ所である。実際に手を動かしてくれる学生

メチル基がエクアトリアルかつ双方何れの環に対達の感覚は特に重要で、フラスコの中で起こった

してもアノマー効果が存在する(2S,6R,8S)-19 はことを注意深く観察し、結果からじっくりと洞察

最も安定で合成例も知られている。これに対し、する、些細なことも見逃さずに報告してくれてこ

アノマー効果が全く存在しない(2R,6R,8R)-19 はそ意味のあるディスカッションが可能となり、面不安定で（エネルギー差は 4.8 kcal/mol と見積もられている[19]）、合成例もない。通常の手法では合白い結果が見えてくるのである。何度もディスカ成が最も困難な(2R,6R,8R)-19 を敢えて合成標的ッションを繰り返しながら粘り強く一緒に研究してくれた学生の皆様に感謝したい。

として選択し、本法の実用性の高さを示すこととLitseaone A の NMR 解析に関してご指導頂いした。

た東京大学農学部・降旗一夫博士に感謝致します。
冒頭にも述べたように、これらの研究は低温セン
ターからの寒剤供給が不可欠であり、ここに改めて御礼申し上げます。

図９．ヒメハナバチの一種の集合フェロモンの参考文献

可能な三種のジアステレオマー[1]1] K. Ishigami Annual Report 2010 (Cryogenic

Research Center, The University of Tokyo) , 2, 32

先ほどと同様に、不斉補助基を導入したヒドラ(2011).

ゾン中間体に対し、メチル分岐を有するアルキル

43[2] L. Li, X.T. Zhao, Y.P. Luo, J.F. Zhao, X.D.

Chem. Int. Ed., 15, 549 (1976).

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[3] P.V. Ramachandran, B.Q. Gong, and H.C.

[19] N. Pothier, S. Goldstein, and P.

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Deslongchamps, Helv. Chim. Acta, 75, 604[4] I. Ohtani,T. Kusumi, Y. Kashman, and H.

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Kakisawa, J. Am. Chem. Soc ., 113, 4092 (1991).
[5] J.G. Ondeyka, D.L. Zink, K. Young, R.

著者紹介

Painter, S. Kodali, A. Galgoci, J. Collado, J.R.

氏名：石神 健Tormo, A. Basilio, F. Vicente, J. Wang, and S.B.

専門分野：天然物化学・有機合成化学

Singh, J. Nat. Prod ., 69, 377 (2006).

生物活性天然物の合成や誘導体合成によ[6] Y. Masuda and K. Mori, Eur. J. Org. Chem .,る構造研究と活性発現機構の解明

4789 (2005).
[7] M. Yoshida, M. Al-Amin, and K. Shishido,

Synthesis , 1099 (2008).

氏名：加藤 智子

[8] R. Riverios, D. Rodríguez, J.P. Sestelo, and

専門分野：有機合成化学

L.A. Sarandeses, Org. Lett., 8, 1403 (2006).

修士課程修了後、製薬会社勤務[9] T. Ohtaki, K. Akasaka, C. Kabuto, and H.
Ohrui, Biosci. Biotechnol. Biochem., 68, 153(2004).
[10] H. Ohrui, Anal. Sci., 24, 31 (2008) and

氏名：若森 晋之介

references cited therein.

専門分野：有機合成化学[11] K. Ishigami, T. Kato, K. Akasaka, and H.

博士課程修了後、化学会社勤務

Watanabe, Tetrahedron Lett., 49, 5077 (2008).
[12] T. Kato, K. Ishigami, K. Akasaka, and H.
Watanabe, Tetrahedron, 65, 6953 (2009).
[13] R. Baker, R. Herbert, P.E. Howse, O.T.

氏名：影治 秀晃

Jones, W. Francke, and W. Reith, J. Chem. Soc.,

専門分野：有機合成化学

Chem. Commun., 52 (1980).

修士課程修了後、製薬会社勤務[14] K. Mori, H. Watanabe, K. Yanagi, and M.
Minobe, Tetrahedron, 41, 3662 (1985).
[15] K. Mori, T. Uematsu, H. Watanabe, K.
Yanagi, and M. Minobe, Tetrahedron Lett., 25,

氏名：渡邉 秀典

3875 (1984).

専門分野：有機合成化学（生物活性天然[16] C. Iwata, M. Fujita, T. Kuroki, K. Hattori, S.

物合成）、美しい分子を美しく組み上げ、

Uchida, and T. Imanishi, Chem. Pharm. Bull.,

人に感動を与えたいと思っている。

36, 3257 (1988).
[17] D. Enders and H. Eichenauer, Angew.

44

MRI による解剖を中心とした脳画像解析
医学系研究科 生体物理医学専攻 放射線医学講座
医学部附属病院 放射線科
高尾 英正

MRI はヒトの脳解析において広く用いられており、形態画像、拡散画像、機能画像、MR スペク
トロスコピーといった撮像方法がある。現在のところ、我々は、解剖を中心として、主に形態画像および拡散画像を対象として取り扱っている。最近では、コネクトームと呼ばれる、脳全体の解剖学的および機能的なつながりを解明しようとする試みがされており、ここでは、脳形態解析および拡散解析について簡単に説明した後、現状と今後の展望について述べる。

VBM（voxel-based morphometry）、TBM

1. はじめにMRI（magnetic resonance imaging）では、生（tensor-based morphometry）、cortical体においてさまざまな内部情報を画像化すること

thickness 解析といったものがある。VBM[1]は、が可能であり、ヒトを対象とした脳解析に広く用

上記の三次元画像を、灰白質、白質、脳脊髄液にいられている。MRI による脳画像解析には、形態

分画し、空間的に正規化、平滑化の後、ボクセル

解析、拡散解析、機能解析（functional MRI）
、代

ごとに容積を比較する方法であり、比較的よく用

謝解析（MR spectroscopy）、血流解析（MR

いられている（図２）。Cortical thickness 解析[2]perfusion）といったものがある。現在のところ、は、灰白質と白質の濃度勾配をもとに皮質の厚さ

我々は、主に形態および拡散を対象として、解剖を算出し、空間的に正規化、平滑化の後、脳表ごを中心とした解析を行っている。撮像装置としてとに比較を行う（図３）。脳表に計測値をマップす

は、医学部附属病院にある臨床機を使用しているることにより二次元空間で比較を行うが、これは、が、臨床機では、現在、3 テスラと 1.5 テスラの磁

脳皮質は距離的に近い領域は似た機能を持つもの

場強度のものが主として用いられており、磁場強の折り込まれた構造をしており、三次元的には近度が上がるほど信号雑音比がよくなるため、脳画くても実際には離れている場合があり、マッピン

像解析では主に 3 テスラを使用している。以下でグ精度を向上することを目的としている。

は、脳形態解析および拡散解析について簡単に説明し、現状と今後の展望について触れる。

2. 脳形態解析
脳形態解析では、T1 強調画像による三次元画像

Lを用いることが多く、解像度は、現状では、おおよそ 1 mm×1 mm×1 mm 程度である（図１）。灰図１．T1 強調画像による三次元画像

白質および白質がそれぞれ異なるコントラストを（左：軸位断、中：冠状断、右：矢状断）呈し、灰白質は白質に比して低信号となる。解析

灰白質は白質に比べて低信号を呈する。

方法としては、ROI（region of interest）解析、

45

GM

WM

像（DTI；diffusion tensor imaging）であり、テン

CSF

ソルモデルに拡散を当てはめることで、線維の方向や異方性、拡散性といったパラメータを算出し、比較に用いることができる（図５）。他に、拡散現L

象をなるべく忠実に再現する方法として、拡散ス

図２．VBM による組織分画後の画像

ペクトラム画像（DSI；diffusion spectrum（左：灰白質、中：白質、右：脳脊髄液）

imaging）があるが、DTI と比べると撮像および分画した画像をもとに標準空間上にてボクセル

後処理が複雑で、現状、機械的な制約や時間の問題が生じうる。解析方法としては、ROI 解析、VBA

ごとに容積の比較を行う。

（voxel-based analysis）、TBSS（tract-based
spatial statistics）といったものがある。VBA は、
VBM と同様、各パラメータの画像を空間的に正規化、平滑化の後、ボクセルごとに比較する方法である。TBSS[3]では、空間的に正規化した後、白質の骨格を抽出し、これにパラメータをさらに投影することで空間正規化の精度を増し、ボクセル

Rごとの比較を行う。これらとは別に、脳拡散解析

図３．Cortical thickness 解析による脳表抽出に特有の方法として、トラクトグラフィ（左：軸位断、右：冠状断）（tractography）といわれるものがあり、ボクセ

灰白質と白質の濃度勾配をもとに皮質の厚さをルごとの線維方向の情報にもとに、線維を追跡し算出する。黄色線は皮質と白質の境界を示し、赤て再現する（図６）。抽出した線維においてパラ色線は皮質表面を示す。

メータや容積を算出し、比較に用いる。

3. 脳拡散解析
脳拡散解析では、傾斜磁場を印可することで水分子の拡散を画像化する、拡散強調画像（DWI；
diffusion-weighted imaging）を用いる（図４）。
現時点でよく用いられる解像度は、2 mm×2 mm

L

×2 mm から 3 mm×3 mm×3 mm 程度である。前

図４．拡散強調画像（DWI）

述の T1 強調画像による脳形態解析が、主として（左：傾斜磁場なし、中・右：傾斜磁場あり）

灰白質を対象としているのに対し、拡散強調画像

傾斜磁場を印加した方向の拡散が強調（信号低は、主として白質を評価するために用いられる。

下）される。中図と右図では傾斜磁場の印加方向

傾斜磁場を印加した方向の拡散が強調（信号低下）が異なり、そのため異なる信号強度を呈している。

されることで、拡散の形状を知ることができ、白さまざまな方向および強度にて傾斜磁場を印加す

質の線維構造を推定することが可能となる。傾斜ることにより、ボクセル内の拡散情報を取得する

磁場を印加する方向と強さの組み合わせを変えることができるが、その方向と強さの組み合わせにことで、さまざまな撮像方法が考案されており、より、得られる情報や撮像時間は異なってくる。

従来よく用いられているものが、拡散テンソル画

46

FA

MD

4. 現状と展望

Color map

従来、脳形態解析および脳拡散解析では、それぞれ個別に、上記に挙げたような方法を用いて機能や疾患において対比を行い、それらの背景を推定することが主として行われてきた。近年、脳全

λ1

λ2

λ3

体のつながりを統合的に評価しようとする試みがすすめられており、コネクトーム（connectome）[4]と呼ばれて注目を浴び、欧米では、HCP（Human Connectome Project）といった大規模L研究が行われている[5]。コネクトームとは、もと

図５．拡散テンソル画像（DTI）にて算出した、もとは脳神経回路の完全な地図として定義される

各種のパラメータの画像

が、さまざまなスケールで考えることができ、ミ、上段中：（上段左：FA［fractional anisotropy］

クロスケールでは、実際に、個々のニューロンとMD［mean diffusivity］、上段右：カラーマップ、

シナプス結合の完全なマップをさす一方、マクロ下段左：λ1、下段中：λ2、下段右：λ3）

スケールでは、脳の各領域とそれらの解剖学的、

FA は拡散がどれぐらい偏っているか（異方性）、MD は拡散の平均の程度について示す。

機能的なつながりをさし、システムとしての情報をもたらす。実際には、ヒトを対象として、すべてのニューロンとそのシナプス結合を解明するのはハードルがかなり高く、MRI を用いたマクロス
ケールのコネクトームが対象とされ、拡散強調画
像にて解剖学的なつながり、functional MRI にて
機能的なつながりが推定され、T1 強調画像にて脳の各領域の抽出がなされる。マクロスケールとはいえ、解像度はより細かいほうが望ましく、とくに白質においては、ボクセル内の線維の混在を少なくすると同時に、混在する場合もそれぞれの線
維を再現することが重要となり、DTI よりも精度の高い撮像方法が用いられる。また、脳形態画像、
拡散画像、機能画像のそれぞれの間において、精度の高いレジストレーションも必要である。当然

図６．トラクトグラフィ

ながら、解像度を上げて、より精度の高い撮像を

全白質をシードとして白質の線維構造を再現しするには、それに応じて、これまでより撮像時間

たトラクトグラフィである。拡散強調画像にて取がかかることになるが、生体を対象とする場合に得したボクセルの拡散情報をもとに線維の走行方はやはり一定の制約があり、また、体動も問題と向を推定し、これを追跡していくことで線維を抽なってくる。近年、MRI において同時計測による出する。抽出した線維においてパラメータや容積高速撮像法が発展してきており、これらがコネクを算出し、比較するために用いることができる。

トーム解析の実現に大きく寄与している。

47

[11] H. Takao, N. Hayashi, H. Kabasawa, and K.

5. おわりに

Ohtomo. Hum Brain Mapp. 33, 466 (2012).

これまで、我々も、正常および疾患を対象とし、[12] H. Takao, N. Hayashi, and K. Ohtomo.

前述の方法を用いて、脳形態解析および拡散解析

Neuroscience 231, 1 (2013).

を行ってきた[6–14]。はじめに記載したとおり、[13] H. Takao, N. Hayashi, and K. Ohtomo.

附属病院の臨床機を使用しており、脳画像解析に

Neuroimage 84, 133 (2014).

おいて、必ずしも現状で最善の装置ではないが、[14] H. Takao, N. Hayashi, and K. Ohtomo.

上記の高速撮像法も徐々に使用可能となってきて

Neuroscience 301, 395 (2015).

いる。時間的な制約もあるが、附属病院であることを利点として生かし、また、今後、解像度および精度の高い撮像法を応用し、より詳細な検討を著者紹介

行っていきたいと考えている。

氏名

高尾 英正

専門分野 画像診断、脳画像解析

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Ohtomo. Neuroimage 57, 958 (2011).
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K. Ohtomo. AJNR Am J Neuroradiol. 32,
2103 (2011).

48

ワンストップ創薬共用ファシリティセンターの運営と低温センター

薬学系研究科

ワンストップ創薬共用ファシリティセンター
東 伸昭

薬学系研究科における「ワンストップ創薬共用ファシリティセンター」と外部利用者を対象とした共用機器の利用促進事業について紹介する機会をいただいた。本稿では実務担当者の視点から本センターの紹介をするとともに、個人的見解を述べる。多くの研究機関において共用機器セン
ターが立ち上がっているが、そのミッション、利用者の範囲、運営担当者の業務等は施設によって様々であることと思う。施設のあり方の一例として参考になる部分があれば幸いである。

1. プロローグ

び大学院生を育成するとともに産業界との連携を

199x 年、化学系企業に研究員として勤めていた

深める、などの発展が期待された。これらを念頭

私は、ある新規事業の立ち上げに加わることにに、薬学系研究科では平成 25 年度に共用利用が可なった。事業立ち上げ時の常であるが、人がいな能な機器に関するアンケートを実施し、研究科内

い、金がない、そして測定機器がない。候補となっにおける機器情報を共有化するとともに、母体とている試料の中から商品プロトタイプに用いるもなる共用機器群を構成した。また研究科内に「共のを選択するために特性を評価したいのだが、自同利用機器運営委員会」を設置し、共用機器の運前では測定できない。某大学に機器があることが営について議論する土台を確立した。これに加え、わかり、おそるおそる試料のスペクトルを測定し産業界を含む外部研究者へ共用機器の利用機会をてもらうことにした（※1）
。

提案する「最先端創薬基盤のワンストップ共用に「会社の商品と全然関係ないみたいですけど、よる産学連携創薬推進事業」を立案し、平成 25 年

何でこんなのを測定するんですか？」と訊かれて度より文部科学省「先端研究基盤共用・プラット

も、新規事業なので何もコメントできない。お願

フォーム形成事業」に採択された。事業の中心といだから、余計なことを訊かずにただ測定だけしなるワンストップ創薬共用ファシリティセンター

てくれー！（独白）（※2）
。

2. 薬学系研究科ワンストップ創薬共用
ファシリティセンター設立の経緯
研究科に配備されている多数の先端的機器の一部を共用機器と定義して集約管理を行うことにより、1. 適切な維持・管理・課金体制を整えること
で広範囲の研究者が潜在的に有する機器利用の要
望に応える、2. 最先端機器のニーズを定期的に聴取・把握し、共通機器申請・事業申請を研究科単位

図１．創薬ニーズをもつ研究者にとってのワンス
トップ創薬共用ファシリティセンターの位置づけ

でとりまとめる、3. 高度な技術を持つ研究者およ49（以下、本センターと記載）の敷地として薬学部

置き、共用機器利用の相談に応じるとともに、研南館３階の 267 m2 にわたる室内を改装し、共用機

究科内外のネットワークを利用して分析技術・器を集中配備した。これらは、堅田利明前研究科

データ解釈等の知識・情報を提供している。この長、一條秀憲センター長、その他関係者の献身的結果、創薬シーズの発見と評価・診断新技術の開かつ精力的な尽力によって完遂された（※3）。平

発等、研究科が本来果たすべきミッションに沿っ成 25 年 8 月 30 日より本センターの事業が開始さた創薬科学への寄与が期待される（図１）。

れ、現在に至っている。

薬学系研究科の特徴として、専門領域が有機化

研究者が共用機器を使用したいと思っても、研学・物理化学・生物学など多岐にわたる点が挙げ

究科外から（場合によっては内部からも！）ではられる。共用機器と定義される機器は、質量分析・

誰にどのように問い合わせたらよいのか見えにく

構造解析・生体機能解析の３分野、26 機種に及んいのではないかと危惧される。本センターでは利だ。その後、機器の入れ替えが多少あったものの、用希望者の窓口を一本化して共用促進リエゾンを大きな変更はなく現在に至っている（表 1）。

表 1．平成 27 年度の共用利用機器 (http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~onestop/html/machinery/index.html)

50

3. 現状：運用から 2 年近くを経過してを無償で実施していただいているケースもあり、本センターは現在、センター長のもと共用促進

運営上大変助かっている。実技指導の機会を多く

リエゾン１名（執筆者）、特任研究員２名、特任専もつことで、新規利用者にとっては実際の利用

門職員１名によって運営されている。これに加え、モードに入りやすくなると期待される。また管理各々の共用機器の操作・利用については利用法にの側にとっては誤操作・故障のリスクが減ると思詳しい研究科教員の指導を仰いでいる。センター

われ好ましい。本センターはオペレーター制を敷

構成員の業務は利用相談の対応・技術指導・寒剤

いていない。測定は研究者自身によって行うこと

補充など機器のメンテナンス・教員やメーカー技を前提としており、必要に応じてセンター構成員

術者との折衝・課題選定委員会等の議事・利用実が測定を補助する形をとっている。この場合、プ績の調査・利用料金請求など多岐にわたるが、一ロローグにあるような利用者のストレスは基本的連の仕事もようやく軌道に乗ってきたといえる。

には生じないだろう。

機器共用化の目的のひとつは、稼働率の高い共文部科学省の事業である外部利用者を対象とし用機器を見極めるとともに、共用機器全体の稼働た共用機器の利用促進事業についても、実績が備率を上昇させることにある。貴重な高額機器が研わってきた。平成 27 年 7 月末の時点で、本事業の究室の奥の院に鎮座すると、機器情報、特に異分対象としてアカデミア 18 機関、産業界 14 機関の

野のよそ者が使って構わない機器なのか、使用法

外部利用者による共用機器利用を支援した。外部を教えてもらえるのか、万が一壊れてしまったら研究者の総利用時間は 2,000 時間を超え、表１のどう対処されるのか、夜遅くや土日祝日でも使え

機器リストの 2/3 程度（16 種類）の機器が既に外るのか、など利用希望者が本当に知りたい情報は部向けに活用された。センターには研究科間や外なかなか表に出てこない。機器情報を公開するこ

部機関にまたがって遂行中の、もしくは過去に遂とにより、研究科内外にある潜在的な機器利用の行されたプログラム（グローバル COE、リーディ

希望をすくいあげ、ひいては機器稼働率の上昇へ

ング大学院、革新的イノベーション創出プログラと繋がることが期待される。これらの点を検証す

ム等）の遂行のために購入した機器も配置されてべく共用機器の稼働状況を継続して集計中であいる。これらの事業におけるプログラム構成員のる。また、当初予期していなかったことである

機器利用は、上記の利用時間とは独立して管理し、が、構造解析や建築材料等の研究室が生物系の共利用を推進している。

焦点顕微鏡を使用する、生物系の研究室が原子間用が試みられている。異分野の技術の取り込みに4.料金体系にまつわるもやもやと解決策としてのヘリウムガス回収ライン

意欲的な研究者が研究科内外に多数おられること

文部科学省「先端研究基盤共用・プラットフォー

力顕微鏡を体験する、など分野を越えた機器の利ム形成事業」に採択されるにあたり、「課金制度をを実感し、運営側も励まされている。
使い慣れない機器を使用する場合、使用法の指確立すること」との条件が提示されていた。事業

導をどれほどしてもらえるのか、という点は気に支援期間内の一時的な試みでなくサステイナブル

なるところである。本センターでは機器測定とな運営を実現するために、妥当な課金制度の設定

データ解釈に長けた研究科教員の助けをお願いすは欠かせないものである。

るとともに、機器メーカーの協力を得て機器使用

参考として提示された考え方は、年間に要する法のセミナー・講習を随時開催している。メーカー「消耗品費＋光熱水費＋保守点検費（※4）」を利によっては新規の利用希望が来るたびに機器講習用料金として回収する、というものである。共用

51

機器の多くは、年間かかった費用を担当者で利用

5.ヘリウムガス回収ライン設置後の運用状

時間（もしくは回数）の割合に従って自己負担す況

る、というふうに運用されているのではないだろ平成 27 年 7 月の配管の設置から１ヶ月程経過うか。これを外部利用者にも当てはめるという図した。ヘリウムガスは順調に回収されている式で理解すればよいのではないかと思う。一方、（17 m3/月程度）。また週１回、約 60 L の液体窒

運営サイドとしては、当年の消耗品費合計額は当素を充填している。本センターでは、同じフロア

年の年度末にならなければ確定できないため、前に質量分析装置が設置されており、また廊下をは

年度の実績を参考に見込で進めなければならないさんで元素分析室が配置されている。有機化学系部分も多くなる。

の研究者にとっては、①NMR スペクトルを測定→

この観点からすると、寒剤の消費、例えば核磁（25 歩）→②マススペクトルを測定→（10 歩）→

気共鳴装置(NMR)における消費は、利用料金に大③元素分析を依頼、という一連の分析が一度に効きく影響する。当研究科では平成 25・26 年度は従率よく進められる環境を整えることができた。

来の NMR 室に設置されている日本電子株式会社

本センターは設立当初から外部利用者に開かれの NMR を共用機器としていたが、この部屋はたものとして運営しているが、実は NMR につい我々センター構成員も含め外部研究者が入室しにては問い合わせを数件受けたものの、残念ながら

くく、機器の維持管理にどのように携わればよい

実際の使用には至っていない。外部研究者より、のか苦慮していた。平成 27 年度からは、センター

自動サンプリングによる多数検体の NMR 測定の敷地内に設置された Bruker 社 Avance III を共用

測定は可能か、との問合せを受けたケースがある。

機器として運用することとした。測定者の出入り

このような要望にいつでも対応できる体制を整えの管理が容易な反面、従来の NMR 室とは離れたる一方、研究科内の使用者にとっては測定したい配置のため寒剤の供給、ヘリウムガスの回収が困ときにすぐ測れる機器としてのニーズが強いので、難であるとの問題があった。液体ヘリウムの購入

両者の棲み分け方法の検討が必要となるだろう。

価格は転じて共用機器ユーザーの利用料金にその

6.近未来的展開

まま跳ね返ることから、ヘリウムガス回収システ
ムの確立が強く待ち望まれていた。低温センター

センター名にある「ワンストップ」は申請時点のご尽力により、この Avance III 用に液体ヘリウ

で当研究科がこだわったフレーズである。
「ワンス

ムガス回収ラインを設置していただいた。建物脇

トップ」は問合せ窓口の一本化でもあり、共用機

から NMR 本体への配管工事は研究科内で予算立器が設置されている機器室の一本化でもある。実てを行った（図２）。

際に外部研究者の利用が始まると、ある研究課題の達成に向けて特定の１台のみの機器を利用するのではなく、複数の機器を利用した測定・観察により多面的な評価をしたいとする要望が寄せられるようになってきた。本センターでは複数の機器が集約配備されており、特定の１台を利用する研究者は、測定の待ち時間に否応なく様々な機器を目にすることになる。見たものは使ってみたくな

薬学系研究科担当←

るという研究者心理も関係しているように思う。

→低温センター担当

この「ワンストップ」の利便性をさらに拡げる
図２．本センターのヘリウムガス回収ライン

52

ために、他研究科、他大学の共用機器センターと※3 ワンストップ創薬共用ファシリティセンター

連携し、窓口を一本化した大型プラットフォームの整備は、文部科学省「先端研究基盤共用・プラッを形成することを計画中である。本センターは汎トフォーム形成事業」、「卓越した大学院拠点形成

用的な高額機器は揃っているのだが、よりとん

支援補助金」、「研究大学強化促進事業」、「革新的がった性能をもつ「オンリーワン」的な機器が少イノベーション創出プログラム」などの外部資金ない。センターの特徴をうまく補完し合えるようによって支援された。この場を借りて御礼申し上

な連携を模索中である。

げる。
※4 拠点によっては、人件費、減価償却費等の負

展示会への参加、事業説明会を開催して思うの担を考慮するケースもある。

は、このような共用機器事業の取組の存在はまだまだ浸透していない、ということである。センター
共用機器の測定法を極めることで、質の高いデー

著者紹介

タが取得できることを実例をもって示し、学会の場を活用して学術的なアピールを続けて共用機器
事業の浸透を継続的に図ること、また本センター

東自身が情報を発信し、創薬研究のハブ機能を発揮

専門分野：細胞外マトリックスの場に関するすることが今後さらに重要になると考えている。

糖鎖生物学と免疫学。

伸昭

東京大学特任准教授（大学院薬学系研究科）。

7.エピローグと宣伝事業説明会終了時にセンター内にて撮影。

化学系企業を退職して 10 余年、共用促進リエゾ
ンという形で産学連携に関わることになろうとは
夢にも思っていなかった。昨年来の展示会・事業説明会で企業の方々が取り組んでおられる事業のお話をうかがう機会があり、昔の記憶がよみがえるという不思議な体験をした。企業・大学双方の立場を踏まえた研究支援に今後も取り組みたい。
本センターの事業についてはホームページ
http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~onestop/index.html
で紹介している。ご覧いただくとともに、企業を含む関連の研究者にご紹介いただければ幸いである。

本文注と謝辞※1 本センターの利用に際しては、希望に応じて本学との間に秘密保持契約を締結することが可能であるので、「おそるおそる」の測定にはならない
ものと思う。測定結果に関する知財はすべて測定者に帰属し、センターは権利を主張しない。
※2 このプロローグはフィクションである。

53

共同利用研究室 研究実績報告

● 工学系研究科物理工学専攻

川﨑 雅司研究室

酸化物およびトポロジカル絶縁体ヘテロ界面における量子ホール効果
量子ホール効果は十分に電子のコヒーレンスが【酸化亜鉛二次元電子系の量子ホール効果】

高い清浄な半導体界面において、強磁場を印加す

酸化亜鉛二次元電子系（2DES）は、図 1 に示さることによって電子の干渉が引き起こすマクロなれるように Mg ドープの ZnO（MgZnO）をドープ

量子現象である。この現象では、有効質量によっされていない ZnO 上に堆積することで形成できる。

て決まる電子のサイクロトロン振動数と g 因子にZnO は反転対称のない結晶構造をしており、自発よって与えられるゼーマン効果の 2 つのエネル

分極が Mg ドープで変化し、MgZnO/ZnO 界面で自ギー分裂によって、安定性が特徴づけられる以外

発分極差に相当する 2DES が形成されるためであは物質に依存しない形に記述される。しかしながる[1]。この 2DES 形成は元素置換を必要としない

ら、近年グラフェンやトポロジカル絶縁体など、ため、薄膜の結晶品質を向上させれば、散乱時間

非従来型の半導体や半金属において、電子相関やが非常に長くなる可能性がある。実際、近年作製

バンド構造、スピン軌道相互作用により量子ホー

した MgZnO/ZnO における 2DES の輸送散乱時間

ル効果は全く異なった様相を呈することが明らか（τtr）をσ = ne2τtr/m*から求めた結果を図 2(a)に示となってきた。これは、物質特有の相互作用が従す。ここで、σは二次元伝導度、n は電子または正来の軌道とスピンのエネルギースケールと同等もしくは凌駕しており、各々の状況を適切に考慮する必要があるためである。このような背景に基づき、従来の半導体とは異なる物質系として (1)酸化亜鉛における電子相関の強い電子系、(2)トポロ
ジカル絶縁体における、2 層ディラック系の量子ホール効果について研究を行った。

