2021

Annual Report
2021

Cryogenic Research Center
University of Tokyo

ntop

top

VTG

VTG

VBG

VBG

bottomσxy (e2/h)bottomeB/h+4 +5+2 +3 +4
0 +1 +20-2 -1 0-1
-4 -3 -2
-2-5 -4

VTG (a.u.)

VTG (a.u.)

nbottom

3
2
1

n

top

σxy (e2/h)

3
2
1
0
-1
-2

eB/h
+5

+3
+1
-1
-3
-5

-3
-3 -2 -1 0 1 2 3-3-3 -2 -1 0 1 2 3

VBG (a.u.)

VBG (a.u.)ν = (ntop+1/2)+(nbottom+1/2)= 0, ±1, ±2, ...

ν = 2(n+1/2)= ±1, ±3, ...

令和３年度 低温科学研究センター年報
東京大学低温科学研究センター

表紙「トポロジカルディラック半金属薄膜における３次元的量子化伝導」
Cd3As2 の高品質薄膜において観測に成功したトポロジカル半金属相特有の 3 次元的な量子化伝導状態について紹介する。
左：トポロジカル絶縁体の表面・裏面においてそれぞれに独立したサイクロトロン軌道と、その量子化ホール伝導度のデュアルゲートに対する応答。
右：トポロジカル半金属の表面・裏面にまたがって存在するワイル軌道と、縮退した二つのワイル軌道の場合のデュアルゲートに対する応答。
（工学系研究科 物理工学専攻 川﨑研究室より提供。詳細は研究ノートP6「トポロジカル
ディラック半金属薄膜における３次元的量子化伝導」に掲載。
）

巻 頭 言低温科学研究センター長

鹿野田 一司2021年度のAnnual Reportをお届けします。コロナ禍も２年半に及び
まだ完全終息とはいかないまでも、徐々に社会が回る方向へと明るい兆しが見え始めています。寒剤の年間供給量も、2021年度にはコロナ
禍以前の水準に戻り、本学における研究もいち早く回復していることが窺えます（77–78頁）。本レポートでは、農、薬、医、理、工の各部局の研究室（6–30頁）、センター内の共同利用研究室（32–52頁）と研究開
発部門（54–74頁）で行われている研究が紹介されています。コロナ禍
においても寒剤が如何に広範な研究を支えているのかが分かります。
執筆いただいた皆様にはこの場をお借りしてお礼申し上げます。本センターは、寒剤の供給とともに、共同利用の設備を学内の研究者に供しておりますが、2021年度には新たにミリケルビン量子プラットフォームを開設しました。これは、絶対温度にして0.01度の超低温を必要とする量子技術や低温科学一般の研究者のために希釈冷凍機を共同利用に供するというものです（71–74頁）。本
センターには超低温のエキスパートがおりますので、超低温まで冷やしてみたいモノがありましたら
是非ご相談いただければと思います。毎年開催しております研究交流会は、引き続きオンラインでの開催となりましたが、若手にとっては貴重な部局を越えた交流の場で、自身の研究を専門外の方々にアピールする訓練の場でもあります。優秀発表賞の件数を倍増しましたので、各研究室におかれましては若手の皆さんに交流会への参加を勧めていただければと思います（85–91頁）。
本センターは、2019年度よりヘリウムゼロロスプロジェクトを進めてきました。我が国が100%輸入に頼っているヘリウムを高い効率でリサイクリングしようとするプロジェクトですが、2021年度までに新しいヘリウム回収系の設置や老朽化した回収配管の更新を行ってきました（80–82, 98–103頁）。
その効果は、ユーザーの皆様のご協力もあり、96.4%という高い回収率に現れています。皆様のご努力に感謝申し上げます。さらに、ヘリウムリサイクリングを学外に展開するための技術開発プロ
ジェクト「ゼロロスジャパン」も着々と進んでおります（68–70頁）。
ところで、昨今のヘリウム危機は、マスコミに取り上げられるほど深刻です。コロナ禍による海上物流の停滞に加え、新たなヘリウム供給源として期待されていたロシアプラントの火災と政情不安が、厳しい状況に拍車をかけています。ヘリウムは、研究に限らず病院のMRIや半導体産業等でその需要が絶えることのない貴重な資源です。従いまして、高効率のヘリウムリサイクリングの必要
性は、社会全体から認識されることになると思われます。ヘリウム危機は、必ずと言っていいほど数
年に一度の頻度でやってきます。本センターは、学内において高い効率のリサイクリングを維持し、研究活動へのこれらの影響を最小限にするよう全力で取り組んでおります。引き続き、皆様のご協
力をお願い申し上げます。
2022年9月

目次
巻頭言 ................................................................................... 1
鹿野田 一司（低温科学研究センター長）

研究ノート○ トポロジカルディラック半金属薄膜における３次元的量子化伝導 ........................... 6
西早 辰一、打田 正輝、川﨑 雅司（工学系研究科 物理工学専攻・量子相エレクトロニクス
研究センター 川﨑研究室）○ 福島原発事故によって放出された放射性セシウム含有微粒子 .............................. 12
奥村 大河、小暮 敏博（理学系研究科 地球惑星科学専攻)○ イネが香りを制御して病害抵抗性を発揮する機構 ........................................ 18
岡田 憲典（農学生命科学研究科 アグロバイオテクノロジー研究センター 環境保全工学研究室)○ NMR 法による環状ペプチドの細胞内透過メカニズムの理解 ............................... 23
竹内 恒（薬学系研究科 薬科学専攻 生命物理化学教室)○ 生検組織診断の代替となる先端的 MRI 技術の確立に向けて................................ 27
藤田 翔平（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)

共同利用研究室 研究実績報告○ 非線形光学効果を示すキラル金属錯体の構築と機能化 .................................... 32
物性化学研究室（理学系研究科 化学専攻）○ Elemental Topological Dirac Semimetal α-Sn with High Quantum Mobility .................... 37
田中雅明研究室（工学系研究科 電気系工学専攻）○ 半導体・酸化物ヘテロ構造を利用した機能性素子の開拓 .................................. 43
ナノ物理デバイス分野研究室（工学系研究科 電気系工学専攻）○ 超伝導光子数識別器の研究 ............................................................ 49
高橋研究室（工学系研究科 原子力国際専攻）

低温科学研究センター 各部門報告
研究開発部門 研究実績報告 .............................................................. 54
島野 亮、村川 智、藤井 武則、大越 慎一、福山 寛（低温科学研究センター 研究開発部門）
ミリケルビン量子プラットフォームの開設 ............................................ 71
共同利用部門 業務報告 .................................................................. 75
戸田 亮（低温科学研究センター 共同利用部門）
液化供給部門 業務報告 .................................................................. 77
阿部 美玲（低温科学研究センター 液化供給部門）

全般的な活動報告
安全講習会 ............................................................................. 84
第 13 回低温科学研究センター研究交流会 .................................................. 85
その他
職員研修 ........................................................................... 92
1.

令和三年度

2.

International Conference of Quantum Fluids and Solids (QFS2021)

3.

令和三年度

技術系職員

高圧ガス保安教育
核融合科学研究所

参加報告
技術研究会

参加報告

参加報告

発表リスト ............................................................. 95

技術ノート○ 本郷地区キャンパスヘリウムガス回収配管の部分更新と液化機運転状況の改善 .............. 98
寺岡 総一郎、阿部 美玲、中川 幸祐、板垣 信則（低温科学研究センター 液化供給部門）、
戸田 亮（低温科学研究センター 共同利用部門）

各種委員会・センター教職員名簿 ...................................................... 104
お知らせ ............................................................................... 107
編集後記 ............................................................................... 108
中村 祥子（低温科学研究センター

特任助教）

研究ノートトポロジカルディラック半金属薄膜における３次元的量子化伝導工学系研究科 物理工学専攻 川﨑研究室
西早 辰一*、打田 正輝*、川﨑 雅司

物質内部のエネルギー状態に特異なねじれ構造を持つトポロジカル物質では、真空や非トポロジ
カル物質との境界に表面状態や端状態が現れる。トポロジカルに保護されたそれらの電子状態は、典型的に非散逸な電荷やスピンの輸送現象を実現し、近年の物質科学研究において大きな注目を集めてきた。その中でもトポロジカル半金属相は、非自明なバルク状態自体がギャップレスとなるために、表面状態の純粋な 2 次元伝導ではなく、3 次元バルク状態との結合によって特殊な伝導状態が生じる新しいトポロジカル相である。本稿では、その代表物質である Cd3As2 の高品質薄膜において観測に成功したトポロジカル半金属相特有の 3 次元的な量子化伝導状態について紹介する。

1. はじめに
近年の固体物理学では、電荷・スピン・軌道の3ン運動により生じるバルク状態の非自明なランダ

自由度とそれらの相互作用を特徴づける結晶構

ウギャップ中に、試料端に局在した1次元端状態の造・対称性に加えて、結晶中電子の運動量とエネ

非散逸伝導が現れるという描像で説明できる。

ルギーの関係（バンド構造）に内在する幾何学的トポロジカル相の性質や発現機構の理解は近年な構造（トポロジー）への理解が進展し、固体物性

加速度的に進んでおり、磁場誘起によるトポロジを決定づける重要な要素として大きな注目を集め

カル相だけではなく、固体中のエネルギー構造がている。トポロジカル不変量と呼ばれる離散値にそのままトポロジカルに非自明な状態を実現する

よって分類される、ある種のねじれや特異点をエ

ケースがあることが解明されている。いち早く発

ネルギー構造に持つ電子状態は、トポロジカル相見されたトポロジカル絶縁体をはじめ、トポロジと呼ばれ、既存のバンド理論では説明できない新

カルに非自明な超伝導体や半金属などの新たなト

たな量子現象の宝庫として、現代物質科学の一大

ポロジカル相が次々と発見され、トポロジカル物分野を切り拓くに至っている。

質 研 究 は よ り 一 層 の 広 が り を 見 せ て い る [1,2]トポロジカル相は、一般に物質内部（バルク状（図 1）。こうした背景の中で、本稿では、近年新態）の非自明な電子構造に応じて、試料端に特異しく発見された3次元トポロジカル半金属相に着な伝導状態（表面状態）が現れ、電子・スピンの非目し、その代表物質であるCd3As2における量子化

散逸伝導やそれらの相互変換機能を示す。例えば、伝導の研究について紹介する。

半導体界面や量子井戸構造の高移動度2次元電子系に強磁場を印加することで誘起される量子ホール効果は、電子状態のトポロジカル不変量がホール伝導度の量子化値としてそのまま現れるトポロ
ジカル相の代表例であるが、これはサイクロトロ
図 1．トポロジカルに非自明な絶縁体、超伝*現所属: 東京工業大学理学院物理学系

導体、半金属の特徴的なエネルギー構造。

6

トポロジカル半金属は、バルク状態の伝導帯とおいても、エネルギー構造にランダウ量子化が生

価電子帯が一点（ワイル点）で交差した3次元的なじると期待されており、これまで実験的には、線形分散のペアを複数持つ特徴があり、トポロジ

Cd3As2のバルク結晶を用いた先行研究において、カル相の中でもはじめてバルク状態がギャップレ

ワ イ ル 軌 道 に 基 づ く と 考 え ら れ る Shubnikov-de

ス な 構 造 を と る 相 と し て 注 目 を 集 め て い る [3]Haas振動（量子振動）の観測が報告されていた[8]。

（図 1）。Cd3As2は、その中でも時間反転対称性と本研究では、Cd3As2の高品質な薄膜試料の作製

空間反転対称性を有し、エネルギー構造全体が2重に成功し、低キャリア濃度かつ高移動度の試料をにスピン縮退したトポロジカルディラック半金属

実現することで、量子振動に加えて、さらにバルに分類される[4,5]（図2(a)）。

ク状態の２次元サブバンド分裂による量子ホール

それぞれのワイル点の周辺において伝導電子は、状態と、表面状態による量子ホール効果の２種類

カイラリティ(±1)と呼ばれる相対論的量子数を持の量子化伝導の観測に初めて成功した[9,10]。次元

つ質量ゼロのワイル粒子として振る舞い、カイラ

性・キャリア濃度・バンドトポロジーなどの複数

リティに依存した特殊な伝導状態を実現する。特のパラメータを系統的に制御することで、特に後にトポロジカル半金属の表面状態は、カイラリ

者はワイル軌道が量子化したものであることを実ティ±1のワイル点ペアを結ぶ、閉じていない円弧

験的に明らかにした[11]。

のような形状（図1、2）をとり、フェルミアークと呼ばれる。これは、±1のワイル点ペアの間の領域のみが非零のトポロジカル不変量で記述される非自明な状態であることと対応している。
試料表面に局在したフェルミアーク状態は、その終端であるワイル点を通してギャップレスなバルク状態とも結合しており、バルク状態との相互作用がみられる特徴がある。その代表例が、磁場中においてトポロジカル半金属で発現が予想されるワイル軌道である。フェルミアークは一般的なフェルミ面とは異なり、閉じていない形状をしているため、フェルミアーク上の電子は同一平面内でのサイクロトロン運動（図2(d)）を形成できない。
しかしながら、フェルミアークの終端に到達した
電子は、波数空間内の特異点として振る舞うワイ

図 2．(a) バルク状態がギャップレスなディ

ル点を通して、もう一方の表面のフェルミアーク

ラック点（2 重縮退したワイル点）と表面フェの終端へ非散逸にポンピングされ、その表面に存

ルミアーク状態を持つトポロジカルディラッ

在するフェルミアーク上を回り、再び終端で元のク半金属 Cd3As2 の 3 次元的な電子状態。(b) 量表面へ再度ポンピングされる（図2(c)）。このよう子閉じ込めによりバルク状態がサブバンド分にバルク状態のワイル点を介して、実空間的には裂しギャップを持った 2 次元的な電子状態。

離れた二つの表面を行き来する特殊な周回軌道が(c) 磁場中で形成される 3 次元的なワイル軌道

トポロジカル半金属では提唱されている[6,7]。通と(d) 一般的な 2 次元電子のサイクロトロン

常のサイクロトロン運動と同様に、ワイル軌道に運動の運動量空間と実空間での描像。

7

2. 高品質薄膜の作製を得られた[12]。p 型半導体である Zn3As2 との固Cd3As2 薄膜は、のちに述べる電界効果実験を念溶体にあたる (Cd1−xZnx)3As2 では、104 cm2/Vs を超頭に、ゲート絶縁体としても利用可能な SrTiO3

える高い移動度を保ちながら、電子ドープされや(001)単結晶基板上にパルスレーザー堆積法と高温

すい Cd3As2 の電子濃度を 1 桁以上低減できる

アニール処理により作製した。高い蒸気圧を持つ（図 3(b)）。また、十分な量 (x > 0.2)を置換するこ

Cd3As2 の薄膜成長では、一般に低温成長を余儀なとでディラック半金属相から自明な絶縁体へのト

くされ、良好な結晶性が得られない。そこで、ポロジカル相転移を実現でき、トポロジカル半金

Cd3As2 を堆積後に、蒸発を防ぐ TiO2 や Si3N4 の保属相特有の表面状態の検証や量子輸送現象の評価

護層を堆積し、600℃での高温アニールを行う手法にも活用できる。

を開発することで、バルク試料に劣らない結晶性を持つ高品質薄膜の作製に成功した[9]。図 3(a)に

3. 起源の異なる２つの量子化伝導の観測

Cd3As2 薄膜の透過型電子顕微鏡像を示す。逆蛍石

薄膜の膜厚が異なる試料（35 nmと95 nm）の磁構造に Cd の欠損サイトが一つ導入された結晶構

気輸送特性を測定した結果を図4に示す。ともに低造を持つ Cd3As2 の(112)面（図 3(b)挿入図）に配向

磁場側から磁気抵抗Rxxに量子振動が生じ、さらにした薄膜が得られている。

十分高い磁場領域ではホール抵抗Ryx の量子化を同様の成膜手法により、Cd サイトを Zn で置換伴った量子ホール効果を観測した。一方、それぞした (Cd1−xZnx)3As2 についても高品質な薄膜試料れの量子ホール状態の起源は、膜厚によって大きく異なる。
磁場印加角度依存性に着目し、それぞれの膜厚領域でのフェルミ面構造を調べると、まず35 nmでは、量子振動の周期（フェルミ面の断面積）が、磁場の面内電流方向に対する角度  に対して1/sin
の依存性に従い、磁場が面内方向に傾くにつれて量子振動が消失していく振る舞いが見られた（図 4(a)）。これは、量子閉じ込め効果によってバルク状態にサブバンド分裂が生じ、バルク状態のフェルミ面が2次元的な構造になっていることを示している（図2(b)）。バルクサブバンドは、もはや3次元トポロジカル半金属ではなく、ワイル点にギャップが開いた2次元絶縁体となり、それぞれのサブバンドが従来の2次元的な量子ホール効果を生じさせている。この場合、占有されるバルクサ
ブバンドの枚数は、膜厚やフェルミレベルに依存して変化するため、それらのパラメータに量子図 3. (a) Cd3As2 薄膜の透過型電子顕微鏡像。

ホール状態の縮退度が大きく依存するという特徴(b) 移動度とキャリア濃度の関係。Zn ドーピンが持つことが分かっている[9,12]。

グにより Cd3As2 の As 欠損由来の電子濃度を一方、95 nmの試料では、磁場の角度によらず低減することができる。それまでの先行研究の一定の量子振動の周期がみられていることから、バルク試料のデータも比較のため示している。

8

バルク状態が3次元的なフェルミ面構造を保って

ここで、トポロジカル半金属相において実現すいることが分かる（図4(b)）。さらに、３次元的なる表面量子化伝導が、実際に図2(c)に示すような特バルク状態の量子振動成分とは別の振動成分が共異な空間分布を持つワイル軌道由来であるかどう

存し、強磁場領域で量子ホール状態を形成していかは非常に興味深い問いである。トポロジカル半る。したがって、この伝導成分こそがトポロジカ

金属の中でも、カイラリティ±1のワイル点が同一

ル半金属相の表面フェルミアーク状態に由来するの波数で縮退するトポロジカルディラック半金属

成分と考えられる。バルク状態が３次元的な場合

相では、試料裏表それぞれに、2つのフェルミアー

にのみ付加的に現れる表面状態由来の量子振動・クが共存している（図2(a)、図5(a)）。それらが同一

量子ホール成分は、バルク状態とは異なるフェル面内で結合することで、従来の３次元トポロジカ

ミ波数・有効質量を持ち、かつZn置換によってディル絶縁体に見られるような表裏独立の表面軌道

ラック半金属相から自明な絶縁体へのトポロジカ（図5(b)）が形成される可能性も指摘もなされておル相転移を誘起した場合には消失することも実験り[13]、トポロジカル半金属研究において争点の一的に確認している[10]。

つとなっている。そこで、本研究ではデバイス加工が容易な薄膜試料の利点を生かし、デュアルゲート構造での電界効果実験を行い、表面量子化
伝導の起源の解明を試みた。

4. ワイル軌道による量子化伝導の実証
トポロジカルディラック半金属相において、2つのワイル軌道が形成される場合（図5(a)）と、従来のトポロジカル絶縁体型の表面軌道が形成される
場合（図5(b)）のどちらが表面量子化伝導の起源であるかを検証する方法として、デュアルゲート構造で試料上下表面のキャリア濃度を電界によって独立に制御し、観測される量子ホール状態の変化の評価を行った。ワイル軌道の場合は、トップゲー
ト電圧VTGとバックゲート電圧VBGそれぞれが、2つのワイル軌道のキャリア濃度を同時に変調させる
ため、観測される量子ホール状態は、VTGとVBGの掃引に対して図5(c)に示すストライプ状のパターンが期待される。ただし、ここでは2つのワイル軌
道が完全に縮退している場合を描いている（ = (1+1/2) + ( 2+1/2) = 2( 1+1/2) =±1, ±3, ±5…）。

 1、 2はそれぞれの表面軌道の量子ホール占有数、
は試料全体での占有数である。一方、トポロジカ

図 4．(a) 量子閉じ込めによる 2 次元バルク

ル絶縁体型の表面軌道の場合は、表面（裏面）の表状態に由来する量子ホール状態。(b) 3 次元的面状態は、それぞれ独立にVTG（VBG）によってのみなバルク状態とともに実現する表面量子変調されるため、量子ホール状態は、 = ( 1+1/2)

ホール状態。

9図 5．(a) ディラック半金属薄膜の試料全体

図 6. (a) (Cd1−xZnx)3As2 薄膜においてデュアにカイラリティの異なる二つのワイル軌道

ルゲートによる量子ホール効果のマッピン（実線と破線）が形成されている場合の量グを行った結果。(b) 代表的なバックゲート

子ホール効果とそのデュアルゲートに対す

電圧（緑：−5 V と黄：−20 V）における、トッる応答。(b) 表面と裏面にそれぞれに独立しプゲート電圧掃引に対するホール抵抗とそた従来型のサイクロトロン軌道を持つ場合の一階微分の変化。2 つのワイル軌道が存在の量子ホール効果とそのデュアルゲートにする場合に期待されるストライプ状パター

対する応答。

ンが観測されている。

+ ( 2+1/2) = 0, ±1, ±2…となり、図5(d)に示す

奇の変化は、それぞれのワイル軌道の作るランダ

チェッカーボード状のパターンとなり、ワイル軌

ウ準位が電界や磁場に依存してエネルギー的に交道の場合と容易に区別することが可能である。

差するためと解釈できる[11]。量子ホール効果をは

図6に実際に表面量子化伝導が観測された薄膜じめとする量子化伝導は、本来2次元系で実現する試料において、磁場9 TでVTGとVBGを掃引した結果現象であるが、トポロジカル半金属では電子の非を示す。異なる占有数を持つ量子ホール状態は、散逸なポンピングを可能するワイル点が介在する

明瞭なストライプ状のパターンで現れている。こことで、空間的に離れた表面の電子同士が結合し、の観測結果は、表面量子ホール状態が空間的に離量子化伝導状態が3次元的に拡張された空間分布

れた試料の表面裏面両方に分布を持つワイル軌道を持つことが本研究によって実証された。

型の周回軌道によって形成されていることを端的

5. まとめに示している。また、占有数は = 1, 3, 5と奇数の2飛びで現れている領域があることから、トポロジ

トポロジカル半金属物質Cd3As2の高品質な薄膜

カルディラック半金属に期待される通り2つのワ

試料において、複数のパラメータを制御し系統的

イル軌道が存在している。電界による界面での空な輸送特性の評価を行ったことで、トポロジカル

間反転対称性の破れや磁場による時間反転対称性

半金属薄膜において、起源の異なる2種類の量子の破れによって、トポロジカルディラック半金属

ホール効果の観測に成功した。特に、3次元トポロ

での2つのワイル軌道は、完全には縮退しないと考ジカル半金属相で実現する表面量子化伝導は、空えられるため、一部の領域で見られる占有数の偶間的に離れた試料表裏の表面状態が結合したワイ

10

本研究の結果を皮切りに、ワイル粒子による3次元[8] P. J. W Moll et al., Nature 535, 266–270(2016).
[9] M. Uchida et al., Nat. Commun. 8, 2274
(2017).
[10] S. Nishihaya et al., Nat. Commun. 10, 2564
(2019).
[11] S. Nishihaya et al., Nat. Commun. 12, 2572
(2021).
[12] S. Nishihaya et al., Sci. Adv. 4, eaar5668(2018).

的量子化伝導のさらなる学理構築の進展、および[13] M. Kargarian et al., Proc. Natl Acad. Sci.

ル軌道が量子化したものであることを実証した。
このような膜厚方向の非局所性を伴う現象は、固体中では本来強く遮蔽されるため、非常に稀有な例である。エネルギー非散逸であることに加え、ワイル点によって空間的に離れた電子同士が相互作用し合うという性質を持つトポロジカル半金属の量子化伝導は、全く新しい伝導現象と言える。

USA 113, 8648–8652 (2016).

今後の超低消費電力デバイス応用に向けた非散逸
伝導機能の研究開発が期待される。
本研究は、理化学研究所・創発物性科学研究セ

著者紹介

ンターの田口康二郎グループディレクターの強相関物質研究グループ、東京大学物性研究所の徳永将史准教授の研究グループ等との共同研究である。

西早 辰一
東京工業大学理学院物理学系

本研究は、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進

助教 (研究当時：工学系研究科物理工学専攻

事業 さきがけ・CREST、日本学術振興会 科学研

程三年)

究助成金 基盤研究(B)等の支援を受けて行われた。

博士（工学）

また、本研究において中核を担った低温での電気薄膜成長・物性物理博士課

伝導測定は、低温科学研究センターより供給された寒剤を使用した。安定的かつ継続的な寒剤供給

打田 正輝

で、日々の研究遂行を支えていただいた低温科学

東京工業大学理学院物理学系

研究センターの皆様には、この場を借りて心より准教授

博士（工学）

感謝申し上げたい。

薄膜成長・物性物理

参考文献
川﨑 雅司

[1] X.-L. Qi and S. C. Zhang, Rev. Mod. Phys.
83, 1057–1110 (2011).
[2] N. P. Armitage et al. Rev. Mod. Phys. 90,
015001 (2018).
[3] S. Murakami, New J. Phys. 9, 356 (2007).
[4] B.-J. Yang and N. Nagaosa, Nat Commun.
5, 4898 (2014).
[5] Z. Wang et al., Phys. Rev. B 88, 125427(2013)[6] A. C. Potter et al., Nat. Commun. 5, 5161
(2014).
[7] C. M. Wang et al., Phys. Rev. Lett. 119,136806 (2017).

東京大学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 教授
博士（工学）
薄膜成長・物性物理11福島原発事故によって放出された放射性セシウム含有微粒子理学系研究科 地球惑星科学専攻
奥村 大河、小暮 敏博

2011 年に発生した福島原発事故では、放射性セシウムを高濃度で含む微粒子（radiocesiumbearing microparticle：CsMP）が損傷した原子炉から環境中に飛散した。CsMP のような微粒子は
過去の原発事故でも報告例がなく、その実体解明は喫緊の課題であった。我々は電子顕微鏡を用いて CsMP を詳細に調べ、その主体が珪酸塩ガラスであることを明らかにした。また CsMP を 600 °C
以上の高温で加熱すると、そこに含まれる放射性セシウムがガラスから大気中に放出されることがわかった。したがって、CsMP を含む廃棄物を十分高温で焼却処理した場合、CsMP 自体は放射能を失うことが示唆された。さらに、様々な溶液中で CsMP の溶解実験を行うと、CsMP はシリカに富むガラスと類似の溶解挙動を示した。最近では、こうした溶解特性を利用して環境中での CsMPの存在量や空間分布を推定するための手法を開発している。

1. はじめに2011 年 3 月に東日本大震災に伴って発生した福く、「セシウムボール」という呼称で各種メディア

島原発事故によって、大量の放射性物質が環境中でも未知の微粒子として取り上げられた。これまに放出された。その中でも 137Cs は半減期が約で我々は CsMP の組成や内部構造に加え、その環30 年と長く、かつ放出された量が多いため、現在

境動態に関連する熱特性や溶解特性等の物理化学の原発周辺の高い空間線量率の主要因となってい的性質を調べ、多くの知見が得られた。本稿では、る。事故時にガスとして放出されたと考えられる

その成果と現在取り組んでいる研究課題を紹介す

放射性セシウムは雨滴とともに地上へ落下し、土る。

壌中の鉱物に吸着・固定されたと考えられている。

CsMP のサイズは数ミクロン以下と非常に小さ

これとは別に、放射性セシウムを高濃度で含有しいため、観察には電子顕微鏡が必須となる。外形

た珪酸塩ガラス微粒子が損傷した原子炉内で生成は走査電子顕微鏡（SEM）で観察可能だが、内部され、環境中へ放出された。この微粒子は CsMP

構造を詳細に調べるためにはさらに空間分解能の（radiocesium-bearing microparticle）と呼ばれ、高い透過電子顕微鏡（TEM）や走査透過電子顕微

事故当時につくば市で採取されたエアロゾルフィ

鏡（STEM）を用いる必要がある。ただし TEM やルターから 2013 年に初めて発見された[1]。CsMP

STEM で分析をするためには試料を電子が透過可の生成過程は完全には解明されていないが、多く能な薄膜に加工する必要があり、これには任意のが数ミクロン以下の球形であるため気相から凝縮

局所領域から薄膜試料を作製することができる集

して生成した可能性が高い。CsMP はサイズが小束イオンビーム装置（FIB）を用いた。こうした

さく大気中を浮遊しやすいため、関東を含め広範

種々の微細構造解析手法を駆使することで、囲に運ばれ沈着した[2]。CsMP のような珪酸塩ガ

CsMP の正体が明らかにされた。

ラス微粒子はこれまでの原発事故では報告例がな

12

TEM や STEM では、CsMP の内部にナノ粒子

2. CsMP の組成と内部構造
図 1a は典型的な CsMP の SEM 像である。こが包含されているのがしばしば観察される。最もうした球状微粒子から FIB で薄膜試料を作製し、頻繁に見られるナノ粒子は、Cr や Fe を含む酸化TEM で観察した（図 1b）。この試料から電子回折物である（図 3）[6]。一般にイオン半径が小さくパターンを取得すると図 1c のようにブロードな

高価数の Cr3+はシリカガラスにほとんど固溶しな

ハローパターンが得られ、この物質が非晶質であいため、このような酸化物のナノ粒子として析出ることがわかる。さらにエネルギー分散型 X 線検したと考えられる。端成分はクロム鉄鉱

出器（EDS）で元素分析を行うと Si と O が主成（Fe2+Cr2O4）として表せるが、一定量の Fe2+は分であり（図 1d）、CsMP が珪酸塩ガラスである

Zn に、Cr は Fe3+によって置換され、様々な組成ことが判明した[3]。また、主要元素として Na，Cl，のナノ粒子が同定されている。周囲の酸化還元雰

K，Fe，Zn，Rb，Sn，Cs が含まれていたが[3,4]、

囲気に敏感な元素である鉄が Fe2+として含まれてこれらの元素すべてが粒子内に均一に分布していいることを考えると、CsMP が形成された当時のるわけではなかった[5,6]。最も顕著に不均一な分炉内はある程度還元的な雰囲気だったと推測され布を示すのは Cs で、多くの CsMP において粒子る。酸化物以外には、Cu1.8S，Ag2S，MoS2 といっ表面付近の濃度が高く、内側ほど低い（図 2）。

た硫化物や、Ag2Te といったテルル化物も発見さ

CsMP は気相から凝縮して生成した可能性が高いれている（図 3）[3,6]。これらの元素も Cr と同様と考えられているが、その過程で珪酸塩メルト生に珪酸塩ガラスへの溶解度が低いために析出した

成後にガス状の Cs が表面から内側に拡散して含と考えられる。

有されたと考えると Cs の不均一分布が説明できる。このように元素が不均一に分布する CsMP であっても粒子内での濃度勾配は様々であり、またすべての元素が均一に分布する CsMP も存在する。
したがって、事故時の原子炉内の雰囲気にも不均一性があったものと推測される。

図１．CsMP の SEM 像(a)，TEM 像(b)，電子

図２．CsMP の TEM 像と STEM-EDS によっ

回折パターン(c)，EDS スペクトル(d)[3]。

て取得した元素マップ[5]。

13図４．加熱前(a)と 900 °C で加熱後(b)の CsMP のSEM 像。(c) 加熱前後で取得した EDS スペクト
ル[7]。と 600 °C 以上の温度で放射能が減少し始め、
1000 °C まで加熱するとほぼ消失した。加熱前後の CsMP を比較すると、形状やサイズは変化がな
いものの、アルカリ金属元素（K，Rb，Cs）と Clが CsMP から消失していた（図 4）。すなわち、加熱により放射性セシウムを含むこれらの元素がCsMP から脱離したことにより、その放射能が減
少したものと考えられる。さらに CsMP が土壌とともに加熱された場合は、CsMP から脱離した放射性セシウムは周囲の土壌に移行した。以上の結図３．(a) CsMP の STEM 像。(b) 矢印 b から得果から、汚染された廃棄物が焼却炉において十分られた Ag2Te の電子回折パターン。(c) 矢印 c か

高温で処理された場合、CsMP のような単位体積ら得られたクロム鉄鉱の電子回折パターン。(d)当たりの放射能が高い物質はなくなり、そこに含STEM-EDS によって取得した元素マップ[6]。

まれていた放射性セシウムは大気中または周囲の土壌に移行することがわかった。
次に、CsMP の溶解特性について紹介する。

3. CsMP の物理化学的性質

CsMP を初めて同定した Adachi et al. (2013)の報

以上のように CsMP の実体は珪酸塩ガラスであ

告では、CsMP を水に含浸してもその外形に変化ることが明らかとなったが、その物理化学的性質がなかったため、長らく CsMP は「不溶性」の微に関する知見も得られてきている。ここでは粒子として認識されてきた[1]。しかし、CsMP のCsMP の熱特性と溶解特性について述べる。

実体は珪酸塩ガラスであるため、長期的に見れば除染作業等によって生じた除染廃棄物中には、徐々に溶解が進むはずである。CsMP は環境中で一定量の CsMP が含まれていることが予想される。

様々な組成の水溶液にさらされる可能性があるた

こうした廃棄物は減容化を目的に焼却処理される

め、その溶解特性を解明することは CsMP の環境が、そこに含まれる CsMP が加熱された際の挙動

動態を予測するためには重要である。そこで我々は未知であった。そこで我々は CsMP を様々な温は環境中から採取した CsMP を様々な温度の純水度で加熱することにより、その組成や構造の変化

または人工海水に浸漬し、その放射能の減少からを調べた[7]。単離した CsMP を大気中で加熱する

CsMP の溶解速度や溶解における活性化エネル

14

4. 汚染試料中の CsMP の判別

ギーを推定した[8]。その結果、CsMP の海水中での溶解速度は純水中（実際には大気中の CO2 を吸

CsMP は関東地方を含む広範囲の地域に拡散し収するため弱酸性）に比べて 1 桁程度大きいことたと考えられるが[2]、環境中での CsMP の存在量がわかった。しばしば観察される半径 1 μm 程度

や空間的な分布の詳細は不明なままである。そのの CsMP が 13 °C（福島市の平均気温）の海水に理由のひとつとして、環境試料中の数ミクロン以浸漬された状況を想定すると、10 年以内に完全に下の CsMP を特定するのが困難であることが挙げ

溶解する可能性が示唆された。海水中で溶解が加られる。そのため「放射線を出す粒子」としての性

速する理由は、海水の pH（8.3）が純水より高い質を利用してオートラジオグラフィーを用いてことや、海水中の溶存イオンによる効果が挙げら

CsMP を判別することが一般的に行なわれているれる。さらに酸性溶液中での CsMP の溶解速度がが、はじめに述べたように環境中には放射性セシ非常に小さいこともわかっており[9]、CsMP はシウムを吸着した鉱物粒子が多量に存在する。こう

リカに富むガラスと類似の溶解挙動を示すと考えした鉱物粒子と CsMP を区別するために、我々はられる。純水中で溶解した後の CsMP はサイズが溶解特性の違いを利用した判別法を提案している

小さくなるだけでなく形状が複雑に変形しており、[9]。上記のように様々な溶液中での CsMP の溶解

溶解が不均一に進行していた（図 5a）。また表面に挙動を調べてきたが、この溶解実験の過程においは Fe や Sn の酸化物が観察され、これらの元素はて酸性溶液中での CsMP の溶解は非常に遅いこと

溶解度が低いために直ちに析出し CsMP 表面に沈がわかってきた。一方、鉱物粒子（風化した黒雲母着したと考えられる。Fe や Sn の酸化物が表面に等）では放射性セシウムがその表面に吸着してお沈着した CsMP は環境中からも見つかっているこ

り、酸性溶液中で鉱物表面が溶解することで放射とから[10]、こうした溶解は環境中でも実際に起性セシウムが容易に溶脱すると考えられる。そここっていると予想される。一方、海水中で溶解しで汚染試料（ここでは不織布）を 90 °C の 1 mM

た CsMP の場合、表面に Mg や Fe に富む板状の塩酸に 24 時間浸漬し、続いて 90 °C の 100 mM

二次鉱物で構成された殻が形成されており、その塩酸に 24 時間浸漬した。そして処理毎にこの不織殻の内部でガラスの溶解が進行していた（図 5b）。

布をイメージングプレート（IP）という感光体に密着させた。これにより放射性粒子が存在する場
所が輝点として認識できる（図 6）。処理前には複数の輝点が認識されるとともに、不織布に該当する部分全体にわたって IP の感光が見られた。
1 mM 塩酸処理後には全体的な感光はなくなり、これは試料に付着していた鉱物粒子から放射性セシウムが溶脱したためと判断できる。輝点は100 mM 塩酸処理後も消えずに残り、こうした酸処理でも残存する粒子を CsMP と判断することができる。さらに、ガンマ線検出器を用いて汚染試料の全放射能における CsMP の寄与を推定する方法も提案している。適当な濃度や温度の塩酸中に汚染試料を浸漬し一定時間毎に放射能を測定する

図５． 純水 (a) およ び人 工海水 (b)で 溶解後のと、浸漬初期は急激に放射能が減少し、その後はCsMP の STEM 像とその元素マップ[8]。

15図７．塩酸浸漬時間に対する不織布（○,△）および単離した CsMP（□）の 137Cs 放射能の残存率[9]。

どのくらい存在し、今後どのような挙動を示すのかは、継続して調べていかなければならない課題
図６．不織布の IP 画像(a–c)と光顕像(d)。(a) 酸である。

処理前。(b) 1 mM 塩酸処理後。(c,d) 100 mM 塩
ここで紹介した研究成果の多くは農業・食品産

酸処理後[9]。

業技術総合研究機構の山口紀子博士との共同研究により得られたものです。その他、多くの共同研

緩やかに減少する（図 7）。浸漬初期の急激な減少

究者に御礼申し上げます。TEM や STEM による分が鉱物粒子由来の放射能であり、残存した放射観察では、高真空の維持や分析中の試料汚染防止

能が CsMP 由来であると判断できる。今後は様々のために液体窒素を使用しました。低温科学研究な場所から採取された汚染試料に本手法を用いるセンターからの寒剤の安定供給のおかげで実験をことで、環境中での CsMP の存在量や空間的な分進めることができました。ここに感謝の意を表し布が明らかにされ、CsMP による汚染の実態やそます。本研究の一部は、文部科学省「ナノテクノロの環境動態の解明が期待される。

ジープラットフォーム」事業の微細構造解析プ
ラットフォームの支援を受けて実施されました。

5. おわりに
これまでの研究によって CsMP の実体は珪酸塩

参考文献

ガラスであることが解明され、その内部構造に関[1] K. Adachi, M. Kajino, Y. Zaizen, and Y.

