2015

Annual Report
2015

Cryogenic Research Center
The University of Tokyo
B=9T
T = 4.2 K

InSb(110) cleaved surface

dI/dV (a. u.)

LL0

STM image

Fe adatom

LL1

LL0 (2nd) STM tip

EF
-50

y

0

x

V (mV)z
5 nm

Fe-induced 2DES
14

1.4

ρxx

electrode(current)

1.0

ρxx (kΩ)

InSb

12
10

i=4

0.8

electrode(voltage)

0.6

8

i=5
6
4

0.4

RH
0.2
0

RH (kΩ)

1.2

2

T = 4.2 K
0

2

4

6

B (T)

8

10

12

14

0

平成 27 年度 低温センター年報
東京大学低温センター

表紙
InAsやInSbの半導体劈開面に金属などを吸着させると表面に２次元電子系が誘起される。この系は吸着原子の自由度に加えて、まさに“むき出し”の電子系であり多彩な測定手法の適応が可能である。この吸着原子によって誘起された表面２次元電子系を用
いて、微視的な走査トンネル分光顕微鏡による観測と巨視的な電気抵抗測定の両面から
量子ホール効果を探る。
左上：微分コンダクタンスの試料電圧依存性。

右上：Feが吸着したInSb劈開表面のSTM図。

中央：試料と測定手法の概念図。

右下：縦抵抗率とホール抵抗の磁場依存性。

（理学系研究科物理学専攻 岡本研究室より提供。詳細は研究ノート P6「走査トンネル
顕微鏡と電気抵抗測定で探る量子ホール効果」に掲載。
）

巻 頭 言低温センター長 樽茶 清悟
センターの主要業務（寒剤の供給、共同利用施設の維持管理、研究開発の推進）は、今年度も滞りなく進められたと思います。加
えて、安全講習、技術職員研修などを通して安全に、効率的に寒剤を使用するための情報の提供、また研究交流会などを通して低温科学の推進と学内横断的な研究交流の促進に努めました。これらに関連して、平成 27 年度の低温センターの業務に関する主なニュースは以下の通りです。
液体ヘリウムの供給量は昨年度より９%増加し、需要は依然として高い水準にあります。
前年度に新営された工学部 3 号館など新たな建物への供給を開始し、また平成 28 年度には附属病院へも供給を開始することが決まりました。本郷地区では現在も複数の建物工事が進行しており、しばらくは、液体ヘリウム供給の案件が増えるものと思います。この 1 年
間、ガス回収、液化、液体窒素、ヘリウム容器の運搬などの業務は概ね順調でした。寒剤の購入価格、電力料金の値下げのお陰で、ユーザーの皆さんへの供給価格も少し安くなりました。ただ、最近の懸案事項として、ヘリウムの液化装置、ガス回収ラインなどの老朽化の対策、及び液化システムの更新の問題があります。前者については、例えば、理学系と工学系のガス回収サブセンターに設置されているガスバックの動作疲労によるガス漏れが問題になっており、より深刻な状態にあった工学系のガスバックは交換しました。このような設備の修理、保守に関して、センターでは今後 10 年を見込んだ長期的な対応策を検討しています。後者については、ここ数年継続的に概算要求していますが、今年度は「東京大学ビジョン 2020」に基づくアクション前倒し事業に提案し、採択されました。早い機会にシステム更新の計画に着手できればと思っています。そのほか、センターの建物、施設、実験室に関しても改修、更新を計画的に進めています。
今年度は研究開発部門に、理学系研究科物理学専攻から兼任教授をお迎えしました。低温センターでは、今後、同様な兼任体制、内外からの招聘教授、研究員、共同研究の範囲を広げて、部局横断的な低温科学研究を積極的に進めたいと考えています。また、良いニュース
として、島野亮教授が超伝導科学技術賞、井上学術賞を受賞されました。
低温センターでは、施設、建物の老朽化や部局連携の研究開発の拡大といった懸案事項に継続的に取り組み、業務の円滑な遂行と低温科学研究の推進に努めたいと考えています。

目次

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

研究ノート○ 走査トンネル顕微鏡と電気抵抗測定で探る量子ホール効果 ................................. 6
枡富 龍一、岡本 徹（理学系研究科・物理学専攻 岡本研究室）○ ディラック電子を内包する新奇磁性体におけるバルク量子ホール効果 ...................... 13
増田 英俊、酒井 明、石渡 晋太郎（工学系研究科・物理工学専攻 石渡研究室)○ 強相関電子系 SrVO3 極薄膜の金属絶縁体転移の電界制御 .................................. 17
片山 裕美子、上野 和紀（総合文化研究科・広域科学専攻 相関基礎科学系 上野研究室）○ 新規多次元 NMR スペクトル再構成法の開発と GPCR 研究への応用 ........................ 22
上田 卓見、吉浦 知絵、幸福 裕、松本 昌彦、奥出 順也、近藤 啓太、 白石 勇太郎、竹内 恒、
嶋田 一夫（薬学系研究科・薬科学専攻 生命物理化学教室)○ 根寄生植物由来 KAI2 タンパク質が発芽誘導物質を選択的に認識する機構 ................... 27
徐 玉群、田之倉 優（農学生命科学研究科・応用生命化学専攻 食品生物構造学研究室）○ 融合画像を用いた脳神経外科手術シミュレーション ...................................... 32
金 太一（医学部附属病院・脳神経外科)

共同利用研究室 研究実績報告○ SrTiO3 における量子ホール効果の観測 .................................................. 38
川﨑研究室（工学系研究科・物理工学専攻）○ 高品質タンパク質結晶の取得を目指した高磁場・磁気力場利用法の開拓 .................... 42
食品生物構造学研究室（農学生命科学研究科・応用生命化学専攻）○ 多機能磁性金属クラスターと３次元金属集積体の構築 .................................... 46
大越研究室（理学系研究科・化学専攻）○ SQUID 検出器を用いた磁気計測の研究 ................................................. 51
関野研究室（工学系研究科・電気系工学専攻）○ 強磁性半導体 GaMnAs を用いた縦型スピン電界効果トランジスタ ......................... 56
田中･大矢研究室（工学系研究科・電気系工学専攻）○ 強磁性半導体 GaMnAs の「真の」磁気光学スペクトル ................................... 60
田中･大矢研究室（工学系研究科・電気系工学専攻）○ 超電導転移端センサによるγ線超精密分光 .............................................. 64
高橋研究室（工学系研究科・原子力国際専攻）
共同利用研究発表論文リスト ............................................................. 68

低温センター 各部門報告
研究開発部門 研究実績報告 .............................................................. 78
島野 亮、村川 智、福山 寛、藤井 武則、中村 祥子（低温センター・研究開発部門）
共同利用部門 業務報告 .................................................................. 95
戸田 亮（低温センター・共同利用部門）
液化供給部門 業務報告 .................................................................. 97
阿部 美玲（低温センター・液化供給部門）

全般的な活動報告
研究交流会 ............................................................................ 102
安全講習会 ............................................................................ 107
平成 27 年度 東京大学技術職員研修「低温技術研修（初学コース）」 ......................... 109
平成 27 年度 低温センター技術研修 ...................................................... 111
その他
職員研修 .......................................................................... 113
1. 第一回冷凍部会(公開)例会

受講報告

2. 平成 27 年度 高圧ガス保安教育 参加報告
3.『PPMS シリーズ』テクニカルセミナー
4.「保安検査のポイントと事例紹介セミナー」参加報告
5. 平成 27 年度高エネルギー加速器研究機構技術研究会 参加報告
技術系職員 発表リスト ............................................................ 118

技術ノート○ ウェットかドライか？ 低温センターの TSCP 活動 ..................................... 120
寺岡 総一郎1、戸田 亮2、福山 寛3(低温センター・液化供給部門1、共同利用部門2、研究開発
部門3)○ 液体窒素使用時における各種手袋の性能評価 ........................................... 126
中村 祥子1、藤井 武則1、寺岡 総一郎2、戸田 亮3(低温センター・研究開発部門1、液化供給部
門2、共同利用部門3)

各種委員会・センター教職員名簿 ...................................................... 130
お知らせ ............................................................................... 132
編集後記 ............................................................................... 133
中村 祥子（低温センター特任助教）

研究ノート走査トンネル顕微鏡と電気抵抗測定で探る量子ホール効果
理学系研究科

物理学専攻

岡本研究室

枡富 龍一、岡本 徹

InAs や InSb の半導体劈開面に金属などを吸着させると表面に 2 次元電子系が誘起される。この系は吸着原子の自由度に加えて、まさに “むき出し” の電子系であり多彩な測定手法の適応が可能である。
本稿ではこの吸着原子によって誘起された表面 2 次元電子系を用いた量子ホール効果の研究を紹介する。微視的な走査トンネル分光顕微鏡による観測と巨視的な電気抵抗測定の両面から量子ホール効果
を探る。

はじめに

1.

るプラトー領域が現れる。量子ホール効果を観測

2 次元電子系という言葉を聞くと電界効果するためには、ランダウ準位間隔（またはゼーマ

ト ラ ン ジ ス タ の 一 つ で あ る Si MOSFET やン分裂）が不規則ポテンシャルや熱励起による広GaAs/AlGaAs ヘテロ構造の界面 1 に作られる電がりよりも大きいことが必要となるために、試料子系を想像されることも多いと思うが、本稿ではの品質や低温・強磁場環境が要求される。実験に一風変わった半導体表面に形成（誘起）される 2

おいてはじめて量子ホール効果が観測されたのは次元電子系を用いた量子ホール効果の研究を紹介

1980 年に行われた Si の 2 次元電子系を用いた研する。

究である。川路らはホール伝導率 [1]、フォン・ク
リッツィンらは電気抵抗率 [2] の測定により独自

はじめに量子ホール効果について簡単に述べる。

に量子ホール効果の観測に成功した。

量子ホール効果とは磁場中においてホール抵抗 RH（電流方向に対して直交する方向に生じる抵抗）が少し言い過ぎになるかもしれないが、近年まである量子化値をとり、それと同時に縦抵抗 ρxx（電量子ホール効果とは本章の前半で説明したような流方向に生じる抵抗）が消失する（ゼロになる）

電子局在によって起こる現象だと信じられてきた。

現象である。もう少し詳しく説明すると、2 次元

実際に目に見える現象としてそれが解き明かされ電子系に対して垂直な磁場 B をかけると、電子のたのはハンブルク大学のグループによる走査トン

サイクロトロン運動が量子化されてランダウ準位

ネル顕微鏡を用いた研究である [3]。彼らは走査トが形成される。一本のランダウ準位に収容できる

ンネル分光法を用いて電子の局在・非局在状態の電子の数は単位面積当たり eB/h であり、電子密

直接観測に成功している。この測定が行われた試度を eB/h で割ったランダウ準位充填率は磁場と料がまさにこれから紹介する “むき出し” の 2 次

ともに変化する。ランダウ準位充填率 ν がちょう

元電子系である吸着原子によって誘起される表面

ど整数値 i を取るとき、RH は h/ie2 に量子化され2 次元電子系である。

る。これが整数量子ホール効果であり、このとき我々の研究室においてもこの吸着原子によって

ρxx はゼロになる。実際には、不規則ポテンシャ

誘起される 2 次元電子系に対して電気抵抗測定を

ルによる局在によって、ν = i の前後の領域でも主軸に研究を行ってきた [4, 5, 6, 7, 8]。例えば、

量子ホール状態は成立するため、RH が一定にな

InAs と InSb 劈開表面における量子ホール効果の1

研究 [4, 5] や InAs 劈開表面に形成された 2 次元電通常、表面から 100 nm 程度下部に形成される。

6

子をプローブとして用いた単原子層の鉄の 2 次元電極を用いて “その場” での ρxx と RH の測定が可

スピングラス状態の実証 [6] など表面 2 次元電子能である。詳細については参考文献 [9] を参照し系の優位性を活かした研究を行ってきた。

ていただきたい。

今までの吸着原子によって誘起された 2 次元電STM tipy d子系を用いた量子ホール効果の研究は走査トンネx
InSb(110)zcleaved surface

ル分光顕微鏡（STM/S）による観測と電気抵抗測

ep

os
it

ion

定が異なる研究グループで行われてきた。本稿でelectrode(current)

ははじめて実現した STM/S による観測と電気抵抗測定を組み合わせた手法による吸着原子によって誘起された表面 2 次元電子系の研究 [9] を紹介する。微視的な STM/S による観測と巨視的な電InSb

気抵抗測定の両面から量子ホール効果を探る。

electrode(voltage)“その場” における測定技法

図 1. 試料の模式図。ホールバー形状による電気2.

抵抗測定と STM/S による観測を試料を作成した

半導体表面に形成された 2 次元電子系の物性を“その場” で行うことが可能である。

測定するには試料を作成した “その場（in situ ）”で行わなければならない。なぜならば、一度大気中に取り出してしまうと試料の破壊や汚染により

3.

Fe により誘起された 2 次元電子系

本来の物性を測定することができないことが多い。

図 2 に InSb(110) 劈開面の STM 図 (a) と図 2(a)さらに本研究では急冷蒸着法という液体ヘリウム

内に点線（赤）で印した二つの Fe のトレース (b)温度に冷却された半導体劈開面に金属などを蒸着を示す。Fe を蒸着する前すなわち劈開直後は劈開することにより 2 次元電子系を誘起している。この面には電気伝導がないが、微量の Fe を蒸着すると手法は吸着原子のクラスター化を防いだり、結晶

それらの Fe から InSb 表面に電子が供給されて 2構造をもたない均一膜の形成には適している反面、次元電子系が誘起される [10]。したがって、STM

試料を作成した温度以上に昇温すると構造変化を図を測定するためのトンネル電流はこの誘起され起こしてしまう可能性があり注意が必要である。

た 2 次元電子系を通して流れる。また、本研究で本研究では Ge がドープされた p 型の InSb 単結

は p 型の InSb を用いているため誘起された 2 次元晶基板を用いた。予め金電極を配置した InSb 基

電子系は空乏層により基板の 3 次元キャリアとは板を超高真空装置内で図 1 のように劈開し、その完全に切り離されている。図 2(a) の STM 図にお後、微量の Fe（∼ 1%）を蒸着することにより 2

いては試料に正の電圧（V = +100 mV）をかけ

次元電子系を誘起した。これらの一連の作業は断ているために Sb の副格子が規則的に並んだ白い熱管を用いて間接的に液体ヘリウム温度に冷却さ列として観測され、Fe は黒い輪郭をもった像としれた超高真空装置内で行った。このことにより、て現れている。本研究では急冷蒸着を行っている蒸着物（Fe）のクラスター化や劈開面の汚染を防ため Fe はクラスターなどを形成せずランダムに分ぎ、高い品質の表面 2 次元電子系の作成を実現し布していることがわかる。また、InSb の表面に吸ている。自作の STM/S は極低温（4.2 K）
・強磁

着された Fe は表面の Sb より下部に潜り込むこと場（14 T）環境で動作可能であり、また同じ試料が知られている [11]。このことを反映して図 2(b)において図 1 のように配置したホールバー形状のでは二つの Fe が位置している x = 1, 3 (nm) にお

7

類の周波数をもつ磁気振動の重ね合わせにより表いて特徴的な構造が観測されている。

現されている。フーリエ解析を用いて ρxx の周波(a)数成分を求めることにより得られた電子濃度は第一サブバンドで N1 = 6.1 × 1015 m−2 、第二サブ
バンドでは N2 = 1.7 × 1015 m−2 である。一方、RH の傾き（ホール係数）から求まる全電子濃度
は NHall = 8.2 × 1015 m−2 であった。二つの異なる手法で求めた全電子濃度 N1 + N2 と NHall との

5 nm

14

1.4

(a)

5
1.2

0

12
10

1.0

ρxx (kΩ)-5
Z (pm)

ρxx

-10
-15

i=4

0.8

8

i=5
6

0.6

RH (kΩ)(b)

差は 5%以内であり良い一致を示した。

4

0.4

RH

-20
-25
0

2

0.2

T = 4.2 K
01

2
X (nm)

3

4

0
2

0

4

8

6

10

12

14

B (T)

(b)
E

E

図 2. (a) InSb(110) 劈開面における吸着した Fe とConduction band

Sb の副格子の STM 図（20 × 20 nm2 ）。この STM

EF
LL1

LL0

ψ2
E2

図においては試料に正の電圧（V = +100 mV）をかけているために Sb の副格子は規則的に並んだ

E1

Ec

白い列、Fe は黒い輪郭をもった像として観測され

LL0

Ez

ψ1

LL0

2nd subband 1st subbandzi2 = 1i=4

i1 = 3ている。(b) (a) の STM 図内に点線（赤）で印し
図 3. (a) 縦抵抗 ρxx とホール抵抗 RH の磁場依存

た二つの Fe のトレース。

性。(b) 半導体表面における模式的なエネルギー
図 3(a) に図 2 と同じ試料における ρxx と RH のダイアグラムと i = 4 におけるランダウ準位の構

磁場依存性を示す。弱磁場領域から ρxx はシュブ造。EF と Ec（Ez ）はフェルミ準位とサイクロト

ニコフ−ド・ハース振動といわれる周期的な振動

ロン（ゼーマン）エネルギーである。LL0（LL1）が観測されている。本研究においては 2 次元電子

は最低（第一励起）ランダウ準位を表し、矢印は系に対して垂直方向に磁場がかけられているためスピンの向きである。

ランダウ準位が形成されている。垂直磁場の増加にともないこのランダウ準位がフェルミ準位をよ

次に半導体の品質を評価するときにしばしば用ぎることにより図 3(a) の ρxx に示されるような特いられる電子移動度について述べる。この Fe によ

徴的な磁気振動が現れる。特にこの InSb の 2 次り誘起された 2 次元電子系ではゼロ磁場の電気抵抗

元電子系では電子濃度が異なる二つのサブバンド

率 ρ0 から求めた電子移動度は µt = 1/eρ0 NHall ≃によりランダウ準位が形成されているため、二種

11 m2 /V·s であり、吸着原子により誘起される２次8元電子系で最も高い値になっている。一方、シュブ

B=0T

ニコフ−ド・ハース振動の減衰から求められる電子
移動度は µq = 1.0 ± 0.2 m2 /V·s であり、前者よりEF

E1

一桁程度小さな値になっている。この二種類の異な

B=8T

(a)

E2

LL0

る電子移動度は不純物による散乱角度に依存する

LL1

ことが知られている [12]。特に本研究のように µt(b)
dI/dV (a. u.)

が µq に比べて比較的大きな場合は、不純物による散乱角度が小さな小角散乱が優勢であることを意味している。その理由の一つとしてはドナー（Fe）

B = 10 T

LL0
LL1

(c)

の低いイオン化率にあると考えられる。図 2(a) かB = 12 T

ら Fe の原子濃度を求めると NFe ≃ 7.0×1016 m−2

LL0である。したがって、Fe のイオン化率（NHall /NFe ）(d)は約 0.12 であり、この低いイオン化率が不規則ポ
B = 14 T

テンシャルの平均化を引き起こし、長距離のゆら

LL1

LL0

ぎによる小角の不純物散乱を優勢にしていると思

LL0 (2nd)

われる。

-100

(e)

0

-50

50

V (mV)

数 T を超える強磁場領域においては ρxx が消失|g|µB B (mV)

し、RH が量子化値をとる量子ホール効果（状態）が観測されている。この系では 2 つのサブバンドが電気伝導に寄与しているため 8.5 T (6.6 T) 近
傍で見られる i = 4 (i = 5) の量子ホール状態は第

30
20

(f)
10

8

12

10

14

B (T)

一サブバンドが i1 = 3 (i1 = 4) と第二サブバンド

図 4. (a)-(e) 各磁場下における微分コンダクタン

が i2 = 1 の足し合わされた状態である［図 3(b)ス（dI/dV ）の試料電圧依存性。(f) 最低ランダウを参照]。ここで整数 in は n 番目のサブバンドの準位（LL0）のスピン分裂幅から求めたゼーマン

i 番目の量子ホール状態を表している。また、inエネルギー（|g|µB B ）の磁場依存性。

が奇数の量子ホール状態はスピン分裂に起因している。

ドのバンド端（E2 ）は磁場中（14 T）の測定から

図 4 に STM/S による微分コンダクタンス求められたものである。図 4(a) のフェルミ準位（dI/dV ）の測定結果 [図 4(a)-(e)] と最低ランダ（V = 0 mV）に見られる窪みについては後で述べ

ウ準位（LL0）のスピン分裂幅から求めたゼーマ

る。磁場中の測定ではスピン分裂を伴ったランダウ

ンエネルギーの磁場依存性 [図 4(f)] を示す。図 4

準位が観測されている。最低ランダウ準位（LL0）に示されている微分コンダクタンスは 100 × 100と第一励起ランダウ準位（LL1）の間隔から求めnm2 の領域を 100 点に分割し測定した値を平均化られる有効質量は m∗ = 0.018me であった。さらして得たものであり、Fe により誘起された２次元に最低ランダウ準位におけるスピン分裂幅から求電子系の状態密度を表していると考えられる。ゼ

められるランデの g 因子は 34 であり［図 4(f)］、ロ磁場のスペクトル [図 4(a)] においては明瞭なバルクの InSb のそれ（|g| = 51）と違いが見られ立ち上がりが見られる。これは第一サブバンドのた。これは InSb のハンドの非放物線性による寄バンド端（E1 ）に相当する。また，第二サブバン

9与が要因であると考えられる。また、図 4 の最低の i1 = 3 の状態のみを考える。この量子ホール

ランダウ準位の広がりから見積もられる不規則ポ

状態においても一体のゼーマン分裂に加えて、電テンシャルの大きさは 10 meV 程度であると評価

子相関によるスピン分裂幅の増大が期待される。

でき、シュブニコフ−ド・ハース振動から見積も上述の平均場近似を用いた理論計算 [15] よりその= ℏe/m∗ µ増強効果は 9.2 meV と評価でき、一体のゼーマン

られるそれ（ℏ/τqq ≃ 8.6 meV）と良分裂を加えた合計のスピン分裂幅（26 meV）は、

い一致を示すことがわかった。
さらに図 3(a) に示される電気抵抗測定の結果

微分コンダクタンスもしくはシュブニコフ−ド・を定量的に理解するためには電子相関による効果

ハース振動から得られる不規則ポテンシャルの大も考えなければならない。ここでは図 5 に示されきさの 3 倍程度になると見積もられる。このことているような奇数のランダウ準位充填率がフェルから、Fe のより誘起された表面 2 次元電子系におミ準位（V = 0 mV）に位置しているときの微分

いて電子間の交換相互作用による増強効果がラン

コンダクタンスの測定結果から電子相関の寄与を

ダウ準位充填率が奇数の量子ホール状態の実現に評価する。偶数のランダウ準位充填率（ν = 2）が重要な役割を果たしていると結論付けられる。

フェルミ準位に位置している図 4 の場合とは対照
B=9T
T = 4.2 K

LL0

dI/dV (a. u.)

的に、図 5 の場合は 9 T においても最低ランダウ
準位の二つのスピン準位が完全に分離していることがわかる。これは電子間の交換相互作用から生じる交換増強効果として理解することができ、奇数のランダウ準位充填率がフェルミ準位に位置し

LL1

LL0 (2nd)

EFているときに生じる現象である [13, 14]。

-50

0

50

100

定量的に見ていくと、図 5 における最低ランダ

V (mV)

ウ準位のスピン分裂幅は 33 mV 程度であり、交図 5. ランダウ準位充填率 ν = 1 におけるゼーマ

換相互作用による増強効果が生じない図 4(f) からン分裂の交換増強効果。フェルミ準位（EF ）が最得られた g 因子（g = 34）を用いて評価されるス

低ランダウ準位（LL0）の二つのスピン分裂した

ピン分裂幅（18 mV）に比べると、15 mV 程度ス

準位の間にあることに注意してほしい。

ピン分裂幅が増大されていることがわかる。さらに、この増強されたスピン分裂幅は平均場近似を最後にフェルミ準位近傍に現れる微分コンダク

用いた交換増強効果の理論計算 [15] と良い一致をタンスの異常について述べる。図 6 にフェルミ示すことがわかった。このことは STM/S を用い準位近傍における微分コンダクタンスの異常（窪た微分コンダクタンスの測定により電子間の交換

み）の磁場依存性を示す。現時点においてはまだ相互作用によるスピン分裂の増強効果を定量的にはっきりしていないが、これらの微分コンダクタ

評価できることを示している。

ンスに現れる窪みの原因は電子相関と乱れに起因

次に、図 3(a) に示した 8.5 T における i = 4 のするクーロンギャップのためであると推測してい量子ホール状態を考える。この状態は第一サブバ

る [16]。しかし、典型的なクーロンギャップは磁場

ンドが i1 = 3 と第二サブバンドが i2 = 1 のスピを強くすると局在効果が顕著になりギャップが大ン分裂に起因する量子ホール状態であるが、第二きくなる傾向にある。本研究で観測されたクーロ

サブバンドは強磁場領域においては電気伝導に寄ンギャップは磁場の増加とともに減少し、8 T 以

与していないと考えられるので、第一サブバンド上の強磁場領域では微分コンダクタンスに異常が10ニークである。今後，この装置を単原子層の磁性EF
8Tの研究 [6] や超伝導の研究 [17] に応用することも

dI/dV (a. u.)

6T

-20
B=8T

V (mV)
0

20

EF

LL1

視野に入れている。本研究は科学研究費補助金に40よる援助のもとに行われた。また、日々寒剤を供

3T

dI/dV (a. u.)

LL0
B=6T

給していただいている低温センターの皆様にこの
LL1

LL0

場を借りて深く感謝を申し上げる。

B=3T

B=0T

T = 4.2 K

-20

-10

0

10

20

V (mV)

参考文献[1] S. Kawaji and J. Wakabayashi, in Physics
in High Magnetic Fields, Proceedings of theOji International Seminar, Hakone, Japan,
1980, edited by S. Chikazumi and N. Miura(Springer-Verlag, Berlin, 1981), p. 284.

図 6. フェルミ準位（V = 0 mV）近傍における微分コンダクタンスの試料電圧依存性。各磁場における微分コンダクタンス（挿入図）からランダ
ウ準位の構造からくる寄与を差し引いたものを用[2] K. v. Klitzing, G. Dorda, and M. Pepper,
Phys. Rev. Lett. 45, 494 (1980).

いている。

[3] K. Hashimoto, C. Sohrmann, J. Wiebe,
T. Inaoka, F. Meier, Y. Hirayama, R. A.
Römer, R. Wiesendanger, and M. Morgenstern, Phys. Rev. Lett. 101, 256802 (2008).

なくなり金属的な振舞いを示している。この異常な電子状態を明らかにするためには STM/S による観測に加えて電気抵抗測定などの詳細な追実験[4] Y. Tsuji, T. Mochizuki, and T. Okamoto,Appl. Phys. Lett. 87, 062103 (2005).

が必要であり、今後の研究課題の一つであるといえる。

4.

[5] R. Masutomi, M. Hio, T. Mochizuki, andT. Okamoto, Appl. Phys. Lett. 90, 202104(2007).

まとめと今後の展望[6] T. Mochizuki, R. Masutomi, and T.
Okamoto, Phys. Rev. Lett. 101, 267204(2008).

本研究では Fe によって誘起された 2 次元電子系を用いて量子ホール効果の研究を STM/S と電気抵抗測定を組み合わせた手法により行った。微[7] M. Minowa, R. Masutomi, T. Mochizuki,
and T. Okamoto, Phys. Rev. B 77, 233301(2008).

分コンダクタンスから得られた不規則ポテンシャ
ルや電子相関から生じる交換増強効果を考慮する[8] T. Okamoto, T. Mochizuki, M. Minowa, K.
Komatsuzaki, and R. Masutomi, J. Appl.
Phys. 109, 102416 (2011).

と、電気抵抗測定により観測された量子ホール状態をよく説明できることがわかった。今度はさらに詳細な微分コンダクタンスの実空間マッピング[9] R. Masutomi and T. Okamoto, Appl. Phys.
Lett. 106, 251602 (2015).

を行うことにより電気抵抗測定では観測できない[10] 2 次元電子系が形成される詳しい機構については本稿の参考文献 [7] を参照していただきたい。

量子ホール状態の局在・非局在や交換増強効果、クーロンギャップの空間依存性を明らかにしたいと考えている。特に磁性不純物をドナーとして用[11] A. A. Khajetoorians, B. Chilian, J. Wiebe,
S. Schuwalow, F. Lechermann, and R.
Wiesendanger, Nature 467, 1084 (2010).

いているこの系ではスピンの絡む新奇な物理現象を期待している。また、本研究に用いられている[12] S. Das Sarma and F. Stern, Phys. Rev. B
32, 8442 (1985).

装置は試料を作成した “その場” で極低温・強磁場
環境下において STM/S による観測と電気抵抗測[13] J. F. Janak, Phys. Rev. 178, 1416 (1969).

定を行えるものであり、世界的に見ても非常にユ11[14] T. Ando and Y. Uemura, J. Phys. Soc. Jpn.
37, 1044 (1974).
[15] N. R. Cooper, Phys. Rev. B 55, R1934(1997).
[16] B. L. Altshuler and A. G. Aronov, Solid
State Commun. 30, 115 (1979); B. L. Altshuler, A. G. Aronov, and P. A. Lee, Phys.
Rev. Lett. 44, 1288 (1980).
[17] T. Sekihara, R. Masutomi, and T. Okamoto,Phys. Rev. Lett. 111, 057005 (2013).

著者紹介

枡富 龍一
低次元系物理学岡本 徹
低次元系物理学12ディラック電子を内包する新奇磁性体におけるバルク量子ホール効果の観測
工学系研究科 物理工学専攻 石渡研究室
増田英俊、酒井英明、石渡晋太郎

外部磁場に依存した非自明な電子輸送現象は、19 世紀後半に発見されたホール効果や、その１世紀後に確認された 2 次元電子系における量子ホール効果など、物性物理の発展に大きな役割を果たしてきた。この流れは、質量ゼロの粒子と見なせるディラック電子が単原子層グラフェンで見いだされたことで、新たな局面を迎えている。一方、強相関酸化物における巨大磁気抵抗効果に代表されるように、磁性体におけるスピンと伝導電子の相関現象は、新たなエレクトロニクスを開拓しつつある。本稿では、ディラック電子を内包する伝導層と外部磁場で制御できる磁性層の両方を兼ね備えた新しい層状化合物 EuMnBi2 における、特異な量子輸送現象について紹介する。

1. はじめに意外な量子物性を示す強相関電子系物質をいか験的検証を可能にする理想的な系は不在であった。

に合理的に設計開発するか。この意外性と合理性

本稿では、その希少なモデル物質として我々が新という２面性が、強相関物質の新規開拓を深遠かたに見いだした EuMnBi2 を紹介する。

つ魅力的なものにしているように思われる。今回
紹介させて頂く磁性ディラック電子系物質

Eu2+

EuMnBi2 は、合理的な物質設計指針に基づいて合Bi3Mn2+成され、バルク量子ホール効果という意外な物性

Bi1-を示すことが明らかとなった[1]。ただし、強相関電子系の特徴とも言える磁性は、主役のディラッc

ク電子を引き立てる脇役を演じている。
aディラック電子系物質は、極めて高い電子易動
度をもつことや、半整数量子ホール効果といった

b

AFM1

AFM2

25

特異な量子輸送現象を示すことから、近年注目をHc

20

m0H (T)集めている[2]。この新たな潮流は、2005 年の単原子層グラフェンの研究に端を発しており、ディラック電子は相対論的量子力学の基礎方程式（ディラック方程式）に従う固体中の新たな準粒

15

Eu

AFM2
(Spin flop)

10

PM

Hf

5

子として脚光を浴びた[3,4]。このディラック電子

H||c
M-H
M-T

TN

AFM1
0
0

が示す特異な電子伝導性と強相関物質が有する磁性の融合は、スピン自由度を活用したエレクトロ

5

10
15
T (K)

20

25

ニクス（スピントロニクス）に新たな局面をもた

図１．
EuMnBi2 の結晶構造（空間群: I4/mmm）、

らす可能性が期待される。しかしながら、その実および磁気構造。下図は Eu 副格子の磁気相図。

13

2. ディラック電子系物質 EuMnBi2 の結晶によるブロック層の磁気的応答性の大幅な増大を構造と磁性・電気伝導性期待して、新たに見いだされた物質である[5–8]。

図 1 上部に EuMnBi2 の結晶構造と磁気構造を

まず EuMnBi2 の磁性と電気伝導性に関して、そ示す。後述する物性を理解する上で注目すべきは、

れらのゼロ磁場近傍での温度変化から見ていく。

Bi1−からなる２次元正方格子と、Eu2+からなる磁数 mm 角の大型単結晶試料を用いた磁化率の温度

気副格子である。前者はディラック電子が流れる

変化から（図 2a）、T N=22 K 以下において Eu2+の伝導層を、後者は Mn2+、Bi3−とともに電気伝導性

副格子は反強磁性的な磁気秩序をもつこと、低磁の低いブロック層を形成しており、後述するよう場領域で Eu のスピンは c 軸を向いていることがにブロック層の磁性が電気伝導性に大きな影響を示唆された。さらに、低磁場における詳細な磁気及ぼす。また、ブロック層内の Mn2+からなる磁気構造を決定するため、Eu の L3 吸収端近傍で共鳴副格子も、この系が示す特異な磁気輸送現象に副X 線磁気散乱を行った（図 2b)。その結果、図 1 の次的な役割を果たしている可能性があるが、その上部左側に示したように、1 つのブロック層内で議論には深入りしないことにする。ここで強調し強磁性的に揃ったスピンが、Bi1−の伝導層の上下

たいのは、EuMnBi2 がディラック電子を内包するで反強磁性的にカップルした磁気構造であること

伝導層と、外場による磁性の制御が可能なブロッが明らかとなった。また、図 2c に示したように、ク層という異なる機能をもつ層の複合体と見なせ

c 面間の抵抗率（ρ zz）は ab 面内の抵抗率（ρ xx）

ること、またそれぞれを幅広く化学置換するとと比較して 100 倍以上高く、磁気秩序相では両者いった合理的な物質設計が可能なこと、という点の差がさらに増大することが確認された。これは、である。実際に EuMnBi2 は、磁性ディラック電子

スピンバルブを彷彿とさせる異方的な磁気秩序の系物質として数年前に報告された SrMnBi2 と同発達が、電子伝導の２次元性をさらに増大させる形であり、元素置換 Sr2+（非磁性）→Eu2+（S=7/2）

ことを示唆する結果である。この伝導の２次元性

I (a.u.)

b

0.15
0.10
0.05
0.00

TN (0 T)
7 T (H||c)rzz (mWcm)

c

3. EuMnBi2 における磁場誘起相転移とバ
ルク量子ホール効果の観測

E=6.975 keV00
50 9 T
40
30
20
10
0T
0
0

重要な役割を果たすことになる。

0.1 T (H||ab)
0.1 T (H||c)
I (a.u.)a

M/H (emu/mol)は、次節で紹介する新奇な量子輸送現象の発現に

次に、EuMnBi2 の最低温および T N 以上におけ(0 0 11)
5K
0T
10.96

H||c

る c 軸方向の磁化、c 面間の抵抗率（ρ zz）、ab 面
内のホール抵抗率（ρ yx）の磁場依存性を概説する。

7 keV
11.00
L in (00L)

磁場 H は c 軸方向に印加した。図 3a に示したよ11.04

うに、最低温では H f ≈ 5.3 T で Eu2+（S=7/2）のI+

スピンフロップに伴う磁化のジャンプが見られ、V+
V-

Hc ≈ 22 T で飽和磁化に達する。各温度での磁化測I-定から得られた磁気相図を図 1 に示した。磁場印
加によるスピンフロップ転移（AFM1 相→AFM2

40

T (K)

80

120

相）に伴い、スピン間の相対角を保ったまま、外部磁場に対するスピンの向きが約 90 度回転する（図図 2．(a) 磁化率、(b) 磁気共鳴散乱の強度、

1 上部参照）。このスピンフロップは、一軸異方性(c) 電気抵抗率の温度依存性。

14

のある反強磁性体でよく見られる振る舞いである

ここまでで、ブロック層を構成する Eu の磁気が、本物質ではこれが電気伝導性に大きく影響す秩序あるいはスピンフロップ転移が、Bi 正方格子るという点に注目して頂きたい。スピンフロップ

上を流れるディラック電子の伝導性に与える影響に伴って ρ zz は急激に増大し（図 3b）、ρ xx はわずを紹介してきた。以下では、Bi 正方格子層の(多層）かに減少することから（データ非掲載）、AFM2 相ディラック電子状態によるバルク量子ホール効果の２次元性は AFM1 相のそれと比べてさらに大きの可能性について議論する。図 4a は、1.4 K においことが分かる。また、AFM2 相では電気抵抗率

けるホール抵抗率の逆数 1/ρ yx を、後述するプラやホール抵抗率 ρ yx に顕著な量子振動（シュブニトー間の間隔 1/ρ yx0 で規格化して BF/B に対して

コフ・ドハース振動）が観測される。これは、Bi 正

プロットしたものである。ここで、B =μ0(H +M )方格子を流れるディラック電子の易動度が高いこは磁束密度、B F はシュブニコフ・ドハース 振動とに加えて（最低温における易動度は約の周期、 B F/B は縮重因子を規格化した充填率

14,000 cm2/Vs）、AFM2 相における２次元性が高（filling factor)である。ρ yx0/ρ yx は明瞭なプラトー

いことを反映したものだと考えられる。実際、構造を有しており（図 4a）、プラトーが現れる磁場

H >Hc の強制強磁性相の ρ zz は、AFM1 相のそれで ρ xx の極小（図 4b）と ρ zz の極大（図 4c）が現と比べて同程度もしくはやや低い値となっており、れる。これらは、半導体超格子が示す多層量子ホーAFM2 相の２次元性が他の相よりも高いことが分ル効果とよく似た振る舞いである。ここで注目すかる。

べき点として、ρ yx0/ρ yx がほぼ半整数値(1.5, 2.5,
3.5,...)に量子化すること、さらにこの量子化が生

図 3．(a) 磁化、(b) c 軸方向の電気抵抗率、

図 4．EuMnBi2 における(a) 量子ホールプラ(c) ab 面内のホール抵抗率の磁場依存性。

トーと (b,c) ab 面内抵抗率 ρ xx および c 面間抵
抗率 ρ zz の量子振動。

15

じるときの BF/B の値もほぼ半整数値をとること

本研究成果は、低温センターより供給された寒が挙げられる。これらの振る舞いは、EuMnBi2 で剤を使用して得られたものです。この場を借りて示唆された量子ホール効果が、非自明な位相をも深く御礼申し上げます。

つディラック電子に由来するものであることを裏付ける結果である。図 4 の内挿図に示したプロットの x 切片が 0 に近い値を示すことも、この系の参考文献

電子伝導が非自明な位相因子をもつディラック電[1] H. Masuda, H. Sakai et al., Science Adv. 2,

子に支配されていることを支持する。また、図 4ae1501117 (2016).