図 2．高移動度二次元電子・ホールの(a)輸送散乱
図 1．MgZnO/ZnO ヘテロ構造中における二次元

時間（τtr）と量子散乱時間（τq）のキャリア濃度

電子系の形成の模式図

依存性とその材料ごとの比較。

56

孔の二次元濃度、e は電荷素量、m*は有効質量で∆Rxx / R0 = 4ζ exp(−π / ωcτ q ) / sinh ζある。ZnO の 2DES は GaAs の正孔系と同程度の値を示し、電子系にも 1 桁以内に迫っている。対(3)(ζ = 2π k T / ω )2

応する最大移動度は 1,000,000 cm2/Vs に達した[2]。

Bc

輸送散乱時間τtr は、電子の散乱される確率の角度と表される。ここで、R0 は振動の中心の抵抗、ωc=

依存性 Q(θ)を用いて

eB/m*はサイクロトロン振動数、kB はボルツマン定

1

τ tr

=
∫ (1 − cos θ ) Q (θ )dΩ数、  は(プランク定数)/2π である。まず、sinhζ ≈(1)

exp(ζ )/2 と近似することで、図 3(b)に示すようにと表される（dΩは散乱される方向の立体角要素）。

ln(∆Rxx/T)を T に対してプロットし、傾きから有効

GaAs 場合、二次元層が不純物層から離れているた質量を求めることができる。次に図 3(c)に示すよ

め前方散乱の頻度が多くなり、τtr は大きくなる。

うに、磁気抵抗振動の磁場依存性を磁場に対して

しかし、量子ホール効果など電子の干渉効果によプロットすることで有効質量を用いて、量子散乱

る現象は後方散乱まで等価に考慮した、量子散乱時間が求まる。図 2(b)にこの量子散乱時間を電子

時間

濃度に対してプロットした。酸化亜鉛 2DES の量

1
=

τq

∫ Q (θ )dΩ

子散乱時間は GaAs 二次元電子系や正孔系と同等(2)であり、非常に高品質な界面が形成されているこによって減衰が決まるため、この値を正確に評価とを示している。その結果として、今まで GaAs

することが重要である。その評価法は磁気抵抗振系でしか観測されてこなかった偶数分母の分数を動の振幅の温度(T)依存性と磁場(B)依存性を測定指標に持つ、特殊な量子ホール効果が酸化亜鉛ですることで得られ、n = 1.7 × 1011 cm−2 の試料に観測された[3]。

ついて図 3 に示す。磁気抵抗振動の振幅は【トポロジカル絶縁体における量子ホール効果】
トポロジカル絶縁体はスピン軌道相互作用の強いナローギャップ半導体において、価電子帯と伝導体のバンド位置が反転することによって生じる表面状態を持つ物質である。表面状態はバンド
ギャップ中に線形に近い分散を持ち、反対称スピン軌道相互作用のためスピンの縮退が解け、結晶運動量に依存したスピン量子化軸を持つことが特徴である。しかしながら、少量の欠陥や化学量論
組成からのずれのため、フェルミ準位をバンド
ギャップ中に調整するのが困難であり、表面準位の輸送特性を純粋に観測した例は非常に少ない。
本研究では、高品質(Bi1−xSbx)2Te3 薄膜を作製し、電界効果を用いたフェルミ準位制御により、表面状
図 3．(a)磁気抵抗の温度依存性。(b)磁気抵抗振動態の磁気輸送特性の本質を見出すことを目的とし

振幅（∆Rxx）の温度依存性。(c)磁気抵抗振動振幅

た[4]。
試料は InP(111)基板上に分子線エピタキシー法の磁場(B)依存性。

57

図 5．B = 14 T における x = 0.84 の試料の(a)縦伝導度（σxx）と(b)ホール伝導度（σxy）のゲート電圧依存性。(c)帰結されるランダウレベル準位図。
B = 14 T における結果を図 5 に示す。ホール伝導
度は電子蓄積側（正ゲート電圧側）で σxy = − e2/hの量子伝導度に量子化し、正孔蓄積側（負ゲート電圧側）でσxy = + e2/h の量子伝導度に量子化した（図 5(a)）。また、縦伝導度は低温において、ホール伝導度が量子化するゲート電圧でゼロに漸近した（図 5(b)）
。これはそれぞれν = −1 とν = +1 の量子ホール効果に対応する（図 5(c)）
。
次に、x = 0.88 の試料を用いて、同様の測定を

図 4．(a)作製した(Bi1−xSbx)2Te3 電界効果型トラン行った結果を図 6 に示す。Sb ドープは正孔を導入

ジスタの断面積層構造と(b)上部からの光学顕微することに相当する。ホール伝導度は x = 0.84 の鏡写真。(c)T = 40 mK、B = 3 T における縦抵抗と試料と同様にν = +1 で量子化し、さらに CNP を中（Rxx）とホール抵抗（Rxy）のゲート電圧依存性。

心としてν = 0 にも量子化が現れた。これは以下の

VCNP は電荷中性点（CNP）でのゲート電圧。
を用いて(Bi1−xSbx)2Te3

ように理解できる。トポロジカル絶縁体は上面と下面の2層表面状態を持つが、作製条件により両薄膜を堆積した。電界効果型トランジスタ作製のためゲート絶縁体として表面の電子濃度が異なり、フェルミ準位に差が生AlOxを原子層堆積により積層し、電極として Au

。このとき、CNP にはランダウレベ
じる（図 6(c)）

キャップした Ti を電子ビーム蒸着により形成しル1つに対応する状態密度が存在する。ちょうどた（図4(a), 4(b)）
。

フェルミ準位が片方の面で電子蓄積、もう片方の面で正孔蓄積である時には、各々ν = ±1/2 分の寄与

図 4(c)に x = 0.84 の試料において、T = 40 mK、B = 3 T における、縦抵抗とホール抵抗のゲート電があるため、全体で ν = 0となる。このとき、上圧依存性を示す。ホール抵抗は電荷中性点を境に面と下面は擬スピンと見なせ、各々のエッジ状態

符号が変化する ambipolar な特性を示し、縦抵抗はが相互作用するためにギャップが開き、縦伝導度

電荷中性点で極大を取った。さらに磁場を印加しもゼロに漸近する。この状態は擬スピンホール絶縁体として理解できる。

58

図 6．B = 14 T における x = 0.88 の試料の(a)縦伝

図 7．Cr ドープ(Bi1-xSbx)2Te3 薄膜の縦抵抗（Rxx）

導度（σxx）と(b)ホール伝導度（σxy）のゲート電とホール抵抗（Rxy）の磁場依存性。

圧依存性。(c)帰結されるランダウレベル準位図。

[4] R. Yoshimi, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, J. Falson, K.S.

【今後の展望】

Takahashi, J.G. Checkelsky, N. Nagaosa, M. Kawasaki,

本研究では、従来の半導体とは異なる特徴を持and Y. Tokura, Nature Commun. 6, 6627 (2015).

つ二次元電子および正孔系における量子ホール効[5] J. G. Checkelsky, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K. S.

果の極低温磁気輸送特性を測定した。酸化亜鉛のTakahashi, Y. Kozuka, J. Falson, M. Kawasaki, and Y.

二次元電子系は既に最も清浄な半導体であると言Tokura, Nature Phys. 10, 731 (2014).

え、GaAs 系で観測されていない偶数分母分数量子ホール状態も観測された。今後はこの状態が理論的に予測されている、トポロジカル量子計算に用いることができる非可換的な特性を持つことの実証を目指す。また、トポロジカル絶縁体では磁性ドープすることにより、ゼロ磁場でも量子ホール状態となる量子異常ホール効果を観測している（図 7）[5]。これを用いて、磁気ドメイン制御を行っていく。

[1] Y. Kozuka, A. Tsukazaki, and M. Kawasaki, Appl.
Phys. Rev. 1, 011303 (2014).
[2] J. Falson, Y. Kozuka, J. H. Smet, T. Arima, A.
Tsukazaki, and M. Kawasaki, Appl. Phys. Lett. 107,082102 (2015).
[3] J. Falson, D. Maryenko, B. Friess, D. Zhang, Y.
Kozuka, A. Tsukazaki, J. H. Smet, and M. Kawasaki,
Nature Phys. 11, 347 (2015).

59

● 農学生命科学研究科応用生命化学専攻

食品生物構造学研究室

磁気力場を用いた高品質タンパク質結晶の取得
当研究室では主に X 線結晶構造解析の手法を用

われわれは、高品質のタンパク質結晶を得るた

い、タンパク質の立体構造解析を通じてそのタンめの実験環境として、超伝導磁石を利用した強磁パク質が機能を発現する分子機構を明らかにする場・磁気力場を用いている（図１）。タンパク質結構造生物学の研究を行なっている。研究対象は遺晶化における強磁場環境の効果としては、結晶核

伝子の転写制御など基本的な生命現象に関わるタ形成の抑制[1]、微結晶の磁場配向[2-4]、結晶成長

ンパク質、産業上有用な酵素群、創薬のターゲッ

速度の低下[5]、結晶品質の向上[6-8] が知られてい

トとなりうる膜タンパク質など様々である。タンる。この他、均一磁場環境においては、ローレン

パク質の立体構造を決定する手段として結晶構造

ツ力による対流抑制効果と磁場による溶液の粘性解析が優れている点は、解析対象の分子量に制限

上昇効果があり、勾配磁場環境では、上向き磁気がない上に、原子分解能での３次元構造情報が得力による自然対流の抑制効果がこれに加わると考られることである。しかし、解析対象のタンパク

えられている[9]。実際、強磁場・磁気力場を利用質からなる結晶を作成する必要があり、高分解能

したわれわれの研究において、３割程度の確率ででの解析を行うには、回折能の高い良質の結晶をタンパク質結晶の高品質化が達成されることを報取得する必要がある。一般的なタンパク質分子は告している[10]。

分子量が数千～１万以上、大きいものでは１００

さらに近年われわれは、良質なタンパク質結晶

万を超える高分子であるがゆえに、立体構造のフを効率的に得るための『高効率・高品位タンパク

レキシビリティを内包している。そのため、タン質結晶生成システム』を開発した。このシステム

パク質の（高品質）結晶を得る段階が結晶構造解は、図１に示した実験装置と同様のコイル配置に

析のボトルネックとなっている。

より水の磁気浮揚が可能な強い磁気力を発生する
超伝導磁石室温ボア中心軸上の磁場（Bz）と磁気力場（Bz(dBz/dz)）分布AB

図１．実験装置概要．磁気力場を利用したタンパク質結晶化実験を行う領域を赤枠で示した。

60

“磁場系”、独自に開発した結晶化プレートによる実験を行い、結晶成長を記録した（磁気力場実験）。

“結晶生成系”、結晶成長の様子を磁場内でリアル実験に用いたタンパク質試料は、蛍光タンパク質

タイムに in situ 観察可能な“観察系”で構成される。

mKO（クサビライシ由来 Kusabira Orange の単量体

本システムの詳細は、平成２４年度低温センター

変異体; 10 mg/ml に調製）およびニワトリ卵白リゾ

年次報告をご参照いただきたい。

チーム（HEWL; 50 mg/ml に調製）である。結晶化

本稿では、強磁場・磁気力場がタンパク質結晶の た め の 沈 殿 剤 溶 液 組 成 は そ れ ぞ れ 、 0.1 M

成長に与える影響について、最近の実験結果を報CHES-NaOH pH 9.7, 50% v/v PEG-600（mKO）、0.1

告する。

M Na-acetate pH 4.6, 1 M NaCl（HEWL）である。
＜結果・考察＞mKO については、コントロール実験において、● 磁気力場が結晶成長に与える効果

結晶化実験開始から約 16 時間で視認できる微結＜方法＞
超伝導磁石を一旦消磁し、２種類のタンパク質晶が生成した。一方、磁気力場実験では結晶化実

試料について結晶化実験を行うとともに結晶成長。
験開始から約 20 時間で微結晶が生成した（図２）の様子を記録した（コントロール実験）。その後、

HEWL では、コントロール実験、磁気力場実験で超伝導磁石を再励磁し、強磁場・磁気力場条件

それぞれ結晶化開始から 7 時間、10 時間で微結晶（13.6 T, 水に対する実効重力 0.16G）下でコントの生成が確認された（図３）。

ロール実験と同じタンパク質試料を用いた結晶化

図２．蛍光タンパク質 mKO の結晶成長観察結果（コントロール実験、磁気力場実験）．

図３．ニワトリ卵白リゾチーム（HEWL）の結晶成長観察結果（コントロール実験、磁気力場実験）．

61

上記の２種類のタンパク質における結晶成長観

件は前項と同じである。

察結果はいずれも、磁気力場が作用する環境でタ＜結果・考察＞ンパク質結晶生成の初段階が遅れたことを示して結果を図４に示した。条件Ｂおよび条件Ｃで生いる。つまり、磁気力場環境では結晶化溶液中の成した結晶では、複数個が集合あるいは複数箇所

自然対流が抑えられることにより、結晶生成に必から成長したクラスター結晶となる場合があった。

要な結晶核の形成が遅延したことが示唆される。

一方、条件Ａではクラスター結晶は見られなかっこの現象は結晶核生成数の低下につながり、X 線

た。また、条件ＡおよびＢでは、HEWL 正方晶系

回折実験に供する単結晶の効率的な取得に寄与す結晶の c 軸が磁場と平行となる磁場配向が確認さると期待される。

れた。
以上の結果から、条件ＡおよびＢでは、共通し● 磁場、磁気力が結晶化に与える効果

た強磁場の効果により結晶の磁場配向が誘起され＜方法＞るが、このうち磁気力が作用する条件Ａでは、磁超伝導磁石の室温ボア内における、磁気力最大付

気力場環境の自然対流低減効果により結晶のクラ近の条件Ａ（13.5 T,

水に対する実効重力 0.2G;

スター化が抑制されると考えられる。すなわち、

図１）、磁気力がゼロ付近の条件Ｂ（15.2 T, 水に磁気力場では、磁場＋磁気力の相乗効果が期待さ

対する実効重力 1G; 図１）、および磁石外のコンれる。

トロール（条件Ｃ）の計３条件で、外部磁場以外の条件は可能な限り同じとなるようにして結晶化

今後も強磁場・磁気力場を利用したタンパク質実験を行い、結晶の生成結果を比較した。実験にの結晶化実験を行うことによって本手法の有効性用いたタンパク質試料は HEWLであり、結晶化条を検証していくとともに、取得した高品質結晶を

図４．ニワトリ卵白リゾチーム（HEWL）の結晶化結果．

62

用いた高精度立体構造解析により、標的タンパク質に関する有用な知見を得ていきたい。
（文責：中村 顕、田之倉 優）[1] G. Sazaki, E. Yoshida, H. Komatsu, T. Nakada, S.
Miyashita, and K. Watanabe. J. Cryst. Growth 173,
231–234 (1997).
[2] M. Ataka, E. Katoh, and N.I. Wakayama. J. Cryst.
Growth 173, 592–596 (1997).
[3] J.P. Astier, S. Veesler, and R. Boistelle. Acta
Crystallogr. D54, 703–706 (1998).
[4] S. Sakurazawa, T. Kubota, and M. Ataka. J. Cryst.
Growth 196, 325–331 (1999).
[5] S. Yanagiya, G. Sazaki, S.D. Durbin, S. Miyashita,
K. Nakajima, H. Komatsu, K. Watanabe, and M.
Motokawa. J. Cryst. Growth 208, 645–650 (2000).
[6] S.X. Lin, M. Zhou, A. Azzi, G.J. Xu, N.I.
Wakayama, and M. Ataka. Biochem. Biophys. Res.
Commun. 275, 274–278 (2000).
[7] T. Sato, Y. Yamada, S. Saijo, T. Hori, R. Hirose, N.
Tanaka, G. Sazaki, K. Nakajima, N. Igarashi, M.
Tanaka, and Y. Matsuura. Acta Crystallogr. D56,
1079–1083 (2000).
[8] D.C. Yin, N.I. Wakayama, K. Harata, M. Fujiwara,
T. Kiyoshi, H. Wada, N. Niimura, S. Arai, W.D. Huang,
and Y. Tanimoto. J. Cryst. Growth 270, 184–191(2004).
[9] N.I. Wakayama. Cryst. Growth Des. 3, 17–24(2003).
[10] A. Nakamura, J. Ohtsuka, K. Miyazono, A.
Yamamura, K. Kubota, R. Hirose, N. Hirota, M. Ataka,
Y. Sawano, and M. Tanokura. Cryst. Growth Des. 12,
1141–1150 (2012).

63

● 理学系研究科化学専攻

大越研究室

機能性シアノ架橋型ネットワーク錯体の構築(1) メタ磁性を示す耐熱性磁性錯体
金属錯体は、設計性が高く、金属イオンや配位子の選択により、多様な機能性を導入した化合物合成が可能である。その中でもシアノ架橋型金属
錯体は、強磁性転移を示す化合物を構築し易く、注目されている化合物群である。近年では、磁性と他の特性を合わせ持つ機能性磁性体の研究が盛んに行われている。例えば、当研究室では、これまでに光応答性、湿度応答性、イオン伝導性などを示す強磁性錯体を報告している[1–3]。機能性材料の応用を考えた場合、材料自身の耐熱性の向上も重要な課題である。本研究では、オクタシアノ
金属酸イオンを構築素子とした耐熱性磁性錯体
CsI4CoII[MV(CN)8]Cl3 (M = Mo, W)の構築を行った。
CsI4CoII[MV(CN)8]Cl3 (M = Mo, W)は 250℃におよぶ優れた耐熱性およびメタ磁性を示すことを明らかにした[4]。
CsI4CoII[MV(CN)8]Cl3 (M = Mo, W)は、CoCl2∙6H2Oと CsCl を少量の水に溶かした後、アセトンを加え、その混合溶液中に、Cs3[MoV(CN)8]∙2H2O の水溶液

図 1．CsI4CoII[MV(CN)8]Cl3 (M = Mo, W)の結晶を静置し、ゆっくり拡散させることにより、単結構造 (a) a 軸投影図 (b) b 軸投影図.

I

II

V

晶として得た。Cs 4Co [Mo (CN)8]Cl3 は、緑色結晶

Cl3 は単斜晶系、P21/n に属し、a = 9.330(2) Å, b =として、収率 60%で得られ、CsI4CoII[WV(CN)8]Cl3

13.642(3) Å, c = 16.734(3) Å, β = 95.92(3)°, V =は濃青色結晶として収率 89%で得られた。

2118.5(7) Å3, Z = 4 の格子定数を有することがわ

CHN 標準微量分析および誘導結合プラズマ質

かった。CsI4CoII[MoV(CN)8]Cl3 は、金属イオンがシ

量分析により、試料の組成分析を行った。構造同アノ基で架橋されて組み上がった 2 次元シートが定は、単結晶 X 線回折装置を用いた結晶構造解析

層状に重なった結晶構造を有していることが明らにより行い、磁気特性評価は、超伝導量子干渉素かになった（図 1）。MoV には、8 つのシアノ基が子計（SQUID）付き磁気計測機を用いて行った。

配位しており、そのうちの 3 つが CoII に架橋して低温下における X 線回折パターン測定および磁化測定は、東京大学低温センターから供給された液いる。一方、CoII には、シアノ基由来の 3 つの窒体窒素および液体ヘリウムを使用した。

素原子および 3 つの塩化物イオンが配位している。
2 次元シートは、シアノ基で架橋された{Co2Mo2}

単結晶 X 線構造解析の結果、CsI4CoII[MoV(CN)8]四角形と{Co4Mo4}六角形により形成されている。

64

図 2．CsI4CoII[MV(CN)8]Cl3 の熱重量変化. M =Mo: オレンジ色線, M = W: 茶色線.
このようにしてできた 2 次元シート {CoII[MoV(CN)8]
Cl3}4−は、−4 の負電荷を有しており、その電荷を補償するために多量の Cs+イオンが 2 次元シート層間に存在している。したがって、CsI4CoII[MoV(CN)8]Cl3の結晶構造は、2 次元シート {CoII[MoV(CN)8]Cl3}4−と Cs+イオンの静電的相互作用により安定化していると考えられる。また、CsI4CoII[MV(CN)8]Cl3(M = Mo, W)の結晶構造には、合成溶媒として用いた水やアセトンが一切含まれないことが明らかに

図 3．
CsI4CoII[MV(CN)8]Cl3 の磁気特性. (a) χT-T
プロット (b) M-H プロット. M = Mo: オレン

なった。
CsI4CoII[MV(CN)8]Cl3 (M = Mo, W)の熱重量変化を

ジ色マーカー, M = W: 水色マーカー.

示す（図 2）。両錯体ともに、250℃付近まで目立った後、急激に減少し、1.8 K でほぼ 0 K cm3 mol−1

た重量変化を示さず、優れた耐熱性を示すことが明となった。一方で、χ −1-T プロットは、200 K～

らかになった。この耐熱性は、結晶構造中に溶媒分

300 K の温度範囲で、Curie-Weiss 則に従い、そ子を含まないこと、また、静電相互作用により 2 次のWeiss定数は 48 K（CsI4CoII[MoV(CN)8]Cl3）、

元シート層間が強く結ばれていることに起因すると

55 K （CsI4CoII[WV(CN)8]Cl3）となった。χ T 値の考えられる。

値が25 K 付近まで増加すること、Weiss 定数がプ

各種磁気測定の結果より、CsI4CoII[MV(CN)8]Cl3ラスの値を示すことから、本錯体中の磁性金属(M = Mo, W)は、メタ磁性を示すことが明らかにイオン間には強磁性相互作用が働いていることなった。以下に詳細を記載する。磁化率に温度を掛がわかった。また、25 K を境に急激にχ T 値が減−1

けた値（χT値）は、それぞれ 3.1 K cm mol （Cs 4

少することから、低温においては反強磁性体とCoII[MoV(CN)8]Cl3）、3.2 K cm3 mol−1（CsI4CoII[WV

なっていることがわかる。

3(CN)8]Cl3）であり、CoII とI

MoV との磁気カップリ

図 3b に 1.8 Kの磁化の磁場依存性プロット（M-H

ングを考慮しない時に予想される値 3.1 K cm3 mol−1

プロット）を示す。低磁場下においては、反強磁（SMo/W = 1/2, gMo/W = 2.0, SCo = 3/2, gCo = 2.4)と良く性であるため、磁化の値は小さいが、外部磁場一致した（図3a）。χT 値は、25.5 Kで最大値を迎え

20 kOeを超えると急激な磁化の上昇が見られる。

65

90 kOe において、磁化の値は 3.1µB となり、強磁性状態と仮定したときの値 3.2µB （SMo/W = 1/2,
gMo/W = 2.0, SCo,eff = 1/2, gCo,eff = 13/3）とほぼ一致す
る。このことから、外部磁場の印加により、反強磁性から強磁性に転移したと考えられる。また、明瞭な磁気ヒステリシスが観測されることからも、強磁性の存在が確認でき、その磁気異方性も大きいことがわかる。
以上の磁気測定の結果から、シアノ基で架橋された CoII と MV (M = Mo, W)の間には、強磁性相互作用が働き、
2 次元シートは強磁性を示す一方で、その 2 次元シート間には、反強磁性相互作用が働いていると考えられる。2 次元シート間は、8 Å程度離れているため、その反強磁性相互作用は弱く、外部磁場により、2 次元シートの磁化がフリップし、結晶構造全体として強磁性的なスピン配列になる。磁化のフリップを起こす外部磁場が 20 kOe
以上と大きいのは、CoII の一イオン異方性に由来する磁気異方性が大きなことが原因であると考え
図 4．TbW の結晶構造 (a) 2 次元シート構造られる。

(b) 2 次元シートが積層した層状構造.
(2) シアノ架橋型金属集積磁性体の発光制御ンターから供給された液体窒素および液体ヘリウ

磁性と発光を合わせ持つような材料は、多重セムを使用した。

ンシングやバイオイメージングなど様々な応用分

単結晶 X 線構造解析より、TbW は単斜晶系、野で興味が持たれている。錯体分野においても、

P21/n に属し、a = 12.5778(2) Å, b = 19.7185(8) Å, c =磁性と発光を示す化合物は注目されているが、そ13.8892(5) Å, β = 93.471(1)°, V = 3438.4(2) Å3, Z = 4の例は限られている。本研究では、発光を示す金の格子定数を示すことが明らかになった。その結属 中 心 お よ び 有 機 配 位 子 を 含 む 錯 体 {[TbIII

晶構造は、2 次元シートが層状に重なった構造を(Box)2(dmf)2][WV(CN)8]∙H2O (Box = bis(oxazoline),

有しており、層間には水分子が存在していた（図dmf = N,N’-dimethylformamide) (TbW)を合成し、そ4）。2 次元シートは、シアノ基で架橋された六角の発光特性および磁気特性を調べた[5]。

形上の Tb4W4 ユニットから成り立っており、TbIII

TbW は、Tb(NO3)3∙6H2O、Box、TBA3[WV(CN)8]には 3 つのシアノ基から 3 つの窒素原子、2 つの(TBA = tetrabutylammonium)および少量の DMF を

dmf からの 2 つ酸素原子、2 つの Box 配位子からアセトニトリルに溶かした後、ジエチルエーテルの 4 つの窒素原子が配位し、9 配位の構造を有しを拡散させることにより、黄色ブロック状結晶とていた。2 次元シートが重なった層状構造は、非して得た。各種組成分析により、試料の組成を同配位のシアノ基と層間に存在する水分子による水定し、単結晶 X 線構造解析により、構造を決定し素結合および Box 配位子同士のπ-πスタッキング

た。低温下における各種測定は、東京大学低温セにより安定化されていた。

66

図 5．TbW の磁気特性. (a) χT-T プロット (b)M-H プロット.
磁気特性の測定結果を図 5 に示す。室温におけるχ T 値は 12.2 K cm3 mol−1 となり、TbIII-WV の期
待値 12.2 K cm3 mol−1 (TbIII: J = 6, gJ = 3/2, WV: S =1/2, g = 2)と良く一致していた。χ T 値は、100 K 付
近から徐々に減少し、12 K で小さな極小値 11.0 K
cm3 mol−1 を迎えた後、急激な上昇により 2.5 K に

図 6．(a) TbW の発光スペクトル. (b) 励起光

おいて最大値 19.3 K cm3 mol−1 を示し、その後再び

260 nm および (c) 励起光 340 nm を用いたと減少した。100 K 付近からのχ T 値の減少は、TbIII

きに予想される発光過程の模式図.

の基底項である 7F6 の分裂に由来するシュタルク

す。
260 nm の波長の光を励起光として照射すると、準位の占有率が|J|の値の小さい準位に偏ったこと

TbW は 490, 545, 585, 622 nm に強い発光、
647, 667,によるものと考えられる。一方で、急激なχ T 値の678 nm に弱い発光を示し、全体として緑色の発光

III と WV との間の強磁性的な相互作用

増加は、Tb示した。これらの発光は、TbIII の f8 内殻電子の遷に由来すると考えられる。また、図 5b の M-H プ

移に帰属される。一方、340 nm の光を照射すると、ロットで示される 70 kOe における磁化の値は、

主に 650 nm の Box 配位子の遷移に由来するリン

5.9µ B であり TbIII-WV 間の強磁性相互作用を仮定し光が観測された。このリン光は Box 配位子のみで場合の値 6.0µ B とほぼ一致し、強磁性体であることは観測されず、TbIII が存在することによる重原子を示している。

効果によって、項間交差（ISC）が促進されたこと

TbW 固体の 77 K における発光特性を図 6 に示によると考えられる。このような励起光に依存し67

た著しい発光波長の変化は、TbIII と Box 配位子のエネルギー準位に起因している。すなわち、Box
配位子は 300 nm 以下の光をほとんど吸収せず、
TbIII が吸収し、TbII からの緑色の発光が観測される。
300 nm 以上の励起光では、Box 配位子の吸収が支配的になり、主に Box 配位子からの赤色のリン光が観測されるようになったと考えられる。
以上より、TbW は励起光による発光スイッチングが可能な強磁性錯体であることが明らかになった。

[1] S. Ohkoshi, S. Takano, K. Imoto, M. Yoshikiyo, A.
Namai, and H. Tokoro, Nature Photonics, 8, 65 (2014).
[2] S. Ohkoshi, K. Arai, Y. Sato, and K.Hashimoto,
Nature Materials, 3, 857 (2004).
[3] S. Ohkoshi, K. Nakagawa, K. Tomono, K. Imoto, Y.
Tsunobuchi, and H. Tokoro, J. Am. Chem. Soc., 132,
6620 (2010).
[4] K. Nakabayashi, S. Chorazy, D. Takahashi, T.
Kinoshita, B. Sieklucka, S. Ohkoshi, Cryst. GrowthDes., 14, 6093 (2014).
[5] S. Chorazy, K. Nakabayashi, S. Ohkoshi, and B.
Sieklucka, Chem. Mater., 26, 4072 (2014).