する多くの知見が得られた。今後廃炉の過程で燃Igarashi, Sci. Rep. 3, 2554 (2013).

料デブリの取り出しとその分析が行われ、損傷し[2] Y. Abe et al., Prog. Earth Planet. Sci. 8, 13た原子炉内の詳細な状況が明らかになるだろう。

(2021).

それに伴い、事故進展の過程や CsMP の生成に関[3] N. Yamaguchi et al., Sci. Rep. 6, 20548

する情報も得られることが予想される。しかし、(2016).

CsMP の環境中での動態についての知見はまだ少[4] T. Okumura et al., Sci. Rep. 10, 1352

ない。環境中に放出された CsMP が現在どこに(2020).

16

[5] T. Kogure et al., Microscopy 65, 451 (2016).
[6] T. Okumura, N. Yamaguchi, T. Dohi, K.
Iijima, and T. Kogure, Microscopy 68, 234(2019).
[7] T. Okumura, N. Yamaguchi, T. Dohi, K.
Iijima, and T. Kogure, Sci. Rep. 8, 9707
(2018).
[8] T. Okumura, N. Yamaguchi, T. Dohi, K.
Iijima, and T. Kogure, Sci. Rep. 9, 3520
(2019).
[9] T. Okumura, N. Yamaguchi, and T.
Kogure, Chem. Lett. 49, 1294 (2020).
[10] N. Yamaguchi et al., Geochem. J. 51, 1(2017).

著者紹介
奥村 大河
鉱物学
東京大学 大学院理学系研究科 地球惑星科学
専攻

助教

小暮 敏博
鉱物学
東京大学 大学院理学系研究科 地球惑星科学
専攻

教授

17

イネが香りを制御して病害抵抗性を発揮する機構
農学生命科学研究科附属 アグロバイオテクノロジー研究センター 環境保全工学研究室
岡田 憲典

移動することができない植物は様々な戦略で外界からのストレスに対処し生きている。昆虫食害
や病原菌感染などは、生物学的なストレスの代表的な例である。植物は防御応答を司る植物ホルモ
ンのジャスモン酸をシグナル物質として利用し、外敵に抵抗するために役立つ生理活性をもつ様々な二次代謝物質を生産する。中でもテルペン類は生体防御において重要な役割を果たすものが多い
ことが知られている。本研究では、イネのジャスモン酸情報伝達系と密接な関係を示す転写因子
RERJ1（Rice Early Responsive to Jasmonate 1）が、モノテルテペンの香り成分であるリナロールの生産を制御していることを見出した。RERJ1 はイネ葉身に対する傷害ストレスによって数分以内に発現誘導し、下流遺伝子の発現を制御する。その欠失によりリナロールの生産が出来なくなると、アワヨトウによる昆虫食害や白葉枯病菌の感染に弱くなることも明らかになった。このように、イネの香りを介した防御機構において、ジャスモン酸シグナル下流で一過的に発現し機能する
RERJ1 の役割が浮き彫りとなった。

1. はじめに
考えはじ

後者を生物学的ストレスと言う。筆者は植物を対めると、「ニワトリとタマゴ」の問題に突き当たる

象とした研究を行っているが、幼少のころから動ことになる。種子が無いと植物は育たず、植物が物や昆虫の観察・飼育を好み、それ故か今は植物無いと種子は出来ない、いわゆる無限ループだ。

と昆虫の関係性に着目する研究に向く傾向がある。

ともあれ、種子植物は親植物の花が受粉して、種本研究ノートでは、筆者らの研究で明らかになっ子を付ける。自然界では、その種が地面に落ちたてきた、植物と昆虫および病原菌とのせめぎ合い

のち、適当な環境（温度と水と光）が整った時点の中で、植物が獲得し利用している「香りの制御」

で、一生の活動を開始すると考えられる。生物は、による防衛戦略について紹介する。

植物の一生はいつから始まるのか？

一旦発生プロセスに突入すると後戻りは出来ない
が、さらに植物は、発芽後は特定の場所に根を張っ2. 植物の防御応答とジャスモン酸の関係て成長し、動物のように移動する事も出来ない。

植物ホルモンは、動けない植物が自身の生長生

そのため、植物は様々な生存戦略を駆使して外界理をコントロールするために利用している低分子からのストレスをうまくかわしながら生きている。

化合物であり、農業現場でも多く利用されている。

一口に「ストレス」と言っても、環境から受けるス

有名どころでは、植物の伸長成長をプラスに制御

トレスは様々で、光や熱、乾燥、物理的な傷害なするジベレリンが、種なしブドウの生産に用いらど、いわゆる気象条件そのもののストレスと、昆れたり、挿し木の発根を促進する目的でオーキシ

虫にかじられたり、病原菌に感染したり、植物のンが利用されたりしている。一方、本稿で主役と健康な成長を脅かす自分以外の生物からの攻撃になるのは、防御応答で重要な役割を果たす植物ホよるストレスがある。前者を非生物学的ストレス、

ルモンのジャスモン酸である。教科書的なジャス18

モン酸の生理機能として、植物の様々な分化成長

ジャスモン酸の蓄積量を測定する際には、液体プロセス（発芽の阻害、光に合わせた形体形成、ク窒素が必須となる。なぜならば、ジャスモン酸のロロフィルの分解から落葉のための離層形成、塊

生合成遺伝子群は物理的な傷害によって瞬時に発茎の形成など）で働くことが上げられるが、傷害現誘導をうけ、その結果、分単位（時には秒単位）などの物理的なストレスや、生物学的なストレス

でジャスモン酸の量が変動するからであり、実験である糸状菌（カビ）や昆虫などからの攻撃を防結果に大きく影響してしまう。それを防ぐために御するために機能することも知られている[1]。

は、植物組織・細胞の凍結による酵素的な代謝反

筆者は約 20 年前に先代教授の山根久和先生の応の遮断、細胞・組織間のジャスモン酸の移動のもとで、イネの病害抵抗性発現機構の解明という、抑止が欠かせないのである。イネの葉を切り取っ

農業上重要な研究課題に着手しはじめたが、まずてサンプリングする際に、のんびり時間をかける検討したのが、植物の病虫害抵抗性に重要な役割

者は素人扱いされる。ジャスモン酸定量のプロを持つとされるジャスモン酸のイネにおける生合

フェッショナルは、10 数秒以内にサンプリングし成と機能についてであった。イネにおいて、ジャた組織を準備した液体窒素に手際よく回収する職

スモン酸の生産はストレス誘導をうけ鋭敏にその人技を持つのだ。この実験作業は、寒剤の液体窒消長が認められた（図 1）。例えば、イネの葉をハ

素を安定供給してくれる低温科学研究センターのサミなどで切断すると、30〜120 分後にはジャス

協力無くしては不可能であることは言うまでも無モン酸の蓄積が最大となり、その後、スッと減少

く、感謝申し上げる。

する。実際には、異なる化学構造を持つ不活性物

このように、傷害ストレスを受けたイネは、瞬質へと代謝されて機能しなくなるということが植時にジャスモン酸合成を開始し、一定量蓄積した物の細胞内で起きている。また、合成されたジャ活性型であるジャスモン酸のイソロイシン複合体

スモン酸は、アミノ酸複合体としてイソロイシン

が、防御応答で機能する遺伝子の発現をオンにすが付加された形で真の活性型として働くようになるシグナル分子として機能することで、植物はるので、ジャスモン酸の生産誘導は、活性型分子

様々な防御機構を駆動し、環境ストレスに負けなを生産するための準備と言える。

い健全な体を成長・維持することができる[2]。

3. JA 応答性転写因子 RERJ1 の役割は？
イネにおけるジャスモン酸シグナルの重要性を検討するために、ジャスモン酸の下流で働き、イ
ネに病虫害抵抗性を付与する因子の探索を行った。
当初はノザンハイブリをベースとしたデファレン
シャルスクリーニングから開始され、イネのマイ
図１．傷害ストレスを受けたイネ葉身でのジャクロアレイが使用可能になれば、ジャスモン酸処

スモン酸（JA)の蓄積。ジャスモン酸のイソロ

理後のトランスクリプトーム解析を用いた。ジャイシン複合体合成を担う遺伝子の変異株と野スモン酸の蓄積動態の知見から下流因子の発現応

生型イネを用いた解析。●の osjar1-2 変異体

答が鋭敏かつ消長が早いだろうことを勘案し、マではジャスモン酸の蓄積が○の野生型よりもイクロアレイ解析では、キチンオリゴ糖を処理し多いが、イソロイシン複合体が合成されない。

たイネ培養細胞を材料として、処理後 30 分から

傷害処理後 30 分でジャスモン酸とそのイソロ

24 時間までの経時点をとった。RNA 抽出のためイシン体の顕著な蓄積が見られる。

19

のサンプリングでは、前述の通り抜かりなく液体みた。すると、いくつかのテルペノイド合成系遺窒素で即凍結した。解析の結果、様々なジャスモ

伝子の発現誘導が著しく失われていることに、容ン酸応答性遺伝子が浮かび上がったが、中でも、易に気がついた。Terpene Synthase (TPS)と総称

ジャスモン酸処理後 30 分の時点で非常に強い早されるテルペノイド合成酵素のうち、炭素数 10 の期応答性を示す bHLH 型の転写因子が目立つ存在

揮発性成分であるモノテルペンの合成酵素遺伝子

で あ っ た た め 、 Rice Early Responsive toがいくつもリストアップされた。その中でも、ひJasmonate 1 (RERJ1)と名付け、その機能解析を

ときわ RERJ1 欠損の影響を受けていたのが、リ進めた（図 2）。

ナロール合成酵素遺伝子（OsLIS)であった（図 3）。

RERJ1 はジャスモン酸応答性の転写因子とし無論、これまでの培養細胞を用いた実験では、なて、転写活性化能を保持し、核に局在すること等ACから[3]、病害抵抗性に関与するキチナーゼやパーオキシダーゼなどの制御に関わっているのではな
いかと予想したが、RERJ1 の発現を抑制した
RNAi 株の解析では、ターゲットとなる病害抵抗性遺伝子や関連パスウェイの特定に至らず、

B

RERJ1 のイネにおける役割は謎のまま、次の波が来るまで少し時が経つのを待つ必要があった。

4. RERJ1 に制御を受けるレギュロン探索
イネの培養細胞を用いた実験系が、ラボでの図２．転写因子 RERJ1 の転写誘導性。(A) イネ

ルーティンワークの主要なアプローチであり、

葉 身 に 対 し て 傷 害 処 理 を 与 え た 後 の RERJ1

RERJ1 のターゲットの絞り込みも、まずはイネのmRNA の発現を調べたノザンハイブリダイゼー

培養細胞を用いて進められていた。しかし、なかション。(B) RERJ1 プロモーターGUS を保持しなかその答えを知るための出口に近づけないでいた形質転換イネにおける、RERJ1 の傷害応答のた。時間の流れは、新たな思考を産み出す猶予を可視化。傷害後 10 分あたりから傷害部位の周辺

与えてくれる。培養細胞ばかりを扱ってきて、ふで発現が見られる。(C) RERJ1-GFP 融合タンパと、それが種子胚から脱分化により発生する、植ク質の核局在。

物個体とはほど遠い存在であることを考え始めた。

A

B
4 kb

組換え体の定義においても、次世代を残すことの出来ない培養細胞は「生物」とは考えないのであるから、そもそも、イネの病害抵抗性を研究する
ためには、イネ個体を見ずに進めるなどあり得ない！と意気込んで、Tos17 レトロトランスポゾン

4 kb
Time after wou nd in gの挿入によって RERJ1 が破壊された変異体の解図３．イネのモノテルペン・リナロールの合成酵

析に着手した。変異体の葉身に対して、生け花で

素 遺 伝 子 の 発 現 に お け る RERJ1 依 存 性 。

使う剣山で傷害を加え、経時的に液体窒素を用い(A) RERJ1 破壊株のゲノム領域。(B) 傷害処理後て厳密にサンプリング、
既に述べた方法で RNA をの RERJ1 とリナロール合成酵素遺伝子 OsLIS の抽出し、遺伝子の発現変動を野生型株と比較して

発現。

20

ぜか OsLIS は全く発現誘導を受けず、RERJ1 下

じらせた場合もその傾向は同じだったが、傷害の流で働く酵素遺伝子として見出すことは出来なみを与えた場合が、一番顕著な結果であった

かったわけだ。他の研究者の報告も合わせて、こ（図 4）。これで、名実ともに RERJ1 がリナローの OsLIS 遺伝子が RERJ1 の下流で制御を受ける

ルの傷害誘導的な生産に欠かせない因子であるこ

レギュロンの一つとして本命で間違いないだろうとが明らかになった。
リナロールを作れないイネはいったいどうなっという直感を持った。後は、これらの関係性とイ
ネにおける生物学的な意味を調べ上げる、出口にてしまうのか？

近いフェーズの研究に突き進むのみとなった。

か？

耐病性・耐虫性に変化はあるの

興味の赴くままに、それらの点を確かめねばならないと言うことで、昆虫−植物間のケミカル

5. 揮発性の香り「リナロール」を介した植物防衛

エコロジー専門家の京都大学・生態学研究セン

ついに尻尾を掴んだ RERJ1 の下流レギュロンる香川大学・農学部の五味剣二教授に打診し、バOsLIS については、RERJ1 欠損変異体やそこにイオアッセイの実験検討をお願いした。どちらも

RERJ1 のゲノム配列を戻した相補株を用いた解結果は良好で、アワヨトウの第 3 齢幼虫を用いた

析で、間違いなく転写レベルで傷害ストレス時の被食試験では、野生型のイネと比較して RERJ1 変

発現変動が見られないことを確認した。次に、実異株はより多く食べられる傾向があり、有意な体際に遺伝子レベルの発現変動が、物質レベルでの重増加も認められた（図 5）。RERJ1 変異株はア化合物生産（ここでは、モノテルペンのリナロー

ワヨトウにとって、食べやすく、美味しい食事(サルの生産）にどの程度影響しているのかを確かめラダ？)となったのだろう。さらに、イネの白葉枯ることにした。長年交流のあった岡山大学・資源病菌の接種試験では、RERJ1 変異体の方が野生型

植物科学研究所の Ivan Galis 教授が昆虫食害時の株と比較してより感染が進み、明らかに弱くなっ

揮発性成分分析に詳しいので、香り成分の捕集・ている様子が見られた（図 5）。これらの結果から分析の設備を共同研究として使わせてもらった。

は、RERJ1 が通常、イネが昆虫食害や病原菌の感結果は予想通り、傷害ストレス時の RERJ1 変異染に対して抵抗性を発揮するために必要であり、株からのリナロール発生が顕著に減少し、相補株

少なくともその裏で、モノテルペンのリナロール

では誘導生産能を回復していた。実際に昆虫にか生産の制御に強く関与していることが考えられA

ターの高林純示教授、病原菌感染実験に長けてい

B

C

図４．揮発性成分の捕集によるリナロールの定量。(A) クサシロキヨトウの食害ストレスを与えたイネから放出される香り成分の捕集システム。シリンダーに取り込む空気は活性炭での浄化が必須。香水などは厳禁。(B) GC-MS による分析結果のクロマトグラム。リナロールを示すピーク 3 が変異体で消失している。ピーク 1 は α-ピネン、ピーク 2 はリモネンを示しており、野生型株と変異体とで大きな変動はない。(C) 傷害処理後のリナロール放出量は変異体で激減している。

21

た [4]。リナロールには、寄生バチの誘引や白葉枯伝子発現の惹起を促すことが認められている。す病菌の増殖抑制などの機能があることが報告され

なわち、ジャスモン酸シグナル下流で RERJ1 のている[5]。寄生バチの誘引では、香り成分として制御により産生する揮発性成分のリナロールが、直接的な作用を示していると考えられるが、植物さらに抵抗性発現の二次的シグナルとして機能すに対し害をなす被食昆虫による食害がリナロール

る可能性を示唆しており、香りを介したイネの病発生を促し、それによりこの寄生バチが誘引され、害抵抗性発現の全貌解明には、さらなる展開が待その結果、植物の敵を撃退すると言う図式は、俄

ち受けていることだろう。

には理解しにくいかもしれないが、「敵の敵は味方」

おわりにという考え方は、生態系の中で繰り広げられる生
物間コミュニケーションの典型的な関係性として

本研究では、植物体の生きた応答を、動かぬスも知られている。また、リナロール自身には白葉

ナップショットとして連続撮影するかのごとく、枯病菌の増殖を抑える機能は無いことも示されて植物組織を液体窒素で凍結させることから、すべおり、イネに対するリナロール処理が、抵抗性遺ての事象解明が始まった。多くの実験ステージで常時、低温科学研究センターの寒剤配給のサポーA

トを受けられるという恩恵抜きでは成しえなかったことは、言うまでも無い。この場を借りて、再度、お礼申し上げたい。

B

参考文献

C

[1] Okada K, et al., Plant Cell Physiol 56(1):
16–27 (2015).
[2] Shimizu T, et al., Biosci Biotechnol
Biochem.77(7):1556–1564 (2013).
[3] Miyamoto K, et al., ProtoplasmaD250(1):241–249 (2012).

E[4] Valea I, et al., Plant Mol. Biol. 109(4–5):
651–666 (2022).
[5] Taniguchi S, et al., Plant Cell Environ
37:451–461 (2014).

著者紹介
図５．リナロールを放出できない RERJ1 欠損変異岡田憲典

体の耐病虫性の低下。(A) アワヨトウの 3 齢幼虫

植物分子生物学、二次代謝工学とイネ葉食害の様子。(B) 変異体を被食した個体

植物バイオームを理解し、次世代農業へのの体重増加。(C) 変異体葉身の食害面積の増加。

利活用を目指しています。

(D) 白葉枯病菌による感染の度合い。(E) 感染により黄化した領域の長さを集計したもの。

22

NMR 法による環状ペプチドの細胞内透過メカニズムの理解
大学院薬学系研究科
竹内

生命物理化学教室
恒環状ペプチドはその一部が細胞内で機能することから、新たな創薬モダリティとして注目を集めている。しかし、その細胞透過性を予測することは困難であり、透過機構の構造的な解明が求められている。cyclorasin 9A5 と 9A54 は、細胞透過ペプチド（CPP）様のモチーフを共有する 11-merの環状 Ras 阻害ペプチドであるが、9A5 のみが細胞を透過して、細胞における強力な活性を示す。
本研究では、9A5 と 9A54 の異なる細胞透過活性を立体構造に基づき明らかにするために、9A5 と9A54 の立体構造を、水中および膜表面を模倣する低極性溶媒ジメチルスルホキシド（DMSO）中で NMR 法により決定し、比較した。その結果、9A5 は DMSO 中で水中とは異なるコンパクトな両親媒性構造へと変化し、これが細胞透過活性に寄与していることがわかった。一方、9A54 は、隣り合う 2 つの嵩高いアミノ酸側鎖の立体障害により、両親媒性構造をとることができず、細胞透過活性を失っていると考えられた。以上の研究は、環状ペプチドの構造的な柔軟性が細胞透過活性に重要であることを示している。

我々の研究室では、構造生物学的手法の一つでがん細胞においても、用量依存的に Ras 依存性シある核磁気共鳴法（NMR 法）を用いて、生命現象

グナル伝達を減少させることが知られている[2]。

の解明と創薬研究への応用を目指し、日々、研究

また、in vitro の構造-活性相関（SAR）研究によを行っている。本項では、低分子では対応困難な

り 、 9A5 よ り も 強 力 な PPI 阻 害 活 性 を 示 す

標的に優れた薬理活性を示すことから、近年、新cyclorasin 9A54 が同定されている。9A54 は、9A5

たな創薬モダリティとして着目を集めている環状がもつ細胞貫通ペプチド（CPP）様のモチーフ

ペプチドに着目し、その細胞透過活性を立体構造（Arg-Arg-dNal-Arg-Fpa、dNal は D-β-ナフチルに基づき解明した例を紹介する[1]。

アラニン、Fpa は l-4-フルオロフェニルアラニン）

環状ペプチドをはじめとする中分子の最も魅力を保持するのみならず、細胞透過活性に寄与する的な標的は、細胞内タンパク質-タンパク質相互作と考えられる芳香族残基（Trp-1）と塩基性残基用（PPI）である。中分子の多くは細胞透過性を持（Arg-4）も共有している（図 1、下線部）。しかし

たないが、一部の環状ペプチドは細胞透過性を示

ながら、9A54 は細胞を用いたアッセイでは、9A5し、細胞内において PPI を阻害することが知られよりも著しく活性が低い。これは 9A54 が細胞透ている。しかし、このような環状ペプチドの細胞過性を示さないことに起因する。9A5 と 9A54 の透過性を規定する分子機構は、ほとんど明らかで間には 3 つのアミノ酸置換があり（図 1、太字）、ない。

9A5 の Thr-2、dAla-3、Fpa-9 が、9A54 ではそれ

Cyclorasin 9A5 は 11 残基の細胞透過性環状ペ

ぞれ Tle-2、dVal-3、F2pa-9 に置換されている（こプチドであり、in vitro で Ras-Raf タンパク質相

こで、dAla, Fpa, Tle, dVal, F2pa は D-アラニン、互作用を 120 nM の IC50 値で阻害する。さらに、

L-4-フルオロフェニルアラニン、
L-タ―シャリーロ

23

イシンメチル、D-バリン、L-3,4-ジフルオロフェニ部（ε＝2～4）の間に位置しており、ペプチド－脂ルアラニン）。9 位のフッ素化を除いて、すべての質二重膜の相互作用の起点となる水-膜界面の性置換は CPP 様モチーフの外側にあり、また、これ質を持っていると考えられる。また、9A5 と 9A54

らの置換は 9A54 をより疎水的にしていることかの両方について、水と DMSO 中ですべての主鎖シら、細胞透過性の消失を一次配列からは説明する

グナルが観察されたことから、それぞれの条件にことは困難である。

おいて立体構造決定が可能であると判断した。

そこで本研究では、9A5 と 9A54 の異なる細胞

9A5 と 9A54 の立体構造決定は、XPLOR-NIH

透過活性を、立体構造に基づき明らかにするためを用いたシミュレーテッドアニーリング法によっに、水中および膜表面を模倣する低極性溶媒であて行った。その際、シグナル強度が距離を反映す

るジメチルスルホキシド（DMSO）中での三次元

る NOESY スペクトルを用いて、距離制限を算出

構造を溶液 NMR 法で決定し、細胞透過活性を規した。100 回の計算のうち、距離制限に対して定する構造的特徴を明らかにすることとした。

0.3 Å 以上の逸脱を持たない構造を、エネルギーの

DMSO の誘電率（ε＝47）は、水（ε～80）と膜内低い順に 20 個選択し、解析を行った。水中での9A5 および 9A54 の主鎖原子 RMSD（構造のばらつきを示す指標として用いられる“二乗平均平方根偏差”）は、1.02±0.47 Å および 1.12±0.40 Åであった。一方、DMSO 中においては、それぞれ0.42±0.19 Å および 1.22±0.63 Å であった。それ
ぞれの構造は、十分な収束をみており、比較解析が行えると判断した。
NMR 法を用いた立体構造決定の結果、9A5 は水中と DMSO 中とでその立体構造が大きく変化
していることが明らかになった。9A5 は水中では広がった構造をとるが、DMSO 中では片側に芳香族性残基が集まり、その周囲に Arg 残基が配置されるコンパクトな両親媒性構造を形成した（図２左）。このように Arg 残基に囲まれた疎水性基のクラスターは、細胞膜に正負の曲率を併せ持つ“くびれ構造”を形成させ、エンドソームの形成を効率化することで、細胞内移行を促進すると考えられる。すなわち、特徴的な両親媒性構造の形成は、
9A5 の細胞透過活性に重要な役割を果たしていると考えられる。一方、9A54 は DMSO 中においても立体構造は水中と大きく変化せず、両親媒性構造を形成することができなかった（図２右）。この

図１. 9A5 と 9A54 の化学構造と一次配列

構造的な違いが 9A54 に細胞透過性がみられない

両者の間で異なる残基を太字で示し、赤色で着要因であると考えられた。

色した。塩基性および疎水性残基は青、緑で着色した。CPP 様モチーフには下線を引いた。

24

図 2. 9A5（左）および 9A54（右）の構造中

図 3. 9A5（左）および 9A54（右）のターン構の塩基性残基および芳香族残基の分布（上）造と主鎖構造水中および（下）DMSO 中の構造を示す。塩ターン構造部分の着目する残基を色付けした。

基性残基と芳香族残基はそれぞれ青と緑で示
きず、9A5 に見られるような構造転換を起こせなされている。

いと考えられた。
次に、9A5 と 9A54 に構造的な違いを生じさせTrp-1, Thr-2, dAla-3 のアミノ酸側鎖は、DMSO

た要因を理解するために、置換残基周辺の構造に中の 9A5 のターン構造中で整列し、互いに相互作注目した。これら 2 つのペプチド間に存在する 3用している（図 4）。9A54 では、9A5 と比較して、つのアミノ酸置換（図 1、赤）のうち、9 位の Fpa

3 個の追加のメチル基がこの部分に導入されるから F2pa への置換は、フッ素化部位が水と DMSO

（図 4 矢印）、このことが 9A54 においては側鎖のの両方で溶媒に露出しているため、重要ではない

間で立体障害を引き起こすため、9A5 と同じターと考えた。一方、9A5 における２つの連続した残ン構造を形成することができない。このように、

基 Thr-2 および dAla-3 は、9A54 においては、よCPP 様モチーフの外における構造的違いが、主鎖り嵩高い Tle-2 および dVal-3 への置換されてい構造の制御を介して、2 つの環状ペプチドの異なた。これらの残基は、ともにターン構造の先端にる細胞透過活性を決定していると考えられる。

位置しており、ペプチドの主鎖全体構造を規定しこれまでに in vitro 活性と細胞活性の異なる 17

うる位置にある（図 3）。DMSO 中における 9A5

種類の cyclorasin アナログが報告されている[2]。

のターン構造は、水中に比べてタイトになっており、このことによりペプチド主鎖全体がねじれた構造を形成することが可能になっている（図 3 左下）。このねじれた主鎖構造により、9A5、3 個の芳香族残基（Trp-1, Nle-7, F2Pa-9）が１箇所に集ことで、特徴的な両親媒性構造が形成される（図 2
Ｂ左下）。一方、9A54 は DMSO 中において、9A5
図 4. 9A5 ターンにおける側鎖間相互作用のようなタイトなターン構造を形成することがで25

低温科学研究センターとの関連
本研究の NMR 測定では、当研究室の Avance
800 (Bruker 社、磁場強度 18.7 T) を用いた。本装
置の超電導状態の維持には、2 週間毎に 100 L の
液体ヘリウムの充填を必要とする。他の NMR 装
置で使用する分も併せて、当研究室では年間
図 5. Cyclorasin における側鎖の嵩高さと細3,000 L を超える液体ヘリウムを使用している。
し胞透過性の逆相関

たがって、今回紹介したような研究では、低温科学研究センターから大量の液体ヘリウムを安定か

その中で、14 種は、CPP 様モチーフを含め 9A5、つ安価に供給いただいていることで実現できてお9A54 と配列的な特徴を共有している。本研究で提り、ここに深く感謝申し上げるものである。

案したモデルは、ペプチド全体の構造的柔軟性を決定する 2, 3 残基目のアミノ酸側鎖の嵩高さが、
cyclorasin 類の細胞透過性を定義する上で重要で参考文献あるとしている。もしそうであるならば、他の[1] Takeuchi K, Misaki I, Tokunaga Y, Fujisaki

cyclorasin 類に関しても同様の傾向がみられるはM, Kamoshida H, Takizawa T, Hanzawa H,ずである。

Shimada I. Angew. Chem. Int. Ed. 60:6567–

実際、2, 3 残基目のアミノ酸側鎖の嵩高さと、6572 (2021).

cyclorasin アナログの細胞透過活性の関係をプ[2] P. Upadhyaya, Z. Qian, N. G. Selner, S. R.

ロットしてみると、それらの間に逆相関がみられClippinger, Z. Wu, R. Briesewitz, D. Pei,

た（図５）。よって、極性の低い環境下で両親媒性

Angew. Chem. Int. Ed. 54, 7602–7606構造をとることを許す構造な柔軟性が cyclorasin(2015).