に示したように、ρ yx0/ρ yx の半整数値での量子化は、[2] M. I. Katsnelson et al., Nat. Phys. 2, 620(2006).

厚みの異なる二つの試料#1、#2 で再現している。

[3] K. S. Novoselov et al., Nature 438, 197

このことは、
今回 EuMnBi2 において観測された量(2005).

子ホール効果が、試料表面や試料内に混入した不純物に由来するものではなく、バルクの性質であ[4] Y. Zhang et al., Nature 438, 201 (2005).

ることを示している。

[5] J.Park et al., Phys. Rev. Lett. 107, 126402(2011).
[6] J. K. Wang et al., Phys. Rev. B 84, 064428

4. おわりに(2011).

本稿では、磁性とディラック電子伝導の融合に[7] K. Wang et al., Phys. Rev. B 84, 220401(R)

よってもたらされる新たな量子物性として、層状(2011).

化合物 EuMnBi2 で観測された半整数バルク量子[8] A. F. May, M. A. McGuire, and B. C. Sales.,

ホール効果を紹介してきた。この効果の肝は、２Phys. Rev. B 90, 075109 (2014).

次元性をもたらす多層構造とスピンバルブ的な磁気秩序構造にあることは間違いなさそうである。

著者紹介

しかしながら、この２次元性がスピンフロップ相で特異的に増大する理由は、今のところ不明であ増田英俊

る。一つの可能性として、Eu スピンのフロップが、

物性物理学

f-d 相互作用を通じて Mn 副格子の反強磁性的磁東京大学大学院工学系研究科 博士 1 年

気構造に変調をもたらし、このことが層間方向の日本学術振興会特別研究員 (DC1)

電子伝導を妨げる、などが考えられる。また、今回は触れなかったが、図 4b、4c で見られる、20 T 近

酒井英明

傍でのヒステリシスを伴う抵抗率の異常や、ラン

物性物理、固体化学

ダウ準位サブバンドの分裂を示唆する振る舞い等

大阪大学大学院理学研究科 准教授の起源も、興味深い問題として残されている。いずれも、伝導層を構成する Bi における強いスピン-軌道相互作用や大きな g 因子などが重要な役割を石渡晋太郎

果たしていると予想される。ブロック層制御によ

固体化学、物性物理

るディラック電子と磁性の融合の試みは、始まっ

東京大学大学院工学系研究科 准教授たばかりである。

JST さきがけ研究者「超空間制御と革新
的機能創成」

16

強相関電子系 SrVO3 極薄膜の金属絶縁体転移の電界制御
東京大学総合文化研究科 相関基礎科学系 上野研究室
片山 裕美子、上野 和紀

SrVO3 は V4+ イオンが 3d1 の電子配置を取るバンド金属であり、数原子層の厚さにすることで次元性制御により絶縁体となることが報告され注目されている。我々は SrVO3 極薄膜をチャネルとし、イオン液体電解液をゲートとすることで外部電界による物性制御を試みた。その結果、この系において電界制御による金属絶縁体転移を初めて観測した。また、膜厚とゲート電圧という物理的なパラメータを変化させることで電子相関 U/W, およびフィリング n を変化させ、これらのパラメータの関数として金属絶縁体転移の相図をはじめて作成した。

1. 背景
引き起こし、トランジスタとしてのスイッチング
シリコンなどの半導体を用いた電界効果トラン動作を行う。また、モットトランジスタは電場とジスタ (FET) は半導体デバイスの基本素子の一いう外部から制御できる物理パラメータにより金つであり、集積回路やメモリ、ディスプレイなど

属絶縁体転移を制御できるため、モット絶縁体のさまざまな場所で使われている。FET は素子のサ物理を研究する立場からも興味深い。しかし、通イズが小さいほど消費電力が減り、集積度が上が常の FET では電場誘起できるキャリア濃度が限るためナノメートルスケールのデバイス開発が進られるため、モットトランジスタの研究は有機物められてきたが、10 nm の桁の大きさスケールでなど一部の物質系に限られてきた。

はスケールリミットに到達すると考えられてきた。

我々は電気二重層トランジスタというイオン液

その限界を超える新しいデバイスとして、半導体体をゲートとした新しいデバイス構造を用いて、の代わりに「モット絶縁体」を用いた「モットトラ

従来の電界効果トランジスタでは不可能だった絶ンジスタ」が提唱されてきた。[1, 2]縁体からの超伝導転移や、常磁性体から強磁性体

バンド理論からはバンド内に奇数個の電子がいへの転移を報告してきた。[3–5] この手法では結るとき、その物質は金属となる。モット絶縁体と晶１格子あたり 0.1 個の桁の電子濃度を電場制御

はバンド内に奇数個の電子がいるにも関わらず、できる。そのため、この手法を用いることでさま電子間のクーロン斥力により電子の移動度がゼロ

ざまな物質系でモットトランジスタを実現できるになり、絶縁体となる物質である。銅酸化物高温と期待される。

超伝導体をはじめとする多くの物質で、モット絶本研究では 3d 軌道に電子一つが存在する典型

縁体に不純物を混ぜて電子、またはホールをドー的な強相関電子系材料 SrVO3 を用いたモットトラ

ピングすることで絶縁体から金属への転移が起きンジスタの実現を試みた。遷移金属の 3d 軌道はることが報告されている。この絶縁体金属転移を

電子の広がりが狭いために強い電子間のクーロン

トランジスタに応用したのがモットトランジスタ

斥力を示す。SrVO3 は V の 3d 軌道に電子１つをである。電場によって誘起したキャリアにより絶持ち、モット絶縁体のモデル物質ともいえる。バ

縁体金属転移を起こすことで大きな移動度変化を

ルクの SrVO3 単結晶は金属だが、厚さを 10 原子17層 (ML, 1 ML は１格子の長さ 0.39 nm に対応)
以下に薄くすることで絶縁体へと変化することが光電子分光により報告されている。[6] 極薄膜では二次元性が強くなるためバンド幅 W が狭くな
り、電子間反発 U との比 U/W が増加することでモット絶縁体になった、すなわち次元性制御型の金属絶縁体転移が起きたと解釈されている。この物質を半導体チャネルとして用いることで、金属絶縁体転移のすぐ近傍での電場誘起キャリアドー
ピングが可能になる。また、膜厚を１原子層単位

図１．電気二重層トランジスタの模式図で制御しながらデバイスを作ることで、次元性による U/W の軸とゲート電圧による n の軸、二軸を独立に制御しながら金属絶縁体転移の様子を調

半導体にあたる層として、ペロブスカイト構造をべることができる。膜厚と電界効果は独立に制御持つ SrVO3 の極薄膜をレーザーMBE 法を用いて可能であり、物理的なパラメータ制御により２つ作成した。この手法では SrVO3 のターゲット材料の方向からの金属絶縁体転移の制御が可能になっをレーザーで叩くことで蒸発させ、基板に単結晶た。また、電場誘起キャリアドーピングは表面数薄膜として堆積させる。また、製膜を反射型高エ原子層の厚さの中で起きる。このような、ほぼ二ネルギー電子線回折 (RHEED) 法で観察するこ

次元のモット絶縁体が特異な相図を持つことが本とで、１原子層ごとの膜厚のその場でのモニタが研究で明らかになった。

可能である。製膜条件を最適化した結果、酸素などを導入せず還元性の雰囲気で 900℃で製膜する

2. 実験手法と、金属伝導が得られた。一方、低温、または酸素
導入で酸化側に雰囲気を変えると、SrVO3 の XRDのピークは現れるものの絶縁体となった。以下の図１に電気二重層トランジスタの構造の模式図研究では金属伝導する条件を採用した。

を示す。電解液は溶媒にイオンが溶け込んだ物質であり、イオン伝導性を持つ。一方、半導体や金属

このように作成したデバイスに Ti/Au 電極を蒸は電子によって電気伝導する。こうした伝導性の着し、ソース・ドレイン電極と四端子抵抗・ホール

異なる物質の界面（この場合固液界面）は電解液

抵抗測定が可能な電圧測定電極のついたホール

側にイオン、半導体側に電子が配列した電気二重バー構造を作成した。また、白金線をゲート、イオ

層を形成する。電気二重層はイオン１つ分、数オ

ン液体 DEME-TFSI を電解液として電気二重層ト

ングストロームの厚さをもち、また数ボルトの電ランジスタを作成した。測定は Oxford VTI と超圧を印加して界面で電気化学反応を起こさない限伝導マグネットを組み合わせてヘリウム雰囲気下、り絶縁破壊を起こさない。そのため、この界面に温度 300 K–2 K、磁場 −8 T–+8 T の範囲で行っは 100 MV/cm 以上という一般的な固体絶縁膜のた。また、電気測定はロックインアンプを用いて10 倍を優に超える電場を印加することができ、従低周波の交流測定による四端子抵抗、ホール抵抗

来の電界効果トランジスタを超える高濃度の伝導をゲート印加下で測定した。

キャリアを蓄積できる。

18

3. SrVO3 の電界制御金属絶縁体転移

200

膜厚を変えた試料について抵抗の温度依存性を

ID,IG (µA)

調べたところ、
光電子分光の報告と同様に 100 ML
で良い金属、
2 ML 以下で完全に電気を流さない絶縁体となった。その途中では 20 ML から 5 ML 程
度で温度降下とともに抵抗が上昇する絶縁体的な

150
100

10ML SrVO3
IGて抵抗率が変化し、室温の抵抗率が高い試料では0

絶縁体となった。

0境界付近の膜厚の試料では、製膜時の真空度な
どコントロールできないパラメータにより製膜中の還元性が変わり、薄膜の酸素不定性が変化する

2回目

ID

VD=0.1 V50

試料が得られた。境界付近の膜厚では試料によっ

1回目

1

2
VG (V)

34

図 2．10 ML の金属伝導を示す SrVO3 薄膜に0.1 V のドレイン電圧 VD を印加した状態でゲート電圧 VG を掃引したときのドレイン
電流 ID, ゲート漏れ電流 IG の依存性ことで電気伝導性が変化したと考えられる。
20 ML 程度の厚さの SrVO3 は化学量論組成では金属だと考えられるが、酸素過剰（ホールドーピング）により化学量論組成からずれ、また乱れが結晶中に導入される。その結果、電子が局在し、乱したがって、電界効果により金属から絶縁体へ転れによって絶縁体状態が誘起されたと考えている。

移が起きたという実験結果は、従来から知られて次に、さまざまな膜厚の薄膜で電気二重層トラ

いる SrVO3 の相図では説明できないと考えられる。

ンジスタを作成した。図 2 に 10 ML の金属伝導を

そこで、さまざまな膜厚でデバイス特性をしらべ示す試料にゲートを印加した際のデバイス特性をたところ、示す。4 V までのゲート電圧でゲート電流漏れは・ 5 ML の絶縁性の試料ではゲート電圧とともほとんど流れない。一方、ドレイン電流はゲートに電流値が倍くらいになり、絶縁体から金属

電圧 0 V から 2 V でわずかに上昇したあと、4 Vへの転移を示唆まで急激に減少し、ほぼゼロになった。ゲート電・ 10 ML 以上では同様に始めは電流値が上昇

圧を戻すとヒステリシスはあるものの、元の電流し、さらに電圧をかけると絶縁体になる値に戻った。また、二回目の測定でもほぼ再現性

・ 50 ML など完全に金属になった試料でも、が得られたことから、静電的なキャリアドーピン

ゲートとともに 50%程度、電流値が減少

グにより金属伝導から絶縁体に変化したことがわかる。このように、ゲート誘起により金属絶縁体

といった結果が得られた。したがって、SrVO3 の転移が起きた。漏れ電流があるために on-off 比の金属状態はバルクで考えられていたほど安定でな

正確な評価は難しいものの、さまざまなデバイス

く、薄膜ではキャリア濃度のわずかな変化で絶縁で確認したところ、100 倍以上の on-off 比は得ら性となることがわかった。これは、製膜時の条件

れているようである。

により絶縁性になりやすいこととも一致する。

さて、バルク SrVO3 では金属状態に多少のキャ

図３(a), (b), (c)に膜厚を変えた場合、金属の膜に

リア濃度変化を加えても伝導状態はかわらない。

電場をかけた場合、絶縁体の膜に電場を書けた場
合の抵抗の温度依存性を示した。どれも絶縁体金

19

(a)

(b)

膜厚依存性

(c)

18 ML-EDLT

7 ML-EDLT(d)
膜厚，バンド幅

3ML：絶縁性

stoichiometry

VG=6V

金属

5ML
10ML

VG=3V
VG=0V

VG印加

ρ (Ωcm)

6ML

VG=4V

ρ (Ωcm)ρ (Ωcm)

4ML

10 ML
18 ML
絶縁体 7 ML 3.5V
6 ML
酸化 5 ML
4 ML

VG印加 VG=2.5V

50ML
150ML
T (K)

150 ML
50 ML

T (K)

T (K)

3V
絶縁体
還元
VG，キャリア濃度

図 3．(a) 膜厚を変えたときの金属絶縁体転移 (b) 18 ML, 金属伝導を示す膜で n 型の電場誘起キャリアドーピングによる金属から絶縁体への転移 (c) 7 ML, 絶縁体的な膜で n 型の電場
誘起キャリアドーピングによる絶縁体から金属への(逆方向の)転移 (d) 全てのデバイス特性から導き出した二次元のモット絶縁体 SrVO3 の金属絶縁体相図。従来のバルクの相図では図の下側、stoichiometry の線の両側に狭い絶縁体の領域があると考えられてきた。二次元では全く異なり、狭い金属の領域の周りを広い絶縁体領域が覆う形になった。
属転移を示すが、金属の膜と絶縁体の膜では転移膜厚を変えながら製膜した試料のトランジスタの方向が逆である。これは、電圧のかけはじめに特性から得られた相図の領域を図 3(d)に緑色の矢は電子ドーピングとともに金属性が強くなり、そ印で示した。モット絶縁体は電子間反発が特に強の後、大きな電圧の下で絶縁体へ急激に変化する

い時にのみ起きる現象なので、格子あたりの電子という上記のシナリオに一致している。

濃度 n ≈1 付近はほとんどの領域が金属で、n =1
で U/W ≫1 の狭い領域だけがモット絶縁体にな

4. 金属絶縁体転移の相図

るはずである。しかし、実験的に得られた相図は全く異なっている。ほとんどの領域が絶縁体で、十分に膜厚が厚く(U/W が小さく)、n =1 に近い

これらの結果をまとめたのが図 3(d)の金属絶縁体相図である。薄膜を作成する際の雰囲気依存性

領域だけが金属になっている。このように U/Wから、作成した薄膜はそもそも SrVO3 の化学量がそれほど大きくない領域の金属が絶縁体になる論組成からずれており、過剰酸素によりホールことを電子間反発の寄与だけで説明することは難ドープされていると考えられる。化学量論組成のしい。この系が薄膜であるために酸素欠陥による完全な結晶であれば SrVO3 は次元性制御により乱れが強くなり、乱れによるアンダーソン局在に

1 ML もしくは 2 ML で金属絶縁体転移を示すとよって絶縁体になったと考えている。また二次元考えられる。それに対し、実際の試料ではホール

では局在が強くなることが知られているので、次ドープによる乱れがあるために絶縁体の領域が広元性制御による金属絶縁体転移の近傍では、このがるその結果、6 ML から 7 ML 程度で金属絶縁系で得られたように非常に絶縁体になりやすい特体転移が起きる。

異な相図が成立するのではないかと考えている。

20

最後に、金属絶縁体転移の起きる臨界抵抗について議論する。二次元の金属絶縁体転移は一般に

参考文献

シート抵抗が量子抵抗 RQ=h/e 2=25.8 kΩを境にお[1] C. Zhou et al., Appl. Phys. Lett., vol.70,
pp.598–600, 1997.

きることが知られている。しかし、われわれの研[2] D. M. Newns et al., Appl. Phys. Lett.,

究では図に示すように、量子抵抗では金属絶縁体
転移は起きず、むしろ抵抗率が 7×10−4 Ωcm 程度

vol.73, pp.780–782, 1998.
[3] K. Ueno et al., Nat Mater, vol.7, pp.855–

をはさんで膜厚制御、ゲート制御ともにユニバー

858, 2008.

サルに金属絶縁体転移が起きるように見える。この臨界抵抗率を一格子あたりの厚さ d（格子定数）[4] K. Ueno et al., Nat. Nanotechnol., vol.6,

で割ると、18 kΩほどであることから、この系の臨

pp.408–412, 2011.

界抵抗率は RQd 程度であると言える。この値は三[5] Y. Yamada et al., Science, vol.332, pp.1065–
1067, 2011.

次元のモット転移の臨界抵抗率に対応しており、[6] K. Yoshimatsu et al., Phys. Rev. Lett.,

われわれが観測した金属絶縁体転移が３次元のvol.104, p.147601, 2010.

モット転移（あるいはアンダーソン転移）である
ことを強く示唆するものである。おそらくこの系

著者紹介をよりクリーンに、完全な結晶にしていくことで３次元のモット転移から二次元のモット転移への上野 和紀

変化が見えてくると考えており、研究を進めてい超伝導物性、半導体デバイス工学、酸化物
薄膜

るところである。

5. まとめ
以上のように、我々は SrVO3 極薄膜を用い片山て、電場誘起による金属から絶縁体への相制御を

裕美子

無機材料化学、光物性行った。デバイスの on-off 比は 100 を超えると思われ、半導体とは全く動作原理の異なるデバイスが実現した。一方、n 型ドーピングによって、モット絶縁体から金属だけではなく、金属から絶縁体という逆方向の相変化も得られた。さまざまなデバイスを測定した結果、金属領域が非常に狭い特異な相図が得られた。これは二次元から三次元へのクロスオーバー付近に特有のものだと考えている。本研究はモットトランジスタを開発したという応用上の成果のみならず、モット絶縁体で新しい相図を見出すという基礎研究上の面白い課
題を新たに見出した。今後、実験、理論の両面から研究をすすめることで、モット絶縁体の新しい物理が開けると期待している。

21

新規多次元 NMR スペクトル再構成法の開発と GPCR 研究への応用
上田

薬学系研究科 薬科学専攻 生命物理化学教室
卓見、吉浦 知絵、幸福 裕、松本 昌彦、奥出 順也、近藤
白石 勇太郎、竹内 恒、嶋田 一夫

啓太、

Ｇタンパク質共役型受容体 (GPCR) は、シナプスの神経伝達物質や血中のホルモン、体外の感覚刺激物質等の受容体であり、多く重要な生理機能を担う。我々は、核磁気共鳴法 (NMR 法) を用いて、GPCR が不活性型と活性型の動的構造平衡状態にあること、および活性型の割合がリガンドの薬効度を決定することを明らかにした。GPCR の NMR 解析を行う上では、収量および安定性が低い点がボトルネックとなる。したがって、短時間で感度良く NMR スペクトルを測定する手法が重要である。本稿では、従来法より短時間でシグナル強度比を正確に決定することを可能とする多次元 NMR スペクトル再構成法を開発した上で、開発した手法を応用して、炎症や免疫応答を制御する GPCR であるケモカイン受容体 CCR1 および CCR5 と、生理的リガンドである MIP-1α の結合様式を解明した研究を紹介する。

1. 序
ヒトに約 800 種類存在する G タンパク質共役型受容体 (GPCR) は、神経伝達、炎症反応、免疫応
答といった多くの重要な生理機能を担う膜タンパク質である。GPCR を標的とする化合物は、現在市販されている薬の約 1/3 を占める。GPCR は、ホルモンや神経伝達物質などの内在性リガンドや薬物の結合により活性化すると、細胞内の G タンパク質やアレスチンを活性化して、シグナルを誘起する。
したがって、
GPCR を標的とした創薬を加速する上

図１．二次元 NMR データの模式図。展開時間を変えながら 1 次元 NMR スペクトルを多数測

では、
GPCR がリガンドとどのように結合するか、定することにより、間接軸の周波数で振動する

またリガンドが GPCR の活性をどのように制御す

二次元データ（インターフェログラム）を得る。

るかを明らかにすることが重要である。

インターフェログラムをフーリエ変換すると、

我々は、核磁気共鳴法 (NMR 法) を用いて、二次元 NMR スペクトルが得られる。

GPCR が不活性型と活性型の動的構造平衡状態にあること、および活性型の割合がリガンドの薬効度を決定することを明らかにした [1–3]。また、

GPCR の NMR 解析を行う上では、収量および我々が開発した NMR 手法である転移交差飽和法

安定性が低いことがボトルネックとなる。した[4] を用いて、GPCR である CXCR4 が、二段階のがって、短時間で感度良く多次元 NMR スペクト結合様式で生理的リガンドである SDF-1 と結合ルを測定することが重要である。しかし、多次元することを明らかにした [5]。

NMR 測定では、展開時間を変えながら、NMR 信

22

号を多数回繰り返し検出することが必要である

圧縮センシングで用いられる、不均一にサンプ(図 1)。また、展開時間の大きいデータでは、横緩リングしたデータよりも、展開時間の小さい部分

和によりシグナルが減弱するため、S/N 比が低い。

のみを均一サンプリングしたデータの方が、S/N

多次元 NMR スペクトルでは、シグナルがまばの良いデータを多く含むため、強度比を正確に決らにしか存在しないという性質を利用して、少数定する実験では有効であることが期待される (図の実験データから高分解能のスペクトルを再構成4)。しかし、両データから再構成したスペクトルにする手法が開発されている (図 2)。特に、不均一

おける、シグナル強度比の正確性を比較した例はにサンプリングしたデータから圧縮センシングでない。そこで本研究では、シグナル強度比を正確再構成する手法は、線形予測法等の他の手法よりに決定する上で有効な多次元 NMR スペクトル再有効であることが示されている。また、構成法を開発すること、および開発した手法を応ANAFOR 法のような、試料の性状確認のために用して、GPCR が生理的リガンドを認識する機構

取得する比較的単純で感度が良い NMR スペクトを解明することを目的とした [6-7]。

ルから化学シフト等の情報を得て再構成に利用する手法も最近開発されている (図 3)。

図 4．圧縮センシングによる再構成におけるサンプリングスケジュールと、中断した均一
サンプリングの比較。
図 2．圧縮センシングによる、高分解能 2 次
元図 NMR スペクトルの再構成の模式図。

2. 従来法 (ANAFOR 法) の概略
後述する再構成法は、いずれも三次元以上の高次元 NMR データに適用可能であるが、簡略化のため、以下では二次元 NMR データの再構成を考える。また、虚数部分は省略し、位相は完全な吸収形であると仮定する。
直接観測軸のデータポイント数を td2 とすると、2 次元のインターフェログラムは、td2 個の 1 次元
インターフェログラム F(t) で構成される。 F(t)は、周波数ω、強度 x で、速度定数 R で指数関数的に減衰する k 個のシグナルの和であるとすることができる。
𝑘𝑘

図 3．ANAFOR による、高分解能二次元

𝐹𝐹(𝑡𝑡) = � 𝑥𝑥𝑚𝑚 cos{(𝜔𝜔𝑚𝑚 − 𝜔𝜔0 )𝑡𝑡}exp(−𝑅𝑅𝑚𝑚 𝑡𝑡) (1)NMR スペクトルの再構成の模式図。

𝑚𝑚=1

この式に、予備的データから取得される化学シ
フトと、経験的な速度定数の値と、実測したデー

23

タを入れると、変数が強度 x のみの、連立方程式となる。
𝐴𝐴(1, 𝑡𝑡0 )𝐴𝐴(1, 𝑡𝑡0 + ∆𝑡𝑡)
�⋮𝐴𝐴(1, 𝑡𝑡𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 )𝑥𝑥1⋯
𝐴𝐴(𝑘𝑘, 𝑡𝑡0 )𝑥𝑥2⋯ 𝐴𝐴(𝑘𝑘, 𝑡𝑡0 + ∆𝑡𝑡)�� ⋮ �
⋱⋮𝑥𝑥𝑘𝑘⋯ 𝐴𝐴(𝑘𝑘, 𝑡𝑡𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 )𝐹𝐹(𝑡𝑡0 )𝐹𝐹(𝑡𝑡 + ∆𝑡𝑡)
=� 0
�⋮𝐹𝐹(𝑡𝑡𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 )𝐴𝐴(𝑚𝑚, 𝑡𝑡) = cos{(𝜔𝜔𝑚𝑚 − 𝜔𝜔0 )𝑡𝑡}exp(−𝑅𝑅𝑚𝑚 𝑡𝑡)

(2)

(3)

最小二乗法により、x1…xk の最適解が得られる。

図 6．ANAFOR および Co-ANAFOR による得られた解を式(1) に代入すると、高分解能の再再構成の際に、予備的データと再構成する

構成後のデータが得られる。

データの化学シフトの誤差を変動させた時の、シグナル強度比の誤差のプロット（上）3. 多次元 NMR スペクトル再構成法 CoANAFOR の開発 [6]および再構成前後のデータ（下）。

最初に、部分的に取得した実験データを、
ANAFOR 法で再構成した。その結果、再構成後の

そこで、ANAFOR 法に二点の改良を加えた。一スペクトルでは、シグナル数に比べてデータ数が点目として、最小二乗法の解を安定化させるため少ない条件において、最小二乗法の最適解が安定に、Tikonov regularization を適用した。二点目

しないため、混んでいる領域に強いアーティファ

として、再構成するデータと予備的データの違い

クトが生じる点 (図 5) や、再構成するデータと予の影響を小さくするために、ANAFOR では捨てて備的データの違いが、再構成後のスペクトルに顕

計算値に置き換えていた実測データを残して、測著に反映されてしまったりする点が問題となるこ定していない部分だけ外挿するように変更した。

とが明らかとなった (図 6)。

その結果、ANAFOR における線形の不一致やアー
ティファクトが解消された (図 5, 6)。以下、開発した手法を Co-ANAFOR と呼ぶ。なお、ホームページで、Co-ANAFOR のプログラムを公開している (http://ishimada.f.u-tokyo.ac.jp/public_html/
reconstruction/indexj.html)。

次に、光合成明反応膜蛋白質と電子輸送蛋白質
図 5．ANAFOR および Co-ANAFOR を使っ

プラストシアニンとの転移交差飽和実験のデータて、実測データから再構成した二次元 NMRに Co-ANAFOR を適用した。その結果、圧縮セン

スペクトルの比較。アーティファクトが生じシングにより 14 ポイントの不均一サンプリングている領域を四角で囲った。

したデータから再構成した 56 ポイントのスペク
トルでは、S/N 比が 40 を下回るような感度の低いシグナルの強度比が、56 ポイント全て実測したス

24

ペクトルにおける強度比と顕著に異なっていたの大幅に向上することに成功していた [8]。しかし、に対し、Co-ANAFOR により 14 ポイントの均一

脂質二重膜中においても、CCR1 および CCR5 のサンプリングしたデータから再構成した 56 ポイ

安定性が低いため、24 ポイントを超える転移交差

ントのスペクトルでは、全て実測したスペクトル飽和法の二次元 NMR データを十分な S/N で取得

における強度比との差は 0.15 以下であった (図 7)。

することは困難であった。そのため、再構成を行
わない場合、および線形予測法による再構成を行った場合は、分解能が不十分なスペクトルや、シグナルが歪んだスペクトルしか得られなかった。
一方、Co-ANAFOR を適用して 96 ポイントのス
ペクトルを再構成した場合は、歪みのない、十分な分解能のスペクトルを得ることができた。その結果、MIP-1α 上の N ループおよび β シート領域
が CCR1 と CCR5 の両方と近接すること、およびC 末端ヘリックスが CCR5 と近接することが明ら

図 7．プラストシアニンと光合成名反応膜タかとなった (図 8)。したがって、C 末端へリック

ンパク質の転移交差飽和実験における、ラジスに位置する残基の変異を伴う SNPs の影響を調

オ波非照射時の各残基のシグナルの S/N 比

べることは、CCR1 と MIP-1αの相互作用、およびと、Co-ANAFOR もしくは圧縮センシングを

CCR5 と MIP-1αの相互作用がそれぞれ多発性硬用いて、実測データの一部から再構成したス化症の病状に影響するかを明らかにする上で重要ペクトルにおけるシグナル強度比の誤差のプであることが示された。

ロット。

4. Co-ANAFOR の GPCR 研究への応用[7]単球やマクロファージに発現する GPCR である
CCR1 および CCR5 は、MIP-1α およびその他の内因性リガンド蛋白質により活性化され、炎症や免疫応答を制御する。多発性硬化症の患部における CCR1 と CCR5 の発現量は、病状により異なることが知られている。したがって、CCR1 およびCCR5 と MIP-1αとの結合様式は、
CCR1 と CCR5

図 8．Co-ANAFOR と転移交差飽和法によりがそれぞれ多発性硬化症の病状にどのように影響明らかとなった、MIP-1α上の CCR5 結合部

するかを明らかにする上で重要である。そこで、位(上)および CCR1 結合部位(下)。

転移交差飽和法を用いて、CCR1 および CCR5 の、MIP-1α 結合様式を明らかにすることとした。
これまでに、再構成高密度リポ蛋白質の脂質二重膜に再構成することにより、CCR5 の安定性を25

[6] T. Ueda, C. Yoshiura, M. Matsumoto, J.

5. 低温センターとの関連

Okude, K. Kondo, Y. Shiraishi, K.

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。

Takeuchi, and I. Shimada, J. Biomol.

GPCR のような、濃度や安定性の低い試料の NMR

NMR, 62, 31 (2015)

解析では、高感度、高分解能の NMR スペクトル[7] C. Yoshiura, T. Ueda, Y. Kofuku, M.

の取得を可能とする、本装置のような高磁場のMatsumoto, J. Okude, K. Kondo, Y.

NMR 装置が必要不可欠である。
一方、本装置では、Shiraishi, and I. Shimada, J. Biomol. NMR,

5 週間毎に 250 L の液体ヘリウムを充填すること

63, 333 (2015)

が必要であり、年間 4,000 L 近い多量の液体ヘリ[8] C. Yoshiura, Y. Kofuku, T. Ueda, Y. Mase,

ウムを使用する。したがって、今回紹介したよう

M. Yokogawa, M. Osawa, Y. Terashima, K.

な研究では、大量の液体ヘリウムを安定かつ安価

Matsuhsima, and I. Shimada, J. Am.

に供給することを可能とする低温センターが、必Chem. Soc., 132, 6768 (2010)

要不可欠である。

著者紹介

参考文献
[1] J. Okude, T. Ueda, Y. Kofuku, M. Sato, N.

上田 卓見

Nobuyama, K. Kondo, Y. Shiraishi, T.

構造生物学

Mizumura, K. Onishi, M. Natsume, M.

東京大学助教（大学院薬学系研究科）。薬博。

Maeda, H. Tsujishita, T. Kuranaga, M.
Inoue, and I. Shimada, Angew. Chem. Int.
Ed., 54, 5771 (2015)[2] Y. Kofuku, T. Ueda, J. Okude, Y. Shiraishi,

幸福 裕

K. Kondo, T. Mizumura, S. Suzuki, and I.

構造生物学

Shimada, Angew. Chem. Int. Ed. 53, 13376

東京大学特別研究員（大学院薬学系研究科）。
薬博。

(2014)[3] Y. Kofuku, T. Ueda, J. Okude, Y. Shiraishi,
K. Kondo, M. Maeda, H. Tsujishita, and I.
Shimada, Nature Commun., 10, 1038
(2012)

嶋田 一夫[4] T. Ueda, K. Takeuchi, N. Nishida, P.

構造生物学

Stampoulis, Y. Kofuku, M. Osawa, and I.