68

● 工学系研究科電気系工学専攻 関野研究室
SQUID 検出器を用いた磁気計測の研究
1．磁気計測に及ぼす環境ノイズの検討

2 階の実験室は，X 成分である南北は廊下と壁が

SQUID 磁束計を用いた生体磁気計測においてあるだけだが，Y 成分である東方向には約 1 m のは，鉄道の送帰電流やエレベータなどの磁界発生位置にエレベータがある。Z 成分である鉛直方向

源の移動によって生じる超低周波磁界変動（1 Hzには，東京メトロ千代田線が大学敷地と並行する

以下），空調機器のファン，ポンプなどの回転体やように軌道が走っている。

電気機器などから発生する低周波磁界が環境ノイズとなり，微弱な磁界を測定対象とする生体磁気測定に大きな影響を与える。都市部で生体磁気計
測を行う場合には，超低周波磁界変動が日中，深夜（車両の運行有無）で大きく異なっている場合が多く，直流起動電気鉄道の移動が超低周波磁界変動の最も大きな要因の一つであると考えられる[1]ことから測定環境におけるノイズ源とその特性

図 2 低温センター205 号室の見取り図を明らかにすることが重要となっている。
本研究では、磁気計測が行われている低温セン〈2･2〉

ター共同利用研究室および工学部 10 号館で、主要

す る フ ラ ッ ク ス ゲ ー ト 磁 束 計 （ Applid Physicsてノイズ発生源について定量的に検討した。さら

Systems 社製：APS520A，最高感度は 0.1 nT）によに、小型磁気シールドボックスによるノイズ抑制

り実験室内の環境磁気変動の経時変化測定を行っ効果を評価した。

た。測定結果はデータロガーのフィルタを 5 Hz に

2．実験方法
測定環境

南北(X)，東西(Y)，鉛直(Z)方向からのノイズを測定するため，3 軸を有因となる地下鉄やエレベータの運転状況に照らし

〈2･1〉

測定方法

設定し記録を行い，スペクトラムアナライザ

図 1 に示す、低温セン(Advantest 社製 R9211C)を用いて，0.1~100 Hz のターと東京メトロ千代田線根津駅は、直線距離で帯域における周波数解析を行った。また，経時変

234 ｍ、建物から駅ホームまでの深さが約 24 m の化を目視できるようペンレコーダを用い，実験室ところに位置する。

内の変化を記入できるようにした。測定時間帯としては，ノイズ特性が異なると考えられる通勤時
間帯（7:00～9:00），帰宅時間帯（18:00～20:00），
深夜時間帯（24:00～5:00）を含む昼夜連続測定を
行った。
〈2･3〉

小型磁気シールドボックス

図3に示す実験室内に設置したシールドボックスは，
内外 2 層（1 層 2 mm）のパーマロイ（厚み 5 ｍｍ）

図 1 低温センターと根津駅の位置関係で構成され，層間を開けることでシールド性能を69

向上させている。
（有限会社藤田工業製作）。幅

3．結果

W=1000 mm, 奥行 D=1000 mm,高さ H=1500 mm の

〈3･1〉

コンパクトな内部と側面には内径 50 mm の穴が磁束計で測定した環境磁気の経時変化量を図 4 にあり，シールドボックスを貫通してケーブルを導示す。日中は三軸方向それぞれに大きな変動があ入できるようになっている。床の鉄筋からの磁化る。地下鉄の運行時間と照らし合わせると，夜間の影響を低減するために，アルミニウムで作られの地下鉄休止時間帯においては変動幅が大幅に減た非磁性架台の上に固定されていることが特徴で少し，三軸ともほぼ同一であった。

環境磁界変動測定

フラックスゲートある。

図 3 実験室の小型磁気シールドボックス〈2･4〉 漏れ電流の検討

東京メトロ千代田線の起動電力は直流 1500 V の架空電車線方式である。千代田線の車両の電動機の消費電力
205 kW，1 編成 10 車両のうち，電動機が付いている車両は 4 車両あることから，1 編成の電流値は約 2200 A と想定した。直流饋電電気鉄道の問題として，漏れ電流があると考えられる[2]。車両からの電流が架線によりレールに流れると，電流のすべてはレールを通らずに一部がレールの接地抵抗に依存して，地盤を通って変電所に戻る漏れ電流となる[1]。千代田線と同様の架線方式である東京

図 4 低温センター実験室（205 号室）におけるメトロ東西線の架線電流に対する漏洩電流の割合

環境磁気ノイズの経時変化

が 20～40%と想定される[1]ことから，千代田線の漏洩電流は最大で 400～900 A あるものと予測す〈3･1･1〉 地下鉄からのノイズの検討

る。

の磁界変動は、同時に起動する列車数と 1 列車が〈2･4･1〉 地下鉄に起因する磁気ノイズの計算
方法

直流電車

発車するための起動電流によって変動の大きさが地下鉄の磁界変動の計算は，実験室内決まる[3]ことから、輸送人員が大きく、同時起動で測定した磁界の強さ H，駅から実験室までの距

する列車数と 1 列車が発車するための饋電電流が離 r をパラメータにアンペールの式より求めた(1)増大する通勤時間帯の変動幅は大きなばらつきが式により得られる電流値を漏れ電流の実測値とし生じると予測する。そこで、地下鉄の各時間におた。

ける根津駅を発着する運行本数と実験室の鉛直方

I=2πrH …………… (１)70向の変動幅の標準偏差を図 5 に示す。列車の本数

Change in magnetic noise with location of the elevatorと測定した変動幅の標準偏差との相関は表 1 に示
すように、朝夕の通勤時間帯では約 0.8 と高い相Magnetic noise (nT)X

関を示した。
S.D. (X)

number of train

S.D. (Y)S.D. (Z)60

2F → B1 → 2F

120

16.0

Y

Z

70

20

12.0
40
30

8.0

20
4.0
10
0

0

50

(s)

100

図 6 エレベータの移動による磁束計の変化
表2

エレベータの位置と磁束値（nT）

0.0
1

図 5

-30

Standard deviation

Number of train

50

4

7

10

13

16

19

22

Time / hr

x

y

z

2

9.6

7.7

55.5

B1

−15.4

88.4

−16.1

2

9.4

−15.1

51.4

ｴﾚﾍﾞｰﾀの位置階

根津駅を発着する列車の本数と実験室内のノイズの標準偏差の関係
表 1 列車の本数と変動幅の相関関係〈3･2〉

小型磁気シールドボックスの評価

時間帯

相関

0:00–24:00

0.65

実験室内とシールドボックス内を同時に測定したラッシュ時間(7:00–9:00)

0.81

鉛直方向の周波数特性を図 7 に示す。同様に南北

ラッシュ時間(18:00–20:00)

0.85

成分，東西成分についても測定を行った結果，シールド内も実験室と同様に 1/f 傾向を示す連続スペ

次に，(1)の計算式に基づき，根津駅方面からの電クトル性の背景ノイズ(0.1～100 Hz)，電気機器か流値の計算を行った。実験室で計測された磁界変ら発生する商用電源磁気ノイズ(50 Hz)と特定周波動幅は最大で 6.0×10 T あったことから，根津駅

数のノイズの混在していることが確認できる。

−7の電流値は 578 A となり，予測値とほぼ一致す
0-8る。よって，ノイズが地下鉄の運行に起因すると〈3･1･2〉 エレベータのノイズの検討

Magnetic noise（dBv)

考える。
実験

室より 1 m に位置するエレベータによるノイズの影響の有無を検討した。エレベータを 2F から
B1F，再び 2F へと移動させた時のフラックスゲー
ト磁束計の測定結果を図 6 に示す。2F から B1F

shield box
laboratory

-35

-100
0.1

までの移動で約 8.0×10−8 T の変動があり，
エレベー

1

10

100

Frequency （Hz)

タの昇降に合わせて，磁束計の波形も変化してい図7

ることがわかる。表２に示すエレベータの位置と実験室とシールドボックス内のノイズ周波数特性(Z 成分)

磁束値の結果から求めた相関係数は 0.92 と高く，ノイズがエレベータの運行に起因すると考える。

71

シールドボックスの遮蔽効果の結果を表 3 に示を行い、その結果に基づいて機器を開発し、臨床す。低周波ノイズに関しては 3 軸それぞれ 1/20～

評価も進めている[4]。開発したリンパ節探索用磁1/30 に低減されていることを確認した。

気プローブを図 8 に示す。

表 3 シールドボックスの遮蔽結果
実験室(nT)

シールド内(nT)

遮蔽率

X

10

0.56

1/18

Y

17.7

0.56

1/32

Z

39.8

1.7

1/23

4．考察
本研究では，地下鉄に近接する実験室において，
環境磁気ノイズを測定し，ノイズの主因について
図 8 リンパ節探索用磁気プローブ

検討を行い，小型磁気シールドボックスによるノイズ低減効果を評価した。今回の測定により，1 Hz

磁気プローブの先端は非磁性のシャフトの先端以下の超低周波環境磁気ノイズは地下鉄の運行とに小型磁気センサを取り付けており、その周りエレベータの上昇下降の移動が主な起因であるこに円筒形の永久磁石を取り付けている。小型磁とがわかった。シールドボックスでは，約 1/30程

気センサは、中心軸上の磁束密度がゼロになる

度の遮蔽効果を確認した。しかし，生体磁気計測点に置いた。磁性流体を検出する原理を図 9 に示に代表されるフェムト(10−15)テスラレベルの高感す。

度磁気センサを用いた微弱磁界計測では，低周波帯にノイズが存在する場合，遮蔽効果が低い[3]。
そのため，今回用いた小型シールドボックスでは，遮蔽効果が不十分であると考える。その一方，補償コイルにより磁界を発生させてノイズの低減を行うアクティブ磁気シールド法もある。今後の実験において，磁気シールドボックスと補償コイルによる低周波環境ノイズの低減を検討する。
5．リンパ節探索用磁気プローブの開発及び磁性
流体蓄積量の測定
乳がんの治療では、転移の有無を判定するため

図9に、リンパ節を探索して組織学的に検査する必要

磁性流体検出原理がある。従来の探索法では放射性同位体が用いられるため、法規制などにより使用できる病院が制

まず磁気プローブに磁性流体が近づくと永久磁

限されている。このような問題を解決するために石により磁性流体が磁化される。磁性流体が磁化

我々は、リンパ系に磁性流体を投与し、リンパ節されると、小型磁気センサの周りの磁束密度が変に蓄積した磁性流体を検知することでリンパ節の化する。これを検出することによって、磁性流体

位置を特定するためのプローブを開発している。

を検知可能としている。臨床評価では磁性流体注

これまでに、数値解析と実験によって最適な設計

入部とリンパ節上で、センサ出力の変化が観測さ72

れ、磁気プローブによる磁性流体の検出に成功し見に成功し摘出することができた。色素では染がた。さらに、低温センターの SQUID 磁化測定装置

見られなかったセンチネルリンパ節も磁気プローを利用して、摘出したリンパ節と磁性流体 5 μL、ブでは検出することがきた。

10 μL の三つの試料に対して磁化率測定を行った。
その結果を図 10 に示す。測定したリンパ節試料は全体積の半分であるため、リンパ節内に蓄積した磁性流体量は約 8 μL 相当であることが分かった。

図 11 磁気プローブによる走査7. 結果
本研究ではアンプ一体型ホール素子の使用やバッテリー駆動の採用を行った。 さらに磁石の大型化により先行研究で開発された磁気プローブの1.181 倍の感度が得られた。また、開発した磁気プ

図 10 摘出したリンパ節の磁化率

ローブを用いての臨床評価を行い、センチネルリ
ンパ節の検出に成功した。

6. 磁気プローブ を用いた臨床評価開発した磁気プローブを用いて、 乳がんの患者（文責：長瀬 まさえ、大久保 哲）

を対象にセンチネルリンパ節の位置特定を行った。
従来法との比較のため、色素法を併用した。この[1] 山崎慶太他:「生体磁気計測のための低周波臨床評価では、 まずがん病巣付近の乳輪下に磁性

環境磁気ノイズに関する検討 ―市電に起因す

流体を 1.6 mL 投与 した。

る磁気ノイズ―」，電気学会マグネティクス研究

その後、磁性流体をセンチネルリンパ節へと到会，MAG-97-223（1997）

達させるために 10 分程度マッサージを行い、磁気[2] 山崎慶太他:「鹿児島市における市電に起因プローブで腋窩リンパ節付近を走査した。磁気プする低周波寛容磁気ノイズに関する検討」，日本

ローブによる走査では、図 11 に示すよう、磁気プ

生体磁気学会論文誌，10，2, 29–30(1997)

ローブを体表にあて、表面を走査し反応の大きい[3] 山崎慶太他:「環境磁気ノイズと磁気シール

ところにセンチネルリンパ節があると考え、おお

ド技術」，日本応用磁気学会論文誌，Vol.29, No.4

まかな位置を特定した後で皮膚を切開し、プロー(2005).

ブの先端部術野へ挿入することで、最終的なセン[4] 大久保哲, 井上雄介, キムドンミン, 大崎博

チネルリンパ節の位置の特定ができる。

之, 益子裕介, 日下部守昭, 関野正樹：「がん転今回の臨床評価では、磁性流体を投与した付近移に関与するリンパ節を特定するための磁気プとセンチネルリンパ節上で、反応が観測された。

ローブの開発」, 電気学会マグネティックス医

さらに反応が観測された点を切り開き、磁気プ

用・生体工学合同研究会資料, MAG-12-125,

ローブを挿入することでセンチネルリンパ節の発MBE-12-94 (2012)73

● 工学系研究科電気系工学専攻

田中・大矢研究室

IV 族強磁性半導体 GeFe における局所的な室温強磁性の発見とナノスケールでの強磁性秩序の成長

1. 研究背景2. 研究目的

現代の情報化社会は Si を用いた集積回路技術に

X 線磁気円二色性(XMCD)測定を用いて IV 族強よって支えられているが、微細加工の限界が近づ

磁性半導体 Ge0.935Fe0.065 薄膜における局所的な磁いており新たな原理に基づいたデバイスの実現が化状態及び電子状態の観測を行った。本研究によ求められている。その中でもスピンの自由度を利り、室温においてもナノスケールの局所的な強磁用して新たな機能(不揮発性、再構成可能な論理回性秩序が存在していることや、その局所的な強磁路など)を持ったデバイスを、既存の半導体テクノ

性は低温になるにつれて大きく成長していき、強ロジーと組み合わせて実現しようというのが「半磁性転移温度(TC)において結合し、強磁性-超常磁導体スピントロニクス」である。分子線エピタキ性転移が起きていることが明らかとなった[4]。

シ ー 法 に よ り 作 製 さ れ た IV 族 強 磁 性 半 導 体
3. サンプル特性

Ge1-xFex 薄膜[1]は母材半導体 Ge と同じダイヤモン
ド単結晶構造を有し、IV 族半導体材料(Si, Ge)と原Ge(001)基板上に分子線エピタキシー(MBE)法に子レベルで平坦な界面を持ったヘテロ構造を作製

よって異なった成長温度で作製した二つのサンプできる(図 1)。また B を共添加することにより、絶ル A、B に対して XMCD 測定を行った。XMCD 測

縁体領域から金属領域まで電気抵抗を制御できる

定は Spring-8 の BL23SU にて全電子収量法にて[2]。これらの特徴から、Si や Ge への有効なスピ行った。サンプル A、B の構造を図 2 に示す。

ン注入源として期待されている。しかし最高の強磁性転移温度(TC)が 210 K[3]と室温に到達しておらず、その強磁性発現機構も全く解明されていない。

図 2

サンプル(a)A 及び(b)B の構造。

サンプル A、B の Ge0.935Fe0.065 層はそれぞれ 160°C
及び 240°C の基板温度で作製した。可視光による
磁気円二色性測定から見積もられたサンプル A、Bの TC はそれぞれ 20 K 及び 100 K であった。サン
プル A、B に対する透過型電子顕微鏡像を図 3 に示す。サンプル A、B 共に良質なダイヤモンド単結晶構造を有していることが分かる。また図 3 に
図 1

見られる白と黒のコントラストは Fe 原子の分布

GeFe/Ge 界面の透過型電子顕微鏡像。

の揺らぎを反映しており、エネルギー分散型 X 線74

分光法による組成分析の結果、サンプル

A、B

無視し、ピーク a,b から XMCD シグナルについて

における Fe 原子の濃度の揺らぎはそれぞれ 4–7%

のみ議論する。

及び 3–10%であり、TC が高いサンプル B の方がFeの濃度揺らぎが大きいことが分かった[5]。

図 3サンプル A、B の透過型電子顕微

鏡像(左図)及び透過電子線回折像(右図)。
図 4サンプル A、B に対する Fe 原子の2p-3d 吸収端を含む(a),(b) X 線吸収分光
4. 実験結果(XAS)及び(c),(d) XMCD スペクトル。

図 4 にサンプル A、B に対する Fe 原子の 2p-3d
吸収端を含む(a),(b) X 線吸収分光(XAS)及び(c),(d)図 5 にサンプル B に対する、エネルギーXMCD スペクトルを示す。図 4(a)、(b)において、X(707.66 eV)における XMCD 強度、Ge の L 点吸収

どちらのサンプルにおいても三つのピーク a, b, c

端(2.3 eV)における可視光 MCD 強度、及び SQUIDが見られる。ピーク c の強度は測定前のサンプルで測定したサンプル全体の磁化の印加磁場依存性に対するフッ酸による表面処理によって大幅に減を示す。測定温度は 5–5.6 K である。それぞれのヒ

少することから、ピーク c は表面に僅かに残って

ステリシス曲線は良く一致している。XMCD 強度

いる Fe 3 価の表面酸化物由来の成分であることがは Fe 原子の 3d 磁気モーメントに比例しており、分かる。一方、ピーク a, b はそれぞれのエネルギー

可視 MCD 強度は Ge の荷電子帯のスピン分裂に比位置(X,Y)において XMCD 強度が印加磁場の増大

例する為、この結果から、Ge の 4p 軌道によってに伴い大きく増大していることから、GeFe 中の強形成されている Ge の荷電子帯のスピン分裂は、

磁性 Fe 原子由来の成分であることが分かる。また、Fe 原子の 3d 磁気モーメントから p-d 混成を通じてピーク位置からその価数は 2 価であることも分か誘起されていることが分かる。

る。以降の議論においてはピーク c からの吸収は

75

(1)

ここで、フィッティングパラメーターは fSPM とmSPM の二つで、それぞれ強磁性ドメインに参加している Fe 原子の全 Fe 原子に対する割合、一つ一つの強磁性ドメインの持つ磁気モーメントの大きさである。図 6 中の黒い破線がフィッティング曲
線となっており、超常磁性成分と常磁性成分の足
図 5

しあわせで Tc 以上の磁化曲線が完璧に再現できサンプル B に対する、エネルギーていることが分かる。

X(707.66 eV)における XMCD 強度、Ge の L 点
吸収端(2.3 eV)における可視光 MCD 強度、及び SQUID で測定したサンプル全体の磁化の印
加磁場依存性。測定温度は 5–5.6 K。
図 6 にサンプル(a)A、(b)B に対するエネルギーX
における XMCD 強度(実線)及び、XMCD 総和則から得られた Fe 元素選択的な磁気モーメント(赤シンボル)の印加磁場依存性の温度変化を示す。差し込み図はゼロ磁場付近の拡大図である。Tc 以下において明瞭なヒステリシスが観測され、Tc で強磁性転移が起きていることが分かる。注目すべきは、
Tc 以上において磁化曲線が大きな曲率も持っている点である。GeFe 中の Fe 原子が Tc 以上において全て常磁性状態となっているなら、磁化曲線は直線になるはずだが、大きな曲率を持っているということは、常磁性だけでなく、超常磁性状態になっている Fe 原子が存在していることを意味している。これは、局所的に Fe 濃度の高い領域において強磁性ドメインが形成されており、その強磁性ドメインが超常磁性として振舞っているからだと考えられる。この局所的な強磁性ドメインの振る舞いを定量的にしらべるために、Tc 以上での磁化曲図 6 サンプル(a)A、(b)B に対するエネル線に対して、超常磁性成分と常磁性成分の足しあ

ギーX における XMCD 強度(実線)及び、

わせ(式 1)によるフィッティングを行った。

XMCD 総和則から得られた Fe 元素選択的な磁気モーメント(赤シンボル)の印加磁場依存性の温度変化。

76

5. まとめ■ GeFe 中の Fe 原子は Ge4p 軌道と混成した 2 価の状態になっていることが分かった。
■ 室温においても存在している強磁性ドメインの特異な成長過程の観測に成功した。
■ ナノスケールの Fe 原子濃度の揺らぎがこの強図 7 サンプル(a)A、(b)B に対するフィッ

磁性ドメインの成長課程を決めており、強磁性

ティングパラメーターの温度依存性。

転移温度上昇の為には適切に Fe 原子濃度の揺らぎを大きくすることが必要であることが分かった。
（文責：若林勇希、伴芳佑、大矢忍、田中雅明）
参考文献

図8

[1] Y. Shuto, M. Tanaka, and S. Sugahara, phys. stat.
sol. 3, 4110 (2006).

GeFe 薄膜中の磁気状態の温度変化。

[2] Y. Ban, Y. Wakabayashi, R. Akiyama, R. Nakane,
and M. Tanaka, AIP Advances 4, 097108 (2014).

図 7 にサンプル(a)A、(b)B に対するフィッティ
ングパラメーターの温度依存性を示す。まず、室温においても fSPM、つまり強磁性ドメインを形成している Fe 原子の割合が一割ほどあることから、室温においても Fe 濃度の高い領域においては強磁性秩序が存在していることが分かる(図 8(a))。さらに、どちらのサンプルに対しても低温になるに[3] Y. K. Wakabayashi, Y. Ban, S. Ohya and M. Tanaka,
Phys. Rev. B 90, 205209 (2014).
[4] Y. K. Wakabayashi, S. Sakamoto, Y. Takeda, K.
Ishigami, Y. Takahashi, Y. Saitoh, H. Yamagami, A.
Fujimori,M.
Tanaka,
and
S.
Ohya,
arXiv:1502.00118.
[5] Y. K. Wakabayashi, S. Ohya, Y. Ban, and M.
Tanaka, J. Appl. Phys. 116, 173906 (2014).

従い fSPM、mSPM 共に増大していることから、温度低下に伴い強磁性ドメインが周囲の Fe 原子を取り込みながら大きく成長していき(図 8(b))、Tc においてこれらの強磁性ドメイン同士が強磁性的に結合することで薄膜全体に強磁性秩序が広がり(図 8(c))、強磁性-超常磁性転移が起こっていることが分かる。また、サンプル B の方が fSPM、mSPMが各温度で大きいことが分かる。これは、Fe 濃度の揺らぎが大きいサンプル B の方が Fe 濃度の揺らぎが小さいサンプル A に対して強磁性ドメインの成長が早く、その結果として Tc が高くなっていることを意味している。これらの結果は磁性元素のナノスケールの組成の揺らぎに起因する、ナノス
ケールの強磁性ドメインの成長、さらにそれに伴う強磁性-超常磁性転移を観測した初めての結果
である。

77

● 工学系研究科電気系工学専攻

田畑研究室

生体模倣スピングラス Co2+添加ガーネット薄膜における光制御スピン流
ザー(λ = 193 nm)を用い、周波数 1 Hz, フルエンス

１．はじめにスピングラスとは電子スピンの向きがガラス的

2 J/cm2 とした。製膜後、大気下にて 1073 K、2 時にバラバラな配列のまま凍結した状態を指す。ス

間のポストアニールを行った。
X 線回折装置(XRD)

ピングラスの数学モデルは最適化問題など情報統による結晶構造解析の結果、(001)配向した単結晶

計力学の分野で幅広く応用されており、神経回路

薄膜のエピタキシャル成長を確認した。膜厚は網におけるニューロンの発火現象との類似性が指600−700 Å である。磁気特性は超電導量子干渉計

摘されている。そのため、スピングラスを用いて(SQUID; 低温センター共同利用装置)により計測

脳型コンピュータを作る試みがなされてきたものした。
また、強磁性共鳴(FMR)を X バンド(9.08 GHzの、これまでに実際に作成された報告例はない。

帯)について調べた。

本研究では脳機能を模倣した素子作製を目的とし
３．結果と考察て、スピングラスの磁気情報をスピンポンピング
により電気信号として取り出すことを試みた[1]。

Fig.1(a)は Lu3Fe4.8Co0.1Si0.1O12 薄膜の零磁場冷却

我々はスピン波デバイスの中心的材料である希土(ZFC)及び磁場中冷却(FC)過程における磁化の温類鉄ガーネットの一種、Lu3Fe5O12 に注目し、Co

度依存性を示す。スピングラス転移温度(TSG)以下と Si を共添加することでリエントラントクラス

において分岐が見られ、FC 過程はスケーリング則タースピングラス(RCSG)相を実現した。磁気異方(𝑀𝑀 = 𝐶𝐶(𝑇𝑇𝑁𝑁 − 𝑇𝑇)𝛽𝛽 )に従う。ここで、C、β はそれぞ性の高い Co2+ で置換することで光照射によってれキュリー定数、臨界指数を表しており、C =Co2+ + Fe3+ → Co3+ + Fe2+ の原子価間電荷移動

0.1995、β = 0.501 を得た。この結果は 3D Heisenberg(IVCT)に伴う磁化誘起が期待される。グラス相に型(β = 0.367)、Ising 型(β = 0.326)の理論モデルと一特有の遅い緩和と光履歴による学習効果を確認し、致せず、平均場的挙動を示唆している[2]。Fig.1(b)脳機能を模倣した素子開発を行った。

に様々な置換量(x)における TSG の磁場依存性を示す。x の増加に伴い、磁場に対する強固性が向上
していることがわかる。これは Co2+の高い磁気異２．実験
Lu3Fe5−2xCoxSixO12 (LFCS: x = 0.00–1.00) 薄膜は方性によるもので、遷移金蔵イオンの中では例外

パルスレーザー堆積法(PLD 法)により基板温度

的に軌道角運動量が残っていることに由来すると1023 K, 酸素圧 0.6 Pa の条件下で Y3Al5O12 (YAG)考えられる。TSG の磁場依存性は以下の式に従う(001) 基 板 上 に 堆 積 し た 。 タ ー ゲ ッ ト は Lu2O3,

de Almeida Thouless (AT)線によって説明される。

α-Fe2O3, CoO, SiO2 粉末を化学量論比で混合し焼結�1 −したものを用いた。PLD 光源は ArF エキシマレー

78

3𝑇𝑇g (𝐻𝐻)3
� = ℎ2 ,
𝑇𝑇F
4

ℎ=

𝜇𝜇𝜇𝜇
𝑘𝑘B 𝑇𝑇F

一方、Fig.1(b)挿入図に示すように Gabay Toulouse (GT)線では上手くフィッティングできない。
AT 線、GT 線はそれぞれイジングスピングラス、
ハイゼンベルグスピングラスをモデルにした相転移臨界曲線を示す。RCSG は一般にイジング模型になることから、この結果は妥当であるといえる[3]。Fig.1(c)に T = 80 K と T = 300 K における
Lu3Fe4.8Co0.1Si0.1O12

薄 膜 の 熱 残 留 磁 化(Thermoremanent magnetization, TRM)と等温残留磁化(Isothermal remanent magnetization, IRM)を示す。
TRM 及び IRM はべき乗則(𝑀𝑀 ∝ 𝑡𝑡 ±𝑛𝑛 )に従う。緩和

Fig.2 (a) Lu3Fe4.95Co0.05Si0.05O12 薄膜の Pt 堆積前
後の FMR 信号の変化と VISHE、(b) 様々な置換量の LFCS 薄膜における FMR 共鳴磁場の方位依存性、(c) Lu3Fe4.8Co0.1Si0.1O12 薄膜の ZFC-FC 過程
における Hres 及び ΔHpp、Hini = 100 Oe は面内方向に印加、(d) Lu3Fe4.8Co0.1Si0.1O12 薄膜の TRM 及び IRM 過程における ΔHpp の時間発展速度(ω)はクラスターサイズ(s)とω~exp(𝐶𝐶⁄𝑠𝑠)の関係があることが知られており[4]、低温における遅い緩和現象はスピンの凍結に伴うクラスターサイズの増加を示唆している。
Fig.2(a)に Lu3Fe4.9Co0.05Si0.05O12 薄膜の強磁性共鳴(FMR)の測定結果を示す。ピーク間線幅 ΔHpp はPt 薄 膜 (厚さ ~10 nm)堆 積 前 後で 42.32 Oe か ら
57.42 Oe に増加した。ΔHpp の増加は LFCS 内部で発生したスピン歳差運動のスピン角運動量が Pt 薄膜の常磁性伝導電子に散逸された結果を反映して
おり、スピンポンピングが行われていることを示唆している。スピンミキシングコンダクタンスはGr ＝ 1.76×1014 Ω−1m−2 が 算 出 さ れ 、 こ の 値 は
Pt/Y3Fe5O12(YIG)/YAG 構 造 に お け る 報 告 値(3.33×10Ω−1m−2)のおよそ半分の値である[5]。