の細胞透過活性に不可欠な因子であることが広く
示された。

著者紹介

環状ペプチドの主鎖の構造改変は、環の全体構
造の変化を通して細胞透過活性を変化させる。本

竹内研究により、側鎖の置換も環状ペプチドの全体構

構造生物学、NMR

造に同様の効果を及ぼし、分子全体の構造的柔軟

東京大学、大学院薬学系研究科教授。

性を介して、細胞透過活性に影響を及ぼすことが薬博（2004）。

示された。側鎖の置換は、多くの場合、主鎖の構造改変よりも容易で、かつ多様であるため、本研究の成果は、環状ペプチドに細胞透過活性を付与するための新しい手段を提供するものと考えられる。

26

恒生検組織診断の代替となる先端的 MRI 技術の確立に向けて
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
藤田翔平

生検組織診断は体表から体内の病変の一部を採って、顕微鏡で詳しく調べる検査である。病変の性状や進展範囲を詳しく評価できる一方で、侵襲性の高い診断的手法である。我々は、生検組織診断の代替となる、病変を採らずして評価する先端的 MRI 技術の確立に向けた研究開発に従事している。本稿では人体最大の固形臓器である肝臓を対象とした、先端的 MRI 技術の開発とその現状を紹介したい。

1. はじめに
東京大学医学部附属病院では、3 テスラと 1.5 テ

生体組織診断は、病変の一部を採取し、組織をスラの MRI 装置を稼働させている。これらの装置

顕微鏡で調べることによって、確定診断や進行度

はいずれも超伝導磁石型の MRI 装置であり、コイの判定を行う診断法である（図 1）。生体組織診断

ル線材としてニオブチタン（NbTi、−263.9℃以下

では組織標本を得ることができ顕微鏡レベルの詳で超伝導状態となる）を使用している。液体ヘリ

細な情報を提供する強力な検査法である。しかしウム（沸点−269℃）の中でこのコイル線材を冷却ながら、侵襲的（生体組織診断に体表から体内深し、超伝導状態を保つことで検査を継続的に行う部に太い針を刺す）で合併症のリスクを伴う。肝ことが可能となっている。

生検を受ける患者の最大 84％が痛みを経験し [2]、最大 5％が活動性出血や感染を経験し [3]、生検を

2. 健康診断で異常といわれたら繰り返すことは非現実的である。さらに、採取す読者の中には健康診断で「肝機能異常」や「脂肪肝」と指摘されたことのある方もいらっしゃるのではないかと思う。もし健康診断でこのような異常を指摘された場合には、医療機関を受診し、まずは問診や追加の血液検査、画像検査、期間をおいて異常の推移を確認する。また B 型肝炎、C 型
肝炎などのウイルス性肝疾患、自己免疫性肝炎、薬剤性肝障害など、他の肝臓病がないか、あるいは合併していないかどうかを調べる。このような適切な問診、血液検査、画像検査を踏まえても診断がつかない場合や、病気の進み具合を詳しく評

図１：肝臓の生体組織診断の概要。体表から太価したい場合には生体組織診断が行われることがい針を刺して肝臓組織の一部を採取する。得らある。

れた組織を顕微鏡下で詳細に評価する[1]。

27る組織サンプルが肝臓全体と比較した非常に小さ

4. 先端的 MRI 研究：MR fingerprinting 法

いため、サンプリングエラーや観察者間のばらつ

我々は、MRI の中でも MR fingerprinting と呼きが生じる [4]。したがって、侵襲性が低く、定量

ば れ る 技 術 の 開 発 に 注 力 し て い る 。 MR

的で、再現性のあるびまん性肝疾患の評価法が必fingerprinting は T1 や T2 値といった複数の定量要とされている。

値を高速に取得する強力な MRI 技術（Ma et al.
Nature 2013）である[5]。T1 値は静磁場の方向に

3. MRI の特徴

核磁化が回復し，熱平衡に達する緩和過程の時定

我々は MRI を用いて、肝臓の状態を詳しく評価数を指す。同様に T2 値は静磁場に垂直方向の磁することを目指して研究を進めている。磁気共鳴化が緩和減衰する過程の時定数を指す。特筆すべ

現象から得られる信号は、体内の臓器や場所、病きは、組織や肝疾患はそれぞれ固有の T1 値や T2

変部分により水分量や緩和時間と呼ばれる磁気共値などをもっており、これらの定量値から肝組織

鳴特有の違いが現れる。体内から得られた信号のの状態を推定できるという点である。具体的には、違いを生体情報(組織の違い)と位置情報に変換し先行研究では T1 値は肝線維化と脂肪沈着、T2

断面画像にするため、体内の様子を様々な角度か

値や T2*値は肝内鉄沈着、脂肪含有率（Fat fraction,

ら観察することができる。MRI は撮像条件の組みFF） は脂肪沈着を反映した指標であることが示

合わせで組織性状を推定することがある程度可能

されている[6]。

であるという特徴、そして機能性造影剤を用いた

我々は研究チーム独自の MR fingerprinting に肝臓の機能と形態を融合させたアプローチ法の存より、組織特性を反映した T1 値、T2 値、T2*値、在などが長所である一方で、従来、MRI で得られ脂肪含有率を一度の息止めで同時に取得することる画像は緩和現象のある一点における相対値であに成功した（図 3）[7]。実際に生体組織診断を行るために、客観的な評価や画像間の比較に用いる

う患者さんに対して本手法による撮像を行い、肝ことは難しいという課題がある（図 2）。

生検組織標本を最終診断とした場合の、MRF に基づく患者毎の診断能を報告している[8]。

図 2：通常の MRI で得られる信号は相対値である。
図 3：肝臓 MR fingerprinting 法の概要。MRI装置を用いて非侵襲に肝組織の定量的情報を取得することを目的とした撮像方法である。

28

本プロジェクトの肝臓 MRF は通常の MRI 検査

特別なハードウェア（加振装置）を必要とせず、通に一回の息止め撮像（約 20 秒）を追加するだけで、常の MRI（市販の 1.5–3 T 装置および備え付けの肝組織の組織性状を示す定量値を広範囲にわたっ

腹部コイルで実装可能）のシーケンス追加で実施て把握できる（図 4–6）。日常臨床において適応可

できる簡便さが長所である。本技術の発展により能と考えられ、長期の経過をとるびまん性肝疾患

肝癌発生のリスクである線維化と脂肪沈着の状態の進行度のモニタリングに最適である。超音波検を同時かつ客観的に把握することが可能となるう

査と比較した場合に術者による測定値の変動が抑え、慢性肝疾患のモニタリングや多施設共同研究、えられる点が利点である。また肝線維化を測定す

治療効果判定などにも有用な画像的指標の創出がる MR elastography と比較した場合、MRF では期待される。

図 4 ： 脂 肪 肝 の 59 歳 男 性 の 結 果 。 MR
fingerprinting の T1、T2、T2*、脂肪含有率マッ
プを組織像とともに示す。HE 染色により大中型の脂肪滴が散在していた。組織評価に一致して、高い脂肪含有率を示した（32％）。HE,
hematoxylin and eosin.

図 6：肝生検標本との対比。病理組織学的所見と肝 MR フィンガープリントの相関性。MRF
測定値と組織所見の程度（連続変数）を、（A）線維化、（B）炎症、（C）脂肪沈着、（D）鉄沈
着についての散布図。白枠の部分は右側に拡大されている。箱ひげ図は組織学的グレードとの相関を示す。組織像と MR fingerprinting を対

図 5：自己免疫性肝炎と診断された 57 歳男性に し て 代 表 的 な 患 者 を 右 側 に 示 す 。 PDFF,の結果。MR fingerprinting の T1、T2、T2*、
脂肪含有率マップを組織像とともに示す。

proton density fat fraction; HE, hematoxylin

Azan 染色では線維化組織を反映する青い領

and eosin; MRF, MR fingerprinting.

域が確認された。組織評価に一致して、高い T1
値（1100 ms）が確認された。HE, hematoxylin
and eosin.

29

Neuroimage. 255, 119176 (2022)

5. おわりに[10] Fujita S, Cencini M, Buonincontri G, et al.

本稿では肝臓を例に挙げたが、その他にも中枢神経系を対象に研究を積極的に展開している[9–Cerebral Cortex. in press (2022)18]。脳は硬い頭蓋骨で囲まれており、可視光や超[11] Fujita S, Hagiwara A, Yasaka K, et al.

European Radiology. (2022).

音波の減衰が強く他の画像検査法では十分な観察が難しい上、生体組織診断のハードルが非常に高[12] Fujita S, Buonincontri G, Cencini M, et al.

いためである。画像診断技術のさらなる開発によHum Brain Mapp. 42, 275–285(2021)

り、非侵襲的に確度の高い診断が得られるように[13] Fujita S, Yokoyama K, Hagiwara A, et al.

AJNR Am J Neuroradiol. 42, 471–478なることを願う。

(2021).

我々東京大学に勤務する放射線科医は、（i）適切[14] Fujita S, Hagiwara A, Takei N, et al. Invest

な画像検査を駆使して目の前の患者さんの診断にRadiol. 56, 292 (2021).

迫ること、そして（ii）より侵襲性が低く、より確実な診断が得られる新しい画像診断技術の開発と[15] Fujita S, Hagiwara A, Otsuka Y, et a.

臨床導入を推進することの両輪が責務であると信Invest Radiol. 55, 249–256 (2020).

じている。これら２つのバランスを大切にしなが[16] Fujita S, Hagiwara A, Aoki S, et al. J

ら、これからも日々の臨床、研究に取り組んでい

Neuroradiol. 47, 134–135 (2020).
[17] Fujita S, Hagiwara A, Hori M, et al. J

きたい。

Magn Reson Imaging. 50, 1834–1842(2019).
[18] Fujita S, Hagiwara A, Hori M, et al. Magn

参考文献

Reson Imaging. 63, 235–243 (2019).

[1] https://medlineplus.gov/ency/imagepages/11
02.htm[2] Bravo AA, Sheth SG, Chopra S. N Engl J

著者紹介

Med. 344, 495–500 (2001).
[3] Eisenberg E, Konopniki M, Veitsman E, et

藤田翔平

al. Anesth Analg. 96, 1392–1396 (2003).
[4] Janes CH, Lindor KD. Ann Intern Med.

画像診断学
非侵襲的なイメージング技術、特に先進的

118, 96–98 (1993).

MRI 技術の研究開発および臨床導入を目指[5] Ma D, Gulani V, Seiberlich N, et al. Nature.

しています。

495, 187–192 (2013).
[6] Seiberlich, N., Gulani, V., Calamante, F., etal. Quantitative magnetic resonanceimaging. volume 1, p. 1 online resource.
[7] Jaubert O, Arrieta C, Cruz G, et al. Magn

Reson Med. 84, 2625–2635 (2020).
[8] Fujita S, Sano K, Cruz G, et al. Radiology.
in press (2022).
[9] Fujita S, Hagiwara A, Takei N, et al.

30

共同利用研究室 研究実績報告

● 理学系研究科化学専攻

物性化学研究室

非線形光学効果を示すキラル金属錯体の構築と機能化

有機配位子と金属イオンからなる金属錯体は、それら構築素子を組み合わせることにより、様々な磁気特性、光学特性、電気特性を発現する。当研究室では、これまでに、光誘起磁化、プロトン伝
導、第二高調波波面制御、電荷移動誘起相転移な
どの機能性を示す錯体を報告している[1–4]。本研
究では、錯体のキラリティに着目し、スピンクロ
スオーバーを示すキラル錯体 FeII2[NbIV(CN)8](L)8·6H2O (L = R/S-1-(3-pyridyl)ethanol) [5]、キラル一次元鎖状シアニド架橋ランタニド-遷移金属錯体[LnIII(dma)5][WV(CN)8](dma=N,N-dimethylacetamide)[6]を合成し、それらの非線形光学特性を明らかにした。また、サブテラヘルツラマン応答、発光温度計機能、第二高調波発生（SHG）を示す多機能キラル 希 土 類 金 属 錯 体 [YbIII(TPPO)3(NCE)3] (TPPO =triphenylphosphine oxide, E = S (YbS), Se (YbSe))[7]を合成することに成功した。
1. キラルスピンクロスオーバー錯体における第二高
調波発生の観測
キラル錯体およびラセミ錯体 FeII2[NbIV(CN)8](L)8·6H2O (L = R/S/rac-1-(3-pyridyl) ethanol, R-FeNb,

図１. S-FeNb の Fe, Nb 周りの配位構造(a)および結晶構造(b).

S-FeNb, rac-FeNb)は、それぞれ、硫酸鉄(II)アンモ
ニウムと L-アスコルビン酸、対応する各立体構造の 1-(3-ピリジル)エタノール(R 体、S 体、racemic

ターンを測定し、リートベルト解析を行った結果、体)が溶解した水溶液とオクタシアノニオブ酸カ

rac-FeNb が𝐼𝑎3𝑑、R-FeNb と S-FeNb は I213 の空リウム（K4[NbIV (CN)8]·2H2O）が溶解した水溶液を間群に属する結晶構造であることを明らかにした。

それぞれ混合し、30℃で一時間反応させた後濾過

ラセミ体とキラル体で空間群が異なるが、どの構して終夜乾燥させることで黒紫色の固体として得造体も類似の 3 次元ネットワーク構造を有していられた。粉末サンプルを走査電子顕微鏡で観察した（図１）。これらの金属錯体のスピンクロスオー

たところ、rac-FeNb は 210±110 nm の結晶で、R-バー現象を確かめるために磁化率の温度依存性を

FeNb は 130±60 nm、S-FeNb は 170±90 nm の粒子測定した（図２）。R-FeNb のモル磁化率と温度ので構成されていた。これらに対し粉末 X 線回折パ

積（χMT 値）は 300 K で 7.60 K cm3/mol であった

32

(a)

(a)

3

χMT/ K cm mol-1

R-FeNb

0

100

200

300

400

Fundamental light intensity / mW cm

500
-2

(b)
(b)
0.3

S-FeNb3

χMT/ K cm mol

-1

0.2

0.1

0.0
0

50

100

150

200

250

300

T/K

図３. (a) R-FeNb の 293 K での入射光強度に対する第二高調波強度のプロット. (b) 第二高調波強度の温度依存性.

図２. R-FeNb (a)および S-FeNb (b) の χMT-T
プロット.

が、これは 2 つの FeII High Spin (HS) (S = 2, g = 2.3)

度、77 K においては 50%程度であった。キラル体(S = 1/2, g = 2.0) 中心から推定とラセミ体における転移量の違いは、各錯体の結される値 8.31 K cm /mol より低く、S = 0 の Fe Low

晶性および結晶構造における配位子由来の立体障

Spin (LS)状態の寄与が考えられる。温度低下に伴害などに起因すると考えられる。

中心と 1 つの Nb

IV

3

II

い χMT 値は徐々に減少し、Fe LS 状態の増加が示

キラル構造を有するスピンクロスオーバー錯体唆された。磁化率温度変化およびメスバウアー分

R-FeNb、S-FeNb において、非線形光学特性の一光の結果より、Fe LS の分率は室温において10%つである第二高調波発生を調べた（図３）。

IIII程度、77 K において 20%程度であることが確認さ

293 K において、波長 1040 nm のフェムト秒パ

れた。S-FeNb においても同程度の Fe HS からルス光を照射すると、キラル体である R-FeNb, S-

Fe LS への転移が観測されており、R-FeNb と S-

FeNb は、波長 520 nm の光を出射するが、ラセミ

FeNb はどちらも室温から緩やかなスピンクロス体である rac-FeNb は 520 nm の出射は見られなオーバーを示すことが明らかになった。20 K 付近

かった。入射光の半分の波長の光が出射されるこからの急激な χMT 値の減少は、残存する FeII HS とと、入射光強度に対する出射光強度のプロットがNb の反強磁性相互作用と Fe HS の零磁場分裂

2 次関数的に変化することから、この出射光がによるものだと考えられる。一方、rac-FeNb は上

SHG であることを明らかにした。同じ条件で測定

述のキラル体に比べて、明瞭なスピンクロスオー

したリン酸二水素カリウムの SH 信号と比較する

バー現象を示し、FeII LS の分率は室温での10%程と、R-FeNb と S-FeNb の 2 次の非線形感受率は

II

II

IV

II

33

図４. 1–9 の結晶構造.

図５. 1–7 それぞれの 1000 Oe 下における磁化率の温度依存性. 実線はフィッティングカーブを示す.

1.1×10−10 esu であることがわかった。また、I213 の空間群を考慮すると、2 次の非線形感受率テンソ

2. 一次元鎖状シアニド架橋ランタニド-遷移金属錯ル要素の χxyz, χyzx, χzxy が SHG に寄与していると考体の磁気特性および非線形光学特性えられる。さらに、スピンクロスオーバー現象と[LnIII(dma)5][WV(CN)8] [Ln = Gd (1), Tb (2), Dy (3),

SHG 現象の関係を確認するために、SH 光強度のHo (4), Er (5), Tm (6), Yb (7), Lu (8), Y (9)]は Ln(NO3)3

温度依存性を測定した。R-FeNb の SH 光強度は温と Na3[W(CN)8] の dma 溶液を混合し、密閉容器内度が下がると徐々に増加し、50 K 付近でほぼ一定

でジエチルエーテル蒸気に曝して 2 日経った後にになった。S-FeNb の SH 光強度も同様に変化した。

板状の結晶として得られた。単結晶 X 線回折測定

これらの SHG 強度の温度依存性は、前述の磁化率により、この物質が P21 の対称性を持つ、c 軸方向

温度変化によって確認されたスピンクロスオーに並んだ右巻きまたは左巻きのシアニド架橋ら

バー現象に対応するものである。SHG 強度の増加

せん構造からなる 1 次元構造配位高分子を形成しは、FeII LS 分率の増大と関連している。本研究でていることが明らかになった（図４）。

は、キラル配位子を導入したシアノ架橋スピンク

1–7 について磁化測定を行い、磁化率の温度依

ロスオーバー錯体を合成し、スピンクロスオー

存性を明らかにした（図５）。300 K における 1–7

バーに伴う SH 光強度の温度制御を可能にした。

の χMT 値はそれぞれ 8.01, 11.40, 14.31, 14.41, 11.69,
7.42, 2.52 K cm3/mol であった。χMT 値は 50 K まで

34

ゆっくりと減少し、その後急激に減少した。1–3 のχMT-T プロットは、3 K から 5 K で浅い極小値を持ち、その後は増加した。これらの χMT 値の温度変化は、各希土類金属イオンの結晶場およびタング
ステンイオンと希土類金属イオン間の交換相互作用を考慮した式により良く再現された。
1–9 の多結晶体試料について測定した固体紫外
可視近赤外吸収スペクトルでは、250～400 nm の紫外領域に強い吸収が認められた。これらの吸収は[W(CN)8]3−部分の配位子-金属電荷移動バンドに帰属される。一方で、可視・近赤外領域における吸収は弱く、広い波長範囲で高い透明性を示した。
中心対称性のない空間群 P21 を有する 1−9 の多結晶体試料について SHG 測定を行った。全ての錯体において、波長 1040 nm の基本波の照射により、波長 520 nm の出射が観測された。LnIII イオンの半図６. (a)(b) YbS の結晶構造. それぞれ Δ 型、Λ型を表す.

径に対して SH 光強度を比較したところ、半径が小さい錯体（6−8）はイオン半径が大きい化合物

ピークを持つことが明らかになり、DFT 計算から、（1−5）のシグナルと比較して、一桁程度弱い SH
光強度を示すことが明らかになった。DyIII 錯体（3）は、今回合成した錯体の中で最大の SH 感受率

これらはランタノイド中心周りの擬ハロゲン化物と TPPO 配位子のロッキング運動に帰属された。
これは、ランタニド錯体において、サブテラヘル

9.4×10–11 esu を示した。本研究では、一次元鎖状キツ領域の低周波ラマン散乱を観測した初めての例

ラル構造を持つシアニド架橋ランタニド-遷移金である。

属錯体を系統的に合成し、その磁気特性と非線形キラル構造を有する YbS と YbSe において第二光学特性を明らかにした。

高調波測定を行ったところ、入射パルスレーザー

3. サブテラヘルツラマン応答、発光温度計機能、第光 (1040 nm, 380 fs, 1 kHz) に対して、
520 nm の SH

二高調波発生を示す多機能希土類金属錯体

光が検出された。YbS では 8.6×10−10 esu、YbSe で

YbS と YbSe はそれぞれ Yb(NO3)3 のエタノール

は 1.3×10−9 esu という比較的強い SH 信号が得られ溶液と KSCN または KSeCN のエタノール溶液をた。YbSe が YbS よりも大きな SH 信号を持つこ

混合し、濾過した後、そのろ液と TPPO 溶液を液とはセレンが硫黄よりも極性が大きいことと、相拡散させることでひし形の単結晶として得られTPPO から擬ハロゲン化物に向けられた双極子

た。単結晶 X 線構造解析から、YbS と YbSe の結モーメントが錯体内の Se-Se 結合の短さによって晶は R3 の空間群を持ち、配位構造の違いにより Δ

大きくなっていることに起因していると考えられ型、Λ型の構造が存在するキラルな錯体であるこる。単結晶についても SHG 測定を行った結果、とが明らかになった（図６）。紫外可視近赤外分光

YbSe が YbS に比べて約 3 倍強い SH 光を示すこ

からは、これらの錯体が 400–1200 nm の広い範囲とが明らかになり、また空間群から推定される非で高い光透過性を持つことが確認された。また、

線形感受率テンソルから、結晶学的な z 軸に沿っ−1て完全に配向した結晶は、より強い SHG 応答を示

低 周 波 ラ マ ン 分 光 に よ り 、 YbS は 32 cm(0.96 THz)、YbSe は 25 cm−1 (0.75 THz)にそれぞれすことが示唆された。

35

360 nm 付近に非常に幅広く強い励起ピークを持つ
ことが明らかとなり、これらは擬ハロゲン化物TPPO 間の電荷移動に帰属された。発光ピークは温度の低下とともに小さくなり、923 nm 付近のピー
クは 100 K 以下では消失した。このことから、
923 nm の発光は、よりエネルギーの高い励起多重項からの発光に由来していると考えられる。温度変化に伴い、各発光ピークの相対強度が変化することを利用し、発光温度計としての機能を評価したところ、150 K 付近で相対熱感度が 1% K−1 を超える良好な性質を有することが明らかになった。
本研究では、サブテラヘルツ領域のラマン応答、発光温度計機能、第二高調波発生を示す多機能希土類金属錯体を合成することに成功した。
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図７. a) YbS と b) YbSe の 300 K における 320 nm の
励起光による近赤外発光スペクトル

YbS と YbSe は、YbIII を含み、10–350 K の広い
温度範囲で近赤外発光を示す（図７）。遊離ランタ
ノイドイオンにおける 4f 遷移は禁制であるが、擬ハロゲン化物や TPPO などの増感剤として機能する有機配位子が存在することにより、発光効率が良くなる。実際、YbS と YbSe は、紫外光励起により、923 nm、975 nm、1000 nm、1039 nm にピークを持った近赤外発光スペクトルを示し、Yb3+イ
オンの 2F5/2 励起状態の多重項から 2F7/2 基底状態の多重項へ遷移であることが確認された。また、
975 nm と 1039 nm の 2 つの発光ピークを選択し、200 から 950 nm の波長範囲で励起スペクトル測定を行ったところ、YbS と YbSe がそれぞれ 320 と

36[6] K. Kumar, O. Stefanczyk, N. F. Chilton, K.
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● 工学系研究科電気系専攻

田中雅明研究室

Elemental Topological Dirac Semimetal α-Sn with High Quantum Mobility
1.

into a strong 3D-TI[1][2] (left panel of Fig 1a). All ofthese rich topological phases can be realized on a simple
elemental material platform that is compatible withconventional III-V semiconductors such as InSb. Thus,

Introduction
Among many topological materials, -Sn stands

out as the only elemental material that shows multiple
topological phases, which can be controlled by various
means such as applying strain, varying the thickness,
incorporating magnetism and applying electric

-Sn is immune to material control problems such as

semiconductor, where there is an inverted band orderdisorder or deviation from stoichiometry, unlike othercompound topological materials[7][8].
However, thus far, only a few studies haveband and p-derived 𝛤accurately captured the nontrivial features of -Sn,bands, which consist of an inverted light hole (iLH)band and a heavy-hole (HH) band, as indicated by thecalculated band structure shown in the center panel ofFig 1a. This inverted band order hosts a topologicalsurface state (TSS) that is superimposed by the HH
band[3][4]. Under an in-plane compressive strain, the HHband (iLH band) shifts up (down), which results in theemergence of two stable 3D Dirac cones at the band

especially its quantum transport properties[9][10][11][12][13].
The main reason for this lack of study is the insufficient[1][2]

fields. Bulk -Sn

is a

between the s-derived 𝛤

so-called zero-gap

crystal quality because -Sn can easily transform into
the more stable trivial -Sn phase or because thenontrivial features of -Sn are impaired by the interface
roughness when grown on substrates. In previous
studies, -Sn was grown directly on an ion-milled InSb

protected by a 4-

substrate surface, which deteriorates the interface andbulk quality[3][6][9][11][12]. In another work, Bi or Te wasfold rotational symmetry, as shown in the right panel ofdeposited as a surfactant during -Sn growth, whichcrossing point𝐤0,0, 𝑘Fig 1a. Since the Z2 invariant 𝜈defined on the kz = 0

unwantedly voided the advantage of the elemental

plane is unity, the compressively strained -Sn (001)topological material -Sn[14]. High-quality and well-

has long been expected to be a topological Diracsemimetal (TDS)[5]. In contrast, an in-plane tensile

controlled -Sn is thus urgently required to realize its
full potential.

strain opens a gap at the Γ point and transforms -Sn

Fig. 1. a) Band structure of Sn. Under an in-plane
compressive (tensile) strain,
the system is driven into a
TDS (3D-TI) phase. b)
Calculated band structure of
56 ML-thick -Sn under anin-plane compressive strain of−0.76%. c),d),e) STEM
lattice image and TED patternin the [110] direction and topview AFM image of the
56 ML-thick -Sn film.[23]37Research purpose
In this work, our goal is to demonstrate epitaxial

atomically flat -Sn surface (Fig. 1e). From the TED

growth of high-quality -Sn thin films on InSb (001)plane lattice constants of the -Sn thin film, which

substrates using molecular beam epitaxy (MBE).
Utilizing these high-crystal-quality samples, we aim toaccurately characterize the nontrivial band structures ofindicate that a strong in-plane epitaxial compressive

2.

data, we estimate the in-plane and perpendicular-to-the-strain of –0.76% is applied in the -Sn layer. This strong
compressive strain is expected to drive the system into
a TDS phase, as indicated by our first-principles
calculations shown in Fig. 1b.

-Sn and show that these -Sn thin films are indeed in
the TDS phase, using analysis based on Shubnikov – deHaas oscillations and first-principles calculations.

4.

Characterization of -Sn band structure by

Epitaxial growth of -Sn thin films

quantum transport measurements

We grow an -Sn thin film (9.2 nm, 56 monolayers

We first characterize the 56 ML-thick -Sn sample(MLs)) on an InSb (001) substrate at low temperatureusing magneto-transport measurements. As shown in
Fig 2a, the longitudinal resistance Rxx exhibits strong
and clear Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations, whichappear at a magnetic field B as small as 0.3 T at 2 K andpersist up to 20 K, manifesting the high sample quality.
The first derivative of the longitudinal conductance3.

(~ –5C) using MBE. Prior to the growth of -Sn, a
200 nm-thick InSb buffer layer is grown to obtain an
atomically flat interface, which is terminated by an Instabilized topmost surface. A cross-sectional scanningtransmission electron microscopy (STEM) lattice image
clearly indicates a high-quality diamond-type crystal

𝑑𝐺 /𝑑𝐵 (Fig. 2b) and Fourier transformations of thestructure of -Sn and a perfectly flat interface with theoscillatory

InSb buffer layer, as shown in Fig. 1c. The transmission

components in the SdH oscillations: Two oscillations
with close frequencies (F1 = 13.4 and F2 = 15.1 T) forma beat pattern at a low magnetic field (B−1 > 0.45 T−1),
and the other oscillation with a relatively high frequency(F3 = 37.2 T) starts at a high magnetic field (B−1 <electron diffraction (TED) pattern of the -Sn layer also
confirms a diamond structure without any otherprecipitates, such as tetragonal -Sn

(Fig. 1d).

Moreover, the average roughness estimated by atomic
force microscopy (AFM) is 0.17 nm, indicating an

part

Gxx

(Figs

2c,f)

revealthree

0.2 T−1). The i component of Gxx can be fitted based
Fig 2. SdH oscillations of
56 ML-thick -Sn under aperpendicular B. a) Rxx - B
curves and b) dGxx/dB - B-1
curvesatvarioustemperatures.
c),d)FT
spectraatvarioustemperatures
andSdH
oscillations at 2 K at a low
magnetic field range (B−1 >0.45 T−1). e) Fan plot of thetwo components F1 and F2.
f),g) FT spectra at various
temperatures
andSdH
oscillations at 2 K at a highmagnetic field range (B−1 <
where
the
0.2 T−1),component F3 dominates. h)
Fan plot of component F3.[23]38on the Lifshitz-Kosevich (LK) theory, expressed by [15](i.e., they satisfy 𝜇 𝐵 ~1), which supports the validity∆𝐺 𝐵, 𝑇, 𝐹 , 𝑚 , 𝜏 , 𝛾

of our analysis of the SdH oscillations.
By combining them with first-principles
calculations, these estimated parameters reveal essential

𝐺

/ℏ
/ℏ

exp

cos 2𝜋𝛾(1)Here, G0i is the proportionality coefficient, ℏ is the Diracdetails of the band structure of 56 ML-thick -Sn. Our
calculated band structure in Fig 1b clearly shows alinear dispersion in the surface states (green data points)
with a Dirac point (DP) at EDP, derived from the topmost
Sn ML, which is the TSS, and a quantized bulk band
(blue points), which opens a small gap of 30 meV(yellow square) at the bulk Dirac point at zero energy.
Among the three components derived from quantum
transport, remarkably, oscillation F2 has a nontrivial
phase shift γ2 = 0.81, a light cyclotron mass m2 = 0.035
m0 and a very high quantum mobility of 30000 cm2/Vs.

constant, kB is the Boltzmann constant, 𝜏 is a quantum
relaxation time, mi is the cyclotron mass, 𝜔𝑞𝐵/𝑚is the cyclotron angular frequency, where q is theelementary charge, and 𝛾 is a phase shift determinedby the band topology. Here, we use LK theory for thecase of 2D transport because all three band components
are quantized in the growth direction, as shown later.
Note that 𝛾

0, 1 is expected for massless Diracfermions with a linear dispersion, whereas 𝛾

1/2 isexpected for massive fermions in trivial band
components. By fitting this expression to thetemperature dependence of the Fourier-transformed(FT) intensities, we estimate the three cyclotron masses
to be m1 = 0.035 m0, m2 = 0.035 m0, and m3 = 0.113 m0,
as shown in the insets of Figs 2c,f. Using these mass

We thus attribute this component to the TSS of -Sn.
The quantum mobility of the TSS is experimentallyestimated for the first time and is one order ofmagnitude higher than the mobility (~ 3000 cm2/Vs)
estimated by the Hall measurements (namely, Hall
mobility) reported in all previous works[9],[12],[13]. The
results described above have been achieved because of
the high crystal quality and atomically flat interface ofvalues, we fit equation (1) to the Gxx measured at T =2 K in the low magnetic field range (B−1 > 0.45 T−1),
where only components F1 and F2 are superimposed, by
taking a sum of the two oscillations expressed byour -Sn/InSb heterostructure (note that for the same
sample, the quantum mobility is usually much smaller
than the Hall mobility). Meanwhile, the F3 component
with a relatively heavy cyclotron mass (m3 = 0.11 m0)

equation (1) with 𝐺 , 𝜏 , 𝛾 , 𝐺 , 𝜏2 , 𝛾 as the fitting
parameters (Fig 2d). The following values are obtained:𝜏 = 495 ± 11 fs and γ1 = 0.5256 ± 0.0009 for F1 andcan be attributed to the HH band of -Sn because there𝜏 = 611 ± 20 fs and γ2 = 0.810 ± 0.001 for F2 (here,

are no other carriers in -Sn and InSb that have such aerror bars are the standard errors of the fitting process).
The quantum mobilities

𝜇

𝑞𝜏 /𝑚

heavy cyclotron mass[17]. The high quantum mobility of1808 cm2/Vs of the HH band allows us, for the first time,to elucidate the detailed properties of the bulk Dirac

are thenestimated to be 𝜇 = 24947 ± 569 cm2/Vs and 𝜇 =30000 ± 1000 cm2/Vs for the two components F1 and F2,

cones in -Sn via the SdH oscillations. The nontrivial

respectively. Additionally, we fit equation (1) to Gxx inphase shift (γ3 = ~0.71) of the HH band indicates that
the TDS phase is achieved as expected. This phase shiftof the HH band deviates from the ideal phase shift ofunity, possibly because of the gap opening due to thequantum confinement effect. We note that this phaseshift of the HH band does not originate fromhybridization with the TSS because such hybridization
is in principle prohibited by their different wavefunction
symmetries[3][18]. Additionally, we attribute component
F1, which has a trivial phase shift and a light cyclotron

a high magnetic field range (B−1 < 0.2 T−1), wherecomponent F3 dominates, as shown in Fig 2f,g. Here, toenhance the fitting accuracy, we separately estimate 𝜏= 116 ± 23 fs and γ3 = 0.71 ± 0.06 using a Dingle plot
and a fan plot. This reveals a relatively high quantum
mobility 𝜇 = 1808 ± 36 cm2/Vs for this heavy carriercomponent. We note that these estimated quantum
mobilities are consistent with the critical magnetic field𝐵

where the corresponding SdH oscillations begin39

B dependence of Rxx changes from positive to negative
when B is rotated from the B⊥I to B//I configuration, as
seen in Fig 3a. The origin of this negative
magnetoresistance for B//I may be attributed to thechiral anomaly, a characteristic feature of the TDS
phase[1][19][20][21][22]. Furthermore, the frequencies of the
TSS (F2) and HH (F3) bands vary as 1/ cos 𝜃 over a
Fig 4. Angular dependence of SdH oscillations. a) B-

wide range of 𝜃 up to 60° (Figure 3b), which confirms

direction dependence of Rxx vs. B in 56 ML-thick -Sn.

the 2D nature of these bands. The F2 component is the
TSS, which is of course a 2D band. Interestingly, theHH band (F3) also shows 2D behavior in our sample,
which is consistent with the long coherence length

The magnetic field B is rotated from the [001] direction(B⊥I, 𝜃0°) to the 110 direction (B//I, 𝜃90°).

𝜃 is defined as shown in the inset. b) Angulardependence of the frequencies F1, F2, and F3 (black,blue, and red circles) in the SdH oscillations.

𝑙𝑣 𝜏

40 nm) compared with the thickness ofthe -Sn layer (9.2 nm).

Experimental data are fitted by 1/ cos 𝜃 (blue and red
curves). These results indicate the 2D characteristics of
the TSS (F2) and HH (F3) bands.[23]5.

Topological phase transition of -Sn whenvarying the thickness
With decreasing -Sn thickness, we expect amass, to the conduction band of InSb, where parallel
conduction occurs.
Our calculated result in Fig 1b indicates that thecrossover from a TDS to a 2D-TI and eventually a phasetransition to a normal insulator (NI) due to the strong
quantum confinement[1]. This is clearly indicated in our

56 ML-thick -Sn is in a quantized TDS phase. The

first-principles

angular dependence of the SdH oscillations, which is

thicknesses, which are shown in Fig 4a. The energy gap

shown in Fig 3, confirms this description of the -Snat the Γ point of -Sn, shown in the bottom panel ofband structure. We rotate the magnetic field B from theplane 110 direction, where B//I. Here, 𝜃 is definedFig 4b, first increases with decreasing thickness from
100 MLs, which indicates the crossover between thequantized TDS and 2D-TI phases in this region (40 ~as the angle of B with respect to the [001] direction. The

100 MLs). Then, when the -Sn thickness is decreased

perpendicular [001] direction, where B⊥I, to the in-calculationsatdifferent

-SnFig. 3 a) Calculated band structure of
-Sn with different thicknesses from
20 to 100 MLs. Red (blue) points
correspond to s-(p-)derived bands. A
band inversion occurs between 20
and 28 MLs. b) (Bottom panel)Calculated direct energy gap Eg at theΓ point and (top panel) theoretical Z2
invariant (white squares) deduced
from the band structure for various
thicknesses.
c)
Experimental
thickness dependence of thefrequencies (bottom panel) and thephase shift values (, top panel)estimated from the SdH oscillations.
Corresponding topological phases atvarious thicknesses are illustrated[23].