東京大学教授（大学院薬学系研究科）。
理博。

Shimada, Q. Rev. Biophys., 47, 143–187(2014)[5] Y. Kofuku, C. Yoshiura, T. Ueda, H.
Terasawa, T. Hirai, S. Tominaga, M.
Hirose, Y. Maeda, H. Takahashi, Y.
Terashima, K. Matsuhsima, and I.
Shimada, J. Biol. Chem., 284, 35240 (2009)26

根寄生植物由来 KAI2 タンパク質が発芽誘導物質を選択的に認識する機構
農学生命科学研究科

応用生命化学専攻 食品生物構造学研究室
徐 玉群、田之倉 優

植物の種子発芽誘導物質であるカリキン及びストリゴラクトンはそれぞれ KAI2 及び D14 によって受容されることが知られていたが、近年 Striga 属寄生雑草（ストライガ）の発芽誘導物質ストリ
ゴラクトンの受容体が KAI2 であることが報告された。ストライガには複数の KAI2 タンパク質が存在し、ストリゴラクトンまたはカリキンに対する応答性によって、3 つのグループに分けられる。
我々は、進化的に中間のグループに属する ShKAI2iB（Striga hermonthica KAI2 intermediate B）に着目して解析し、ShKAI2iB がストリゴラクトンではなく、カリキンと結合することを明らかにした。さらに、ShKAI2iB とカリキンとの複合体構造を X 線結晶構造解析法により決定し、カリキンの結合様式を明らかにした。他のファミリータンパク質との構造比較により、ShKAI2iB のリガン
ド特異性と関連づけられるキャップ構造における違いが観測された。ここでは、ShKAI2iB がカリキンを選択的に結合する構造基盤について紹介する。

1. 植物の発芽誘導物質
ストリゴラクトン（strigolactone, SL）（図 1a, b）
は、根寄生雑草である Striga hermonthica（ストライガ）の発芽誘導物質であり、ストライガの宿主となる植物の根から分泌され、休眠しているス
トライガの種子に認識されることが知られている。
ストライガは、ソルガム、トウモロコシ、イネなどの重要な穀物に寄生し、宿主から栄養分を奪う。
ストライガは、サハラ以南のアフリカや中東の農業生産に甚大な被害をもたらしているが、有効なストライガ防除法はまだ確立していない。ストラ

図 1．ストリゴラクトン（a, b）とカリキン（c,イガの種子は非常に小さく、広い範囲にわたって
農地に存在しているため、物理的な除去は難しい。

d）の化学構造例

また、ストライガの種子は、休眠状態での寿命が（D14）によって受容されることが知られている

長く、15–20 年間休眠しても発芽能力を失わない[2–3]。SL のほかに、煙から発見された非生物物質[1]。現在の手法で土壌中の種子を完全に駆除するのカリキン（karrikin; KAR）
（図 1c, d）も種子のことは困難である。

発芽誘導活性をもっており、燃焼によって失われイネやシロイヌナズナ等のモデル植物において、た植生の再生に寄与していると考えられる。KAR

SL は枝分かれを制御する植物内在性ホルモンとは、D14 のパラログである KAI2（KARRIKIN

して働き、α/β 加水分解酵素である DWARF14

INSENSITIVE 2）というタンパク質に受容され27

ることが知られている。近年、シロイヌナズナ由
来 KAI2 においては、KAR の認識に加え、合成 SL
アナログ GR24 との相互作用と GR24 の分解活性が報告された[4–5]。
2015 年に、ストライガには 11 種類の KAI2 遺伝子が存在し、SL または KAR に対する発芽応答
性や感受度が異なっていることが明らかにされた[6–8]。しかし、ストライガにおける発芽誘導物質
である SL または KAR に対する複数の KAI2 タン
パク質の選択的な認識機構はまだ不明である。
本研究で我々は、ストライガの KAI2 タンパク質の一つである ShKAI2iB に着目してリガンド選択性の構造基盤を解明するために、ShKAI2iB のリガンド選択性を解析し、X 線結晶構造解析を行った。
図 2．分子間相互作用解析

2. ストライガ由来 ShKAI2iB（a）KAR1、（b）GR24 を ShKAI2iB に滴定しシロイヌナズナ種子を用いたストライガのたときの ITC データを示しており、各滴定ピー

KAI2 オーソログの相補実験により、
ShKAI2iB はクの面積はその滴定によって発生した熱量に等KAR 依存的なシロイヌナズナ KAI2 の発芽誘導活（d）GR24 と ShKAI2iB
しい。
各濃度の（c）
KAR1、性を相補できることが示唆されている。本研究での結合に伴う蛍光強度変化（波長 333 nm）を示す。

は、SL 及び KAR との相互作用解析により、

ShKAI2iB は KAR に対するリガンド選択性をも

ShKAI2iB のリガンド選択性を解析した[9]。

つことが明らかになった。

ShKAI2iB が SL 及び KAR を結合するかどうかを評価するため、等温滴定熱量測定法（ITC）及び3. ShKAI2iB の結晶構造

トリプトファン蛍光法を用いて相互作用解析を

ShKAI2iB と KAR1 の選択的に結合する機構を行った。等温滴定熱量測定法は滴定によって溶液

構造学的な観点から解明するため、ShKAI2iB の中の分子間相互作用に伴う微小な熱変化（発熱変

結晶構造解析を行った。最初に、結晶化スクリー

化もしくは吸熱変化）を観測できる熱力学的な方

ニングにより得られた ShKAI2iB 結晶について、法であり、トリプトファン蛍光法はタンパク質のin-house の X 線回折装置を用いて X 線回折デー

内在性蛍光を利用して、タンパク質とリガンドのタを取得し、ShKAI2iB の単独構造を決定した。

結合を解析する方法である。相互作用解析の結果、

他のファミリータンパク質と構造比較した結果、

ShKAI2iB と合成 SL アナログ GR24 の結合は見

ShKAI2iB は全体的に類似の構造を形成していたられなかったが、KAR の一種である KAR1 との相が、ShKAI2iB のリガンド結合ポケットの入口に互作用が観測された（図 2）。また、相互作用解析

ある α ヘリックス（αD1）に違いが見られた。

の結果と一致して、GR24 の分解活性は認められ

ShKAI2iB の αD1 の配向は、イネ由来 D14 及びなかった。本研究の結果は報告されたシロイヌナ

シロイヌナズナ由来 KAI2 の αD1 よりもリガンド

ズナ KAI2 における相補実験と一致しており、

結合ポケットの内側に向かってずれており、結合28ポケットのサイズが小さくなっていた（図 3a）。こ

4. ShKAI2iB による KAR1 の認識機構

れにより、ShKAI2iB は KAR よりも分子サイズ

ShKAI2iB と KAR1 との結合様式を調べるための大きな SL を受け入れることができなくなったに、複合体構造を X 線結晶構造解析法により決定と考えられた。実際に、本研究で得られたした（図 4a）。ShKAI2iB-KAR1 の複合体構造とShKAI2iB の単独結晶構造は二種類（ShKAI2iB

ShKAI2iB の単独構造を比較したところ、主鎖の及び ShKAI2iB-I とさせる）があり、αD1 に違い

炭素原子（Cα）の平均二乗偏差（RMSD）が 0.1 Åが見られた（図 3b）。ShKAI2iB-I 構造では、と高い類似度を示したが、Phe194 に変化が見られ

ShKAI2iB 構造よりも αD1 が 1 Å 程度開いた状態

た。Phe194 が 1 Å 程度配向変化し、KAR1 の結合であった。これは、ShKAI2iB のリガンド結合ポに必要な空間を作っていた。
Phe194 の配向変化は、

ケットの入り口が二状態をとり得ることを示して

KAI2-KAR1 複 合体構造にも 観測され ていた 。

おり、この柔軟性は KAR を結合ポケットに受けPhe194 の配向は KAR の結合に重要であることが入れる際の入り口の開閉に関わる可能性がある。

示唆される。
ShKAI2iB-KAR1 の複合体構造において、KAR1
は ShKAI2iB のリガンド結合ポケットに結合しており、複数の疎水性残基に囲まれて認識されていた。また、KAR1 のブテノライド環のカルボニル酸
素は水分子を介して、ShKAI2iB の Ser95 と水素結合を形成していた（図 4b）。Ser95 は α/β 加水分解酵素で保存されている触媒残基の一つに相当する。KAR1 と Ser95 の相互作用を仲介する水分子は Phe26 及び Leu96 の主鎖窒素原子と水素結合を形成しており、いわゆるオキシアニオンホール（oxyanion hole）様の配置で安定化された。また、
ShKAI2iB に 予 測 さ れ た 触 媒 三 残 基 Ser95-

図 3．ShKAI2iB と既知 KAI2 及び D14 との構

His246-Asp217 は水素結合で結ばれるように配置

造比較されており、KAR1 の結合を安定化していた。結晶（a）ShKAI2iB（シアン）、シロイヌナズナ由構造と一致して、ShKAI2iB の Ser95 を Ala に置

来 KAI2（マゼンタ）及びイネ由来 D14（緑色）換した変異体を用いた ITC 測定の結果により、の分子表面を示している（赤：酸素原子、黄色：

S95A 変異体と KAR1 との相互作用は観測されな

硫黄原子、青：窒素原子）。リガンド結合ポケッ

かった（図 4c）
。これは、Ser95 が水分子を安定化

トの入り口は黒色破線に囲まれている。ポケッすることで、
KAR1 の結合に寄与していることを示

トのサイズを各構造上に示している。（b）

唆する。興味深いことに、カリキンの加水分解は

ShKAI2iB の二構造と既知 KAI2 及び D14 の立

これまで観測されていないが、シロイヌナズナ

体構造のアラインメント（左側）と αD1 の重ねKAI2 の Ser95 が置換された変異型の KAI2S95A を合わせた図（右側）。ShKAI2iB（シアン）、発現させたシロイヌナズナは KAR に応答しない

ShKAI2iB-I（ピンク色）、シロイヌナズナ由来

ことが報告されている[10]。本研究の結果と一致

KAI2（マゼンタ）及びイネ由来 D14（緑色）

して、Ser95 触媒残基は KAR の認識に重要であるの構造を示している。

と考えられる。

29

図 4．ShKAI2iB の KAR1 認識機構

図 5．KAR1 の結合様式（a）ShKAI2iB と KAR1 の複合体構造（左側）（a）ShKAI2iB-KAR1 の複合体構造（紫色）及及 び ShKAI2iB 単 独 構 造 （ シ ア ン ） とびシロイヌナズナ由来 KAI2-KAR1 の複合体構

ShKAI2iB-KAR1 の複合体構造（紫色）の重ね造（マゼンタ）の重ね合わせた図。KAR1 の配合わせた図（右側）。Phe194 の配向変化は赤色

向が異なったことが示されている。（b−c）

矢印で示している。KAR1 の結合に関わっていShKAI2iB-KAR1（b）及びシロイヌナズナ由来

る疎水性残基はピンク色で、触媒三残基は紫色

KAI2-KAR1（c）の複合体構造の KAR1 結合ポで表示されている。（b）KAR1 の結合様式。赤ケット。KAR1 は黄色で、KAR1 の結合に関わっい球体は水分子を表している。水素結合を黄色ている疎水性残基はピンク色で表している。

破線で示している。（c）ShKAI2iB の S95A 変

ShKAI2iB の触媒三残基は紫色（b）で、シロ

異体と KAR1 の ITC 結果。滴定に伴う熱変化

イヌナズナ由来 KAI2 の触媒三残基はマゼンタ

は観測されなかった。

（c）で表している。

今回決定した ShKAI2iB-KAR1 の複合体構造とShKAI2iB では Phe 残基（Phe190）に置換されて以前報告されたシロイヌナズナ KAI2-KAR1 の複いるため、立体障害により ShKAI2iB の Phe194

合体構造の比較では、多数の疎水性残基に認識さは回転できない（図 5b, c）。こうして、ShKAI2iB

れる共通点はあるものの、
KAR1 の結合様式は大きの KAR1 に対するリガンド選択性は主に αD4 上のく異なっていることが明らかになった
（図 5）
。αD1

Phe190 及び Phe194 により規定されると考えらに隣接する α ヘリックス（αD4）上の Phe194 は、れる。また、前述したように、ShKAI2iB-KAR1 のシロイヌナズナ KAI2 に KAR1 が結合した際にそ複合体構造において、KAR1 は ShKAI2iB の触媒の側鎖のフェニル基を 90º 回転させて KAR1 の環

残基 Ser95 と水分子を介して水素結合を形成して構造及び Phe134 のフェニル基とスタッキングし、いたが、シロイヌナズナ由来 KAI2-KAR1 の複合安定化される[4]。KAI2 の Phe194 に隣接する残体 構 造 で は 触 媒 残 基 His246 と 弱 い 水 素 結 合

基 が Gly 残 基 （ Gly190 ） で あ る の に 対 し 、（3.8 Å）を形成していた。
このような異なる KAR130

[2] Nakamura, H. et al. Nat. Commun. 4: 2613

結合様式は ShKAI2iB と KAI2 の機能が異なる可(2013).

能性を示唆している。本研究によりストライガの種子における ShKAI2iB の遺伝子発現レベルは初[3] Zhao, L. et al. Cell Res. 23: 436–439 (2013).

めに高く、SL の添加による発芽誘導処理（コン[4] Guo, Y., Zheng, Z., La Clair, J.J., Chory, J.,

ディショニング）に伴って減少することが認めら

Noel J.P. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 110:れた。これは、ShKAI2iB がストライガの種子発

8284–8289 (2013).
[5] Toh, S., Holbrook-Smith, D., Stokes, M.E.,

芽誘導ではなく、発芽抑制に機能していることをTsuchiya, Y. & McCourt, P. Chem. Biol. 21:

示唆しているかもしれない。

988–998 (2014).
[6] Conn, C.E. et al. Science. 349: 540–543

5. 今後の展望(2015).

ShKAI2iB は KAR 及び SL の二種類の植物発芽[7] Tsuchiya, Y. et al. Science. 349: 864–868

誘導物質のうちで、KAR を選択的に結合するタン(2015).

パク質であり、X 線結晶構造解析により、[8] Toh, S. et al. Science 350: 203–207 (2015).

ShKAI2iB と KAR の新規結合様式を明らかにした。KAR や SL の結合の選択性は、リガンド結合[9] Xu, Y. et al. Sci. Rep. 6, 31386 (2016).

ポケットへの厳密な認識よりも、リガンド結合ポ[10] Waters, M.T., Scaffidi, A., Sun, Y.K.,

ケットの空間でリガンドを受け入れることが重要

Flematti, G.R. & Smith, S.M. Plant J. 79:

であると考えられる。また、KAR の結合様式を制

623–631 (2014).

御する構造基盤として Phe190 及び Phe194 による配向制御及び αD1 の柔軟性が重要であることが著者紹介考えられた。本研究のようなストライガ KAI2 と徐 玉群

発芽誘導物質の認識機構の理解は、ストライガの

構造生物学

発芽制御に役立つことが期待される。ストライガ
における複数の KAI2 パラログが存在し、SL による発芽調節機構の理解を深めるために、これらのKAI2 パラログの構造を解析し、ストライガの発芽を制御する化合物を開発することが今後の課題に

田之倉 優

なる。

食品構造生物学

本研究におけるサンプルの凍結保存及び X 線回折データを収集する際に結晶の凍結等の実験に、
低温センターより寒剤供給は不可欠であり、ここに改めて感謝申し上げます。

参考文献[1] Berner, D.K., Kling, J.G. & Singh, B.B. Plant

Dis. 79: 652-660 (1995).

31

融合画像を用いた脳神経外科手術シミュレーション
医学部付属病院 脳神経外科
金 太一

臨床医療では MRI を中心に多種多様な医用画像が取得される。脳神経外科医はこれらの膨大な画像情報を手術前に丹念に読影しなければならず、その負担は少なくない。この課題に対して複数の画像データを統合して３次元可視化したもの（融合３次元画像）を手術検討に応用する研究がさかんにおこなわれるようになり、臨床医療でも広く利用されつつある。本報告では、脳神経外科医療の観点からみた、融合３次元画像を用いた手術シミュレーションの現状と課題について概説する。

1. はじめに
脳神経外科領域で使用される医用画像は、MRI、CT、脳血管撮影及び核医学検査などがあり、更に

tumor

fMRI

拡散テンソル画像や機能 MRI (functional MRI;
fMRI)などの脳機能画像や PET や SPECT などの

CST

代謝画像、また最近ではコンピュータシミュレー

AFションに基づく血流解析画像など、実に多種多様である。手術検討の際に取得される画像データ
セットは、1 症例あたり１０〜２０種類以上にもおよび、これらを２次元断面画像で観察した場合

図 1．多種多様な医用画像データから作成したには、数千枚に及ぶことも少なくない[1]。脳神経

融合３次元画像．AF: arcuate fiber, CST:

外科医はこれらの画像データを丹念に読影して、

corticospinal tract, fMRI: functional magnetic

自分達の頭の中で多数の画像データを時空間的に

resonance imaging.

統合することで手術計画をたてる。しかし、この

レーションやセグメンテーションの精度[5,6]、２

ような方法では手術計画の正確性、妥当性に大き次元断面画像よりも低い空間分解能[4]、最適な 3

な個人差が生じる可能性があり、客観的な再現性

次元可視化法[7]、手術シミュレーションの妥当性や他者との情報共有という面でも課題となる。こ[8]、長時間を要する画像処理時間[1]など解決すべの課題に対して、異なる医用画像データセットをき技術的課題は多い。また、作成には膨大な画像統合した融合３次元画像を用いた手術検討が臨床データから情報を取捨選択することが必須であり、にも広がりつつある[2,3]。融合３次元画像は膨大

出力結果の正確な解釈のためにも臨床医が融合３な医用画像データを１つのコンピュータグラ

次元画像作成に関わることが望ましい。本報告でフィックスとして可視化したもので、３次元的には、我々の施設における 700 例以上の融合３次元

解剖構造の把握や手術検討が可能である。更にソ画像による脳神経外科手術シミュレーションの経

フトウェア上での組織の部分的な透明化や変形なども可能であり、その有用性を示す報告は多い[4]。
しかしながら、融合３次元画像には、レジスト

験から、特に臨床的な観点から、最新の融合３次
元画像処理方法における、有用性と課題について
概説する。

32

2. 元画像データ

A

B

融合３次元画像の構築には MRI を中心とした
元データとなる医用画像が必須である。医用画像技術が進歩している現代であっても、一般的な病院では医用画像の多くがグレースケール（白黒）で 512 ピクセルサイズである。これは画素数では

図 2．正規化相互情報量法でレジストレー

26 万程度にすぎず、人体を詳細に可視化するにションした DWI と FIESTA．大脳はレジストは不十分である。詳細な融合３次元画像を構築す

レーション誤差が小さいが、脳幹部では大きるためには、可視化したい標的組織のコントラス

な誤差を認める．DWI: diffusion weighted

ト比が高いモダリティーやシーケンスを thin

image, FIESTA: fast imaging employing

slice で準備しなくてはならない。つまり、病変

steadystate acquisition.

や異常の有無を検索する通常の放射線診断学的とは目的が異なり、別途データが必要となることもエフェクトや MRI における歪み、撮影時の姿勢に多い。

よるずれなど様々な要因によって、同一画像デー
タセット同士でも一致度の高いところと低いところが存在することが稀ではない（図 2）。更に拡散

3. レジストレーション

テンソルトラクトグラフィーや fMRI などの脳機

融合３次元画像構築では、はじめに異なる種類

能画像は DICOM 形式で出力できないことも多く、の医用画像データセットを同一座標系に一致させ異なる画像フォーマット間のレジストレーション

るレジストレーションという作業が必要となる。

方法の確立も今後の課題である。脳神経外科の手自動レジストレーションのアルゴリズムには様々

術検討では血管や脳溝・脳回が微小レベルで正確な方法が提案されているが、医用画像においてはに描出されていなければ、その有用性は大きく低正規化相互情報量法が広く用いられている[9]。こ下する[11]。例えば動脈の場合は、部位や大きさにの方法は異なる画像データセット間のレジスト

よって最もよく描出される元画像が異なるため、レーションに有効な方法とされるが、適切な初期

当施設では動脈の描出に４種類の元画像データ値の設定が必要で、画像データセット間の撮像範

セット（three-dimensional angiography, time-of-

囲やボクセルサイズの輝度の範囲や分布が類似しflight MR angiography, contrastenhanced MRていることが前提条件となる。このため実際の臨

angiography, CT angiography）を使用している。

床では組織のコントラスト分布が大きく異なったり、撮像範囲が大きく異なる画像データセット同

4. セグメンテーション

士ではうまくいかないことが多い[10]。また、正規化相互情報量法はボクセル類似度ベースに位置合脳神経外科手術では 1 mm 以下の血管の走行をわせを行うため、本法におけるレジストレーショ

把握することは極めて重要であるが、それらの微ンの精度が２つの画像間における組織の一致度を小血管は２次元断面画像でも検出限界のぎりぎり保証しているわけではない。各組織が正確に位置であることが多い。一般に２次元画像よりも３次合わせできているかどうかの精度検証方法に関し

元画像の方が微小血管の描出能力が劣るため、融て確立したものはなく、現状では観察者が肉眼的合３次元画像における微小領域の組織セグメンに直接レジストレーションの結果を確認するしかテーションは臨床的に大きな課題である[12]。効ない。また、医用画像にはパーシャルボリューム

率よく関心領域を抽出する目的で、リージョング

33ローイング法などの（半）自動セグメンテーショ
ン手法や、濃度、エッジ、領域情報などを利用した
CST

様々な方法が提案されている[13,14]。しかし、脳神経外科顕微鏡レベルの血管を必要充分に自動抽出するには至っていない。結局、現在の臨床では濃度閾値法と用手的セグメンテーションが主流となっている[4,8]。これに対して当施設では、対象組織が含まれる画像データセットを血管径に応じ

図 4．脳動静脈奇形の融合３次元画像．

て任意のバウンディングボックスに分割し、それぞれのバウンディングボックスで血管が最もよく描出され、かつノイズが少なくなるような閾値を

なぜなら手術では術野が限られており、脳実質なあてがう独自のセグメンテーション法を用いていどの組織に隠れて血管が部分的にしか確認できなる（図 3）[1]。本法により２次元画像に劣らないいためである。脳実質や血管以外の組織を非表示

描出能を達成している。しかしながら本法は用手にして血管の全走行を詳細に検討することが可能

的操作に頼るところが大きく、更に熟練した医師である融合３次元画像を用いた脳動静脈奇形の術にしか作成できないことが課題である。図 4 のよ

前検討は臨床的に極めて有用である[11]。

うに脳動静脈奇形の手術検討では血管の種類や血5. レンダリング

行支配領域を粗大領域から微小領域に至るまで詳細に検討することが重要である[15]。そのための医用３次元画像におけるレンダリングには、血管構築には多数のモダリティー・シーケンスをサーフェスレンダリング法とボリュームレンダリ

用い、熟練した医師が用手的操作によって正確に

ング法の２つが代表的である。融合３次元画像で血管を鑑別しなければならない。図 4 では血管３は多数の医用画像データセットを重畳表示するた次元画像構築のために、３種類のモダリティー、め、画像データ全体を可視化するボリュームレン

１２種類のシーケンスを使用している。実際の手ダリング法では扱うデータ量が膨大となりやすい

術では術野の血管が動脈なのか静脈なのか、どの支ことや３次元表示のためのパラメータが非常に多配領域の血管なのかが分からないことがよくある。

くなってしまう[2]。一方サーフェスレンダリング
では組織の境界表面のコントラスト比が大きい場合は明瞭な画像が得られるが、そうでない場合は３次元モデルの一部を失うことになる[7, 16]。また組織の内部情報が必要な場合にもサーフェスレ

A

B

C

ンダリング法は不向きである。情報量が多く複雑

図 3．
脳動静脈奇形モデルにおけるセグメンテー

な画像処理を必要とする融合３次元画像では多数

ション法の違いの画像データから効率よく３次元モデルを表示す

A. 単純閾値法．微小血管の描出は良好だが、動る必要があり、上記いずれか一方のレンダリング

脈と静脈が区別されていない． B. リージョン
グローイング法．微小血管の描出が不良．

法のみによる可視化には限界がある。当施設ではC.

両者を混在させたハイブリッド法を用いている

multithreshold 法．微小血管まで描出されてお（図 5）[7, 17]。

り、動脈と静脈も明瞭に区別できるが、熟練した医師による用手的操作を要する．

34

tumor

fMRI

CST
AF

図 5．サーフェスレンダリングとボリュームレ

図 6．微小血管減圧術（左片側顔面けいれん）

ンダリングのハイブリッド融合３次元画像．

における小脳の仮想圧排．

PET を元画像とした悪性度の情報のみがボリュームレンダリング法で可視化されている．

7. 考察とまとめ
臨床的観点からみた医用融合３次元画像の最新

6. バーチャルリアリティ手術シミュレー
ションの技術と技術的課題について述べた。画像制作者や脳神経外科領域における代表的な仮想手術操作に要する時間が最も大きな問題となる。画像処理技には頭蓋骨削除、脳圧排などがある。頭蓋骨の仮術的には、レジストレーションの精度検証には様々

想削除は今では一般的に広くおこなわれている手な検証方法が提案されているが、臨床的側面を的確

術シミュレーション法である[18]。一方、脳を移に捉えた検証方法が事実上存在せず、レジストレー

動・圧排する仮想手術操作の研究に関しては、かションの精度の保障は、医師が直接肉眼的に確認しつては圧排される脳の移動・変形のリアリティー

なければならないのが現状である。また、臨床医療を追求した結果、その変形アルゴリズムが複雑でにとって最も大切なことは、医用ツールを使用するあり、汎用ワークステーション上で簡便に使用でことによって、手術成績や患者の術後転帰が改善す

きるものは少なかった。更に手術操作やブレイン

るかどうかである。これらに関しては検証方法も容シフトなどによる組織の移動には多くの要因が関易ではなく今後の課題である。

臨床医にとっては、画像処理技術の習得と画像処理与しており、正確な脳変形をコンピュータ上で再コンピュータグラフィックス技術の応用におい現することは現状では極めて困難である。臨床でて、医療は他の分野よりもやや遅れている感が否

は脳が変形するリアリティーよりも、仮想圧排にめないのは、上記に挙げた様々な課題が原因の１

よって、その深部の解剖構造が３次元的にどのよつであるとも考えられる。しかしながら、医用画

うに観察されるかの方がずっと重要である[4, 13]。 像技術の進歩は今後益々発展し、それに伴い臨床
特に脳神経外科手術における脳圧排は疾患や術式医が処理しなければならないデータ量が膨大化すによってほぼ決まった方向に脳を圧排させることることはほぼ確実である。そのような現状においがほとんどである。これらの理由から、当施設でて、異なる医用画像を効率よく統合させることをは仮想脳変形シミュレーションは力学的物理学的目的とした医用融合画像技術は今後も益々発展し整合性を追求するよりも、簡便に汎用的に使用可ていくと考えられる。また、最新の技術が最良の能で計算機に負荷のかからないアルゴリズムを用

医療や医療従事者のユーザビリティの向上につな

いて、脳のポリゴンモデルをメッシュ編集によっがるわけではなく、臨床に有用であることを前提て仮想変形させている（図 6）[1, 4]。

とした医用画像技術の発展が望まれる。

35

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金 太一

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脳神経外科学、手術シミュレーション

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36

脳神経外科

共同利用研究室 研究実績報告

● 工学系研究科物理工学専攻

川﨑 雅司研究室

SrTiO3 における量子ホール効果の観測

量子ホール効果は清浄な半導体中において極めて散乱の少ない二次元電子が低温・強磁場中で示
す、巨視的な量子伝導現象である。磁場中の電子の円運動に伴う電子波の干渉により、縦抵抗がゼロとなり、ホール抵抗が量子抵抗 h/e2（h：プラン
ク定数、e：電気素量）の整数分の 1 と非常に正確に一致することが特徴である。量子ホール効果を観測するためにはこの電子の円運動による干渉が必要であるため、高品質な半導体試料において観測されてきた。代表的な物質としては Si の表面反転層や GaAs/(Al,Ga)As 界面など従来の半導体表面・界面に蓄積された二次元電子が挙げられる。
一方、近年では従来の半導体以外の様々な物質系でも量子ホール効果が観測されている。グラ
図１．有機金属分子線エピタキシーの装置のファイトの 1 原子層であるグラフェンは線形な概念図。

バンド分散が特徴であり、電子の円運動のエネル
ギーが大きいため室温でも量子ホール効果が観測てしまい、量子ホール効果は観測されてこなかっされた[1]。酸化亜鉛[2]やトポロジカル絶縁体[3]でた。本研究では、有機金属ソースを用いた分子線は薄膜作製技術の劇的な向上により量子ホール効

エピタキシーを利用することで、SrTiO3 薄膜の高果が観測され、電子相関やスピン軌道相互作用が品質化を行った。SrTiO3 での量子ホール効果は、d

強く働く二次元電子系での特徴的な量子ホール効電子系で初めての観測例であり、特に軌道の自由果が観測されている。

度による特徴的な振る舞いを見出した。

本稿では、SrTiO3 における遷移金属酸化物半導

図１に有機金属分子線エピタキシー(MOMBE)

体で初めて観測した量子ホール効果を紹介するの装置図を示す。この装置には以下のような特徴[4]。SrTiO3 は低温で 10,000 を超える巨大な比誘電がある。

率を持つことが特徴である。酸素欠損や Nb また(1) 金属源として、Sr と La は通常の高純度金属をは La 置換を行うことで電子がドープされるが、大クヌーセンセルによって蒸発させているが、Ti は

きな誘電率により欠陥や不純物によるポテンシャ

チタン酸テトライソプロピル(TTIP)という有機金

ルが遮蔽されるため、電子の移動度は低温で属を用いている。有機金属を過剰に供給すること

10,000 cm2/Vs を超える[5]。そのため、SrTiO3 に二で、SrTiO3 を形成するのに必要な量の Ti のみが取次元電子系を形成し、量子ホール効果を観測する

り込まれ、余分な TTIP は脱離するため、薄膜の化試みが行われてきたが、電界効果による表面蓄積

学量論比に極めて近い薄膜を形成できる[6]。

層や薄膜作製による閉じ込めでは移動度が減少し(2) 酸素源として、オゾンを用いている。通常は高38純度の酸素を用いているが、その純度は最高でもこのような特徴を持つ MOMBE 装置を用いて6N である。しかしながら、本実験で用いたオゾン

La ドープ SrTiO3 薄膜を SrTiO3(001)基板上に成長は蒸留したものであり、元の酸素より格段に純度した（図 2(a)挿入図）。図 2(a)には様々な成長温が上がっている。また、酸化力が強くごく微量で度（Tg）で作製した La ドープ SrTiO3 薄膜の移動

も薄膜の成長が可能であるため、不純物の混入を度の温度依存性を示した。Tg=700 ºC で成長した

さらに低減できる。

薄膜では、移動度は低温で約 1,000 cm2/Vs を示し(3) 基板を高温に加熱するため、赤外線レーザーをた。成長温度を上げることにより、低温の移動度用いている。高温での薄膜成長は化学両論比の一は向上し、Tg=1200 ºC で移動度は 53,000 cm2/Vs

致を促し、非平衡欠陥を抑制する効果がある。通に達した。図 2 に SrTiO3 薄膜及びバルク単結晶

常の抵抗加熱では 1000 ºC 程度が限界であるが、の低温における移動度のキャリア濃度(n)依存性を

赤外線加熱を用いることで、最高温度を 1300 ºC 程示した。パルスレーザー堆積法によって作製した度まで上昇させることができる[7]。

薄膜では移動度は最大 6,000 cm2/Vs であったのに対し、MOMBE では n = 2  1017 cm−3 において、最大移動度 53,000 cm2/Vs を観測し、バルク単結晶を上回る値を示した。
次に、電子を二次元的に閉じ込めるため、SrTiO3の極薄領域にのみ La ドープ層を積層する δ ドープ構造を作製した（図 3 挿入図）。ここでは、ドープ層の厚みを 10 nm で固定し、La のドープ量を変化させた。過去の研究では、パルスレーザー堆積法ではキャリア面密度 5  1013 cm−2 において最大
移動度 5,000 cm2/Vs であり、MBE を用いても同様の移動度しか得られていなかった。本研究では

図２．(a)様々な成長温度（Tg）で作製した La ドー
プ SrTiO3 薄膜の移動度の温度依存性。挿入図は作製した試料の断面図。(b)低温における移動度のキャリア濃度依存性。バルク単結晶やパルス

図３．T = 2 K における δ ドープ SrTiO3 の移動レーザー堆積法で作製した SrTiO3 薄膜の移動度

度のキャリア面密度依存性。挿入図は試料構造。

も比較として示した。

39

図５．図４の Rxx、Rxy から σxx、σxy に変換し、磁場依存性を σxx-σxy として表示。
でないために、Rxx がゼロ抵抗を取らず、付随してRxy が量子化値から外れることが考えられる。この可能性を検証するため、σxx = Rxx/(Rxx2 + Rxy2)、σxy =Rxy/(Rxx2 + Rxy2)を用いて抵抗を伝導度に変換し、
σxx-σxy プロットにすると、不完全な量子ホール状態では(σxx, σxy) = (0, νe2/h)へ漸近する振る舞いが観測される。実際に、図５では ν = 2, 6 では VG に依らず、量子化値への漸近が見られるが、ν = 4 はキャ
リアを空乏していくと明らかに漸近とは異なる振図４．様々なバックゲート電圧に対する T = 50る舞いが見られる。このようなキャリア濃度に依

mK における磁気輸送特性。(a)Rxx、(b) Rxy。

存した量子ホール状態の安定化・不安定化は他の量子ホール系では観測されていない。

キャリア面密度 1012 cm−2 において最大移動度がこのような量子ホール効果の安定性は SrTiO3 の20,000 cm2/Vs に達した。
希釈冷凍機を用いてこの試料の磁気輸送特性を伝導体が d バンドに由来する 3 つの t2g バンドから測定した。試料の裏面には電極を設け、バックゲー

成り立っていることを考えることで説明できる。

トによるキャリア変調が可能である。図 4(a)、4(b)実際には t2g バンドのうち、
dxy バンドはエネルギーに Rxx、Rxy をそれぞれ示した。VG = 5 V では、磁が高く低キャリア濃度では伝導に寄与しない。残場が 5 T を超えると Rxx の振動が急激に大きくなっりの dyz と dzx 軌道の混成から成る 2 つの重い電子た。それに伴い、Rxy において、ν = 4, 6 に相当すると軽い電子のバンドがあり、それぞれが電子の量

磁場で平坦な領域が観測された。これらの特徴は子化準位を形成すると考えることができる。単純量子ホール効果を示唆している。次に、ゲート電化のため図 6(a)に示すように 2 つの量子化準位が圧を印加しキャリアを空乏していくと、Rxx の振動独立であると仮定すると、ある磁場では縮退が起や Rxy の平坦構造が変化した。通常、キャリア濃度

こり、この状態に相当する量子ホール状態が消失の変調によって、量子化磁場が変化し、量子化値

し、磁気抵抗振動が変化することが理解できる。

は一定に保たれるが、図 4(b)では量子化値が h/νe2

例えば、図 6(a)で化学ポテンシャルが μ2 のとき Bからずれるような振る舞いが観測された。この量= Bf では図 6(c)の状態で ν = 4 の量子ホール状態に子化値からのずれの原因としては、量子化が完全なる。一方、化学ポテンシャルが μ1(<μ2)のとき、40

本研究では SrTiO3 高品質薄膜を作製し量子ホール効果をこの物質で観測した。この発見は d 軌道
由来の電子では初めてとなる。この量子ホール効
果は d 軌道が複数の軌道から形成され、軌道の自由度により従来の半導体より複雑な量子ホール効
果を示すことが明らかとなった。d 電子系は従来の半導体にはない、超伝導や磁性など多くの物性を示すため、これらと量子ホール効果の共存など
全く新しい物理を展開できると期待できる。

[1] K. S. Novoselov, Z. Jiang, Y. Zhang, S. V.
Morozov, H. L. Stormer, U. Zeitler, J. C. Maan,
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図６．(a)磁場により変化する 2 つの軌道から派
生する量子化準位の概念図。(b)化学ポテンシャ
ルおよび磁場がそれぞれ(b)μ1、Be のときと(c)μ2、Bf のときの量子化準位図。
B = Be では 2 つの準位から派生する量子化準位が一致し、縮退が起こる。このとき ν = 4 の量子ホール状態は観測されず、ν = 6 から ν = 2 へ変化する。
以上の推察により図 4–5 の磁気輸送特性を定性的に説明できる。

41

● 農学生命科学研究科応用生命化学専攻 食品生物構造学研究室
高品質タンパク質結晶の取得を目指した高磁場・磁気力場利用法の開拓

当研究室では主に X 線結晶構造解析の手法を用

パク質の（高品質）結晶を得る段階が結晶構造解い、タンパク質の立体構造解析を通じてそのタン

析のボトルネックとなっている。

パク質が機能を発現する分子機構を明らかにする

われわれは、高品質のタンパク質結晶を得るた

構造生物学の研究を行なっている。研究対象は遺めの実験環境として、超伝導磁石を利用した高磁伝子の転写制御など基本的な生命現象に関わる場・磁気力場を用いている（図１）。タンパク質結タンパク質、産業上有用な酵素群、創薬のターゲッ晶化における高磁場環境の効果としては、結晶核

トとなりうる膜タンパク質など様々である。タン形成の抑制[1]、微結晶の磁場配向[2–4]、結晶成長

パク質の立体構造を決定する手段として結晶構造速度の低下[5]、結晶品質の向上[6–8] が知られて解析が優れている点は、解析対象の分子量に制限いる。この他、磁場条件に応じて、ローレンツ力にがない上に、原子分解能での３次元構造情報が得よる対流抑制効果、磁場による溶液の粘性上昇効

られることである。しかし、解析対象のタンパク

果、上向き磁気力による自然対流の抑制効果が加質からなる結晶を作成する必要があり、高分解能わると考えられている[9]。実際、高磁場・磁気力での解析を行うには、回折能の高い良質の結晶を場を利用したわれわれの研究において、３割程度取得する必要がある。一般的なタンパク質分子はの確率でタンパク質結晶の高品質化が達成される

分子量が数千～１万以上、大きいものでは１００

ことを報告している[10]。

万を超える高分子であるがゆえに、立体構造のフさらに近年われわれは、良質なタンパク質結晶

レキシビリティを内包している。そのため、タンを効率的に得るための『高効率・高品位タンパク

超伝導磁石室温ボア中心軸上の磁場（Bz）と磁気力場（Bz(dBz/dz)）分布

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

42

質結晶生成システム』を開発した。このシステム

その際、100 K の窒素気流で凍結した状態の結晶は、図１に示した実験装置と同様のコイル配置にに X 線を照射し、振動法による回折像を取得した。

より水の磁気浮揚が可能な強い磁気力を発生する

X 線の照射時間は振動角 1 度あたり 1 分とした。

“磁場系”、独自に開発した結晶化プレートによる収集したデータから回折点の指数付けと強度積分“結晶生成系”、装置内での結晶成長の様子をリアを行い、統計処理により、磁場内および磁場外でルタイムに in situ 観察可能な“観察系”で構成さ得られた結晶の品質を比較した。

れる。すなわち、本システムを利用することで、高つ・どこから・どのように成長するかを捉えるこ＜結果・考察＞生成した HEWL 結晶を図２に示した。溶液の粘とが可能である。実際、タンパク質が磁場配向を度にかかわらず、高磁場・磁気力場環境では、結晶示しながら結晶成長する様子を記録することに成のクラスター化が抑制される傾向が見られた。

磁場・磁気力場環境においてタンパク質結晶がい功した。また、このシステムで取得した結晶は、対照実験での結晶と比較して、高品質かつ均質であることを報告している[11]。
本稿では、高磁場・磁気力場を利用して高品質なタンパク質結晶を得るためのアプローチとして、結晶化溶液の粘性を高めた場合の効果について、実験結果を報告する。
● 高粘度溶液中での結晶化＜方法＞
高磁気力発生型超伝導マグネットを使用した高磁場・磁気力場条件（13.6 T, 水に対する実効重力図２．結晶化開始から６日後の HEWL 結晶．

0.03G）および対照実験として装置外の条件で、同(A)(B)は低粘度溶液、(C)(D)は高粘度溶液での結果。

じタンパク質試料での結晶化実験を行なった。実(A)(C)は対照実験での結果、(B)(D)は高磁場・磁気力験に用いたタンパク質試料は、ニワトリ卵白リゾ

場条件での結果。

チーム（HEWL; 50 mg/ml に調製）である。結晶化のための沈殿剤溶液として、0.1 M Na-acetate pH 4.6,

磁気力場では主に自然対流の低減効果により、

1 M NaCl（低粘度溶液）、0.1 M Na-citrate pH 5.5,

溶液中のタンパク質分子の自由拡散を駆動力とし24~30% w/v PEG-3350, 25~30% v/v glycerol（高粘度て結晶が成長すると考えられている。そのため、溶液）を準備した。結晶化にはシッティングドロッ

自然対流が発生する溶液中と比べて、核形成や結プ蒸気拡散法を用い、タンパク質溶液 1.0 µl、沈殿晶のクラスター化が抑えられたり、高品質な結晶剤溶液 1.0 µl を混合した結晶化ドロップと 20 µl のが得られたりすることが期待される。宇宙での微沈殿剤溶液を密閉容器中に共存させ、20°C で静置

小重力環境を利用したタンパク質結晶化実験におさせた。

いても、ポリエチレングリコールのような粘度の高粘度溶液条件で得られた結晶については、実高い溶液条件を利用することの優位性が報告され

験室系 X 線回折計（リガク製 FR-E SuperBright、ている[12]。

R-AXIS VII）を用いて回折強度データを収集した。

43

図３．高磁場・磁気力場中での結晶成長の様子．

また、結晶化条件が異なるため、単純な比較は験において、高粘度溶液条件で得られた結晶の X

できないが、HEWL の結晶が最大サイズに成長す

線回折実験を行い、結果を図４にまとめた。実験るまでの時間は、低粘度溶液条件では２日程度に使用した結晶は実験室系 X 線回折計での測定限だったのに対し、高粘度溶液条件では４日程度と、界以上の回折能を持っていたため、最高分解能で粘度が高い溶液条件の方が、結晶が緩やかに成長の比較はできなかった（ともに最高分解能 1.5 Å ですることが分かった（図３）。

データ処理した）。その他の評価項目では、最外殻での I/σ(I)および Rmeas、結晶のモザイク性につい対照実験および高磁場・磁気力場中環境での実図４．高粘度溶液条件で得られた HEWL 結晶の品質評価．
Control: 対照実験、Magnet: 高磁場・磁気力場環境での実験。Mean ± S.E. (n = 3)44て、高磁場・磁気力場環境で得られた結晶の方が[7] T. Sato, Y. Yamada, S. Saijo, T. Hori, R. Hirose, N.

有意に良い値を示していた。

Tanaka, G. Sazaki, K. Nakajima, N. Igarashi, M.

以上の実験結果から、磁気力場中での結晶化に

Tanaka, and Y. Matsuura. Acta Crystallogr. D56,

おいて、結晶化溶液の粘度を上げることで、結晶1079–1083 (2000).