14

得られた逆スピンホール効果電圧(VISHE)は

FMR

スペクトルの積分形をしており、以下のガウシア
Fig.1 (a) Lu3Fe4.8Co0.1Si0.1O12 薄膜の磁化温度依存性、(b) LFCS 薄膜のグラス転移温度の磁場依存性、(c) Lu3Fe4.8Co0.1Si0.1O12 薄膜の TRM 及びIRM

ン関数を用いてフィッティングした。
2

𝑉𝑉ISHE = 𝑉𝑉max exp �−2�(𝐻𝐻 − 𝐻𝐻res )/∆𝐻𝐻pp � �79ここで、Vmax、Hres はそれぞれピーク電圧、共鳴磁場を示す。ローレンツ関数でフィッティングできなかった理由としては、Co-Si 不純物添加により
LFCS 薄膜が不均一系であることに起因している。
Vmax は 30 μV 程度であり、Pt/YIG/YAG 構造の報告
値(123 μV)の約 1/4 である。この違いは上述の Grと Gilbert ダンピング定数の減少によると考えられる。Fig.2(b)に示す Hres の方位角依存性は
𝐻𝐻res = 4𝜋𝜋𝑀𝑀eff sin[2(𝜃𝜃𝐻𝐻 − 𝜃𝜃𝑆𝑆 )] + 𝐻𝐻centerで表され、得られた有効磁化 Meff は置換量とともに増加しており、磁気異方性の向上を反映している。一方、ΔHpp は置換量とともに広がっている。
ΔHpp の増大はスピン角運動量の散逸を意味し、
VISHE の低下を引き起こす。RCSG 相の磁場に対する強固性とスピン流検出を両立するために、以降の議論では置換量 x = 0.1 の試料について考察を進める。Fig.2(c)に Hres と ΔHpp の温度依存性を示す。
明らかに、T < TSG (248 K)において ZFC-FC 過程に分岐が見られる。ZFC 過程における Hres の低下とFig.3 Lu3Fe4.8Co0.1Si0.1O12 薄膜の(a) 光照射前後の FMR スペクトル、(b) 300 K 光照射時と 400 K
光無照射時における ΔHpp 及び Hres

ΔHpp の増加はそれぞれ磁気異方性の低下と RCSG
状態におけるスピンランダムネスを反映している。

FMR スペクトルの鈍化の起源は 4 つ存在し、不均Fig.2(d)に TRM 及び IRM 過程における ΔHpp の時

一広がり ΔHinhom、ギルバートダンピング ΔHGilbert、間発展を示す。ΔHpp の時間発展はべき乗則に従っ

モザイク性 ΔHmosaic、2 マグノン散乱 ΔH2mag があるており、磁化の緩和現象と同様にスピングラスの[6]。ここで、IVCT によって発生した Fe2+によっ

理論に基づいて解釈できることがわかった。

て変化する機構は、ΔHGilbert、ΔHmosaic、ΔH2mag が考次に RCSG 状態に対して、
光誘導磁気効果(PME)

えられるが、今回の光照射で得られた ΔHpp の方位が及ぼす影響を FMR で詳細に調べた。Fig.3(a)に角依存性は 2 マグノン散乱 ΔH2mag が原因で強くダ示すように、光照射(入射光強度：29 mW/mm2)にンピングが起きている系に非常に近い[7]。従って、

よって Hres の高磁場側へのシフトと ΔHpp の尖鋭化

Fe2+がマグノンの散乱中心となり、2 マグノン散乱が確認された。Hres の高磁場側へのシフト量はが起きていると推察される。

400 K における測定値と同等である。光照射によ

次に PME による FMR シグナルの光コントロー

る FMR スペクトル変化の起源を PME か熱由来か

ルを利用することで、“学習効果”を示すマグノニ

区別するため、400 K-光無照射と 300 K-光照射条

クス素子の開発を行った。Fig.4(a)にその原理を示

件下における Hres と ΔHpp の方位角依存性を調べた。

す。光照射前の FMR スペクトルは、ZFC 過程に

Fig.3(b)に示すように、Hres に明確な差異は見られよる状態と同じ基底状態(Intrinsic state)に存在してないが、ΔHpp においては光照射によってよりブいる。光照射によって IVCT を誘発し、その結果

ロードなスペクトルが得られた。これは熱だけで生じた磁気異方性により、FMR スペクトルは高磁なく、PME が存在することを端的に示している。

場側にシフトし、光励起状態(light-excited state)に80

徐々に VISHE が増加する傾向が見られ、その挙動はシナプスの長期増強(LTP)に酷似している。一方でフェリ磁性状態の 300 K においては、光照射サイ
クルを繰り返しても VISHE は一定である。この結果
はスピングラスの遅い緩和現象を反映している。
ここで VISHE の学習効果の起源について考察を行う。光照射前後で変化するメモリ効果の主たる原因は Co2+の局所的な磁気異方性である。光照射
前では Co2+とその周囲の Fe3+の磁気モーメントは容易軸である[111]方向に向く。光照射によって
Co2+は磁気異方性の小さい Co3+に変化するため、Fig.4 (a) 光入射“学習効果”の概念図、(b) 80 K
及び 300 K における 10 分間の光照射サイクルに対する ΔHpp 及び Hres、(c) 80 K 及び(d) 300
Kにおける光照射サイクルに対する VISHE

磁気モーメントは外部磁場の方向(面内方向)に向移行する。光照射の停止後、FMR スペクトルは低

ントは再び[111]方向に向く。しかし、周囲の Fe3+

磁場側へとシフトするが、基底状態とは異なるメの磁気モーメントは定常磁場の方向を保つ。これ

モリ状態(memory state)に移行する。基底状態とメがメモリ状態に対応する。この磁化状態は不安定

モリ状態には明確な差が存在し、これが光入力履であるため、光照射プロセスを繰り返すことで基歴を“記憶”したことに対応する。さらに光照射

底状態へと戻ると考えられる。本研究ではこの光を繰り返すことにより、メモリ状態から徐々に基誘起磁気構造変化をスピンポンピングにより電気底状態へと移行する。スピンポンピングにおいて、的に読み出すことでシナプスを模倣した機能を示

基底状態の共鳴磁場と同じ定常磁場を検出磁場 H0した。

くことができる。IVCT は可逆反応であり、光照射の停止によって Co3+ + Fe2+ → Co2+ + Fe3+の逆反応が誘起される。従って、再び Co2+の磁気モーメとして固定し、その磁場における VISHE を測定する

謝辞：本研究の一部は東京大学低温センター共同と、徐々に基底状態へと近づく様子を VISHE の増加利用装置を使用して行いました。心より御礼申しとして計測できる。10 分間毎の光照射と照射停止上げます。

のサイクルを繰り返し、学習効果があることを調（文責：山原 弘靖、足立 真輝、関 宗俊、田畑 仁）

べた結果が Fig.4(b)である。TSG より低温域の 80 Kにおいて、FMR の ΔHpp と Hres は基底状態と異なる値を取り、光照射 ON・OFF サイクルを繰り返す
ことで基底状態へと移行していることがわかる。
一方、TSG より高温域の 300 K においては ΔHpp とHres に変化は見られなかった。従って、メモリ効果
はグラス状態でのみ観察されるポテンシャルの多谷構造に由来する多数の準安定状態間を遷移していると考えられる。Fig.4(c)に VISHE の光照射サイ
クル依存性を示す。グラス状態の 80 K において、

81[1] M. Adachi, M. Seki, H. Yamahara, H. Nasu, H.
Tabata, Appl. Phys. Express 8, 043002 (2015).
[2] R. Palai, H. Huhtinen, J. F. Scott, and R. S. Katiyar,
Phys. Rev. B 79, 104413 (2009).
[3] J. Villain, Z. Phisik B 33, 31 (1979).
[4] R. V. Chamberlin, D. N. Haines, Phys. Rev. Lett.
65, 2197 (1990).
[5] H. Wang, C. Du, P. C. Hammel, F. Yang, Phys. Rev.
B 89, 134404 (2014).
[6] K. Zakeri, J. Lindner, I. Barsukov, R. Meckenstock,
M. Farle, U. von Horsten, H. Wende, J. Rocker, S. S.
Kalarickal, K. Lenz, W. Kuchi, K. Baberschke, Z. Frait,
Phys. Rev. B 76, 104416 (2007).
[7] X. Liu, W. Zhang, M. J. Carter, G. Xiao, J. Appl.
Phys. 110, 033910 (2011).

● 工学系研究科原子力国際専攻

高橋研究室

タンタル吸収体 TES を用いたγ線スペクトロメータの開発
4.7 keV[1]、スズ吸収体 TES で世界最高となる

１．はじめに
100 keV~数 MeV 領域の硬 X 線・γ線の精密分

ΔEFWHM=526 eV[2] のエネルギー分解能を達成し光技術は、核物質の精密な元素・同位体分析や、ている。しかしながら、スズは高いエネルギーの陽電子消滅γ線のドップラー広がりの計測によるγ線に対して、吸収効率が低く(662 keV に対し

物質微細構造の把握など、原子力工学や物性科学て 1.38%)、検出効率が不十分であった。

といった様々な分野の発展において鍵を握る技術

そこで、本研究では、100 keV~数 MeV 領域のである。現在、このエネルギー領域の硬 X 線・光子に対して、200 eV 以上の高分解能と併せてγ線の精密測定には、Ge 半導体検出器が広く利高検出効率な TES 型マイクロカロリメータの開用されているが、その分光性能は 662 keV のエネ発を目的とする。

ルギー入射に対してΔEFWHM = 1.5 keV (FWHM :Full Width at Half Maximum)程度に測定原理上制限

２．TES の構造と測定原理される。このエネルギー分解能の制約は、複雑な2-1 放射線吸収体素材選択

エネルギースペクトルにおける核種同定や微量分

100 keV ~ 数 MeV 領域の X 線・γ線は高い透析における困難さにつながる。例えば、Co-56 の過力を持つため、エネルギー吸収効率に優れた吸846.77 keV と Cs-134 の 847.0 keV あるいは、U-

収体材料が必要となる。また、高エネルギー分解

235 の 185.7 keV と Ra-226 の 186.1 keV といった能を得るには、熱容量の極小化が不可欠である。

近接したエネルギーピークを分離するには不十分である。また、Ge は原子番号が 32 と小さいために、高エネルギーγ線に対して検出効率が著しく低下してしまうという問題も抱えている。
一方、超伝導転移端型マイクロカロリメータ

表 1: 重金属放射線吸収体の特性比較（0.5 mm 角、0.3 mm 厚を想定）(TES: Transition Edge Sensor)は極低温で動作させ比熱を極小化することで、温度感度を極限まで高めたカロリメータであり、入射放射線のエネル

表１ はスズ(Sn), タンタル(Ta), 鉛(Pb) のギーによる超伝導体の温度上昇を測定原理とす

662 keV に対する吸収効率と 100 mK での熱容量る。このような TES の測定原理は、従来の半導をそれぞれまとめた表である。この表から Ta は体検出器の測定原理とは大きく異なり、2 桁以上

スズと同程度に低い熱容量をもちながら、Pb とのエネルギー分解能の向上を可能とする。

同定度に高いエネルギー吸収効率をもつことがわ

我々の研究室では、数百 keV~数 MeV の硬 Xかる。よって、Ta 吸収体は高いエネルギー分解

線/γ線の高分解能測定に向け、これまでにスズ能と計数効率を同時に実現しうる吸収体材料であと鉛を放射線吸収体とした TES 素子の開発を進ると考えられる。

めてきた。その結果、Cs-137 より得られる
662 keVγ線に対して、鉛吸収体 TES で82

2-2. TES の構造
TES 素子は、・温度センサとなる超伝導薄膜
・入射放射線を熱化する放射線吸収体
・外部と熱のやりとりをする弱い熱リンクの三要素から構成される。
図 1 に示す通り、本研究では超伝導薄膜にイリジウム/金(Ir/Au)のバイレイヤーを適用し、高い熱図 1 TES の構成図と素子模式図

伝導率を有する、金バンプポストを介して、タンタルバルク吸収体を搭載した。
2-3. 測定原理
TES は超伝導/常伝導相転移領域における急峻な温度/抵抗変化を利用したスペクトロメータである。TES 薄膜には、図２に示す通り、定電圧
バイアスが印加されており、弱い熱リンクを介して外部との熱流入が釣り合った状態となっている。放射線の入射により超伝導薄膜の温度が上昇

図 2 RT 曲線 -測定原理

すると、それに伴って抵抗が上昇する。この抵抗変化を電流変化として読みだすことで、入射放射線のエネルギーを精密に検出することが可能とな

３．実験

る。

本研究でははじめに、1 mm 角・0.3 mm 厚の Ta

また、定電圧バイアスが印加されていることによ

吸収体を用いて TES 素子の作製を行い、γ線照り、放射線入射と同時に超伝導薄膜内のジュール

射実験を行った。

発熱が減少することで、熱的な負のフィードバッ

また、その結果を踏まえて、更なる高エネル

ク(ETF: Electro Thermal Feedback) とよび、これにギー分解能化を目指し、吸収体の大きさを４分のよって狭い転移領域に動作点を安定させることが１にした素子を作成し、同様の実験を行った。

でき、また応答信号の高速化も実現できる。このような測定原理から得られる TES のエネルギー
分解能は、動作温度における熱揺らぎとジョンソ
ンノイズが支配的であり、式①のように表すことができる。
∆E𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 = 2.355�4𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇 2𝐶𝐶𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 (1/𝛼𝛼)�𝑛𝑛/2 – ①

この式から、TES のエネルギー分解能は、動作温度 T と素子全体の熱容量 C が小さく、温度
感度α(=d(logR)/d(logT))が大きいほど小さくなる
ことが分かる。
図383電流/電圧測定3-1 結果 A: 1 mm 角、0.3 mm 厚吸収体
3-1-1 I-V 曲線
TES 薄膜に流れる電流と印加される電圧の関係(I-V 曲線とよぶ)は、TES の静的な特性（放射線
入射のない状態での特性）を示すものである。図
3 に異なる熱浴温度(110 mK, 115 mK, 120 mK)における、それぞれの I-V 曲線を示す。図の右部に現れる直線部は常伝導領域、左側の直線領域は超伝導領域を表し、中央部の曲線は転移領域を表す。
3-1-2 応答信号波形
図 5．Cs-137γ線スペクトル

次に実際に観測された 662 keV のγ線に対する応答信号波形例を図４に示す。立ち上がり時間(10-90%) が 1 msec,

解能はΔEFWHM=3.5 keV となった。また、ピーク

立下り時間 (90-10%) が対コンプトン比が 11 程度となっており、これは700 msec 程度となった。 また、信号の立下り部

スズ放射線吸収体 TES と比較して、5 倍程度高いには、速い成分とそれに続く遅い成分からなる値であり、数百 keV の光子に対して、タンタルが２つの減衰時定数が観察された。速い成分の立スズよりも優れた放射線吸収体素材であることが下り時定数τ1 は 42.1 msec , 遅い成分の立ち下が実証された

り時定数τ2 は 52.0 msec となった。これらの値

3-1-4 考察は、スズ吸収体 TES の場合と比較して 10 倍程度

I-V 曲線より得られる TES 薄膜内のジュール発

大きなものとなっている。

熱量から各バイアス点における TES 薄膜の温度が計算によって求めることができる。またオーム則から算出される TES の抵抗値から、定電圧バイアス下における TES の温度・抵抗変化曲線が得られる(図 6)。これを用いて測定バイアス点での温度感度αを計算でき、これと信号波形の立下り時定数から TES 素子全体の熱容量の推定ができる。

図 4 662 keV に対する応答信号例
3-1-3 エネルギースペクトル
図 5 は 1 mm 角、0.3 mm 厚 Ta 吸収体 TES を用いて、Cs-137 より得られるγ線を測定したエネ
ルギースペクトルである。図のように 662 keV の
鋭い光電吸収ピークと、タンタルの蛍光 X 線(Kα線, Kβ線)のエスケープピークが現れている。この

図 6 計算による TES の RT 特性

スペクトルより、662 keV に対するエネルギー分

84

その結果タンタル放射線吸収体の熱容量 470 pJと計算され、理論値の 80 倍程度と著しく大きい値が得られた。
TES の測定原理(2-3)で述べたように、TES のエ
ネルギー分解能は熱容量に大きく依存するため、この熱容量の肥大化はエネルギー分解能を制限す
る支配的な要因であると考えられる。実際にタン
タルは空気中の水素や窒素を 吸着する性質があ
図７ Cs-137 の γ 線スペクトル

り、これによる熱容量肥大化が他のグループにより指摘されている[3]。また、立下り時定数は熱容量に比例するため、著しく長い立下り時定数も熱容量の肥大化を裏付ける結果となっている。
以上より、TES の熱容量を抑制すれば、より高いエネルギー分解能、速い信号応答速度をもつ
TES 素子が実現可能である。そこで、Ta 放射線
吸収体の大きさを４分の１(0.5 mm 角、0.3 mm厚)にした素子を作成し、同様の実験を行った。
3-2 結果 B : 0.5 mm 角・0.3 mm 厚吸収体
0.5 mm 角、0.3 mm 厚の Ta 放射線吸収体を用い

図 8 662 keV に対する応答信号例て、Cs-137 によるγ線の照射実験を行った結果を号を得られた。また、波高値も 1 mm 角 Ta 放射示す。

線吸収体 TES と比較して 5 倍以上高く、S/N 比の3-2-1 スペクトル大幅な向上が達成された。これらは、放射線吸収

図 7 は熱浴温度 100 mK で得られたスペクトル

体を小さくしたことによって、熱容量が低下し、である。1 mm 角の Ta 放射線吸収体のスペクトル

温度感度が向上したことを反映していると考えらと異なり、Ta の Kα線のエスケープピークが分離れる。

できている。更に、662 keV のγ線に対して
780 eV のエネルギー分解能が得られた。これは、

４．まとめ

Ge 半導体検出器より２倍程度優れたエネルギー

本研究では、100 keV~数 MeV のγ線の高分解分解能である。

能かつ高検出効率測定を実現する TES 型マイク

3-2-2 応答信号波形

ロカロリメータの開発を目指して、低熱容量かつ

図 8 は 662 keV に対する応答信号例である

高エネルギー吸収効率という性質を併せ持つタンが、図のような波形の先端が平坦な形状の飽和信

タルを放射線吸収体とした TES 素子を作成し、号が観察された。これは、662 keV の大きなエネ

Cs-137 より得られるγ線の照射実験を行った。

ルギー入射により TES 薄膜の温度が超伝導転移実験の結果、タンタル放射線吸収体を用いた TES

領域を飛び越えて、完全に常伝導に移行したこと

では、原子番号の大きなタンタルの特性を反映によるものである。

し、コンプトン散乱イベントが抑制され、光電

立下り時間は 400 ms 程度となり、1 mm 角 Ta

ピークが強調されたスペクトルを得られた。この放射線吸収体 TES に比べて、応答速度の速い信スペクトルの形状は、Ta 吸収体 TES が Sn 吸収体

85

TES よりも数百 keV 領域程度のγ線測定に適した検出器であることを示していると考えられる。
更に、0.5 mm 角の放射線吸収体 TES によってCs-137 より得られる 662 keV のγ線に対し、
ΔEFWHM=780 eV とこれまでタンタルで報告されているなかで最高のエネルギー分解能を実現した。このエネルギー分解能は、目標である数百
keV に対してΔEFWHM=200 eV に向けて今後更なる改善が必要となる値であるが、HPGe (High
Purity Germanium)半導体検出器を凌ぐ値が得られている。
しかしながら、Ge 半導体検出器と比較して計数率は依然改善すべき課題として大きく残されている。TES は薄膜上での温度変化を均一にするため、有感面積が制限されてしまう。そのため単一素子のアレイ化によって計数率の向上が望まれている。但し、アレイ化した素子も同時に読み出す
ことが現在の技術では難しく、現在多くのグループが開発に取り組んでいる段階である。
今後は課題である計数率の改善にむけ、素子のアレイ化や、応答速度の制限要因を特定し、速度向上に取り組む予定である。
（文責：入松川 知也、大野 雅史、高橋 浩之）[1] R. M. Thushara Damayanthi et al.,IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED
SUPERCONDUCTIVITY vol.19, no.3, (2009) 540–543[2] R. M. Thushara Damayanthi et al.,IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED
SUPERCONDUCTIVITY vol.23, no.3, (2013) 2100304[3] M. L. van den Berg et al.,Proceedings of SPIE vol. 4140, (2000) 436–444

86平成26年度共同利用成果発表リスト
工学系研究科・物理工学専攻 川﨑研究室
Even-denominator fractional quantum Hall physics in ZnO
J. Falson, D. Maryenko, B. Friess, D. Zhang, Y. Kozuka, A. Tsukazaki, J. Smet, M. Kawasaki
Nature Phys. 11, 347 (2015).
Trajectory of Anomalous Hall Effect toward the Quantized State in a Ferromagnetic TopologicalInsulator
J. G. Checkelsky, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K. S. Takahashi, Y. Kozuka, J. Falson, M. Kawasaki, Y.
TokuraNature Phys. 10, 731 (2014).
Quantum Hall Effect on Top and Bottom Surface States of Topological Insulator (Bi1−xSbx)2Te3 Films
R. Yoshimi, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, J. Falson, K. S. Takahashi, J. G. Checkelsky, N. Nagaosa, M.
Kawasaki, Y. Tokura
Nature Commun. 6, 6627 (2015).
Odd-parity magnetoresistance in pyrochlore iridate thin films with broken time-reversal symmetry
T. C. Fujita, Y. Kozuka, M. Uchida, A.Tsukazaki,T. Arima, M. Kawasaki
Scientific Reports, in press.
Challenges and opportunities of ZnO-related single crystalline heterostructures
Y. Kozuka, A. Tsukazaki, M. Kawasaki
Appl. Phys. Rev. 1, 011303 (2014).
Electric double layer transistors with ferroelectric BaTiO3 channels
M. Ito, Y. Matsubara, Y. Kozuka, K. S. Takahashi, F. Kagawa, J. T. Ye, Y. Iwasa, K. Ueno, Y. Tokura,
M. Kawasaki
Appl. Phys. Lett. 104, 222101 (2014).
Spontaneous polarization driven Mg concentration profile reconstruction in MgZnO/ZnO
heterostructures
K. Imasaka, J. Falson, Y. Kozuka, A. Tsukazaki, M. Kawasaki
Appl. Phys. Lett. 104, 242112 (2014).
Polarization dependent Landau level crossing in a two-dimensional electron system in MgZnO/ZnO
heterostructure
D. Maryenko, J. Falson, Y. Kozuka, A. Tsukazaki, M. Kawasaki
Phys. Rev. B 90, 245303 (2014).
Air-Gap Gating of MgZnO/ZnO Heterostructures
T. Tambo, J. Falson, D. Maryenko, Y. Kozuka, A. Tsukazaki, M. Kawasaki
J. Appl. Phys. 116, 084310 (2014).
Calibration and Control of In-plane Mg Doping Distribution in MgxZn1−xO/ZnO Heterostructures
Grown by Molecular Beam Epitaxy
M. Uchida, J. Falson, Y. Segawa, Y. Kozuka, A. Tsukazaki, M. Kawasaki
Jpn. J. Appl. Phys. 54, 028004 (2015).
Interface Engineering and Quantum Transport in Oxide Heterostructures
M. Kawasaki
The 3rd Tsinghua-RIKEN Joint Workshop on Emergent Matter Science, May 19–21 (2014), Peking(China).
Quantum transport of two dimensional electron system at the oxide interfaces
M. Kawasaki
Strongly Correlated Electron Systems (SCES2014), July 7–11 (2014), Grenoble (France).
Quantum transport at oxide interfaces
M. Kawasaki
32nd International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2014), August 11–15 (2014),
Austin (USA).

87地球上で最もクリーンにできるのは酸化物半導体だと思う
川﨑雅司
ワイドギャップ半導体光・電子デバイス第 162 委員会第 91 回研究会、2014 年 9 月 26 日、京都
大学東京オフィス（東京都）.
地球で最もきれいにできる物質は酸化物かも知れない
川﨑雅司
理研・東大・阪大ジョイントセミナー ～Riken-Merit-Cardet Joint Seminar～、2014 年 10 月 16 日、
大阪大学中之島センター（大阪府）.
酸化物エレクトロニクスと結晶
川﨑雅司
世界結晶年 2014 日本結晶学会記念シンポジウム「未来を拓く結晶学」、2014 年 11 月 2 日、伊藤国際学術研究センター（東京都）.

Quantum Transport Phenomena in Oxide Heterointerfaces
Y. Kozuka
International Conference on Complex Oxides, May 19–23 (2014), Protaras (Cyprus).
Odd even-denominator fractional quantum Hall physics in ZnO
J. Falson, D. Maryenko, B. Friess, D. Zhang, Y. Kozuka, A. Tsukazaki, J. H. Smet, M. Kawasaki High
Magnetic Fields in Semiconductor Physics, HMF-21, August 3–8 (2014), Panama (USA).
MBE-grown ZnO heterostructures
Y. Kozuka
18th International Conference on Molecular Beam Epitaxy, September 7–12 (2014), Flagstaff (USA).
MgZnO/ZnO 量子ホール系の強磁場における相図
小塚裕介
強磁場科学研究会「強磁場が切り拓く物質科学のフロンティア」、2014 年 12 月 4 日～5 日、大阪
大学（大阪府）.

農学生命科学研究科・応用生命化学専攻 食品生物構造学研究室
磁気力場を利用した高品質タンパク質結晶取得と結晶成長のリアルタイム観察
中村 顕, 大塚 淳，廣田 憲之，和田 仁，田之倉 優
日本蛋白質科学会 第 14 回年会、2014 年 06 月 25 日、ワークピア横浜／横浜産貿ホール マリネ
リア

Real-time observation of protein crystal growth in a magnetic field gradient
Akira Nakamura, Jun Ohtsuka, Noriyuki Hirota, Hitoshi Wada, and Masaru Tanokura
6th International Workshop on Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields (MAP6), 2014/7/9,
the Southern Beach Hotel & Resort Okinawa and the Bankoku Shinryoukan, Okinawa.
Protein crystallization under microgravity conditions
田之倉 優，中村 顕
日本生物物理学会 第 52 回年会、2014 年 9 月 25 日、札幌コンベンションセンター
高磁気力環境を利用した高品質タンパク質結晶の取得
中村 顕, 大塚 淳，廣田 憲之，和田 仁，田之倉 優
日本生化学会 第 87 回大会、2014 年 10 月 15 日、国立京都国際会館
超伝導磁石による高磁気力環境を利用した高品位タンパク質結晶生成の試み
中村 顕, 田之倉 優, 廣田 憲之, 和田 仁
低温工学・超電導学会 2014 年度第 3 回多次元拘束磁場の発生と物質応答に関する調査研究会／
日本磁気学会 第 32 回強磁場応用専門研究会、2015 年 3 月 19 日、東京大学本郷キャンパス
強磁場・高磁気力環境下におけるタンパク質結晶成長中村 顕, 廣田 憲之, 和田 仁, 田之倉 優
日本農芸化学会 2015 年度大会、2015 年 03 月 28 日、岡山大学 津島キャンパス

理学系研究科・化学専攻 大越研究室
Green to red luminescence switchable by excitation light in cyanido-bridged TbIII-WV ferromagnet
S. Chorazy, K. Nakabayashi, S. Ohkoshi, B. Sieklucka
Chem. Mater., 26, 4072–4075, 2014.