40PRESTO (JPMJPR19LB) Programs of JST, and theSpintronics Research Network of Japan (Spin-RNJ). A
part of this work was conducted at the Advanced
Characterization Nanotechnology Platform of the
University of Tokyo, supported by the “Nanotechnology
Platform” of MEXT, and the Supercomputer Center, theInstitute for Solid State Physics, the University of Tokyo.
We thank Dr. Ryota Akiyama and Prof. Shuji Hasegawa
for helpful support and discussions regarding the MBE
growth of Sn.
The main results have been reported in the following
publication (ref. 23): Le Duc Anh, Kengo Takase,
Takahiro Chiba, Yohei Kota, Kosuke Takiguchi,
Masaaki Tanaka, “Elemental topological Diracsemimetal α-Sn with high quantum mobility”,
Advanced Materials 33, 2104645 (2021).

to 20 ~ 28 MLs, we observe a quick decrease, closing,and reopening of the energy gap, reflecting the
topological phase transition from a nontrivial (2D-TI) toa trivial insulator (NI), associated with a change in theZ2 invariant (top panel of Figure 4b). We clearlyobserve such a phase transition in the SdH oscillations
measured in a series of -Sn samples with different
thicknesses. The development of the SdH frequencies of
all three components TSS (F2), HH (F3), and InSb (F1)is shown in Fig 4c, which clearly indicates that the TSS
component disappears with decreasing thickness of Sn below a critical thickness between 30 and 40 MLs.
This behavior is consistent with the calculated band
structures in Fig 4a. This may be caused by the surface
hybridization of the top and bottom surface states andthe strong compressive strain. The decrease in F2 and F3
may also be related to a change in the EF position withdeceasing thickness. Notably, the phase shift of the HHband is always nontrivial within the error bar (see top
panel of Figure 4c) regardless of whether the TSS exists,
which supports the conclusion that the nontrivial phaseshift of the HH band originates from the bulk DP rather
than from hybridization with the TSS. These results

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demonstrate that -Sn is indeed an elemental TDS,
which can be a fundamental platform for investigating
various novel topological phases.
6.

Summary
In summary, an elemental TDS phase is confirmed in-Sn (001) under in-plane compressive strain for the
first time by our quantum transport studies and firstprinciples calculations. The high-quality -Sn thin filmwith very high quantum mobilities of the TSS(30000 cm2/Vs) and HH state (1808 cm2/Vs) enables anunprecedentedly accurate description of the nontrivial
band structure of -Sn. A crossover from a TDS to a 2DTI and a subsequent phase transition to a trivial insulator
are also demonstrated by varying the thickness of -Sn.
Our results prove that high-quality crystal growth of Sn is the key to unlocking its rich potential for
topological physics and device applications.
Acknowledgements
This work was partly supported by Grants-in-Aid for
Scientific Research, the CREST (JPMJCR1777) and

41

[11]

[12]

[13]

[14]

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Shibata, Shoya Sakamoto, Keisuke Ikeda, Zhendong
Chi, Yuxuan Wan, Masahiro Suzuki,1Tsuneharu
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Le Duc Anh, Kengo Takase, Takahiro Chiba, Yohei
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Tomoki Hotta, Kengo Takase, Kosuke Takiguchi,
Karumuri Sriharsha, Le Duc Anh, and Masaaki
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AIP Advances 12, pp.015307/1–6 (2022). DOI:
10.1063/5.0069282[9]

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10.1063/5.0072128[10] Shoma Arai, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh,
Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya, "Theoreticalanalysis of the inverse Edelstein effect at the
LaAlO3/SrTiO3 interface with an effective tightbinding model: Important role of the second dxy
subband", Appl. Phys. Express 15, pp.013005/1–4(2022). DOI: 10.35848/1882-0786/ac435c[11] Hiroshi Terada, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka,"Bias-dependent
two-phaseanisotropyinmagnetoresistance of a GaMnAs-based magnetic
tunnel junction", Appl. Phys. Express 15,
pp.033001/1–5 (2022). DOI: 10.35848/18820786/ac5221

42

● 工学系研究科 電気系工学専攻 ナノ物理デバイス分野研究室
半導体・酸化物ヘテロ構造を利用した機能性素子の開拓

1. 背景・目的
次世代の情報社会に不可欠な低消費エネルギー
デバイスを確立する上で、半導体をベースとした材料系におけるスピン依存伝導現象の開拓は極めて重要である。半導体でスピンを高効率に輸送／制御するためには適切な材料が必要であるが、そのような技術を実現可能とすると期待されているもののひとつが、強磁性半導体である。特に、Mn
ドープ GaAs (GaMnAs)は長期にわたり研究が行われてきた典型的な強磁性半導体であり、今まで、この物質に関する多くの実験的／理論的研究が行われてきた。最近、GaMnAs における複雑かつ興味深い電子構造が明らかになってきた。GaMnAs
においては、Mn に起因した不純物バンドが、価電子帯からバンドギャップにわたる広範囲のエネル
ギー領域に分布している (Fig. 1)。価電子帯には、GaAs への Mn 原子のドープによって、わずかにスピン分裂が誘起されている。一方、フェルミレベ
ルは完全にスピン偏極した不純物バンドの中に位置しており、主にこの不純物バンド内の正孔がキャリア輸送に寄与している。上記の特徴から、
価電子帯と不純物帯では、スピン分極率が大きく異なっており、これらを別々に検出できれば、上記の特徴を反映した異なる特性が得られることがFig. 1. Schematic band diagrams and density of states(DOS) of a GaMnAs-based magnetic tunnel junction atlow (a) and high (b,c) bias voltages V. When the bias
voltage is low, holes in the impurity band (IB) of GaMnAs
are injected into the IB of the other GaMnAs electrode.
When the bias voltage is high, holes in the IB of GaMnAs
are injected into the valence band (VB) of the other
GaMnAs electrode. (c) When applying V in the opposite
direction, the source and drain sides are reversed. [Terada
et al., Appl. Phys. Express. 15, 033001 (2022). Copyright(2022) The Japan Society of Applied Physics.]

期待される。不純物バンドは空間的にランダムに存在する Mn 原子によって形成されるのに対し、価電子帯は閃亜鉛鉱結晶の対称性を反映する。
従って、不純物バンドと価電子帯では、（磁気）異方性などの対称性も異なると予想される。GaMnAsがもつこのような隠れた「２相性」は、デバイス応用上大変興味深いが、この観点からの研究は、今まで行われてこなかった。

43

２．実験結果
今回、我々は GaMnAs をベースとした磁気トン
ネル接合（MTJ）において、印加するバイアス電圧
V を変化させながら、磁気抵抗効果（MR）の印加
磁場方位に対する依存性を調べた。その結果、上記で述べた異なる２種類の異方性が実際に存在することを初めて示すことに成功した1。Fig. 1 に、実験で用いた MTJ のバンド図と状態密度を示す。
MTJ に小さなバイアス電圧 V を印加すると、
GaMnAs ソース電極の不純物バンドに存在する正孔が、GaMnAs ドレイン電極の不純物バンド内に注入される [Fig. 1(a)]。一方、印加電圧が大きい場
合には、ドレイン電極の GaMnAs の価電子帯に正孔が注入され [Fig. 1(b)]、スピン依存伝導には
GaMnAs の価電子帯の状態密度が反映される。電圧の向きを逆にした場合は、ソース側とドレイン側の関係が逆転する [Fig. 1(c)]。
Fig. 2. (a) Schematic illustration of the GaMnAs-basedmagnetic tunnel junction (MTJ) examined in this study. (b)Valence band (VB) diagram of the MTJ. The black solidline and red dash-dotted line are the VB top EV and the
Fermi level EF, respectively. The gray region is the bandgap. (c) Definitions of angles ϕ of H (magnetic field) andθ of M (magnetization) in the (001) film plane. (d)Magnetoresistance (MR) characteristics of the MTJ atvarious ϕ when V = 5 mV at 3.8 K. (e), (f) MR
characteristics of the MTJ at ϕ = 135° (H // 110 ) at 3.8
K when V < 0 (e) and V > 0 (f). The graphs are shifted sothat the MR ratios at ±1.25 kOe are zero. [Terada et al.,Appl. Phys. Express. 15, 033001 (2022). Copyright (2022)
The Japan Society of Applied Physics.]

Fig. 2(a)に、本研究で作製した MTJ の模式図を示 す 。 Ga0.95Mn0.05As (10 nm) / GaAs (11 nm) /Ga0.95Mn0.05As (3 nm) / GaAs.Be (100 nm)からなるヘテロ構造を、低温分子線エピタキシーを用いて p+GaAs (001)基板上に成長した。成長後、直径 200 μmの円筒形メサダイオードを作製した。Fig. 2(b)にMTJ の価電子帯構造を示す。黒い実線と赤い点線はそれぞれ価電子帯頂上 (EV) とフェルミ準位(EF)を表し、灰色の領域はバンドギャップを表している。試料面内において、[100] 方向から角度 ϕ ずれた方角に磁場 H を印加し、印加電圧 V を変えな
がら MR を測定した [Fig. 2(c)]。各測定の直前に、
GaMnAs 層の磁化方向を揃えるため、角度 ϕ とはFig. 2(d)に V = 5 mV のときの様々な磁場印加方向 ϕ に対する MR の測定結果を示す。GaMnAs 層

反対方向に 10 kOe の磁場を印加し、磁場をゼロにの結晶磁気異方性を強く反映して、MR が大きく戻した。その後、角度 ϕ 方向に磁場を印加して、変化していることが分かる。Fig. 2(e), 2(f) は、各

MR の測定を行った。電圧の極性は、V > 0 のとき

電圧における ϕ = 135°の時の MR 特性を示していに、上部 GaMnAs 層がソース電極となるように定る。ここでは比較のため、 H = 1.25 kOe における義した[Fig. 1(c)参照]。ここでは、MR 比を[G(0,ϕ)

MR 比が 0 になるように MR 曲線をシフトさせ– G(H,ϕ)] ∕ G(H,ϕ)と定義した。G(H,ϕ)は磁場 H が角ている。V > – 40 mV のときは、|H| > ~0.5 kOe の高度 ϕ 方向に印加されている時のトンネルコンダク

磁場領域で負の MR が観測されているのに対して、

タンスである。測定は 3.8 K で行った。

V ≤ – 40 mV では正の MR が観測されている。この44

ような電圧による MR 比の符号の変化は、他の物

θ の方向を向いている磁化 M をもつ強磁性薄膜の質系では一般的に見られないものである。|H| >静磁エネルギーE は次のように表わされる。

~0.5 kOe の高磁場領域では、GaMnAs 層の磁化は同じ方向に揃っていることから、いわゆる通常の磁化の相対角に依存するトンネル磁気抵抗効果る。また、ローレンツ力による一般的な正の MR

sin

𝜃

3𝜋
4

𝜙

2

このモデルでは、E が局所的に最小となるように θも、Fig.2(e)に示した MR 曲線の形状が放物線状でを決定する。計算では、ある２個所の極小点のエはないことから、原因としては排除される。

ネルギー差が磁壁伝播エネルギーを超えたときに、

Fig. 3(a)–(c)に、V = –5, –100, 100 mV における MR

180°磁壁の形成によりエネルギーの低い方に状態の異方性を示す。ここでは MR 比を H と ϕ の関数としてカラープロットしてある。V = –5 mV では、MR が 110 方向近辺で、急激に変化している。こが遷移するようにした。Fig. 3(d)に、V ＝ – 5 mVの場合に式(1)(2)を用いて計算した TMR の ϕ 依存性を示す。計算に用いたパラメータは Table I にまれは、上下両方の GaMnAs 層で 110 方向の一軸

とめてある。TMR の異方性は、GaMnAs 層の磁気

磁気異方性が支配的であることを意味している

異方性を用いて説明できる。上下の GaMnAs 層の[Fig. 3(a)]。V = –100 mV のときは、<100>方位の４Mn 濃度は同じであるが、成長時の加熱時間や厚さ

回 対 称 の 異 方 性 を 持 つ 正 の MR が 観 測 さ れが異なるため、両層の結晶性に違いが生じ、上下[Fig. 3(b)]、V = 100 mV のときは、一軸異方性によっの層でパラメータに違いが生じる。

てわずかに変形した、〈110〉 方位の４回対称の MR

本研究では、V = ±100 mV のときに|H| > ~0.5 kOeが観測された[Fig. 3(c)]。

の磁場領域で観測された特異な MR を再現するた

ここでは、まず良く用いられている Jullière の二流体モデルを用いて TMR の ϕ 依存性を計算した。
以下では、上下の GaMnAs 層のスピン分極率をそめに、式(1)において、GaMnAs 電極の状態密度がH に依存しトンネルコンダクタンスが電極の状態密度に比例するという修正を加えた。ここでは状れぞれ P1, P2 と定義する。また、2 つの強磁性層間の磁化の相対角度を Δθ と定義する。このとき、TMR 比は次の式で表される。

TMR ratio

2

𝑀𝐻cos 𝜃(TMR)はこの異常な MR の原因としては除外され𝐺 0, 𝜙𝐺 𝐻, 𝜙𝐺 𝐻, 𝜙
1 𝑃 𝑃 cos 𝛥𝜃
1 𝑃𝑃
1 𝑃 𝑃 cos 𝛥𝜃

𝑀𝐻𝑀𝐻
sin 2𝜃
8

𝐸

態密度を現象論的に次のように表す。
DOS 𝐻, 𝜙1

DOS 0, 0𝑐 𝐻𝑐 𝐻 ⋅ cos 2𝜙

𝑖

1, 2

3

ここで、cAi と cBi はフィッティングパラメータで1ある（i = 1 と i = 2 はそれぞれ上下の GaMnAs 層を表す)。cAi < 0 のとき状態密度は H の増加とと測定の直前に強い磁場を印加して２層の磁化方向もに減少し、MR は正となる。cBi ≠ 0 のとき状態密を揃えているため、式(1)において、H = 0 のとき

度は 4 回対称となり、MR も 4 回対称となる。式Δθ は 0 であるとする。実験で得られた MR の ϕ 依(3)を式(1)に反映させると、次式が得られる。

存性を再現するために、Stoner–Wohlfarth モデルを用いた。ここでは、180°磁壁の伝搬による磁化反転

TMR ratioも考慮した。各 GaMnAs 層の 〈100〉 方向に沿った

1

𝑃 𝑃 DOS 0,0 DOS 0,0

1

𝑃 𝑃 cos 𝛥𝜃 DOS 𝐻, 𝜙 DOS 𝐻, 𝜙

４回対称の異方性磁界 HB と、 110 に沿った一軸
異方性磁界 𝐻/1を用いて、面内[100]軸から角度

45

𝑃 𝑃 cos 𝛥𝜃

DOS 𝐻, 𝜙 DOS 𝐻, 𝜙

4それぞれ V = –100 mV と V = 100 mV ではゼロではない。実験的に得られた MR の異方性は、V =100 mV と V = –100 mV とでは異なっているが、これはソース側の cAi の符号を変えることで再現できている。式(3)と Fig. 3 の結果より、下部 GaMnAs層の不純物バンドの状態密度は、V＝–100 mV のと
き H の増大とともに減少し（すなわち、cA2＜0）、
一方、上層 GaMnAs 層の不純物バンドの状態密度
は、V＝100 mV のとき H の増大とともに増加している（すなわち、cA1＞0）と言える。この cAi の符号の違いは、上下 GaMnAs 層の EF の位置の違いに起因していると考えられる。Fig. 4 の黒い実線は、
GaMnAs の価電子帯と不純物バンドの状態密度を
電子エネルギーの関数として模式的に示したものであり、オレンジ色の領域は不純物バンドの状態密度を示している。黒い破線は、高磁場を印加した際の不純物バンドの状態密度である。状態密度の磁場依存性は、EF の位置に依存する。例えば、
EF=Ea では状態密度は増加し、EF=Eb では H の増大
に対して減少する。上下の GaMnAs 層の結晶性のFig. 3. (a)–(c) Color contour plots of the ϕ dependence ofthe experimentally obtained MR ratio measured for the
MTJ shown in Fig. 2(a) for V = –5 mV (a), –100 mV (b),and V = 100 mV (c). (d)–(f) Color contour plots of thecalculated MR ratio for the MTJ shown in Fig. 2(a) for V= –5 mV (d), –100 mV (e), and V = 100 mV (f). The
parameters used in the calculations are summarized inTable I. [Terada et al., Appl. Phys. Express. 15, 033001(2022). Copyright (2022) The Japan Society of Applied
Physics.]

違いによって、不純物バンドの正孔濃度が異なり、EF の位置が異なるため、状態密度の磁場依存性が異なり、その結果として、cAi の符号が異なるのだと考えられる。GaMnAs の不純物バンドの磁場依存性の全貌を明らかにするには、さらに系統的な研究が必要であるが、今回の結果は、GaMnAs のバンド構造の複雑で興味深い特徴に起因していると言える。
以上、GaMnAs MTJ において、GaMnAs のバン式（2）と式（4）を用いることで、Fig. 3(e)、Fig. 3(f)ド構造を反映したユニークな２種類の異方性を初に示すように、V = ±100 mV で測定した MR の ϕ

めて観測することに成功した。低バイアス(V =依存性を再現することができた。計算に用いた– 5 mV)領域では，2 回対称の TMR が観測され、高フィッティングパラメータを TableⅠにまとめた。

バイアス(V=±100 mV)領域では、通常の TMR に

Fig. 3 に示すように、4 回対称の特性が得られるの加え、4 回対称の MR が観測された。MR は、は、大きなバイアス電圧 (V = ±100 mV) を印加しGaMnAs 中の価電子帯と不純物帯の状態密度が異たときだけであることから、その起源は Fig. 1 でなる異方性を持つことを考慮して修正した Jullière

述べたように、ドレイン側の GaMnAs の価電子帯モデルで良く説明できることが明らかになった。

の状態密度にあると考えられる。従って式(3)におこの結果は、GaMnAs の不純物帯と価電子帯が外ける、cB1 (上部 GaMnAs) と cB2 (下部 GaMnAs) は部磁場の関数として異なる振る舞いをすることを46

TABLE I. Fitting parameters used in the calculation for Figs. 3(d) – 3(f). Here, we show the product of spinpolarization P1P2, and the biaxial anisotropy field 𝐻 along <100>, uniaxial anisotropy field 𝐻
along
110 , domain wall nucleation/propagation energy ε/M, and coefficients cAi and cBi (i = 1, 2). [Terada et al., Appl.
Phys. Express. 15, 033001 (2022). Copyright (2022) The Japan Society of Applied Physics.]

示唆している。この 2 成分からなる MR の特異的

３．その他の成果

な振る舞いは、磁化方向を精密にセンシングする
低温科学研究センター304B 室は、電気系工学専

ような機能デバイスを設計する上で有用であると攻のナノ物理デバイス分野の研究室で共同で利用期待される。

させて頂いており、上記に述べたテーマ以外にも各研究室で様々な成果が得られている。田中・大矢・小林研究室の成果としては、極薄の強磁性ペロブスカイト酸化物薄膜における金属絶縁転移を伴う磁気異方性変化を X 線磁気円二色性を用いて初めて観測した成果や2、ホイスラー合金 Co2FeSi
におけるスピン軌道トルク磁化反転3、SrTiO3 基板上に作製した金属系磁気トンネル接合におけるクーロンブロッケードを用いた特異なトンネル磁
Fig. 4. Schematic valence band (VB) and impurity band(IB) picture of GaMnAs suggested in our study. The
black solid curves are the density of states (DOS) in
GaMnAs as a function of the electron energy. Theorange region is the DOS of the IB. The black dashedcurve corresponds to the DOS of the IB under a strong
external magnetic field H. The H dependence of the
DOS varies with the EF position. For example, the DOS
increases with H when EF = Ea, while it decreases with
H when EF = Eb. [Terada et al., Appl. Phys. Express. 15,033001 (2022). Copyright (2022) The Japan Society ofApplied Physics.]

気抵抗効果のバイアス依存性の観測 4 、LaAlO3 /SrTiO3 界面における２次元電子ガスにおける高効率スピン流電流変換の dxy 軌道の第２量子準位を取り込んだ理論計算5などの成果があり、関連の招待講演も行われている6,7。田畑・関研究室では、希土類鉄ガーネット薄膜の歪勾配下におけるフレ
キソエレクトリックナノドメインの観測8、Fe2TiO5-FeTi2O5 固溶体を用いた室温強磁性半導体
エピタキシャル薄膜の作製9、欠陥のあるスピネル
γ-Fe2−xAlxO3 エピタキシャル薄膜における効率的なスピン波伝播の実現10、微細構造化イットリウム鉄
ガーネット薄膜を用いた並列データ処理用多周波
スピン波伝搬の実現11などの成果が得られており、

47

これらに関する基調講演なども含めた国際講演が

n 型 MOSFET のサブスレッショルドスイングの行われている12–15。高木・竹中・カシディット研究4 K から 300 K の温度範囲における特性評価17など室からは、L バレー伝導を有する超薄膜(111) InAs-の成果報告が行われている。

on-Insulator n 型 MOSFET の提案と実験実証 、Si（文責：大矢 忍）

169＜参考文献・外部成果報告等＞

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FeTi2O5 solid solution”, Appl. Phys. Lett. 119,022402 (2021).
10
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transmission in epitaxial thin films of defect spinel γFe2−xAlxO3”, Appl. Phys. Lett. 119, 126103 (2021).
11
M. S. Sarker, S. Nakamura, H. Yamahara, M. Seki, H.
Yamahara, and H. Tabata, “Multifrequency spinwave propagation for parallel data processing using
microstructured yttrium iron garnet thin films” IEEE
Trans. Magn. 58, 4300706 (2021).
12（基調講演） H. Tabata, “Nano Structural Controlled
Functional Oxide Thin Films Learning from Biosystems”, ISPlasma2022/ IC – PLANTS 2022,
Online, 7 March, 2022
13
M. S. Sarker, H. Yamahara, M. Seki, and H. Tabata,“Nano Structural Controlled Functional Oxide Thin
Films Learning from Bio-systems”, International
Workshop on Oxide Electronics 27 (iWOE27),
Online, 13 October, 2021.
14（招待講演） H. Yamahara, M. Seki, M. Kobayashi,
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Semiconductors (PASPS-26), Online, 21 December,
2021.
15
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17
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by Metal-Insulator Transition in Strained Ultrathin
Manganite Heterostructures", Phys. Rev. Applied 15,
064019 (2021).
3
M. Jiang, E. Matsushita, Y. Takamura, L. D. Anh, S.
Nakagawa, S. Ohya, and M. Tanaka, "Spin-orbit
torque magnetization switching in perpendicularly
magnetized full Heusler alloy Co2FeSi", AIP
Advances 11, 115014 (2021).
4
R. Suzuki, Y. Tadano, M. Tanaka, and S. Ohya,"Unconventional bias dependence of tunnel
magnetoresistance induced by the Coulomb blockade
effect", AIP Advances 11, 125029 (2021).
5
S. Arai, S. Kaneta-Takada, L. D. Anh, M. Tanaka, and
S. Ohya, "Theoretical analysis of the inverse
Edelstein effect at the LaAlO3 / SrTiO3 interface with
an effective tight-binding model: Important role of thesecond dxy subband", Appl. Phys. Express 15, 013005(2022).
6（招待講演）S. Ohya, L. D. Anh, T. J. Wijaya, S.
Kaneta-Takada, M. Tokunaga, M. Seki, H. Tabata,and M. Tanaka, "Observation of high-mobility twodimensional hole gas at the FeOy/SrTiO3 interface andits applications", QUantum Oxide Research Online
Meeting (QUOROM-4), online, 2021 年 6 月 24 日.
7（招待講演）Le Duc Anh, Shingo Kaneta-Takada,
Theodorus Jonathan Wijaya, Hikari Shinya, Tetsuya
Fukushima, Akira Masago, Hiroshi KatayamaYoshida, Masashi Tokunaga, Masaki Kobayashi,
Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, andShinobu Ohya, "Ambipolar control of high-mobility
carriers at a wide-gap oxide interface and applications
towards oxide-based electronics", 27th International
Workshop on Oxide Electronics (iWOE27), Session
9, online, 2021 年 10 月 15 日.
8
H. Yamahara, B. Feng, M. Seki, M. Adachi, M.S.
Sarker, T. Takeda, M. Kobayashi, R. Ishikawa, Y.
Ikuhara, Y. Cho, and H. Tabata, “Flexoelectric
nanodomains in rare-earth iron garnet thin films
under strain gradient”, Commun. Mater. 2, 95 (2021).

48

● 工学系研究科原子力国際専攻

高橋研究室

超伝導光子数識別器の研究

量子コンピュータは、量子状態の重ね合わせを

伝導体を転移温度付近まで冷やし、数 mK の転移利用することで古典コンピュータよりも効率的に幅で常伝導状態から超伝導状態へと相転移させる。

計算を行うことが可能である。光の量子状態を利吸収体に光子が入射されると素子の温度が上昇し、用し、古典コンピュータと同様の理論ゲートを適

その温度変化ΔT は、
入射光子のエネルギーを E、用した光量子コンピュータでは、高い測定効率が吸収体の熱容量を C とすると以下の式で書ける。

必要となる。最近、光量子コンピュータの新しい𝛥𝛥𝛥𝛥=𝐸𝐸/𝐶𝐶

方式として、光ファイバーを用いたループ構造内

超伝導転移領域内のある温度において定電圧バに量子ゲートを作成し、パルスがループ内を伝播

イアスされた TES 内部に光子が入射され、温度上する際に量子演算を実行するループ型演算回路が昇が起きると超伝導転移曲線に沿って電気抵抗が提案され、注目を集めている。本方式に対応する

上昇し、それに伴う微小な電流変化を超伝導量子ためには、通信波長帯の赤外光子に対して高い量

干 渉 計 (Superconducting Quantum Interference

子効率を有する光子数識別器が必要となる [1, 2]。

Device; SQUID) 増幅器を用いて電圧信号として検超伝導転移端センサ（Superconducting Transition

知する。TES の超伝導薄膜に定電圧バイアスを印

Edge Sensor; TES）は超伝導転移領域における急峻加させることで超伝導薄膜内にジュール発熱が生な温度抵抗変化を用いた高感度な温度計により外じ、このジュール発熱と系から外部熱浴へ逃げる

部から光子が入射した際の超伝導吸収体の温度上熱量が等しくなる点で平衡状態となる。このよう昇を読み出すマイクロカロリメータの一つである。 な系において TES に光子が入射すると、そのエネ
超伝導転移端センサは光子を吸収する吸収体、ルギーによって温度が上昇し、転移カーブに沿っ

温度計、熱浴、温度計と熱浴をつなぐ熱リンクかて TES の抵抗値が上昇する。しかし、定電圧バイら構成される。吸収体に用いられる金属としてモ

アスのため、抵抗値が増加するとジュール発熱はリブデン、タングステン、チタン、ハフニウム等のTES の抵抗値に反比例するため減少し、全体とし超伝導体が主に利用されているが、これらの超伝て系が冷える方向へ熱的なフィードバックが生じ

導体は、希釈冷凍機や断熱消磁型冷凍機で到達可る。これを負の電熱フィードバック (ETF; Electro-

能な温度と比較すると、転移温度が高い。雑音を

Thermal Feedback)と呼ぶ。

小さくして温度上昇を大きくするためには、冷凍超伝導転移端センサは、不感層が存在せず、近機で到達可能な最低温度近傍で動作させることが赤外線や可視光領域の単一光子においても優れた有効である。したがって、常伝導金属と組み合わエネルギー閾値と量子効率を有する。また、TES はせたバイレイヤを用いる必要があり、素子の均一

SSPD では困難なことである光子数識別が可能で性などの問題が生じる。我々は超伝導転移温度がある。

極めて低いイリジウム(Iridium; Ir)を用いた TES の本研究では、実際に TES 素子を製作し、光ファ開発を行っており、単一超伝導体で素子を作成す

イバを用いて近赤外光を入射してその特性を調べることができるため、特に面積を小さくして信号ることとした。電極材には超伝導体となるニオブ

応答を早くするのに有利であると考えられる。超を用いた。ニオブを用いる理由としては、転移温

49

度が、バルクで 9.2 K 程度、薄膜にすると 1 K から加させた。また、TES の直上にシングルモードの2 K と比較的高く、電子熱伝導が非常に小さく、ほ光ファイバーが配置できるようにした。
赤外光は室温からシングルモードの光ファイ

ぼゼロと見積もることが出来るためである。
武田先端知ビルにある SHIBAURA 製の CFS-

バーを通して極低温まで導入することが 可能で4EP-LL スパッタ装置を用いてニオブをスパッタ

あ る 。 TES の 信 号 は 超 伝 導 量 子 干 渉 計した。この装置では、スパッタレート 0.1 nm/s、ス(Superconducting

パッタ時間 2000 秒で厚さがおよそ 200 nm 程度の

SQUID) および室温の増幅回路を通して増幅し、薄膜を作成することが出来る。成膜後、リフトオ

A/D 変換器を使用してデジタルデータとして取得フを行って電極部分を取り去り、電極形状を完成した。

QuantumInterference

Device;

実験は東京大学浅野キャンパス内にある低温科させた。
完成したシリコンウエハを光ファイバースリー

学センターの研究室にある希釈冷凍機を用いて実ブ内に嵌合するように加工を行う。これにより、施した。作成した TES を希釈冷凍機のステージに

光ファイバーを差し込んだ際に、光が伝搬する箇設置し、光ファイバーを取り付けた。ステージに所である光ファイバーのコアが TES の有感領域とTES を設置する際、光の漏れを防ぐために TES の

精度よくアライメントされるようになる。このた周りを銅テープで巻き付けた。TES の信号は電流

めにシリコンの深堀エッチングを実施した。シリを磁場に変換して SQUID を介して図 2 に示すよコン深堀エッチングでは、アルミがスパッタされうな回路を用いて読み出した。

たダミーウェハ上に、加工したいシリコンチップ

TES 内に流れる電流と SQUID の出力電圧の関を設置する。このとき、ダミーウェハとシリコン係を希釈冷凍機の温度を変えながら測定した。本チップとの熱接触を良くするために、シリコンオ

実験では冷凍機の冷却温度 Tb が 140 mK, 160 mK,

イルを垂らしてから設置する。

180 mK, 200 mK, 220 mK, 240 mK, 260 mK, 280 mK,

次に、装置に犠牲ウエハごと設置して、ボッシュ

300 mK, 310 mK, 320 mK の場合の電流と電圧を測プロセスによってシリコンを掘っていく。これに定し、その関係を電流-電圧曲線で表現し、TES がより、TES や電極部分である AZP レジストがある

きちんと転移領域でバイアスされていることを確

部分は守られ、そうでない部分のみを掘ることが認した。
希釈冷凍機内に取り付けた TES に光ファイバー出来る。
図 1 に、検出器とその周辺のセットアップにつを通して波長が 855 nm であるパルスレーザーをいて示す。Ir-TES の超伝導薄膜にシャント抵抗と照射し、その応答をオシロスコープを用いて計測

定電流源を利用して疑似的な定電圧バイアスを印した。また、バイアス電流は 80.8 μA であり、希釈図 1. TES と光導入の様子

図 2. 読み出し回路の概要

50

図 4.

図 3. TES の光子入射時の信号波形

平均化を行って得られたパルス信号波形（GBW=0.23 GHz）

冷凍機での冷却温度 Tb は 120 mK に設定した。
SQUID の帯域幅を変えて光子測定を行うと同時に平均波形を作成する際に必要となるノイズの計測も行った。TES にパルスレーザーを照射して得られる応答信号の様子を図 3 に示す。赤色の信号はレーザー駆動パルスであり、これの立下りと同期
して、黄色の TES の信号が生じていることがわかる。また、TES に入射する光子数が多いときには振幅が大きな信号パルスが得られており、光子数に敏感な応答となっている。
SQUID の帯域幅はゲインバンド幅積（以下 GBW）
で表現される。GBW はアンプにて検知される周波図 5. 平均化を行って得られたパルス信号波形（GBW=0.55 GHz）

数の帯域幅と無次元数であるゲインの積のことである。この実験では GBW が 0.23 GHz、0.55 GHz、
1.04 GHz、2.25 GHz の GBW にて測定を行った。
これらの結果を図 4～図 7 に示す。
一回の測定でそれぞれ 10000 個の波形データを記録し、ノイズもそれぞれ 10000 個の波形データを記録した。波形データ 1 つには電圧値とデータ点が与えられており、データ間隔は 50 nsec である。
すべての計測においてオシロスコープの波形変化が観測され、光子が検出されていることが確認できた。
GBW を広くとるにしたがって、パルスの幅が狭図 6.

く、また、立ち上がりが先鋭化していることがこ

平均化を行って得られたパルス信号波形（GBW=1.04 GHz）

れらの結果からわかる。

51

光学特性シミュレーション計算コード TfCalc を用いて、キャビティ構造の最適化シミュレーションを行った。この結果、SiN/Si/SiN チップ上に Ir を
40 nm 積層し、その上に反射防止膜(anti reflection;AR) の 構 造 (SiO2; 50 nm/TiO2; 100 nm/ SiO2;
270 nm/TiO2; 169 nm/ SiO2; 169 nm/TiO2; 169 nm)を作製すると、光ファイバの損失が少ない 1550 nmの赤外光がほとんど反射しないキャビティ構造を持つ Ir-TES を作製できることが確認された。
以上のように TES を用いて高速な信号読み出し
図 7.

を行うことについて現在研究を進めているほか、平均化を行って得られたパルス信号波形

ガンマ線の信号の読み出しなども行っている[6]。

（GBW=2.25 GHz）

（文責：高橋 浩之）
ま た 、 Ir-TES の 光 学 特 性 を 調 べ る た め 、[1] M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum
Computation and Quantum Information, Cambridge
University Press, Cambridge (2004).
[2] M. Yukawa et al., Opt. Express 21, 5529 (2013).
[3] Lolli et al., Appl. Phys. Lett. 103 (2013) 041107.
[4] D. Fukuda et al., Optics Express 19, 870 (2011).
[5] A. E. Lita et al., Optics Express 16, 3032 (2008).
[6] Smith, R; Ohno, M et al., Optimization for Device
Structure of Superconducting Transition Edge Sensor
Coupled With Heavy Metal Absorber, IEEE
TRANSACTIONS ON APPLIED
SUPERCONDUCTIVITY 31 (5) (2021).