の品質向上に関する相乗効果が期待される。

[8] D.C. Yin, N.I. Wakayama, K. Harata, M. Fujiwara,
T. Kiyoshi, H. Wada, N. Niimura, S. Arai, W.D.

（文責：中村 顕、田之倉 優）

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Growth 173, 592–596 (1997).

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45

● 理学系研究科化学専攻

大越研究室

多機能磁性金属クラスターと３次元金属集積体の構築の FeIICl2·4H2O、CoIICl2·6H2O、およびオクタシア(1) 電荷移動相転移および遅い磁気緩和を示す多ノタングステン酸ナトリウム Na3[WV(CN)8]（も核磁性金属クラスター
有機分子や錯体などからなる分子性材料は、高しくはオクタシアノタングステン酸テトラブチル

い設計性を有することから、多様な構造体を構築

アンモニウム）をメタノール中で混合することにすることが可能である。構造体の形状、次元性、構より、結晶として得られた。結晶の形状は、どの

築素子の選択によって、複数の機能性を有する多組成においても同様のブロック状である一方で、機能性物質が数多く合成されている。当研究室で結晶の色は、Co 含有量が増加するにつれて緑、は、集積型シアノ架橋金属錯体において光磁性現

緑茶、茶、赤茶、赤と段階的に変化した。この色象や零熱膨張、イオン伝導性など様々な機能性磁調変化は、結晶析出前の母液の色と対応してお性体を報告してきた[1–4]。本研究では、シアノ金

り、各金属比に対応した変化であることがわかっ

属錯体を構築素子として磁性金属クラスター。また、固体の UV-vis スペクトルと溶た（図１）{Fe9 − xCox[W(CN)8]6(MeOH)24}·12MeOH (x = 0−9, 0−9)を合成した。一連の磁性クラスターは、Fe と Co の
金属比によって、磁気特性が大きく変化し、Co 含
有量が少ないクラスターでは電荷移動相転移に伴う磁化率変化、Co 含有量の多いクラスターでは、
遅い磁気緩和現象が観測された。さらに、中間組成の 5 では、電荷移動相転移および遅い磁気緩和現象の双方を示すことを明らかにした[5]。
磁性金属クラスター{Fe9−xCox[W(CN)8]6 (MeOH)24}·12MeOH (x = 0−9, 0−9)は、対応する組成のモル比

図１．磁性金属クラスター{Fe9 − xCox[W(CN)8]6(MeOH)24}(x = 0−9, 0−9)の固体(x=0, 上図)およびメタノール溶液中での UV-vis-NIR スペクト
ル(下図).

図２．(a) {Fe9−xCox[W(CN)8]6(MeOH)24}(x = 0−9,0−9)の分子構造. (b) 高温相(HT)から低温相(LT)へ転移する際の金属(M)-配位子(L)間距離の変化率. M1~M5 = Fe or Co.

46

図 ４ ． 各 組 成 に お け る {Fe9 − xCox[W(CN)8]6(MeOH)24}(x = 0−9, 0−9)の交流磁化率温度変化
プロット.

図 ３ ． 各 組 成 に お け る {Fe9 − xCox[W(CN)8]6(MeOH)24}(x = 0−9, 0−9)のT 温度変化プロット.
液のスペクトルが良く一致することから、溶液中で、すでにクラスターが生成していることが示唆

合に見積もられる値と一致している。Fe 含有量のされた。600 nm 以上にある強い吸収は、FeIIWV→

多い磁性クラスター0-3 は、200 K 付近において温FeIIIWIV 電荷移動に帰属され、Co の増加に伴い現度ヒステリシスを伴った相転移を示し、磁化率変れる 375–600 nm の吸収は CoIIWV→CoIIIWIV 電荷化が観測された。4 においては、ヒステリシスはほ移動に帰属された。

とんど見られず、相転移に由来する磁化の変化の化合物 0-9 の各結晶に対して、250 K および 130

みが観測された。5 においてもわずかに相転移に

K における単結晶 X 線構造解析を行ったところ、よる変化が見られたが、6-9 では消失していた。こ各結晶は、単斜晶 C2/c 空間群を有し、シアノ基でれらの温度変化に伴う相転移は、示差走査熱量測架橋された 15 核の金属クラスターであることが定および粉末 X 線回折測定においても確認された。

明らかになった（図２）。高温相(HT)および低温相

化合物 0 においては、293 K から 220 K の間に、小(LT)における金属-配位子間の距離の相対的変化は、

さいながらもT 値の減少が見られ、この変化は、
HSFeIIWV → HSFeIIIWIV の電荷移動および部分的なHT→LT 相転移を示唆しており、特に、クラスター

HSFeII中心にある M1 サイトにおける変化が大きかった。

→ LSFeII スピン転移に起因すると考えられ

大きなΔ(M−L)は、HSCoIIWV → LSCoIIIWIV の電荷る。後者のスピン転移は、過去の研究から判断す

移動誘起スピン転移（CTIST, Charge transfer induced

ると、主にクラスターの中心に位置する M1 サイ

spin transition）に相当し、後述の磁気データからもトで起こっていると推定される。化合物 1-5 にお支持される。

いては、HSFeIIWV→ HSFeIIIWIV の電荷移動だけでな

磁化率温度変化測定の結果を図３に示す。各化

く、HSCoIIWV → LSCoIIIWIV の電荷移動誘起スピン合物の室温における磁化率と温度 T の積T 値は、転移も、その磁化率変化に寄与していると考えら

Co 含有量 x が増えるにつれて、37.0 から 33.1 cm3れる。

K mol-1 まで減少した。
これは、各磁性原子のスピン

100 K 以下の低温でのT 値の温度変化は、化合

数 S および g 値を、SFe(II) = 2、gFe(II) = 2.3 (HSFeII)、

物 0-3 では、約 50 K までは緩やかに減少し、そのSFe(III) = 5/2、gFe(III) = 2.0 ( HSFeIII)、SW(V) = 1/2、gW(V)

後急激に減少した。この様な変化は、化合物 4 と= 2.0 (WV)、SCo(II) = 3/2、gCo(II) = 2.7 (HSCoII)とした場

5 ではほとんど見られなくなり、5 では新たに 1047(2) 2 段階スピンクロスオーバーと光可逆スイッ
チング磁性を示す磁性体
光磁性現象は、光誘起金属間電荷移動、光誘起
スピンクロスオーバー現象、光異性化現象といったメカニズムのものが報告されているが、当研究室では、遷移金属イオンにおける高スピン状態と低スピン状態の間を光スイッチングする光誘起ス
ピンクロスオーバー現象を利用した光磁性現象を
初 め て 報 告 し て い る 。 本 研 究 で は 、 FeII と[NbIV(CN)8]、有機配位子の 4-メチルピリジンを構築素子としたシアノ架橋金属錯体を合成し、2 段
図５．{Fe9−xCox[W(CN)8]6(MeOH)24}(x = 5−9, 5−
9)の Cole-Cole フィッティングから得られた
ln() の T-1 に 対 す る プ ロ ッ ト . 各 直 線 は 、Arrhenius 式によるフィッティング.

階のスピンクロスオーバー現象と光可逆な磁気特K 付近においてT 値の急激な増加が観測された。

得られ、元素分析より[FeII(4-メチルピリジン)4]2

性のスイッチングを見出した[6]。
目的化合物は FeCl2、4-メチルピリジンの混合水溶
液と、K4[Nb(CN)8]水溶液の反応より赤紫粉末として[NbIV(CN)8]∙2H2O という組成であることがわかっ

化合物 6-9 では、Co 量 x の増加に伴い、10 K 付近

た。単結晶構造解析結果から、結晶系は直方晶、空における最大磁化が増加した。このT 値の急激な間群 は Fddd 、格子定数は a = 13.9704(3)、 b =増加と 1.8 K における磁場-磁化曲線の結果を踏ま26.3002(6)、c = 31.7577(7) Å と判明した（図６）。

えると、CoII-WV 間に強磁性相互作用が生じ、化合金属イオン周りの配位環境に着目すると、FeII は 4-

物 5-9 では、低温において高スピン状態を有してメチルピリジンの N 原子 4 つとシアノ基の N 原子いることが示唆される。さらに、交流磁化測定で2 つが配位した 6 配位構造をとり、化学的に 3 種

は、化合物 5-9 において、交流磁化の周波数依存類存在する Fe-N の結合距離は、2.08、2.25、2.27 Å性が観測されており、このことからも高スピン状であった。Nb には 8 つのシアノ基の C 原子が配位し、そのうち 4 つのシアノ基の N 原子は Fe イ

態を有していることが示唆される（図４）。また、オンに配位し、残りの 4 つのシアノ基の N 原子は得られた交流磁化率の結果に対して、Cole-Cole モ

配位していなかった。Fe－NC－Nb のシアノ架橋

デル（下式）を用いたフィッティングを行った。

構造は、3 次元的なネットワーク構造を形成していた。また、80 K における単結晶構造解析の結果、
Fe-N の結合距離は 1.94、2.08、2.09 Å となり、300

ここで、は複素磁化率 = ’ - i’’、T は等温磁化

K に比べて 8%程度減少していることが明らかに率、S は断熱磁化率、は平均緩和時間、は緩和なった。

時間の分布を表す係数である。Cole-Cole モデルか

磁化率の温度依存性の測定の結果、300 K でのら求められた緩和時間を、Arrhenius 式でフィッχMT 値は 7.73 K cm3 mol−1 であり FeIIHS(S =2) 2 つと
NbIV(S =1/2)の計算値と一致していた。温度を低下

ティングした結果、Co 量が増加するにつれ、ス

させると、χMT 値は 115 K 付近で一度減少し、100ピン反転に必要なエネルギー障壁が大きくなってK 付近でプラトーを示したのち、94 K 付近においいることが明らかになった（図５）。したがって、て再び急激な減少を示し、2 段階の転移現象が観化合物 5-9 では、Co 量が多くなるにつれて、より測された（図７）。UV-vis スペクトルの温度依存性

遅い磁気緩和を示し、単分子磁石的に振る舞うこを測定した結果、冷却とともに FeIILS の d-d 遷移にとが示された。

帰属されるピークが現れた。この結果と、単結晶構造解析の結果から、χMT 値の減少は FeIIHS(S = 2)

48

10

MT / K cm mol

-1

8

3

6

4

2

0
0

50

100
150
200
Temperature / K

250

300

図 ７ ． [FeII(4- メ チ ル ピ リ ジ ン )4]2[NbIV(CN)8]∙2H2O の降温過程(黒)および昇温過程(赤)における磁化率の温度依存性。
(a)
20000

3

Magnetization / Oe cm mol-1

FeII(HS)-NbIV

図 ６ ． [FeII(4- メチ ルピ リジン)4]2[NbIV(CN)8]∙2H2O の 300 K における結晶構造。

785 nm

15000

10000

532 nm
5000

FeII(LS)-NbIV
00

から FeIILS(S = 0)へのスピンクロスオーバー現象に

(b)

5

10
15
Temperature / K

8

よることが示唆された。

20

25

FeII(HS)-NbIV

6
Magnetization / B

さらに、低温において光照射を行い、光磁性現象の観測を行った。本化合物は、光照射前は常磁性を示したが、2 K において本化合物に 473 nm の光を照射すると自発磁化が発現し、光誘起強磁性を観測した（図８）。光誘起相の磁気相転移温度は785 nm4

532 nm2
0

FeII(LS)-NbIV

-2
-4
-6

14 K、保磁力は 2300 Oe であった。引き続き、785-8-10000nm の光を照射した結果、磁化は減少し、磁気相転移温度 11 K、保磁力 1300 Oe の強磁性体へと変化

-5000

0
Field / Oe

5000

10000

図 ８ ． [FeII(4- メ チ ル ピ リ ジ ン )4]2[NbIV(CN)8]∙2H2O の光磁気特性 (a) 光照射前後の磁化温度曲線。(b) 光照射前後の磁化磁場曲線。

した。473-nm 光と 785-nm 光の繰り返し照射により、可逆的な磁化の増減が観測された。この光磁性現象メカニズムの検討のため、光照射前後の紫れたネットワーク構造をとっており、光照射前は外可視吸収スペクトルの測定を行った。その結果、FeII が低スピン状態(S = 0)であるため、NbIV(S = 1/2)

光照射前に比べ、473-nm 光の照射後には FeIILS のに起因した常磁性を示す。ここに、473-nm 光を照d-d 遷移に帰属されるピークが減少し、785-nm 光

射することにより、低スピン状態(S = 0)の FeII は高の照射後には部分的に回復した。このことから、スピン状態(S = 2)へと変化し、3 次元ネットワーク

本化合物における光磁性現象のメカニズムは以下

構造全体において光により生成した FeII(高スピン、のようであると考えられる（図９）。本化合物では、S = 2)と NbIV の間にシアノ基を介した磁気相互作

FeII と NbIV(S = 1/2)が 3 次元的にシアノ基で架橋さ用が働くことにより、磁気秩序が形成され、強磁49

FeIIHS ｰNbIVｰ FeIIHS 785 nm
532 nmD

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Podgajny, J. Am. Chem. Soc., 138, 1635-1646,(2016).
[6] K. Imoto, and S. Ohkoshi, Chem. Lett. 45, 359(2016).

FeIIHS ｰNbIVｰ FeIILS

532 nm
D

1.72

0.28

図９．[FeII(4-メチルピリジン)4]2[NbIV(CN)8]∙2H2Oの光磁性現象の概略図。
性を示すと考えられる。また、785-nm の光照射によって FeII(高スピン、S = 2)から FeII(低スピン、S= 0)への逆光誘起スピンクロスオーバーが一部のFeII サイトにおいて起こり、磁化の減少が観測されたと考えられる。532-nm の光照射後の磁化の値から、FeII の高スピンと低スピンの割合は、1.72 : 0.28であることが判った。また、473-nm 光を照射した
後の状態における飽和磁化測定結果から、光により生成した FeII(高スピン、S = 2)と NbIV の間に反強磁性的な相互作用が働き、反平行にオーダリン
グしたフェリ磁性体であることが示唆され、分子磁場理論に基づく計算から超交換相互作用定数は−4.9 cm−1 であることが示唆された。

50

● 工学系研究科電気系工学専攻

関野研究室

SQUID 検出器を用いた磁気計測の研究
1．微小磁気計測のためのシールド BOX の開発
1-1．磁気計測に影響を及ぼす環境ノイズ
SQUID 磁束計を用いた生体磁気計測において、鉄道の送帰電流やエレベータなどの磁界発生源の移動によって生じる超低周波磁界変動（1 Hz 以下）、空調機器のファンなどの回転体や電気機器などから発生する低周波磁界が環境ノイズとなり、微弱な磁界を測定対象とする生体磁気測定に大きな影響を与える。従って、測定環境におけるノイ
図 2．低温センター205 号室の見取り図

ズ源とその特性を解明することは重要である。
本研究では、磁気計測を実施している低温セン
ター共同利用研究室において、ノイズの主要因[1]

実験室内に設置したシールド BOX（図 3）は、である地下鉄やエレベータの運転状況に照らし内外 2 層（1 層 2 mm）のパーマロイ（厚み 5 mm）て、ノイズ発生源を定量的に検証した。さらに、で構成され、層間を開けることでシールド性能を小型磁気シールド BOX を開発し、ノイズ抑制効果向上させている（有限会社藤田工業製作）。幅を評価した。

W=1000 mm、奥行 D=1000 mm、高さ H=1500 mmのコンパクトな内部構造である。

1-2．測定環境
図 1 に示すように、低温センターと東京メトロ
千代田線根津駅間の直線距離は 234 ｍ、建物から
駅ホームまでの深さは約 24 m である。低温セン
ター2 階の実験室（205）は、南北（X 成分）は廊
下と壁があるだけだが、東方向（Y 成分）には約
1 m の位置にエレベータがある。鉛直方向（Z 成分）には、東京メトロ千代田線が大学敷地と並行する
図 3. 小型磁気シールド BOX

ように軌道が走っている。

1-3．実験結果
フラックスゲート磁束計（Applid Physics Systems
社製：APS520A、最高感度は 0.1 nT）を用いて測定した環境磁気の経時変化量を図 4 に示す。ノイズ特性が異なると考えられる通勤時間帯（7:00～
図 1．低温センターと根津駅の位置関係

9:00）、帰宅時間帯（18:00～20:00）、深夜時間帯

51

（24:00～5:00）を含む昼夜連続測定をした。日中0-8は三軸方向それぞれに大きな変動がある。地下鉄
Magnetic noise（dBv)の運行時間と照らし合わせると、夜間の地下鉄休止時間帯において変動幅が大幅に減少し、三軸ともほぼ同一であったため、地下鉄の運行がノイズに起因すると考える。

shield box
laboratory

-35

-100
0.1

1

10

100

Frequency （Hz)図 5．実験室とシールド BOX 内のノイズの周波数特性（Z 成分）
同様に南北（X）成分、東西（Y）成分についても測定を行った結果、シールド BOX 内も実験室と同様に 1/f 傾向を示す連続スペクトル性の背景ノイズ(0.1～100 Hz)、電気機器から発生する商用電源
磁気ノイズ(50 Hz)と特定周波数のノイズが混在していた。1 Hz 以下の超低周波磁気ノイズを磁束密度に変換した結果を表 1 に示す。低周波ノイズに関しては 3 軸それぞれ 1/20～1/30 に低減されていることを確認した。
表 1．シールドボックスの遮蔽結果
実験室(nT)

シールド内(nT)

遮蔽率

X

10

0.56

1/18

Y

17.7

0.56

1/32

Z

39.8

1.7

1/23

図 4．低温センター実験室（205 号室）における環境磁気ノイズの経時変化

実験室より 1 m に位置するエレベータによるノイズの影響の有無を検討するために、エレベータ

1-4．結論を 2F から B1F、再び 2F へと移動させた時の磁束

地下鉄に近接する実験室において、環境磁気ノ密度の変化を測定した。2F から B1F までの移動でイズを測定し、ノイズの主因について検討を行い、

約 8.0×10−8 T の変動があり、エレベータの昇降に

小型磁気シールド BOX によるノイズ低減効果を合わせて、磁束計の波形も変化したため、エレベー評価した。今回の測定により、1 Hz 以下の超低周

タの運行がノイズに起因すると考える。

波環境磁気ノイズは、地下鉄の運行とエレベータ

スペクトラムアナライザ(Advantest 社、R9211C)の上昇下降の移動が主な起因であることがわかっを用いて、実験室内とシールド BOX 内の鉛直（Z）た。また、開発したシールド BOX は、約 1/30 の方向の周波数特性を測定した結果を図 5 に示す。

磁場遮蔽効果があることを実証した[2]。

522．リンパ節探索用磁気プローブの開発および磁気
ナノ粒子蓄積量の測定
2-1．センチネルリンパ節生検における磁気ナノ粒子の重要性
乳がんの治療では、がん細胞の転移の有無を判定するために、リンパ節を探索して組織学的に検査する手法「センチネルリンパ節生検（SLNB:
Sentinel Lymph Node Biopsy）」が注目されている。
従来の探索法では放射性同位体が用いられるため、法規制などにより使用できる病院が制限される。
このような問題を解決するために我々は、リンパ図 7．磁気ナノ粒子の検出原理

系に磁気ナノ粒子（Resovist）を投与し、リンパ節に蓄積した磁気ナノ粒子を検知することでリンパサは、中心軸上の磁束密度がゼロになる点に配置

節の位置を特定するためのプローブを開発していした。磁気ナノ粒子を検出する原理を図 7 に示す。

る。これまでに、数値解析と実験によって最適な

磁気プローブに磁気ナノ粒子が近づくと永久磁石設計を行い、その結果に基づいて機器を開発し、により磁気ナノ粒子が磁化される。磁化した粒子

臨床評価を進めている[3]。

は、小型磁気センサの周りの磁束密度を変化させる。この変化を検出することによって、磁気ナノ粒子を検知可能としている。臨床評価において、2-2．磁気プローブの開発
リンパ節探索用磁気プローブを図 6 に示す。セ磁気ナノ粒子注入部とリンパ節上で、センサ出力

ンサ部分と駆動回路を一体化することで、片手での変化が観測され、磁気プローブによるリンパ節

使用可能なサイズに磁気プローブを小型化した。

内の磁気ナノ粒子の検出に成功した。さらに、低磁気プローブの先端は非磁性のシャフトの先端に温センターの SQUID 磁化測定装置を利用して、摘小型磁気センサを取り付けており、その周りに円出したリンパ節と磁性流体 5 μL に対して磁化率測筒形の永久磁石を取り付けている。小型磁気セン定を行った。その結果を図 8 に示す。測定したリンパ節試料は全体積の半分であるため、リンパ節内に蓄積した磁性流体量は約 8 μL 相当であることが分かった。

図 8．摘出したリンパ節の磁化率

図 6．リンパ節探索用磁気プローブ53

磁気ナノ粒子をセンチネルリンパ節に効率よく到

2-3．磁気プローブを用いた臨床評価開発した磁気プローブを用いて、乳がんの患者達させる体内投与方法はわかっていない。磁気ナを対象にセンチネルリンパ節の位置特定を行った。

ノ粒子の本来の用法は静脈内投与であり、皮膚へ

従来法との比較のために色素法を併用した。このの長期遺残の回避策や皮膚に存在するマクロ臨床評価では、まずがん病巣付近の乳輪下に磁気ファージの貪食作用による影響を調査する必要がナノ粒子を 1.6 mL 投与した。その後、投与した磁ある。また、磁気ナノ粒子のリンパ節への集積量

気ナノ粒子をセンチネルリンパ節へと到達させるは、本研究にて作製している磁気プローブへの要

ために 10 分程度マッサージを行い、磁気プローブ

求性能に大きく関わる。そこで、動物を用いて磁で腋窩リンパ節付近を走査した。図 9 に示す磁気気ナノ粒子の投与方法がリンパ節への到達に及ぼプローブによる走査では、磁気プローブを体表にす影響を評価し、ヒトでの臨床試験に臨む際の知あて、表面を走査し反応の大きいところにセンチ見となる実験を実施した。

ネルリンパ節があると考える。おおまかな位置を
2-4．至適投与部位の基礎検討と動物実験特定した後で皮膚を切開し、プローブの先端部術野へ挿入することで、最終的なセンチネルリンパ乳がん患者の乳房に磁気ナノ粒子を投与する場

節の位置の特定ができる。

合、リンパ管への流入を目標として体表から深い

今回の臨床評価では、磁性ナノ粒子を投与した部分から順に腫瘍内、皮内、皮下の部位への投与付近とセンチネルリンパ節近傍で、反応が観測さが想定できるため、磁気ナノ粒子が投与部位によれた。さらに、反応が観測された点を切り開き、りリンパ節への到達にどのような影響を受けるか

磁気プローブ挿入することでセンチネルリンパ節

評価し、至適投与部位を検討した。

を発見し、摘出に成功した。色素では染色が見ら

本動物実験は、東京大学に申請し承認された動れなかったセンチネルリンパ節を磁気プローブで物実験計画に則り実施された（KA15-2）。マウス

は検出することに成功し、我々の提案する手法の（C57BL/6NCrSlc, Japan SLC, Inc., JP）（雄、優位性を確立した。

wild type、11 週齢、24 匹）を対象とし、腫瘍内投与と皮下投与において、経過時間ごとにリンパ節を摘出して磁気ナノ粒子の到達を比較した。マウスの右後脚にメラノーマ細胞株（TKG 0598 ::B16/BL6、 Cell Resource Center for Biomedical
Research, Institute of Development, Aging andCancer, Tohoku University, JP）を皮下投与して評価モデルを作製し、色素の Patent Blue Dye（Guerbet, Paris, France）5 µL と、Resovist と
ほ ぼ 同 一 成 分 の 磁 気 ナ ノ 粒 子 （ Sienna+,
Endomagnetics Ltd, UK）5 µL を右後肢と左後肢

図 9．磁気プローブを用いたリンパ節の走査のそれぞれ腫瘍内、後肢端皮下に麻酔下で投与した。投与直後、1 時間後、4 時間後、24 時間後に

2-3．SLNB における磁気ナノ粒子投与の課題

各 6 匹の左右の脚からからセンチネルリンパ節に

日本国内ではセンチネルリンパ節の探索に用い

相 当 す る popliteal node （ 膝 下 リ ン パ 節 ） とるトレーサーとして承認された磁気ナノ粒子はな

inguinal node（鼠径リンパ節）を摘出して磁化測いため、開発した磁気プローブで検知できる量の54

定を行った。SQUID 磁化測定装置を用いて±300mT(±3000 Oe)の磁場範囲で磁化測定し、得られた結果から空容器での測定結果を減じてバックグ
ラウンドの影響を除いている。さらに、反磁性影
響を含めた生体組織のバックグラウンドを分離・除去するために、計算ソフトウェア（Mathematica,
Wolfram Research Inc., USA）による計算と標準の磁気ナノ粒子単体の磁化測定結果をもとに
SLN 内の磁気ナノ粒子の測定を算出した。
図 10、11 は、左右それぞれの popliteal node（膝図 10．投与量 5 µL における左後肢（皮下投与

下リンパ節）と inguinal node（鼠径リンパ節）の側）のリンパ節の磁気ナノ粒子蓄積量

磁化測定結果である。グラフ横軸は磁気ナノ粒子
投与後からリンパ節を摘出するまでの時間、縦軸は磁化測定結果から推定した磁気ナノ粒子の含有量を示す。図 10 から、皮下投与側の膝下リンパ節には投与後すぐに磁気ナノ粒子が取り込まれており、時間経過とともに磁気ナノ粒子の含有量が増加していることがわかる。また、鼠径リンパ節には時間が経過してもあまり磁気ナノ粒子が取り込
まれていない。一方、図 11 からは、腫瘍内投与側
図 11．投与量 5 µL における右後肢（腫瘍内投の膝下リンパ節と鼠径リンパ節には時間経過に関与側）のリンパ節の磁気ナノ粒子蓄積量

わらず磁気ナノ粒子が取り込まれていないことがわかる。また、磁気ナノ粒子を腫瘍内投与したことでがん周辺に血腫が生じた。

[1] 山崎慶太他：「生体磁気計測のための低周波

2-5．結論

環境磁気ノイズに関する検討 ―市電に起因す

センサ部分と駆動回路を一体化することで、片る磁気ノイズ―」、電気学会マグネティクス研究

手で使用可能なサイズに磁気プローブを小型化し会、MAG-97-223 (1997).

た。また、開発した磁気プローブを用いた臨床評[2] M. Nagase, K. Kobayashi, T. Woo, Y. Takiyama、価を行い、センチネルリンパ節の検出に成功した。

K. Yamazaki and M. Sekino, "Measurement and

動物実験において、皮下に投与する方が腫瘍内shielding of extremely-low-frequency urban

投与に比べて、センチネルリンパ節に対応する膝

magnetic noise," International Journal of Applied

下リンパ節においては磁気ナノ粒子がリンパ節にElectromagnetics and Mechanics, vol. 50 (in press).

取り込まれる時間が早く、時間経過とともに取り[3] 大久保哲、井上雄介、キムドンミン、大崎博

込み量も増加することを明らかにした。

之、益子裕介、日下部守昭、関野正樹：リンパ節内の磁性流体を検知するプローブの開発。電気学会論文誌 A、 vol. 134, pp. 266–272 (2014).

55

● 工学系研究科電気系工学専攻

田中・大矢研究室

強磁性半導体 GaMnAs を用いた縦型スピン電界効果トランジスタ

半導体材料やデバイスにスピンの自由度を加えの電界効果トランジスタのソース、及びドレイン

ることによって、新たなエレクロニクスや情報処が強磁性体で構成される電界効果トランジスタで理技術の創出を目指す半導体スピントロニクスとある。[11]その模式図を図 1 に示す。従来の電界効

いう学問分野が注目を集めている。半導体スピン

果トランジスタと異なり、ドレイン電流をゲート

トロニクスの実現には、半導体と磁性体の両方の電圧だけではなく、ソース、及びドレインの磁化機能をもつ材料の開発が必要であり、磁性元素を配置によっても変化させることができ、集積回路

半導体に添加することで作製される強磁性半導体の低消費電力化技術である不揮発性メモリ、不揮は有望な物質である。我々は p 型強磁性半導体

発性論理回路、再構成可能な論理回路などへの応（GaMnAs [1], InGaMnAs[2], GeFe[3], GaFeSb[4]）、用が期待されている。[12]これまでわれわれのグ

絶縁性強磁性半導体(AlFeSb[5])、n 型強磁性半導体

ループも含めていくつかスピン電界効果トランジ(InFeAs[6])の作製に成功し、その物性を明らかに

スタを作製した研究はあるが[13–15]、ソース、及してきた。また、これらの強磁性半導体を含む量

びドレインの磁化配置によるドレイン電流の変調

子ヘテロ構造を作製し、トンネル磁気抵抗効果量(磁気電流比)は 0.1%程度以下にとどまっており、[7,8]、スピン依存共鳴トンネル現象[9]、スピント

これを増大させることが大きな課題となっている。

ランジスタ[10]動作などを示してきた。

磁気気電流比の増大という課題を克服すべく、

本稿では、次世代の超低消費電力集積回路の基

我々は縦型構造を有したスピン電界効果トランジ

盤技術として期待されているスピン MOS 電界効

スタを、強磁性半導体 GaMnAs を用いて作製した。

果トランジスタ(スピン MOSFET)の研究結果を報

縦型スピン電界効果トランジスタの模式図を図告する。スピン電界効果トランジスタとは、従来

図 1 . 平面型 スピン電界効果トランジスタの図 2 . 縦型スピン電界効果トランジス

模式図

タの模式図

56

本研究ではソース、及びドレインの強磁性体として、強磁性半導体 GaMnAs を用いた。GaMnAs は
III-V 族半導体 GaAs に Mn を数%程度添加することで得られる強磁性半導体である。GaMnAs は金属強磁性体よりも半導体と整合性がよく、高い磁気電流比の実現に向けて必要不可欠な原子層レベ
ルで急峻な強磁性体/半導体界面が得られる。
図 3 に本研究で作製した縦型スピン電界効果ト
ランジスタの模式図を示す。下部 GaMnAs がソース、上部 GaMnAs がドレイン、それらに挟まれた
GaAs がチャネルである。ソース・ドレイン間に正(負)の電圧を印加することによって下部(上部)GaMnAs から正孔が流入する。正孔の伝導を、側面からゲート電圧を印加することによって制御する。正の電圧を印加すると、GaAs 層における正孔
図 3. 本研究で作製した縦型スピン電界効果のエネルギーが上昇し、正孔が流入しづらくなり、

ト ラ ン ジ ス タ の 模 式 図 ( 上 ) 。

ソース・ドレインの電流が減少すると期待される。

GaMnAs/GaAs/GaMnAs ヘテロ接合におけ

一方で、負の電圧を印加すると、GaAs 層におけるるゲート電圧を印加してない場合(左)と負の正孔のエネルギーが減少し、正孔が流入しやすく

ゲート電圧を印加した場合(右)のバンド図。

なり、ソース・ドレインの電流が増加すると期待正孔のエネルギーを基準とした。e, VDS, EF,

される。試料は低温分子線エピタキシー法で作製

EV は電荷素量、ソース・ドレイン電圧、フェし、フォトリソグラフィーとウェットエッチングを用いて、円柱状のピラーに加工した。ゲート絶

ルミ準位、価電子帯上端である。

縁膜は原子層堆積法によって成膜した。フォト2 に示す。従来のスピン電界効果トランジスタと異なり、ソース、チャネル、ドレインが垂直方向に配置され、基板に対して垂直に流れる電流を、メサの側面からゲート電界を印加することによって制御する。縦型構造を有したトランジスタは平面型の電界効果トランジスタよりも急峻なスイッ
チング特性が得られ、なおかつ、単位面積当たりのトランジスタ数を向上できると考えられており[16]、次世代のトランジスタ構造として産業界からも高い注目を集めている。さらに、縦型構造は高い磁気電流比を実現するうえでも好ましい構造で

図 4. 本研究で作製した縦型スピン電界効果ある。なぜなら、縦型構造を用いることで、チャトランジスタにおけるソース・ドレイン電流

ネルの長さを数ナノメートル程度まで容易に短くのソース・ドレイン電圧依存性。測定温度はすることができ、チャネル中におけるスピンの緩3.5 K、外部磁場、及びゲート電圧は印加して和を最小限に抑制できると期待されるからである。

いない。

57

反平行状態それぞれの抵抗の変化率で定義される
トンネル磁気抵抗比((RAP−RP)/RP×100 %、ここでRP、RAP はそれぞれ、平行状態、反平行状態における抵抗)は 60％にも及んだ。
これは先行研究[13–15]
よりも 100 倍以上大きな値である。
図 6 にさまざまなゲート電圧を印加した下での、ソース・ドレイン電流のソース・ドレイン電圧依存性を示す。ソース・ドレイン電流のゲート電圧による変化を強調するために、ソース・ドレイン
電流はゲート電圧を印加していない場合の電流からの変化量をプロットした。ソース・ドレイン電圧が正の領域に注目すると、正のゲート電圧を印

図 5. 本研究で作製した縦型スピン電界効果
図 6. ソース・ドレイン電圧が-0.1 V 付
トランジスタにおけるソース・ドレイン間の近におけるソース・ドレイン電流の抵抗面積積(RA)、及び磁気抵抗比(TMR 比)
ゲート電圧(± 10.8 V)及び磁化配置(平の外部磁場依存性。黒色の曲線はメジャー
行、反平行)依存性
ループ、赤色の曲線はマイナーループであ加すると電流が減少し、負のゲート電圧を印加すると電流が増加することがわかる。これは、正のゲート電圧を印加すると、ゲート絶縁膜と GaAsの界面付近のトンネル障壁が増加することで電流が減少し、負のゲート電圧を印加すると、界面付る。黒色の矢印は各磁場における磁化配置を

近のトンネル障壁が低下することで電流が増加し示す。測定温度は 3.5 K、磁場は[100]方向かたものと考えられる。縦型構造において、ゲート

ら[0−10]方向へ 10°回転した方向と平行に印

電圧によってソース・ドレイン電流を変化させる加した。ソース・ドレイン電圧は 0 V で、ゲーことに成功した。

ト電圧は印加していない。
リソグラフィー、ウェットエッチングによってコンタクトホールを形成した後、Au を蒸着し、電極を形成した。本研究の磁気伝導測定の一部は東京大学低温センターで行われた。
図 4 にソース・ドレイン電流のソース・ドレイン
電圧依存性を示す。以下、測定温度はすべて 3.5 K
である。GaMnAs/GaAs/GaMnAs からなる磁気トン
ネル接合に関する先行研究[8]で観測された電気特性と同様の特性を得ることができた。
図 5 にソース・ドレイン抵抗の磁場依存性を示

図 6. ソース・ドレイン電流のソースドレ

す。ソース・ドレイン電圧は 1 mV であり、縦軸

イン電圧、及びゲート電圧依存性。測定温はソース・ドレイン抵抗に接合の面積を乗じた抵

度は 3.5 K、磁場は印加していない。イン抗面積積である。黒色の曲線はメジャーループ、

セットにソース・ドレイン電圧が−0.1 V の赤色の点線はマイナーループである。磁化が反平時の、ソース・ドレイン電流のゲート電圧

行状態の時に抵抗が増大する(電流が減少する)依存性を示す。

トンネル磁気抵抗効果が観測された。平行状態と58

[1] T. Hayashi, M. Tanaka, T. Nishinaga, H. Shimada,
H. Tsuchiya, and Y. Otuka, Journal of Crystal Growth
175/176, 1063 (1997).
[2] S. Ohya, H. Yamaguchi, and M. Tanaka, Journal ofSuperconductivity, 16, 139 (2003).
[3] Y. Shuto, M. Tanaka, and S. Sugahara, Appl. Phys.
Lett. 90, 132512 (2007).
[4] N. T. Tu, P. N. Hai, L. D. Anh, and M. Tanaka,
Appl. Phys. Lett. 105, 132402 (2014).
[5] L. D. Anh, D. Kaneko, P. N. Hai, and M. Tanaka,
Appl. Phys. Lett. 107, 232405 (2015).
[6] P. N. Hai, L. D. Anh, S. Mohan, T. Tamegai, M.
Kodzuka, T. Ohkubo, K. Hono, and M. Tanaka, Appl.
Phys. Lett. 101, 182403 (2012).
[7] M. Tanaka and Y. Higo, Phys. Rev. Lett. 87,
026602 (2001).
[8] S. Ohya, I, Muneta, P. N. Hai, and M. Tanaka, Appl.
Phys. Lett. 95, 242503 (2009).
[9] S. Ohya, P. N. Hai, Y. Mizuno, and M. Tanaka,
Phys. Rev. B 75, 155328 (2007).
[10] Y. Mizuno, S. Ohya, P. N. Hai, and M. Tanaka,
Appl. Phys. Lett. 90, 162505 (2007).
[11] S. Sugahara and M. Tanaka, Appl. Phys. Lett. 84,
2347 (2004).
[12] M. Tanaka and S. Sugahara, IEEE Trans. Electron
Devices 54, 961-976 (2007); S. Sugahara and J. Nitta,
Proceedings of the IEEE, 98, 2124 (2010).
[13] R. Nakane, T. Harada, K. Sugiura, S. Sugahara,
and M. Tanaka, Jpn. J. Appl. Phys., 49, 113001 (2010).
[14] T. Sasaki, Y. Ando, M. Kameno, T. Tahara, H.
Koike, T. Oikawa, T. Suzuki, and M. Shiraishi, Phys.
Rev. Appl. 2, 034005 (2014).
[15] T. Tahara, H. Koike, M. Kameno, T. Sasaki, Y.
Ando, K. Tanaka, S. Miwa, Y. Suzuki, and M. Shiraishi,
Appl. Phys. Express 8, 113004 (2015).
[16] H. Takato, K. Sunouchi, N. Okabe, A. Nitayama,
K. Hieda, F. Horiguchi, and F. Masuoka, IEEE Trans.
Electron. Dev. 38, 573 (1991).
[17] T. Kanaki, H. Asahara, S. Ohya, and M. Tanaka,
Appl. Phys. Lett. 107, 242401 (2015).