88

Cesium cyano-bridged CoII-MV (M = Mo and W) layered frameworks exhibiting high thermal durability
and metamagnetism
K. Nakabayashi, S. Chorazy, D. Takahashi, T. Kinoshita, B. Sieklucka, S. Ohkoshi
Cryst. Growth Des., 14, 6093–6100, 2014.
High-frequency millimeter wave absorption of indium-substituted ε-Fe2O3 spherical nanoparticles
M. Yoshikiyo, A. Namai, M. Nakajima, K. Yamaguchi, T. Suemoto, and S. Ohkoshi,
J. Appl. Phys., 115, 172613/1–172613/5, 2014.
Atypical Stoichiometry for a 3D Bimetallic Oxalate-Based Long-range Ordered Magnet Exhibiting
High Proton Conductivity
C. Maxim, S. Ferlay, H. Tokoro, S. Ohkoshi, C. Train,
Chem. Commun., 50, 5629–5632, 2014.
Multifunctionality in Bimetallic LnIII[WV(CN)8]3− (Ln = Gd, Nd) Coordination Helices: Optical Activity,
Luminescence and Magnetic Coupling
S. Chorazy, K. Nakabayashi, M. Arczynski, R. Pełka, S. Ohkoshi, and B. Sieklucka
Chem. Eur. J., 20, 7144–7159, 2014.
Ultrafast dynamics of photoinduced semiconductor-to-metal transition in optical switching nano-oxide
Ti3O5
A. Asahara, H. Watanabe, H. Tokoro, S. Ohkoshi, T. Suemoto,Phys. Rev. B, 90, 014303, 2014.
Syntheses, crystal structures, and magnetic properties of Mn-Nb and Co-Nb cyano-bridged bimetallic
assemblies
K. Imoto, M. Takemura, K. Nakabayashi, Y. Miyamoto, K. Orisaku, S. Ohkoshi,
Inorg. Chim. Acta, 425, 92–99, 2015.
Structural phase transition between γ-Ti3O5 and δ-Ti3O5 by breaking of one-dimensionally conducting
pathway
K. Tanaka, T. Nasu, Y. Miyamoto, N. Ozaki, S. Tanaka, T. Nagata, F. Hakoe, M. Yoshikiyo, K.
Nakagawa, Y. Umeta, K. Imoto, A. Namai, and S. Ohkoshi,
Cryst. Growth Des., 15, 653–657, 2015.
Multifunctional material: Bistable metal-cyanide polymer of rubidium manganese hexacyanoferrate
H. Tokoro and S. Ohkoshi
Bull. Chem. Soc. Jpn., 88, 227, 2015.
Water and alcohol vapor sensitivity and calorimetric study on magnetic octacyano-bridged bimetallic
assemblies
H. Tokoro, and S. Ohkoshi
Current Inorg. Chem., 4, 100, 2014.
Novel magnetic functionalities on iron-octacyanoniobate spin-crossover complexes,
S. Ohkoshi,
The 41st International Conference on Coordination Chemistry (ICCC2014), Singapore, July 21st, 2014.
Novel magnetic functionalities on cyano-bridged bimetallic assemblies,
S. Ohkoshi,
Scientific Seminar, Kraków (Poland), June 12th, 2014.
New magneto-optical functionalities on metal complex-based and metal oxide-based materials,
S. Ohkoshi,
Scientific Seminar, Kraków (Poland), June 13th, 2014.
The study of ε-Fe2O3 exhibiting huge coercivity and high-frequency millimeter wave absorption,
S. Ohkoshi,
2014 IEEE International Conference on Microwave Magnetics (ICMM), Sendai (Japan), July 2nd, 2014.
Novel optical functionalities on phase transition materials of metal complex and metal oxide,
S. Ohkoshi,
Rennes (France), January 5th, 2015.
Magneto-optical functionalities in cyano-bridged bimetal assemblies,
S. Ohkoshi,
Gordon Research Conference on Conductivity and Magnetism in Molecular Materials, Lewiston (USA),
August 6th, 2014.

89

Novel magneto-optical functionalities in cyano-bridged bimetal assemblies and metal oxide
nanomaterials,
S. Ohkoshi,
67th Fujihara Seminar: Real-time Dynamics of Physical Phenomena and Manipulation by External
Fields, Tomakomai (Japan), September 26th, 2014.
Novel photomagnetic functionalities on iron-octacyanoniobate spin-crossover complexes,
S. Ohkoshi,
5th International Conference Phase transition and Dynamical properties of Spin Transition Materials(PDSTM2014), Tokyo (Japan), November 19th, 2014.
磁性材料の基礎、
大越慎一、
化学技術基礎講座 電子部品・材料の物性化学―電子・光学材料開発に必須の応用物理基礎を化
学者の立場で―、日本化学会、2014 年 8 月 1 日.
光・電磁波に応答するエコフレンドリーな新物質の創成、
大越慎一、
新化学技術推進協会 先端化学・材料技術部会 新素材分科会 講演会、東京、2014 年 10 月 27 日.

工学系研究科・電気系工学専攻 関野研究室
Estimating evoked magnetic fields in a rat brain using the measured distribution of somatosensory
evoked potentials (SEPs),
Y. Chin, D. Kim, T. Takewa, T. Someya, and M. Sekino,IEEE Transactions on Magnetics (in press).
Characteristics of bowl-shaped coils for transcranial magnetic stimulation,
K. Yamamoto, M. Suyama, Y. Takiyama, D. Kim, Y. Saitoh, and M. Sekino,
Journal of Applied Physics (in press).
Development of a SQUID system for ultralow-field MRI measurement,
T. Woo, M. Nagase, H. Ohsaki, and M. Sekino,International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, vol. 8, pp. 824–833, 2014.
Feasibility of detecting neuronal magnetic fields in the rat brain using MRI,
M. Sekino, Y. Chin, D. Kim, and T. Someya, 59th Annual Magnetism & Magnetic Materials
Conference, Honolulu, USA, 5 November 2014.
Submillimeter-scale mapping of evoked magnetic fields in the rat brain for neuronal current MRI,
M. Sekino, Y. Chin, T. Takewa, D. Kim, and T. Someya, IEEE International Magnetics Conference,
Dresden, Germany, 8 May 2014
近傍を地下鉄が走行する実験室における超低周波環境磁気ノイズの特性とその低減に関する検討.
長瀬まさえ, 小林宏一郎, 瀧山善弘, 関野正樹, 山崎慶太,
電気学会マグネティックス研究会, 金沢, 2015 年 3 月 9 日.

MRI での直接検出に向けたラット脳内誘発磁場のマッピング.
キムドンミン, 陳揚, 染谷隆夫, 関野正樹,
第 29 回日本生体磁気学会大会, 大阪, 2014 年 5 月 29 日.

Toward functional MRI with ultrahigh temporal resolution.
D. Kim, Y. Chin, T. Someya, and M. Sekino,
第 14 回東京大学生命科学シンポジウム, 東京, 2014 年 4 月 27 日.

工学系研究科・電気系工学専攻 田中研究室
Interplay between strain, quantum confinement, and ferromagnetism in strained ferromagnetic
semiconductor (In,Fe)As thin films,
Daisuke Sasaki, Le Duc Anh, Pham Nam Hai, and Masaaki Tanaka,
Appl. Phys. Lett. 104, pp.142406/1–5 (2014).
Unveiling the impurity band inducing ferromagnetism in magnetic semiconductor (Ga,Mn)As,
Masaki Kobayashi, Iriya Muneta, Yukiharu Takeda, Yoshihisa Harada, Atsushi Fujimori, Juraj
Krempasky, Thorsten Schmitt, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Masaharu Oshima, Vladimir N. Strocov,
Phys. Rev. B 89, pp.205204/1–8 (2014).

90

Spin and orbital magnetic moments of Fe in the n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As,
M. Kobayashi, L. D. Anh, P. N. Hai, Y. Takeda, S. Sakamoto, T. Kadono, T. Okane, Y. Saitoh, H.
Yamagami, Y. Harada, M. Oshima, M. Tanaka, and A. Fujimori,Appl. Phys. Lett. 105, pp.032403/1–4 (2014).
Transport properties of the Group-IV ferromagnetic semiconductor Ge1-xFex with and without boron
doping,
Yoshisuke Ban, Yuki Wakabayashi, Ryota Akiyama, Ryosho Nakane, and Masaaki Tanaka,
AIP Advances 4, pp.097108/1–8 (2014).
High-field electroluminescence in semiconductor tunnel junctions with a Mn-doped GaAs layer,
Pham Nam Hai, Takashi Yatsui, Motoichi Ohtsu, and Masaaki Tanaka,
J. Appl. Phys. 116, pp.113905/1 –6 (2014).
(Ga,Fe)Sb: A p-type ferromagnetic semiconductor,
Nguyen Thanh Tu, Pham Nam Hai, Le Duc Anh, and Masaaki Tanaka,
Appl. Phys. Lett. 105, pp.132402/1–4 (2014).
Important role of the non-uniform Fe distribution for the ferromagnetism in group-IV based
ferromagnetic semiconductor GeFe,
Yuki K. Wakabayashi, Yoshisuke Ban, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka,
J. Appl. Phys. 116, pp.173906/1–7 (2014).
Annealing-induced enhancement of ferromagnetism and nanoparticle formation in the ferromagnetic
semiconductor GeFe,
Yuki K. Wakabayashi, Shinobu Ohya, Yoshisuke Ban, and Masaaki Tanaka,
Phys. Rev. B 90, pp.205209/1–7 (2014).
Fabrication of pseudo-spin-MOSFETs using a multi-project wafer CMOS chip,
R. Nakane, Y. Shuto, H. Sukegawa, Z.C. Wen, S. Yamamoto, S. Mitani, M. Tanaka, K. Inomata, and S.
Sugahara,
Solid State Electronics 102, pp.52–58 (2014).
Optical and Magnetic Microstructures in YIG Ferrite Fabricated by Femtosecond Laser,
Atsushi Ishikawa, Tomohiro Amemiya, Yuya Shoji, Pham Nam Hai, Masaaki Tanaka, Tetsuya
Mizumoto, Shigehisa Arai, Takuo Tanaka,
Journal of Laser Micro/Nanoengineering 10, No. 1, pp.48–52 (2015).

工学系研究科・電気系工学専攻 田畑研究室
Long-term potentiation of magnonic synapses by photocontrolled spin current mimicked in reentrant
spin-glass garnet ferrite Lu3Fe5-2xCoxSixO12 thin films
Masaki Adachi, Munetoshi Seki, Hiroyasu Yamahara, Hidekazu Nasu and Hitoshi Tabata,Appl. Phys. Express 8, 043002-1–5 (2015)
High-Temperature Terahertz Absorption Band in Rare-Earth Gallium,
M. Adachi, H. Matsui, M. Seki, H. Yamahara and Hitoshi Tabata,Phys. Rev. B 91, 085118 (2015)
Surface plasmon sensors on ZnO:Ga layer surfaces: Electric field,
H. Matsui, A. Ikehata and H. Tabata,Appl. Phys. Lett. 106, 011905 (2015)
Engineering of optical polarization based on electronic band structures of A-plane ZnO layers under
biaxial strains,
H. Matsui, N. Hasuike, H. Harima and H. Tabata,
Journal of Appl. Phys. 116(11), 113505 (2014)
Coupling of Er light emissions to plasmon modes on In2O3: Sn nanoparticle sheets in the near-infrared
range,
Hiroaki Matsui, Wasanthamala Badalawa, Takayuki Hasebe, Shinya Furuta, Wataru Nomura, Takashi
Yatsui, Motoichi Ohtsu and Hitoshi Tabata,Appl. Phys. Lett. 105(4), 041903 (2014)
Highly spin-polarized current in Co-substituted Fe3O4 epitaxial thin films at room temperature
M. Takahashi, T. Oshima, H. Yamahara, M. Seki and H. Tabata,
Journal of Appl. Phys. 116(21), 213907-1–5 (2014)91

Fabrication and characterization of wüstite-based epitaxial thin films: p-type wide-gap oxide
semiconductors composed of abundant elements
M. Seki, M. Takahashi, M. Adachi, H. Yamahara and H. Tabata,Appl. Phys. Lett. 105(1), 112105-1–4 (2014)
Role of electron carriers on local surface plasmon resonances in doped oxide semiconductor
nanocrystals
H. Matsui, S. Furuta, and Hitoshi Tabata,Appl. Phys. Lett. 104, 211903 (2014)
Strong optical reflection of rare-earth garnets in the terahertz regime by reststrahlen bands
Masaki Adachi, Hiroyasu Yamahara, Shunsuke Kawabe, Hiroaki Matsui, and Hitoshi Tabata,Phys. Rev. B 89, 205124 (2014)
Solid-liquid-type solar cell based on α-Fe2O3 heterostructures for solar energy harvesting
Munetoshi Seki, Masanao Takahashi, Toshiyuki Ohshima, Hiroyasu Yamahara and Hitoshi Tabata,
Japanese Journal of Applied Physics 53, 05FA07 (2014)

工学系研究科・原子力国際専攻 高橋研究室
Development of Hard X-ray and Gamma-ray Detector with Transition Edge Sensor for Nuclear
Materials Analysis,
Shuichi Hatakeyama, Tomoya Irimatsugawa, Masashi Ohno, Hiroyuki Takahashi, R. M. Thushara
Damayanthi, Chiko Otani, Tatsuyuki Maekawa,IEEE TRANS. ON APPL. SUPERCONDUCTIBITY, 採録決定（印刷中）High Energy Gamma-ray Spectroscopy Using Transition Edge Sensor with a Superconducting Bulk
Tantalum Absorber,
Tomoya Irimatsugawa, Shuichi Hatakeyama, Masashi Ohno, Hiroyuki Takahashi,
IEEE TRANS. ON APPL. SUPERCONDUCTIBITY, 採録決定（印刷中）
分光便利帳「超伝導転移端センサを用いた硬 X 線γ線超精密分光」
大野雅史、畠山修一、高橋浩之、ダマヤンティ トゥシャラ、大谷知行、安宗貴志、大西貴士、
高崎浩司、
分光研究 63(1), 21–24, 2014 日本分光学会学会誌

Gamma-Ray Spectrometer based on a Transition Edge Sensor for Nuclear Materials Analysis,
S. Hatakeyama, M Ohno, H. Takahashi, R. M. T. Damayanthi, C. Otani, T. Yasumune, T. Ohnishi, K.
Takasaki and S. Koyama,
Journal of Low temperature Physics, 176, pp. 560–565, 2014.
Development of Hard X-ray and Gamma-ray Detector with Transition Edge Sensor for Nuclear
Materials Analysis,
Shuichi Hatakeyama, Tomoya Irimatsugawa, Masashi Ohno, Hiroyuki Takahashi, R. M. Thushara
Damayanthi, Chiko Otani, Tatsuyuki Maekawa,2014 Applied Superconductivity Conference, 2014 年 8 月, Charlotte, USA
High Energy Gamma-ray Spectroscopy Using Transition Edge Sensor with a Superconducting Bulk
Tantalum Absorber,
Tomoya Irimatsugawa, Shuichi Hatakeyama, Masashi Ohno, Hiroyuki Takahashi,2014 Applied Superconductivity Conference, 2014 年 8 月, Charlotte, USA
講演奨励賞受賞記念講演：錫バルク放射線吸収体を用いた高エネルギー分解能 TES による核物
質精密測定、
畠山修一、入松川知也、大野雅史、高橋浩之、トゥシャラ ダマヤンティ、大谷知行、高崎浩司、
安宗貴志、大西貴士、
第 75 回応用物理学会秋季学術講演会、2014 年 9 月、北海道大学

Ta 吸収体 TES を用いた高エネルギーγ線精密分光技術の開発、

入松川知也，畠山修一，大野雅史，高橋浩之、
第 75 回応用物理学会秋季学術講演会、2014 年 9 月、北海道大学
硬 X 線検出用錫吸収体を搭載した超伝導転移端センサの開発
畠山修一
第 36 回（2014 年春季）応用物理学会講演奨励賞

92

低温センター

各部門報告

研究開発部門 研究実績報告
島野研究室
島野研究室では、レーザー分光の手法を用いて、凝縮系における光と物質の相互作用の解明、光励起によって発現する多体の量子現象、量子凝縮相の探求に取り組んでいる。特に、低エネルギー（テラヘルツ周波数帯）に発現する素励起（マグノン、励起子内部遷移、プラズモン、準粒子ギャップ、集団モード）に着目し、それをプローブとして、広範な物質群を対象に基底状態における電子相関を明らかにすること、極低温で発現する量子凝縮相と光との相互作用の解明や、光による低温量子凝縮相の生成と制御を主なテーマとしている。このために、可視光領域から低エネルギー、テラヘルツ(THz)周波数帯にわたる
広い光子エネルギー範囲での先端分光技術の開拓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。

半導体高密度電子正孔系
半導体中に高密度に光励起された電子正孔系は、電子正孔対の密度、温度に依存して励起子ガス、電子正孔プラズマ、電子正孔液体といった多彩な相を示す。電子正孔対の密度が低いときには励起子が形成され、密度増加に伴い電子正孔間のクーロン力が遮蔽されて励起子は解離し電子正孔プラズマへと移行する。この現象は励起子モット転移（高温ではクロスオーバー）と呼ばれ、電子正孔系の絶縁体金属転移として長い研究の歴史を持つ。低密度領域の励起子気体、高密度領域の電子正孔プラズマは実験、理論ともによく理解されているが、励起子モット転移密度近傍の中間密度領域では電子相関の効果を摂動で扱うことは理論的には困難であり、実験でも励起子がどのように遮蔽されて金属相に至るのかは明らかになっていない。励起子モット転移の問題は、極低温では励起子ボース-アインシュタイン凝縮(BEC)から電子正孔 BCS 状態（励起子絶縁体とも呼ばれる）へのクロスオーバーの問題につながる。我々はこの励起子モット転移の研究に、テラヘルツ分光法という新たな手法で取り組んでいる。半導体の多くは励起子の 1s-2p 準位間遷移のエネルギーがテラヘルツ帯にあり、またテラヘルツ帯は自由キャリア応答にも敏感な領域であることから、電子正孔系のテラヘルツ分光は、励起子密度や自由キャリア密度の定量的な評価や遮蔽の振る舞いを調べる強力な手法となる。本課題に関して本年度は以下の研究を進めた。
＜間接遷移型半導体 Ge＞
熱平衡状態下での励起子モット転移（クロスオーバー）を観測するためには、光励起された電子正孔
対が長い寿命を持つことが重要である。我々は光励起キャリアが長寿命を持つ間接遷移型半導体 Si を対象に実験を行ってきたが、その結果が普遍的な現象であるかどうかを検証するために、Si と同じ間接遷移型半導体である Ge を対象として、励起子モット転移の観測を行った。
テラヘルツ分光により、励起子 1s-2p 遷移による吸収量から励起子密度を定量的に決定し、光励起された全電子正孔密度に対する励起子密度から励起子のイオン化率を実験的に決定した。有限温度における励起子モット転移を議論するうえでは、全電子正孔に占める励起子の割合を知ることが本質的に重要94であったが、本研究によりこれが可能になった。この励起子イオン化率の密度・温度依存性を詳細に調べることで、相図上のどの領域で励起子が存在しうるのかを明らかにした（図 1）。
このイオン化率相図を見ると、高温・低密度領域ではエントロピー効果によって、低温・高密度領域ではモット転移によって励起子がイオン化しており、励起子が安定に存在する領域は低温・低密度の領域に限られていることが分かる。さらに一連の測定では、電子正孔密度が増加し励起子モット転移に至る過程で、1s-2p 遷
移エネルギーがほとんどシフトしないことも明らかにした。この振る舞いは、キャリア密度が増加するとクーロン引力の遮蔽効果によって励起子束縛エネルギーが連続的に減少し、束縛エネルギーがゼロになり励起子モット転移に至る、という従来の定説が正しくないことを示している。同様の結果は、過去の我々の Si を対

図1

Ge 電子正孔相図における励起子イオン化率

マップ。破線はデバイ-ヒュッケル型遮蔽を用いて計算したモット密度で、矢印はモットの基準
1/3

𝑛𝑛c 𝑎𝑎B = 0.26 (𝑎𝑎B は励起子ボーア半径）で定義されるモット密度 𝑛𝑛c [発表論文２より引用]。

象とした研究でも得られていることから、この振る舞いは準熱平衡状態においては背景物質の詳細に依存しない普遍的な性質であると結論した。
＜直接遷移型半導体 GaAs＞
上記に述べた励起子モット転移の研究は、比較的高温域（励起子束縛エネルギーの 1/10 程度）での準熱平衡状態において行ってきた。有限温度の場合、励起子の熱的なイオン化により自由キャリアが発生する。このため、有限温度の励起子モット転移は、励起子と自由キャリアの両方が存在する状況での遮蔽について考慮する必要があった。一方、直接遷移型半導体では、励起光の波長を選べば、励起子のみを共鳴的に生成することが可能である。この共鳴励起の手法で励起密度を増加させた場合、励起子のみの状態から出発する励起子モット転移が起こると考えられる。これはモットの思考実験で設定された状況であり、「純粋な」励起子モット転移と呼ばれる。励起子のみを共鳴励起する場合は電子系に余剰のエネル
ギーを与えずに済むため、光励起による熱化を避け、極低温で期待される励起子 BEC、電子正孔 BCS 状態の実現、さらにはそれらのクロスオーバーの問題を調べるうえでも有効である。そこで直接遷移型半導体 GaAs を対象に純粋な励起子モット転移を調べることとした。
低密度領域では、共鳴励起によって光励起直後から確かに励起子が形成され、時間とともに電子正孔再結合により密度が減少していく様子が観測された。一方、励起密度を大きくしていくと、光学伝導度のスペクトル重みが、電子正孔系が相関のない自由なキャリアとして振る舞う場合に比べて、低エネルギー側が減少し、高エネルギー側にシフトする振る舞いが観測された。この振る舞いは、平均励起子間距離が励起子ボーア半径程度となる密度で明瞭に現れた。励起子の高密度励起を経由してできた電子正孔金属
相では、電子正孔間引力による電子相関が発達し、電子正孔系の電気伝導性が低下していることを示している。今後、この効果が電子正孔クーパーペア形成の前兆現象かどうかを明らかにしていく。

95

光による超伝導状態制御
我々はこれまでに高強度テラヘルツ波パルス光源の開発に成功し、テラヘルツ波による物質相制御に向けた研究を行ってきた。昨年度はこの光源を用いて s 波超伝導体 Nb1−xTixN のヒッグスモードの観測に成功した。ヒッグスモードとは、対称性の自発的な破れに伴って生じる、秩序パラメーターΔ の振幅の揺らぎに相当する集団励起モードであり（図 2(a)）、対称性の破れた量子多体系の基底状態の性質や非平衡状態のダイナミクスを理解する新たな手段として大きな注目を集めている。しかし s 波 BCS 状態におけるヒッグスモードの明瞭な観測は電荷密度波が超伝導と共存する特殊な系を除いてこれまでなされていなかった。我々は高強度モノサイクルテラヘルツパルスを用いて超伝導状態に非断熱的な摂動を与えることで、ヒッグスモードを時間分解観測することに成功した。またその振動の周波数が 2Δ（超伝導ギャップ）に一致することを確かめた。本年度は以下に示すように、ヒッグスモードと光の非線形相互作用に注目し実験を行った他、ヒッグスモードの観測対象をマルチバンド系超伝導体、非従来型超伝導体に拡張した。

図 2 (a)自発的な対称性の破れを表す複素秩序パラメーター平面上の自由エネルギー曲線。矢印はヒッグスモードを示す。(b)狭帯域高強度テラヘルツパルスの時間波形。(c)テラヘルツポンプ-テラヘルツプローブ測定による実験結果。
＜光とヒッグスモードの非線形共鳴の発見＞
図 2(b)に示すように中心周波数 ω=0.6 THz のマルチサイクルテラヘルツパルスを生成し、このテラヘ
ルツ電場照射中の秩序パラメーターの時間変化を詳細に調べた。その結果、ω<2Δ(T)の領域では電場照射
中に秩序パラメーターが周波数 2ω で振動する現象が観測された（図 2(c)）
。理学系研究科物理学専攻青木秀夫教授および辻直人助教との共同研究により、この現象はアンダーソン擬スピンモデルを用いた微視的理論によってよく説明できることがわかった。擬スピンに作用する有効磁場の z 成分が、入射電場が持つベクトルポテンシャルの偶数次の非線形項によって変調を受ける。ベクトルポテンシャルの２乗に比例する結合項を通して、擬スピンが周波数 2ω で回転運動を行い、これに従って秩序パラメーターの強制振動が生じることが明らかになった。さらに 2ω=2Δ を満たした時に、実験で観測された振動の振れ幅が最大になることを発見した。これは、外場による駆動周波数とヒッグスモードの固有周波数が一致した時に「共鳴」が生じて振動が増強することを示している。これまでヒッグスモードは光と相互作用しないと考えられていたが、本研究により非線形応答まで考えると光とヒッグスモードの共鳴相互作用することが明らかになった。

96

＜超伝導薄膜からの巨大な第三高調波発生＞
超伝導電流はクーパー対密度とベクトルポテンシャルに比例するいわゆるロンドン方程式によって記述されるため、
周波数 ω の振動電場下において秩序パラメーター（クーパー対密度）が周波数 2ω で振動している場合には、超伝導電流は 3ω で振動する。この非線形電流を源として、奇数次の高

(a)
(b)

次高調波が発生すると考えられる。この予測に基づき実験を行い、実際に入射テラヘルツ波に対する第三高調波を観測した。図 3 に第三高調波の強度の温度依存性を示した。3 つの異なる入射周波数 ω で実験を行ったところ、いずれの場合も
第三高調波は 2ω=2Δ(T)を満たす温度で最大になった。この
結果は、光とヒッグスモードが非線形応答領域において共鳴

図 3 (a)秩序パラメーター2Δ の温度依存することを示す明確な証拠である。

性と入射テラヘルツ周波数の 2 倍(2ω)

中心周波数 ω=0.6 THz、電場尖頭値 3.5 kV/cm の入射波を比較したもの。(b)第三高調波強度の強度に対して、観測された第三高調波の相対強度は 10−4 ほど

温度依存性[発表論文１より引用]。

に達した。この値は、入射電磁波の波長(0.5 mm)の 2 万分の1 の厚さ(約 24 nm)しか持たない超伝導薄膜試料を 1 回透過しただけで得られた値であり、変換効率としては極めて高く、量子凝縮相の集団励起モードが巨大なコヒーレント非線形光学応答を発現することを示している。最適な導波路構造を設計することで極めて高効率なテラヘルツ帯波長変換素子の開発に繋がる可能性も考えられる。
＜非従来型超伝導体におけるヒッグスモード＞
ここまでの研究で開拓したヒッグスモードの観測手法を、他の非従来型超伝導体へと適用することで、例えば異方性を持つ超伝導体における集団励起モードのエネルギー構造や、電荷秩序波など他の秩序との共存・競合関係、マルチギャップ超伝導における秩序パラメーター間の相互作用、などを詳細に調べることが可能になると考えられる。そこでマルチバンド系超伝導体 MgB2 および鉄系超伝導体
Ba(Fe1−xAsx)2Co2 においてテラヘルツ第三高調波発生の実験を開始した。さらに d 波のペアリング
対称性を持つ銅酸化物超伝導体 YBa2Cu3O7 (以下 YBCO)ヒッグスモードの観測を目指し、高強度
テラヘルツ波ポンプ-可視反射プローブ測定を行った。YBCO では、転移温度以下でテラヘルツポン
プ電場波形の2乗に比例した形のポンププローブ信号が現れることを見出した。これは強いテラヘルツ
電場とヒッグスモードの非線形相互作用に由来する可能性が高く、今後は温度依存性と励起強度依存性を詳細に調べることで共鳴条件を明らかにしていく。

97グラフェンのランダウ準位間遷移による超高速非線形光学
グラフェンは炭素原子が蜂の巣格子状に結合した単原子層物質である。グラフェン中の電子は、運動エネルギーが運動量に比例するという特異な性質を持ち、電子はあたかも質量がゼロであるかのように振る舞う。このため、グラフェン中の電子を記述する量子力学は通常のシュレディンガー方程式ではな
く相対論を考慮したディラック方程式に従う。このことからグラフェン中の電子はディラック電子と呼ばれ、様々な特異な現象が現れる。その一つに半整数量子ホール効果がある。グラフェンではディラック点に付随するベリー位相(π)の存在によって、ホール抵抗が半整数の量子化値をとる。我々はこれまで、単層グラフェンを対象にこのディラック電子系特有の半整数量子ホール効果が光の領域でも生じることを、磁気光学ファラデー効果、磁気光学カー効果により実証してきた。本年度は、このグラフェンのランダウ準位が示す超高速の非線形光学応答の研究を行った。エネルギーが運動量に比例するディラック電子系では、面直磁場下で強い面内静電場が加わると、電場と磁場の双対性によって電子が感じる実効磁場が減少し、最終的にランダウ準位が消失することが予想される。一方、光電場に対してはランダウ準位間の大きな遷移双極子モーメントとランダウ準位の非等間隔性に起因する大きな非線形光学応答が発現することが期待される。これらの現象を調べるために、強いテラヘルツ電場を静磁場下にあるグラフェンに照射し、ファラデー回転角の印加電場による変化を調べた。その結果、強いテラヘルツ電場が照射している間のみ、ファラデー回転角が減少しゼロになる結果を得た。現在この超高速非線形現象についての機構解明を進めている。

研究成果リスト
発表論文、著書等
1. Light-induced collective pseudospin precession resonating with Higgs mode in a superconductor,
Ryusuke Matsunaga, Naoto Tsuji, Hiroyuki Fujita, Arata Sugioka, Kazumasa Makise,
Yoshinori Uzawa, Hirotaka Terai, Zhen Wang, Hideo Aoki, and Ryo Shimano,
Science 345, 1145 (2014).
2. Excitonic correlation in the Mott crossover regime in Ge,
Fumiya Sekiguchi and Ryo Shimano,
Phys. Rev. B 91, 155202 (2015).
3. Higgs amplitude mode in s-wave superconductors revealed by terahertz pump-terahertz probe
spectroscopy,
Ryusuke Matsunaga and Ryo Shimano,
Proc. SPIE 9361, 93611D (2015).
4. テラヘルツパルスを用いた s 波超伝導体のヒッグスモードの観測、
松永隆佑，島野亮、
日本物理学会誌 69, 453 (2014).
5. 超伝導体のヒッグスモードと光の共鳴現象、
島野亮，松永隆佑、
東京大学理学部ニュース 2015 年 1 月号 45, 7 (2015).
6. 光で誘起する超伝導体の擬スピンの集団歳差運動とヒッグスモードとの共鳴、
松永隆佑，辻直人，青木秀夫，島野亮、
2014 年サイエンス誌に載った日本人研究者, 64 (2015).
7. 超伝導と素粒子物理のつながり、
松永隆佑，島野亮、
2014 年サイエンス誌に載った日本人研究者, 65 (2015).
8. Higgs boson analog in superconductors revealed by terahertz spectroscopy,
Ryusuke Matsunaga and Ryo Shimano,
SPIE Newsroom, 30 Mar. 2015.