SiN/Si/SiN の 欠 片 チ ッ プ 上 に Ir 薄 膜 を 20 nm ス
パッタし、全光線透過･反射測定システム (Asahi
Spectra Co., Ltd.) を用いて透過率および反射率を測定した。この結果、波長 400–1100 nmの赤外光に対して作製したIr薄膜は反射率がおよそ 50–
65%、透過率が <4%と分かった。
量子暗号通信や量子コンピュータへの応用では
通信波長帯の光子に対して 100%近い量子効率を有する必要がある。前述したように、20 nm 積層した Ir 金属薄膜の反射率が 50%であるため、入射光すべてが Ir-TES に吸収されない。そこで、薄膜の52

低温科学研究センター

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、レーザー光を用いて固体中の電子の集団に創発する量子現象の探求、新たな素励起（粒子）の探索、未知の量子相の探求に取り組んでいる。光を用いた固体中のマクロな量子状態の操作、光によるマクロ量子状態の創発を目標として、可視光の超短光パルスからテラヘルツ波と呼ばれる波長

0.3 mm 程度の電磁波パルス領域にわたる広いエネルギー範囲の先端光源開発、非線形レーザー分光法、
超高速分光法などの観測技術の開発を並行して進めている。本年度は、以下に挙げる研究を進めた。

超伝導体

反射率測定から調べた。その結果、超伝導転移温

銅酸化物高温超伝導体の光誘起超伝導度以上の LNSCO においても、他の La 系銅酸化物超伝導体で報告されているようなプラズマエッ

銅酸化物高温超伝導体では、その母物質である

ジ状の反射率変化が見られた。この信号は超伝導

反強磁性モット絶縁体に正孔をドープすることで転移温度 5 K の遥か上、電荷ストライプが発達す

超伝導が発現する。超伝導の舞台となる CuO 面

る約 70 K 付近まで観測された。加えて、光学伝導

上では電荷とスピンの自由度の鬩ぎあいの結果と度スペクトルの解析からは、その実部に局在プラ

して、超伝導の他にも電荷密度波やスピン密度波

ズモンを示唆するスペクトル構造が現れることがといった様々な秩序相が現れる。中でも、正孔濃わかった。この局在プラズモン的な構造はこれま

度 p = 1/8 の近傍では、電荷やスピンのストライで観測されていない LNSCO 特有の現象であり、プ秩序が安定化する。静的なストライプ秩序は超Nd3+ イオンの置換による系の乱れを反映した現伝導と競合して超伝導転移温度を抑制することが象であると考えられる。今後、より系統的なデー

知られているが、一方で動的に揺らぐストライプ

タ解析を進め、ストライプ秩序の発達とクーパー

秩序は超伝導の発現を増強する可能性が従来より対の形成との関連についてより詳しく調べていく

指摘され、ストライプ秩序と超伝導との相関に興予定である。

味がもたれてきた。さて近年、正孔濃度 p = 1/8

鉄系超伝導体の光誘起超伝導増強の近傍での、超伝導転移温度以上にある電荷スト
ライプ相に対して光励起をすると超伝導を示唆す

鉄系超伝導体 FeSe1−x Tex はフェルミエネルギーる光学応答が過渡的に現れることが報告された。

が極めて小さく、キャリアドープや圧力印加等のしかし、光誘起された状態が本当に超伝導相なの外的要因によるフェルミ面のトポロジーの変化とかについては確証が得られておらず、また光励起相関して、超伝導転移温度 Tc が大きく変化するの役割についても微視的な観点からの理解は得らことが知られている。我々はこうした性質を持つれていない。我々はこの問題に、超伝導秩序変数

鉄系超伝導体において光による超伝導の制御、光の振動に相当するヒッグスモードなどの集団励起

誘起超伝導の実現の可能性を探究してきた。特にモードの観測を用いて取り組み、光誘起相の起源

光励起下での超伝導秩序変数のダイナミクスをピ解明とその微視的発現機構の解明を進めている。

コ秒の時間分解能で捉える手法として、超伝導秩

今年度は、ストライプ秩序を示す代表物質の 1

序変数の振幅モードであるヒッグスモードに注目つである La1.6−x Nd0.4 Srx CuO4 (LNSCO) を対象している。これまでの我々の研究により、超伝導に、近赤外光による励起状態をテラヘルツ帯 c 軸

体においてはヒッグスモードが媒介して高効率の54

THz 波第 3 高調波が発生すること (THz-THG) がに起因しているかを理解することは鉄系超伝導体

明らかになっており、この性質を利用して非平衡におけるクーパー対形成の機構に直接関わる問題

超伝導を調べることができる。まず、光励起を行であり、これまで多くの議論がなされてきた。

わない平衡状態の鉄系超伝導体 FeSe0.5 Te0.5 に対さて、超伝導ペアリング相互作用が複数の対称

して、Tc 以下で THz-THG 信号が発達することを性成分を持つ場合には、超伝導の秩序変数に付随す

観測し、その強度が超流動密度を反映しているこる集団励起モードとして、Bardasis-Schrieﬀer モーとを明らかにした。次に、FeSe0.5 Te0.5 に近赤外ド (BS モード) と呼ばれる新たな集団励起モード

光パルスを照射すると、THz-THG の強度が過渡が発現することが知られている。我々は近年 s 波的に増大し、超伝導秩序変数が増強することを示

超伝導体や銅酸化物超伝導体を対象として、ヒッ唆する振る舞いが観測された。それに加えて光パ

グスモードと THz 波との二光子結合を介したテラ

ルス照射後の非平衡状態の複素光学伝導度を THz

ヘルツ第三高調波発生（THz-THG）の観測を進

時間領域分光法により測定したところ、光学伝導

めてきたが、最近 BS モードも THz-THG をもた

度虚部に超流動密度の増加を示唆するスペクトル

らすことが理論研究により指摘された。BS モー

構造が過渡的に現れることを見出した。この光学ドの存在は超伝導ペアリング相互作用が複数の対伝導度虚部のダイナミクスは THz-THG 測定の結称性成分を持つことの証拠となるため、超伝導体

果と非常によく一致しており、光励起によって超における THz-THG の性質を調べ、その起源を特伝導が増強したと結論した。光学伝導度スペクト

定することで超伝導ペアリング対称性に関する知ルを詳しく分析した結果、過渡的な超伝導増強は見を得ることができると期待される。

フェルミ面の一部で起こっていたと考えられ、超そこで我々は超伝導ペアリング対称性について

伝導増強現象の起源として電子バンドと正孔バン議論の続いている鉄系超伝導体 FeSe1−x Tex に注目

ド間のバンド間相互作用が光パルス照射により増し、その THz-THG の性質を調べた。特に、鉄系超強した可能性を提案した。一方、シングルギャッ

伝導体 FeSe1−x Tex については、電子ネマティック

プ超伝導体 NbN においても実験を進めたところ、秩序の存在によって超伝導ペアリングに異方的な同様に光励起による THG の増強現象が観測され成分が強く混ざる可能性が考えられているため、電た。これらの結果は、ヒッグス自己相互作用を含

子ネマティック秩序の存在する FeSe0.9 Te0.1 試料むヒッグスモードと電磁場の高次の相互作用を反と電子ネマティック秩序の存在しない FeSe0.5 Te0.5

映している可能性があり、現在この THG 増強信号

試料のそれぞれに対して THz-THG の測定を行の起源について詳細に検討しているところである。

った。
まず、温度依存性について測定を行ったところ、

集団励起モード観測による鉄系超伝導体のペアリング対称性の研究

いずれの試料についても超伝導転移温度 Tc 以下で鉄系超伝導体 FeSe1−x Tex は Te 置換によって、測され、超伝導に相関する THz-THG が観測され超伝導ギャップ関数が 2 回回転対称性を示す強いた。次に、この THz-THG について入射 THz 波

異方的ギャップから波数空間全域でギャップの開の偏光方向に対する依存性を測定したところ、ネ

いた等方的ギャップ構造へと変化していくことがマティック秩序のない FeSe0.5 Te0.5 試料について

トンネル分光法や角度分解光電子分光などの手法

は BS モードによる THz-THG に期待される偏光によって明らかにされている。異方的なギャップ

依存性を持つ成分が観測されなかったのに対し、関数を示す FeSe がどのようなペアリング対称性

ネマティック秩序のある FeSe0.9 Te0.1 試料につい

THz-THG の効率が大きく増加する振る舞いが観55

ては BS モードによる THz-THG に期待される偏薄膜（41 nm 厚、層数 65、Tc = 2.6 K）に、超伝導

光依存性を持つ成分が観測された。これらの実験

ギャップ付近の光子エネルギーの狭帯域テラヘル結果より、FeSe0.9 Te0.1 試料について BS モード

ツ波パルスを照射し、透過波を測定した。すると、が観測された可能性があると考えられる。これはTc 以下で発達し、入射強度の２乗に比例する第２THz-THG の測定によって FeSe0.9 Te0.1 における高調波発生（SHG）が観測された。3R-TaSe2 のペアリング相互作用が複数の対称性成分を持つこ結晶構造には C3v の対称性があるので、結晶構造とを示唆する結果が得られたことを意味する。今の空間反転対称性の破れに由来する SHG には、3後は THz-THG の励起周波数依存性を測定するこ

回対称、かつ特定の偏光依存性が期待される。しとにより、BS モード以外による THz-THG とのかし、観測された SHG の偏光は常に入射波に平行分離を行うことを計画している。

で、偏光依存性は等方的、結晶の面内方位に依存しなかった。今回測定した薄膜は、ドメインサイ

空間反転対称性の破れた超伝導体からの第二高調波発生

ズが数マイクロメートルの多結晶で、２種類の対

クーパーペアの波動関数は２つの電子の交換にそのため、波長が数百マイクロメートルのテラヘ対して反対称（パウリの原理）なので、スピン部分

ルツ波を用いた測定では、平均化され、空間反転と軌道部分の積として整理すると、シングレット

対称性の破れによる SHG が打ち消されてしまっ× 偶パリティ、もしくは、トリプレット × 奇パリ

たと考えられる。

称なドメインが等量含まれると考えられている。

ティのいずれかである。空間反転対称性がある系

非相反性による SHG は、入射テラヘルツ波のにおいては、波動関数は空間反転（パリティ）変極性を反転させても極性が変わらないことが期待換に対して固有値 λ = ±1 の固有状態でなくてはされるが、観測された SHG は、入射波の極性にならず、上記２つを足し合わせると、この条件が応じて極性が変化する「相反的」な振る舞いを示満たせなくなるので、超伝導秩序変数のパリティした。連続波を仮定すると、入射波の極性の反転は混成しない。逆に、空間反転対称性が破れた系

は、基本波で半周期、SHG にとっては１周期分のでは超伝導秩序変数のパリティ混成が許されるの

時間シフトと等価なので、相反的な SHG は発生で、単独の実現例が乏しいトリプレット・奇パリし得ない。すなわち、観測された SHG は、入射波

ティ超伝導の特性、例えばトリプレット性に由来がパルス的であることに由来すると考えられ、そする巨大な臨界磁場や、奇パリティ性に由来するの起源について考察を進めている。

非相反応答が発現しうる。実際に、空間反転対称

原子層物質性が破れた遷移金属ダイカルコゲナイド (TMD)
流の向きによって伝導度が変化する性質）が、超遷移金属ダイカルコゲナイド薄膜の光による集団モード励起と電子相制御

伝導転移温度 (Tc ) 直上の温度領域で観測されてお遷移金属とカルコゲン元素が二次元的に結合しり、空間反転対称性が破れた超伝導秩序変数が実た原子層物質である遷移金属ダイカルコゲナイド

現している可能性を示唆している。

は、低温で低次元性を反映して電荷密度波 (CDW)系超伝導体において、巨大な非相反電気伝導（電我々は、電気伝導では測定が困難な Tc 以下のゼ状態を示すものが多く存在する。この電荷密度波

ロ抵抗領域に対して、超伝導秩序変数の空間反転(CDW) 相に光照射をすると、平衡状態では出現し対称性の破れを調べるために、結晶構造の空間反ない隠れた秩序相への相転移が生じることが報告

転対称性が破れた TMD 系超伝導体 3R-TaSe2 のされており、光による電子相制御の対象として活発

56

な研究が進められている。最近我々はこのような
光誘起相転移現象に至る新たな経路として、CDW
相の集団励起モードである振幅モードの大振幅駆動を提案し、3R-Ta1+x Se2 を対象に高強度テラヘ
ルツ (THz) 波パルスによる CDW 振幅モードの二光子共鳴励起を行うことで、平衡状態にない絶縁体的な状態の観測に成功した。今年度は、この隠れた秩序相が発現する際に、平衡状態の CDW 秩
序がどのように抑制されていくか、その動的な融解過程を明らかにするために、高強度テラヘルツ波を用いた実験を行った。
図 1(a) に示す電場 2 乗波形を持つ高強度テラヘ
ルツ波を CDW 相の 3R-Ta1+x Se2 薄膜に照射した際の近赤外光の透過率変化のダイナミクスを調べたところ、図 1(b) のように励起強度が小さい領域では、駆動力が過ぎ去った後も CDW 振幅モー
図 1. (a) 高強度テラヘルツ電場の 2 乗波形。(b)ドの共鳴周波数と一致する 2.4 THz の自由振動が(a) のテラヘルツ波励起による 14 K(CDW

観測された。一方、励起強度を上げていくと、一転移温度以下) における近赤外光の透過率変定の強度以上で急激に自由振動のソフトニングや化。(c) CDW の秩序変数に対する自由エネ

ダンピングの増加が顕著になっていき、最終的にルギーの概念図。ソフトニングが見られる

は振幅モードが消失する振る舞いが観測された。

領域でポテンシャルが浅くなる様子を表し

これは、CDW 秩序と強く結合したフォノンを一ており、両矢印は秩序変数の振幅方向の振動

定の格子変位以上揺らすことで、他フォノンとのである CDW 振幅モードを示している。

非線形結合が増大し、急激に平衡状態の CDW 秩序が抑制され、融解に向かっていくことを示していると考えられる。また、Ginzburg-Landau(GL)ディラック・ワイル半金属モデルに基づき実験結果を秩序変数の時間発展のシミュレーションで再現することによって、振幅

磁性ワイル半金属 Co3Sn2S2 の円偏光誘起異
常ホール効果モードのソフトニングは図 1(c) のようなポテン

時間周期外場のもとでの量子系の状態を記述す

シャルの動的な変化を反映していることを突き止るフロッケ理論に基づき、量子状態を人為的に制めた。THz 波による振幅モードの大振幅駆動によ御する手法をフロッケエンジニアリングと呼び、近り、実際に CDW 秩序が動的に抑制され融解に至年理論的に盛んに研究が進められている。フロッ

るメカニズムを明らかにすることに成功したと考ケエンジニアリングの一つの興味深い側面として、えられる。

光による電子系のトポロジーの制御が挙げられる。
例えば 3 次元のディラック半金属に円偏光を照射すると、光によって時間反転対称性の破れを誘起
してワイル半金属へ転移する、フロッケワイル半
金属状態がフロッケ理論から導かれる。このとき、

57

ワイル点間の距離は光電場の 2 乗と周波数の −3

ルゲージ場の効果として期待される振る舞いであ乗に比例するカイラルゲージ場によってもたらさる。Co3 Sn2 S2 に即した有効模型による理論とのれることが知られている。現実の実験系で観測可定量性を含めた比較を行った結果、周期駆動下の能なカイラルゲージ場を誘起することは容易ではフロッケバンドにもたらされるベリー曲率分布になかったが、近年のレーザー光源技術の発展によ由来する異常ホール効果を観測したと考えられる。

り、これが可能になりつつある。我々は磁性ワイ

今後、フロッケワイル状態が実現しているかどう

ル半金属 Co3 Sn2 S2 のディラック電子相に着目しかを確かめるために、このカイラルゲージ場の大て、フロッケワイル状態の実現を目指して実験をきさの定量的な評価を進めていく予定である。

行った。

属 Co3 Sn2 S2 は、キュリー温度 (およそ 185 K) 以下

ディラック電子系 Bi における円偏光誘起テラ
ヘルツ異常ホール効果

で強磁性を発現する磁性ワイル半金属である。ワ

Bi は L 点に電子ポケット、T 点にホールポケッ

イル半金属に特徴的な線形分散バンドの交点 (ワトを有する半金属である。特に L 点の電子は通常

イルノード) がフェルミエネルギー近傍に存在し、の放物線的な分散関係ではなく、むしろ相対論的

フェルミエネルギー近傍に他のバンドが存在しな

量子力学におけるディラック方程式を模した分散いことから、その電子系がワイル方程式でよく記述関係に従うことから「ディラック電子」と呼ばれてできる物質として注目を集めている。一方でキュいる。ビスマスにおける巨大な反磁性、高効率なリー温度以上の常磁性相では 3 次元のディラック

スピン流・電流変換などの性質はこのディラック

半金属状態を示し、3 次元ディラック電子系の研電子の存在によって現在は理解されている。この究にも適した物質である。

ようなディラック電子系に円偏光を照射すること

Co イオンのカゴメ格子から成る磁性ワイル半金

照射する光には中赤外の超短光パルス (波長で周期的に駆動すると、有限のベリー曲率を獲得

4 µm、パルス幅 96 fs) を用いた。これは物質を破し、強度によってはディラック点をワイル点の対壊せずに大きなカイラルゲージ場を誘起するために変えられることがフロッケ理論から導かれる。

である。円偏光による時間反転の破れとワイル半

このように系が有限のベリー曲率を獲得した場

金属相への転移は異常 Hall 効果として現れること

合、dc やテラヘルツ帯で異常ホール効果が観測さが期待されるため、誘起された異常ホール伝導度れることが期待される。そこで、フロッケ状態のを低エネルギーの THz 波のファラデー回転を利実験的な観測を目的として、我々は Bi 薄膜試料に用して検出することを試みた。試料はスパッタリ

対して中赤外ポンプ・テラヘルツ波ファラデープ

ング法によって成膜した厚み 23 nm の Co3 Sn2 S2

ローブ測定を行った。具体的には、サファイア基薄膜を用いた。室温の Co3 Sn2 S2 薄膜に中赤外円板上に製膜した Bi 薄膜試料に対して中赤外円偏偏光パルスを照射すると、励起光パルスが照射さ光パルスとテラヘルツ波を同時に照射し、中赤外

れている間のみ有限の THz ファラデー回転が発パルスによる Bi 薄膜の変化をテラヘルツ波の偏現することがわかった。励起光強度・周波数依存

光回転を観測することを試みた。ディラック点の性の測定を行い、ファラデー回転スペクトルからみを選択的に励起できるよう、中赤外パルスには見積もられる異常ホール伝導度の大きさが弱励起

波長 4 µm のものを用いた。

領域で励起光の電場尖頭値の 2 乗に比例し、低周実験の結果、中赤外パルスが照射されている最波数での励起ほど大きく誘起されることが明らか中にだけ現れ、右円偏光と左円偏光で逆の符号をになった。これはフロッケ理論が予測するカイラ持つという、フロッケ理論から期待される性質と58

矛盾しないテラヘルツ異常ホール効果を観測する

以上におよぶ積算測定が可能となった。そのようことに成功した。さらに興味深いことにこの異常なキャリア–エンベロープ位相を安定化した中赤

ホール効果は励起強度の 1/2 乗に比例 (すなわち励外光パルスの電場波形測定の例を図に示す。今後

起電場強度に比例) するという性質を持つことがわ

は広帯域化によるピーク電場の強化と偏光の制御かった。このような振る舞いはディラック点近傍を行い、いよいよフロッケ状態の時間分解測定にのフロッケ理論に基づく変調では説明できず、実向けて測定系の整備を進めていく。

験結果の解釈にはディラック分散の 1 光子共鳴が5121/.+;(*43&(3:起きる領域の寄与が重要であることが示唆された。

654(*32+10)/.+-%&*,+'*)('&%$"!

位相安定超短パルス中赤外光源の開発
波長 3–50 µm の電磁波は中赤外光とよばれ、可""<",)&=2&3';+.7>?5"

視光とテラヘルツ光の中間の波長領域に位置する。

#!

中赤外光の光子エネルギーは多くのバンド絶縁体のバンド間遷移エネルギーに比べて 1 桁程度小さ#

いため、電子励起を抑えながら系を周期駆動でき

"1"

"16
7*8&+.945!1"る。このような周期外場下で固体はフロッケ状態

図 2. 電気光学サンプリングにより測定した振動とよばれる非平衡特有の状態となることが知られ数 20 THz の中赤外光の電場波形。挿入図ており、最近ではその観測例がいくつか報告されはそのパワースペクトラム

注目を集めている。さて、光外場による周期駆動現象を観測する際に、光パルスの包絡線に対するシングルショット磁気光学イメージン
グシステムの開発

搬送波の位相（キャリア–エンベロープ位相）が揃っていることは重要である。例えば、十分時間

上記フロッケ理論に基づくトポロジカル相制御

分解能の高いプローブを用いることで中赤外光のの研究に加えて、光によるトポロジカル磁性制御

振動に追随したコヒーレントな現象を実時間で観の研究を行った。様々なトポロジカル磁性材料に測できると期待される。このような新奇な量子現対してその光励起磁化ダイナミクスを明らかにす

象の観測を目的とし、位相安定な中赤外パルス光るために磁気光学イメージングシステムの開発を

源の開発を進めている。

進めた。特に、従来の時間分解磁気光学分光法で中赤外光は 2 台の光パラメトリック増幅器から採用されている繰り返し測定が適用できない、非出射される光による差周波発生によって発生させ可逆現象や、事象ごとに大きな揺動を伴うようなる。このときパラメトリック増幅器に用いるシー現象のダイナミクスを計測するために、光励起パ

ド光として同一のビームを用いれば、原理上はキャ

ルス一発に対してその磁化ダイナミクスを計測す

リア–エンベロープ位相が固定される。しかし実際るシングルショット磁気光学分光法の開発を進め、には光学系のわずかな光路長変化によって位相変フェリ磁性体 GdFeCo 薄膜のカー回転角を単発パ化が生じ、積算測定を行うと位相に敏感な応答はルスで検出できるシステムの構築を行った。今後平均化されて消えてしまう。そこで中赤外光の位は開発した磁気光学イメージングを用いてトポロ

相を常にモニタし、位相の経時変化を補償するよ

ジカル磁性材料の光誘起磁化ダイナミクスを調べ

うなフィードバックシステムを構築した。これにていく予定である。

より中赤外光の安定性は飛躍的に向上し、10 時間

59

受賞

学術講演

[1] Kota Katsumi: Low Energy Electrodynamics of Solids LEES-2020 Best Poster Award(Honorable mention)

国際会議
一般講演

[10] Hiroaki Niwa, Naotaka Yoshikawa, Masashi
Kawaguchi, Masamitsu Hayashi, Ryo
Shimano: Generation of radially- andazimuthally-polarized terahertz cylindrical
vector beams from spintronic terahertz
emitter,
CLEO/Europe-EQEC
2021,
Online, Jun. 4, 2021. (oral)

報文
原著論文

[2] Hiroaki Niwa, Naotaka Yoshikawa, Masashi
Kawaguchi, Masamitsu Hayashi, andRyo Shimano: Switchable generation of
azimuthally- and radially-polarized terahertz beams from a spintronic terahertz
emitter, Optics Express 29, 13331 (2021).
Editors’ pick[11] Kota Katsumi, Morihiko Nishida, Shigeki
Miyasaka, Setsuko Tajima and Ryo Shimano: Photoexcited nonequilibrium stateof underdoped YBa2 Cu3 Oy studied by theterahertz nonlinear optical response, Low
Energy Electrodynamics of Solids (LEES)2020, Online, July 7, 2021. (poster)[3] Naotaka Yoshikawa, Hiroki Suganuma,
Hideki Matsuoka, Yuki Tanaka, Pierre
Hemme, Maximilien Cazayous, Yann Gallais, Masaki Nakano, Yoshihiro Iwasa and
Ryo Shimano: Ultrafast switching to an
insulating-like metastable state by amplitudon excitation of a charge density wave,
Nature Physics, 17, 909 (2021).

[12] N. Yoshikawa, U. Narusaka, K. Nishizawa,
H. Matsuoka, Y. Tanaka, M. Nakano,
Y. Iwasa, R. Shimano: Terahertz pulseinduced melting of charge density wave
through the coherent excitation of amplitude mode in 3R-Ta1+x Se2 , Frontiers in
Optics + Laser Science, Online, Nov. 2,
2021. (oral)[4] Kazuki Isoyama, Naotaka Yoshikawa, Kota
Katsumi, Jeremy Wong, Naoki Shikama,
Yuki Sakishita, Fuyuki Nabeshima, Atsutaka Maeda, and Ryo Shimano: Lightinduced enhancement of superconductivity
in iron-based superconductor FeSe0.5 Te0.5 ,Communications Physics 4, 160 (2021).

招待講演[13] Ryo Shimano: Higgs mode as an ultrafast snapshot of order parameter in conventional and unconventional superconductors,
PIPT7 Photoinduced Phase Transition andCooperative Phenomena, Online, Nov. 10,
2021.

[5] Romain Grasset, Kota Katsumi, Pierre
Massat, Hai-Hu Wen, Xian-Huin Chen,
Yann Gallais, and Ryo Shimano: Terahertz
pulse-driven collective mode in the nematic
superconducting state of Ba1−x Kx Fe2 As2 ,npj Quantum Materials 7, 4 (2022).

[14] Sachiko Nakamura: Vortex dynamics studied by nonreciprocal terahertz responses,
The 34th International Symposium on Superconductivity (ISS2021), Online, Nov.
30–Dec. 2, 2021.

[6] Takumi Kamatani, Sota Kitamura, Naoto
Tsuji, Ryo Shimano, and Takahiro Morimoto: Optical response of the Leggett modein multiband superconductors in the linear
response regime, Physical Review B 105,
094520 (2022).

[15] Ryo Shimano: Ultrafast control of symmetry broken states in solids by terahertz
pulses, AC2 MP2021 Asia-Paciﬁc Conference on Condensed Matter Physics, Online,
Dec. 3, 2021. (keynote invited talk.)

学位論文[16] Ryo Shimano and Naotaka Yoshikawa: Amplitude mode-driven ultrafast transition
into a hidden state in a thin ﬁlm of transition metal dichalcogenide, SPIE Photonics
West, Ultrafast Phenomena and Nanophotonics XXVI, Online(video on demand),Feb. 21–27 , 2022.

[7] 西澤邦雄：空間反転対称性が破れた超伝導体
3R-TaSe2 におけるテラヘルツ高調波発生の研究（修士論文）[8] 松本陽行：テラヘルツ帯非線形光学応答を用いた鉄系超伝導体 FeSe1−x Tex の秩序状態に関する研究（修士論文）[17] Ryo Shimano: Ultrafast control of charge
density wave system and superconductors
by high ﬁeld terahertz pulses, SACLA
Users’ meeting 2022,”Recent achievements[9] 飯田雄大：電流注入下の s 波超伝導体におけるヒッグスモードの観測（修士論文）

60

伝導相からのテラヘルツ第二高調波発生（口頭発表）and future perspectives in materials scienceat SACLA”, Mar. 22, 2022.
国内会議[27] 西田森彦, 勝見恒太, Dongjoon Song, 永崎洋,
島野亮：光励起されたストライプ系超伝導体
La1.6−x Nd0.4 Srx CuO4 のテラヘルツ帯光学応
答（口頭発表）一般講演• 日本物理学会 2021 年秋季大会（2021 年 9 月
20–23 日、オンライン開催）[28] 鳴坂潮, 吉川尚孝, 松岡秀樹, 田中勇貴, 武藏摩紀, 中野匡規, 岩佐義宏, 島野亮：高強度テ
ラヘルツ光励起による 3R-Ta1+x Se2 の電荷密度波相融解のダイナミクス（口頭発表）[18] 吉川尚孝, 西澤邦雄, 鳴坂潮, 松岡秀樹, 田中勇貴, 中野匡規, 岩佐義宏, 島野亮：3R-Ta1+x Se2
電荷密度波相のテラヘルツ第 3 高調波発生（口頭発表）[29] 平井誉主在, 吉川尚孝, 河口真志, 林将光, 奥村駿, 岡隆史, 島野亮：Dirac 電子系ビスマス
における円偏光誘起異常 Hall 効果（口頭発表）[19] 平井誉主在, 吉川尚孝, 廣瀬葉菜, 河口真志,
林将光, 島野亮：円偏光励起による Bi 薄膜からのテラヘルツ波放射の温度依存性（口頭発表）[30] 小川和馬, 吉川尚孝, 平井誉主在, 藤原宏平,
池田絢哉, 塚﨑敦, 奥村駿, 岡隆史, 島野亮：強磁性ワイル半金属 Co3 Sn2 S2 のディラック電子相における円偏光誘起テラヘルツ異常ホール効果（口頭発表）• 第 13 回低温科学研究センター研究交流会（2022 年 3 月 9 日、東京大学）[20] 礒山和基, 島野亮：s 波超伝導体 NbN におけるヒッグスモードの自己相互作用とテラヘルツ波増幅（口頭発表）[31] 礒山和基, 辻直人, 寺井弘高, 島野亮：BCS 超伝導体 NbN における Higgs モード共鳴テラ
ヘルツ第 3 高調波発生の光誘起増強現象（口頭発表）[21] 鳴坂潮, 吉川尚孝, 松岡秀樹, 田中勇貴, 武藏摩紀, 中野匡規, 岩佐義宏, 島野亮：2 次元物質
3R-Ta1+x Se2 の高強度テラヘルツ光励起による電荷密度波相融解ダイナミクス（ポスター発表）[32] 松本陽行, 吉川尚孝, 小林友輝, 色摩直樹,
小川浩生, 鍋島冬樹, 前田京剛, 島野亮：
FeSe0.9 Te0.1 のテラヘルツ第３高調波発生（口頭発表）[22] 西澤邦雄, 中村祥子, 松岡秀樹, 田中勇貴, 武藏摩紀, 中野匡規, 岩佐義宏, 島野亮：超伝導体 3R-TaSe2 のテラヘルツ第二高調波発生（ポスター発表）

招待講演[33] 島野亮：テラヘルツ非線形光学応答の基礎と応用：超伝導体ヒッグスモードを例に, 日本
物理学会 2021 年秋季大会チュートリアル講
演, 2021 年 9 月 20–23 日, オンライン開催[23] 小川和馬, 吉川尚孝, 平井誉主在, 藤原宏平,
池田絢哉, 塚﨑敦, 奥村駿, 岡隆史, 島野亮：
強磁性ワイル半金属 Co3 Sn2 S2 の常磁性相での円偏光照射によるテラヘルツ異常ホール効
果の発現（ポスター発表）[34] 中村祥子：非相反テラヘルツ応答から見る磁束量子ダイナミクス, 日本物理学会 2021 年
秋季大会チュートリアル講演, 2021 年 9 月
20–23 日, オンライン開催[24] 松本陽行, 吉川尚孝, 小林友輝, 色摩直樹,
小川浩生, 鍋島冬樹, 前田京剛, 島野亮：
FeSe0.9 Te0.1 の超伝導相におけるテラヘルツ
第３高調波発生（ポスター発表）[35] 島野亮：THz 波で見る光励起された銅酸化物
高温超伝導体の電荷ダイナミクス, 京大基礎物理学研究所研究会「非自明な電子状態が生み出す超伝導現象の最前線：新たな挑戦と野望」, 2021 年 12 月 22 日, 京都大学

[25] 平井誉主在, 吉川尚孝, 廣瀬葉菜, 河口真志,
林将光, 奥村駿, 岡隆史, 島野亮：円偏光励起した Dirac 電子系ビスマスにおけるテラヘル
ツ異常 Hall 効果（ポスター発表）

セミナー• 日本物理学会 第 77 回年次大会（2022 年 3 月
15–19 日、オンライン開催）[36] 吉川尚孝：電荷密度波の振幅モード励起による絶縁体的状態, Online CMT seminars, 2021
年9月

[26] 西澤邦雄, 中村祥子, 松岡秀樹, 武藏摩紀, 中野匡規, 岩佐義宏, 島野亮：3R-TaSe2 薄膜超61

村川研究室村川研究室は、村川と修士課程 1 名、博士課程 3 名の大学院生の計 5 名で、4 K 以下の温度でヘリウムの凝縮体を研究の舞台とした量子液体および固体の研究を行っている。ヘリウムは最も軽い希ガスであり、相互作用が小さいため、量子現象が顕著に現れる物質であり、非常に興味深い物質である。また、不純物が少ないために実験研究をするにあたり非常に理想的な系である。本研究室では、物性物理学で対象となっている様々な現象をヘリウムという舞台を通じて研究を行う。また、その研究を行うための基盤として必要になる冷凍機の開発も行っている。

ヘリウムは低温科学研究センターが供給していフェルミ粒子である 3He では転移温度が非常に抑るように広く寒剤として使われている。これは、制されており、超流動がボースアインシュタイン

ヘリウムが一番軽い希ガスであるために、原子間凝縮由来であることの証拠の一つとなっている。

の相互作用が小さく、沸点が非常に低い（大気圧この超流動は電子系における超伝導と同じ現象で下で 4.2 K）ためである。研究者はこれを蒸発冷却あり、お互い相補的に研究がすすめられ、超流動・することで 1 K 程度の低温環境を容易に実現して超伝導の性質が明らかにされてきている。

いる。さらなる低温環境が必要な場合は、ヘリウ

また、圧力を上げるとヘリウムも固化するがそムの安定同位体の一つであるヘリウム 3 (3He)をの固体ヘリウムも原子が格子点に留まることなく用いることで、蒸発冷却により 0.3 K 程度、さら頻繁に移動する。そのため、興味深い様々現象がには 4He に「蒸発」させる希釈冷凍法を用いて現れるが、特に核スピン 1/2 をもつ 3He は多彩な

10 mK 程度の温度までの極低温環境を構築でき磁性を示すことがわかっており、多くの研究が行る。

われている。

このように、ヘリウムは広く寒剤として用いらヘリウムを研究対象とすることの実験的な利点

れているが、ヘリウム自体の性質も非常に興味深

としては不純物がほとんどない非常にきれいな系

いものである。それは、最初に書いてあるが、ひとであることがあげられる。不純物は全て容器の壁

えに、相互作用が非常に小さい軽い原子であるこに固着してしまうからである。また、電子系のよとによる。ヘリウムはその軽さのために、量子性

うに原子核による格子ポテンシャルもないために、が非常に強くでることから、低温で顕著な振る舞純粋に粒子間の相互作用のみを考慮すればよいのいを見せる。その筆頭ともいえるのが超流動であは大きな利点である。