図 7. ソース・ドレイン電圧が−0.1 V 付近におけるソース・ドレイン電圧のゲート電圧(±
10.8 V)依存性、及び磁化配置(平行、反平行)
依存性
最後に、出力特性がゲート電圧、及び磁化配置で制御できることを図 7 に示す。図 7 はソース・ドレイン電圧が−0.1 V 付近におけるソース・ドレ
イン電流のゲート電圧(±10.8 V)及び磁化配置(平行、反平行)依存性である。ゲート電圧、及び磁化配置によってソース・ドレイン電流が変調されており、スピン電界効果トランジスタの最も基本的な動作を実証することに成功した。
次世代の超低消費電力集積回路の基盤技術として期待されているスピン電界効果トランジスタの実現にむけて、強磁性半導体 GaMnAs を用いた縦型構造のスピン電界効果トランジスタを動作実証することに成功した。本研究で作製した縦型ス
ピン電界効果トランジスタは先行研究よりも 100
倍以上大きな磁気電流比を示した[17]。
（文責：金木俊樹、大矢忍、田中雅明）

59

● 工学系研究科電気系工学専攻

田中・大矢研究室

強磁性半導体 GaMnAs の「真の」磁気光学スペクトル

強磁性半導体は、磁性元素を添加することで、得られてきた 7。MCD は磁化や磁場の存在によっ半導体を強磁性にした材料であり、半導体との整て、材料に入射する反射率や透過率が、偏光に依合性がよい磁性材料として、将来の半導体スピン存する現象である。先行研究においては、GaMnAs

トロニクスへの工学的な応用が期待されている材

薄膜の反射 MCD スペクトルにおいて、バンド料である。また、半導体的な性質と強磁性の相互ギャップに相当する E0 ピークのエネルギーが、Mn作用に由来する特異な性質を示すことから、盛ん濃度の増加に従って高エネルギー側にシフトするに研究がなされてきた。特に、磁気光学効果は重現象が観測されており、このことは、Mn 濃度の増要な性質として測定がなされてきた 1。なぜならば、加によって、フェルミ準位が価電子帯中深くに入磁気光学スペクトルは、材料のスピン依存のバン

り込み、Moss-Burstein 効果により、吸収端がシフド構造を反映したスペクトルを示すため、磁性元トするためであると説明されていた。
実際には、この矛盾するような結果は MCD 測

素の添加により、半導体のバンドが強磁性的にな定における光学的な干渉に由来している。本稿にることを観測できるからである。
本 稿で は、 代表 的な 強磁 性半 導体 であ る、

おいて、GaMnAs の誘電率テンソルの値を見積もGaMnAs の磁気光学スペクトル測定について報告

り、干渉の影響を排除することで導出した「真の」する。GaMnAs は GaAs に Mn を数%添加した強磁

MCD スペクトルにおいては、E0 ピークのシフトは性半導体の一種であり、典型的な強磁性半導体材

観測されず、MCD 測定の結果は最近の価電子帯構料として広く研究がなされてきた 2-5。特に、その造の理解と矛盾しないことが明らかとなった。

バンド構造の理解は GaMnAs の物性を理解する上本研究において、Ga1−xMnxAs 薄膜試料を結晶成で必要不可欠であり、盛んに議論がなされてきた。

長し、反射 MCD 測定を行った。図 1 に本研究でGaMnAs のバンド構造については、大きく分け作製した試料の模式図を示す。半絶縁 GaAs (001)て、二つのモデル、すなわち、価電子帯伝導モデル

基板上に、Ga1−xMnxAs (d nm)/ GaAs (100 nm)から成6,7 と不純物帯伝導モデル 8-10 とが提唱されてきた。

る構造を結晶成長した。表 I に本研究で作製した

これらのモデルにおける最も大きな違いの一つは、

Ga1−xMnxAs 薄膜の Mn 濃度 x、膜厚 d、室温におけフェルミ準位の位置であり、価電子帯伝導モデル

る抵抗率 ρ、及び、キュリー温度 TC を示す。Mn 濃においてはフェルミ準位が価電子帯中に存在する

度 8%の試料について、結晶成長後、大気中においとしているのに対し、不純物帯伝導モデルにおいて 200 °C で 72 時間アニールを行った。Mn 濃度てはフェルミ準位が禁制帯中に存在するとしてい2%の試料について、異なる基板上にそれぞれ異なる。従来、価電子帯伝導モデルが広く受け入れらる膜厚の GaMnAs 層を結晶成長した。
Mn 濃度 1%、

れてきたが、最近の実験結果では、不純物帯伝導及び 8%の試料については、d = 100 nm の試料を結モデルを強く支持する結果が得られている。

晶成長し、表面の GaMnAs 層をエッチングするこ

一方で、磁気光学効果の一種である、磁気円二とで異なる膜厚の薄膜試料を作製した。また、抵色性(Magnetic circular dichroism, MCD)測定におい抗率、及び、キュリー温度はそれぞれ、van der Pauwては、一見、最近の理解と矛盾するような結果が法、及び、MCD の磁場依存性のアロットプロット

60を用いて求めた。各 Mn 濃度において、抵抗率、

図 1 に示すように、入射光は試料表面、及び、

及び、キュリー温度は膜厚によらず、ほぼ一定のGa1−xMnxAs/ GaAs 界面において、多重に反射され値を示す。このことは、GaMnAs の品質を決定す

ると仮定する。入射光は試料に垂直に入射するとる格子間位置 Mn 濃度や As アンチサイト欠陥濃

仮定し、このとき、試料表面、及び、Ga1−xMnxAs/

度が膜厚によらず一定であり、同様の品質が実現

GaAs 界面におけるフレネル係数 r0,1±、及び、r1,2±

されていることを示している。作製したを用いて、振幅反射率 R±は式(3)で表される。

Ga1−xMnxAs 薄膜試料についてそれぞれ反射 MCD

𝑅𝑅± =測定を行った。図 2(a)、(b)、及び、(c)にそれぞれ、Mn 濃度 1%、2%、及び 8%における MCD スペク

𝑟𝑟0,1± +𝑟𝑟1,2± exp( 𝑖𝑖𝛥𝛥± ), (3)1+𝑟𝑟0,1± 𝑟𝑟1,2± exp( 𝑖𝑖𝛥𝛥± )トルのグラフを示す。測定温度は 5 K、薄膜に対し表Iて垂直に外部磁場 1 T を印加した。MCD 測定には膜厚 d、見積もり膜厚 d'、抵抗率 ρ、及び、キュリー温光学遅延変調法を用いた。図 2(a)–(c)に示すように、

度 T C。

MCD スペクトルは薄膜膜厚に対して強く依存する。
本研究において、干渉の影響を考慮し、測定結作製した Ga1-xMnxAs 試料の Mn 濃度 x、設計x

Designedd (nm)

Estimatedd' (nm)ρ(Ω cm)

TC
(K)

1%

40

50

3.6×10-2<570

3.9×10-2<580

4.0×10-2

<5
45

1%

果を再現するように GaMnAs の誘電率テンソルを1%導出した。磁化が薄膜に対して垂直で、光が薄膜に対して垂直に入射する時、オンサーガーの定理
より、誘電率テンソルは式(1)を用いて表される。
𝜀𝜀1 𝜀𝜀2 0𝜀𝜀̃ = �−𝜀𝜀2 𝜀𝜀1 0 �, (1)00 𝜀𝜀𝑧𝑧𝑧𝑧

80

2%

10

9

1.2×10-2

2%

20

18

1.1×10-2

47

2%

100

90

1.5×10-2

41

24

6.9×10-3

81

50

8.1×10-3

81

90

9.4×10-3

85

8%

GaMnAs の誘電率テンソルの対角成分 ε1 について、

60

8%
8%

20
50
100

先行研究で測定された誘電率の値で近似した。誘電率テンソルの各要素の値を用いて、左右円偏光に対する GaMnAs の屈折率 n1±は、𝑛𝑛1± = �𝜀𝜀1 ± 𝑖𝑖𝜀𝜀2とかける。ここで、添字の符号の正負はそれぞれ
左右円偏光に対応する。GaMnAs の誘電率テンソルの非対角成分を決定するに当たり、非対角成分がクラマースクローニッヒの関係式を満たすように、式(2)を用いてその値を近似した。
𝜀𝜀2 = � 𝐴𝐴𝑛𝑛
𝑛𝑛

(𝐸𝐸𝑛𝑛 − 𝐸𝐸)2 − Γ𝑛𝑛2 + 2𝑖𝑖Γ𝑛𝑛 (𝐸𝐸𝑛𝑛 − 𝐸𝐸)
𝐸𝐸 {(𝐸𝐸𝑛𝑛 − 𝐸𝐸)2 + Γ𝑛𝑛2 }2(𝑛𝑛 = 1, 2, 3 … ), (2)図 1

ここで、An、En、及び、Γn はフィッティングパラ

Ga1−xMnxAs 薄膜試料の模式図。半絶縁

GaAs (001)基 板 上 に GaMnAs (d nm)/ GaAs

メーターである。各 n について、式(2)の実部はベ(100 nm)を結晶成長している。入射光は、試料表

ル型の分散関係を持ち、An、En、及び、Γn はそれぞれピーク高さ、ピーク位置、及び、半値幅を表して面、及び、GaMnAs/ GaAs 界面において、多重にいる。入射光は試料に垂直に入射すると仮定し、反射される。

61

図 2 (a), (b), (c) 実験的に得られた、様々な膜厚 d を有する GaMnAs 薄膜の MCD スペクトル。Mn 濃度 xは 1% (a), 2% (b), 8% (c)。測定温度は 5 K、試料に垂直に外部磁場 μ0H = 1 T を印加。グラフ黒点線は 5 K
における GaAs の特異点に対応するエネルギー。左から、E0, E0 + Δ0, E1, E1 + Δ1, and E0'に対応する。(d),(e), (f) 計算で得られた、様々な膜厚 d'を有する GaMnAs 薄膜の MCD スペクトル。Mn 濃度は 1% (d), 2%(e), 8% (f)。計算では、本研究で見積もられた ε2 の値を用いた(図 2(g)–2(i))。膜厚の値 d'は、より良く実験結果を再現するため設計値 d とわずかに異なる値を用いている。(g), (h), (i) 本研究で見積もった GaMnAs のε2 の実部(青破線)、及び、虚部(赤点線)のエネルギー依存性。Mn 濃度は 1% (g), 2% (h), 8% (i)。

この時、フレネル係数 ra,b±、及び、光が GaMnAs 層

らの値を表 I に示す。ここで、d と d′ とのわずかを往復する時の位相変化 Δ±はそれぞれ、𝑟𝑟𝑎𝑎,𝑏𝑏± =な誤差は、結晶成長時のフラックスレートやエッ

n0、及び、n2 は偏光依存性が無いものとし、n2 の値

及び、ε2″ のエネルギー依存性のグラフを示す。ε2′、(𝑛𝑛𝑎𝑎± − 𝑛𝑛𝑏𝑏± )⁄(𝑛𝑛𝑎𝑎± + 𝑛𝑛𝑏𝑏± ) (a, b = 0, 1, 2)、及び、𝛥𝛥± =チングレートにおける想定値と実際値との誤差に11。R を±及び、ε2″ はそれぞれ、ε2 の実部、及び、虚部であ用いて、反射 MCD は式(4)によって定義される。

る。得られた ε2 の値を用いて、それぞれの Mn 濃

|𝑅𝑅+ |−|𝑅𝑅− |度、及び、膜厚 d′ における反射 MCD の値を計算由来すると考えられる。図 2(g)–(i)に得られた ε2′、

4𝜋𝜋𝑛𝑛1± 𝑑𝑑⁄𝜆𝜆と定義する。真空、及び、GaAs の屈折率として、先行研究で得られた値を用いた
𝜂𝜂K = |𝑅𝑅 |+|𝑅𝑅 |, (4)+−した。図 2(d)–(f)に反射 MCD の計算結果を示す。

したがって、式(3)、及び式(4)を用いて、反射 MCD

計算結果（図 2(d)–(f)）は実験結果（図 2(a)–(c)）の値を計算することが出来る。それぞれの Mn 濃をよく再現できており、ここで見積もった ε2 の値

度において、同一の ε2-E スペクトルを用いて、異は信頼性が高いことが分かる。ここで、得られたなる膜厚を有する試料における MCD スペクトルε2 の値を用いて、干渉の影響を排除した、「真の」が再現されるように ε2 の値を定めた。また、ε2 を反射 MCD スペクトルの値を計算した。

定めるにあたり、それぞれの試料において、設計値とわずかに異なる試料膜厚 d′ を仮定した。これ

62このように、薄膜試料における反射 MCD 測定においては、実験的に得られるスペクトル形状そのものではなく、材料固有の物性値である誘電率テンソルを用いた議論が必要である。ここで用いた手法や、ここで明らかとなった現象は、材料を問わない普遍的なものであり、スピントロニクス
材料を探索し、その物性を明らかにしていく上で、重要な役割を果たすと期待される 12。
（文責：寺田博、大矢忍、田中雅明）

図3

Ga0.92Mn0.08As の反射 MCD スペクトルの薄膜膜厚依存性の等高線カラープロット。

[1] K. Ando, Science 312, 1883 (2006).
[2] H. Ohno, A. Shen, F. Matsukura, A. Oiwa, A. Endo,
S. Katsumoto, and Y. Iye, Appl. Phys. Lett. 69 363(1996).
[3] T. Hayashi, M. Tanaka, T. Nishinaga, H. Shimada,
H. Tsuchiya, and Y. Otuka, Journal of Crystal
Growth 175/176, 1063 (1997).
[4] H. Ohno, Science 281, 951 (1998).
[5] M. Tanaka, S. Ohya and P. N. Hai, Appl. Phys. Rev.
1, 011102 (2014).
[6] T. Dietl, H. Ohno, and F. Matsukura, Phys. Rev. B
63, 195205 (2001).
[7] T. Jungwirth, P. Horodyská, N. Tesařová, P. Němec,J. Šubrt, P. Malý, P. Kužel, C. Kadlec, J. Mašek, I.
Němec, M. Orlita, V. Novák, K. Olejník, Z. Šobáň,P. Vašek, P. Svoboda, and J. Sinova, Phys. Rev. Lett.
105, 227201 (2010).
[8] S. Ohya, K. Takata, and M. Tanaka, Nature Phys. 7,342 (2011).
[9] I. Muneta, H. Terada, S. Ohya, and M. Tanaka, Appl.
Phys. Lett. 103, 032411 (2013).
[10] M. Kobayashi, I. Muneta, Y. Takeda, Y. Harada, A.
Fujimori, J. Krempaský, T. Schmitt, S. Ohya, M.
Tanaka, M. Oshima, and V. N. Strocov, Phys. Rev. B
89, 205204 (2014).
[11] K. S. Burch, J. Sthephens, R. K. Kawakami, D. D.
Awschalom, and D. N. Basov, Phys. Rev. B 70,
205208 (2004).
[12] H. Terada, S. Ohya, and M. Tanaka, Appl. Phys.
Lett. 106, 222406 (2015).

ここで、「真の」反射 MCD として、GaMnAs 層の膜厚が無限大の極限をとった時の値を計算した。
図 2 (d)–(f)に、黒太線を用いて「真の」反射 MCD
スペクトルの計算結果を示す。
「真の」反射 MCD
スペクトルにおいて、バンドギャップに対応する
ピーク位置は、GaAs のバンドギャップ E0 のエネ
ルギーの値とほとんど同一である。先行研究において、
価電子帯伝導モデルに基づいた x = 1%、2%、
及び 8%における E0 のブルーシフトの予測値はそ
れぞれ、~ 40 meV、~180 meV、及び、~650 meV であるのに対し、「真の」MCD スペクトルにおける
E0 のブルーシフトの値は、それぞれ、~0 meV、~30
meV、及び、~0 meV であり、予測値よりもずっと小さい。この結果は Mn 濃度が高い、強磁性で金属的な GaMnAs においても、フェルミ準位は禁制
帯中に存在することを示しており、最近の
GaMnAs におけるバンド描像を支持している。
最後に、図 3 に Ga0.92Mn0.08As の反射 MCD スペ
クトルの薄膜膜厚依存性の計算結果を、等高線カ
ラープロットを用いて示す。図 3 において、黒破線、及び、赤破線は、それぞれ、強め合い、及び、
弱め合いの干渉条件である。図に示すように、
MCD の値は、d = 10 nm 程度の極薄膜においても、干渉の影響が顕著であり、MCD スペクトルの解析において、干渉の効果に強く注意する必要がある。

63

● 工学系研究科原子力国際専攻

高橋研究室

超電導転移端センサによるγ 線超精密分光

極低温にて安定に動作させ、半導体検出器の分光

１．研究背景核物質の核種分析・同定において、核物質か性能を大きく超える優れたエネルギー分解能を達ら発生する硬Ｘ線、γ線検出を主な手法とする非成し、Pu 試料の分析や世界で初めてとなる TES

破壊測定は、溶媒抽出、沈殿回収等の化学的手法

を用いた核分裂生成物（FP）の元素、核種同定にを適用したアクチニド分析に比べ、測定効率、作成功している。本研究ではこれらγ線硬Ｘ線 TES

業の安全性に優れている。ただしγ線検出に用い検出技術をベースとして、Pu のピーク弁別性能のる NaI シンチレーション検出器や Ge 半導体検出

さらなる向上を図るべくより一層の分光特性の向器の分光精度の限界から Pu や Am 等の核種に起上を目指すと共に、この TES ピクセルをアレイ状因したγ線エネルギーピークの分離が不完全であに配置した検出器を開発し、超伝導エレクトロニ

り、現状の非破壊測定法では正確な核種同定、定クスを用いた多重信号読出しを行うことにより数量は期待できない。一方、有効かつ健全な核物質

mm 角程度の広い有感面積を達成し、Pu 保障措置

保証措置を堅持するためには、高効率、高精度、高や核燃料、廃棄物検査等の核物質測定ニーズに対信頼性、リモートモニタリング可能といった、高して実用可能となる高性能検出システムの構築を

度な非破壊分析技術の確立が急務である。した進める。

がって、精度の高い核種分析・同定を確実に成し遂げる計測基盤技術として、Ge 半導体検出器の性

２．これまでの研究成果

能を大きく超える超高エネルギー分解能硬Ｘ線γ

本研究では、硬Ｘ線、γ線検出用 TES アレイ

線スペクトロメータの実現が強く望まれている。

素子の開発は東京大学が行い、アレイ信号読出し

本研究では、核物質から発生する硬Ｘ線やγ用回路チップの開発は産業技術総合研究所との共線を極めて高いエネルギー分解能を有する超伝導同研究にて進める。そしてこれらの成果を統合し転移端センサ(TES : Transition Edge Sensor)によて構築した TES 検出システムを日本原子力研究り分析し、プルトニウム(Pu)やマイナーアクチニ

開発機構大洗研究開発センター内に持ち込み、放ド全元素を精密に弁別、分析しうる革新的な核種

射線源および核燃料物質等を用いた測定試験を試

同定分析技術を確立する。TES は放射線入射によみ、検出システムの動作実証を進めている。

る温度上昇を超伝導転移領域における急峻な温度① TES 検出素子の開発

抵抗変化を用いた高感度な温度計により検出する

まず、東京大学では Ir/Au TES に高い γ 線吸収

革新的なスペクトロメータであり、原理的には高効率を有する錫やタンタルの重金属バルクの放射純度ゲルマニウム半導体検出器に比べて 2 桁以上

線吸収体をエポキシポストあるいは金バンプポス

優れたエネルギー分解能を実現しうる可能性を秘トで結合させた素子作成プロセスを確立した。特めている。我々は、これまでにスズや鉛等の重金に金バンプポストを用いる手法は、金バンプの高属バルク放射線吸収体を超伝導薄膜温度センサ上

い熱伝導特性を生かして、超伝導 Ir/Au 薄膜温度に搭載した TES の研究を行い、およそ 100 mK のセンサと重金属バルク放射線吸収体の間の熱コン

64ダクタンスを高め、放射線吸収体で生じた温度上特殊な技術や経験を必要とし、また寒剤から発生

昇を速やかにロス無く温度センサに伝達することする膨大な蒸発ガスは、外気から隔離されているを可能にするものであり、熱伝導度に起因した熱放射性物質取り扱い区域内での使用を困難にする

揺らぎノイズの低減と、入射応答信号の立下り時など、大きな制約を抱えている。しかしながら近間短縮を達成する独創的なアイデアに基づくもの

年、1 W＠4 K 以上の大きな冷却能力を有する GMである[1]。本研究で開発した γ 線検出用 TES マ

冷凍機やパルス管のプレクーリング冷却ヘッドのイクロカロリメータの構造及び顕微鏡写真を図 1

登場により、寒剤フリー極低温冷却技術は目覚まに示す。TES 部は 250 m 角、約 100 nm 厚の超しい進歩を遂げており、簡便かつ安全に、しかも伝導 Ir/Au 薄膜で、外部の系と TES を弱い熱コン

全自動運転にて 100 mK 以下の極低温を得られる

ダクタンスで結合する役割を担う極薄い SiN メン

ようになってきた。本研究においても、核物質取ブレン（500 nm 厚）
上に製膜されている。
さらに、扱施設での TES 検出技術の適用を想定しつつ、こIr/Au 薄膜上には直径約 60 m の Au バンプ製ポ

れらプレクーリング冷却ヘッドを用いた全自動のストが設置され、この極薄の SiN メンブレンを壊

寒剤フリー希釈冷凍機を活用した TES 検出シス

す事無く約 0.5 mm 角、約 0.3 mm 厚の重金属製テムを構築している。ただし、この寒剤フリー希

Sn 放射線吸収体が搭載されている。この構造によ釈冷凍機を導入当初は、プレクーリング冷却ヘッ

り、吸収体及び TES は周囲からほぼ熱的に絶縁さド駆動時に発生する機械的振動が大きなノイズ源

れ、放射線入射により吸収体内で生じた熱を高効となり、とりわけ重金属放射線吸収体を搭載した率に超伝導センサに伝達し、超伝導薄膜の温度をTES において、読出し電流値のベースラインが大充分に上昇させて抵抗変化に変換する事が可能ときく揺らぎ安定して動作しない困難に直面した。

なる。

そこで、希釈冷凍機冷却機構部からプレクーリン
グ冷却ヘッドを分離して溶接ベローで接続し、素子取付コールドステージを振動源であるプレクー
リング冷却ヘッドから浮かせる構造に改造し、さらにプレクーリング部の保持において適度な弾性のある支持体を導入する改良等を進めている。現
在、寒剤フリー希釈冷凍機導入当初よりは機械的振動がかなり抑制されてきており、放射線検出特性も大幅に改善され始めている。
241Am 線源と 57Co 線源から放出されるγ線を用いて開発した検出素子の動作実証を行った。希釈冷凍機のγ線入射窓（Be 製）をアルミ箔を数 10枚重ねて覆い、その外側に 241Am 線源と 57Co 線
源を置いてγ線イベントのデータ取得を行った。
図 1：錫バルク吸収体搭載 TES 検出素子のこれにより 241Am 線源から放出される LX 線

構造（上）と作製した TES 検出素子の顕微（15 keV 付近）の TES への入射は抑制されてい鏡写真（下）る。図 2 に本計測で得られたγ線エネルギースペ

従来、
TES 動作に必要な極低温環境を得るには、クトルを示す。60 keV 付近に 241Am のγ線ピー

大量の液体ヘリウムや液体窒素を必要とする極低クとこの 60 keV ピークに対応して 30 keV 付近に温冷凍機が用いられてきたが、寒剤取り扱いには65

錫の K、Kに相当するエスケープピークが確認さ原理上 1 系統で読み出せる TES 素子数がより多れ、また 122 keV 付近に 57Co のγ線ピークとこく、また単素子の読出しと同様に TES の直流駆動の 122 keV ピークに対応して 90 keV 付近に錫のができるといった利点がある。

K、Kに相当するエスケープピークが明瞭に確認

図 3 のようにマイクロ波を伝送する Feedline 上できる。なおエネルギー分解能は 84 eV(FWHM)に可変インダクタンスと等価な殆ど発熱のない

＠59.5 keV が得られており、Ge 半導体検出器でRF-SQUID(超伝導量子干渉素子、Superconducting

得られる分光性能よりすでに 5 倍以上優れた値で

QUantaum Interference Device)で終端した共振ある。しかしながら、まだこの分光特性は素子冷回路を容量結合し、マイクロ波の透過率を読み出却に用いた冷凍機の機械振動が完全に抑制しきれすと図 3 の右部に示すように各共振器の共振周波ていないこと、さらには錫吸収体の表面の加工精数に fR 対応したディップ構造をもつ。RF-SQUID

度等に起因した熱的な不安定性によるノイズ等にと TES は磁気的に 1 対 1 対応で結合されており、よって制限されていると考えられる。

TES の電流変化によって、RF-SQUID のインダク
タンスが変化し、fR が変化する。よって各 TES の電流信号を周波数軸上における各共振器の fR の変化として読み出すことができる。

図 2: 241Am と 57Co 線源から得たエネルギースペ
図 3: マイクロ波読出しの概念図

クトル② TES アレイ読み出し用信号多重化回路の開発

産業技術総合研究所では、低雑音化のため出力

TES アレイ化においては、検出素子の動作環境

電圧増大を図った読出回路チップを設計・試作し、が極低温(～0.1 K)であるため、室温からの配線に

多重読出動作に重要な指数である共振𝑄値を評価

よる極低温部への熱流入を考慮しなければならなすると共に、極低温冷凍機デュワー内に信号伝送い。したがって、大規模な TES アレイの読出しに特性の高い信号読出し配線も整備中である。現在、は、極低温部での信号多重化が必要となる。本研

NbN 共振器と Nb SQUID を組み合わせたマイク

究では、高い𝑄値を持つ超伝導共振器を用いて、ロ波読出しチップの開発を進めている。[2]、すでGHz 帯へ信号を多重化し、各共振器の共振周波数に TES 動作環境である 0.1 K 付近における𝑄値のの変化を読み出すマイクロ波読み出し評価を行い、4 K と比較して 0.1 K では共振ディッ(Microwave Multiplex : MW-MUX)回路の開発をプが深くなっていることを確認した（図 4 参照）。

行っている。この方式は、高速に読出し素子をス

この結果より 0.1 K における𝑄値は 4 K 時と比較

イッチングしスキャンしていく時分割方式や、して１桁以上向上した 105 程度が得られており、TES を異なる周波数(MHz 程度)で交流駆動し周NbN 共振器を用いた TES の低雑音マイクロ波読

波数空間に多重化を行う周波数多重方式に比べて、出しが期待できる結果となっている。

66

合わせて信号多重読み出し実証を目指す。さらに希釈冷凍機のさらなる機械振動抑制を図り、高感度かつ高精度なγ線スペクトロスコピーが可能な検出システムを構築し、核物質試料の精密な検出実証を目標とする。
[1] Hatakeyama, S. et al. "Development ofHard X-Ray and Gamma-Ray Spectrometer
Using Superconducting Transition Edge
Sensor" IEEE Trans. Appl. Supercond., 23,

図 4 : NbN 共振器の共振特性＠4 K, 0.1 K

2100804 (2013)
３．今後の展望[2] Kohjiro, S. et al. "White noise of Nb-based

TES 素子の熱特性の最適化、高エネルギー分解

microwave SQUID multiplexers with NbN能化を図ると共にアレイ素子の開発を行う。また、

coplanar resonators for readout of

アレイ素子用マイクロ波読み出し回路開発では、

transition edge sensors" J. Appl. Phys., 115,

0.1 K におけるノイズ特性を評価、その成分特定・

223902 (2014)

抑制等を進め、回路と試作したアレイ素子を組み67

平成27年度共同利用成果発表リスト
工学系研究科・物理工学専攻 川﨑研究室
Observation of the quantum Hall effect in δ-doped SrTiO3
Y. Matsubara, K. S. Takahashi, M. S. Bahramy, Y. Kozuka, D. Maryenko, J. Falson, A. Tsukazaki, Y.
Tokura, M. Kawasaki
Nature Communications, 7, 11631, 2016.
MgZnO/ZnO heterostructures with electron mobility exceeding 1 × 106 cm2/Vs
J. Falson, Y. Kozuka, M. Uchida, J. H. Smet, T. Arima, A. Tsukazaki, M. Kawasaki
Scientific Reports, 6, 26598, 2016.
All-in-all-out magnetic domain wall conduction in a pyrochlore iridate heterointerface
T. C. Fujita, M. Uchida, Y. Kozuka, W. Sano, A. Tsukazaki, T. Arima, M. Kawasaki
Physical Review B, 93, 064419, 2016.
All-in-all-out magnetic domain size in pyrochlore iridate thin films as probed by local magnetotransport
T. C. Fujita, M. Uchida, Y. Kozuka, W. Sano, A. Tsukazaki, T. Arima, M. Kawasaki
Applied Physics Letters, 108, 022402, 2016.
Even-denominator fractional quantum Hall physics in ZnO
J. Falson, D. Maryenko, B. Friess, D. Zhang, Y. Kozuka, A. Tsukazaki, J. Smet, M. Kawasaki
Nature Physics, 11, 347, 2015.
Quauntum Hall Effect on Top and Bottom Surface States of Topological Insulator (Bi1−xSbx)2Te3 Films
R. Yoshimi, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, J. Falson, K. S. Takahashi, J. G. Checkelsky, N. Nagaosa, M.
Kawasaki, Y. Tokura
Nature Communications, 6, 6627, 2015.
Odd-parity magnetoresistance in pyrochlore iridate thin films with broken time-reversal symmetry
T. C. Fujita, Y. Kozuka, M. Uchida, A.Tsukazaki, T. Arima, M. Kawasaki
Scientific Reports, 5, 9711, 2015.
Field-direction control of the type of charge carriers in nonsymmorphic IrO2
M. Uchida, W. Sano, K. S. Takahashi, T. Koretsune, Y. Kozuka, R. Arita, Y. Tokura, M. Kawasaki
Physical Review B, 91, 241119, 2015.
Electron scattering times in ZnO based polar heterostructures
J. Falson, Y. Kozuka, J. H. Smet, T. Arima, A. Tsukazaki, M. Kawasaki
Applied Physics Letters, 107, 082102, 2015.
Magnetic modulation doping in topological insulators toward higher-temperature quantum anomalous
Hall effect
M. Mogi, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K. Yasuda, Y. Kozuka, K. S.Takahashi, M. Kawasaki, Y. Tokura
Applied Physics Letters, 107, 182401, 2015.
Topological Electronics
Masashi Kawasaki
Workshop on "Topological Magnets", May 25–27, 2015, Wako, Japan.
Emerging functions at the interfaces of correlated semiconductors
Masashi Kawasaki
17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures, July 26–31, 2015, Sendai,
Japan.
Electron mobility exceeding 1,000,000 cm2/Vs at MgZnO/ZnO interfaces
Masashi Kawasaki
22nd Workshop on Oxide Electronics, October 7–9, 2015, Paris, France.
Unconventional Quantum Hall Effect in New Materials
Masashi Kawasaki
Quantum Nanostructures and Electron-Nuclear Spin Interactions, October 19–23, 2015, Sendai, Japan.

68Heterostructured Topological Insulators towards Topological Electronics
Masashi Kawasaki
Japan-EU Workshop on Graphen and Related 2D Materials, October 31–November 2, 2015, Tokyo,
Japan.
Breathing new life in the quantum era into an old material ZnO
Masashi Kawasaki
Inter-Academy Seoul Science Forum, November 11–12, 2015, Seoul, Korea.
Quantum Anomalous Hall Effect in Topological Insulator Heterostructures
Masashi Kawasaki
13th RIEC International Workshop on Spintronics, November 18–20, 2015, Sendai, Japan.
強相関量子デバイスと持続可能社会
川﨑 雅司
理研-産総研 量子技術イノベーションコア Workshop、2015 年 6 月 1 日、埼玉
Far Beyond CMOS: トポロジカルエレクトロニクスへ向けて
川﨑 雅司
応用物理学会シリコンテクノロジー分科会・研究集会、2015 年 11 月 13 日、茨城
Quantum Hall effects at oxide heterointerfaces
Y. Kozuka
New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics, June 1–19, 2015, Kashiwa, Japan.
第 9 回（2015 年度）応用物理学会フェロー表彰
酸化物ヘテロ接合の原子レベル制御と新物性・新機能の開拓
2015 年 9 月 13 日、川﨑雅司
一般財団法人安藤研究所 第 28 回安藤博記念学術奨励賞
強相関酸化物薄膜における電子状態の直接観測と機能開拓
2015 年 7 月 4 日、打田正輝
船井情報科学振興財団 平成 26 年度第 14 回船井研究奨励賞
強相関遷移金属酸化物における低エネルギー電子構造の直接観測と機能応用
2015 年 4 月 18 日、打田正輝
第 38 回応用物理学会講演奨励賞
有機金属ガス源分子線エピタキシー法による Eu1−xLaxTiO3 薄膜の高移動度化と異常ホール効果
2015 年 9 月 13 日、村田智城（他、論文等 6 件、発表等 23 件）

農学生命科学研究科・応用生命化学専攻 食品生物構造学研究室
In-situ and real-time growth observation of high-quality protein crystals under quasi-microgravity on
earth
Akira Nakamura, Jun Ohtsuka, Tatsuki Kashiwagi, Nobutaka Numoto, Noriyuki Hirota, Takahiro Ode,
Hidehiko Okada, Koji Nagata, Motosuke Kiyohara, Ei-ichiro Suzuki, Akiko Kita, Hitoshi Wada, andMasaru Tanokura
Scientific Reports, 6, 22127 (2016)
高磁気力を利用した高効率・高品位タンパク質結晶生成システムの開発
廣田 憲之, 中村 顕, 岡田 秀彦, 田之倉 優, 和田 仁
材料の科学と工学 第 52 巻 第 5 号, 152–156 (2015)
強磁場・高磁気力を利用したタンパク質結晶の高品質化
中村 顕，田之倉 優
つくばサイエンス・アカデミー 第７回研究情報交換会（口頭発表）、2015 年 10 月 9 日、国立研究開発法人 物質・材料研究機構

69Real-time observation of protein crystal growth under magnetic quasi-microgravity conditions
Akira Nakamura, Masaru Tanokura
12th Japan-Korea Joint Seminar on Space Environment Utilization Research（口頭発表）、2015 年 10 月 19–21 日、Yonsei University, International Campus, Korea
日経産業新聞先端技術 たんぱく質結晶 開花へ2016 年 3 月 16 日

理学系研究科・化学専攻 大越研究室
Tuning of charge transfer assisted phase transition and slow magnetic relaxation functionalities in{Fe9−xCox[W(CN)8]6} (x = 0–9) molecular solid solution
S. Chorazy, J. Stanek, W. Nogas, A. Majcher, M. Rams, M. Kozieł, E. Juszyńska-Gałązka, K.
Nakabayashi, S. Ohkoshi, B. Sieklucka and R. Podgajny
J. Am. Chem. Soc., 138, 1635–1646, 2016.
Photo-reversible spin-crossover ferrimagnetism in Fe2[Nb(CN)8](4-methylpyridine)8·2H2O
K. Imoto and S. Ohkoshi
Chem. Lett., 45, 359–361, 2016.
External stimulation-controllable heat-storage ceramics
H. Tokoro, M. Yoshikiyo, K. Imoto, A. Namai, T. Nasu, K. Nakagawa, N. Ozaki, F. Hakoe, K. Tanaka,
K. Chiba, R. Makiura, K. Prassides and S. Ohkoshi
Nature Communications, 6, 7037/1–8, 2015.
Nanometer-size hard magnetic ferrite exhibiting high optical-transparency and nonlinear opticalmagnetoelectric effect
S. Ohkoshi, A. Namai, K. Imoto, M. Yoshikiyo, W. Tarora, K. Nakagawa, M. Komine, Y. Miyamoto, T.
Nasu, S. Oka and H. Tokoro
Scientific Reports, 5, 14414/1–9, 2015.
Zeta-Fe2O3 — A new stable polymorph in iron(III) oxide family
J. Tuček, L. Machala, S. Ono, A. Namai, M. Yoshikiyo, K. Imoto, H. Tokoro, S. Ohkoshi and R. Zbořil
Scientific Reports, 5, 15091/1–11, 2015.
Implementation of chirality into high-spin ferromagnetic CoII9WV6 and NiII9WV6 cyanido-bridgedclusters
S. Chorazy, M. Reczynski, R. Podgajny, W. Nogas, S. Buda, M. Rams, W. Nitek, B. Nowicka, J.
Mlynarski, S. Ohkoshi, and B. Sieklucka
Cryst. Growth Des., 15, 3573–3581, 2015.
Visible to near-infrared emission from LnIII(bis-oxazoline)[MoV(CN)8] (Ln=Ce–Yb) magnetic
coordination polymers showing unusual lanthanide dependent sliding of cyanido-bridged layers
S. Chorazy, M. Arczynski, K. Nakabayashi, B. Sieklucka and S. Ohkoshi
Inorg. Chem., 54 4724–4736, 2015.
Synthesis of single crystalline form and first-principles
octacyanidomolybdate(IV) photomagnetic material
Y. Umeta, S. Chorazy, K. Nakabayashi and S. OhkoshiEuro. J. Inorg. Chem., 1980–1988, 2016.