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学会発表
国内会議（招待講演）
1. テラヘルツ分光による超伝導ヒッグス・モードの観測,
島野亮、
CMRC 研究会「超伝導研究の新展開（鉄系・銅酸化物系＋非平衡系」、KEK つくば、2014 年 11 月
2. テラヘルツ波を用いた超伝導体におけるヒッグスモードの研究,
松永隆佑、
日本物理学会第 70 回年次大会 領域 5 若手奨励賞受賞記念講演（早稲田大学）2015 年 3 月
3. 超伝導 NbN におけるヒッグス・モードの THz 波検出と超伝導状態の光操作,
島野亮、
日本物理学会第 70 回年次大会 領域 4，領域 1，領域 5 合同シンポジウム「固体と光の融合：量子状態の制御と観測」、（早稲田大学）2015 年 3 月
国内会議（一般講演）
4. 励起子共鳴励起条件下でのバルク GaAs の励起子モット転移
関口文哉，吉田正裕，伊藤隆，望月敏光，金昌秀，秋山英文，Loren N. Pfeiffer，Ken W. West，
島野亮、
日本物理学会 2014 年秋季大学（中部大学）2014 年 9 月
5. s 波超伝導体 NbTiN におけるテラヘルツ波誘起ヒッグスモードのダイナミクス
松永隆佑，富田圭祐，濱田裕紀，島野亮、
日本物理学会 2014 年秋季大学（中部大学）2014 年 9 月
6. 単層グラフェンにおける非線形テラヘルツファラデー回転
湯本郷，松永隆佑，島野亮、
第 6 回東京大学低温センター研究交流会（東京大学）2015 年 3 月
7. テラヘルツ強電場によるバルク GaAs 中励起子のイオン化機構の研究
海老原周，吉岡信行，関口文哉，松永隆佑，島野亮、
第 6 回東京大学低温センター研究交流会（東京大学）2015 年 3 月
8. YBa2Cu3O7 薄膜におけるテラヘルツ非線形応答
濱田裕紀, 富田圭祐, 松永隆祐, 島野亮、
第 6 回東京大学低温センター研究交流会（東京大学）2015 年 3 月
9. s 波超伝導体におけるヒッグスモードの減衰機構
富田圭祐, 濱田裕紀, 松永隆佑, 島野亮、
第 6 回東京大学低温センター研究交流会（東京大学）2015 年 3 月
10. s 波超伝導体 NbN におけるヒッグスモードとテラヘルツ波の非線形共鳴
松永隆佑，島野亮、
第 6 回東京大学低温センター研究交流会（東京大学）2015 年 3 月
11. 近赤外ポンプ 赤外・テラヘルツプローブ分光による κ 型 BEDT-TTF 塩の光誘起相転移の研究
山川大路，竹中崇了，井尻吉洋，矢田祐之，山本浩史，須田理行，加藤礼三，島野亮，岡本博、
日本物理学会第 70 回年次大会（早稲田大学）2015 年 3 月
12. 単層エピタキシャルグラフェンにおける非線形テラヘルツファラデー回転
湯本郷，松永隆佑，日比野浩樹，島野亮、
日本物理学会第 70 回年次大会（早稲田大学）2015 年 3 月
13. YBa2Cu3O7 薄膜におけるテラヘルツ非線形応答
濱田裕紀，富田圭祐，松永隆佑，島野亮、
日本物理学会第 70 回年次大会（早稲田大学）2015 年 3 月
14. 高強度テラヘルツ波で調べる超伝導ヒッグスモード,
松永隆佑、
研究会「先端物質科学と限界光駆動」（京都大学）2015 年 1 月

99

国際会議（招待講演）
1. Higgs amplitude mode in s-wave superconductors,
Ryo Shimano,
The 7th International Conference on Spontaneous Coherence in Excitonic Systems (ICSCE),(Kanagawa, Japan) Apr. 2014.
2. Ultrafast dynamics of Higgs amplitude mode in s-wave superconductors induced by terahertz
pulse excitation,
Ryo Shimano,
5th International Conference on Photoinduced Phase Transitions and Cooperative
Phenomena (PIPT), (Bled, Slovenia) Jun. 2014.
3. Observation of Higgs mode in s-wave superconductors,
Ryo Shimano,
The international workshop "Higgs Mode in Condensed Matter and Quantum Gases", (Kyoto,
Japan) Jun. 2014.
4. Observation of Higgs Amplitude Mode in Superconductors,
Ryo Shimano,
Low Energy Electrodynamics in Solids (LEES), (Loire Valley, France) Jul. 2014.
5. Higgs Mode and Terahertz Nonlinear Optics in Superconductors,
Ryo Shimano, Ryusuke Matsunaga, Yuki Hamada, Arata Sugioka, Hiroyuki Fujita, Kazumasa
Makise, Yoshinori Uzawa, Hirotaka Terai, Zhen Wang, Naoto Tsuji, and Hideo Aoki,
19th International Conference on Ultrafast Phenomena (UP), (Okinawa, Japan) Jul. 2014.
6. Quantum Faraday effect in graphene,
Ryo Shimano,
The 4th International Workshop on Nanocarbon Photonics and Optoelectronics (NPO), (Polvijarvi,
Finland) Jul. 2014.
7. Optical Quantum Hall effect in monolayer graphene,
Ryo Shimano,
Japan-Korea Joint Symposium on Semiconductor Physics and Technology-Nano-carbon materials
including graphene- The 75th JSAP Autumn Meeting, (Hokkaido, Japan) Sep. 2014.
8. Real-time observation of Higgs mode in superconductors,
Ryo Shimano,
Fujihara seminar, Real-time Dynamics of Physical Phenomena and Manipulation by External
Fields, (Tomakomai, Japan) Sep. 2014.
9. Observation of Higgs mode in superconductors,
Ryo Shimano,
ENS-UTokyo WS, (Paris, France) Dec. 2014.
10. Observation of Higgs mode in superconductors,
Ryo Shimano,International Workshop on Non-equilibrium Dynamics of Low-dimensional Electronic Systems,(Leipzig, Germany) Jan. 2015.
11. Higgs amplitude mode in s-wave superconductors revealed by terahertz pump-terahertz probe
spectroscopy,
Ryusuke Matsunaga and Ryo Shimano,
SPIE Photonics West OPTO: Ultrafast Phenomena and Nanophotonics XIX, (San Francisco, USA)
Feb. 2015.
12. Higgs mode in superconductors,
Ryo Shimano,
The sixth international workshop on Optical Terahertz Science and Technology (OTST), (San
Diego, USA) Mar. 2015.

100

国際会議（一般講演）
13. Excitonic signature in the photoluminescence from electron-hole plasma in a bulk GaAs,
Fumiya Sekiguchi, Masahiro Yoshita, Takashi Ito, Toshimitsu Mochizuki, Changsu Kim,
Hidefumi Akiyama, Loren N. Pfeiffer, Ken W. West, and Ryo Shimano,
The 7th International Conference on Spontaneous Coherence in Excitonic Systems (ICSCE),(Kanagawa, Japan) Apr. 2014.
14. Formation of high density magnetoexcitons in uniaxially-stressed Ge,
Jeyoon Yoo and Ryo Shimano,
The 7th International Conference on Spontaneous Coherence in Excitonic Systems (ICSCE),(Kanagawa, Japan) Apr. 2014.
15. Collective pseudospin precession in a superconductor NbN driven by sub-gap THz electric fields,
Ryusuke Matsunaga, Naoto Tsuji, Hiroyuki Fujita, Arata Sugioka, Hideo Aoki, and Ryo Shimano,
Low Energy Electrodynamics in Solids (LEES) 2014, (Loire Valley, France) Jun. 2014.
16. Nonlinear terahertz Faraday rotation in monolayer epitaxial graphene,
Go Yumoto, Ryusuke Matsunaga, and Ryo Shimano,
Fujihara Seminar: Real-time Dynamics of Physical Phenomena and Manipulation by External
Fields, (Tomakomai, Japan) Sep. 2014.
17. Development of Time-resolved Terahertz Near-field Microscope for Observing Ultrafast
Spatiotemporal Dynamics in Solids,
Yuki I. Hamada, Ryusuke Matsunaga, and Ryo Shimano,
Fujihara Seminar: Real-time Dynamics of Physical Phenomena and Manipulation by External
Fields, (Tomakomai, Japan) Sep. 2014.

村川研究室
村川研究室は現在、村川智准教授 1 名で、4 K 以下の温度でヘリウムを用いた量子液体、特に表面やナノスケール中に閉じ込めた超流動ヘリウムの研究を行っている。

ナノポアアレイ中の超流動ヘリウム 4 の流れ
ナノ多孔体中にヘリウム４(4He)を閉じ込めると、固化圧の上昇、超流動転移温度の低下、量子臨界点の出現、局在 BEC 相の出現など数々の興味深い現象が現れることが知られている[1]。しかしながら、これらの現象がどのような機構に基づいて実現しているかは、孔径のランダムネスによるなどいくつかの仮定はあるものの、いまだ明らかになっていない。そこで、我々は孔径のランダムネスの無いまっすぐな穴の開いた試料を用いてその問題に取り組んでいる。
基板として山口大の本多教授に提供していただいたポーラスアルミナ(PA)を用いている。ポーラスア
ルミナはまっすぐな孔を規則正しい配列でナノメートルサイズで作成することができ、本研究で用いているものは厚さ 50 µm で孔径 50 nm の孔が格子間隔 100 nm の三角格子状に並んだものである。この基板に金を蒸着し、孔径を 10 nm 程度にしている。これを半円状にした超伝導線にとりつけ、液体 4He に浸し、磁場中で交流電流を流し振動させ孔中の流れを作成し、その応答をみている。

101

その結果、孔中の超流動の流れにはエネルギー散

1.2とが観測された（図1）。この散逸は孔の無い板を振動させたときには現れなかったものであり、ナノメートルサイズの孔中の流れによるものである。低速度領域では、従来の量子渦糸の熱活性化モデルで温度依存性、速度依存性を説明することができた

Q(T)-1/Q(Tλ)−1

逸が現れ、その散逸には大きな速度依存性があるこが、ある速度異常では説明することができない。現

1
0.8
0.6
0.4
-0.6

在、新しい現象として量子渦糸乱流などの観点から

0

-0.4
-0.2
T - Tλ / K

解析を行っており、新しい物理が現れることを期待

図 1 振動ワイヤーの散逸の温度依存性。ワイしている。
この研究は慶応義塾大学理工学部白濱研究室とヤーの速度は低温域で上から 1740、697、の合同研究である。

5.88 mm/s である。黒塗りは PA を取りつけて[1] K. Yamamoto et al. , PRL 100, 195301 (2008);

いないワイヤーの散逸である。図中の点線は

K. Yamamoto et al. , PRL 93, 075302 (2004).

孔中の超流動転移温度を示す。

超流動ヘリウム 3 の横波音響応答のスピン依存性
近年、超流動ヘリウム３(3He)はトポロジカル超流体の一つとして大きな注目を集めている。トポロジ
カル超流体は表面にバルク－エッヂ対応のためにギャップレスの状態が現れることが理論で指摘されており、その表面状態の研究が盛んに行われている。我々は超流動 3He の表面状態を横波音響インピーダンスの測定を行うことで研究を行ってきた。横波音響インピーダンスは、壁のずれ振動に対して液体がどの程度応力を受けるかを表すものであり、液体中に横波は伝播しないため、表面状態の研究には最適な手法である。本研究では、高磁場中に現れる超流動 3He のスピンアップ成分からのみからなる A1 相とスピンアップとダウンの両方の成分を持つ A2 相にて横波音響インピーダンスの測定を行った。
測定の結果、A1 相と A2 相とでインピーダンスに大きな違いが現れた（図2）。従来の弱結合による理論計算0

P = 2.8 MPa
f = 28.3 MHz
0.6 T
5.0 T
7.5 T
10.0 T
13.0 T

響応答には大きな違いは現れない。そのため、実験結
果は表面状態にのみ弱結合では説明できない大きなス
ピン依存性のある動的応答が現れたことを示している。我々は表面状態の理解には強結合の効果やフェル

|δA1|

-0.1

-0.2
|δA2|

成功しているが、同様の計算はA1相と A2 相の横波音(Z" - Z"0) / Z'0はバルク状態の超流動A1相、A2 相の振る舞いの説明に-0.3

ミ液体効果を取り入れなければならないことを提示し0.7た。
この研究は東京工業大学奥田研究室との合同研究であり、東京大学物性研究所の共同利用により、極限環
境部門の強磁場超低温装置を使わせていただいた。
[2] S.Murakawa et al ., PRL 114, 105304 (2015).

0.8

0.9

図 2

横波音響インピーダンスの虚数成分の温度依存性。図中の縦線は各磁場における
A1－A2 超流動転移温度を示す。高温部分がA1 相で低温部分が A2 相である。[2]1021T /Tc1

研究成果リスト
発表論文、著書等
1. Spin-Dependent Acoustic Response in the Nonunitary A1 and A2 Phases
S. Murakawa, A. Yamaguchi, M. Arai, M. Wasai, Y. Aoki, H. Ishimoto, R. Nomura, Y. Okuda,
Y. Nagato, S. Higashitani, and K. Nagai
Phys. Rev. Lett. 114, 105304 (2014).
2. Resonant Frequency Change of Torsional Oscillator Induced by Solid 4He in Torsion Rod
Y. Aoki, I. Iwasa, T. Miura, D. Takahashi, A. Yamaguchi, S. Murakawa, and Yuichi Okuda
J. Phys. Soc. Jpn., 83, 084604 (2014).
学会発表
国内会議（一般講演）
1. 超流動 3He-B 相の表面アンドレーエフ束縛状態に対する磁気効果 II
秋山綱紀，和才将大，増野正高，村川智，野村竜司，奥田雄一
日本物理学会 秋季大会（中部大学）2014 年 9 月
2. ねじれ振り子を用いた DC 回転下固体ヘリウムの研究
立木智也，高橋大輔，村川智，河野公俊，白濱圭也
日本物理学会 秋季大会（中部大学）2014 年 9 月
3. ナノポアアレイ中の超流動 4He の流れの散逸の異常
村川智，田中智也，谷智行，野口博徳，中原亮，本多謙介，白濱圭也
日本物理学会 第 70 回年次大会（早稲田大学）2015 年 3 月
4. 超流動 4He 第二音波の回転誘起ドップラー効果
巻内崇彦，村川智，白濱圭也
日本物理学会 第 70 回年次大会（早稲田大学）2015 年 3 月
国際会議（招待講演）
1. Magnetic Field Effects on Surface Majorana Fermions of Superfluid 3He-B,
R. Nomura, M. Wasai, K. Akiyama, M. Mashino, T. Nakao, S. Murakawa and Y. Okuda,
27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27), (Buenos Aires, Argentina,
Aug. 2014).
国際会議（一般講演）
2. Dissipation of Superfluid Helium Four Flow Confined in a Well-Controlled Nanopore Array,
S. Murakawa, T. Tanaka, K. Osawa, Y. Shibayama, A. Nakahawa, K. Honda and K. Shirahama,
27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27), (Buenos Aires, Argentina,
Aug. 2014).
3. DC Rotation Effect on Solid Helium Four Confined in Porous Vycor Glass
T. Tsuiki, D. Takahashi, S. Murakawa, K. Kono and K. Shirahama,
27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27), (Buenos Aires, Argentina,
Aug. 2014).
上記に加えて、平成２６年度は研究開発部門 藤井武則助教、中村祥子特任助教により以下の研究が進
められた。

藤井 武則
鉄系超伝導体 Ba(Fe1−xCox)2As2 における熱輸送特性の異方性
鉄系超伝導体 Ba(Fe1−xCox)2As2 においては反強磁性転移温度より遥かに高温から抵抗率に異常な異方性が報告されている。この異方性の起源としては、反強磁性秩序によって再構築されたフェルミ面の異方性であるという解釈と、ドープされた Co や格子欠陥による異方的な不純物散乱によるという解釈があるが、いまだ解決していない。我々はこの異方性の起源を調べるために、熱起電力の異方性を測定した。

103

これまでに報告されているように抵抗率には転移温度よりも高温から面内異方性が観測されたが、熱起電力にはこの温度領域では異1.2

存しない物理量になるため、これらの結果から、転移温度以上によるものだと考えられる。一方、転移温度以下では、反強磁性相転移によるフェルミ面の再構築によって熱起電力に異方性が現れると考えられる。

0.4

T

*

1

ρ(T)/ρ(200K)

0.6

0.8
0.6
0.4

0.8
0.6
0.4

0.2

0.2

0.2

2.5
0

0
1.4

1.2
0

1.2

1

T

2
S(T)/S(300K)の異方性は異方的な不純物散乱

ρ(T)/ρ(200K)

場合、熱起電力は散乱時間に依

0.8

1.2

1

N

1.5

S(T)/S(200K)

時間にエネルギー依存性がない

1
ρ(T)/ρ(300K)にのみ異方性が見られた。散乱

1.2

T*

a-axisb-axis

1
0.5
0
-0.5

50

0.8

T

0.6

100 150 200 250 300
Temperature (K)

N

0.4
0.2

x=0
0

1

S(T)/S(200K)

方性が見られず、転移温度以下

0

50

100

T (K)

150

0.6
0.4
0.2

x=0.05
0

0.8

200

0

x=0.08
0

50

100

T (K)

150

200

図１ Ba(Fe1−xCox)2As2 における抵抗率と熱起電力の面内異方性

研究成果リスト
発表論文、著書等
1. Control of thermoelectric properties of ZnO using electric double-layer transistor structure.
R. Takayanagi, T. Fujii and A. Asamitsu
Jpn. J. Appl. Phys. 53, 111101 (2014).
2. Unscaling Superconducting Parameters with Tc for Bi-2212 and Bi-2223: A Magnetotransport
Study in the Superconductive Fluctuation Regime.
S. Adachi, T. Usui, Y. Ito, H. Kudo, H. Kushibiki, K. Murata, T. Watanabe, K. Kudo, T. Nishizaki,
N. Kobayashi, S. Kimura, M. Fujita, K. Yamada, T. Noji, Y. Koike, and T. Fujii
J. Phys. Soc. Jpn. 84, 024706 (2015).
学会発表
国内会議（一般講演）
1. ハーフホイスラー合金 RTBi(R=Lu,Y;T=Pt,Pd)の圧力下における輸送特性
中村隼也，藤井武則，朝光敦，F. F. Tafti，A. Juneau-Fecteau，S. René de Cotret，N. Doiron-Leyraud，Louis Taillefer
日本物理学会 秋の分科会（中部大学） 2014 年 9 月
2. Ba(Fe1−xCox)2As2 におけるネルンスト効果の異方性
白地貴一，藤井武則，朝光敦
日本物理学会 秋の分科会（中部大学） 2014 年 9 月
3. 鉄系超伝導体 Ba(Fe1−xCox)2As2 における熱輸送特性の異方性
藤井武則，白地貴一，朝光敦
日本物理学会 秋の分科会（中部大学） 2014 年 9 月
4. Bi-2212 と Bi-2223 における磁場中抵抗率転移から求めた超伝導パラメータと Tc の関係
足立伸太郎，臼井友洋，渡辺孝夫，西嵜照和，木村尚次郎，藤田全基，野地尚，小池洋二，山田和芳，
藤井武則，小林典男，工藤一貴
日本物理学会 秋の分科会（中部大学） 2014 年 9 月
5. 新しい He 吸着基板：熱分解黒鉛シート PGS の物性評価 I
中村祥子，宮藤大輔，藤井武則，福山寛
日本物理学会 第 70 回年次大会（早稲田大学） 2014 年 3 月
6. アンダードープ Bi-2223 単結晶の育成及び輸送特性

104

高橋航平，足立伸太郎，臼井友洋，小杉健太，渡辺孝夫，足立匡，木村尚次郎，佐藤研太朗，鈴木謙介，藤田全基，山田和芳，藤井武則
日本物理学会 第 70 回年次大会（早稲田大学） 2014 年 3 月

中村 祥子
熱分解黒鉛シート PGS の物性評価
グラファイトに吸着した第２層目の単原子層ヘリウム４は、極低温で超流動性や超固体性を示すと期待される。従来のねじれ振り子実験では剥離グラファイトが吸着基板として用いられてきたが、剥離グ
ラファイトは蛇腹状に広がった黒鉛粒子の集合体であるため、吸着表面のマクロな連結性が悪く、測定結果に寄与するのは全吸着量の数％のみで、異なるグループ間の再現性も悪かった。そこで、近年開発された PGS: Pyrolytic Graphite Sheet [1]という、厚さが 10–100 μm で非常に薄い黒鉛シートを大量に重ねて吸着基板として用いることを考案し、物性評価を行った。表面の清浄性を担保するため、最終工程の圧延を行う前の製品を入手し、走査電子顕微鏡（SEM）、走査トンネル顕微鏡（STM）、液体窒素温度での窒素分子の等温吸着曲線、面直・面内方向の電気伝導度の温度依存性等の測定を行った。その結果、薄い試料ほど高い結晶性と良好な吸着特性を実現する一方で、加工性が低下して割れやすくなることが判明した。加工方法の最適化と、吸着表面のマクロな連結性の実測が、次の課題である。
[1] パナソニック株式会社 オートモーティブ＆インダストリアルシステムズ社

研究成果リスト
学会発表
国内会議（一般講演）
1. 新しい He 吸着基板：熱分解黒鉛シート PGS の物性評価 I
中村祥子，宮藤大輔，藤井武則，福山寛
日本物理学会第 70 回年次大会（早稲田大学）2015 年 3 月
2. 2 次元ヘリウム 3 の低密度整合相の磁性と量子状態
鎌田雅博，佐藤大輔，中村祥子，松井朋裕，福山寛
日本物理学会第 70 回年次大会（早稲田大学）2015 年 3 月
国際会議（招待講演）
1. Quantum Effects on 2D Solidification of Helium Isotopes (招待講演)
S. Nakamura, H. Fukuyama
ULT2014 — The International Conference on Ultralow Temperature Physics (San Carlos deBariloche, Argentina) 2014 年 8 月
国際会議（一般講演）
2. Mixing of 3He and 4He in Bilayer Helium Films Adsorbed on Graphite
S. Nakamura, D. Tsuji, T. Matsui, H. Fukuyama
LT27— The 27th International Conference on Low Temperature Physics (Buenos Aires,
Argentina) 2014 年 8 月
3. Low-Density Commensurate Quantum Solid in Bilayer of Helium Adsorbed on Graphite
S. Nakamura, K. Matsui, T. Matsui, H. Fukuyama
LT27—The 27th International Conference on Low Temperature Physics (Buenos Aires,
Argentina) 2014 年 8 月
4. Multiple Spin Exchanges in Quantum Spin Liquid State of Solid Helium-3 in Two Dimensions
M. Kamada, D. Sato, S. Nakamura, T. Matsui, H. Fukuyama
LT27—The 27th International Conference on Low Temperature Physics (Buenos Aires,
Argentina) 2014 年 8 月

105

共同利用部門 業務報告
低温センター・共同利用部門
戸田 亮
共同利用部門では、低温寒剤を用いた研究を積極的に行う研究者、ヘリウムガス回収設備をもたない
研究者に低温センター建物内の共同利用研究室を貸し出し、低温実験のためのスペースを提供している。
また、SQUID 磁化測定装置（カンタム・デザイン社 MPMS）、物性評価システム（カンタム・デザイン
社 PPMS）、14T 超伝導電磁石、極低温物性測定装置という４つの極低温実験装置の貸し出しを行い、極低温における学術研究のサポートを行っている。

共同利用研究室
本年度は、昨年度に引き続き全７研究室が 2,000 円/m2/月の使用料金で使用した。電気・水道・電話など、研究活動に伴うランニングコストについては別途実費を請求している。センター研究開発部門の人員増に対応するため、301 室（55 m2）の共同利用研究室としての利用を廃し、205 室（18 m2）を新たに共同利用研究室にすることとなった。この変更により共同利用研究室の全面積は 234 m2 となった。２
研究室が前年度と異なる部屋を使用することになったが、研究室の利便性を考慮し、引越前と同様の実験が継続できるよう回収配管の整備、電気設備の増設、天井ボードの撤去などの部屋改修を行った。

共同利用装置
本年度の装置使用料金は、昨年度と同じく PPMS と MPMS に関しては 1 日 5,000 円（液体ヘリウム
使用料金を含む）、依頼測定料金については PPMS が１日 15,000 円、MPMS が１日 10,000 円、他の装置の使用については１日 560 円（寒剤は別途ユーザーが注文）とした。本年度の稼働率は PPMS が 92%、
MPMS が 69%であった。
過去からの稼働率を図 1、2 に示した。
共同利用に占める依頼測定の割合は PPMS
が 0%、MPMS が 6%であった。PPMS では電気伝導度、比熱、熱伝導など複数の物性測定が可能であるが、今年度は特に熱伝導測定の利用が多かった。
本年度も 14T 超伝導電磁石と極低温物性測定装置の利用はなかった。利用に関する問い合わせなどから能力的には一定の需要があるものと考えているが、実際に使用するまでの準備に専門知識や相応の手間が必要となり利用の敷居が高いことが大きな障害となっていると考えている。
MPMS は導入後 19 年、PPMS は同 16 年が経過し、老朽化が進んでいる。本年度も MPMS のデュワー
断熱不良、PPMS の温度計故障などのトラブルがあり、メンテナンスや修理を行った。また、利用頻度の上昇に伴って熱伝導測定用温度計の断線トラブルも数回発生し、こちらについても修理や予備品の購入で対応した。ワイヤー径が細く断線しやすいため、細心の注意をはらって利用していただくようお願いしている。予算不足等のため数年来故障状態にあった PPMS の磁化率測定装置を少額設備整備支援事
業にて修理することが可能になった。平成 27 年度６月には修理完了し、利用を再開できる見込みである。

106

100%
90%

PPMS 稼働率 (%)

80%
70%
60%
50%
40%

研究開発
共同利用

30%
20%
10%

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

平成

0%
（年度）
図 1 物性評価システム（カンタム・デザイン社 PPMS）の稼働率

100%
90%
70%
60%
50%
40%

研究開発
共同利用

30%
20%
10%

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

0%

平成

MPMS 稼働率 (%)

80%

（年度）
図 2 SQUID 磁化測定装置（カンタム・デザイン社 MPMS）の稼働率

107

液化供給部門 業務報告
低温センター・液化供給部門
阿部 美玲
1. 寒剤供給実績(本郷地区キャンパス)平成 26 年度の液体窒素供給量は平成 26 年度の液体窒素供給量は 470,955 L となり、前年度よりやや増加した(図 1)。また、液体ヘリウム供給量は、236,820 L と、前年度を下回った(図 2)ものの、供給先研究室は増加しており、依然として需要は高い水準にある。平成 27 年 2 月にヘリウム液化機と大型貯槽の間の移送管が不純物により閉塞するトラブルが発生し、4 日間液体ヘリウム供給を休止した。使用研究室の皆様にはご迷惑をおかけしてしまいましたことをお詫び申し上げます。