る。前段落で大気圧下での沸点が非常に低いこと

このように、ヘリウムはただ単に寒剤としてだを述べたが、4He はその後、さらなる冷却を行っけでなく、さまざま物理現象の舞台となり、多くても大気圧下では固化せずに液体のまま存在する。

の研究者によって研究対象になってきた。その中通常の物質では固化することで並進対称性が破れ、でも超流動 3He は、近年のトポロジカル物質の研

液体の持っているエントロピーを放出するのであ究が盛んになる中で、その物質の一つとしてあげるが、液体 4He の場合それが存在しない。その代られ、興味深い研究対象である。

わりにボース粒子である 4He はボースアインシュ

本研究室では超流動ヘリウムとりわけ超流動 B

タイン凝縮する。その結果として、エントロピー相の表面状態や吸着した 2 次元ヘリウム 3 の磁性は減少し、液体 4He が粘性の無い超流動になるこに注目して研究を行っている。本年度は実験装置とが現象として現れる。この超流動は同位体での立ち上げを行うほか、コンパクトな新しいデザ

62

インの冷凍機の開発を他グループとの共同研究とルミ面にギャップが有り、端には局在したギャッ

して行っている。

プレスの状態が作られることが挙げられる。この特徴は、バルク・エッジ対応と呼ばれる。これは、超流動ヘリウム 3-B 相の表面マヨラナ状態
探索のための装置開発

トポロジカル物質のバルクのギャップが開いていヘリウム 3 はフェルミ粒子であるため、超流動界面を境に異なる値になるときに、トポロジカルになる機構は超伝導と同じく BCS 機構になる。し不変量が整数という量子化された値しかとれない

かし、そのクーパー対の対称性は通常の超伝導体

ことから、界面でギャップが閉じ、不変量がうまの s 波スピン一重項のものとは異なり、p 波スピ

く定義できなくなることが必要であるとシンプル

ン 3 重項となることが明らかになっている[1]。こに考えて理解できる。また、このギャップレスとれは、電子と異なり 3He は大きなハードコア斥力

なる表面状態の分散関係は運動量とエネルギーががあることおよびスピン間の相互作用が強磁性的比例するものになると指摘されている。

る部分で計算される有限のトポロジカル不変量が、であることに起因していると考えられている。p

本研究では超流動 3HeB 相ひいてはトポロジカ

波三重項超伝導体の候補はいくつかあるが、超流

ル物質の表面状態の詳細を明らかにするために、

動 3He のクーパー対が p 波三重項を持つことは表面アンドレーエフ反射率の角度依存性を明らか

NMR 実験などから明らかになっており、このことにする研究を進めている。アンドレーエフ反射はは超流動 3He を研究対象とすることの大きな利点

広義にはオーダーパラメータが空間変化しているの一つである。その他のバルクの性質もその不純領域に準粒子が侵入した際にその反粒子が同経路物の少なさから詳細に分かっているため[1]、表面を辿って反射する量子力学的な反射である。この状態の研究を行う上で理想的な舞台となっている。

反射確率は表面の状態に大きく依存するため、入超流動 3He はクーパー対の対称性が p 波スピン

射角によって変化することが理論計算によって示

3 重項のため、軌道角運動量 L が 1、そしてスピされている。この反射確率の角度依存性を測定し、ン角運動量も 1 である。そのために 3×3×2 = 18

表面状態を明らかにする。これは電子系で例えるの自由度を持つ。そのために、様々な状態を考えと角度分解光電子分光に相当する。

ることができ、それを反映して複数の相を持つこ測定は過去の研究[5]にならい、準粒子ビームはとが実験的に明らかになっている。本研究室では黒体輻射の方法で作成する。液体 3He で満たされ低温低圧に現れる B 相と呼ばれる相は BW 状態とた実験セル中に小さな容器をもう一つ用意し、そいう最も対称性の良い状態に着目している。

れに直径 0.2 mm 程度の小さな穴を開け、そこか

この超流動 3HeB 相は、かねてから表面で準粒ら飛び出す準粒子をコリメーターに通すことで子が散乱する際に秩序変数の符号が反転することビームとして取り出す。過去に、一つの入射角でを反映して、ギャップレスの表面アンドレーエフ

この測定は行われているが、本研究では、ビーム束縛状態が存在することが理論により示され[2]、の射出方向を変え、表面にさまざまな入射角で準実験で確かめられている[3]。近年、このアンド粒子ビームを打ち込みその反射率を小容器内部のレーエフ束縛状態もトポロジカル物質の議論の中温度計で観測する。

に組み込まれ、超流動 3He もトポロジカル物質であることが指摘されている[4]。トポロジカル物質
は理論・実験の両面からの研究が盛んにおこなわれており、大きな特徴としてバルク部分ではフェ63

図 1：射出される準粒子数の角度分布。青色は孔の入り口から直接出口に到達する粒子。赤色は一回以上孔中の壁で散乱した粒子。
左図：単位立体角当たりの粒子数

右図：同じ角度のものを積算したもの

グラファイト上に吸着した薄膜ヘリウム

小容器から飛び出す準粒子は細い孔を通じて射出される。もし無限の長さの穴であれば、すべてグラファイトは原子レベルでフラットな平面を孔と平行の方向に飛び出す。しかしながら、孔は持つために、気体原子を吸着させ 2 次元系を作成

有限の長さを持っているため、平行方向以外の方させる基板として広く用いられている。近年、熱向に飛び出す準粒子も存在する。今回、その分布

容量測定より、グラファイト基板のヘリウム吸着を数値計算で求めた。結果を図 1 に示す。計算に第 2 層に相当する層に綺麗に格子を組んだ固相でよると全粒子の 20%程度しか孔を通過することははない、量子液晶相が存在するのではないかとい

なく、おおよそ±45 度の範囲に射出した粒子は分う提案がされている。さらに、核磁性を持つヘリ布していることが分かる。本研究では入射角に対

ウム 3 の場合、その相は、強いフラストレーショ

する依存性を調べるために分布はなるべく細いほンや相互作用の競合により、複雑な磁性を持つこ

うがよいために、この先に絞りを追加し直進性をとが期待される。そこで、我々は相の微視的な情向上させることにした（図 2）。

報を得るため、核磁気共鳴法（NMR 法）による吸着第 2 層のヘリウム 3 の性質を調べるべく、準備を行っている。本測定においてはパルス NMR 法によって、横緩和時間(T2)を測定することを主眼としている。T2 はスピンの易動度と密接した関連性があり、これを測定することで相がリジットな
固相、格子状には並んでいるが粒子交換が頻繁に行われている相、流動性を持つ液体相のどの相であるのかを明らかにすることができると考えている。
また、ヘリウム 4 の場合、その量子液晶相は超流動性を示すような実験結果が様々なグループに

図 2：準粒子ビームの射出の様子の模式図64よって得られている。しかし、吸着基板の不均一用意し、それぞれを交互に消磁することで連続的性などから、該当密度は各研究グループで一致しに 1 mK 以下の超低温環境を維持することを目指ておらず、どの相が超流動性を示しているのか未している。

解明である。そこで、相を決定する熱容量測定と前年度までに完了した設計に基づき、今年度は超流動性を明らかにするねじれ振り子法による慣各部品の製作に取り掛かり、ほぼ部品は完成した。

性モーメント測定ができる実験セルを用いて、熱引き続きこれらの部品を組み上げ、完成を目指す。

容量と慣性モーメントの同時測定を行った。0.3 K

完成した場合、近年普及が進んでいる無冷媒型の以上の高温領域における測定から、量子液晶相と希釈冷凍機に充分搭載できる大きさであり、非常考えられている密度領域において、吸着したヘリに多くのユーザーへの拡張も期待できる。

ウム相はたしかに弾性率の上昇に寄与しており、この研究は、低温科学研究センター共同利用部

流体でなくなっていることが確認されたが、低温門の戸田亮氏および研究開発部門の福山寛氏との域では有限の超流動性を示すことを明らかにし、共同研究である。
また、本学理学系研究科物理学専攻の福山研究

並進対称性の破れと超流動性が同時に存在するこ室より核断熱消磁冷凍機の移設にともない、実験とを明らかにした。

室及び実験環境の整備を行っている。本研究室のこれらの研究は低温科学研究センターの福山寛

実験室のピットの仕様に合わせ、液体ヘリウム氏との共同研究である。

デュワーを更新した。また、移設後も大小問題がコンパクトな冷凍機の開発生じているため、問題の解決を行い、窒素温度に温度とはエネルギーに対する指標である。そのおける断熱真空管の漏れが最大の問題であることため、低温環境は基底状態やその励起状態であるが明らかになった。修繕が終わり次第、この冷凍

低エネルギーの領域を対象とする物性物理学の研機を用いて前述の超流動 3He の表面状態の研究お究に必須の舞台であるだけでなく、量子計算や雑よび薄膜ヘリウム 3 の NMR の研究を行う予定で音の低減による高感度測定が必要な高エネルギーある。

の分野等幅広い分野で必要とされている。10 mK程度までの極低温温度域に到達できる希釈冷凍機

他に、慶応義塾大学白濱研究室と共同でナノ多やさらに低い 1 mK 以下の超低温温度域に到達で孔体中のヘリウム 4 の研究を行っている。

きる核断熱消磁冷凍機は、部品数も非常に多く、装置が長大であり、抜き差しするための設置場所[1] 主な教科書としては、D. Vollhardt, and P.

を選ぶことや価格が高価になることおよび慎重な

Wölfle, “The Superfluid Phases of Helium 3”,

取り扱いを要することなどから、一部の専門的な1990 (London, Taylor & Francis); E. R. Dobbs,

研究者の使用にとどまっている。そこで、本研究“Helium Three”, 2000 (NY, Oxford University

室ではより多くの研究者に気軽に使用できるコン

Press)[2] Y. Nagato et al., J. Low Temp. Phys. 103 1

パクトで利便性の高い核断熱消磁冷凍機の開発を(1996).

行っている。

[3] S. Murakawa et al., J. Phys. Soc. Jpn. 80

従来型の核断熱消磁冷凍機はワンショット型の013602 (2011).

冷凍法のため、強力な希釈冷凍機、超伝導磁石お[4] R. Roy, 2008 arXiv: 0803.2868v1; S. C. Chan

よび核スピン母材となる大きな核ステージが必要

and S. C. Zhang, Phys. Rev. Lett. 103

であるが、本研究では、小さい核ステージを二つ

65

235301 (2009); A. P. Schnyder et al., Phys. Rev.
B 78, 195125 (2008).
[5] T. Okuda et al., Phys. Rev. Lett. 80 2857
2.

(1998).

研究成果リスト
発表論文
1. 4D-XY
Superfluid
Transition
andDissipation in 4He Confined in NanoporousMedia
Tomoyuki Tani, Yusuke Nago, Satoshi
Murakawa, Keiya Shirahama
Journal of the Physical Society of Japan 91,
014603 (2020).

3.

学会発表
1. 2 層 HD プレコートグラファイト上ヘリウム
3 のパルス NMR 測定に向けた装置開発
宮瀬知也，吉田研介，村川智
第 13 回低温科学研究センター研究交流会（オンライン）2022 年 3 月
2. 超流動ヘリウム 3 角度分解型量子 Andreev
反射観測装置の開発
吉田研介, 宮瀬知也, 村川智
第 13 回低温科学研究センター研究交流会（オンライン）2022 年 3 月
3. 角度分解型量子 Andreev 反射観測装置の開発
吉田研介, 宮瀬知也, 村川智
日本物理学会第 77 回年次大会（オンライン）
2022 年 3 月
セミナー発表1. 量子アンドレーエフ反射測定による超流動ヘ
リウム 3B 相の表面状態の研究
村川智
ヘリウム・オンラインセミナー（オンライン）
2022 年 2 月

4.

5.

Hiroshi Fukuyama
The International Conference on Quantum
Fluids and Solids (QFS2021) (online) 2021 年
8月
Development of a Superconducting Zinc
Heat Switch for the Continuous Nuclear
Demagnetization Refrigerator
R. Toda, S. Takimoto, S. Murakawa, andHiroshi Fukuyama
The International Conference on Quantum
Fluids and Solids (QFS2021) (online) 2021 年
8月
Superfluidity Found in the Possible Liquid
Crystal Phase of 2D 4He
J. Usami, R. Toda, S. Murakawa, and H.
Fukuyama
The International Conference on Quantum
Fluids and Solids (QFS2021) (online) 2021 年
8月
4D XY Quantum Criticality of Superfluid
4He confined in Nanoporous Gelsil Glass
T. Tani, Y. Nago, S. Murakawa, and K.
Shirahama
The International Conference on Quantum
Fluids and Solids (QFS2021) (online) 2021 年
8月
4He Confined in Nanoporous Media: 4D XY
criticality at Finite Temperatures
Keiya Shirahama, Tomoyuki Tani, Yusuke
Nago, and Satoshi Murakawa
The International Conference on Quantum
Fluids and Solids (QFS2021) (online) 2021 年
8月

解説記事
1. 超流動ヘリウム３の表面束縛状態
村川智
令和 2 年度低温科学研究センター年報
ノート 2021 年

研究受賞
1. 日本物理学会 学生優秀発表賞(領域 6)
吉田研介
日本物理学会第 77 回年次大会（オンライン）
2022 年 3 月

国際会議
1. Construction of Continuous Magnetic
Cooling Apparatus with Zinc Soldered PrNi5
Nuclear Stages
S. Takimoto, R. Toda, S. Murakawa, and藤井武則

両極性トランジスタを応用した熱電 p-n 接合の作製

トランジスタ（FET）の絶縁層として電解液を用

電気二重層トランジスタ（EDLT）は、電界効果

キャリア濃度を制御し、熱電変換性能の最適化をいたものであり、我々はこれまで EDLT を用いて66

行ってきた。カーボンナノチューブ(CNT)は、大き電圧を印加することによって直列の p-n 接合を作

な熱起電力を示すことが知られており、ゲート電製することを試みた。まず初めに、1 対の p-n 接圧によって、p 型と n 型両方のキャリアを誘起す合を作製し、熱電特性の評価を行った。図 1 に実ることができる。しかし、バルク材料と比べ、CNT

験の模式図を示す。VGS を 3 V に固定し、VGD を

シートは熱電変換素子に応用する上で、面直方向変化させることで Source 側に電子、Drain 側にの熱流を使いにくいという構造上の問題がある。

ホールを誘起することが出来る。図 2 に Drain 側、

トランスバース型熱電変換素子は、p 型と n 型のSource 側の熱起電力(それぞれ S1,S2)の VDS 依存

熱電材料を直列に接合し、接合部にヒートガイド性を示す。VGD を増加させると、S2 は負のまま、を付けることで縦方向の温度差を横方向に変換す

S1 が負から正へ変化することが分かる。これより、る構造となっており、薄膜や、素子の微細加工に物理的な接合無しに p-n 接合を作製できることが適している。ここでは、直線状の SWCNT シート

確認された。

に正極と負極を交互に付け、ゲート電極との間に
10
S1
S2

S (V/K)

5

0

-5

-10

0

1

2

3

4

5

6

7

VDS (V)

図 1: 実験の模式図

図 2: 熱起電力の VDS 依存性

研究成果リスト学会発表
3. Au-Al-Gd 系 1/1 近似結晶の磁性への異種元素添加の影響
津川嵩史, 鈴木慎太郎, 石川明日香, 藤井武則,
田村隆治
日本物理学会 2021 年秋季大会（オンライン）
2021 年 9 月
4. 超アンダードープ Bi-2223 単結晶の作製と磁場中輸送特性渡辺孝夫, 佐々木菜絵, 山口隼平, 小杉健太,
足立伸太郎, 掛谷一弘, 藤井武則, 谷口晴香,
松川倫明
日本物理学会 2021 年秋季大会（オンライン）
2021 年 9 月
5. 有機伝導体 κ-(ET)4Hg2.89Br8 の圧力下熱電効
果測定Ⅱ
若松浩大, 藤井武則, 鈴木悠司, 宮川和也, 谷
口弘三, 鹿野田一司
日本物理学会第 77 回年次大会（オンライン）
2022 年 3 月
6. アンダードープ Bi-2223 単結晶における負の電気抵抗の観測

発表論文
1. Revised phase diagram of the high-Tc
cuprate superconductor Pb-doped
Bi2Sr2CaCu2O8+ revealed by anisotropictransport measurements.
Keiichi Harada, Yuki Teramoto, Tomohiro
Usui, Kenji Itaka, Takenori Fujii, Takashi
Noji, Haruka Taniguchi, Michiaki
Matsukawa, Hajime Ishikawa, Koichi
Kindo, Daniel S. Dessau, and Takao
Watanabe
Phys. Rev. B 105, 085131(2022)
2. Mott-Driven BEC-BCS Crossover in a
Doped Spin Liquid Candidate κ-(BEDTTTF)4Hg2.89Br8.
Y. Suzuki, K. Wakamatsu, J. Ibuka, H.
Oike, T. Fujii, K. Miyagawa, H. Taniguchi,
and K. Kanoda
Phys. Rev. X 12, 011016 (2022)67渡辺孝夫, 山口隼平, 小杉健太, 佐々木菜絵,
足立伸太郎, 藤井武則, 谷口晴香, 松川倫明,
巴山顕, 掛谷一弘
日本物理学会第 77 回年次大会（オンライン）
2022 年 3 月

大越

7. 両極性トランジスタを応用した熱電 p-n 接合の作製
藤井武則
応用物理学会春季学術講演会（オンライン）
2022 年 3 月

慎一

液体ヘリウムは、基礎・応用研究に欠かせない

ロスジャパン」）では、東京大学（本郷、柏、駒

極限温度環境を作り出すだけでなく、MRI・量子

場 I、II）のみならず全国へとこの取り組みを拡コンピューター・磁気浮上列車などを通じて実げることを念頭に、これまでにない発想のゼロ

生活にも浸透しつつある重要な社会基盤である。

ロス新技術を開発する。本事業のポイントは、基また、光ファイバー・半導体製造、リークテスト

礎研究から直接社会に役立つ応用研究へ通貫し、など様々な産業分野で、最軽量の不活性なガス

産学連携による社会実装、SDGs 達成への世界規としてヘリウムの需要は大きい。米国がヘリウ

模の貢献、さらには FSI 活動を推進していくこと

ムガスの国家備蓄払い出しを終えた 2018 年以降、にある。以下に、研究開発項目を述べる。

バッファを失った世界のヘリウム需給バランス

１. 革新的なヘリウム吸着剤の開発は不安定な時代に突入した。全ヘリウム資源を

ヘリウムを無駄なく有効に活用するには、従輸入に頼る我が国の場合、輸入量の 8 割以上が来の常温圧縮ガスや極低温液体を利用する手法

全く再利用されずに大気放出されているのが現に代わる、新しい回収、貯蔵、運搬技術が必要で状であり、研究教育機関に限らず、国家規模でのある。本研究開発項目では、その新しい手法とし使用後ヘリウムガスの回収再利用の促進が待って新規ヘリウム吸着材を利用した低温吸着法をたなしの状況である。こうした状況の中で低温提案する。第一段階では液体水素の冷熱を利用科学研究センターでは 2019 年度から「ヘリウム・

した、第二段階では液体窒素冷熱を利用した革

ゼロロスキャンパスプロジェクト」のもと、本郷新的なヘリウム吸着剤の開発が目標である。ヘ

地区キャンパス内でヘリウム回収率向上の取り

リウムは量子物質であるため圧縮率が非常に大組みを進めてきた。本事業「ゼロロスキャンパス

きく、低温下での固体表面への吸着現象を利用

からゼロロスジャパン」（通称「ヘリウム・ゼロ

図１. 革新的なヘリウム吸着材の開発

68

は高圧ガス化に比べより高密度の貯蔵・運搬技

3. 物質の新機能に基づく新たな冷凍技術の開発術が期待でき、遠隔地であっても液化設備まで冷凍機に応用できるヘリウム以外の新しい作

ヘリウムを運搬して再液化・再利用する有力な業物質の基礎研究を進める。例えば既存技術に手段となる（図１）。また、開発した吸着材は水素

磁性体を利用した断熱消磁冷凍法があるが、広の高性能吸着材への展開も可能であると考えらい温度範囲で実用的な冷却力を得るには、異なれ、水素社会への貢献が期待される。これまでに、るスピン秩序温度をもつ磁性体からなる複数の従来の炭素材料を上回るヘリウム吸着能を有すステージをカスケード接続する必要があり、装る材料を見出しており、吸着量の温度依存性など

置が大型で複雑にならざるを得ない。また強磁の物理化学特性の解明を行っている。

場を発生する超伝導電磁石を別の手段で冷却すすることで高密度貯蔵が可能になる。本吸着法

る必要もある。そこで、スピン以外の自由度や磁2. ヘリウムの新たな応用を創り出す研究場以外の制御外場を利用した全く新しい熱作業

100 年以上の歴史と実績をもつ液体ヘリウム

物質の基礎研究を行う。これまでに、相転移材料

寒剤以外の冷却手段の開発あるいは改良にも取のスピンとフォノンを制御することにより、広り組む。例えば、作業物質のヘリウムガスを完全い温度範囲で駆動する革新的な固体冷却熱作業

密閉状態で循環させる「冷凍機」と総称される極物質（固体冷媒）の開発を進めている。新たに開低温発生装置はゼロロスの有望株であるが、機発した固体冷媒を使用することで、ガス冷媒に

械式ヘリウムガス圧縮機の使用電力とメインテ比べ、冷媒量を 1〜2%程度に削減できる可能性

ナンスのための高額な維持費が克服すべき課題がある。

である。一方、本事業で開発を目指す革新的ヘリ

本学はマルチフェロイクス物質をはじめ新物

ウム吸着剤は、この機械式ヘリウムガス圧縮機質開発に豊富な実績をもつ研究者を多数擁してを機械可動部分のないクリーンでメインテナン

おり、物質の新機能に基づいた画期的な冷凍技

スフリーの吸脱着式圧縮機に置き換える可能性

術を開発できる土壌があると言える。最後に、ヘを秘めており、その応用研究も進めている

リウムの国内供給は現在、激動の世界情勢の中（図 ２）。

益々厳しい状況に至っている。本学低温科学研究センターの取り組みは、その先見性に加えて学術基盤を支える上で極めて重要な役割を担っていると考えている。

研究成果リスト
特許
1. 福山 寛, 大越慎一, 特願 2020-063432
2. 福山 寛, 特願 2021-121403

図２. ヘリウムの新たな応用を創り出す研究福山 寛
液体ヘリウムコンテナからの液取り効率向
上技術の提案

米国やカタールからの海上輸送に頼っている。輸我が国は、国内ヘリウム（He）需要の 100%を大な液体 He 容器（ISO-40ft コンテナ）が使われ送には、約 4 万 L の内容積と高断熱性能をもつ巨69る。密閉された He 槽内は、2〜3 週間にわたる輸その他の物性研究

送期間中の入熱のもとで、入港時には温度・圧力

科学研究費補助金の下でここ数年来進めてきた、がおよそ 5 K・0.4 MPa の超臨界状態になっていグラファイト上吸着 He 単原子層の熱容量とねじる。この状態から抽出できる液体 He の重量は原

れ振り子の同時測定装置の開発について論文発表

理的に全量の 30%前後にとどまる。
国内の液体 He

し[2]、最終的な測定結果を国際会議で報告した[3]。

需要は He ガス需要の約 1/2 だが、あくまでこれ

これらは、当センターの村川研究室、戸田亮氏、中は平均値であり、個別の変動は大きい。また、一度村祥子氏との共同研究である。

に大量の蒸発 He ガスが発生すると、処理しきれ研究成果リストず大気放出に至る場合もある。世界的なサプライ
チェーン混乱のため輸送期間がさらに延びている

原著論文

昨今、液取り効率の悪さは一層深刻な問題となっ1.

A. Yamaguchi，H. Tajiri, A. Kumashita,
J. Usami, Y. Yamane, A. Sumiyama, M.
Suzuki, T. Minoguchi, Y. Sakurai, andH. Fukuyama, J. Low Temp. Phys. 208,
441 (2022).

2.

J. Usami, R. Toda, S. Nakamura, T. M
atsui, and H. Fukuyama, J. Low Temp.
Phys. 208, 457 (2022).

ている。
この問題を解決する新技術として、入熱で蒸発する He ガスを液体水素冷熱で低温吸着し、液取り効率を 70%まで上げる方法を発案した[5]。吸着した He は、荷揚げ後、吸着貯蔵槽のみを昇温することでガスとして制御しながら取り出せる。今学会発表

後、液体窒素冷熱で He を大量吸着できる画期的国際会議

な吸着剤が開発されれば、気液の取り出し自由度

3.

が飛躍的に高まり、大気放出の心配のない効率的な液体 He の長距離輸送が可能になると期待される。

J. Usami, R. Toda, S. Murakawa, andH. Fukuyama, International Symposiumon Quantum Fluids and Solids (QFS2021) (online, August 10–19, 2021).

他4件
国内会議

極低温での放射光 X 線回折実験

4.

ビーム強度、小さいスポット径、エネルギー安定性に優れる放射光 X 線散乱は、中性子散乱のような大きな単結晶試料を必要とせず、単原子層試料すら測定対象にできる。今回、兵庫県立大学とSPring-8 のグループが進める T ≈ 1 K での表面構

遠山晴子，秋山了太，橋爪瑞葵，一ノ倉聖，
飯盛拓嗣，松井朋裕，堀井健太郎，佐藤瞬亮，
保原麗，遠藤由大，福山寛，平原徹，小森文夫，長谷川修司，SiC 基板上の Ca インター
カレートグラフェンにおける超伝導，日本物理学会 2021 年秋季大会（オンライン，2021
年 9 月）．

造解析実験に参画し、予備実験ではあるが、表面

他3件

吸 着 し た He 単 原 子 層 の Surface Crystal

知的財産権の取得・出願

Truncation rod（CTR）散乱信号を世界で初めて5.

観測することに成功した[1]。結晶構造解析ができる硬 X 線領域での希釈冷凍機温度の放射光実験は前例がないが、熱シミュレーションを行い、我々の測定は 100 mK まで拡張可能であることも分
かった。

70

福山寛，ヘリウムコンテナ（特願: 2021-121
403）（出願日: 2021 年 7 月 26 日）.

ミリケルビン量子プラットフォームの開設
低温科学研究センター・研究開発部門
福山 寛
ミリケルビン量子プラットフォームについて
量子コンピュータの基本素子である量子ビットにはさまざまな方式が提案されているが、近年実用化への期待が急速に高まっているのが、ミリケルビン（mK）の極低温下でジョセフソン接合をもつ超伝導素子の量子もつれ状態をマイクロ波で制御・観測する超伝導方式である。また、表面微細加工技術を使った次世代の高感度量子センサの開発研究が素粒子物理学、宇宙科学、物質科学をはじめ広い分野で近年活発となり、ここでもできるだけ低温でセンサ素子を動作させる必要がある。今日、mK の実験技術は従来の低温物理学や物性物理学の枠を超えて、先端科学のユビキタスな素養の一つとなりつつある。
低温科学研究センターでは 2021 年 3 月、これら広い意味の量子技術のハードウェア研究開発に資する
新しい共同利用装置群を新規導入した。装置群は主に、3He-4He 希釈冷凍機、極低温マイクロ波エレクト
ロニクス、磁気特性測定システムの 3 つからなる。この導入は文部科学省「先端研究設備整備補助事業（量子技術分野）」[1]の対象機関として東京大学が選定されたことに伴うものである。これらの設備を学内にとどまらず学外の研究教育機関や企業も含めて広く共同利用に供し、mK 実験技術の普及教育を図る
目的で「ミリケルビン量子プラットフォーム」（略して mK プラットフォーム）を開設し、その活動を開始したので報告する。このうち、種々の素材や部品の磁気特性を測定するシステム（米国 Quantum Design
社製 MPMS3 型）については 2021 年 6 月から本格的な共同利用を開始し、すでに多くのユーザーに利用いただいている。その性能や利用にあたっての詳しい技術面の解説は既報である[2]。ここでは、2022
年度からの本格的な共同利用開始を目指して整備を進めてきた希釈冷凍機を中心に紹介し、具体的にどういう研究開発に利用できそうか、学内外のポテンシャルユーザーのヒントとなるような情報を提供したい。

希釈冷凍機
mK プラットフォームの中心設備は 10 mK の極低温を連続的に生成できる 3He-4He 希釈冷凍機（BlueFors 社製 LD400 型）である（図１）。その動作原理を簡単に説明する。寒剤として利用される液体ヘリウム（液体 4He）とその同位体である 3He の液体の 1 気圧下の沸点はそれぞれ 4.2 K と 3.2 K である。その飽和蒸気を真空ポンプで強制減圧すると沸点が蒸気圧とともに下がるので、それぞれ 1.4 K と0.3 K 程度の冷凍機になる。このとき冷却力は飽和蒸気圧に比例し、飽和蒸気圧は温度の指数関数で急減するので、この方法で 300 mK 以下の温度は実現できない。一方、希釈冷凍機では、3He 原子が絶対零度
でも液体 4He 中に濃度 6.6％まで溶け込むことができ（3He-4He 混合液）
、その中で気体のように振る舞
うという性質を利用する（厳密には縮退したフェルミ気体として振る舞う）。液体 3He にとって、液体 4Heへの混合は、蒸気圧が絶対零度でも有限かつ大きな値にとどまる“蒸発”現象のようなもので、この混合を連続的に維持できるようさまざまな工夫を凝らした装置が 3He-4He 希釈冷凍機である（詳細は[3]を参照されたい）。
本機は、最低温を生成する混合器の温度が 8 mK、混合器が 100 mK のときの冷却力が 0.6 mW という
大きな冷却能力をもつ（いずれも実測値で、冷却力は温度の 2 乗に比例する）。混合器温度にある実験空間は直径 270 mm・高さ 252 mm の円筒形と直径 270 mm・高さ 220 mm の円筒形の二ヶ所あるが、高71

混合器プレート (< 10 mK)
サーキュレータ、アッテネー
タ、マイクロ波同軸ケーブル
配線空間
量⼦ビットセル-2量⼦ビットセル-1
磁気シールド付 3T マグネット
連続核断熱消磁冷凍装置(0.8 mK) (開発中)

図１ 希釈冷凍機とマイクロ波エレクトロニクスの

図２ 希釈冷凍機内の実験空間に複数の測定全景。右側白い円筒形真空槽内の下部（点線部）が装置を搭載した場合の例。

実験空間。
さは最大 477 mm のものまで搭載できる（その場合の直径は 230 mm まで）。また、その空間に実装できる装置の重量は約 10 kg までである。真空槽や輻射シールドの着脱に要する時間は 2 名で 1 時間程度なので、扱いやすさも備えている。室温から最低温度までの冷却時間は 1.5〜2.5 日間で、搭載する測定装置の重量に依る。反対に最低温度から室温に戻るまでも同程度の時間がかかる。本機は 4 K までの冷却にパルス管冷凍機を使ういわゆるドライタイプの希釈冷凍機であるが、液体窒素フローを併用すると初期冷却時間を 8 時間以上短縮できる。測定装置の重量が増すほど短縮できる時間は長くなる。将来的には、
液体 He フローも追加することでさらに短縮できるかも知れない。共同利用装置の性格上、数ヶ月間にわたる連続冷却能力は必須ではないが、装置自体は半年あるいはそれ以上の連続冷却ができるよう設計されている。
超伝導方式の量子コンピュータの冷却には、液体ヘリウムを寒剤とするいわゆるウェットタイプよりもドライタイプの希釈冷凍機の方が適している理由を説明する。現行方式では、量子ビット数が 10 ビット未満の装置であっても数十本のマイクロ波同軸ケーブルを室温から混合器まで導入する必要があり、クライオスタットのネック部の直径は優に 400 mm あるいはそれ以上になる。ウェットタイプでここまでネッ
ク径が大きくなると、液体ヘリウム蒸発量が経済的・労力的な許容範囲を超えてしまう。室温部からの輻
射熱や蒸発ヘリウムガスの対流による熱流入はネック径とともに急増するからである。ネック部の長さを増やして蒸発量を減らそうとすると、液体ヘリウムデュワーが長大となってしまい、特殊な実験室や多くの専任スタッフが必要となることから、設備の導入や維持のハードルは高い。これに対し、ドライタイプの場合、この程度の熱流入はパルス管冷凍機の一段目ステージの冷却力でカバーでき、より大きな熱流入にはパルス管冷凍機の増設で対処できる。そして、真空槽が室温部にしかないため、これを 2〜3 セクションに分割して標準的な部屋（例えば天井高 2.6 m）に大型希釈冷凍機を設置できる、というメリットは大きい。

72

マイクロ波測定エレクトロニクス
本機には、主に超伝導量子ビット実験を想定して、入力用として各温度ステージに 6〜20 dB のアッテネータで熱アンカーした低温マイクロ波同軸ケーブルが計 24 本室温から混合器まで配線されている。出
力用には 4 本の同軸ケーブルが混合器から室温まで配線されているが、4 K ステージまでは超伝導材料（NbTi）で製作されており、同ステージでは低温プリアンプ（LNF 社 LNC4 8C 型×2、LNC0.3 14A 型×2）とアイソレータ（LNF 社 ISISC4 8A 型×2、CIISC4 12A 型×2）が装備されている。なお、各温度ステージには未接続の SMA コネクタも 4 つずつ用意されており、ユーザー独自の低温同軸ケーブルを配線することもできる。
極低温下でのマイクロ波実験用に、局所発振器（≤ 12.5 GHz×12ch）、任意波形発生器（1 GSa/s×16ch,
14 bit）、各種シングルサイドバンド変調器、イメージ除去復調器（4〜8 GHz / 30〜90 MHz×2ch、8〜
12 GHz / 30〜90 MHz×5ch）、デジタイザ（500 MSa/s×8ch, 14 bit）、ネットワークアナライザ（≤ 20 GHz×2）等のエレクトロニクス一式を揃えている。
このように、キャリブレーションの必要のない単一側波帯（SSB）方式を採用し、現状で超伝導量子ビットのマイクロ波制御・読み出し実験が 10 量子ビットまで実施できる設備になっている。測定の種類にも依るが、将来的に 16 量子ビット程度までは拡張の余地がある。さらに、量子ビットの光情報伝達やハイ
ブリッド量子系の研究を想定して、混合器ステージまで光ファイバー（シングルモード、波長 1550 nm）
が 4 本敷設してある。必要ならば他種のファイバーケーブルも導入可能である。