calculationsofcopper(II)-Magnetic ground state of nanosized β-Fe2O3 and its remarkable electronic features
O. Malina, J. Tuček, P. Jakubec, J. Kašlík, I. Medřík, H. Tokoro, M. Yoshikiyo, A. Namai, S. Ohkoshi
and R. Zbořil
RSC Adv., 5, 49719–49727, 2015.
The solvent effect on the structural and magnetic features of bidentate ligand-capped{CoII9[WV(CN)8]6} single-molecule magnets
S. Chorazy, A. Hoczek, M. Kubicki, H. Tokoro, S. Ohkoshi, B. Sieklucka and R. Podgajny
CrystEngComm, 18, 1495–1504, 2016. (Highlighted at the Cover Picture)
New functionalities originating from phase transition phenomena in cyano-bridged bimetal assemblies70and metal oxides,
S. Ohkoshi,
Multiscale phenomena in molecular matter, 2015 年 7 月 6 日, Institute of Nuclear Physics PAN,
Kraków (Poland). (Opening Prenary Lecture)
Novel magneto-optical phenomenon in cyano-bridged bimetal assemblies and metal oxides,
S. Ohkoshi,
The Third International Conference on Advanced Complex Inorganic Nanomaterials (ACIN 2015),
Namur (Belgium), 2015 年 7 月 14 日. (Keynote Lecture)
Innovative Material,
S. Ohkoshi,
Impacting materials with light and electric fields and watching real time dynamics (IM-LED 2015),
Tokyo (Japan), 2015 年 11 月 26 日. (Opening Plenary Lecture)
Novel optical functionalities in cyano-bridged metal assemblies,
S. Ohkoshi,
The Internatonal Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem2015), Hawaii (USA), 2015
年 12 月 18 日.
Novel magneto-optical phenomenon in cyano-bridged bimetal assemblies and metal oxides,
S. Ohkoshi,
The Third International Conference on Advanced Complex Inorganic Nanomaterials (ACIN 2015),
Namur (Belgium), 2015 年 7 月 14 日. (Keynote Lecture)
高密度記録を目指した光スイッチング磁石,
大越慎一,
IDEMA 国際ディスクフォーラム 2015, 大田区産業プラザ(蒲田), 2015 年 5 月 29 日.
高密度記録を目指した光スイッチング磁石とイプシロン型-酸化鉄,
大越慎一,
IDEMA ヘッド・ディスク部会講演会, 虎ノ門ワタルビル, 2015 年 7 月 1 日.
磁気化学を基盤とした先端記憶材料の開発,
大越慎一,
日本技術士会化学部会定期例会, 日本技術士会(虎ノ門), 2015 年 7 月 4 日.
磁性材料の基礎,
大越慎一,
化学技術基礎講座 電子部品・材料の物性化学 ―最先端産業を支える電子・光学材料開発に必須の基礎をマスターしよう―, 日本化学会化学会館, 2015 年 7 月 31 日.
高密度記録を目指した光スイッチング磁石とイプシロン型―酸化鉄,
大越慎一,
HGST 技術講演会, 藤沢, 2015 年 9 月 18 日.
科学新聞 2016.3.18（1 面）“世界最小のハードフェライト磁石 次世代の磁気記録媒体やミ
リ波吸収材に有望”
金属時評 2015.11.5（4 面）“東大、世界最小ハードフェライト磁石の開発に成功、磁気記録テープ用のナノ新素材を発見”
化学工業日報 2015.10.7（1 面）“東大、最小粒径で高保磁力のハードフェライト開発”
Nature 日本版 “注目の記事”に Nature Communications, 6, 7037 (2015) が紹介されました.
読売新聞 2015.5.21（9 面）“長期蓄熱セラミックス発見”
時事通信 2015.5.12 “蓄熱できるセラミックス発見

太陽熱発電への利用期待 東大”

ウォール・ストリート・ジャーナル日本版 2015.5.12 “蓄熱できるセラミックス発見 東大”
日経エレクトロニクス 2015 年 7 月号 “圧力印加まで熱エネルギーを放出しない蓄熱材、東大らが開発―抵抗変化メモリーや光記録メモリーなどへの応用も―”71

WinWing vol.28 “永続的に熱エネルギーを保存！ 夢の新材料‘蓄熱セラミックス’”
日経テクノロジー 2015.6.1“圧力印加まで熱エネルギーを放出しない蓄熱材、東大らが開発”（他、論文等 10 件、発表等 37 件、報道等 15 件）

工学系研究科・電気系工学専攻 関野研究室
M. Sekino, H. Ohsaki, Y. Takiyama, K. Yamamoto, T. Matsuzaki, Y. Yasumuro, A. Nishikawa, T. Maruo,
K. Hosomi, and Y. Saitoh,
Eccentric figure-eight coils for transcranial magnetic stimulation,
Bioelectromagnetics, vol. 36, pp. 55–65, 2015.
M. Nagase, K. Kobayashi, T. Woo, Y. Takiyama, K. Yamazaki and M. Sekino,
Measurement and shielding of extremely-low-frequency urban magnetic noise,International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, vol. 50 (in press).
K. Yamamoto, M. Suyama, Y. Takiyama, Y. Saitoh, and M. Sekino,
Design optimization and displacement robustness of dome-shaped coil for transcranial magnetic
stimulation,
BioEM, Asilomar, USA, 15 June 2015.
T. Suzuki, D. Kim, M. Nagase, Y. Saitoh, T. Someya, and M. Sekino,
An MRI-compatible and quantifiable mechanical stimulator for allodynia in a rat model of neuropathic
pain,
37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,
Milano, Italy, 27 August 2015.
M. Nagase, K. Kobayashi, T. Woo, Y. Takiyama, K. Yamazaki and M. Sekino,
Measurement and shielding of extremely-low-frequency urban magnetic noise,
SEM, Awaji, Japan, 16 September 2015.
禹泰城, キムドンミン, 染谷隆夫, 関野正樹：
脳深部刺激用電極の埋め込みに伴う MRI 信号の不均一の改善．
平成 27 年電気学会基礎・材料・共通部門大会, 金沢, 2015 年 9 月 18 日.
大橋開智, 塩澤幹雄, 武井寛幸, 中村清吾, 中川貴之, 佐伯亘平, 隣真一, 斎藤逸郎, 日下部守昭, 関野正樹：
乳がんでのセンチネルリンパ節探索に用いる永久磁石型磁気プローブの開発と先端径縮小の検討.
電気学会 A 部門研究会マグネティックス研究会, 宮城, 2016 年 3 月 8 日.
（他、論文等 2 件、発表等 16 件）

工学系研究科・電気系工学専攻 田中・大矢研究室
Ryosho Nakane, Satoshi Sugahara, and Masaaki Tanaka,
Structural and magnetic properties of ferromagnetic Fe1 − xSix (0.18<x<0.33) films formed by rapid
thermal annealing on silicon-on-insulator substrates
J. Appl. Phys. 117, pp.133906/1–10 (2015).
Hiroshi Terada, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
Intrinsic magneto-optical spectra of GaMnAs
Appl. Phys. Lett. 106, pp.222406/1–4 (2015).
Shoichi Sato, Ryosho Nakane, and Masaaki Tanaka
Origin of the broad three-terminal Hanle signals in Fe/SiO2/Si tunnel junctions
Appl. Phys. Lett. 107, pp.032407/1–5 (2015).
Le Duc Anh, Pham Nam Hai, Yuichi Kasahara, Yoshihiro Iwasa, and Masaaki Tanaka
Modulation of ferromagnetism in (In,Fe)As quantum wells via electrically controlled deformation of
the electron wavefunctions

72

Phys. Rev. B92, pp.161201/1–5(R) (2015).
Nguyen Thanh Tu, Pham Nam Hai, Le Duc Anh, and Masaaki Tanaka
Magnetic properties and intrinsic ferromagnetism in (Ga,Fe)Sb ferromagnetic semiconductors
Phys. Rev. B92, pp.144403/1–14 (2015).
T. Dietl, K. Sato, T. Fukushima, A. Bonanni, M. Jamet, A. Barski, S. Kuroda, M. Tanaka, Pham Nam
Hai, H. Katayama-Yoshida,
Spinodal nanodecomposition in semiconductors doped with transition metals
Reviews of Modern Physics 87, pp.1311–1377 (2015).
Le Duc Anh, Daiki Kaneko, Pham Nam Hai, and Masaaki Tanaka
Growth and characterization of insulating ferromagnetic semiconductor (Al,Fe)Sb
Appl. Phys. Lett. 107, pp.232405/1–4(2015).
Toshiki Kanaki, Hirokatsu Asahara, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka,
Spin-dependent transport properties of a GaMnAs-based vertical spin metal-oxide-semiconductor fieldeffect transistor structureAppl. Phys. Lett. 107, pp.242401/1–4 (2015).
Pham Nam Hai, Daiki Maruo, Le Duc Anh, and Masaaki Tanaka,Continuous reddish-yellow visible-light emission at room temperature in manganese-doped silicon
light-emitting diodes
Phys. Rev. B93, pp.094423/1–6 (2016).
Yuki K. Wakabayashi, Shoya Sakamoto, Yukiharu Takeda, Keisuke Ishigami, Yukio Takahashi, Yuji
Saitoh, Hiroshi Yamagami, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Room temperature local ferromagnetism and nanoscale domain growth in the ferromagnetic
semiconductor GeFe
Scientific Reports 6, pp.23295/1–9 (2016).
Masaaki Tanaka, Le Duc Anh, Pham Nam Hai (invited)
Ferromagnetic semiconductors and heterostructures for semiconductor spintronics: New n-type
electron-induced ferromagnetic semiconductor and its quantum wells
Energy, Material, Nanotechnology Meeting 2015, Cancun, Mexico, June 8–11, 2015.
Le Duc Anh, Pham Nam Hai, Yuichi Kasahara, Yoshihiro Iwasa, and Masaaki Tanaka (invited)
Electrical control of magnetic properties in n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As quantum
wells
EMN Istanbul Meeting, Istanbul, Turkey, July 1–4 (2015).
Le Duc Anh, Pham Nam Hai, Yuichi Kasahara, Yoshihiro Iwasa, and Masaaki Tanaka
Electrical control of ferromagnetism in InAs/(In,Fe)As/InAs trilayer quantum wells by wavefunctionengineering
17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-17), Mo-B2-3, Sendai,
July 27–31 (2015).
T. Kanaki, H. Asahara, S. Ohya, and M. Tanaka
Fabrication and characteristics of a GaMnAs-based vertical spin MOSFET structure
17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-17), Mo-B2-5, Sendai,
July 27–31 (2015).
Tomoaki Ishii, Tadashi Kawazoe, Yusuke Hashimoto, Hiroshi Terada, Iriya Muneta, Motoichi Ohtsu,
Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Band structure near the Fermi level in GaMnAs studied by time-resolved light-induced reflectivity
measurements
17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-17), Th-B1-5, Sendai,
July 27–31 (2015).
Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai, and Le Duc Anh (invited)
Continuous visible-light emission at room temperature in Mn-doped GaAs and Si light-emitting diodes
SPIE Nano Science + Engineering, Spintronics Symposium, San Diego, August 9–13, 2015.
Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai, and Le Duc Anh (invited)
Ferromagnetic semiconductors and heterostructures for semiconductor spintronics: Wavefunction73

engineering using n-type electron-induced ferromagnetic semiconductor (In,Fe)AsQ-NANO Workshop, Hindaas, Sweden, Sept 24–25 (2015).
Nguyen Thanh Tu, Pham Nam Hai, Le Duc Anh, and Masaaki Tanaka
Magnetic properties and intrinsic ferromagnetism in narrow-gap ferromagnetic semiconductor(Ga,Fe)Sb
2015 International Conference on Solid-State Devices and Materials (SSDM-2015), Sapporo,
September 27–30, 2015.
Le Duc Anh, Pham Nam Hai, Yuichi Kasahara, Yoshihiro Iwasa, and Masaaki Tanaka (invited)
Control of magnetic properties by manipulating the carrier wavefunction in n-type ferromagnetic
semiconductor (In,Fe)As quantum wells
Vietnamese-Japanese Students' Scientific Exchange Meeting (VJSE), Kyoto University, October 31,
2015.
Masaaki Tanaka (invited)
Wavefunction engineering using n-type electron-induced ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As
Workshop on Computational Nano-Materials Design and Realization for Energy-Saving and EnergyCreation Materials, Osaka University, Toyonaka, March 25–26, 2016.
大矢忍 2015 年 4 月 12 日
平成 27 年度科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞
スピン自由度を生かした半導体バンドエンジニアリングの研究
http://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/27/04/1356509.htm
田中雅明、大矢忍、ファムナムハイによる Applied Physics Reviews 誌掲載の招待論文が 2014
年同誌の most-accessed articles にランクイン、2015 年 5 月 12 日 AIP よりアナウンス
Masaaki Tanaka, Shinobu Ohya, Pham Nam Hai, "Recent progress in III-V based ferromagnetic
semiconductors: Band structure, Fermi level, and tunneling transport", Appl. Phys. Rev. 1, 011102(2014).
http://aip-info.org/1XPS-3DQI2-C9LMZ0-1LAYNY-0/c.aspx
レデゥックアイン
第 29 回独創性を拓く先端技術大賞（主催：文部科学省 経済産業省 フジテレビジョン 産経
新聞社 ニッポン放送）において優秀賞（ニッポン放送賞）を受賞「N 型強磁性半導体（In, Fe）As の量子物性と波動関数による磁性制御」
http://www.fbi-award.jp/sentan/jusyou/index.html
2015 年 7 月 8 日東京・元赤坂明治記念館にて高円宮妃殿下ご臨席のもと授賞式が行われた。
若林勇希 2015 年 9 月
応用物理学会スピントロニクス研究会第 3 回英語講演奨励賞
2015 年応用物理学会春季学術講演会における下記発表に対して
Yuki K. Wakabayashi, Shoya Sakamoto, Keisuke Ishigami, Yukio Takahashi, Yukiharu Takeda, Yuji
Saitoh, Hiroshi Yamagami, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya, "Room-temperature
local ferromagnetism and its nanoscale domain growth in the ferromagnetic semiconductor Ge1−xFex",
62nd Spring Meeting of the Japan
Society of Applied Physics, 14a-D2-4, Tokai University, March 11–14, 2015.
石井友章 2015 年 9 月
第 38 回（2015 年春季）応用物理学会講演奨励賞
2015 年春季応用物理学会春季学術講演会における下記発表に対して
Tomoaki Ishii, Tadashi Kawazoe, Yusuke Hashimoto, Hiroshi Terada, Iriya Muneta, Motoichi Ohtsu,
Masaaki Tanaka, Shinobu Ohya, "Band structure of GaMnAs near the Fermi level studied by timeresolved light-induced reflectivity measurements", 2015 年春季第 62 回応用物理学会春季学術講演会, 14a-D2-8, 東海大学, March 11–14, 2015.
田中雅明 2015 年 9 月
応用物理学会 フェロー表彰受賞「半導体スピントロニクス材料とデバイスの研究」
Research on Materials and Devices for Semiconductor Spintronics
2015 年 9 月 13 日名古屋国際会議場で開催される第 76 回秋季学術講演会にてフェロー表彰式

74

グエンタントゥ(Nguyen Thanh Tu) 2016 年 3 月
応用物理学会スピントロニクス研究会第 4 回英語講演奨励賞
2015 年応用物理学会秋季学術講演会における下記発表に対して
Nguyen Thanh Tu, Pham Nam Hai, Le Duc Anh, and Masaaki Tanaka, "High-temperature
ferromagnetism in heavily Fe-doped ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb", 16a-3A-10, 2015 Fall
Meeting of the Japan Society of Applied Physics, Nagoya Convention Center, September 13–16, 2015.
坂本祥哉 2016 年 2 月
2016 年放射光学会学生発表賞（発表番号 6E005）坂本祥哉、若林勇希、竹田幸治、藤森伸一、鈴木博人、伴芳祐、山上浩
志、田中雅明、大矢忍、藤森淳、"軟 X 線角度分解光電子分光による強磁性半導体 Ge1-xFex の電子構造の解明", 第 29 回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム、
東京大学柏キャンパス、2016 年 1 月 9 日–11 日.
レデゥックアイン(Le Duc Anh) 2016 年 3 月 24 日
東京大学電気系工学専攻優秀博士論文賞"Properties and device applications of new Fe-based ferromagnetic semiconductor and heterostructures（新規 Fe ベース強磁性半導体およびそのヘテロ構造の物性とデバイス応用）"
岡本浩平 2016 年 3 月 25 日
東京大学電気系学科優秀卒業論文賞"Fe/MgO/IV 族強磁性半導体 Ge1-xFex から成る三層構造におけるトンネル磁気抵抗効果"（他、論文等 7 件、発表等 46 件）

工学系研究科・原子力国際専攻 高橋研究室
Development of Hard X-ray and Gamma-ray Detector With Transition Edge Sensor for Nuclear
Materials Analysis
S. Hatakeyama, T. Irimatsugawa, M. Ohno, H. Takahashi, R. M. T. Damayanthi, C. Otani, and T.
Maekawa
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 25, 2101603, 2016.
High Energy Gamma-ray Spectroscopy Using TES with a Bulk Tantalum Absorber
T. Irimatsugawa , S. Hatakeyama , M. Ohno, H. Takahashi, R. M. T. Damayanthi, C. Otani, and T.
Maekawa
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 25, 2101303, 2016.
Superconducting transition edge sensor for heavy ion detection
大野雅史、入松川知也、松崎浩之、三宅泰人、高橋浩之
16th International Workshop on Low Temperature Detectors, the WTC Congress center, in the business
district of Grenoble, 2015/7/23.

75

低温センター

各部門報告研究開発部門 研究実績報告
島野研究室
島野研究室では、超高速レーザー・テラヘルツ分光の手法を用いて、凝縮系における光と物質の相互作用の解明、光励起によって発現する多体の量子現象、量子凝縮相の探求に取り組んでいる。特に最近は、極低温で発現する量子凝縮相と光との相互作用の解明を通して、光による量子凝縮相の制御と生成を目指し研究を進めている。本年度は、以下に挙げる研究を進めた。

半導体高密度電子正孔系
半導体中に高密度に光励起された電子正孔系は、互いにクーロン相互作用する正負の荷電粒子集団であり、量子多体系の普遍的な物理を多く内包する。例えば電子正孔対はその密度、温度に依存して励起子
ガス、電子正孔プラズマ、電子正孔液体といった多彩な相を示す。密度の増加に伴う絶縁的な励起子相から金属的な電子正孔プラズマ相への移行は励起子モット転移と呼ばれ、絶縁体金属転移の基礎問題の一つとして、基礎的・応用的な観点から長く研究されてきた。対相関の強さという観点からは、低密度極限の励起子相は強結合領域である一方、高密度の電子正孔プラズマは弱結合領域である。励起子モット転移は半世紀にわたり長く探求されている励起子ボース-アインシュタイン凝縮(BEC)と電子正孔 BCS 状
態（励起子絶縁体とも呼ばれる）とのクロスオーバー問題とも直接繋がっている。モット転移密度近傍、
すなわち弱結合と強結合の中間領域では、電子相関の効果を理論的に正確に扱うことは難しく、実験的にも励起子がどのように遮蔽されて金属相に至るのかは明らかになっていなかった。我々はこの問題に、
テラヘルツ分光法という新たな手法で取り組んできた。多くの半導体では、励起子の束縛エネルギーは数～数十 meV 程度であり、テラヘルツ分光を用いてこの低エネルギー励起の振る舞いをピコ秒スケール
で時間分解測定することにより、電子相関の効果とそのダイナミクスを明らかにすることができる。この点に注目し、以下の研究を進めた。
＜励起子共鳴励起でのモット転移＞
これまで我々は、間接遷移型半導体である Si や Ge を用いて、主に有限温度の熱平衡状態における励起子モット転移を明らかにしてきた。これらの系では、電子正孔系を極低温にすることが困難であり、励起子束縛エネルギーの 1/5 程度の温度領域での実験に限られ、そこではモット転移は連続的なクロスオー
バーとして観測された。一方、長距離クーロン相互作用が働く系では（電子正孔気体のような連続自由度の系であっても）、低温でモット転移が 1 次相転移になる可能性が古くはランダウやモット自身により指摘されており、その後も様々な議論がなされてきたが、電子正孔系では未だに明らかになっていなかった。そこで、極低温電子正孔系を実現するために、励起子を光で共鳴的に高密度に生成することを考えた。この場合、光励起初期状態は励起子のイオン化率が 0 の励起子気体であり、電子正孔系の実効温度は十分低いと見なすことができる。従って、この励起子共鳴励起条件下で励起子密度を増加させた場合には、極低温での励起子モット転移の振る舞いが明らかになると期待される。この励起子共鳴励起による励起子モット転移を調べる系として、直接遷移型半導体バルク GaAs を対象として実験を行った。

78

さらに本研究では、電子正孔相関の効果を実験的に抽出する手法として、プローブテラヘルツパルスの電場強度に対する系の非線形性を利用する手法を考案した。GaAs の励起子は束縛エネルギーが約 4 meVと小さく、3 kV/cm 程度のテラヘルツ波電場を照射すると励起子が完全に解離し、系の応答が自由な電子正孔プラズマに特徴的なドルーデ型に変化する様子が観測された。これを逆手に取り、弱/強電場極限のそれぞれのテラヘルツプローブにより得られたスペクトルを比較することで、電子正孔対相関の効果を実験的に抽出できることを見出した。この手法を用いて励起子共鳴励起でのモット転移を観測した結果、モット転移密度を超えた高密度領域において、
電 子 正 孔 対 相 関 に 起 因 す る 異 常 金 属 状 態 （ CM:
Correlated Metal）が過渡的に実現していることを明らかにした(図１)。CM の光学伝導度スペクトルは、同じ電子正孔対濃度のドルーデ応答に比べて、低エネルギー領域のスペクトル重みが抑制され高エネルギー側にシフトした形状をしていることがわかった。拡張ドルーデモデルを用いた解析を行った
結果、電子の有効質量の増強や周波数に依存する散乱率が見出された。格子温度を 70K 程度まで上げると CM が消失し、相関のないドルーデ型の自由電子（正孔）気体となることも観測された。この結果か
ら、CM は励起子共鳴励起によって実現した電子正孔対相関を有する低温金属相であると結論した。さらに、光励起後のスペクトルの時間発展から、CM の形成・消失ダイナミクスを調べた。その結果、CM の形成ダイナミクスには有限の潜伏時間が観測され、CM 形成は 1 次転移的である可能性も示唆された。
CM の発現は、電子正孔 BCS 状態の前駆現象である可能性が高いと考えられる。

図１．励起子共鳴励起後 10 ps における、(a)–(c):弱/強電場プローブそれぞれで測定された光学伝
導度スペクトルと、(d):それらの差分スペクトルの対密度依存性（n0＝1.0×1015 cm-3）。低密度では励起子 1s-2p 遷移共鳴が、高密度ではドルーデ応
答（点線）と比較して伝導度重みが低エネルギー
側から高エネルギー側へ移行したスペクトルが現れている。

光による超伝導状態制御
我々はこれまでにニオブ酸リチウムを用いた高強度テラヘルツパルス光源開発に成功し、テラヘルツ
波による物質相制御に向けた研究を行ってきた。そしてこの開発した光源を用いて、 s 波超伝導体
Nb1−x Tix N のヒッグスモードの観測に成功したことをこれまでに報告してきた。
ヒッグスモードとは、対称性の自発的な破れに伴って生じる、秩序パラメーターΔ の振幅の揺らぎに相当する集団励起モードである。超伝導のヒッグスモードは、線形応答の範囲では電磁場と直接結合しな
いために、これまで電荷密度波と共存する特殊な系を除いて観測されていなかったが、我々はモノサイ
クル高強度テラヘルツパルスによる非断熱的励起という手法を開発し、初めてその観測に成功した。さらに昨年度は、超伝導ギャップ以下の周波数を持つ狭帯域マルチサイクルテラヘルツパルスを用いることで、非線形応答領域ではテラヘルツ電磁場とヒッグスモードが強く結合することを明らかにし、秩序79

パラメーターを強制振動させることに成功し、さらにその結果として巨大な第三高調波が発生することを明らかにした。
本年度は、対象とする系を d 波ペアリング対称性を有する銅酸化物高温超伝導体、およびマルチギャッ
プ超伝導体 MgB2 に拡張し、高強度テラヘルツパルスを用いて、その非線形応答を時間分解測定し、集団励起の振る舞いを明らかにすることを目的に研究を進めた。
＜マルチギャップ超伝導体 MgB2 における集団励起モード＞
MgB2 はフォノン媒介型の超伝導体としては常圧で最も高い転移温度(約 39 K)を示し、２次元的なσバンドと３次元的なπバンドからなる２つのギャップを持つ超伝導体として知られている。２つの秩序パラメーターが存在する場合、それぞれの振幅と位相の揺らぎに対応して、２つのヒッグスモードと２つの南部-ゴールドストーン(N-G)モードが現れる。２つの N-G モードのうち、２つの超流動体の相対位相の振動モードはレゲットモードと呼ばれ、アンダーソン-ヒッグス機構が働かず、低エネルギー領域に残る。ギャップ周波数程度の低エネルギー領域に存在するであろうこれら集団励起の観測を試みた。
MgB2 薄膜に対して狭帯域化した高強度テラヘルツ
パルスを照射し、非線形透過スペクトルから第三高調
波信号を明瞭に観測することに成功し、その温度依存性を詳細に調べた。その結果、入射テラヘルツ電場の周波数の２倍と、高エネルギー側のσバンドのギャップが共鳴する温度領域で、顕著な第三高調波の増大が観測された。一方で、低エネルギー側のπバンドに対応する位置では第三高調波の共鳴増大は観測されなかった。
エネルギー的に最も安定なπバンドのヒッグスモー
ドが観測されないという、一見直観とは反する結果が
図２．励起子共鳴励起後 10 ps における、弱/強電場プローブそれぞれで測定された光学伝導度と、それらの差分伝導度の密度依存性。低密度では励起子 1s-2p 遷移共鳴が、高密度では相
関金属の特徴である低エネルギー側から高エネルギー側への伝導度ウェイトの移行が現れている。

得られたが、この結果は最近の２バンドの連立ギャップ方程式に基づいたヒッグスモードの理論計算とも整合することがわかった。一方、異なる入射周波数に対しての第三高調波共鳴の温度依存性からは、ヒッグス
モード以外にもレゲットモードの寄与が示唆され、現在より詳細な解析と考察を進めている。

＜銅酸化物高温超伝導体におけるヒッグスモードの探索＞

d 波のペアリング対称性を持つ銅酸化物超伝導体の性質に着目し、最適ドープ濃度のバルク
YBa2Cu3O7 結晶に対しても高強度テラヘルツ励起実験を行った。d 波超伝導体は s 波の場合と異なりギャップにノードがあるために、ヒッグスモードから個別励起モードへの強い緩和が生じ、ヒッグスモー
ドが不安定化することが予想され、実際に d 波超伝導体でヒッグスモードが安定に存在しうるかは明らかではない。さらに、ヒッグスモードと軌道自由度との結合がある場合には複数の集団モードが発現しうることが理論的に予測されているが、そのような結合が実際に有意に存在するかは明らかではない。
我々は高強度テラヘルツパルスを YBa2Cu3O7 に照射し、近赤外光反射率をプローブとするポンププ
ローブ分光により、高強度テラヘルツ波照射中および照射後の非平衡ダイナミクスを調べる実験を行っ80

た。ポンプ THz 波とプローブ光の電場の偏光を変えながら実験することで、超伝導転移温度以下で電場
照射中に電場の２乗に追随した超高速の非線形信号が現れることを見出した。この転移温度以下で現れるコヒーレントな応答は、超伝導秩序パラメーターの時間振動（ヒッグスモードの強制振動）を反映している可能性があり、今後、より系統的な測定によりその起源を明らかにしていく予定である。
＜光励起非平衡状態におけるジョセフソンプラズマ＞
２次元超伝導面が c 軸方向に層状に連なった銅酸化物高温超伝導体では、c 軸方向の超伝導のコヒーレ
ンス長さを反映して、プラズマ振動が遠赤外の低エネルギー領域に現れる。
これは２次元超伝導面間のジョセフソン結合として理解することができ、超伝導転移のコヒーレンス
を直接的に反映したものとしてその振る舞いが詳しく調べられてきた。最近では転移温度以上の光励起
下でジョセフソンプラズマエッジが現れる実験が報告され、多くの議論の的となっている。そこで我々は、光励起下の非平衡状態におけるジョセフソンプラズマの振る舞いを深く理解することを目的として、
最適ドープバルク La2−x Srx CuO4(x =0.15)を対象として、光励起テラヘルツプローブの実験を行った。近赤外のフェムト秒パルスレーザーで励起すると、ジョセフソンプラズマ周波数が低エネルギー側にシフトし、さらに強励起すると高エネルギー側から新たな反射率のピークが現れることがわかった。この結果は、光励起により、新たな縦モードと横モードが出現したことを示唆しており、光励起により自発的に空間不均一性が生じた可能性を考慮して現在解析を進めている。

ランダウ量子化したグラフェンにおける非線形テラヘルツ応答
炭素原子が蜂の巣格子状に二次元配列した単層グラフェン中の電子は、その運動エネルギーが結晶運動量に比例するという特異な性質を持つ。単層グラフェンに垂直に磁場を印加すると、B 1/2 に比例して変化する非等間隔のランダウ準位が形成される（通常の２次元電子系では磁場に比例で等間隔）。ランダ
ウ準位間の双極子モーメントは磁気長程度の距離で決定される非常に巨大な値を持つため、近年の強い
テラヘルツ電場パルスを用いると、ラビ周波数が電磁波のキャリア周波数や準位間隔を超える、強い光と物質の相互作用領域（極端非線形光学領域）に到達することが可能である。このような領域での光と物質との相互作用の解明は、光物質科学の最先端問題の一つである。
我々はこの極端非線形光学でのランダ量子化したグラフェンの応答を調べるため、SiC 基板上にエピ
タキシャル成長した単層グラフェンを対象に磁場下での THz ポンプ-THz プローブ分光を行った。その結果、モノサイクル THz ポンプパルス照射下ではファラデー回転角 θ F、楕円率 η F 共にその大きさが減少しポンプ THz 電場が過ぎ去ると素早く回復するという、偏光状態の高速な変化が観測された。
さらに、
光子エネルギーが基底状態からのランダウレベル準位間隔に満たないような非共鳴条件でも、電子分布が光照射かで大幅に変化する現象を見出した。この結果について回転波近似を用いない密度行列のマスター方程式に基づく詳細な解析を進めている。

研究成果リスト
原著論文
1. Excitonic correlation in the Mott crossover regime in Ge
Fumiya Sekiguchi and Ryo Shimano
Phys. Rev. B 91, 155202 (2015).
2. Higgs amplitude mode in s-wave superconductors revealed by terahertz pump-terahertz probe81spectroscopy
Ryusuke Matsunaga and Ryo Shimano,
ULTRAFAST PHENOMENA AND NANOPHOTONICS XIX, Proceedings of SPIE 9361, 93611D (2015).

学位論文
1. テラヘルツ分光による励起子モット転移近傍の電子正孔相関の研究（博士論文）
関口文哉
2. バルク GaAs における光励起電子正孔系の非線形テラヘルツ分光（修士論文）
高山正行
3. マルチバンド超伝導体 MgB2 におけるヒッグスモード（修士論文）
富田圭祐
解説等
1. 超伝導体中のヒッグスモード — 高強度テラヘルツ波による検出とヒッグス共鳴第三高調波発生
松永隆佑，辻直人，青木秀夫，島野亮
固体物理 50, 411 (2015).
学会発表
国内会議（招待講演）
1. 高強度テラヘルツ波による超伝導秩序パラメーター振動の実時間観測松永隆佑
第 53 回化合物新磁性材料専門研究会（東京大学）2015 年 7 月
2. 高強度 THz 波を用いた超伝導体の Higgs モードの研究松永隆佑
第 10 回関東光科学若手研究会（慶応大学）2015 年 10 月
3. ヒッグスモードをプローブとする超伝導体の非平衡ダイナミクス
島野亮
KEK CMRC-plus 研究会「量子ビームによる銅酸化物超伝導体研究の最前線」（つくば KEK）2015
年 11 月4. グラフェンの量子ファラデー効果
島野亮
テラヘルツ電磁波技術研究会、日本分光学会テラヘルツ分光部会、共催シンポジウム「テラヘルツ科
学の最先端 II」
（作並温泉）2015 年 11 月
国内会議（一般講演）
5. THz ポンプ-THz プローブ分光法による単層グラフェンにおける非線形ファラデー回転の観測
湯本郷，松永隆佑，日比野浩樹，島野亮
日本物理学会 2015 年秋季大会（関西大学）2015 年 9 月
6. マルチギャップ超伝導体 MgB2 におけるヒッグスモード
富田圭祐，濱田裕紀，泊開人，松永隆佑，柴田浩行，島野亮
日本物理学会 2015 年秋季大会（関西大学）2015 年 9 月
7. テラヘルツ分光による高密度励起子共鳴励起下でのバルク GaAs の電子正孔状態の観測
関口文哉，金昌秀，秋山英文，望月敏光，Loren N. Pfeiffer，Ken W. West，島野亮
日本物理学会 2015 年秋季大会（関西大学）2015 年 9 月
8. バルク GaAs におけるテラヘルツ波誘起励起子解離・再形成ダイナミクス
高山正行，関口文哉，松永隆佑，望月敏光，金昌秀，秋山英文，Loren N. Pfeiffer，Ken W. West，
島野亮
日本物理学会 2015 年秋季大会（関西大学）2015 年 9 月
9. バルク GaAs における励起子モット転移と電子正孔異常金属相
高山正行，関口文哉，松永隆佑，島野亮
第 7 回東京大学低温センター研究交流会（東京大学）2016 年 2 月

82

10. 光ポンプ・光プローブ分光による励起子共鳴励起下のバルク GaAs におけるモット転移の観測
室谷悠太, 関口文哉, 島野亮
第 7 回東京大学低温センター研究交流会（東京大学）2016 年 2 月
11. マルチバンド超伝導体 MgB2 におけるテラヘルツ第 3 高調波の観測
富田圭祐，濱田裕紀，泊開人，松永隆佑，島野亮
第 7 回東京大学低温センター研究交流会（東京大学）2016 年 2 月
12. 光励起非平衡状態の La2−xSrxCuO4 における c 軸ジョセフソンプラズマの観測
泊開人，濱田裕紀，松永隆佑，島野亮
第 7 回東京大学低温センター研究交流会（東京大学）2016 年 2 月
13. ランダウ量子化した単層グラフェンにおける超高速非線形テラヘルツ応答
湯本郷，松永隆佑，日比野浩樹，島野亮
日本物理学会第 71 回年次大会（東北学院大学）2016 年 3 月
14. 光励起非平衡状態における La2−xSrxCuO4 の c 軸ジョセフソンプラズマの観測
泊開人，濱田裕紀，松永隆佑，永崎洋，島野亮
日本物理学会第 71 回年次大会（東北学院大学）2016 年 3 月
15. 光ポンプ・光プローブ分光によるバルク GaAs の励起子共鳴励起におけるモット転移の観測
室谷悠太，関口文哉，望月敏光，金昌秀，秋山英文，望月敏光，Loren N. Pfeiffer，Ken W. West，
島野亮
日本物理学会第 71 回年次大会（東北学院大学）2016 年 3 月
16. GaAs の励起子共鳴励起によるモット転移のダイナミクスと異常金属相の出現
関口文哉，高山正行，望月敏光，金昌秀，秋山英文，Loren N. Pfeiffer，Ken W. West，島野亮
日本物理学会第 71 回年次大会（東北学院大学）2016 年 3 月
17. 高強度テラヘルツ波による非平衡超伝導の超高速ダイナミクスの研究
島野亮，松永隆佑
第８回文部科学省「最先端の光の創成を目指したネットワーク研究拠点プログラム」シンポジウム（大阪大学）2016 年 1 月

国際会議（招待講演）
1. Terahertz responses of graphene in the quantum Hall regime,
Ryo Shimano
MRS Spring meeting (San Francisco, USA) 2015 年 4 月
2. Higgs mode in superconductors revealed by nonlinear THz spectroscopy
Ryo Shimano
CROF2015 (Crete, Greece) 2015 年 7 月
3. Quantum Faraday effect in graphene
Ryo Shimano
Nanocarbon WS of PKU-UTokyo (Tokyo, Japan) 2015 年 7 月
4. Nonlinear Terahertz Spectroscopy of Higgs Mode in Superconductors
Ryo Shimano
Nonlinear Optics 2015 (Hawaii, USA) 2015 年 7 月
5. Time-resolved study of Higgs amplitude mode in s-wave superconductors
Ryo Shimano
Materials and Mechanisms of Superconductivity 2015 (M2S) (Geneva, Switzerland) 2015 年 8 月
6. Higgs mode spectroscopy of conventional and unconventional superconductors
Ryo Shimano
Ringberg Symposium on High Temperature Superconductivity and Correlated-Electron Systems,(Munich, Germany) 2015 年 10 月
7. Nonlinear Higgs Mode Spectroscopy of Superconductors by Intense THz Pulses
Ryo Shimano
Ultrafast Phenomena in Cooperative Systems, Gordon Research Conference (Lucca, Italy) 2016年2月
8. Higgs mode in superconductors

83

Ryo Shimano
Physics Workshop: LMU-UT (Tokyo, Japan) 2016 年 3 月
9. Time-resolved study of Higgs mode in superconductors
Ryo Shimano
APS March meeting (Baltimore, USA) 2016 年 3 月