図 1 年度別 液体窒素供給量
表 1 平成 26 年度 液体窒素使用研究室 登録数
医学系研究科

39 研究室

新領域創成科学研究科

3 研究室

工学系研究科85 研究室生物生産工学研究センター

5 研究室

理学系研究科57 研究室総合研究博物館

2 研究室

農学生命科学研究科

77 研究室大気海洋研究所

1 研究室

薬学系研究科24 研究室

地震研究所

3 研究室

アイソトープ総合センター

4 研究室

医学部附属病院

62 研究室アジア生物資源環境研究センター

1 研究室

分子細胞生物学研究所

17 研究室

環境安全研究センター

2 研究室

放射光連携研究機構

1 研究室

情報理工学系研究科

2 研究室

低温センター

4 研究室
合計

108

389 研究室

図 2 年度別 液体ヘリウム供給量
表 2 平成 26 年度 液体ヘリウム使用研究室 登録数
医学系研究科

1 研究室

農学生命科学研究科

3 研究室

工学系研究科26 研究室薬学系研究科

7 研究室

理学系研究科17 研究室低温センター

2 研究室
合計

56 研究室

2. 寒剤供給料金
平成 26 年度の液体窒素使用料金を表 3 に、また、液体ヘリウム使用料金を式(1)に示す。
表 3 平成 26 年度 液体窒素使用料金
容器内容積

供給単価
(円/L)

10L 以上 15L 以下

56

15L 超 25L 以下

50

25L 超 35L 以下

44

35L 超 120L 以下

39【平成 26 年 4 月～平成 27 年 3 月】
供給価格 ＝ 215 × 課金対象供給量 (L) ＋ 1,459 × 損失ガス量 (m3) ・・・(1)109

表 4 平成 26 年度 低温センター保安管理体制

3.保安管理体制
低温センターは、高圧ガス保安法に定められた高保 安 統 括 者

センター長

福山

寛

圧ガス第一種製造者として東京都の許可を受け、研保安統括者代理者

教授

島野

亮

究室へ供給する液体窒素の大量貯蔵やヘリウムリサ

保技術専門職員

阿部

美玲

助教

藤井

武則

安活動を行っている。平成 26 年度の保安管理体制を

技術職員

加茂

由貴

表 4 に示した。今後も日常点検を始めとする通常業

技術職員

志村

芽衣

務に加え、法定義務講習や各種講習会への参加など

技術職員

戸田

亮

イクルシステム(回収・液化)の運転や設備維持管理の

安

係

員

保安係員代理者

他、利用者や従業者を対象とした保安教育などの保を通じて保安技術の習得・向上に努め、設備保安の維持に尽力していきたい。

4. 容器等再検査サービス
本学内で使用する液体窒素用超低温容器(通称、自加圧式容器)を対象とした容器再検査等サービスを平成 26 年 6 月から開始した。3 月までの検査台数は 19 台だった。低温センターから液体窒素供給を受ける研究室のみならず各自で液体窒素汲み出しを行う研究室の容器も受け付けている。

5. その他
平成 26 年度は「本郷地区キャンパス・ヘリウムガス回収配管網拡張」の事業が学内措置として実施され、工学系武田先端知ビル、工学部 3 号館、薬学部南館、附属病院までのヘリウム回収配管が敷設された。武田先端知ビルと工学部 3 号館は平成 27 年 4 月にヘリウムガス回収を開始する予定である。蒸発ヘ
リウムガス回収の経験が無い研究室に対しては実験室内での液体ヘリウム使用方法に関する情報提供を行っている。また、液体ヘリウム容器 1 台(内容積 100 リットル)、液体窒素容器 2 台(内容積 100 リット
ル 1 台、50 リットル 1 台)を平成 27 年 3 月末までに購入し、液体ヘリウム容器は共用容器として、液体窒素容器は容器等再検査中などの貸し出し容器として、それぞれ使用を開始した。

昨年度着手した理学部 1 号館内の低温サブセンター(ヘリウム回収設備)へのモニタシステム設置がほぼ終了し、現在、遠隔接続の準備を進めているところである。今後は学内にある他の複数のヘリウム回収設備にもこのシステムを展開していきたいと考えている。
従来、学内教職員の異動や寒剤容器・実験装置の使用の休止や変更があっても必ずしも研究室から低温センターへ連絡があるとは限らなかったり研究室名の表記にゆれがあって同一の研究室が 2 つの研究室としてカウントされかねない事例が散見されたりして、日々の問合せ対応業務や毎年の使用実績集計
作業の足かせとなっていた。そこで、平成 26 年 7 月から 8 月にかけて、各寒剤使用研究室に低温センター
へ登録された内容を一斉に確認・登録内容を更新した(表 1、表 2)。今後は同様の登録内容更新作業を毎年春に実施して、本郷地区キャンパス内で安全かつ確実に寒剤を供給できるよう役立てていきたいと考えている。寒剤使用研究室の皆様へ引き続きご協力をお願い申し上げます。
最後になりますが、寒剤使用研究室、センター各部門の教職員、学内関係者の皆様からの、液化供給部門の業務へのご協力にこの場を借りてお礼申し上げます。

110

全般的な活動報告

第 6 回低温センター研究交流会
平成 27 年 3 月 4 日(水)、理学部の小柴ホールにて「第 6 回 低温センター研究交流会」が開催された。
工学系、理学系、農学生命科学、医学系、薬学系、低温センターに所属する、大学院生をはじめとする若手研究者による口頭・ポスター発表が行われ、低温センターが供給する寒剤を利用して得られた最新の研究成果が発表された。講演会終了後に行われた利用者懇談会では、スタンフォード大学の Douglas
Osheroff 教授（1996 年ノーベル物理学賞）による 30 分間の Evening Lecture が行われ、ノーベル賞につながった博士課程の研究など、若手研究者にとって大いに刺激となる話を聞くことが出来た。
今回で 6 回目の開催となる研究交流会であるが、年を追うごとに、発表数・参加者数も増加し、本年度は参加者数 120 人、11 件の口頭発表と 49 件のポスター発表があった。この他、福山寛教授（低温セン
ター長、理学系研究科・物理学専攻）による特別講演も行われ、分野を超えて白熱した議論がなされた。
専門的な内容を異分野の研究者にも分かりやすく説明するという点において、優れた発表を行った若手研究者に贈られるアワードは、厳正な審査の結果、宮園健一さん（農学生命科学研究科・応用生命化学専攻・特任助教）がベストプレゼンテーション・アワード、岡大地さん（理学系研究科・化学専攻・博士課程 2 年）と Joseph Falson さん（工学系研究科・物理工学専攻・博士課程 3 年）がベストポスター・アワードをそれぞれ受賞した。来年度以降も、低温センター研究交流会が、本学の大学院生、若手研究者にとって有意義な学際研究集会へと発展するよう、皆様のご協力をお願い致します。

研究交流会の様子

ポスターセッションの様子

懇談会の様子Evening Lecture: Prof. Douglas Osheroff（藤井 記）

112

第６回 低温センター研究交流会 プログラム
口頭発表
O-01 人羅 勇気 農学生命科学研究科・水圏生物科学専攻・D3（水圏天然物化学研究室）
NMR を用いた海洋天然物の構造解析
O-02 諏訪内 悠介

薬学系研究科・薬学専攻・D2（蛋白構造生物学教室）

3-メルカプトピルビン酸硫黄転移酵素(3MST)の結晶学的研究
O-03 宮園 健一

農学生命科学研究科・応用生命化学専攻・特任助教（食品生物構造学研究室）

DNA グリコシラーゼ活性により作用を示す制限酵素の発見
O-04 尾崎 仁亮

理学系研究科・化学専攻・D3（大越研究室）

コバルト-タングステンオクタシアノ錯体の湿度応答性
O-05 井上 暁登

工学系研究科・物理工学専攻・D1（鹿野田研究室）

有機電荷秩序系β-(meso-DMBEDT-TTF)2PF6 における異常金属相の圧力下 13C-NMR
O-06 若林 勇希

工学系研究科・電気系工学専攻・D1（田中・大矢研究室）

Room-temperature local ferromagnetism and domain growth in the ferromagnetic semiconductor
Ge1-xFex
O-07 足立 真輝

工学系研究科・電気系工学専攻・M2（田畑研究室）

生体模倣リエントラントスピングラス Co2+添加ガーネット薄膜における光制御スピン流
O-08 松原 雄也

工学系研究科・物理工学専攻・D3（川﨑研究室）

高移動度 SrTiO3 二次元電子系における量子化ホール伝導の観測
O-09 安田 憲司

工学系研究科・物理工学専攻・M1（十倉研究室）

磁性/非磁性トポロジカル絶縁体二層膜における量子輸送現象
O-10 中村 友謙

理学系研究科・物理学専攻・M2（長谷川研究室）

低温における Bi 超薄膜の走査トンネルポテンショメトリ測定
O-11 白井 優美

理学系研究科・物理学専攻・M1（高木研究室）

逆ペロブスカイト Sr3PbO における三次元ディラック電子

ポスターセッション
P-01

村田 智城 工学系研究科・物理工学専攻・M1（川﨑研究室）
ZnFe2O4/ZnCr2O4 超格子薄膜におけるフラストレート磁性の制御

P-02

鎌田 雅博 理学系研究科・物理学専攻・D1（福山研究室）
2 次元ヘリウム 3 の量子スピン液体相の比熱

P-03

山原 弘靖 工学系研究科・バイオエンジニアリング専攻・学術支援職員（田畑研究室）
スピネル型フェライト(Fe,Ti)3O4 薄膜のキャリア制御と磁性

P-04

宮本 靖人 理学系研究科・化学専攻・D1（大越研究室）
光誘起構造相転移を示す集積型 Co-W オクタシアノ錯体

113

P-05

町屋 秀憲 工学系研究科・総合研究機構・B4（加藤研究室）
Ultralow mode-volume photonic crystal nanobeam cavities for high-efficiency coupling to individualcarbon nanotube emitters

P-06

中村 祥子 低温センター・研究開発部門・特任助教
熱分解黒鉛シート PGS の物性評価

P-07

湯本 郷 理学系研究科・物理学専攻・D1（島野研究室）
単層グラフェンにおける非線形テラヘルツファラデー回転

P-08

大日方 絢 工学系研究科・物理工学専攻・M1（千葉研究室）
Pd/Co/Pt 構造における磁性の電界制御

P-09

岡 大地 理学系研究科・化学専攻・D2（固体化学研究室）
ペロブスカイト型酸窒化物 SrNbO3−xNx の巨大正磁気抵抗

P-10

Szymon Chorazy 理学系研究科・化学専攻・assistant professor（大越研究室）
ナノサイズシアノ架橋型クラスター{M9[M’(CN)8]6} (M = Co, Fe; M’ = Re, W)におけるスピン状態変化

P-11

金木 俊樹 工学系研究科・電気系工学専攻・M2（田中・大矢研究室）
GaMnAs を用いた縦型スピン MOSFET の作製、及びそのスピン依存伝導特性の評価

P-12

北垣 育大 理学系研究科・物理学専攻・M2（岡本研究室）
GaAs 劈開表面上に形成した Fe 超薄膜

P-13

打田 正輝 工学系研究科・物理工学専攻・助教（川﨑研究室）
ノンシンモルフィック導電体 IrO2 におけるキャリアタイプの磁場スイッチング

P-14

奈須 義総 理学系研究科・化学専攻・D1（大越研究室）
ガンマ型五酸化三チタンとデルタ型五酸化三チタンの相転移に関する研究

P-15

Nguyen Thanh Tu 工学系研究科・電気系工学専攻・D3（田中・大矢研究室）
Magneto-optical and magneto-transport characteristics of heavily Fe-doped FMS (Ga,Fe)Sb

P-16

吉清 まりえ 理学系研究科・化学専攻・D2（大越研究室）
高周波電磁波吸収特性を示すインジウム置換型イプシロン酸化鉄

P-17

大久保 哲 工学系研究科・電気系工学専攻・M2（関野研究室）
リンパ節の探索に用いる永久磁石型磁気プローブの開発及びリンパ節内の磁性ナノ粒子量の測定

P-18

篠田 清道 薬学系研究科・薬科学専攻・M2（有機合成化学教室）
アルツハイマー病の機構解明を指向したアミロイドβ三量体の化学合成

P-19

加納 花穂 薬学系研究科・薬科学専攻・M1（生命物理化学教室）
タンパク質三量体による G タンパク質共役型内向き整流性カリウムチャネル活性制御機構の構造生物
学的解明

P-20

伊藤 諒 工学系研究科・物理工学専攻・M2（樽茶研究室）
表面弾性波を用いた量子もつれ電子対の分離

P-21

海老原 周 理学系研究科・物理学専攻・B4（島野研究室）
テラヘルツ強電場によるバルク GaAs 中励起子のイオン化機構の研究

114

P-22

飯塚 貴彦 工学系研究科・物理工学専攻・M2（岩佐研究室）
カーボンナノチューブにおける熱電特性の電界制御

P-23

花塚 真大 理学系研究科・物理学専攻・D2（長谷川研究室）
ビスマス超薄膜の磁気輸送測定

P-24

白地 貴一 工学系研究科・物理工学専攻・M2（岩佐研究室・低温センター）
鉄系超伝導体における熱輸送特性の異方性

P-25

劉 東 工学系研究科・物理工学専攻・D3（鹿野田研究室）
Transport and NMR studies of the Dirac electrons in α-(BEDT-TTF)2I3

P-26

濱田 裕紀 理学系研究科・物理学専攻・D1（島野研究室）
YBa2Cu3O7 薄膜におけるテラヘルツ非線形応答

P-27

中林 耕二 理学系研究科・化学専攻・助教（大越研究室）
層状シアノ架橋型金属集積体におけるメタ磁性的挙動

P-28

石井 友章 工学系研究科・電気系工学専攻・M2（田中・大矢研究室）
時間分解光誘起反射率変化測定による GaMnAs のフェルミ準位付近のバンド構造評価

P-29

井元 健太 理学系研究科・化学専攻・特任助教（大越研究室）
大きな磁気異方性を有する Co-Nb オクタシアノ金属錯体

P-30

富田 圭祐 理学系研究科・物理学専攻・M1（島野研究室）
s 波超伝導体におけるヒッグスモードの減衰機構

P-31

日比野 有岐 工学系研究科・物理工学専攻・M1（千葉研究室）
Pd/Co/Pt 構造における磁気異方性の電界制御

P-32

松永 隆佑 理学系研究科・物理学専攻・助教（島野研究室）
s 波超伝導体 NbN におけるヒッグスモードとテラヘルツ波の非線形共鳴

P-33

中村 隼也 工学系研究科・物理工学専攻・M2（樽茶研究室・低温センター）
ハーフホイスラートポロジカル半金属 RTBi(R=Lu,Y;T=Pt,Pd) の作製と電気物性

P-34

久保 高幸 理学系研究科・物理学専攻・M2（長谷川研究室）
MnSe/Bi2Se3 薄膜における磁性/トポロジカル絶縁体界面の輸送特性

P-35

村川 智 低温センター・研究開発部門・准教授
超流動ヘリウム 3 B 相表面のマヨラナコーンの直接観測

P-36

大内 祐貴 工学系研究科・物理工学専攻・M2（川﨑研究室）
強磁性半導体 EuO 薄膜におけるトポロジカルホール効果の観測

P-37

佐藤 秀樹 理学系研究科・物理学専攻・M1（福山研究室）
水素プラズマによって異方性エッチングされたグラファイト表面の STM/S 観測P-38

伴 芳祐 工学系研究科・電気系工学専攻・D3（田中・大矢研究室）
IV 族強磁性半導体 Ge1−yFey/Ge:B/Ge1−xFex 接合系における磁気抵抗効果

P-39

生井 飛鳥 理学系研究科・化学専攻・助教（大越研究室）
ロジウム置換型イプシロン酸化鉄の合成とその巨大磁気異方性および高周波ゼロ磁場強磁性共鳴

115

P-40

寺田 博 工学系研究科・電気系工学専攻・M2（田中・大矢研究室）
GaMnAs 薄膜における真性反射磁気円二色性スペクトルP-41

中山 和貴 理学系研究科・物理学専攻・D2（福山研究室）
原子・分子修飾したグラフェンの低温電気伝導特性

P-42

Joseph Falson 工学系研究科・物理工学専攻・D3（川﨑研究室）
MgZnO/ZnO 二次元電子系における最近の発展

P-43

中川 幸祐 理学系研究科・化学専攻・特任助教（大越研究室）
オクタシアノニオブ金属錯体における高プロトン伝導性P-44

長瀬 まさえ 工学系研究科・電気系工学専攻・学術支援専門職員（関野研究室）
磁気計測に及ぼす低周波環境磁気ノイズの検討

P-45

畠山 修一 工学系研究科・バイオエンジニアリング専攻・原子力国際専攻・D3（高橋研究室）
錫吸収体を搭載した超伝導転移端センサの開発

P-46

Le Duc Anh 工学系研究科・電気系工学専攻・D2（田中・大矢研究室）
Enhancement of ferromagnetism by manipulating the wavefunctions in n-type ferromagnetic
semiconductor (In,Fe)As quantum wells

P-47

戸田 亮 低温センター・共同利用部門・技術職員
超小型サブミリケルビン連続冷凍システムの開発

P-48

寺岡 総一郎 低温センター・液化供給部門・技術職員
平成 26 年度技術職員研修開催報告

P-49

阿部 美玲 低温センター・液化供給部門・技術専門職員
本郷キャンパスでの寒剤供給業務紹介

研究交流会プログラム委員
岩佐 義宏

工学系研究科・附属量子相エレクトロニクス研究センター

樽茶 清悟

工学系研究科・物理工学専攻

大矢 忍

工学系研究科・電気系工学専攻

長谷川 修司理学系研究科・物理学専攻

岡本 徹

理学系研究科・物理学専攻

永田 宏次

農学生命科学研究科・応用生命化学専攻

島野 亮

低温センター・研究開発部門

116

安全講習会
低温センターでは、高圧ガス製造所として、高圧ガス保安法に定められる安全教育（安全講習会）を行っている。この講習会は、環境安全本部からも受講を義務付けられている全学の安全講習会である。法人化による国立大学への労働安全衛生法の適用から 10 年が経ち、大学の安全管理に対する社会的な関心が高まってきた。教育・研究現場を安全な環境に整えると同時に、各人への安全教育を徹底することで、重大事故を防止するだけでなく、教育機関としての立場からも安全な社会づくりへ貢献することが要請されている。
そのような背景から低温センターでも安全教育を重要視し、近年、安全講習会の充実を進めている。
平成 26 年度は、春季の開催回数を１回増やし、春季３回、秋季２回の計５回を開催した。受講者総数は、
平成 23 年度からの増加傾向を継承し、昨年度の 579 名から 718 名に増加した。昨年度に比較すると、特に学部生の受講が増えている。受講者の所属部局は、工学系を筆頭に農学生命科学、理学系、医学系、薬学系、附属病院と 13 部局超にわたり、本学の寒剤・高圧ガス利用の裾野の広さを示している。
講習内容は、「高圧ガス保安法と本学での高圧ガス等管理」、「寒剤・ガスボンベの安全な取り扱い」、「低温センターの利用方法」の安全講習と、「寒剤の性質とその応用」の講義からなっている。説明は、島野教授、藤井助教、中村特任助教、戸田技術職員が分担して行った。前半の「高圧ガス保安法と本学での高圧ガス等管理」では、液体寒剤が使用条件によっては高圧ガスとなることを説明し、高圧ガス保安法と本学の高圧ガス管理規定について解説した後、寒剤・高圧ガス関連の事故事例の紹介を織り交ぜながら、窒息・凍傷の危険性と防止方法、容器の運搬・保管時の注意等、寒剤・ガスボンベの安全な取り扱いについて説明した。自加圧式液体窒素容器およびガスボンベの使用方法については、実演もしくはビデオも交えて紹介した。「低温センターの利用方法」では、支払い経費や発注方法といった管理者向け情報に加え、実際の容器の受け取り場所や手順についても紹介した。後半の「寒剤の性質とその応用」では、特に、液体ヘリウムを用いた冷却における顕熱の重要性に重点を置いて説明した。
最後に簡単なミニテストを行い、合格者には後日、修了証を送付した。なお、外国人の受講者向けに、平成24年度から英訳版の配布資料を準備しており、講義中も、２画面の投影画面がある会場では１画面で英訳版を表示している。
表１：平成 26 年度安全講習会の開催概要。

分生研, 1%

学部生,
28%

平成26年度
受講者総数

718名

博士,
14%

平成26年 5月 8日(木)弥生講堂

14:50–16:20

一条ホール

平成26年 5月13日(火)工学部 2 号館

14:50–16:20

213 大講義室

工学系
32%

平成26年 6月20日(金)薬学部総合研究棟

修士,
25%

10:30–12:00

薬学部講堂

平成26年10月21日(火)理学部 1 号館

13:00–16:30

小柴ホール

平成26年10月29日(水)理学部 1 号館

13:00–16:30

小柴ホール

第４回

農学
生命科学
18%

場所

第３回

研究員,
7%

日時

第２回

教員,
13%

その他
3%

その他

技術系
職員,8%

薬学系
11%

附属病院
5%

第１回

医学系
14%

第５回

理学系
16%

図１：受講者の所属部局と身分（全５回の合計）
。

117

受講者数
232 名

165 名

119 名

130 名

72 名

図２：講習風景（第４回）。

図３：実演風景（第２回）。

図４：ミニテストの様子（第５回）。

図５：ＩＣカードリーダーによる受付（第５回）。

講義後に行ったアンケートでは、85%から「わかりやすい」という評価を受けた。特に、実演と事故事
例の紹介が好評だった。自由記述欄には、レギュレータの構造や、寒剤容器の具体的な入手方法・特性に関する質問が若干数あった。寒剤の性質の講義に関しては、受講者の関心や専門分野によって「難しい」から「面白い」まで評価が分かれた。受講者の構成に合わせて説明の方法を調整する必要がある。
本年度は、秋季の２回において、ＩＣカードリーダーを用いて受付を行った。ウェブページを通じた受講申込時に全学共通ＩＤを登録してもらい、当日は、身分証から所属と名前を照合した。本講習会の受講者は、事前登録者が９割を占めるので、ＩＣカードリーダー導入の効果は大きい。従来は、開始直前の混雑に備えて受付担当者が３名で待機していたが、ＩＣカードリーダー３台を用いることで、ほとんど列を作ることのない入場が可能になった。
研究者の環境安全に対する意識向上と、低温センターによる対象部局への開催周知の徹底により、液体
ヘリウム関係の担当者の安全講習会受講率は、60%を超えた。これからは、液体窒素ユーザーの受講率も上げていくことが課題である。そして、今後も、安全講習会の充実を通じて、寒剤および高圧ガス関係の事故防止に一層努めていきたい。
（中村 記）

118

平成 26 年度東京大学技術職員研修「低温技術研修（初学コース）」
東京大学には、技術職員に職務と責任の遂行に必要な知識・技術等を修得させること、その能力・資質等を向上させることを目的として実施する全学技術研修の制度がある。本年度、低温センターではこの全学技術研修として「低温技術研修（初学コース）」を企画した。本研修の対象者は低温実験の初学者であり、目的は、低温技術に関する講義および実習を通じて、液体寒剤の安全な取り扱い方法、液体寒剤の有効な利用方法、低温実験機器の使用方法などの知識・技術を修得することである。研修の準備は
技術職員の戸田、寺岡を中心に行い、講義の講師として福山センター長、村川准教授、加茂技術職員を加え、平成 27 年 2 月 24 日（火）から 2 月 26 日（木）の 3 日間の日程で実施した。講義については低温センターのセミナー室、実習は共同利用装置室および液体ヘリウム供給室で行った。定員 6 名の募集に対し 5 名から応募があったが、急用による辞退があったため、実際の受講者は 4 名となった。研修修
了者には修了証書を授与した。また修了の事実は人事記録に記載された。
研修は主に午前中に講義、午後に実習という形で実施した。講義は初日に「低温科学技術入門」、「低温寒剤の取り扱い」、２日目に「低温技術の基礎」、「液体ヘリウムの性質と利用方法」、３日目に「低温の生成」、「低温実験技術」を行い、低温の概略から基礎、簡単な応用までの知識を修得してもらった。
午後の実習では初日に「液体窒素の取り扱い」、２日目に「ガスボンベの取り扱い」、「液体ヘリウムの移送」、３日目に「真空断熱と熱伝導」を行い、実際に寒剤を取り扱ってもらった。詳細は以下に記す。
初日は講義「低温科学技術入門」（福山センター長）において、低温科学発展の歴史や現在の低温科学（加茂技術職員）として、寒研究、日常生活への貢献について紹介した。続いて「低温寒剤の取り扱い」
剤使用のルール・法規制や、寒剤の性質と安全な取り扱い方法について講義した。午後は「液体窒素の取り扱い」として、先ほど紹介した安全な取り扱い方法をふまえ、定期的な容器再検査が義務づけられている自加圧式容器の検査日等が刻印された銘板の内容確認と再検査が必要となる期日の計算、総重量が 150 kg を超える容量 100 L の自加圧式容器の運搬、エレベータを使用した移動を行った。日常生活では問題にならないような地面の小さな段差や凹凸、傾斜などにも注意をして運搬する必要があることを体験してもらった。続いて、自加圧式容器からの液体窒素の汲み出しや開放容器に専用のサイフォンを取り付けての液体窒素の移送（図 1）を行った。開放容器は再検査が不要であるなど取り扱いがより簡便になるが、移送時には風船等を用いて加圧する必要があり、バルブの開閉のみで移送が可能な自加圧式に比べると作業者の負担が大きい。受講者も想定よりハードワークであると感じられていた。最後に、汲み出した液体窒素を用い、物質を液体窒素に浸漬したときの物質の温度の時間変化や、異種材料を組み合わせた部品を冷却した際、熱収縮率の違いにより低温で緩む、締まるといった変化が起こること、金属の電気抵抗が温度変化することなどの観測をおこなった。
2 日目は、講義「低温実験の基礎」（戸田技術職員）において、温度の定義やその測定方法、各種温度計の性質などを紹介した。また、初日の実習を踏まえつつ、熱伝導や熱容量、熱膨張などの基礎的知識について解説を行った。続く講義「液体ヘリウムの性質と利用方法」（寺岡技術職員）では、午後からの液体ヘリウムを用いた実習を前に液体ヘリウムの利用方法について解説した。液体ヘリウムはより低温であるだけでなく、ヘリウムが希少資源であるためにキャンパス全体でリサイクル利用する形態となっ119

ており、液体窒素に比べて利用にあたっての注意点が多い。液体ヘリウムを利用するにあたって留意する必要がある点について重点的に解説した。
2 日目の実習では、「ガスボンベの取り扱い」としてまず低温寒剤と同様に高圧ガスとして規制を受ける高圧ガスボンベの使用方法やボンベの刻印の内容確認等について解説を行い、実際に圧力調整器を取り付けて気体を取り出し、圧力調整器を取り外して片付ける一連の作業を行った。午後は「液体ヘリウ
ムの移送」として、実際に液体ヘリウムを移送する実習を行った（図 2）。移送だけでなく、熱音響式液面計を用いた容器中の液面測定や、重量測定による内容量の測定、流量計を用いた蒸発ガス回収量の計
測など、液体ヘリウムをリサイクル利用するうえで不可欠となる各種計測についても実際に行った。
3 日目には講義「低温の生成」（戸田技術職員）により、物体を冷却する方法、低温寒剤を作る方法な（村川准教授）では、低温で真空を得るため
ど低温を得る方法について紹介した。講義「低温実験技術」の気密シールの作成方法やリークテスト法、物質の熱伝導率の違いを利用した熱制御、微小信号測定法、超伝導の利用など、低温実験を行う際に必要となる基礎的な実験技術について紹介した。
3 日目の実習「真空断熱と熱伝導」では実際に真空断熱容器のシール（インジウムシール）を行い、続いてヘリウムリークディテクタを用いたリークテストを行った。この容器を使って、真空断熱を用いる
ことで液体寒剤中に浸漬しても内部に液体寒剤の温度と異なる温度を作成できること、容器と試料部を接続する材料として銅・ステンレスなどを使い分けることで温度差を作れること、真空断熱容器に熱交
換ガスを入れる（真空をやぶる）ことによって、内部の温度が簡単に外部と等しくなることなどを実際に観察した。
講義だけでなく、実習で実際に受講者自身の手で運搬や移送などの作業を行ってもらうことにより、安全な取り扱いや効率的な利用方法をよりよく体得していただけたと考えている。受講者からは、もう
少し実習の割合が高い方がよいという意見があった。定期的にこのような機会を設けて、必要とする方に知識・技術を提供できればと考えている。一方で、開催初年度ということもあり、こちらの想定の甘さや準備不足のために当初予定通りに実施できなかった項目もあった。次回開催時までの改善点としたい。

図 1: サイフォンによる液体窒素の移送

図 2: 液体ヘリウムのトランスファー（戸田 記）

120

職員研修
1. 高圧ガス製造保安係員講習 受講報告
日

時 平成 26 年 7 月 8 日（火）～9 日（水）場

所 TKP 市ヶ谷カンファレンスセンター(東京都 新宿区)