量子物性測定本機には、量子物性測定用に 3.0 テスラ（T）の磁場を発生する小型磁気シールド付超伝導マグネットが設置されている。ボア径は 25 mm で、発生磁場の不均一度は中心軸上長さ 6 mm にわたり 1×10−4 以
下、20 mm にわたり 1×10−3 以下、50 mm にわたり 1×10−2 以下である。これを FeCoV 製の磁気シー
ルド（外径 69 mm、高さ 170 mm）で覆うことで、シールド外への漏れ磁場を、距離にも依るが 0.1 mT
以下に遮蔽している。
このマグネット内に試料を挿入することで、10 mK・3 T の極低温・高磁場下で比熱、交流磁化率、電気伝導、熱伝導、ホール伝導など多様な熱的・磁気的測定が可能となる。正確には、それらを必要とするユーザーと測定系を一つ一つ立ち上げている段階である。
これらの物性測定をサポートする交流レジスタ
ンスブリッジ、交流インダクタンスブリッジ、ロックインアンプ、直流及び交流電流・電圧発生器、周波数カウンターなど基本的な計測器が揃っており、ユーザーが持ち込む測定機器を接続することもできる。
多様な測定や制御に対応するため、前述のマイクロ波同軸ケーブル以外に多彩なリード線が室温から混合器まで配線されている。具体的には、数十 MHz 以下の交流測定用としてセミリジッド同軸ケーブルが12 本（各温度ステージにアッテネータは装着されていない）、高周波の外来ノイズに弱い測定のために
THERMOCOAX ケーブルが 12 本、リン青銅ツイストペアが 12 対（24 本）、銅線（高温部）と超伝導
NbTi 線（低温部）を直列接続した低抵抗のツイストペアが 12 対（24 本）配線されている。
希釈冷凍機の混合器温度は 10〜300 mK の範囲ならばヒーター制御だけで自由に変えられる。もっと広い 0.3〜300 K の範囲も測定可能であるが、本機のような比較的大型の希釈冷凍機の場合、“高温”域の測定は初期冷却や最終昇温の際のデータ取得に限られる。熱スイッチを介することで試料のみの温度を
15 mK〜4 K の範囲で自由に変えられる技術開発も、機会があれば今後進めたい。

73mK プラットフォームの運営
本設備は、量子コンピュータに直結する研究に限らず、次世代の量子ビットや量子センサ開発に資する研究やその基礎となるような量子物質の物性研究まで幅広い実験研究に利用していただける。また、東京大学だけでなく国内他機関や企業の関係者も利用できるのが大きな特徴である。設備の利用料金は、「ユー
ザー負担」の原則に基づき、低温科学研究センター運営委員会で適切に決められている。詳しくはウェブ
ページ[4]をご覧いただきたい。
希釈冷凍機の初期冷却と昇温には上記のように数日間を要するので、共同利用期間の最小単位は 1 週間とし、冷却期間の前後には測定装置の入れ替えのために 1 週間ずつの準備期間を設けている。本機がもつ大きな実験空間を活かして複数の実験装置を同時搭載し、同時測定あるいは time sharing などで時間的・経済的な効率を上げる試みも今後、試行する予定である（図２はその一例）。運営スタッフが利用開始前にユーザーと測定手法や試料の組み込み方法について、十分打ち合わせをさせていただいている。
共同利用は 2021 年 11 月から試行的に国内企業１社に対して実施したが、本格的には 2022 年度から
始まる。

まとめ
本稿では、動き始めた東京大学低温科学研究センターのミリケルビン量子プラットフォームの設備と運営の概要を紹介した。こうした共同利用設備は世界でもほとんど類例を見ない。できるだけ広い分野の研究者にとって使い勝手の良いものになるよう、ユーザーとの共同作業が進んでいる。
「間口が広く敷居も低いが高性能の共同利用設備」が目指すところである。今後、その機能がどのように強化され、どのような研究成果が生まれてくるか、運営に携わる我々自身、楽しみにしている。
最後に、mK プラットフォームの設備導入や開設は、以下のように多くの方々のご協力のもとで実現しました。この場を借りて厚くお礼申し上げます。相原博昭理事・副学長、浅井祥仁教授（大学院理学系研究科）、湯本潤司教授（同）そして理学系研究科等事務部経理課経理チーム及び低温科学研究センター事
務室の皆さまには、設備の導入にあたり多大なご尽力をいただきました。低温科学研究センター前セン
ター長の大越慎一教授（大学院理学系研究科）と現センター長の鹿野田一司教授（同工学系研究科）からは、mK プラットフォームの開設にご理解と惜しみない援助をいただいています。野口篤志准教授（大学
院総合文化研究科）からは、マイクロ波エレクトロニクスの選定をはじめ量子ビット実験の組み込みについて、継続的な助言をいただいています。戸田亮技術専門職員（低温科学研究センター・共同利用部門）には筆者と共に運営スタッフとして、瀧本翔平氏（大学院理学系研究科・博士課程）には当センター内ユー
ザーとして日々協力いただいています。

参考文献[1] 先端研究設備整備補助事業（量子技術分野）：
https://www.mext.go.jp/b_menu/boshu/detail/mext_00085.html[2] 戸田亮「磁化物性評価システム(MPM3)の紹介」、2020 年東京大学低温科学研究センター年報（pp.
93–98)[3] 福山寛「希釈冷凍機の原理としくみ — ミリケルビン温度の獲得」：
http://qfs2018.sakura.ne.jp/kelvin/files/dilution_fridge_v1.x.pdf[4] ミリケルビン量子プラットフォーム：

http://www.crc.u-tokyo.ac.jp/FSI/index.html

74共同利用部門 業務報告
低温科学研究センター・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
究者に低温科学研究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）、磁化物性評価システム（カンタム・デザイン社 MPMS3）、物性評価システム（カンタム・デザイン社 PPMS）、14T 超伝導電磁石という 4 種類の極低温実験装置の貸し出しを行い、極低温を要する学術研究のサポートを行っている。

共同利用研究室
本年度も、工、理の 2 部局に対し、全 4 研究室、138 m2 の貸出を行った。使用料金は昨年度と同じ
2,000 円/m2/月で、電気・水道・電話などの研究活動に伴うランニングコストは別途実費を請求している。
それぞれの研究室の活動内容については、共同利用研究室研究実績報告に掲載されているため、参照い
ただきたい。

共同利用装置
昨年度末に導入された磁化物性評価システム(MPMS3)の共同利用を本年度 6 月より開始した。本年度の装置使用料金は、MPMS、MPMS3、PPMS の使用については 1 日 7,000 円、依頼測定料金については PPMS が 1 日 17,000 円、MPMS 及び MPMS3 が 1 日 12,000 円、産学連携利用については 1 日
27,000 円（いずれも寒剤費込）とした。14T 超伝導電磁石は寒剤費別で 1 日 560 円であるが、本年度の利用はなかった。
図 1 は、主に電気・熱特性の評価に使用される PPMS の使用日数の推移である。本年度は 3 部局 13
研究室から 144 日の共同利用（うち 1 日は依頼測定）があった。過去三年の共同利用使用日数は横ばいとなっている。
図 2 は磁化測定を行う MPMS, MPMS3 の使用日数の推移である。本年度は 4 部局 17 研究室からMPMS については 162 日、MPMS3 については 155 日の共同利用があった。MPMS の後継機にあたる
MPMS3 が使用可能になったことで、これまで MPMS を利用していたユーザーの多くが MPMS3 を利用するようになり、後半期には MPMS を利用する研究室が減少した。現在は、センターの MPMS3 に未装備のオプション（AC 測定、超低磁場、オーブン）を使用するユーザーや、長期の占有が必要な測定を行うユーザーが主に MPMS を使用している。これまで、できるだけ多くの研究室の使用要望に応えるた
め、長期の連続測定などは困難であったが、現状ではマシンタイムに余裕があるので、MPMS を用いた
長期間の連続測定の要望にもある程度対応可能になっている。要望があればご相談いただきたい。
共同利用装置全体では 4 部局 23 研究室の利用があった。また産学連携利用はなかった。
昨年度導入された希釈冷凍機及び極低温マイクロ波システムについては、別稿「ミリケルビン量子プ
ラットフォームの開設」をご参照いただきたい。

75

図 1 物性評価システム（カンタム・デザイン社 PPMS）の使用日数

図 2 磁化測定装置（カンタム・デザイン社 MPMS, MPMS3）の使用日数76液化供給部門 活動報告
低温科学研究センター・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)2021 年度の液体窒素供給量は 491,408 L (図 1)、液体ヘリウム配達供給量は 248,337 L だった(図 2)。

いずれも前年度より大幅に増加した。

図 1 年度別 液体窒素供給量
表 1 令和 3 年度 液体窒素使用研究室数
医学系研究科35 研究室

情報理工学研究所

2 研究室

工学系研究科

89 研究室先端科学技術研究センター

1 研究室

理学系研究科60 研究室

生産技術研究所

1 研究室

農学生命科学研究科

88 研究室素粒子物理国際研究センター

2 研究室

薬学系研究科28 研究室総合研究博物館

2 研究室

医学部附属病院

56 研究室大気海洋研究所

1 研究室

新領域創成科学研究科

4 研究室

地震研究所

2 研究室

アイソトープ総合センター

3 研究室

定量生命科学研究所

18 研究室

環境安全研究センター

3 研究室

フォトンサイエンス研究機構

1 研究室

国際高等研究所

2 研究室

低温科学研究センター

3 研究室
合計

77

20 部局、401 研究室

図 2 年度別 液体ヘリウム配達供給量

表 2 令和 3 年度 液体ヘリウム使用研究室数
工学系研究科30 研究室薬学系研究科

9 研究室

理学系研究科16 研究室医学部附属病院

1 研究室

農学生命科学研究科

4 研究室

低温科学研究センター

3 研究室

合計

2

6 部局、63 研究室

ヘリウム回収率の向上への取り組み
低温科学研究センターでは 2019 年度からヘリウム・ゼロロスキャンパス事業として本郷キャンパス内のユーザへヘリウム損失の削減に協力を求めている。本郷キャンパスで蒸発ガスを回収して供給を受けている研究室全体でのヘリウム回収率は 96.4%で、前年度より 0.7
ポイント改善した。

図 3 本郷キャンパス蒸発ヘリウムガス回収率78

3

寒剤供給料金令和 3 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 令和 3 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

67

15L 超 25L 以下

61

25L 超 35L 以下

55

35L 超 120L 以下

51

令和 3 年度 液体ヘリウム使用料金
供給価格 ＝ 254 × 課金対象供給量 (L) ＋ 2,490 × 損失ガス量 (m3)4・・・(1)

保安管理体制低温科学研究センターは、高圧ガス保安

表 4 令和 3 年度 低温科学研究センター保安管理体制

法に定められた高圧ガス第一種製造者と保して東京都の許可を受け、研究室へ供給す保安統括者代理者

る液体窒素の大量貯蔵やヘリウムリサイ

保 安 係 員 代 理

クルシステム(回収・液化)の運転や設備維持管理の他、利用者や従業者を対象とした保安教育などの保安活動を行っている。令

保

安

安

統

括

係

者

員

保安係員代理者

センター長

鹿野田 一司准教授

村川 智

技術専門職員

阿部 美玲

助教

藤井 武則

和 3 年度の保安管理体制を表 4 に示した。

技術専門職員

今後も日常点検を始めとする通常業務に技術専門職員

寺岡
戸田

総一郎
亮

加え、法定義務講習や各種講習会への参加などを通じて保安技術の習得・向上に努
め、設備安全の維持に尽力したい。

5

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)を対象とした容器等再検査サービスの検査台数は 38 本と、昨年度の 29 本より増加した。製造後 20 年を超えると再検査期間は 5 年に 1 度から 2
年に 1 度に短縮されるが、それに該当する容器が増加しており、再検査本数は来年度も増える見通しで
ある。

79

6

その他
2021 年度はセンター内液体窒素充填設備の小分け汲み出し全 5 系統のうち 2 系統の金属製フレキシブ

ルチューブが経年劣化したため交換した。近年は軽微な不具合件数が増加傾向にある。
本郷キャンパスヘリウムリサイクルシステムのうち薬学系サブセンター(薬学部総合研究棟)のガスバッグが経年劣化により損傷したため 2022 年 1 月に交換した。
また、蒸発ヘリウムガス回収配管網の基幹回収配管から農学部 3 号館に至る分枝配管(弥生キャンパス内)の老朽化が進み、使用中にヘリウムリークならびにセンター回収ガスへの著しい不純物混入が認められたため、2022 年 3 月までに本部施設部ならびに農学生命科学研究科と協力して配管改修工事を行なった。なお、この工事は「ヘリウム・ゼロロスキャンパス事業」の一環として実施された。

7

本郷キャンパスヘリウムリサイクルシステムとヘリウムガス補充
ヘリウムは日本で産出しないため国内では全量が輸入によりまかなわれている。本学各キャンパスでは長年に渡りそれぞれのリサイクルシステムを運用して貴重な資源の有効活用に努めている。本郷キャンパスの場合、液体ヘリウムは各建物の研究室で使用されて蒸発し気体ヘリウムとなり、キャンパス内の回収配管網を通じて浅野キャンパスに所在するセンターに集められ、高圧ヘリウムガス乾燥器で水分が除去され原料ガスとして貯蔵される。この原料ガスからヘリウム液化システムで液体ヘリウムが製造されて再び供給されている。2021 年度末の時点で本郷キャンパスのヘリウムリサイクルシステムに参加している建物からセンターの液化回収システムまでの流れを図 4 に模式的に示した。
センターでは蒸発したはずのヘリウム量に対する回収したガス量の比を「回収率」と呼んでいる。理想は蒸発したヘリウムを一粒たりとも逃がさずに回収して再液化することで、回収率 100％を常に維持できればこのクローズドなリサイクルシステムにヘリウムを補充する必要は無い。ただ、現実には次のよ
うなときはリサイクルシステムへのヘリウム補充が不可欠となる。
(1) リサイクルシステム全体の規模が大きくなるとき。
(2) 何らかの理由によりリサイクルシステム内のヘリウム量が減ったとき。
(3) ヘリウム純度の低い原料ガスが液化機に流入したとき。
上述のうち(1)はセンター内の液化回収設備増強などリサイクルシステムが有するヘリウム総量が短期間のうちに大幅に増えるときである。また、2019 年度に始まった「ヘリウム・ゼロロスキャンパス事業」では上述(2)の削減を目指している。ユーザ研究室の皆様から多大な協力をいただいたおかげで2021 年度の回収率は本稿 2.ヘリウム回収率向上への取り組み図 3 に示したとおりとても良好だった。
この項では上述の(3)について説明する。
液化運転中に液化システムの中に入ってしまった不純物(主に空気)は液化機の内部精製器[1]を通じてシステムの外へ排出される(精製)。多量の不純物が流入すると、精製速度が落ち、一時的に系内のガス流量が液化運転に必要な最低限の流量を下回るのでその場で純ヘリウムガス(99.995%以上)を補充して液化運転を継続する。もし蒸発ヘリウムガスに不純物が全く含まれなければ必要ない操作だが、現実にはさまざまな理由から微量の不純物混入は免れない。それを速やかに検知するため各研究室やセンター
内には純度計が設置されている。センター内で純度異常に気づいたときは、その都度、ユーザへのメー
ル周知やセンター技術職員による点検を通じて状況改善を試みている。また、2014 年度に基幹回収配80

図 4 本郷キャンパスのヘリウムリサイクルシステム 参加建物と回収システム・液化システム。
ほとんどの建物内は正圧。基幹回収配管と工４、武田先端知、低セの各建物内は負圧。

管から弥生キャンパスに至る分枝配管においてヘリウムリーク並びに微量の不純物流入が見つかった[2]が、2021 年度に配管改修工事が完了した後は原料ガスだけでの液化運転時間が劇的に伸びて、純ガス補充の頻度を大幅に減らすことができた。工事前後の内部精製運転状況の変化に関する詳細は、本年報の技術ノート「本郷地区キャンパスヘリウムガス回収配管の部分更新と液化機運転状況の改善」を参照
いただければと思う。
近年は社会情勢の急激な変動により一時的にヘリウムの入手がままならない時期もあるが、情勢に左右されずにユーザの皆様に液体ヘリウムを使った活発な研究教育活動を続けていただくため損失ヘリウ
ム量の削減と液体ヘリウムの安定供給に今後も尽力したい。

参考[1] 東京大学低温科学研究センター 年報 2011、p85、「内部精製器の設定条件と精製ガス中の不純物濃度」、戸田他[2] 2015 年度まで年に 1 回程度、基幹回収配管にヘリウムリーク箇所が無いことの確認を目的として、
キャンパス内の建物外の回収配管全体をヘリウムガスで加圧する気密試験を実施していた。2014 年度に81

基幹回収配管と弥生キャンパスを結ぶ区間にリークが見つかり、複数の状況から配管が老朽化しているためと推定された。なお、この回収配管の気密試験では蒸発ガス回収を伴うすべての日常業務と各研究室での液体ヘリウム使用を休止(約半日)することと加圧用の圧縮ヘリウムガスが必要である。ユーザ研究室とセンター双方に負担が大きく休止中設備からの大気放出のリスクがあることに加え近年のヘリウム入手難や供給規模拡大に伴う業務量の増大が重なり、2016 年度以降は実施を見送っている。今後の実施
方法については検討中である。

82

全般的な活動報告

安全講習会
低温科学研究センターでは、学内での寒材や高圧ガスによる事故を未然に防ぐため、また、寒材や高圧ガス（特に、希少で高価なヘリウム）を、無駄なく上手に使うため、専門知識を持った教員が安全講習会を行っている。この講習は、高圧ガス保安法に定められた従業者に対する保安教育も兼ねているが、センターが供給する液体窒素・液体ヘリウムの利用者のみならず、本郷キャンパス内で寒剤・高圧ガスを取り扱うすべての人を対象としている。本年度の講習会は、昨年に引き続きコロナウィルス感染拡大防止のため、対面の講習会は行わず、全て e-learning で行った。また、本年度より、英語の e-learning 教材も準備し、留学生の安全講習への対応を行っている。独自のキャンパスで講習会を行えない白金、駒場キャンパスでは、環境安全本部が高圧ガス取扱者講習会（寒剤講習を含む）を開催しており、昨年度は、低温科学研究センターから講師を派遣していたが、本年度は、低温科学研究センターの e-learning を受けてもらうことになった。
ITC-LMS への登録者数及び合格者数（カッコ内）は安全講習会 607（516）名、高圧ガス講習会 151（132）名、医学部に進学予定の教養学部生に対する講習会 111（102）名であった。共通 ID を持たない
学外の受講者 19 名を含めると、すべての講習会の合計人数は、866（769）名と、例年と比べてかなり多く、e-learning の導入により時間の制約がなくなり、受講しやすくなっていると考えられる。
図に、安全講習会の受講者の所属と身分を示す。受講者の所属は、人数の多い方から順に、工学系 190
名、農学系 116 名、理学系 103 名、医学系 73 名となっている。これに、医学部進学予定の教養学部学生を加えると、医学系 175 名と、2 番目に多くなる。
受講者の身分を見てみると、修士課程 1 年が 137 名、学部 4 年が 118 名、博士課程 1 年が 56 名と、研究を始めたばかりの学生が多く受講している。
「実験を行うには講習を受けなければならない」という認識がかなり広がってきていると思われる。
安全講習会のアンケートによると、講習会動画についての感想は、「分かりやすかった」、もしくは、「とても分かりやすかった」と回答した割合が、講習会の 3 つのパートすべてにおいて 80％以上と非常に評価が高い。一方、テストの感想は、「やや難しかった」もしくは、「難しかった」と回答した割合が、「高圧ガス保安法と本学での高圧ガス等管理」で 53％と非常に高く、法令への苦手意識を感じられる。法令上の高圧ガスかどうかを問う数値の問題が特に難しかったようであるが、知らない間に法令を違反していることになりうるので、きちんと覚えていただきたい。
その他、アンケートには、対面での講習を望む声もあり、来年度は、感染状況によりハイブリット開催も検討してもよいのではないかと思う。

（藤井 記）

84

第 13 回低温科学研究センター研究交流会
令和 4 年 3 月 9 日（水)、第 13 回低温科学研究センター研究交流会が開催された。新型コロナウィル
ス感染拡大防止のため、昨年度に引き続き、オンライン方式での開催となった。理学系、工学系、農学生
命科学、薬学系、新領域創成科学の 5 研究科と生産技術研究所に所属する学生・研究者によって、9 件の口頭発表と、58 件のポスター発表が行われた。口頭発表の午前・午後、ポスター発表の４セッションには、各々60 名前後が参加し、全体で 110 名の参加者があった。口頭発表は、コロナ前の平成 30 年度か
ら数えて 3 年ぶりである。その間に、発表者も聴衆も Zoom を使いこなしており、ほぼトラブル無く、ハイレベルな研究発表を楽しむことができた。
交流会終了後にはアワード審査が行われ、瀧口耕介さん（工学系研究科・電気系工学専攻・博士課程 3年）にベストプレゼンテーション・アワード、金田真悟さん（工学系研究科・電気系工学専攻・博士課程
1 年）、渡邊竜太さん（工学系研究科・物理工学専攻・博士課程 2 年）、武藏摩紀さん（工学系研究科・物理工学専攻・修士課程 2 年）
、関根孝彦さん（工学系研究科・物理工学専攻・博士課程 1 年）、高木寛貴
さん（工学系研究科・物理工学専攻・修士課程 2 年）
、Yuanfei LIU さん（理学系研究科・化学専攻・博士課程 2 年）の 6 名にベストポスターアワードが贈呈された。
ポスターセッションでは、昨年度と同様に Zoom のブレイクアウトルームを利用したが、同時に発表する件数を、昨年度の約半分、14~15 件まで減らし、ディスカッションの活性化を図った。Zoom のブレ
イクアウトルームを用いる場合、発表者がルームを離れるとポスターを投影できなくなるため、聴衆がいなくても、発表者はその場を離れられない。現地開催の場合なら、興味を持っていそうな参加者を呼び込んだり、発表者どうしで目配せして互いのポスターを聴きに行ったりすることも可能だが、それぞれのブレイクアウトルームで、現実にはディスプレイの前でヘッドセットを付けて、黙って待つしかない
孤独は、昨年度、発表者として参加したときに痛感させられた問題だった。それを受けて、今年度は、発表者を 4 グループに分けたところ、発表者の 3 倍程度の聴衆が訪れる状況になり、各ルームとも、無人の時間帯がほとんど発生せず、活発な議論が行われる様子が見受けられた。

図1

アワード受賞者の方々。左から、Liu Yuanfei さん、金田真悟さん、鹿野田センター長、

瀧口耕介さん、関根孝彦さん、渡邊竜太さん。

85

一方で、研究交流会を 1 日に収めるという制約から、
1 人の参加者の持ち時間が 45 分と半減したので、ポスターによっては、10 人程度の人が同時に聴く、口頭発表のような状況も生じてしまい、質疑応答の順番待ちが発生していた。また、45 分間に 3～4 件を回れることを想定していたが、前半と後半の 2 グ
ループに分けて 20 分程度ずつ話す発表者が多かったこともあり、平均的には 2 件程度しか回れなかったようである。また、今年度は、参加者に、良かったポスターへ投票してもらうシステムを復活させたが、グループ毎に 1 件の投票を求めたので、2 件しか聴いていない中で選んで良いのかという遠慮からか、現地開催時と比べて投票数は極めて少なかった。来年度もオンライン開催となるかは未定だが、そうなった場合は、持ち時間と投票システムについての見直しを検討したい。
今年度は、初の試みとして、オンライン液化機見学会を行った。2020 年 2 月に導入され現在フル稼働中のヘリウム液化システム
5 号機（図 2）、および、本郷地区キャンパスのヘリウムリサイクルシステムの紹介を行った。事前に録画・編集した動画で液化・回収設備の概要説明を行った後、液化機室
から、液体ヘリウムの貯槽から小分け容器
への汲み出しを生中継し、5 号機の運転を主に担当している寺岡技術専門職員への Q&Aコーナーで締めた。昼休憩の合間という時間帯にも関わらず、43 名もの参加者があり、寒剤利用者の、ヘリウム液化システムに対する関心の高さが窺えた。

図2

オンライン液化機見学会で放映した、液化機室の1 日のタイムラプス動画の中の 1 シーン。

研究交流会は、今年度で 13 回目を迎え、毎年度末に 100 名以上の参加者を集める部局横断的な交流会として定着してきている。特に、物性分野においては、他研究科・他専攻との貴重な学内交流の機会として、一定の認識が得られている。一方で、生命・医療系は、液体窒素のユーザー研究室数では半分以上を占め、安全講習会の受講者でも多数派であるにも関わらず、発表者・参加者が片手に数えるほどである。
せっかく参加してくれても、専門分野のオーバーラップが全くない人への説明をし続けることを強いてしまい、興味や対象・手法がゆるく重なった研究者との交流が難しい状況にある。これに至った経緯は、センターのスタッフが全員物性分野である、液体ヘリウムの大口ユーザーを中心に発表をお願いしてきた等が考えられるが、スケジュールやニーズ等に、こちらが思い至らない問題があるかもしれない。当事者の方々とも連携しつつ、よりいっそう裾野を広げていきたいと考えている。
（中村 記）

86第１３回 低温科学研究センター研究交流会 プログラム
口頭発表
O-01

瀧口 耕介 工学系研究科・電気系工学専攻・D3（田中・大矢・中根研究室）
非磁性半導体/強磁性半導体の二層ヘテロ構造における新しい磁気輸送現象：
巨大な近接磁気抵抗効果、特異な対称性、ゲート電圧による制御

O-02

梶原 駿 工学系研究科・物理工学専攻・M1（岩佐研究室）
二次元磁性体 Cr3Te4 における磁性のゲート制御

O-03

任 統 工学系研究科・物理工学専攻・D1（為ヶ井研究室）
Novel Behavior of Relaxation of Magnetization in a Remagnetized (Ba,Rb)Fe2As2

O-04

Kunal Kumar 理学系研究科・化学専攻・D3（大越研究室）
Tuning ultra-low frequency vibrations for magneto-luminescent compounds

O-05

巻内 崇彦 工学系研究科・物理工学専攻・特任研究員（齊藤研究室）
キャント反強磁性体 MnCO3 のマイクロ波スペクトロスコピー

O-06

礒山 和基 理学系研究科・物理学専攻・D2（島野研究室）
s 波超伝導体 NbN におけるヒッグスモードの自己相互作用とテラヘルツ波増幅

O-07

増子 真 工学系研究科・物理工学専攻・D3（十倉・金澤研究室）
トポロジカル絶縁体 Bi2Te3 / 超伝導体 PdTe2 薄膜ヘテロ接合における非相反電荷輸送

O-08

大野 瑞貴 工学系研究科・物理工学専攻・D1（川﨑研究室）
磁性ワイル半金属 EuCd2Sb2 薄膜における異常ホール角の最大化

O-09

須波 圭史 工学系研究科・物理工学専攻・学術専門職員（鹿野田研究室）
電荷-スピン-格子自由度が強く結合した分子性物質におけるトポロジカルな電荷・スピン励起

ポスターセッション
P1-01

金田 真悟 工学系研究科・電気系工学専攻・D1（田中・大矢・中根研究室）
オールエピタキシャル単結晶 LaTiO3+δ/SrTiO3 ラシュバヘテロ構造における巨大スピン流電流変
換

P1-02

Jiang Miao 工学系研究科・電気系工学専攻・Postdoc（田中・大矢・中根研究室）
Field-free spin-orbit torque magnetization switching in a perpendicularly magnetized (Ga,Mn)As single
layer

P1-03

松澤 創一郎 工学系研究科・物理工学専攻・M1（為ヶ井研究室）
ミスフィット層状超伝導体の異方性の測定

P1-04

村瀬 秀明 工学系研究科・物理工学専攻・D3（鹿野田研究室）
電子ガラスの量子結晶成長の直接観測

P1-05

浦井 瑞紀 工学系研究科・物理工学専攻・学術専門職員（鹿野田研究室）
電荷・スピン自由度がフラストレートした分子性物質における異常な磁場誘起スピン状態

87

P1-06

渡邊 竜太 工学系研究科・物理工学専攻・D2（十倉・金澤研究室）
デュアルゲート電界効果による量子異常ホール絶縁体-アクシオン絶縁体トポロジカル相転移の
制御

P1-07

徳本 有紀 生産技術研究所・マテリアル工学専攻・講師（枝川・徳本研究室）
Pb(Bi,Sb)2(Te,Se)4 トポロジカル絶縁体マイクロサンプルのバルク伝導特性

P1-08

大小田 直史 農学生命科学研究科・応用生命化学/応用生命工学専攻・M2（食品生物構造学研究室）
IgE とその受容体の結合阻害剤の探索に向けた FRET 法の確立

P1-09

Li Guanping 理学系研究科・化学専攻・M2（大越研究室）
Design of thiocyanate-bridged multifunctional FeII-HgII Frameworks

P1-10

佐藤 雅彦 理学系研究科・地球惑星科学専攻・助教（古地磁気・岩石磁気研究室）
衝突現象に伴う残留磁化の基礎的性質に関する研究

P1-11

今田 絵理阿 理学系研究科・物理学専攻・M2（高木・北川研究室）
擬二次元ハイゼンベルグ反強磁性体 YbCl3 の磁場下ボーズアインシュタイン凝縮

P1-12

高城 拓也 理学系研究科・物理学専攻・D2（長谷川研究室）
原子層自己形成型強磁性トポロジカル絶縁体 Mn(Bi,Sb)2Te4 を含むヘテロ構造における Sb/Bi 組
成比による強磁性特性の変調

P1-13

鳴坂 潮 理学系研究科・物理学専攻・M1（島野研究室）
2 次元物質 3R-Ta1+xSe2 の高強度テラヘルツ光励起による電荷密度波相融解ダイナミクス

P1-14

西澤 邦雄 理学系研究科・物理学専攻・M2（島野研究室）
超伝導体 3R-TaSe2 のテラヘルツ第二高調波発生

P1-15

上土井 猛 工学系研究科・原子力国際専攻・M1（高橋(浩)研究室）
超伝導転移端センサのノイズ分析

P2-01

門 恭平 工学部・物理工学科・B4（賀川研究室）
MnSi における準安定スキルミオン相の熱流下での崩壊過程の研究

P2-02

生方 すばる 工学部・電気電子工学科・B4（田中・大矢・中根研究室）
α-Sn/(In,Fe)Sb ヘテロ接合におけるトポロジカル電気伝導特性

P2-03

堀田 智貴 工学系研究科・電気系工学専攻・M2（田中・大矢・中根研究室）
Growth of topological Dirac semimetal α-Sn / ferromagnetic semiconductor (In,Fe)Sb heterostructures andobservation of quantum oscillations

P2-04

荻野 槙子 工学系研究科・物理工学専攻・D3（高橋(陽)研究室）
エレクトロマグノンシフト電流の観測

P2-05

馬場 智大 工学系研究科・物理工学専攻・M1（鹿野田研究室）
中性-イオン性転移物質 TTF-CA における圧力下ゼーベック効果

P2-06

畠村 匠 工学系研究科・物理工学専攻・M1（鹿野田研究室）
Dirac nodal line 物質[Ni(dmdt)2]の 13C NMR 研究88P2-07福田 光 工学系研究科・物理工学専攻・M2（十倉・金澤研究室）
フィリング制御パイロクロア(Tb1−xCax)2Mo2O7 における異方的幾何学的ホール効果

P2-08

武藏 摩紀 工学系研究科・物理工学専攻・M2（中野研究室）
空間反転対称性が破れた 3R-TaSe2 薄膜の超伝導輸送特性

P2-09

磯前 貴央 新領域創成科学研究科・物質系専攻・D2（中辻・酒井研究室）
四極子近藤格子系 PrTi2Al20 における磁場中輸送特性

P2-10

Zhang Changyu 農学生命科学研究科・応用生命化学/応用生命工学専攻・D2（食品生物構造学研究室）
Molecular mechanism analysis for the inhibition of tooth surface adhesion of Streptococcus mutans bylactoferrin

P2-11

Xin Yue 理学系研究科・化学専攻・D2（大越研究室）
Three-dimensional Tb-Co(CN)6 framework exhibiting dehydration-hydration switchable magnetic
anisotropy and luminescent thermometric properties

P2-13

佐藤 瞬亮 理学系研究科・物理学専攻・M2（長谷川研究室）
高磁場・サブケルビン・超高真空 4 探針電気伝導・トンネル分光同時測定装置の開発

P2-14

小川 和馬 理学系研究科・物理学専攻・M1（島野研究室）
強磁性ワイル半金属 Co3Sn2S2 の常磁性相での円偏光照射によるテラヘルツ異常ホール効果の発
現

P2-15

松本 陽行 理学系研究科・物理学専攻・M2（島野研究室）
FeSe0.9Te0.1 の超伝導相におけるテラヘルツ第３高調波発生

P3-01

武田 崇仁 工学系研究科・電気系工学専攻・D2（小林研究室）
鉄系強磁性半導体の強磁性発現機構の解明

P3-02

鶴岡 駿 工学系研究科・電気系工学専攻・M1（田中・大矢・中根研究室）
Ge ベースオールエピタキシャル単結晶横型短チャネルスピンバルブ素子における大きな磁気抵
抗効果の観測P3-03

Baisen Yu 工学系研究科・電気系工学専攻・M2（田中・大矢・中根研究室）
Electron spin polarization in a n+-Si channel: Analysis with the band diagram in ferromagnetic
Fe/Mg/amorphous-MgO/SiOx/n+-Si(001) tunnel junctions

P3-04

吉持 遥人 工学系研究科・物理工学専攻・M2（関研究室）
空間反転対称性を有する正方晶スキルミオン物質における多彩なトポロジカル磁気相の発見

P3-05

正力 健太郎 工学系研究科・物理工学専攻・M1（高橋(陽)研究室）
カゴメ格子磁性体 TbMn6Sn6 における質量ディラック電子に由来した磁気光学応答

P3-06

関根 孝彦 工学系研究科・物理工学専攻・D1（鹿野田研究室）
有機物質におけるゼロ質量電子の特異な質量獲得の観測P3-07

上野 祥広 工学系研究科・物理工学専攻・M2（鹿野田研究室）
ドープされたスピン液体で発現する超伝導の NMR 研究89

P3-08

高原 規行 工学系研究科・物理工学専攻・M2（川﨑研究室）
高移動度磁性半導体 EuTiO3 薄膜の La と Gd 置換による電子ドープ効果

P3-09

上杉 良太 新領域創成科学研究科・物質系専攻・D1（中辻・酒井研究室）
ワイル磁性体 Co2MnGa 薄膜における横磁気熱電効果

P3-10

Wei Sibo 農学生命科学研究科・応用生命化学/応用生命工学専攻・M2（食品生物構造学研究室）
Identification of a novel subtilisin-derived peptide with cytotoxic activity