国際会議（一般講演）
10. Searching for Two Higgs Modes in Superconducting MgB2 Using Terahertz Pump-Terahertz Probe
Spectroscopy
Rocco Vitalone, Keisuke Tomita, Ryusuke Matsunaga, and Ryo Shimano
SCI Summer Research Colloquium (Houston, USA) 2015 年 8 月
11. Higgs mode in a multiband superconductor MgB2
K. Tomita, Y. I. Hamada, K. Tomari, R. Matsunaga, H. Shibata, and R. Shimano
Materials and Mechanisms of Superconductivity 2015 (M2S) (Geneva, Switzerland) 2015 年 8 月
12. Emergence of anomalous metallic phase in the vicinity of exciton Mott transition in bulk GaAs
F. Sekiguchi, Changsu Kim, Hidefumi Akiyama, Loren N. Pfeiffer, Ken W. West, and Ryo Shimano
Ultrafast Phenomena in Cooperative Systems, Gordon Research Conference (Lucca, Italy) 2015年2月
13. Ultrafast terahertz nonlinearity in Landau-quantized graphene
G. Yumoto, R. Matsunaga, H. Hibino, and R. Shimano
Cooperation in Physics Workshop: LMU-UT (Tokyo, Japan) 2015 年 2–3 月
14. Nonmonotonic thermalization of optically excited dense excitons in bulk GaAs
Yuta Murotani, Fumiya Sekiguchi, Toshimitsu Mochizuki, Changsu Kim, Hidefumi Akiyama,
Loren N. Pfeiffer, Ken. W. West, and Ryo Shimano
Cooperation in Physics Workshop: LMU-UT (Tokyo, Japan) 2015 年 2–3 月
15. Emergence of correlated-metal phase around the exciton Mott transition in bulk GaAs
F. Sekiguchi, Changsu Kim, Hidefumi Akiyama, Loren N. Pfeiffer, Ken W. West, and Ryo Shimano
Cooperation in Physics Workshop: LMU-UT (Tokyo, Japan) 2015 年 2–3 月
セミナー等
1. 現代光物性概論
島野亮
東京大学教養学部統合自然科学・総合文化研究科相関基礎科学系 集中講義（東京大学）2015 年 6 月
2. 高強度テラヘルツ波パルスを用いた物性研究
島野亮
駒場物性セミナー（東京大学）2015 年 6 月
3. 高強度テラヘルツ波を用いた超伝導体におけるヒッグスモードの研究松永隆佑
2015 年駒場夏学期物性セミナー（東京大学）2015 年 7 月
受賞
1. 第 19 回超伝導科学技術賞「超伝導体中のヒッグスモードに関する開拓的実験および理論研究」
島野亮，松永隆佑，辻直人，青木秀夫
2015 年 4 月
2. 第 32 回（2015 年度）井上学術賞「超伝導体のヒッグスモードの発見」
島野亮
2015 年 12 月
3. 平成 27 年度理学系研究科研究奨励賞（博士課程）
関口文哉
2016 年 3 月

84

村川研究室村川研究室は現在、村川智准教授 1 名で、4 K 以下の温度でヘリウムを用いた量子液体の研究を行っている。
ヘリウム原子は一番軽い希ガスであり、その質量の小ささと相互作用の弱さのため、沸点は一番低く、常圧下では固体にならずに液体のまま存在し、超流動と呼ばれる量子性が顕著に現れる状態になることがよく知られている。この超流動は超伝導と同じ機構で実現しており、相互に補完しながら研究が進んでいる。
本研究室では超流動ヘリウムとりわけ表面やナノスケール中に閉じ込めた超流動ヘリウムに注目して研究を行っている。本年度は実験室の立ち上げを行いつつ、以下の他グループとの共同研究を含めた研究を行っている。

超流動ヘリウム 3 の表面状態
近年、超流動ヘリウム３(3He)はトポロジカル超流体の一つとして大きな注目を集めている。トポロジ
カル超流体は表面にバルク－エッジ対応のためにギャップレスの状態が現れることが理論で指摘されており、その表面状態の研究が盛んに行われている。超流動 3He は p 波スピン 3 重項であるため、内部自由度が存在し、複数の相が実現することが知られている。その中で低温低圧で現れる B 相と呼ばれる相は 3 次元ヘリカルトポロジカル物質で、高温高圧で現れる A 相は 2 次元カイラルトポロジカル物質であることが理論的に示されている。この議題に関して今年度は以下の研究を進めた。
＜磁場中 B 相表面状態の分散関係の観測＞
超流動 3He B 相の表面状態は、バルク中で開いている超流動エネルギーギャップが低エネルギーの表面状態が出現する
ことにより閉じていることが我々の過去の横波音響インピー
ダンス測定で明らかになっている。しかし、横波音響インピー
ダンス測定では全衝突角度を積分した全状態密度しか測ることができないため、理論で示されているマヨラナコーン型の線型な分散関係は直接的には得られていない。

図 1：表面における反射の様子

そこで、表面状態の分散関係を明らかにするために表面に黒体輻射体から準粒子ビームを打ち込みその反射の様子をみる研究の計画の立ち上げを行っている。表面における反射は量子アンドレーエフ反射も含み(図 1)、表面状態および入射角度によって大きく異なる。本研究では準粒子をさまざまな角度で表面に入射させ、電子系における「角度分解光電子分光」にあたる測定を目指している。
＜磁場中 B 相の横波音響応答＞
超流動 B 相の磁場中では閉じたエネルギーギャップが、もう一度ゼーマンギャップに相当するギャッ
プが開くことが理論的に示唆されていた。本研究は、我々が行ってきた横波音響インピーダンスの測定によって磁場中超流動 B 相の表面状態密度を明らかにすることを目的とする。測定結果では、横波音響
インピーダンスの温度依存性に零磁場下には無かった構造が磁場中で現れた。これは前述の理論によるものであると我々は結論付けた。
この研究は東京工業大学の奥田グループとの共同研究である。

85この他にも慶應義塾大学白濱研究室との共同研究で 1 m 程度の大きさの中に閉じ込めた超流動 3Heの性質を調べるための装置開発を武田先端知ビル内のクリーンルームを利用して行っている。

ナノ多孔体中の超流動ヘリウム
ナノ多孔体中にヘリウム４(4He)を閉じ込めると、固化圧の上昇、超流動転移温度の低下、量子臨界点の出現、局在 BEC 相の出現など数々の興味深い現象が現れることが知られている[1]。しかしながら、これらの現象がどのような機構に基づいて実現しているかは、孔径のランダムネスによるなどいくつかの仮定はあるものの、いまだ明らかになっていない。また、最低温度で現れる局在 BEC 相の詳細はよく分かってない。そこで、我々は孔径のランダムネスの無いまっすぐな穴の開いた試料を用いた流れ測定や、素励起に敏感な熱的特性の測定から、ナノ多孔体中の超流動ヘリウムの研究を行った。
＜ナノポアアレイ中の超流動ヘリウム４の流れ＞
本研究では、基板として山口大の本多教授に提供していただいたポーラスアルミナを用いている。ポーラスアルミナはまっすぐな孔を規則正しい配列でナノメートルサイズで作成することができ、今回、用いているものは厚さ 50 m で孔径 50 nm の孔が格子間隔 100 nm の三角格子状に並んだものである。この基板に金を蒸着し、孔径を 10 nm 程度にしている。これを半円状にした超伝導線にとりつけ(図 1)、液体 4He に浸し、磁場中で交流電図 2：測定装置の概念図。

流を流し振動させ孔中の流れを作成し、その応答をみている。
その結果、孔中の超流動の流れにはエネルギー散逸が現れ、その散逸には大きな速度依存性があることが観測された。特に大きな振動速度の条件では、振動の共鳴曲線の形が大きくローレンツ曲線からはずれており、通常の粘性流体であるニュートン粘性とは異なるエネルギー散逸が現れていることがわかった。この散逸は超流動中の流れでのみ現れ、その異常の始まる速度ではストローハル数がおよそ 0.2 であることから、カルマン渦の発生が示唆される。これらの現象は超流動特有の量子渦糸乱流と密接に関連していると考えられる。
＜ナノ多孔体中ヘリウム４の熱伝導＞この研究ではナノスケールの超流動ヘリウムの研究によく使われている多孔質ガラス(Gelsil)を基盤として用いた。この基盤は公称 2.5 nm の細孔がランダムな 3 次元ネットワークを形成している。この基盤を用いて、超流動性を検出するねじれ振り子と素励起の性質を反映する熱伝導度測定を同時に行い、局
在 BEC の性質を明らかにすることが目的である。
過去の研究で得られていたナノ多孔体のガラスの熱伝導度は再現され、この実験を行うために必要な実験精度を得ることができた。
これらのナノ多孔体中 4He の研究は慶應義塾大学の白濱研究室との共同研究である。
他にも、回転条件下で、ヘリウム 4 固体中に現れる弾性率の異常に関する研究や超流動ヘリウム 4 の第二音波の研究も慶應義塾大学白濱研究室と共同で行っている。

86

研究成果リスト
発表論文、著書等
1. Transverse Acoustic Impedance of Superfluid 3He B Phase in Weak Magnetic Fields
K. Akiyama, M. Wasai, M. Mashino, T. Nakao, S. Murakawa, R. Nomura, and Y. Okuda,
Journal of the Physical Society of Japan, 84, 065001 (2015).
学会発表
国内会議（招待講演）
1. ナノポアアレイ中の超流動ヘリウム 4 の流れとその散逸
村川智、田中智也、谷智行、野口博徳、中原亮、本多謙介、白濱圭也
平成 27 年度物性研究所短期研究会 「量子乱流と古典乱流の邂逅」（東京大学物性研）2016 年 1 月
国内会議（一般講演）
2. ナノポアアレイ中の超流動 4He の流れの散逸の異常 II
村川智、田中智也、谷智行、野口博徳、柴山義行、中原亮、本多謙介、白濱圭也
日本物理学会 秋季大会（関西大学）2015 年 9 月
3. 固体ヘリウム 4 の DC 回転下弾性率測定
立木智也、高橋大輔、村川智、河野公俊、白濱圭也
日本物理学会 秋季大会（関西大学）2015 年 9 月
4. 超流動 4He 第二音波における回転誘起ドップラー効果の観測
巻内崇彦、村川智、白濱圭也
日本物理学会 秋季大会（関西大学）2015 年 9 月
5. ナノポアアレイを用いた超流動ヘリウム 4 の流れの研究
村川智
第 7 回低温センター研究交流会 （東京大学）2016 年 2 月
6. 超流動ヘリウム 4 第二音波の回転効果
巻内崇彦、村川智、白濱圭也
日本物理学会 第 71 回年次大会（東北学院大学）2016 年 3 月
国際会議（一般講演）
1. Anomalous Dissipation of Superfluid 4He Flow Con ned in a Straight Nanopore Array
S. Murakawa, T. Tanaka, T. Tani, H. Noguchi, A. Nakahawa, K. Honda and K. Shirahama,2015 International Symposium on Quantum Fluids and Solids (QFS2015), (Niagara Falls, USA)
Aug. 2015.
2. The elasticity measurement of solid 4He under DC rotation
T. Tsuiki, D. Takahashi, S. Murakawa, K. Kono and K. Shirahama
2015 International Symposium on Quantum Fluids and Solids (QFS2015), (Niagara Falls, USA)
Aug. 2015.
3. Microfabrication of Multi-Slit Structures for Study of Topological Superfluid 3He
T. Tani, S. Murakawa, K. Yamada, K. Itoh, Y. Mita and K. Shirahama
2015 International Symposium on Quantum Fluids and Solids (QFS2015), (Niagara Falls, USA)
Aug. 2015.
4. The Coupling of Torsional Oscillator and Sound in Superfluid 4He
T. Makiuchi, S. Murakawa and K. Shirahama
2015 International Symposium on Quantum Fluids and Solids (QFS2015), (Niagara Falls, USA)
Aug. 2015.

87福山研究室
1. 小型超低温連続冷凍システムの開発
1-1 概要
近年、試料の高品質化が進み、半導体低次元電子系や重い電子系などの物性物理学の研究分野で 1 mK
以下（サブ mK）の超低温環境が必要とされるようになってきた。また、人工衛星に搭載する X 線・赤外線・ミリ波検出器の感度向上のための低温化も急速に進み、最近話題となったアストロ H では 50 mKの高感度 X 線マイクロカロリメータ[1]が搭載された。衛星搭載に限らず検出体温度をサブ mK まで下げれば、さらなる高分解能が期待できる。一方、従来のサブ mK 発生装置は銅の核スピン系の断熱消磁冷
凍機で、冷却力の大きい希釈冷凍機（≥ 200 W@100 mK）に大口径の超伝導マグネット（80 、7 T 以上）を組み合わせるため大型で、設置に大きなスペースやコストを要する。製作や運転に専門知識も必要なので、ごく一部の研究者が自作するものに限られてきた。もちろん市販品はない。
こうした背景のもと、我々は、サブ mK の実験環境をより広い研究分野に応用できるよう、できるだけ小型で操作も簡便な連続冷凍システムの開発研究を始めた。磁気作業物質には増強核磁性体 PrNi5 を採用し、これを磁気遮蔽した小型超伝導マグネットで断熱消磁冷却する。断熱消磁法は本来、単発式の冷却手段だが、PrNi5 と小型マグネットからなる冷媒ユニットを 2 つ直列（あるいは並列）接続してエント
ロピーポンピングを行うことでサブ mK を連続発生できる。Van Vleck 常磁性物質である PrNi5 中の Pr
原子核スピンが感じる磁場は、超微細相互作用により外部磁場の 12 倍に増強されるので、わずか 1.2 Tの印加で 8 T 印加した同体積の銅の核スピン系と同じ冷却容量（スピンエントロピーの減少量）が得られる（図 1(a)）[2]。そのためマグネットを著しく小型化でき、高透磁率材で囲んで遺漏磁場を遮蔽すれば、2 つの冷媒ユニットを近接して配置できる。ちなみに、冷却力が急減する核磁気秩序温度は PrNi5 の場合 0.4 mK である。今年度は装置の概要設計を行った。開発が成功したあかつきには、低温センターに設置し学内共同利用に供したいと計画している。

(a)

(b)

図 1. (a) B = 0, 0.07, 1.2 T の磁場中における PrNi5 の単位体積当たりの核スピンエントロピーの温度依存性。青破線は B = 0.6, 8.0 T 印加したときの銅の単位体積当たりの核スピンエントロピー。(b)
小型超低温連続冷凍システム低温部の構成図。

88

1-2 全体設計
ベースとなる希釈冷凍機には、最低到達温度が 15 mK で 100 mK における冷却力が 200 W の中型のものを使用する。図 1(b)の概略図にあるように、希釈冷凍機の混合器の直上スペースを利用して、冷媒ユ
ニット（40  × 150 mm）2 つと亜鉛の超伝導熱スイッチ（20  × 40 mm）2 つを搭載するので、既存の希釈冷凍機に大きな改造を施す必要はない。開発目標は、最低運転温度が 0.9 mK、そこでの連続冷却力
は 10 nW である。熱スイッチに亜鉛を使うのは、臨界磁場（5 mT）が小さいため、超伝導転移に伴う磁気発熱や磁場掃引時の渦電流発熱を抑えられるからである。理想的には冷却力は温度に比例するが、試算の結果、核スピン系と被冷却部を結ぶ熱リンクの熱伝導度が悪いと冷却力が大きく制限されてしまう
ことがわかった。このため、銀の熱リンクと各ユニット間の接触熱抵抗を小さくすることが技術的に重要であり、現在、良好な熱接触を得られる接合方法を開発している。
本開発は、共同利用部門の戸田亮技術職員、研究開発部門の村川智准教授との共同研究であり、科学研
究費補助金・挑戦的萌芽研究「超小型サブミリケルビン連続冷凍システムの開発」（課題番号 15K13398）の援助のもとで進めている。
[1] P. J. Shirron, et al., Cryogenics 74, 2 (2016).
[2] F. Pobell, Matter and Methods at Low Temperatures (Springer–Verlag Berlin, 2007), 3rd ed.

2. 走査型プローブ顕微鏡用ヘリウム循環冷却システムの開発
2-1 概要4 ケルビン以下の極低温下で動作する走査トンネル顕微鏡・分光装置など各種の極低温走査プローブ顕微鏡（SPM）は、原子レベルの高い空間およびエネルギー分解能をもち、基礎研究の分野で幅広く使われている。その冷却は液体ヘリウム浸漬式が主流で、冷凍機式はほとんどない。これは、冷凍機が発生する振動ノイズが分解能を著しく低下させてしまうからである。しかし、国内の大多数の企業や研究機関
は、低温センターのようなヘリウム再液化施設をもたず、液体ヘリウムを安定かつ安価に調達できる環
境にはないので、多くの研究者にとって極低温 SPM 実験のハードルは依然として高い。そこで、我々は、冷凍機式でも性能を損なわない SPM 装置用のヘリウム循環冷却システムの開発研究を進めている。これは極低温技術による社会貢献の側面もあるが、走査トンネル分光（STS）測定という先端計測技術の改良にも役立つ。浸漬式では不可避の液体ヘリウム再充填時の測定の中断が無くなれば、数日間にもおよぶ
長時間の STS 測定が可能になり、走査範囲の拡大とエネルギー分解能の向上につながるからである。また、本開発の中心となる低熱損失・低振動伝達のヘリウム移送管が実現すれば、学内でも多数使用されている光学クライオスタットや低温プローバなどヘリウムフロー型クライオスタットに適用して、それらのヘリウム消費量を格段に低減できる。
今年度は、システムの全体設計と数値シミュレーションによる熱解析を実施し、その結果をもとに移送管の具体設計を行った。

89

(a)

(b)

図 2. (a)設計した低熱損失・低振動伝達のヘリウム移送管。熱解析で重要となる箇所を(b)図と対応して示す。(b)システム全体を 21 の要素に分割した有限要素法熱解析における熱フロー図。
2-2 全体設計
SPM は振動に極めて敏感なため、SPM ヘッドを直接冷凍機で冷却することは得策でない。そこで、冷凍機ユニットは SPM ユニットから独立させ、両者を低熱損失・低振動の液体ヘリウム移送管で結び、液体および気体ヘリウムを循環させるフロー冷却方式を採用することにした。移送管内では、冷凍機で凝縮した液体ヘリウムを送りこむ送液管を銅フォイル等の輻射シールドで囲み、蒸発ヘリウムガスの一部を帰還させてシールドを冷却し、送液管への輻射熱と伝導熱を低減するのが基本思想である。SPM 用ではないが、このように帰還ガスで輻射シールドを冷却するタイプの移送管の開発例[3]は過去にもあり、0.2 W/m という低熱損失性能が得られているが、6 重管構造と複雑な構造をしていること、装置側に液体
ヘリウム浴槽を有しているなど、本開発とは設計思想がかなり異なる。我々は、できるだけ単純な構造でこれと同等あるいはさらなる低熱損失を目指している。冷凍機には冷却能力 1 W のパルス管冷凍機を用いるが、冷却テストの結果が良好であれば 0.5 W 級へのダウンサイジングも見据えている。
冷凍機から SPM への振動伝達を防ぐ工夫として、移送管のコーナー部に、図 2(a)に示すような内部が真空でも柔軟性を保てるような溶接ベローズ 2 組と支持棒からなる T 字型除振機構を設置する。振動発生源である冷凍機ユニットは除振架台に載せ、移送管の水平部分を床に対して堅牢に固定する方針である。
2-3 数値熱解析
SPM ユニット、移送管、冷凍機ユニットの 3 ブロックからなるシステム全体を図 2(b)のように計 21の要素に分割する有限要素法で熱解析を行った。各要素における輻射熱、固体伝導熱、冷凍機による吸熱、循環ガスのエンタルピー変化、人為的に加えるヒータ加熱からなる熱収支の時間発展を数値計算した一例を図 3に示す。ここには、室温から冷却を始めてからの、移送管中間点における輻射シールド（⑤）、SPM ユニットの輻射シールド（⑫）
、SPM ユニットのセパレータ（⑬）
、冷凍機ユニットのセパレータ（⑰）の各温度

 SPMの時間推移を示す。SPM ユニットと移送管のそれぞれから帰還させるヘリウムガス量（図 2(b)の m

 TT ）の分配比は約 5：4 に固定し、その合計である全流量は図 3 に示したように時間変化させた。ことmの場合、実験装置である SPM ヘッドは約 1,500 分（25 時間）後に 5 K 以下に到達する。液体窒素を使っ90図 3. (a)室温から冷却したときの、代表的な箇所（図中番号は図 2(b)の番号に対応）における温度の時間推移を有限要素法で数値シミュレー
ションした結果。(b)そのとき制御したヘリウムの全質量流とセパレータ A へのヒータ加熱量の時間推移。

て予冷すれば、この時間はもっと短縮されるであろう。シールド⑤⑫の温度が途中から上昇に転じているのは、全流量と再凝縮器内セパレータ A へのヒータ加熱量を単調減少させ、それらの最適値をさぐるシミュレーションをしたためである。このヒータ加熱は、適正な循環量の確保とセパレータ内液面を定常に保つために必要であった。今後は、帰還ガスの分配比も含めてこれらのパラメータを最適化し、実際の運転でそれらを制御するシステムを構築する計画である。ちなみに図 3 の数値シミュレーションの条件下の場合、最適循環量は液換算で 0.27
L/h、移送管内での単位長さ当たりの入熱量は 0.08 W/m となり、かなりの高性能が期待できそうである。
本研究は、液化供給部門の寺岡総一郎技術職員、(株)ユニソクとの共同研究であり、同社との民間等共同研究「高効率ヘリウム移送管等の設計および試作品評価」（プロジェクト番号：142200000003）のもとで進めた。
[3] T. Takeda et al., Cryogenics 48, 6 (2008).

3. カーボンナノチューブ・ランダムネットワークの電気伝導特性
カーボンナノチューブ(CNT)は、エレクトロニクスや構造材料等への幅広い応用が期待される新素材であるが、1 次元電子系特有の朝永-Luttinger 液体(TLL)の振る舞いが報告されるなど基礎物理学の観点からも興味深い。従来の実験は 1 本の CNT ロープあるいは 1 本の CNT（長さ数m 程度）に対する電気伝導測定が主流で（ロープは数十本の CNT が束になった構造）、メソスコピック系特有の試料依存性が強く、電極の接合方法によって結果が異なるなど、普遍的な性質を抽出する上で実験的困難が大きかった。近年、金属型と半導体型の CNT 分離技術が進み、従来より格段に分離純度の高い試料が多量に入手できるようになった。我々は、外径 1.4 nm の分離純度 99%の金属型 2 層(DW)CNT のロープが紙繊維のように 3 次元的に絡み合ったバルク試料（buckypaper）を使って、その電気伝導特性を極低温・高磁場（T ≥ 0.4 K, B ≤ 9 T）まで測定した。その結果、電極金属の種類や接合方法に依らず、広い温度範囲で


抵抗値が TLL 理論から期待される指数をもつ温度の冪乗に比例する振る舞い（ R  T ,  ≈ –0.24）が得られることを見出した。異なる試料間で結果の再現性も高い。一方、同じ金属型でも単層(SW)CNT のbuckypaper 試料の方は、電極や接合方法に依らず、常に 3 次元的な variable range hopping の温度依
存性と磁気抵抗を示す。現在は、各 CNT ロープ間の接合抵抗を変えた試料について同様の測定を行い、ランダムネットワーク系でも TLL の性質が現れる理由を調べている。本研究は、信州大学環境材料科学研究所の藤森利彦准教授と金子克美教授、理学系研究科物理学専攻博士課程の中山和貴氏と同専攻の松井朋裕助教、低温センター共同利用部門の戸田亮技術職員との共同研究である。

91

4. ２次元ヘリウムの新量子相の可能性
グラファイト上に物理吸着した 2 層目の単原子層 4He と 3He において、量子局在する密度より少し低い密度域で、これまで自然界で見つかったことのない“量子液晶”状態（仮に C2 相と呼ぶ）が T ≈ 1 K
以下の温度域で実現している可能性を、以前我々が行った比熱測定の結果をもとに詳しく検討した[4]。
C2 相は、通常の固相や液相とは特異な共存域で隔てられた独立な単相であること、絶対零度でも１割近い圧縮性をもつこと、融点や低温のフォノン比熱に対する量子効果が他の量子固体と定性的に逆である
こと、など多くの特異性をもつ。この状態の正体が、(1)１層目 He に対する整合構造をもち零点空格子
点や零点過剰粒子などの零点欠陥をもつ相、(2)６回対称のボンド秩序のみをもつ量子ヘキサティック相の二つの可能性に絞られることを議論した。観測された特異な量子効果は、4He-C2 相が低温で超流動状態にあることを示唆しており（超結晶）、実際、近傍密度で超流動レスポンスが実測されている。今後、これらの可能性を新たな実験で検証してゆきたい。本研究は、低温センター研究開発部門の中村祥子特任助教との共同研究である。
[4] S. Nakamura, K. Matsui, T. Matsui and H. Fukuyama, Phys. Rev. B 94, 180501(R) (2016).

研究成果リスト学会発表
1. 低温ブツリガクと医療
福山 寛
第 115 回日本外科学会定期学術集会（名古屋国際会議場）2015 年 4 月
2. 1 次元硫黄鎖を内包するカーボンナノチューブの低温伝導特性
中山和貴, 杉本宗太郎, 戸田 亮, 松井朋裕, 藤森利彦, 金子克美, 福山 寛
日本物理学会 2015 年秋季大会（関西大学千里山キャンパス）2015 年 9 月
3. ドライかウェットか？ —低温センターの TSCP 活動—
寺岡総一郎, 戸田 亮, 福山 寛
第 7 回低温センター研究交流会（東京大学本郷キャンパス）2016 年 2 月
4. 金属型単層・二層カーボンナノチューブの低温電気伝導特性
中山和貴, 戸田 亮, 松井朋裕, 藤森利彦, 金子克美, 福山 寛
第 7 回低温センター研究交流会（東京大学本郷キャンパス）2016 年 2 月
5. ２次元ヘリウムの整合局在に対する同位体効果
中村祥子, 福山 寛
日本物理学会第 71 回年次大会（2016 年）（東北学院大学泉キャンパス）2016 年 3 月
国際会議
6. New Quantum Phases of Monolayers of Helium
Hiroshi Fukuyama
Grand Challenges in Quantum Fluids and Solids (Buffalo, U.S.A.) 2015 年 8 月
7. New Quantum Phases of Monolayers of Helium
Hiroshi Fukuyama
Physics of Interfaces and Layered Structures (Stockholm, Sweden) 2015 年 8 月
8. Quantum Liquid, Solid and Liquid-crystal Phases of Helium in Two-dimensions
Hiroshi Fukuyama
Exploring Extreme Forms of Matter (U. Tokyo, Japan) 2016 年 3 月

上記に加えて、平成 27 年度は研究開発部門 藤井武則助教、中村祥子特任助教により以下の研究が進
められた。

92

藤井 武則鉄系超伝導体における電子ネマティック状態の研究
鉄系超伝導体においては、超伝導転移温度以上から、電子系が結晶構造より期待される回転対称性を自発的に破る電子ネマティック秩序状態が実現されていると報告されている。しかし、異方性の研究が多くなされている BaFe2As2 は、構造相転移とほぼ同時に磁気相転移を示すため、その異方性の起原の解釈を複雑にしている。FeSe は、結晶欠陥が非常に少なく、構造相転移に磁気相転移を伴わないために、本質的な電子ネマティック秩序状態を観測するのに適した物質である。ここでは、FeSe の単結晶をピエゾ素子に貼り付けて異方的圧力を加えることで非双晶化し熱起電力を測定した。
BaFe2As2 においては相転移温度以下のみで、熱起電力に明瞭な異方性が見られ、抵抗率に見られる相転移以上の異方性は不純物による異方的散乱によるものだと考えられる。一方、FeSe の熱起電力の異方性は非常に小さく、構造相転移温度において明瞭な異方性の変化は見られない。また、相転移温度よりも高温から異方性が現れ、連続的に異方性が大きくなっている。このことより、BaFe2As2 においては、不純物による非常に大きな異方的スピン散乱に、本質的な電子ネマティックによる異方性が隠されていると考えられる。

研究成果リスト
発表論文、著書等
1. Simultaneous control of thermoelectric properties in p- and n-type materials by electric doublelayer gating: New design for thermoelectric device.
R. Takayanagi, T. Fujii and A. Asamitsu
Applied Physics Express 8, 051101 (2015)
2. Thermal property measurements of critical materials for SPICA payload module.
Keisuke Shinozaki, Tadahito Mizutani, Takenori Fujii, Takashi Onaka, Takao Nakagawa,Hiroyuki Sugita
Physics Procedia 67, 270 (2015)
3. Composition-driven spin glass to ferromagnetic transition in the quasicrystal approximant Au-AlGd
A. Ishikawa, T. Hiroto, K. Tokiwa, T. Fujii, and R. Tamura
Phys. Rev. B 93, 024416 (2016)
学会発表
1. Au-Al-Gd 系 1/1 近似結晶の作製と磁性
石川明日香, 廣戸孝信, 常盤和靖, 藤井武則, 田村隆治
日本物理学会 秋の分科会（関西大学） 2015 年 9 月
2. 鉄系超伝導体における熱起電力の面内異方性
藤井武則
第 7 回東京大学低温センター研究交流会（東京大学）2016 年 2 月
3. 鉄系超伝導体における熱起電力の面内異方性
藤井武則，白地貴一，朝光敦
日本物理学会 第 71 回年次大会（東北学院大学） 2016 年 3 月
4. Cu 2p-1s X 線発光分光による硫化銅鉱物 Cu12Sb4S13 の金属半導体転移の研究
佐藤仁, 長崎俊樹, 田中博己, 末國晃一郎, Awabaikeli Rousuli, 中村将吾, 河村直己, 鄭旭光, 藤井
武則, 高畠敏郎, 生天目博文, 谷口雅樹
日本物理学会 第 71 回年次大会（東北学院大学） 2016 年 3 月
5. トポロジカル絶縁体 Bi2–x Snx Te2Se の単結晶育成と物性評価

93酒井健一, 森田亮, 松田梓, 藤井武則
日本物理学会 第 71 回年次大会（東北学院大学） 2016 年 3 月
6. AuAlGd 系 1/1 近似結晶の作製と磁性 II
石川明日香, 廣戸孝信, 常盤和靖, 藤井武則, 田村隆治
日本物理学会 第 71 回年次大会（東北学院大学） 2016 年 3 月
7. Au-Ga-Yb 準結晶の作製
田中祐二郎, 古田島尭宏, 関岳人, 藤井武則, 田村隆治
日本物理学会 第 71 回年次大会（東北学院大学） 2016 年 3 月

国際会議
1. Anisotropy of the Thermopower in Iron Arsenide
T. Fujii, T. Shirachi, and A. Asamitsu
The 28th International Symposium on Superconductivity (Tokyo, Japan) 2015 年 11 月

中村 祥子
２次元ヘリウムの整合局在における同位体効果
グラファイト表面に直接吸着したヘリウム単原子層は、3 K 付近で√3 × √3 相と呼ばれる整合相を形成する。この整合-不整合転移に対する同位体効果を、ヘリウム３とヘリウム４をＺＹＸグラファイト基板に吸着させたときの比熱の発散異常を比較することで調べた。比熱ピークの高さ、温度依存性、整合密度は両者でよく一致するが、ピーク温度はヘリウム３の方がわずかに高く、その密度依存性もより強いことが分かった。この整合局在は、吸着ポテンシャルによって２次元に強く束縛された、すなわち加圧環境で生じるもので、２次元面内では粒子間の斥力相互作用によって駆動される。そのため、軽くて零点振動が大きく実効的半径が大きいヘリウム３の方が、局在相が安定化されて転移温度が高い。整合密度から外れた密度でのピーク温度・ピーク高さは、空孔や過剰粒子に対する整合相のロバストさを反映するので、ボース粒子であるヘリウム４の方がよりロバストであることを示していると考えられる。
[1] S. Nakamura, K. Matsui, T. Matsui, and H. Fukuyama, J. Low Temp. Phys. 171, 711 (2013); S.
Nakamura and H. Fukuyama, to appear.

研究成果リスト
学会発表
国内会議（一般講演）
1. 液体窒素使用時における各種手袋の性能評価
中村祥子，藤井武則，戸田亮，寺岡総一郎
第 7 回低温センター研究交流会（東京）2016 年 2 月
2. 2 次元ヘリウムの整合局在に対する同位体効果
中村祥子，福山 寛
日本物理学会 第 71 回年次大会（仙台）2016 年 3 月
国際会議（招待講演）
1. Novel Features of the Quantum Spin Liquid State in 2D Solid 3He
M. Kamada, R. Nakamura, S. Nakamura, R. Toda, T. Matsui, and H. Fukuyama
QFS2015 International Symposium on Quantum Fluids and Solids (NY, USA) 2015 年 8 月

94

共同利用部門 活動報告
低温センター・共同利用部門
戸田 亮
共同利用部門では、低温寒剤を用いた研究を積極的に行う研究者、ヘリウムガス回収設備をもたない研
究者に低温センター建物内の共同利用研究室を貸し出し、低温実験のためのスペースを提供している。
また、SQUID 磁化測定装置（カンタム・デザイン社 MPMS）、物性評価システム（カンタム・デザイン
社 PPMS）、14T 超伝導電磁石、極低温物性測定装置という４種類の極低温実験装置の貸し出しを行い、極低温における学術研究のサポートを行っている。

共同利用研究室
本年度は、昨年度に引き続き 3 部局 7 研究室が 2,000 円/m2/月の使用料金で使用した。電気・水道・電話など、研究活動に伴うランニングコストについては別途実費を請求している。共同利用研究室の全面積は昨年度と同じく 234 m2 であった。

共同利用装置
本年度の装置使用料金は、昨年度と同じく PPMS と MPMS に関しては 1 日 5,000 円（液体ヘリウム
使用料金を含む）、依頼測定料金については PPMS が１日 15,000 円、MPMS が１日 10,000 円、他の装置については１日 560 円（寒剤は別途ユーザーが注文）とした。本年度の稼働率は PPMS が 93%、MPMS
が 84%であった。過去からの稼働率を図 1、2 に示した。ここ 3 年の共同利用需要は比較的安定しており、PPMS では約 40%、MPMS では約 60%となっている。共同利用に占める依頼測定の割合は PPMS
が 2%、MPMS が 13%であった。PPMS の方が電極の端子付けを要するなど技術的敷居が高いが依頼測
定料金も高いことが影響しているものと考えている。共同利用による PPMS の利用者は 4 部局 12 研究室、MPMS の利用者は 2 部局 13 研究室であった。PPMS では電気伝導度、比熱、熱伝導など複数の物性測定が可能であるが、本年度も昨年度に引き続き熱伝導測定の希望が多く、利用日の半数近くが熱伝導測定による利用となった。
MPMS は導入後 20 年、PPMS は同 17 年が経過し、老朽化が進んでいる。前年度末に発生した MPMS
デュワーの断熱不良は、液体窒素槽からのリークが原因であることがわかった。液体窒素槽に液体窒素を充填しないことによって断熱不良を回避できることがわかったため、現在は液体窒素を使用せず運用しているが、液体窒素を使用する場合に比べ、自然蒸発による液体ヘリウムの蒸発量が約 3 倍程度（実際の運用では試料の冷却や磁場掃引に伴う蒸発を含むため、運用全体での蒸発量は約 1.5 倍程度）と多くなってしまう。平成 28 年度中の交換修理を予定している。本年度、長く故障状態のままであった PPMSの磁化率測定装置の修理を行った。磁化率測定の感度は MPMS より下がるが、MPMS では対応できな
い 9 T の強磁場下まで利用可能であるため、ご活用いただきたい。

95

100%
90%

PPMS 稼働率 (%)

80%
70%
60%
50%
40%

研究開発
共同利用

30%
20%
10%

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

平成

0%
（年度）
図 1 物性評価システム（カンタム・デザイン社 PPMS）の稼働率

100%
90%
70%
60%
50%
40%

研究開発
共同利用

30%
20%
10%

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

0%

平成

MPMS 稼働率 (%)

80%

（年度）
図 2 SQUID 磁化測定装置（カンタム・デザイン社 MPMS）の稼働率

96

液化供給部門 業務報告
低温センター・液化供給部門
阿部 美玲
1. 寒剤供給実績(本郷地区キャンパス)平成 27 年度の液体窒素供給量は 476,883 L となり、前年度よりやや増加した(図 1)。また、液体ヘリ
ウム供給量は、257,552 L と前年度より増加し(図 2)、需要は依然として高い水準にある。前年度に新営された工学部 3 号館など新たな建物への供給も開始した。

図 1 年度別 液体窒素供給量
表 1 平成 27 年度 液体窒素使用研究室 登録数
医学系研究科

39 研究室生物生産工学研究センター

5 研究室

工学系研究科

95 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 研究室総合研究博物館

2 研究室

農学生命科学研究科

79 研究室大気海洋研究所

1 研究室

薬学系研究科25 研究室

地震研究所

3 研究室

アイソトープ総合センター

5 研究室

附属病院

61 研究室アジア生物資源環境研究センター

1 研究室

分子細胞生物学研究所

17 研究室

環境安全研究センター

2 研究室

放射光連携研究機構

1 研究室

情報理工学系研究科

2 研究室

低温センター

3 研究室

新領域創成科学研究科

1 研究室

合計

97

403 研究室

図 2 年度別 液体ヘリウム供給量
表 2 平成 27 年度 液体ヘリウム使用研究室 登録数
医学系研究科

1 研究室

農学生命科学研究科

3 研究室

工学系研究科27 研究室薬学系研究科

8 研究室

理学系研究科17 研究室低温センター

3 研究室

合計

59 研究室

2. 寒剤供給料金
平成 27 年度の液体窒素使用料金を表 3 に、また、液体ヘリウム使用料金を式(1)に示す。
表 3 平成 27 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

53

15L 超 25L 以下

47

25L 超 35L 以下

41

35L 超 120L 以下

37【平成 27 年 4 月～平成 28 年 3 月】
供給価格 ＝ 213 × 課金対象供給量 (L) ＋ 1,458 × 損失ガス量 (m3) ・・・(1)98表 4 平成 27 年度 低温センター保安管理体制