主催 高圧ガス保安協会

講師 高圧ガス保安協会 山川 雅美 氏、島田 隆 氏、元(独)産業技術総合研究所 堀口 貞茲氏
元 住友化学(株) 明吉 一幸 氏

参加者 低温センター 阿部 美玲、他 136 名
平成 26 年度保安係員講習を受講した。この講習会は、保安係員に選任された者が 5 年に一度受講する法定義務講習である。
1 日目は、山川講師から高圧ガス保安法令として、最近の高圧ガス保安行政の動向及び保安法改正状況が説明された。全国で今も年間 1～2 件の重大事故が発生しており問題視されていること、2011 年の東
日本大震災を受けて耐震基準が見直されつつあること、燃料電池車普及推進に向け規則や基準の改正が進んでいることが挙げられ、近年経済産業省では高圧ガス製造者に対するリスクアセスメントや人材育成の仕組み、情報共有のあり方が重点的に検討されているとのことだった。また、堀口講師から、学識として高圧ガスの危険性と有害性について概論の説明があり、平成 3 年にある大学の実験室で発生した事
故がきっかけとなり特殊高圧ガスが定義されたこと、低温寒剤に関連してアンモニア冷凍設備で液封から漏えいに至った事例などが説明された。午後は、保安管理技術として、島田講師より、法令上の保安管理体制の変遷や保安係員の職務と心構えの説明があり、法定の義務として緊急時の措置は保安係員が行うことの説明の後、各事業所で実施している緊急時措置の訓練紹介をテーマに 6 名ずつの班に分かれてグループディスカッションを実施した。
2 日目は、明吉講師より、学識と保安管理技術として、設備管理のポイントや安全管理に関する考え方について、化学プラントでのご自身の経験を踏まえて説明された。事故事例はもちろん、戦後の社会構造や技術革新などの変化によって必要な技能や学習の方法も日々変わっているものの、万が一異常事象が発生したときに保安係員が主体となって公共の安全を確保するという職務は変わりないこと、特に自動運転が増えたことで人的エラーによる事故事例の割合が増えており、保安係員が主体となり OJT 活動などを通じて作業員の技能向上に努めるべきであるとのコメントがあった。
高圧ガス保安法令には過去と同じ事故災害を繰り返さないために追加された規制が数多くあるが、法令・学識・保安技術とも東日本大震災以降の災害事例が追加され、前回の受講時より一層現場に即した内容に変わった印象を持った。一般的に大きな製造プラントでは運転・保全・設計など役割ごとに業務部門が細分されることが多いが、人数の少ない低温センターの場合は液化供給部門の各員がすべての役割の業務を把握する必要がある。今回の講習会は、高圧ガス製造者としての保安活動やコンプライアンス面の取組みが置き去りにされないよう反省する良いきっかけとなった。今後も最新の情報に注目しながら、自主保安活動を推進していきたい。
（阿部 記）

121

2. 平成 26 年度 高圧ガス保安教育 参加報告
日時 平成 26 年 7 月 23 日(火)場

所 茨城県鹿嶋市 新日鉄住金（株）鹿島製鐵所
エア・ウォーター株式会社 鹿島工場

主

催 株式会社アトックス

参加者 低温センター 志村芽衣 他 約 15 名
エア・ウォーター株式会社 鹿島工場を見学して高圧ガス製造設備に対する理解を深めることと、高圧ガス設備を持つ企業や他大学の技術職員との交流を通して高圧ガスの取り扱いや保安管理に関する情報・意見交換を行うことを目的として 高圧ガス保安教育に参加した。
初めに、エア・ウォーター株式会社 産業カンパニー オンサイト事業部 鹿島工場の概要について木下氏より説明があった。エア・ウォーター株式会社 鹿島工場では、大量の産業ガスを必要としている
新日鐵住金 鹿島製鐵所内にオンサイトプラントとして空気分離装置を設置し、酸素、窒素、アルゴ
ン、水素、炭酸ガスを生産するとともに、工場と繋がれたパイプラインによって直送することで、効率的なガスの安定供給を行っている。鹿島工場では、工場長が保安統括者を務め、業務は 1 班 5 名で構成される計 4 つの班と常昼班がローテーションで 7:00～19:00 と 19:00～翌日 7:00 の 2 交替で行っており、各班内の 5 名のうち 4 名の班員は高圧ガスの免状の交付を受け保安係員・係員代理になっていた。
2 交替制の勤務体制に関しては、30 歳代を境に体力的に厳しく感じるという意見があるとのことだった。また、製鐵所供給ラインフローから、酸素プラント工程および生産能力、炭酸ガス・水素プラント
工程および生産能力、キセノンプラント生産能力についての説明があった。高圧ガス設備の内部は、一度運転を開始したら開放できないものもあり、30～40 年使用することは普通のことで、メンテナンスをしながら使用し続けているとのことだった。運転班の班員の業務については、主にオペレーターと点検であり、漏れチェック等は行っているが、安全弁・圧力計等の検査や配管の交換といった保全作業は協力会社に依頼していた。メンテナンス等で新たに入った協力会社の社員には安全教育を行う一方で、協力会社の方にも自社の社員が危険な行動をしていたら遠慮なく注意を促すようにお願いしていると聞き、安全のため双方が信頼し合い、良い関係が築き上げられている環境であると感じた。また、2011
年の東日本大震災の際は中央操作室に避難し、その後、人材育成センターという高台に避難して、無事だったとの話も伺った。事故に備えて避難場所や対応について事前に確認して認知することが重要であると再確認させられた。
次に、鹿島工場の敷地内の見学をさせていただいた。見学の際には、安全のため長袖、ヘルメット、
耳栓、保護メガネを着用した。保護メガネは、点検でカプラを外した際の微細な鉄などが目に入ったりするのを防止するため常時着用するように義務付けているとのことであった。また、班員は一酸化炭素中毒の防止のため CO 計を常時携帯していた。鹿島製鐵所内にエア・ウォーターのプラントが設置されているため、敷地には区切りの線がマーキングされており、配管等の修理に関しては、自社エリア内外
で分担が分けられていた。また、海が近いため、プラントの外壁が錆びやすくなってしまっていると伺った。外壁の再塗装はプラントの運転を停止させないとできないが、運転の停止のための作業は膨大であり、通常の運転班だけでは人手は足らず、メンテナンスには時間と労力が必要であるとのことであった。さらに、操作室の内部も見学させていただいた(図 1)。普段低温センターの CE タンクに液体

122

窒素をローリーから充填する際にいただく分析表の値は、ここで計測して、発行していると説明を受けた。
今回の保安教育を通じて高圧ガス製造設備での安全対策への取り組みや企業努力を学ぶことができ、大変参考になった。また、他大学の高圧ガス関
連職員とも活発な意見交換ができた。今後は、今回の見学を通じて学んだ知識をセンターにおける高図 1 中央操作室内の制御盤

圧ガス保安関連の業務に生かしていきたい。最後に、今回の保安教育でお世話になった関東エア・ウォーター株式会社 古澤英司氏、株式会社アトックス
東京営業所 新井健二氏、青木頼亜氏、高橋吉成氏、エア・ウォーター 鹿島工場の皆様、並びに本保安教育を企画された物性研究所低温液化室 土屋光氏に心から感謝いたします。
（志村 記）

3. 平成 26 年度 東京大学技術職員研修「デジタルエレクトロニクス研修」 参加報告
日時 平成 26 年 7 月 23 日(水)～25 日(金)場

所 東京大学 理学部 1 号館（東京都文京区）

主

催 東京大学大学院理学研究科

講師 八幡 和志 技術専門職員

参加者 戸田 亮 （他部局技術職員、全６名）
東京大学技術職員研修「デジタルエレクトロニクス研修」を受講し、修了した。この研修の目的は、回路のハードウェア的な動作をチップ本体の作成後に変更（プログラミング）することが可能な論理デバイスである FPGA を使用し、様々な処理を行う実習を通じて、FPGA の使用方法を身につけるというものである。FPGA を用いることで、様々なデジタル処理を高速に行い、条件に応じて複数の処理を同期して行うなどの装置制御や測定を行うことが可能になる。
研修は三日間にわたって行われ、FPGA に関する簡単な説明の後、実際に FPGA とその周辺入出力装置を実装したボード（DEGILENT 社 NEXYS 3）および、開発環境（Xilinx ISE 14.7）を使用して、入力に対して AND OR などの処理を行う簡単なデジタル回路から、ボード上の水晶発振器を使用してのクロックの変換、カウンターやストップウォッチ機能の作成、D/A コンバータを使用しての任意波形の発生などを実現するプログラミング作業を行った。研修時間の多くは実際にこれらの機能を実装する作業を行う実習に割かれた。当初は、プログラミング規則やデバイスの動作特性などの理解が不十分で躓く部分があり、課題とされている機能の実装まで長い時間が必要であった。しかし、3 日間の実習を通して、必要とする機能を実現するための基本的方法をおおむね理解することができ、ある程度効率よく機能を実装できるようになった。今後は、低温センターでの各種測定装置の制御や計測に生かしたいと考えている。
（戸田 記）123

4. 東京大学教職員・学生のための救命講習会 参加報告
日時 平成 26 年 10 月 31 日(金)場

所 東京消防庁 本郷消防署３階 体育訓練室

主催 東京大学 環境安全本部

講

師 防災救急協会

参加者 低温センター 阿部 美玲 他 36 名(本学教職員)
平成 26 年度東京大学教職員・学生のための救命講習会に参加した。平成 21 年度に同講習会を受講した際、2010 年に市民が行なう応急手当のガイドライン改訂版(「ガイドライン 2010」)が発表されると説明があったため、かねてから受講を希望していたものである。
講習会では、救急隊 OB である防災救急協会の講師から、応急手当の目的についてテキストを使った説明と胸骨圧迫、人工呼吸、AED の使用方法など応急手当の実習が行われた。応急手当の目的は救命・悪化防止・苦痛の軽減にあり、そばに居る者(バイスタンダー)が速やかに行えば効果は向上する。最近の研究で、心停止や呼吸停止の後、救命処置をした場合と救急車が来るまで何もしなかった場合とで命が助かる可能性が有意に異なること、何もしないと命が助かる可能性が約 10 分間で急激に下がることが知られている。近年、東京都では 119 番通報から救急車の現場到着まで約 8 分かかっており市民による応急手当は非常に重要であるとのことだった。また、救急車を呼ぶかどうかの救急受診ガイド(判断用のチャート)や大規模災害の際のトリアージについても説明された。
心停止すると脳に酸素が供給されなくなるが、この時間をできる限り短くすることが重要であり、心臓のポンプ機能を補助する胸骨圧迫はこのための応急処置である。新しいガイドライン 2010 では、初心者には技術的に難しい脈拍の確認や胸骨の位置確認の手順などが省略され、できるだけ長い時間、胸骨圧迫を実施できるように変更されていた。また、近年の AED は、古いガイドラインに対応したシンプルなものから成人モードと小児モードが選択できるようなものまで多様化しているとのことだった。
実習では、講師の手本を見た後、自分たちで考えて判断し行動することが推奨された。例えば「むやみに傷病者を動かさない」という説明を誤解して「傷病者を動かしてはいけない」と思い込むケースがあるが、傷病者を動かさないと救命処置ができない状況であれば動かして救命処置を行なえばよく、「言われた通りの動作しか行なわないのでは、人の命を救えない」との言葉が大変重く印象的だった。
修了後、東京消防庁より救命技能認定証の交付を受けた。平成 21 年度に受講したときには、複雑な内容に正直なところ不安すら覚えたが、今回の講習会で、応急処置の技術が日々見直され、より市民にも実践的な内容となっていることを実感した。万が一、必要な機会に遭遇した場合は、今回の経験を少しでも役立てたいと考えている。
（阿部 記）

124

技術ノート技術ノート
液体ヘリウムの移送効率
低温センター・液化供給部門 1、共同利用部門 2
寺岡総一郎 1、戸田 亮 2、加茂由貴 1、志村芽衣 1、阿部美玲 1、
1. はじめに
低温寒剤の性質と、その安全で適切な取り扱い方法を学び、実際に寒剤を使用した実習を通して必要な技術を習得させ、職員の能力・資質向上を図ることを目的として低温センターでは平成
26 年度技術職員研修「低温技術(初級)」を開催した[1,2]。研修内容には「液体ヘリウム移送実習」が含まれ、寒剤移送の実際を習得するとともに、寒剤の有効利用の観点から液量を測定して移送効率の評価を試みた。本稿では通常の差圧を利用した移送の場合、ヘリウム-4 の熱物性値を反映して移送効率に或る上限が存在するであろうことを示し、実習当日の結果を検討する。

2. 液体ヘリウム移送効率の上限と回収ガス量
液体ヘリウムを容器からクライオスタット等に移送する作業は真空断熱の二重管(移送管、トラ
ンスファチューブ)を用いて行う。液体ヘリウムの移送損失には、移送管の予冷で取り去るべき熱量、移送管内の輻射および固体熱伝導による入熱、粘性等に起因する機械的損失などのいくつかの要因がある。それでは移送管の予冷を十分に行ったうえでこれらの損失を低減すれば移送効率
は 1 に漸近し、回収流量計をほとんど回すことなく液体を移送できるのであろうか？以下に議論
するように、そのような理想的な状況でも移送効率には或る上限(<1)があることが推測される。
加圧用
バルーン

移送管

“A”

“A”へ

VD

VS

回収管へ

熱交換器

ロードセル
和算器

容器S(送液側)

流量計

表示部

容器D(受液側)

図 2-1：実習のセットアップ。移送開始前、終了後に送液側、受液側の容器内ヘリウム残量を計測する。計測には気柱振動式液面計と台秤による重量計測を併用する。前者
は気相と液相の境界を検知して液相の体積を求める。後者は液相、気相の合計質量を計測する。受液側容器からの蒸発ガスは室温復帰後(挿入図)流量計を通して回収する。

126

移送効率の実測値は液量基準(気柱振動式液面計による計測)では∆𝑉𝑉D
𝑉𝑉D2 − 𝑉𝑉D1=−
∆𝑉𝑉S
𝑉𝑉S2 − 𝑉𝑉S1

2-1)

∆𝑚𝑚D
𝑚𝑚D2 − 𝑚𝑚D1=−
∆𝑚𝑚S
𝑚𝑚S2 − 𝑚𝑚S1

2-2)

𝜂𝜂V = −

また重量基準(台秤による計測)では𝜂𝜂m = −

によってそれぞれ求める。ここで 𝑉𝑉 はヘリウム槽内の液相部分の占める体積、𝑚𝑚 はヘリウム槽

内の気相、液相部分の質量の和、各添字は S, D はそれぞれ送液側、受液側を、1, 2 がそれぞれ移送開始時、終了時を表す。まず送液側のデュワーについて考える。ヘリウム槽内の液体が減った分の ∆𝑉𝑉S = 𝑉𝑉S2 − 𝑉𝑉S1 の空間は、近似的には飽和蒸気によって置き換わり、容器のネック部に温度勾配を生じていると考えられる(実習で用いた容器はネック部呼び寸法が NW50 と大きく、必ずしも良い近似ではないかもしれない)。この送液側容器内に残留する蒸気の質量を 𝑚𝑚′′ とすると𝑚𝑚′′ = −

∆𝑉𝑉s
𝑣𝑣G

2-3)

である。この蒸気はバルーンで外界と熱交換させたガスを容器に送り込み、𝑚𝑚′′ × 蒸発潜熱ℎl 分の熱量を液体に与えて、蒸発させることによって賄われるであろう。送液質量を 𝑚𝑚′ とすると
𝑚𝑚′ + 𝑚𝑚′′ = −

∆𝑉𝑉s
𝑣𝑣L

2-4)

である。ここで 𝑣𝑣L と 𝑣𝑣G はそれぞれ飽和液体と飽和蒸気の比体積 (m3/kg) である。2-3)、2-4)式より送液側容器からの送液質量は
𝑚𝑚′ = − �11− � ∆𝑉𝑉s𝑣𝑣L 𝑣𝑣G2-5)である。無損失の場合、これは受液質量に等しいので、液量基準の送液効率の上限は
𝜂𝜂V =𝑚𝑚′ 𝑣𝑣L
vL=1−′′′(𝑚𝑚 + 𝑚𝑚 )𝑣𝑣L
𝑣𝑣G

2-6)

で与えられる。ヘリウム-4 の飽和領域、大気圧 (0.101325 MPa) における値、𝑣𝑣L = 8.001 ×

10−3 (m3 ⁄kg) および 𝑣𝑣G = 5.919 × 10−2 (m3 ⁄kg) を用いると
𝜂𝜂V = 1 −0.008001= 0.8648
0.059192-7)

すなわち差圧で汲出す場合、送液側の液体を 1 ℓ 使ったうちの 0.86 ℓしか受液側に溜まらないということになる。これはヘリウム-4 の飽和液体と飽和蒸気の密度比があまり大きくないことに起127因する。比較のために窒素の飽和領域 77 K について同様な計算をすると上限は 0.9945 である。
次に受液側容器について考える。ヘリウム槽内の液相部分の体積は ∆𝑉𝑉D = 𝑉𝑉D2 − 𝑉𝑉D1 だけ増大

し、同じ体積の飽和蒸気が容器外に追い出される。
従って重量基準でもやはり 86%が上限となる。
移送管、受液側容器内で無損失の理想的な状況であれば受液側ヘリウム槽内の液相部分の体積は∆𝑉𝑉D = 𝑚𝑚′ 𝑣𝑣L = − �1 −𝑣𝑣L
� ∆𝑉𝑉s𝑣𝑣G

2-8)だけ増える。追い出された飽和蒸気は室温に復帰させてから流量計を通して回収される。ヘリウ
ム-4 の単相領域、室温、大気圧(20℃、0.101325 MPa)における比体積の値𝑣𝑣RT = 6.014(m3 ⁄kg) を用いて、追い出された飽和蒸気ガス量を室温におけるガス量𝑉𝑉g に換算すると
𝑉𝑉g = −

𝑣𝑣RT
𝑣𝑣L
6.014
0.008001
× �1 − � ∆𝑉𝑉s = −× �1 −
� ∆𝑉𝑉s = 87.87∆𝑉𝑉s
𝑣𝑣G
𝑣𝑣G
0.059190.059192-9)である。 送液側で液体を 1 ℓ 使うと受液側出口流量計は最低でも 0.088 m3 回る計算になる。これに移送管の予冷

ガスや熱損失が加わる。その上乗せ分の移送損失を考慮した移送効率を次式によって求める。
𝜂𝜂F =87.87 × ∆𝑉𝑉S
𝑉𝑉F2 − 𝑉𝑉F1

2-10)

ここで 𝑉𝑉F2 と 𝑉𝑉F1 はそれぞれ移送終了時と移送開始時(予冷も含む)の流量計の積算値で、送液側液量変化 ∆𝑉𝑉S

は、m3 単位である。

3. 液体ヘリウム移送実習結果の検討
実習は図 2-1 のセットアップを 2 組用意して、2 グルー
プに分けてそれぞれ 2 回行った。図 3-1 に移送前後の容器
内ヘリウム残量を示す。台秤は液相と上部の気相も含めた
全ガス量を与えるのに対し、気柱振動式液面計は液量を計測するため、全充填状態では比較的良く一致するが、液位が下がるにつれて前者が大きい値を示す傾向がみられる。
液量ゼロ近傍の残留ガス質量は同じ体積の 4.2 K 飽和液体の 11%( A グループ)および 12.5%( B グループ)と 2-3)式をある程度支持する結果となっている。表 3-1, 3-2 に計
測値と解析結果をそれぞれ示す。淡紫色、淡青色および淡橙色のセルはそれぞれ 2-1)式、2-2)式および 2-10)式で得られる移送効率である。前節の上限を超える値も見受けられ、ヘリウム槽内の気相が均一に 4.2 K でなく分布を持っ128

図 3-1：実習時の移送前後における容器内ヘリウム残量。台秤(◇、△)と気柱振動式液面計(□、×)による測定結果(第一回目)。(上)：グルー
プ A, (下)：グループ B

ていることが考えられる。今回は初回ということもあって開催側も準備不足で計測手順に不慣れな点があった。2-7)式、2-10)式を検証するにはまだまだ測定の確度を上げることが必要で、例えばガラスデュワーを用いて気柱振動液面計の検知位置と目視による液面の比較など予行実験をして次年度への準備を進めたいと考えている。
表 3-1 グループ A の計測結果
送液容器 S NMH-60

受液容器 D NMH-60

重量 mS

液面 LS

液量 VS

[kg]

[mm]

[L]

重量 mD 液面 LD
[kg]

[cm]

流量計

液量 VD

積算流量 Vg

[L]

[m3]

備考

第一回
開始時

44.75

435

63.1

36.53

4

0.1

288.203

終了時

40.94

224

30.7

39.54

248

34.5

291.010差∆m,∆V

-3.81

-32.3

3.01

34.4

2.807

0.79

1.07

1.01

移送効率

K-209
↓
K-208

第二回
開始時

39.54

248

34.5

40.94

224

30.7

291.010

終了時

39.30

136

17.0

40.70

295

41.8

295.163差∆m,∆V

-0.24

-17.5

-0.24

11.1

4.153

-1.00

0.63

0.37

移送効率

K-208
↓
K-209

表 3-2 グループ B の計測結果
送液容器 S NMH-60

受液容器 D NMH-60

重量 mS

液面 LS

液量 VS

[kg]

[mm]

[L]

重量 mD 液面 LD
[kg]

[cm]

流量計

液量 VD

積算流量 Vg

[L]

[m3]

備考

第一回
開始時

43.29

413

60.1

37.37

25

0.9

451.891

終了時

39.60

220

30.1

40.56

210

28.6

455.724差∆m,∆V

-3.69

-30.0

3.19

27.7

3.833

0.86

0.92

0.69

移送効率

K-207
↓
K-205

第二回
開始時

40.56

210

28.6

39.60

220

30.1

455.724

終了時

40.37

160

20.8

39.48

240

33.2

456.700

差∆m,∆V

-0.19

-7.8

-0.12

3.1

0.976

-0.63

0.40

0.70

移送効率

参考文献
[1] 第 6 回低温センター研究交流会概要集 P-48.
[2] 戸田他、Annual Report 2014 Cryogenic Research Center pp.119–120.

129

K-205
↓
K-207

各種委員会・センター教職員名簿
低温センター運営委員会
第 120 回運営委員会（平成 26 年 6 月 4 日開催）
第 121 回運営委員会（平成 26 年 9 月 27 日開催）
第 122 回運営委員会（平成 27 年 1 月 22 日開催）
第 123 回運営委員会（平成 27 年 2 月 23 日開催）

運営委員会 名簿（任期 25.4.1~27.3.31）（委員長）福山 寛

センター長･教授 大学院理学系研究科物理学専攻・低温センター（兼務）

樽茶 清悟

教授

大学院工学系研究科物理工学専攻

三田 吉郎

准教授

大学院工学系研究科電気系工学専攻

下山 淳一

准教授

大学院工学系研究科応用化学専攻

高木 英典

教授

大学院理学系研究科物理学専攻

藤森 淳

教授

大学院理学系研究科物理学専攻

大越 慎一

教授

大学院理学系研究科化学専攻

永田 宏次

准教授

大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻

前田 京剛

教授

大学院総合文化研究科広域科学専攻

清水 敏之

教授

大学院薬学系研究科機能薬学専攻

平川 一彦

教授

生産技術研究所光電子融合研究センター

榊原 俊郎

教授

物性研究所新物質科学研究部門

島野 亮

教授

低温センター研究開発部門(26.4.1～)

村川 智

准教授

低温センター研究開発部門(27.1.1～)

低温センター専門委員会
第 74 回専門委員会（平成 26 年 5 月 16 日開催）

専門委員会 名簿（任期 26.4.1~28.3.31）（委員長）福山 寛

センター長･教授 大学院理学系研究科物理学専攻・低温センター（兼務）

為ヶ井 強

准教授

大学院工学系研究科物理工学専攻

岡本 徹

准教授

大学院理学系研究科物理学専攻

上田 卓見

助教

大学院薬学系研究科薬科学専攻

島野 亮

教授

低温センター研究開発部門

村川 智

准教授

低温センター研究開発部門(27.1.1～)

藤井 武則

助教

低温センター研究開発部門

中村 祥子

特任助教

低温センター研究開発部門(26.7.16～)

阿部 美玲

技術専門職員低温センター液化供給部門

130

低温センター編集委員会
編集委員会 名簿（任期 24.10.1~26.9.30）
福山 寛センター長･教授 大学院理学系研究科物理学専攻・低温センター（兼務）長谷川 哲也 教授

大学院理学系研究科化学専攻

川﨑 雅司

教授

大学院工学系研究科物理工学専攻

上田 卓見

助教

大学院薬学系研究科薬科学専攻

永田 宏次

准教授

大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻

國松 聡

教授

大学院医学系研究科生体物理医学専攻

前田 京剛

教授

大学院総合文化研究科広域科学専攻

教授

低温センター研究開発部門(26.4.1～)

藤井 武則

助教

低温センター研究開発部門

阿部 美玲

技術専門職員低温センター液化供給部門（委員長）島野 亮

低温センター教職員
教職員 名簿センター長
福山 寛

大学院理学系研究科物理学専攻・教授（兼務）

研究開発部門
島野 亮

教授

村川 智

准教授

藤井 武則

助教

中村 祥子

特任助教

共同利用部門戸田 亮

技術職員

液化供給部門阿部 美玲

技術専門職員

加茂 由貴

技術職員

志村 芽衣

技術職員

寺岡 総一郎

技術職員

板垣 信則

技術補佐員

事務室
渡邉 康

主査

佐々木 陽子

特任専門職員

河本 裕文

係長

131

お知らせ
人事異動
教員
島野 亮

教授

平成 26 年 4 月 1 日

採用

中村 祥子

特任助教

平成 26 年 7 月 16 日

採用

村川 智

准教授

平成 27 年 1 月 1 日

採用

渡邉 康

事務室主査

平成 26 年 4 月 1 日

異動（情報基盤センターより。

佐々木 陽子

特任専門職員平成 26 年 4 月 1 日

採用

職員
27 年4 月 1 日に財務部へ配置換え）

投稿のご案内低温センター編集委員会では、広く皆様からの投稿をお待ちしております。
テーマは自由ですが、多様な読者を念頭に、少なくとも本文のイントロダク
ションはできるだけ平易に書いて下さい。肩の凝らない読み物風の原稿も歓迎いたします。詳細は、低温センター・編集委員会

委員長(annualreport@crc.u-tokyo.ac.jp) までお問い合わせください。

132

島野

亮

編集後記
低温センター 研究開発部門 村川智2015 年 1 月 1 日に低温センター研究開発部門に着任しました。2014 年度は私を含め、研究開発部門に 3 名の教員が新しく配属され、事務室においても主査交代があり、フレッ
シュな陣営となりました。
最初に、年報発行が非常に遅れてしまいましたことをここにお詫び申し上げます。この年報は、低温センターの活動報告、共同利用研究室からの研究報告に加え、学内の寒剤ユー
ザーの方にお願いしてご執筆頂いた研究ノートから構成されています。幅広い分野から興味深いお話を書いて頂き、低温科学が持つポテンシャルを強く感じました。お忙しい中「研究ノート」をご執筆頂いた先生方、原稿の取りまとめを行っていただいた編集委員の先生
方にはこの場を借りて厚くお礼申し上げます。
また、2015 年 3 月をもちまして 3 期 6 年 3 ヶ月におよぶ長い期間、低温センター長をしていただいた福山寛 前センター長が退任されました。任期中は数々の改革に取り組まれ、
低温センターは大きく生まれ変わりました。その一部として、この年報の発行や研究交流会の実施、2014 年度より始まった技術職員研修などが挙げられます。この年報では、福山 前
センター長に任期を振り返っていただき、特別寄稿していただきました。今後、我々がその流れを引き継ぎ、全学センターとしてより発展した組織になるべく、努力していきたいと思います。
今後とも低温センターをよろしくお願いします。

低温センター 編集委員会
岩佐

義宏

教授

工学系研究科物理工学専攻
附属量子相エレクトロニクス研究センター

田中

雅之

教授

工学系研究科電気系工学専攻

岡本

徹

准教授

理学系研究科物理学専攻

國松

聡

准教授

医学系研究科生体物理医学専攻

上田

卓見

助教

薬学系研究科薬科学専攻

永田

宏次

准教授

農学生命科学研究科応用生命化学専攻

准教授

総合文化研究科広域科学専攻

医学部附属病院放射線科

小野瀬

佳文

（委員長）島野亮

教授

低温センター研究開発部門

村川

智

准教授

低温センター研究開発部門

中村

祥子

特任助教

低温センター研究開発部門

133

Annual Report 2014

(Cryogenic Research Center, the University of Tokyo)
平成 26 年度低温センター年報
東京大学低温センター
第６号 2015 年 12 月
Volume 6, December 2015
発行者：東京大学低温センター
編集：低温センター 編集委員会
印刷：株式会社アズディップ

所 在 地東京大学低温センター
住所： 〒113-0032
東京都文京区弥生 2 丁目 11 番 16 号
電話： 03-5841-2851（事務室）
FAX： 03-5841-2859（事務室）
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