P3-11

下拂 瞭太 理学系研究科・化学専攻・M1（大越研究室）
Open-form-to-close-form structural change in a nanochannel molecule- based magnet

P3-12

峯尾 侑希 理学系研究科・化学専攻・M2（大越研究室）
Tunable terahertz wave absorption property of charge-transfer phase transition materials including heavy
alkali cations

P3-13

吉田 研介 理学系研究科・物理学専攻・D3（村川研究室）
超流動ヘリウム 3 角度分解型量子 Andreev 反射観測装置の開発

P3-14

鄭 帝洪 理学系研究科・物理学専攻・D1（長谷川研究室）
SiC(0001)上エピタキシャルグラフェンへの Yb インターカレーションによる強磁性の発現P3-15

西田 森彦 理学系研究科・物理学専攻・D1（島野研究室）
ストライプ型銅酸化物高温超伝導体 La1.6−xNd0.4SrxCuO4 の光誘起超伝導の可能性

P4-01

白谷 治憲 工学部・電気電子工学科・B4（田中・大矢・中根研究室）
InAs/(Ga,Fe)Sb ヘテロ構造におけるスピン分裂したフェルミ面の観測

P4-02

荒井 勝真 工学系研究科・電気系工学専攻・M2（田中・大矢・中根研究室）
Influence of the multi-orbital hybridizations on the spin-to-charge conversion at the LaAlO3 / SrTiO3
interfaceP4-03

高木 寛貴 工学系研究科・物理工学専攻・M2（関研究室）
異常ホール反強磁性体 CoM3S6(M=Nb,Ta)の偏極中性子散乱実験による磁気構造解析

P4-04

林 悠大 工学系研究科・物理工学専攻・D3（高橋(陽)研究室）
反強磁性体 CoNb3S6 における磁気光学効果

P4-05

若松 浩大 工学系研究科・物理工学専攻・D3（鹿野田研究室）
Quantum critical phase in a doped spin liquid candidateP4-06

張 灵飛 工学系研究科・物理工学専攻・M2（川﨑研究室）
ReRuO3(Re = La,Nd)の単結晶薄膜化と磁気輸送特性

P4-07

上田 卓見 薬学系研究科・薬科学専攻・准教授（生命物理化学教室）
脂質がアデノシン A2A 受容体の活性を制御する機構の解明

P4-08

Liu Yuanfei 理学系研究科・化学専攻・D2（生物無機化学研究室）
Construction of redox-active tetrahedral chiral-at-metal complexes with only achiral ligands

P4-09

坂口 大輝 理学系研究科・化学専攻・M1（大越研究室）
Non-linear optical properties of photoswitchable polar Ln-[Fe(CN)5NO] crystals90P4-10

中村 一輝 理学系研究科・化学専攻・M2（大越研究室）
Thermal phase transition near room temperature in cyanido-bridged Co-W assembly

P4-11

宮瀬 知也 理学系研究科・物理学専攻・M2（村川研究室）
2 層 HD プレコートグラファイト上ヘリウム 3 のパルス NMR 測定に向けた装置開発

P4-12

黒沢 駿一郎 理学系研究科・物理学専攻・M1（中辻・酒井研究室）
カイラル反強磁性体 Mn3Sn の磁気抵抗効果に対する Mn 置換効果

P4-13

谷内 息吹 理学系研究科・物理学専攻・M2（長谷川研究室）
Si 基板上巨大ラシュバ表面超構造における円偏光ヘリシティ依存光電流P4-14平井 誉主在 理学系研究科・物理学専攻・D1（島野研究室）
円偏光励起した Dirac 電子系ビスマスにおけるテラヘルツ異常 Hall 効果

91

職員研修
1. 令和三年度

高圧ガス保安教育

参加報告

日時 令和 3 年 7 月 29 日(木)10 時 30 分～16 時 00 分

場

所 東京大学 物性研究所（柏の葉キャンパス、オンライン聴講併用）

主催 東京大学 物性研究所 低温液化室

講師 花井 明久(大陽日酸)、佐藤 史憲（日酸 TANAKA）、森下 武敏（日酸 TANAKA）

参加者 低温科学研究センター 阿部 美玲、戸田 亮、他本学・他大学および研究機関の教職員(現地受講) 8 名、(オンライン聴講) 19 名
物性研究所低温液化室が企画、主催した高圧ガス製造業務従事者を対象とした令和 3 年度保安教育に参加した。この保安教育の目的は、高圧ガス製造や製品に関する講義や事例紹介から情報を得るとともに参加者相互の情報交換や議論によって理解を深め、今後の保安活動に活かすことである。現地には 8 名が参加、オンラインで 19 名が聴講した。阿部・戸田は、オンラインから参加した。
午前の座学では大陽日酸(株)の花井氏が前半に液化窒素大量貯蔵に使用されるコールドエバポレータ(以下、CE と呼ぶ)の構造や操作方法、後半に最近の高圧ガス事故災害事例に関する講義をされた。CE の特徴は気相の側(貯槽の上部充填弁)と液相の側(下部充填弁)から同時に液化窒素を注入することで貯槽内部の圧力を保てることである。内圧を下げる必要が無いので、使用者はタンクローリーから液化窒素を充填している間も液化窒素を使い続けられる。続いて最近の具体的な事故災害事例として液化窒素 CE で異種金属の接触により脚部ボルトが腐食した事例や液化炭酸ガスや酸素ガスシリンダー(ガスボンベ)の事故事例が解説された。
午後は日酸 TANAKA(株)の佐藤氏と森下氏が講師になり、前半に CE 非常時の措置について実際の設備を使った実技が、後半にフルハーネス式安全帯と空気呼吸器の着用や定期点検に関する講義と装着体
験がそれぞれ行われた。オンライン参加者は現地での実演と実技の様子を映像で聴講した。実技では CEの内圧が異常上昇したと想定して現地参加者が実際にブロー弁を操作してガスを放出したが、想像以上に時間がかかり圧力はほとんど降下しなかった。講師から短時間に勢いよく放出して内圧を下げてもすぐに戻ってしまうので長い時間をかけてゆっくり放出する必要があることが説明された。大震災のように身の危険も加わるような事態では長い時間をかけられない非常時には逃げる判断もありうると実感した。また、後半の講義では安衛法が規則改正されたので 2022 年 1 月から 2 m 以上の高さで安全対策をとれない場合は墜落制止用器具(フルハーネス式)の安全帯着用が義務付けられることと空気呼吸器の使用方法や製品事例が紹介された。オンライン中継の映像から集合研修参加者が装着の手順に迷う様子が伺われ、適切な用具の選定と普段からの訓練が必要だと理解できた。最後に全体に関する質疑応答と全国の参加者から活発な情報発信と意見交換が行われた。
今回の講習会では日常業務で理解すべき知識を習得できたとともに高圧ガス設備非常時の措置を再考
する良い機会となった。また、過去の集合研修では人数が多くて近づけず隅々まで見えない・周辺の自然雑音などで講師の声が届かないといった小さなストレスを感じたことが個人的にはあったが、今回のオンライン参加では複数のカメラを使うなど細部までよく確認できた。主催の皆様にとっては初の試みで苦心を拝察するとともに気軽に出張できない状況下でも有意義な保安教育機会を提供いただいたことに感謝している。
(阿部 記)

92低温寒剤や高圧ガスの製造・保安業務に従事する者を対象とした保安教育に参加した。本年は物性研究所にある開催会場からのオンライン中継を含むハイブリッド形式で行われたため、オンライン参加とした。オンライン開催は参加の都合をつけることが容易になるためか、これまでの開催に比べ参加人数が
多かった。
まず、
「CE の仕組みとバルブ操作」として、CE（コールドエバポレーター）の保守管理についての説明を受けた。CE は、液体寒剤を貯蔵する大型の低温寒剤貯槽に蒸発器が付いたもので、センターのみならず、学内に複数設置されている。内部の液体寒剤が減るとタンクローリーから充填するのであるが、補充の際は、上下から液を注入することにより、下部から液面を押し上げるだけでなく、上部気相を冷却して圧力を下げ、効率を高めているとのことであった。CE の運用では、液体寒剤の取り出し口や、圧力を一定に保つためのガス放出口、蒸発器などに着氷が発生し、バルブの操作を困難にしたり設備に損傷を与えたりする場合があり、注意を要する。氷に衝撃等を与えての除去は、設備にも損傷を与えてしまう可能性があるため避けるべきで、流水、湯等を用いて溶かすのがよいとのことであった。
続いてフルハーネス型墜落制止用器具と空気呼吸器についての説明を受けた。墜落制止用器具は、高所作業の際、自身と構造物とをあらかじめ接続しておくことによって、足を踏み外した際などに、地面まで墜落することを防止する安全器具である。胴ベルト型と呼ばれる墜落制止用器具は、名前の通り胴に巻かれたベルトと構造物とが接続される形状をしており、作動時には腹部で体重を支える形となる。これに対し、フルハーネス型は両肩、両足、胴などの複数箇所で固定されるタイプで、作動時に体にかかる負荷を分散することができるため、より安全と考えられる。2022 年からは、高さ 2 m 以上で作業床のない場所での作業にはフルハーネス型の墜落制止用器具の着用が義務づけられるとのことであった。空気呼吸器は、酸素欠乏や有害な粉塵・ガスのある環境で用いる呼吸用保護具で、酸素や空気が充填されたボン
ベと減圧装置等が組み合わせられたものである。呼吸用マスクの内部は陽圧に保たれるようにされており、多少の隙間があっても外気を吸わずに作業することができる。10 kg 程度とそれなりの重量があり、リュックのように背負って使用する。装着から使用までにある程度の手順があるため、事故の際の使用など、緊急時に素早く使用するためには、あらかじめ迅速に装着できるように練習が必要であると感じた。
今回得られた知見を生かし、今後も高圧ガス設備を安全に運用していけるようにしたい。
(戸田 記)

2. International Conference of Quantum Fluids and Solids (QFS2021)

参加報告

日

時 令和 3 年 8 月 10 日(火)～19 日(木)場

所 オンライン開催

主催 Centre for Nano Science and Engineering (CeNSE), Indian Institute of Science (IISc)

参加者 低温科学研究センター 戸田 亮、他国内外の研究者等 300 名程度
量子流体・固体、低温技術などについての国際会議である QFS2021（オンライン開催）に参加し、開発中の小型連続核断熱消磁冷凍機に用いる熱スイッチについて、その設計思想、製作方法および性能評
価の結果を発表した。また、同様の冷凍機、熱スイッチを独立に開発している海外の研究者と議論を行ったほか、国内外の量子物質、低温技術に関する研究についての情報収集を行った。センターで提供予定の極低温実験環境の開発、運用等にいかしていきたい。

93

オンライン参加では、従来必要であった旅費や移動時間等のコストが不要になる。出張が不用になるた
め、私のような、定期的に現場での保守作業が必要な装置を担当している職員でも参加しやすい。これは非常に大きなメリットであると感じる。一方で、参加者の生活時間帯がバラバラであるため、従来どおりに会議が開催されると開催時間帯が生活上不便な時間帯にあたってしまうといった困難もある。本会議
は完全オンライン形式だったため、主要な参加者の生活時間帯が考慮され、通常より短い 1 日 4 時間（日本時間では 20 時から 24 時）の開催とされた。その分、開催日数は例年より長くなっている。1 日 4 時間ではあるが、日中に通常業務を行った後に参加すると仕事時間が純増となり、10 日間程度も続くと、相応に疲れるものであった。
従来のように人の往来が可能になれば、以前のような現地開催の会議もまた増えるであろう。オンライ
ン参加の利便性を感じた身からすると、オンライン中継を合わせたハイブリッド開催で行ってもらえる方がありがたい。しかし、現地参加者にとっては、以前のような日程で開催されるのが効率的であろう
が、オンラインの参加者にとっては必ずしも好ましくない。移動等の負担が少ないオンラインの参加者
が、時間帯だけは不便を請け負って現地の都合に合わせるといった形になるのであろうと想像するが、よりよい形へと発展していってくれればと思う。
（戸田 記）

3. 令和三年度

核融合科学研究所

技術研究会

参加報告

日 時 令和 4 年 3 月 10 日(木)～11 日(金)場

所 オンライン開催

主催 核融合科学研究所 技術部

参加者 低温科学研究センター 戸田 亮、他多数
本研究会は、全国の大学・公的研究機関等の技術職員が技術発表、情報交換を行う技術研究会である。
複数の専門分野があり、極低温技術の分野では液体ヘリウムの回収・再液化業務に従事する技術職員による発表が多く、センターの業務とも関連が深い。
ヘリウムは日本にとって全量を輸入に頼る貴重資源である。昨今は物流の混乱などもあって入手がよ
り難しくなってきているため、回収率を高く維持し、ヘリウムの損失を減らすことは大きな関心事である。研究会では、各大学・研究機関の技術職員が、自らの管理する設備や装置に関し、IT 機器等を駆使した異常の早期発見の工夫、事故、不具合の発生やその修復に関する事例、ヘリウムガスの損失を抑制するための取り組みなどの情報を持ち寄り、活発な情報交換を行った。得られた情報を今後のヘリウム回
収・液化設備の運用に役立てたい。
（戸田 記）

94

技術系職員

発表リスト

発表論文、著書等
1. “A Simple Experimental Setup for Simultaneous Superfluid-Response and Heat-Capacity
Measurements for Helium in Confined Geometries”
Jun Usami, Ryo Toda, Sachiko Nakamura, Tomohiro Matsui, and Hiroshi Fukuyama
Journal of Low Temperature Physics (2022).

国際会議（一般講演）
2. “Superfluidity Found in the Possible Liquid Crystal Phase of 2D 4He”
J. Usami, R. Toda, S. Murakawa, and H. Fukuyama
International Conference on Quantum Fluids and Solids (QFS2021) 2021 年 8 月
3. “Development of a Superconducting Zinc Heat Switch for the Continuous Nuclear
Demagnetization Refrigerator”
R. Toda, S. Takimoto, S. Murakawa, and Hiroshi Fukuyama
International Conference on Quantum Fluids and Solids (QFS2021) 2021 年 8 月
4. “Construction of Continuous Magnetic Cooling Apparatus with Zinc Soldered PrNi5 Nuclear
Stages”
S. Takimoto, R. Toda, S. Murakawa, and Hiroshi Fukuyama
International Conference on Quantum Fluids and Solids (QFS2021) 2021 年 8 月

95

技術ノート技術ノート本郷地区キャンパスヘリウムガス回収配管の部分更新と液化機運転状況の改善
低温科学研究センター・液化供給部門 1、共同利用部門 2
寺岡総一郎 1、阿部美玲 1、中川幸祐 1†、板垣信則 1、戸田亮 2
1. 概要
2016 年度の低温科学研究センター年報(以下年報)で、筆者らは「回収配管気密試験の高感度化」という題目で、差圧計と参照圧リザーバタンクを用いて回収配管の気密試験を行ったところ、当時のブルドン管計測と比べて感度が 2 桁ほど向上し、図１の回収設備 D に至る分枝(以下分枝)D)のリークを検出したことを報告した[1]。この分枝については、2019 年 3 月に漏れが著しく増大
し回収ガスの純度が低下したことにより、同年の「東京大学低温センターヘリウム液化設備の増強」で導入した Linde280 ヘリウム液化機(以下 5 号機と略称)の円滑な運用に支障を来していた。
2021 年度には新配管が竣工し、2022 年 2 月末に切替えられた。それ以降、5 号機の運転状況は顕著に改善され、安定供給に必要な要件のうちの一つが整った。配管を更新するまでの期間は、複数系統の回収ガス長尺カードルと、従来からの液化機(以下 4 号機と略称)との相補的な運用で、暫定的に 5 号機の運転条件を確保して供給量を維持してきたので、併せて紹介する。

2. 吸入不純ガス量の推定とリーク範囲
2019 年 2 月以降、センターに於いてはスパイク状の純度低下が観測され、尖頭値は 40%を下回った。これらのスパイクは、分枝 D の上流側の回収圧縮機の起動と連動しており、回収が進む
につれて純度が回復する(図 2 上)。この現象は、以下のように理解している。即ち、基幹配管は微負圧のため、分枝 D から混入した不純物は基幹配管内に停滞しているが、上流側の回収設備(例えば回収設備 B や C)が運転状態になると、それらの回収ガスに押されて不純物がセンターに入って来るので、純度が急速に下がる。しばらくすると、回収設備からのヘリウムガスによってパージ

図 1†

本郷：弥生・浅野キャンパス回収配管気密試験の高感度化(文献 1 より再録)

2022 年 4 月 1 日着任、技術専門職員

98

図2

センター内ロガーデータ

純度, 瞬時流量(上) 積算流量(下)3/3 – 3/9

されるので、純度が回復する。吸入不純ガス量は、データロガーに記録された 1 秒間隔の分析計純度𝑅と、流量計パルスカウントに基づ⁄100

く瞬時流量𝑄 を用い、式 𝑅

𝑅推定した(図 2 下)。ここで、𝑅は、分枝 D を縁切りした場合の分析

𝑄を積分することで計純度である。全回収ガスと不純物の積分値から平均の回収純度は94%と推定される。その後時期によって多少の変動はある。
かつてリーク量がこれほどでなかった 2015 年 3 月に地上部の露出
配管の溶接部や接続部をフードで覆ってスニッファ法により分枝 Dを加圧試験で調査したがリーク箇所は特定できず、埋設配管のリークを示唆しているにとどまっていた。2019 年 5 月に行った分枝 D の加
図 3 加圧試験 埋設配管
圧試験では、埋設配管近傍の建物ドライエリア擁壁の境目からヘリウ
からヘリウムガス検知
ムが検出され、埋設配管のリークが、ようやく確定的となった(図 3)。
(2019.05.24)

3. 回収ガス純度向上と内部精製運転状況の改善
液化運転データを、回収配管切替え前後で比較すれば、5 号機運転の改善状況は明確ではある(例えばバッファタンク圧の推移や、液空溜めの放出頻度など)。しかし、典型的なデータと称して特定の日の運転データを示しても、それらは良くも悪くもチャンピオンデータなので、意図的に正反対の結論へと導くことも不可能とは言い切れない(例えば汲出し業務のトップデータは、本数・液量とも切替え前の 2/15 であるが、本原稿校了時点では、当日の汲出し記録は未だ更新されていない)。

99

図 4

精製・再生運転の概略図

それぞれ精製(左)、再生(右)の場合

そこで、改善状況を、より客観的に評価するために、切替前 3 か月と切替え後 4 か月間にわたる統計を示すことにしよう。対象は、内部精製運転時間と、補充ガス(高純度ヘリウムガス)の使用
状況の二つを選んだ。これらがなぜ、運転状況改善の指標となり得るかをご理解いただくために、
内部精製運転について概略を説明する。ヘリウム液化システムにおける精製技術については、文献[2]に詳述されているので、併せてご参照いただければ、より理解が深まると思われる。
長尺カードルに貯蔵されているガスは、水分は除去されているものの、ヘリウム以外の気体を含んでおり、そのまま液化機のラインに導入することはできない。そこで、高圧のコールドトラッ
プを通して精製したのちに液化機の中圧ライン(HP)に導入される。センターの液化機には 4 号機、5 号機共に、内部精製器と呼ばれるコールドトラップが液化機コールドボックスに内蔵されており、液化機で生成した寒冷ヘリウムガスの一部を不純ガスと熱交換させることによって、不純ガスに含まれる不純物を凝縮させる。その後、再度熱交換によって昇温させ、液化用圧縮機吐出側の中圧ライン(HP)に導入する。この過程を内部精製運転と呼ぶ(図 4 左)。
コールドトラップ内で凝縮した不純物は液体として液空溜めに収集され、液位が一定量になると排出されるか、または固体空気としてトラップ内に堆積する。後者が蓄積して、トラップ温端と冷端の差圧 ∆𝑃 ≡ 𝑃

𝑃 が或るしきい値を超えると内部精製運転を終了し、トラップを加熱して精製器内のガスをホルダに回収し、トラップを再生する。この過程を再生運転と呼ぶ(図 4 右)。
精製運転中は、液化量を上回る量のヘリウムガスを精製し、残りの精製ヘリウムガスは中圧のガスとしてバッファタンクに蓄えられる。再生運転
時は、バッファタンクのガスを低圧(LP)ラインに
図 5台形制御と回収純度

バッファタンク圧推移の模式図

それぞれ回収ガスが高純度(上)、低純度(下)の場合

導入して液化運転を継続する。5 号機の場合、バッ
ファタンク圧 𝑃 が上限設定値に近づくと精製量を調整して 𝑃 を一定に制御し、差圧 ∆𝑃が設定値100

に達するまで精製運転を継続する。
𝑃 の推移から台形制御[3]と呼ぶ(図 5 上)。この場合、精製運転の時間は回収ガスの純度に大きく依存する。純度が高いと、差圧 ∆𝑃の上
昇は緩やかになり精製運転時間は長くなる。不純物が多いと、コールドトラップがすぐ詰まるので精製運転時間は短くなる。図 6 に、切替え前後の精製運転時間の統計を示す。最頻値は、切替え前の 46 分か
ら 1 時間 1 分へと向上している[4]。
次に、純度が低く、バッファタン
ク圧 𝑃
図 6

ヘリウム液化機 5 号機

内部精製運転状況の改善

横軸は精製運転時間、縦軸は頻度。それぞれ配管切替前(上)、が上限に到達するより先に差圧 ∆𝑃が設定値に達するような状況を考える。この場合、台形制
御に入らないまま再生運転に移行

切替後(下)、実線は正規分布近似

する。これを何度か繰り返すと、
バッファタンク圧低下で液化運転を停止せざるを得なくなる(図 5 下)。
これを回避するには、補充ガス(高純度ヘリウムガス)を使用してバッ
ファタンクを充圧する必要がある。
回収配管切替後バッファタンク
圧は安定し、少なくともコールドス
タートの運転日には、補充ガスを使用しなくても回収ガスのみで運転可能なまでになった。その変化は、
図 7 に示す曜日毎の補充ガスカー
ドル残圧の推移に現れている。回収
配管切替え以前は、供給申込量を確保しつつ、バッファタンクの最低限必要な運転圧力を維持するために、
運転日毎に 2~3 MPaG 程度の補充ガスを使用していた。切替え以後は
図 7

補充カードル残圧曜日別統計分布

2021.12.2 – 2022.02.28 – 2022.06.29
横軸

補充ガス圧

縦軸

運転データ数[5]

不測の事態に備えて補充ガスのほぼ全量を温存し、納入直前で使い切

幅狭濃紫の るか、納入のない週は翌週に持ち越
バーは切り替え前、幅広空色のバーは切り替え後している様子がうかがえる[6]。

1014. 回収配管切替え前の過渡的な運用方法
漏れの影響が大きくなったのが、2019 年 3 月であり、新しい回収配管の竣工は 2022 年 3 月であったので、その間、5 号機の液化運転条件を少しでも改善するために、さまざまな方策を模索していた。
まず、少しでも回収純度を向上させるために、従来は常時回収であった分枝 D を勤務時間帯のみの回収に変更した。研究室のご理解を頂いて、夜間の回収ガスはタンクにストレージしておき、実験室から離れた場所にある締切りバルブを出退勤時に開閉して、夜間には漏洩箇所を基幹配管から縁切りして頂いた。
しかし、装置への液体ヘリウムの補充日は回収ガス量が多く、やむなく前日から充填翌日までの終夜回収とした(この回収設備は、設置された当時のセンター側の受入れ能力を反映して微小送気量に設定されている)。終夜回収は 5 号機の液化運転に対する影響が甚大で、運転状況の回復に
1~2 週間程度を要していた。そこで、充填前日には、センター側で使用する長尺カードルを別な系統に切替えて、充填当日の液化運転には 4 号機を充当するようにした。4 号機は、導入当初と比べると液化率が低下している。そのため、精製量が変わらないと仮定すれば、液化率の下がった分バッファタンク圧には余裕があり、とりあえず運転継続はできる。液化率の低下は、運転時間の伸延で補填した。この長尺系統切替えの導入以降は、5 号機の運転状況は相応に好転した。
次に、補充ガス(高純度ヘリウムガス)を有効に使用するために、導入方法変えた。従来は、圧力調整器の設定圧を一定にして、バッファタンクの圧が下がるときに自然に導入していたが、この方法は、使用量を管理するのが難しい。そこで、精製運転中に導入してバッファタンクを昇圧させ、早めに台形制御に移行させるようにした。こうすることで差圧 ∆𝑃 の上昇がゆっくりになって、精製運転時間を増やせる。また、補充ガスの使用量を管理することが比較的容易である。
以上のように、暫定的な運転方法(長尺カードル系統、新旧液化機の相補的な使用、補充ガスア
シスト台形制御(?)等)を実践した結果、切替え前の統計は予想したほどには悪くないというのが実感である。それでも、次回の納入日以前に補充ガスを使い切ってしまい。5 号機を運休とせざるを得ない日もあった。

5. まとめ
以上のように、液化機の運転状況は大幅に改善したが、それだけですべてが解決したわけではない。通年運用して、供給申込みの集中する時期に、前年度と比較して供給安定性が向上したとユーザーが実感を持つに至って初めて業務改善したと言える。
円滑で高効率な汲出しも、安定供給に不可欠の要素である。5 号機では、従来の汲出しデータをたんに記録するだけでなく、その日のうちに送液率、送液効率、戻りガス管差圧等を算出して、統計データを蓄積している。加えて、汲出し中の小分け容器内圧のデータロガー読込みも始めた。
これらに異変の兆候があれば、いち早く原因となった容器を特定して、移送管の良好な状態を長期に亘って維持できるよう心掛けている。汲出しデータの統計は、回収配管の切替えに際しては有意な変化が見られないので本稿では扱わなかったが、いずれ別稿として紹介したい。
回収ガス量や回収容器数の不足も、並行して解消する必要があるが、精製運転時間の伸延に相応のヘリウムガス備蓄の増強は、短期間には実現できそうにない。ヘリウムガスはリサイクルされるので、循環量を増やす方法はある。即ち、供給された小分け容器のヘリウムは早めに使用し、102

残量が多くても、次回の補充までに日数の多い場合は、一旦容器を回収して再度供給申込みをするなどして、装置内在庫以外の研究室在庫を減らせば、同時に容器の運用も速くなる。
しかし、それは理想論であって、実践するには前提として安定供給が実現してなければハードルが高いであろうことも理解できる。本稿で紹介した液化機運転状況の改善が、ヘリウムユーザーの皆様の心理的障壁を少しでも下げる端緒となることを願う次第である。何よりも回収純度向上への皆様の不断のご尽力に感謝を表明して本稿を終える。

参考文献・注釈[1] 寺岡 総一郎, 加茂 由貴, 志村 芽衣, 阿部美玲, 戸田 亮

ヘリウムガス回収配管気密試験の高感度化 平成 27 年度低温科学研究センター年報 p.118 (2017).
[2] 小山 岳秀, 宮井 玲, 信時 実, 金田 知士 ヘリウム液化システムにおける精製技術 低温工学
56 1999 (2021).
[3] 液化機によってはバッファタンク圧 𝑃

が設定値(上限)に達すると再生に移行する方式(三角制御)もある。センターでは 4 号機が三角制御である。
[4] 運転モード的には不純ガス導入開始が精製運転の起点であるが、本稿の統計ではバッファタ
ンク圧が極小となる時刻を起点としている。
[5] 縦軸の Frequency(頻度)は運転記録(運転データ)記入回数である。5 号機の場合、初回の精製
運転開始時、毎回の精製・再生切替時、最終の再生運転終了時、および定時点検時(昼休前、昼休後)に実施している。週の後半の統計数が少ないのは長尺カードル残圧等の関係で運転日が少なく、運転時間も短時間のことが多いためである。
[6] 納入日は原則金曜日であるが、金曜日の長尺カードル残圧の低さを勘案すれば、納入時間帯には 5 号機は既に液化運転を終了している。従って、金曜日の運転データに納入時の補充カードル
圧は反映されない。切替後のデータに見られる 14 MPa 付近の一連のバーは、前週以前の納入分
である。

103

各種委員会・センター教職員名簿
低温科学研究センター運営委員会
第 6 回運営委員会（令和 3 年 4 月 2 日開催）
第 7 回運営委員会（令和 3 年 6 月 14 日開催）
第 8 回運営委員会（令和 3 年 10 月 21 日開催）
第 9 回運営委員会（令和 4 年 1 月 26 日開催）

運営委員会 名簿（任期 R3.4.1~R5.3.31）（委員長）鹿野田一司

センター長･教授

大学院工学系研究科物理工学専攻・
低温科学研究センター（兼務）

齊藤

英治

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

脇原

徹

教授

大学院工学系研究科総合研究機構

小林

研介

教授

大学院理学系研究科物理学専攻

教授

大学院理学系研究科物理学専攻

長谷川

修司

大越

慎一

教授

大学院理学系研究科化学専攻

奥田

傑

准教授

大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻

上野

和紀

准教授

大学院総合文化研究科広域科学専攻

神谷

真子

准教授

大学院医学系研究科生体物理医学専攻（~R4.3.31）

上田 卓見

准教授

大学院薬学系研究科薬科学専攻

岩本

敏

教授

先端科学技術研究センター・生産技術研究所（兼務）

山下

穣

准教授

物性研究所凝縮系物性研究部門

島野

亮

教授

低温科学研究センター研究開発部門

村川

智

准教授

低温科学研究センター研究開発部門

低温科学研究センター専門委員会
第 3 回専門委員会（令和 3 年 5 月 31 日開催）

専門委員会 名簿（任期 R2.4.1~R4.3.31）（委員長）鹿野田一司

センター長･教授

大学院工学系研究科物理工学専攻・
低温科学研究センター（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

大戸

梅治

准教授

大学院薬学系研究科薬学専攻

104

島野

亮

教授

低温科学研究センター研究開発部門

村川

智

准教授

低温科学研究センター研究開発部門

福山

寛

特任研究員

低温科学研究センター研究開発部門

阿部美玲

技術専門職員

低温科学研究センター液化供給部門

低温科学研究センター編集委員会
編集委員会 名簿（任期 R3.4.1~R5.3.31）
岩佐

義宏

教授

大学院工学系研究科物理工学専攻

田中

雅明

教授

大学院工学系研究科電気系工学専攻

岡本

徹

准教授

大学院理学系研究科物理学専攻

渡谷

岳行

准教授

大学院医学系研究科生体物理医学専攻

上田

卓見

准教授

大学院薬学系研究科薬科学専攻

奥田

傑

准教授

大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻（委員長）島野亮

教授

低温科学研究センター研究開発部門

村川

智

准教授

低温科学研究センター研究開発部門

中村

祥子

特任助教

低温科学研究センター研究開発部門

低温科学研究センター教職員
教職員 名簿
センター長
鹿野田

一司

大学院工学系研究科物理工学専攻・教授（兼務）

研究開発部門
島野

亮

教授

村川

智

准教授

大越

慎一

大学院理学系研究科化学専攻・教授（兼務）

福山

寛

特任研究員

藤井 武則

助教

中村

特任助教

祥子

共同利用部門戸田亮

技術専門職員

液化供給部門阿部

美玲

技術専門職員寺岡 総一郎技術専門職員

加茂 由貴

技術職員

金子

芽衣

技術職員

板垣

信則

学術専門職員

105

事務室
野呂 清隆

専門員（兼）事務室長

佐々木

特任専門職員

陽子

油井

聡

上席係長

細野

久美

係長

106

お知らせ
人事異動
職員
野呂 清隆

令和 3 年 4 月 1 日

配置換（本部情報戦略課より）

上席係長

油井 聡

令和 3 年 4 月 1 日

配置換（アイソトープ総合センターより）技術専門職員寺岡 総一郎令和 4 年 3 月 31 日

定年退職

専門員（兼）
事務室長

投稿のご案内低温科学研究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、低温科学研究センター・編集委員会
tokyo.ac.jp) までお問い合わせください。

107

委員長

島野

亮 (shimano@crc.u-

編集後記
低温科学研究センター・研究開発部門

中村 祥子

オンライン一色の 2021 年度が過ぎ、現地開催やハイブリッドの会議が増えてきました。
低温物理学の分野では、3 年に 1 度の大きな会議（LT29）が、2 年間の延期を経て、札幌でハイブリッド開催されています。
私も先日、コロナ後に初めて現地開催の会議に参加したのですが、Zoom で何度もお話ししたお顔が、思っていたのと違う高さに現れたり、マスクの効果から別人に見えたりして、参加者間で笑いあうこと頻りでした。隣の席の人、同じテーブルの人、知り合いの知り合い、
そういうランダムなコミュニケーションが照れくさくも懐かしく、これも会議の楽しさだったなと、しみじみ考えてしまいました。
一方で、マイクの電池切れ、プロジェクターの信号無し、公共交通機関の遅延に大混雑、早朝の会場設営……。会議に付き物で、ちょっぴり不快なあれこれも帰って来ます。今は、懐かしさを噛みしめていますが、数年もすれば、ぶつくさ言っているのかなと平和な未来を思い描いています。
最後に私事で恐縮ですが、異動のため、8 年間つづけてきた編集・校正担当を離れることになりました。来年からは、遠くから気楽な読者として楽しませていただく所存です。
今後とも、低温科学研究センターをよろしくお願い申し上げます。

低温科学研究センター 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

渡谷 岳行

准教授

医学系研究科生体物理医学専攻
医学部附属病院放射線科

上田 卓見

准教授

薬学系研究科薬科学専攻

奥田 傑

准教授

農学生命科学研究科応用生命化学専攻教授

低温科学研究センター研究開発部門

村川 智

准教授

低温科学研究センター研究開発部門

中村 祥子

特任助教

低温科学研究センター研究開発部門（委員長）島野 亮

108Annual Report 2021
(Cryogenic Research Center, the University of Tokyo)
令和３年度

低温科学研究センター年報

東京大学低温科学研究センター
第 13 号

2022 年 10 月

Volume 13, October 2022
発行者：東京大学低温科学研究センター
編集：低温科学研究センター 編集委員会
印刷：明誠企画株式会社

所 在 地東京大学低温科学研究センター
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）

E-mail： email@crc.u-tokyo.ac.jp（事務室）
openlab@crc.u-tokyo.ac.jp（共同利用部門）
teion-info@crc.u-tokyo.ac.jp（液化供給部門）
URL：

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

最寄り交通機関
千代田線
南北線

1 番出口

徒歩 ７分

「東大前駅」1 番出口

徒歩 10 分「根津駅」