3.保安管理体制
低温センターは、高圧ガス保安法に定められた高保 安 統 括 者

センター長

圧ガス第一種製造者として東京都の許可を受け、研保安統括者代理者

准教授

究室へ供給する液体窒素の大量貯蔵やヘリウムリサ

保

係

員

清悟

村川 智

技術専門職員

阿部

美玲

助教

藤井

武則

技術職員

加茂

由貴

表 4 に示した。今後も日常点検を始めとする通常業

技術職員

志村

芽衣

務に加え、法定義務講習や各種講習会への参加など

技術職員

寺岡 総一郎を通じて保安技術の習得・向上に努め、設備保安の

技術職員

戸田 亮

イクルシステム(回収・液化)の運転や設備維持管理の

安

樽茶

保安係員代理者

他、利用者や従業者を対象とした保安教育などの保安活動を行っている。平成 27 年度の保安管理体制を維持に尽力していきたい。

4. 容器等再検査サービス
本学内で使用する液体窒素用超低温容器(通称、自加圧式容器)を対象とした容器等再検査サービスの検査台数は 18 台だった。低温センターから液体窒素供給を受ける研究室のみならず、部局の設備などから
液体窒素汲み出しを行う研究室の容器も受け付けている。

5. その他
ヘリウム液化システムの補充ガス導入用圧力調整弁にシート漏れが確認されたため平成 27 年 7 月に調整弁交換を、ヘリウム液化システム予冷用の液体窒素系統の温度計が故障し予冷用液体窒素の自動制御が不可能となったため同 10 月に温度計を交換した。また、ヘリウム回収設備である工学系サブセンター(工学部 6 号館)のガスバッグには、かねてから動作時の折れ曲がりが原因の穴が複数確認され発見の都度補修を重ねてきたが、同 8 月にガスバッグを交換し、作業中に制御盤内の電磁開閉器作動時に火花が見られたため同 9 月に交換した。
また、新たな建物での液体ヘリウム使用研究室数が増え、使用研究室からの個別の問い合わせに応じて実験室に出向いて使用方法などを説明したり、各建物の低温センター寒剤管理連絡担当者と相談しながら集配場所の新設や移転の相談に応じたりした。本郷地区キャンパスでは現在も複数の建物工事が進行しており、近い将来、再び問い合わせの集中期がやってくると想像される。繁忙の中でも日常の寒剤供給や設備運転業務を滞りなく実施するよう尽力していきたい。
最後になりますが、寒剤使用研究室、センター各部門の教職員、学内関係者の皆様からの、液化供給部門の業務へのご協力にこの場を借りてお礼申し上げます。

99

全般的な活動報告

第 7 回 低温センター研究交流会
平成 28 年 2 月 23 日(火)、武田先端知ビル・武田ホールにて「第 7 回 低温センター研究交流会」が開催され、大学院生を中心とした若手研究者によって、低温センターの寒剤を用いて得られた多くの研究成果が発表された。本年度は、工学系、理学系、農学生命科学、医学系、薬学系、地震研、低温センターの７部局から、111 名の参加者、11 件の口頭発表と 47 件のポスター発表があり、分野を越えて活発な議論がなされた。
特別講演では、理学系研究科・物理学専攻の蓑輪眞教授（H17–18 低温センター長）より、「素粒子物
理学実験と低温物理」というタイトルで講演が行われ、低温物理や物性物理などの手法を取り入れた素粒子物理学実験の興味深い話を聞くことが出来た。また、研究交流会後の利用者懇談会では、アワード授賞式が行われ、島崎佑也さん（工学系研究科・物理工学専攻・博士課程３年）にベストプレゼンテーショ
ン・アワード、佐藤秀樹さん（理学系研究科・物理学専攻・修士課程２年）と中嶋優さん（薬学系研究科・薬科学専攻・博士課程１年）にベストポスター・アワードが贈呈された。
研究交流会も今回で７回目となり、利用者の皆様の協力もあって、滞りなく行うことが出来た。来年度以降も、低温センター研究交流会が、本学の大学院生、若手研究者にとって有意義な学際研究集会となる
よう、皆様のご協力をお願い致します。

講演会の様子ポスターセッションの様子

懇談会の様子

受賞者の方々(左から中嶋優さん、島崎佑
也さん、樽茶センター長、佐藤秀樹さん)（藤井 記）

102

第 7 回 低温センター研究交流会 プログラム
口頭発表
O-01 朴 顕良 工学系研究科・物理工学専攻・M2（為ヶ井研究室）
122 型鉄系超伝導体におけるスプレイド柱状欠陥 による磁束量子のピン止め
O-02 一ノ倉 聖 理学系研究科・物理学専攻・D3（長谷川研究室）
Ca-インターカレートした２層グラフェンにおける超伝導
O -03 小塚 裕介 工学系研究科・物理工学専攻・特任講師（川﨑研究室）
ZnO 二次元電子系-超伝導接合
O -04 大川 達也 工学系研究科・物理工学専攻・M1（十倉研究室）
強相関ディラック電子系 SrIrO3 における異常磁気伝導
O -05 末次 祥大 理学系研究科・物理学専攻・M1（高木･北川研究室）
3 次元 Dirac 電子系アンチペロブスカイト酸化物における磁気輸送現象
O -06 島崎 佑也 工学系研究科・物理工学専攻・D3（樽茶研究室）
二層グラフェンにおける空間反転対称性の電気的制御によるバレーホール効果
O -07 金木 俊樹 工学系研究科・電気系工学専攻・D1（田中研究室）
強磁性半導体 GaMnAs を用いた縦型スピン電界効果トランジスタのスピン依存伝導特性
O -08 中村 顕 農学生命科学研究科・応用生命化学専攻・特任助教（食品生物構造学研究室）
高磁場・強磁気力環境中でのタンパク質結晶成長
O -09 Szymon Chorazy 理学系研究科・化学専攻・特任助教（大越研究室）
Polycyanidometallates in the construction of low dimensional coordination systems revealing SingleMolecule Magnet behavior
O -10 浦井 瑞紀 工学系研究科・物理工学専攻・M2（鹿野田研究室）
有機伝導体の金属絶縁体転移における電子相関と乱れの協奏効果
O -11 鎌田 雅博 理学系研究科・物理学専攻・D2（福山研究室）
2 次元ヘリウム 3 の新奇な量子状態

ポスターセッション
P-01

松尾 貞茂 工学系研究科・物理工学専攻・助教（樽茶・山本研究室）
Conductance reduction of plateaus on InAs quantum wire caused by magnetic field

P-02

中山 和貴 理学系研究科・物理学専攻・D3（福山研究室）
金属型単層・二層カーボンナノチューブの低温電気伝導特性

P-03

藤田 貴啓 工学系研究科・物理工学専攻・D1（川﨑研究室）
パイロクロア型 Ir 酸化物薄膜・ヘテロ界面における磁気輸送特性

P-04

村川 智 低温センター・研究開発部門・准教授
ナノポアアレイを用いた超流動ヘリウム 4 の流れの研究

P-05

伊藤 匠 工学系研究科・物理工学専攻・M2（樽茶・山本研究室）
高速複数電荷計を用いた多重量子ドット電荷状態の観測
103

P-06

高山 正行 理学系研究科・物理学専攻・M2（島野研究室）
バルク GaAs における励起子モット転移と電子正孔異常金属相

P-07

黒山 和幸 工学系研究科・物理工学専攻・M2（樽茶・山本研究室）
光子偏光-電子スピン量子もつれ相関の生成に向けた光子-電子の同時検出実験

P-08

室谷 悠太 理学系研究科・物理学専攻・M1（島野研究室）
光ポンプ・光プローブ分光による励起子共鳴励起下のバルク GaAs におけるモット転移の観測

P-09

石井 友章 工学系研究科・電気系工学専攻・D1（田中・大矢研究室）
Electronic structure near the Fermi level in the ferromagnetic semiconductor GaMnAs studied byultrafast time-resolved light-induced reflectivity

P-10

梅田 喜一 理学系研究科・化学専攻・D3（大越研究室）
光誘起強磁性を示す Cu-Mo 錯体の結晶構造とおよび第一原理計算

P-11

Le Duc Anh 工学系研究科・電気系工学専攻・D3（田中・大矢研究室）
Observation of spontaneous spin-splitting in the band structure of n-type ferromagnetic semiconductor(In,Fe)AsP-12

富田 圭祐 理学系研究科・物理学専攻・M2（島野研究室）
マルチバンド超伝導体 MgB2 におけるテラヘルツ第 3 高調波の観測

P-13

鈴木 悠司 工学系研究科・物理工学専攻・M1（鹿野田研究室）
ドープされた擬二次元系有機導体κ-(ET)4Hg2.89Br8 の圧力下輸送特性

P-14

泊 開人 理学系研究科・物理学専攻・M1（島野研究室）
光励起非平衡状態の La2-xSrxCuO4 における c 軸ジョセフソンプラズマの観測

P-15

市原 義悠 工学系研究科・応用化学専攻・M1（岸尾研究室）
CrPn 層を持つ層状複合アニオン化合物の探索と物性制御

P-16

藤井 武則 低温センター・研究開発部門・助教
鉄系超伝導体における熱起電力の面内異方性

P-17

林 功輔 工学系研究科・応用化学専攻・M1（岸尾研究室）
1111 相鉄系超伝導体の高性能化

P-18

斎藤 優 工学系研究科・物理工学専攻・D1（岩佐研究室）
2 次元物質における電界誘起超伝導P-19

山本 彬依 工学系研究科・電気系工学専攻・M2（田中・大矢研究室）
Temperature dependence of the electromotive force in the topological crystalline insulator SnTe inducedby spin pumping

P-20

福居 直哉 理学系研究科・物理学専攻・D3（長谷川研究室）
原子ステップをもつトポロジカル絶縁体の in situ 輸送特性観測

P-21

寺田 博 工学系研究科・電気系工学専攻・D2（田中・大矢研究室）
縦型スピン電気二重層トランジスタ

P-22

湯本 郷 理学系研究科・物理学専攻・D2（島野研究室）
単層グラフェンにおけるランダウ準位の超高速非線形テラヘルツ応答
104

P-23

大羽 健太 工学系研究科・物理工学専攻・M2（川﨑研究室）
ツイストした三角格子層からなる新層状酸化物薄膜の作製

P-24

佐藤 秀樹 理学系研究科・物理学専攻・M2（福山研究室）
グラファイト表面における量子ホール端状態と磁場中ジグザグ端状態の STS 観測

P-25

櫻井 駿也 薬学系研究科・薬科学専攻・M2（蛋白構造生物学教室）
Roquin-2 とステムループ RNA 複合体の X 線結晶構造解析

P-26

大橋 開智 工学系研究科・電気系工学専攻・M2（関野研究室）
センチネルリンパ節の探索に用いる永久磁石型磁気プローブの開発及びリンパ節内の磁気ナノ粒子量の測定

P-27

中嶋 優 薬学系研究科・薬科学専攻・D1（天然物化学教室）
糸状菌由来新規多機能型非ヘム鉄ジオキシゲナーゼの X 線結晶構造解析

P-28

柿本 望 農学系研究科・応用生命化学専攻・D3（有機化学研究室）
クラビゲリン類の不斉合成と絶対立体配置の決定

P-29

水村 拓也 薬学系研究科・薬科学専攻・D2（生命物理化学教室）
脂質による GPCR の活性制御機構の解明

P-30

山本 将起 農学系研究科・応用生命化学専攻・D3（有機化学研究室）
Glabramycin B 及び類縁体の合成と構造訂正

P-31

山原 弘靖 工学系研究科・バイオエンジニアリング専攻・特任研究員（田畑研究室）
Co-Si 置換希土類鉄ガーネット薄膜におけるクラスターグラス状態とメモリ効果

P-32

中林 耕二 理学系研究科・化学専攻・助教（大越研究室）
層状シアノ架橋型金属集積体の熱安定性と磁気物性P-33

若林 勇希 工学系研究科・電気系工学専攻・D2（田中・大矢研究室）
IV 族強磁性半導体 GeFe における局所的な室温強磁性の発見とナノスケールでの強磁性秩序の成長

P-34

井元 健太 理学系研究科・化学専攻・特任助教（大越研究室）
光スピンクロスオーバー強磁性を示す 2 段階転移 FeNb オクタシアノ金属錯体の構築

P-35

芦原 渉 工学系研究科・電気系工学専攻・M2（田中・大矢研究室）
半導体からのキャリア注入による強磁性量子井戸におけるトンネルキャリアのスピン分極率の変調

P-36

太田 進也 工学系研究科・物理工学専攻・M1（千葉研究室）
フレキシブル基板上に製膜した垂直磁化膜の磁気異方性の機械的制御

P-37

岡本 浩平 工学系研究科・電気系工学専攻・B4（田中・大矢研究室）
IV 族強磁性半導体 Ge1-xFex, MgO, Fe 三層構造におけるトンネル磁気抵抗効果の観測

P-38

枡富 龍一 理学系研究科・物理学専攻・助教（岡本研究室）
Adsorbate-induced quantum Hall system probed by scanning tunneling spectroscopy combined withtransport measurements

P-39

真藤 達也 工学系研究科・電気系工学専攻・M1（田中・大矢研究室）
LaMnO3 バリアを用いた La0.67Sr0.33MnO3 ベースの磁気トンネル接合におけるスピン依存トンネル特性
105

P-40

鈴木 温 理学系研究科・化学専攻・D3（長谷川研究室）
ソフト化学的 Li 挿入によるアナターゼ型 TaON へのキャリアドープ

P-41

大内 祐貴 工学系研究科・物理工学専攻・D1（川﨑研究室）
強磁性 Ru 酸化物ヘテロ構造におけるトポロジカルホール効果

P-42

平井 孝昌 工学系研究科・物理工学専攻・M1（千葉研究室）
電気二重層構造を用いたコバルト薄膜の磁性の電界制御

P-43

入松川 知也 工学系研究科・原子力国際専攻・D1（高橋研究室）
超伝導転移端センサによるγ線超精密分光P-44

中村 祥子 低温センター・研究開発部門･特任助教
液体窒素使用時における各種手袋の性能評価

P-45

寺岡 総一郎 低温センター・液化供給部門・技術職員
ドライかウェットか？ —低温センターの TSCP 活動—

P-46

戸田 亮 低温センター・共同利用部門・技術職員
低温センター共同利用部門紹介

P-47

志村 芽衣 低温センター・液化供給部門・技術職員
本郷地区キャンパスでの寒剤使用時のお願い

特別講演
蓑輪 眞

理学系研究科・物理学専攻・教授
素粒子物理学実験と低温物理研究交流会組織委員
島野 亮

低温センター・研究開発部門 教授(委員長)

村川 智

低温センター・研究開発部門 准教授

岩佐 義宏

工学系研究科・附属量子相エレクトロニクス研究センター 教授

田中 雅明

工学系研究科・電気系工学専攻 教授

岡本 徹

理学系研究科・物理学専攻 准教授

大越 慎一

理学系研究科・化学専攻 教授

清水 敏之

薬学系研究科・薬学専攻 教授
106

安全講習会
低温センターでは、高圧ガス製造所として、高圧ガス保安法に定められる安全教育（安全講習会）を行っている。この講習会は、本郷地区キャンパス内で寒剤を取り扱う全ての人を対象としており、環境安全本部からも受講を義務付けられている全学の安全講習会である。当初は年２回の開催であったが、平成23年度から漸次開催回数を増やしており、平成27年度は、表１に示したように年明けの１回を含めて過去最多の計６回、キャンパス内の複数の会場を用いて開催した。通年で受講機会を設けることで、年度途中の入学・採用や研究・業務内容の変更に速やかに対応できると考えている。学生・研究員等の受講は年度初めに偏っていたが、職員やシニアな教員の受講者数は各回にほぼ均等に分散していた。
平成23年度以降、開催回数の増加と周知の徹底に伴い受講者数が大幅に増加してきたが、今年度は減少に転じた。これは、教職員においては、既存の教職員の受講がひと段落し新規採用者の受講が中心になったこと、学生においては、複数の研究科において主たる受講時期が大学院修士課程から学部４年時に移行したことを反映した変化だと考えられ、どちらも望ましい傾向である。
表 1

平成 27 年度 安全講習会の開催概要

日時

場所

受講者数

第1回

4/22(水) 13:10-14:40

武田先端知ビル・武田ホール

199

第2回

5/21(木) 13:10-14:40

理学部１号館・小柴ホール

159

第3回

6/16(火) 10:30-12:00

理学部１号館・小柴ホール

79

第4回

9/24(木) 13:10-14:40

薬学部総合研究棟・薬学部講堂

62

第5回

12/2(水）10:25-11:55

工学部２号館・213 講義室

62

第6回

1/13(水) 13:10-14:40

工学部 11 号館・講堂

22

計

580

800

800

700

700

600

600

500

その他

500

400

医学系

400

薬学系

その他
職員
教員（講師
以上）
助教・助手

200

理学系

200

特任・研究
員
博士

100

工学系

100

修士

300

農学系

300

合計

0

0

平平平平平平平平平平平平成成成成成成成成成成成成
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
年年年年年年年年年年年年度度度度度度度度度度度度

図 １

学部生
平平平平平平平平平平平平成成成成成成成成成成成成
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
年年年年年年年年年年年年度度度度度度度度度度度度

不明
合計

安全講習会参加者の所属部局と身分の推移（平成 22, 23 年度の身分不明の参加者は大部分が学部生）

107

図 ３ 会場外の展示品（第３回）

図 ２

自加圧式液体窒素容器の説明（第４回）

講習内容は「高圧ガス保安法と本学での高圧ガス等管理」、「寒剤・ガスボンベの安全な取り扱い」、「低温センターの利用方法」、および「寒剤の性質とその応用」から成り、説明は、島野教授、村川准教授、藤井助教、中村特任助教が分担して行った。自加圧式液体窒素容器およびガスボンベの使用方法
については、実演やビデオを用いて詳細に説明した。講習の最後にはミニテストによる理解度確認を行い、合格者には後日、修了証を送付した。日本語を解さない受講者も各回数名以上は参加しているので、配布資料とミニテスト、アンケートは英語版を用意し、２画面の会場では１画面に英語版を表示している。会場の外では、自加圧式液体窒素容器やガスボンベ、レギュレーター、低温用手袋等の保護具や凍結破壊したプラスチックホース等、講習で紹介した物品の展示を行い、受講者の退出時には、価格や用法を中心に、関連する質問を受け付けた。
近年、液体窒素を用いた凍結保存容器に関わる学内の事故や相談事例が増えているので、本年度は新
たに、凍結保存容器に試料を落下させる事例に関する注意喚起を行った。落下させないのが最善であるが、落下させてしまった場合の安全な対処法をあらかじめ用意・周知しておくこと、万が一の場合には低温センターでも試料を拾い上げるための道具の貸し出しができるので相談してほしい旨を説明した。
また、第 4 回から「寒剤の性質とその応用」の講義内容を刷新した。液体寒剤の諸物性や液体ヘリウ
ムを用いた冷却における顕熱の重要性は引き続き説明する一方、従来説明していた低温科学の歴史に替えて、各種手袋[1]やホースの冷却実験、ヘリウム液化の具体的な機構や原理といった低温技術を紹介
し、安全講習で推奨した液体寒剤の取り扱い方法やルールの背景が理解できるように努めた。アンケー
トの自由記述欄からうかがわれる受講者の反応は、おおむね好評である。
液体ヘリウム、寒剤集配場所の担当者の安全講習会受講率はそれぞれ 70%となり、液体窒素容器の担
当者の受講率も半分を超えた。また、学部や修士課程といった早い時期の受講者が増えていることは、安全講習会の受講が寒剤使用研究室で慣習として定着してきたことを示している。今後も、安全講習会の充実を通じて、寒剤および高圧ガス関係の事故防止に一層努めていきたい。
[1] 中村・藤井・寺岡・戸田「液体窒素使用時における各種手袋の性能評価」平成 27 年度低温センター
年報 技術ノート p.126.
（中村 記）

108

平成 27 年度東京大学技術職員研修「低温技術研修（初学コース）」
東京大学には、技術職員に職務と責任の遂行に必要な知識・技術等を修得させること、その能力・資質等を向上させることを目的として実施する全学技術研修の制度がある。低温センターでは、昨年度に引き続き、この全学技術研修として「低温技術研修（初学コース）」を企画した。本研修の対象者は低温実
験の初学者であり、目的は、低温技術に関する講義および実習を通じて、液体寒剤の安全な取り扱い方
法、液体寒剤の有効な利用方法、低温実験機器の使用方法などの知識・技術を修得することである。
研修の準備は昨年度と同じく技術職員の戸田、寺岡を中心に行い、講義の講師として村川准教授、中村特任助教、志村技術職員を加え、平成 27 年 11 月 25 日（水）から 11 月 27 日（金）の 3 日間の日程で実施した。講義については低温センターのセミナー室、実習は共同利用装置室および液体ヘリウム供給室で行った。定員 6 名の募集に対し 2 名から応募があった。研修修了者には修了証書を授与した。また修了の事実は人事記録に記載された。研修日程は表 1 のとおりである。

9:00-

9:30-

10:30-

-9:30
1日目

受付
開講式

講義（60分）低温科学技術入門

9:00--12:00
講義（90分）低温寒剤の取り扱い

10:00-10:00

2日目

講義 （60分）
低温実験の基礎実習 （60分）
真空シール実習

11:00-11:00

10:00-10:00

実習（240分）
液体窒素使用実習 （運搬・汲出・冷却実験・結果考察）
13:00-

15:30-15:30-12:00
昼休み

11:00-11:00

講義 （60分）
低温の生成-17:00昼休み

講義 （60分）
実習 （60分）
液体ヘリウムの使い方
ガスボンベ使用実習

9:003日目

13:00--10:30

実習（150分）
液体ヘリウム移送実習-17:00
実習・見学（90分）
液体ヘリウム移送実習のまとめ
液化回収設備見学

13:00-15:30-12:00
実習 （60分）
昼休み
液体ヘリウム使用実習I

実習 （150分）
液体ヘリウム使用実習II・まとめ-16:30講義 （60分）
低温実験技術16:30-17:00
閉講式

表 1:低温技術研修（初学コース）日程
講義「低温科学技術入門」（村川准教授）では、低温環境の意義について低温科学の歴史にふれつつ紹介したのち、低温センター業務の紹介をした。続く「低温寒剤の取り扱い」（志村技術職員）では、寒剤使用に関するルール・法規制や、寒剤の性質と安全な取り扱い方法について講義した。初日の午後は「液体窒素使用実習」と題して、自加圧式容器の銘板の内容確認、容器再検査が必要となる日の導出、100L
自加圧式容器の運搬、エレベータを使用した移動を行った。日常生活では気にとめない程度の小さな段差や凹凸、傾斜などであっても注意して運搬する必要があることを体験してもらった。続いて、自加圧式容器からの液体窒素の汲み出しや、開放容器に専用のサイフォンを取り付けての液体窒素の移送を行った。開放容器は自加圧式容器と比べると構造も取り扱いも簡便であるが、移送時には風船等を用いて自力で加圧する必要があり、大量の移送を行う場合には作業者の負担が大きい。しかし、容器によっては専用の蒸発器付移送管が市販されており、これを利用すると自加圧式容器のように簡単に汲み出すことができる。今年度の実習では蒸発器付移送管についても使用方法を説明し、実際に体験していただいた。最後に、汲み出した液体窒素を用い、液体窒素に浸漬したときの物質の温度の時間変化（図 1）や、異種材料の組み合わせを冷却すると熱収縮率の違いによって低温で緩む、締まるといった変化をすること、金属の電気抵抗が温度変化することなどの実験、観測をおこなった。
2 日目の講義「低温実験の基礎」（戸田技術職員）においては、温度の定義や測定方法、各種温度計の性質などを紹介した。また、初日の実習を踏まえつつ、熱伝導や熱容量、熱膨張などの基礎的知識につい109

て解説を行った。続く講義「液体ヘリウムの使い方」（寺岡技術職員）では、午後からの液体ヘリウムを用いた実習を前に液体ヘリウムの利用方法について解説した。液体ヘリウムはより低温であるだけでな
く、希少資源であるためにキャンパス全体でリサイクル利用する形態となっており、液体窒素に比べて利用にあたっての注意点が多い。液体ヘリウムを利用するにあたって留意する必要がある点について重点的に解説した。
「ガスボンベ使用実習」では、低温寒剤と同様に高圧ガスとして規制を受ける高圧ガス
ボンベの使用方法やボンベの刻印の内容確認等について解説を行い、実際に圧力調整器を取り付けて気体を取り出し、圧力調整器を取り外して片付ける一連の作業を行った。午後は「液体ヘリウムの移送実習」として、実際に液体ヘリウムを移送する実習を行った。移送だけでなく、熱音響式液面計を用いた容器中の液面測定（図 2）や、重量測定による内容量の測定、流量計を用いた蒸発ガス回収量の計測など、
液体ヘリウムをリサイクル利用するうえで不可欠となる各種計測についても実際に行い、移送効率や回収率の算出を行った。また、実際にヘリウムを回収、液化しているセンターの液化設備を紹介した。
3 日目は、まず実習「真空シール」において、真空断熱容器のシール（インジウムシール）を行い、続いてヘリウムリークディテクタを用いたリークテストを行った。講義「低温の生成」（戸田技術職員）では、物体を冷却する方法、低温寒剤を作る方法など低温を得る方法について紹介した。
「液体ヘリウム使用実習」では、真空シール実習で封じた真空断熱容器を用い、液体窒素による予冷から液体ヘリウムの移送など、典型的な低温実験の手順を紹介するとともに、真空断熱によって液体寒剤中に浸漬しても内部に液体寒剤の温度と異なる温度を作成できること、容器と試料部を接続する材料として銅・ステンレスなどを使い分けることで温度差を作れること、真空断熱容器に熱交換ガスを入れる（真空をやぶる）ことによって、内部の温度が簡単に外部と等しくなることなどを実際に観察した。また、超伝導式液面計や熱音響式液面計を目視液面との比較、液体ヘリウム減圧しての冷却を行い、ヘリウムの超流動転移を観察した。講義「低温実験技術」（中村特任助教）では、低温で真空を得るための気密シールの作成方法やリークテスト法、物質の熱伝導率の違いを利用した熱制御、微小信号測定法、超伝導の利用、低温技術関係の文献紹介など、低温実験を行う際に必要となる基礎的な実験技術について紹介した。
今年度は、昨年度開催において準備不足だった項目を改善しスムーズに実施することができた。実際に受講者自身の手で運搬や移送などの作業を行ってもらうことは、ただ見聞きする場合よりも各段に効果的であると考えられるので、定期的にこのような機会を設けて必要とする方に知識・技術を提供できればと考えている。受講者にはおおむね満足いただけたと考えているが、実習のうち、講師が作業を行い、受講者が観察するような場面においては、作業と同時に説明する難しさを痛感した。次回開催時には改善したい。

図 1: 液体窒素による物体の冷却実験

図 2: 熱音響液面計による液面測定（戸田 記）

110平成 27 年度

低温センター技術研修

低温センターは寒剤を供給することが業務の大きな柱ではあるが、低温環境が科学研究に幅広く浸透している現在、低温環境特有の技術を紹介することは、寒剤を有効に使用してよりよい研究を行ってもらうためには非常に有益である。そのため、平成 27 年度から低温センター技術講習として、低温技術の紹介の場を設けることにした。
本年度はヘリウム移送技術をテーマにして実施した。ヘリウムの移送技術は、学内ユーザーの立場ではセンターから配送された液体ヘリウム容器から実験装置等へと汲みだすときに必要である。各研究室におけるヘリウムガスの損失の大部分は、この移送作業時であると考えられ、なるべく大気にヘリウムを逃がさずかつ効率よく移送作業を行うことは研究室におけるヘリウム使用料金の抑制につながるだけでなく、安価かつ安定的な液体ヘリウムの供給を可能としている再液化リサイクルシステムを維持していくために非常に重要である。特に、我が国ではヘリウムは 100%輸入に頼る天然資源でありかつ高価であるため、ヘリウムガスを回収する再液化リサイクルシステムを維持することは、安定供給に対するリスクを低減させるために必要不可欠である。このように、ヘリウム移送技術は非常に大切であるが、各研究室においては教員・先輩から後輩へと一子相伝的に受け継がれており、世代が進むにつれ正しい方法か
ら外れていってしまうことは十分に考えられる。そこで、本年度の研修は、低温センターの液化供給部門(寺岡技術職員、およびヘリウム移送実習のためにロードセルの使用に対する便宜)、共同利用部門(戸田技術職員)、研究開発部門(村川准教授、中村特任助教)が協力し、実際に液体ヘリウムの移送を体験し、より良い移送技術を習得することを目的とした。研修は一日で収まるコンパクトなものとし、平成 28 年 3月 30 日に実施した。
本研修は実際に液体ヘリウムを移送作業に従事する、計画がある、指導を行う本学教員、職員、大学院生、学部学生と幅広く対象にしている。本年度は、2 研究室から教員 1 名、大学院生 2 名の参加があった。今回の参加者は全員がヘリウム移送の経験がある研究室の所属の方であったが、最終的には、今まで他人(業者)任せになっていたヘリウム移送を実際に行ってみようと考えてくれる研究者が現れると喜ばしい。
研修は、10：00 から 17：00 まで実施し、午前中には座学の講義を、午後にヘリウム移送実習を行った。実際に行った内容は昨年度から実施している東京大学技術職員研修「低温技術研修（初学コース）」の 2 日目の内容を多少アレンジして実施している[1–3]。
午前中の講義は、村川が担当し、寒剤としてのヘリウムの性質、低温環境の効率的な維持の仕方、液体ヘリウムの移送効率などについて行った(図 1)。
午後は実際に液体ヘリウムを移送する実習を村川、中村、寺岡、戸田の指導のもと行った(図 2)。具体的には、以下のとおりである。まず、熱音響式液面計およびロードセルによるヘリウム容器の重量測定か
ら内容量の推定を行い、ガス回収計の値をチェックする。その後に、送液側につけたバルーンを用いてヘリウム容器を加圧し、受液側にヘリウムの移送を行う。移送の過程は、重量測定から判断した。移送の終了後、再び内容量の推定および回収計の値を読み取り、移送効率について考察してもらった。実際に得られた移送効率は理論的に得られるものより、小さな値になってしまったが、これは移送の際の移送管の111

予冷などの熱損失を考慮に入れていないため、やむを得ない。また、技術職員研修のときにも観測されていたが、熱音響型液面計から得られる輸送量と重量測定から得られる輸送量は大きく異なっており、なかなか正しい液面測定は難しいことが分かる。ヘリウムガスの回収率は一回目の移送では 95％程度とまずまずであった。二回目の移送の際は、不自然な値が得られており、回収ガスの温度が室温まで戻りきっていないなどの原因が考えられる。
最終的なデータ解析においては未解明な問題も多かったが、講義、実習ともに受講者にはおおむね好評であった。
今回は告知期間が短くなってしまい、十分に該当者に周知することができたとは言いがたい。今後はもう少し余裕を持った日程で告知を行いたい。今回の技術研修はヘリウム移送がテーマであったが、今後は異なるテーマ(PPMS、MPMS の使い方等)も考えていきたい。

図 1：講義の様子

図 2：実習の様子[1] 戸田他、平成 26 年度低温センター年報 119 ページ[2] 戸田他、平成 27 年度低温センター年報 109 ページ[3] 寺岡他、平成 26 年度低温センター年報 技術ノート 126 ページ（村川 記）

112

職員研修
1. 第一回冷凍部会(公開)例会
日

受講報告

時 平成 27 年 4 月 15 日

場 所 産業技術総合研究所 臨海副都心センター
主催 低温工学・超電導学会 冷凍部会

講師 大森 隆夫(帝京大) 上岡 泰晴(コールドテック)

参加者 低温センター 寺岡 総一郎 他多数
低温・超電導機器の実用化にはシステム全体の侵入熱の低減が不可欠であり、周辺技術である断熱技
術・真空技術は重要なキーテクノロジーである。熱負荷の算出、システム熱設計の最適化の一助とすべく
上記の第一回冷凍部会(公開)例会・低温工学基礎講座：「断熱技術と真空技術」に参加した。本例会では帝京大学の大森隆夫教授からは断熱技術の基礎である熱伝導からクライオスタットの断熱に応用されている多層断熱材まで、コールドテックの上岡泰晴氏からは断熱技術の基盤となる真空技術に関して基礎から応用まで幅広く解説がなされた。両講演とも豊富な配布資料が用意され、当日の内容に基づいて「多層断熱技術」をわかりやすく解説する基礎講座が低温工学誌第 51 巻 6 号より 3 回に亘って連載中である。冷凍部会長の挨拶に続いて行われた帝京大学の大森隆夫教授の講演は、デュワー瓶と水素の液化、真空多層断熱材の発明、多層断熱の効果、真空多層断熱材(MLI)の構成、MLI のアルミ蒸着膜、MLI の断熱性能についてであった。
特に MLI の性能評価に重点が置かれ、講演者の航空宇宙関連の豊富な経験に基づく話題が語られた。
ここで MLI について概略を説明する。デュワー瓶、クライオスタットの断熱真空槽において輻射熱伝導を低減して断熱性能を向上させるためにはアルミ箔のような鏡面を高温壁と低温壁の間に互いに間隔を保って複数配置して、それらの間に温度分布ができるようにすればよい。実際には鏡面膜が直接接触しないように何らかの支持機構が必要で、これは熱侵入増大の原因となる。そこでアルミニウムなどの金属を真空蒸着したプラスチックフィルムを低温面に重ねて巻き付けることにより互いに熱接触の少ない
多層断熱シールドを形成したものが真空多層断熱(MLI)である。MLI には隣接するフィルムが直接接触しないようガラスマット、ポリエステルネットや和紙のスペーサを挟んだものとスペーサは用いずにフィルムに半球型突起を配置した“ディンプル型 MLI”や細かい皺をつけた“皺付け型 MLI”がある。
講演ではカロリメータを用いた皺付け型 MLI と和紙をスペーサに用いた MLI の講演者自身による断熱性能測定の結果、皺付け型のほうが良いことが報告された。また Fermilab の Technical Support Sectionで行われた SSC (Superconducting Super Collider) 計画の超伝導双極磁石用クライオスタットの断熱材
候補の断熱性能試験も紹介された。候補は、ディンプル型 MLI、ガラスマットをスペーサにしたもの、ナイロン製不織布をスペーサにしたものと３つあり、断熱性能パラメータ、到達真空ともにディンプル型のほうが優れていることが示された。断熱性能パラメータは層数または厚みで決まるが、後者に関しては厚みの薄いディンプル型とほかの 2 つの差はさらに広がる。ディンプルは巻き付けに際して重なりを避ける配置となっているなど実際的な手法にも言及。この「MLI にスペーサは必要か？」という議論
は聴講者の関心を呼び、講演後も活発な質疑応答がなされた。

113

続いてコールドテックの上岡泰晴氏による「真空技術と断熱技術」の講演が行われた。主要項目は真空の用途、真空領域とポンプ、真空計、真空と断熱、真空排気の３要素、「コンダクタンス」、「排気速度」、「到達圧力」、放出ガス、高真空を得る技術と高真空を維持する技術、(液体ヘリウムの減圧、系の真空置換)である。特に真空排気時間の計算とともに実際のクライオスタットの真空排気曲線が示され、放出ガス(アウトガス)の排気には長い時間(およそ 30 日)を要することが理解できたのが印象に残った。もっとも日常業務では液体ヘリウム供給容器は不足がちのことが多く、真空排気時間もある程度で妥協せざるを得ないのが実情ではある。放出ガスの説明では表面積を小さくすることが有利であることが強調された。しかしながらクライオスタットの MLI は表面積が大きく層間の間隔も狭いのでコンダクタンスが小さく条件の良くない典型例である。この点に関して質疑応答の終わりに最近の MLI 施工例では排気時間も従来より大幅に短縮されている旨大森先生よりコメントが寄せられた。本学においても液体ヘリウムを長時間保持することは費用、利便性だけでなく環境負荷(電力)の点からも重要で、そのためには断熱技術は欠かせない。今後、設備の維持・更新等に際しては当日の講演内容、配布資料は何度も活用することになるであろう。
（寺岡 記）

2. 平成 27 年度

高圧ガス保安教育 参加報告

日時 平成 27 年 7 月 17 日(金)場

所 東京大学 教養学部及び生産技術研究所流体テクノ室

主催 物性研究所 低温液化室 土屋 光氏

講師 教養学部 松葉 健氏、生産技術研究所 北原 直尚氏

参加者 低温センター 戸田 亮、寺岡 総一郎、加茂 由貴、他 13 名
平成 27 年度 高圧ガス保安教育に参加した。今回の目的は、他キャンパスのヘリウム液化設備を見学することで高圧ガス製造設備に対する理解を深めること、高圧ガス設備を持つ他大学の技術職員との交流を通して高圧ガスの取り扱いや保安管理に関する情報・意見交換を行うことである。
始めに生産技術研究所 流体テクノ室で液化設備の概要、近年発生した事故事例の紹介を聞いた。中でもヘリウムガス回収用圧縮機シリンダーインクドロップテストの話が興味深かった。インクドロップテ
ストは GREENFIELD 社製の圧縮機で、運転時間が 6,000 時間に達した圧縮機を対象に、シリンダーの内壁に施されている窒化層の状態を確認するものである。GREENFIELD 社製の圧縮機はピストンリン
グの長寿命化のためシリンダー内壁に窒化処理を行っているが、圧縮機を稼動するとシリンダー内壁とピストンが擦れるため窒化層が徐々に無くなって行く。窒化層が消滅した状態で運転するとピストンが異常摩耗してしまう可能性があるため、インクドロップテストで状態を確認し、必要に応じてシリンダー交換を実施する。以前流体テクノ室でシリンダー交換を行った際は、認定品ではなく KHK 委託検査品の交換だったため監督官庁へ変更許可申請を行ったが、平成 23 年の経済産業省の通達により現在は軽微変更で対応できるとのことだった。低温センターの圧縮機もインクドロップテストを検討している段階であり、監督官庁への届出の話も含めてとても参考になった。その他、ヘリウム液化機タービンの冷却水センサ不良や、液化機運転中における突発停電後の液化機制御盤復旧方法など、今後の高圧ガス保安業務
で大変参考になる話を聞いた。

114

流体テクノ室の設備見学後、教養学部 低温サブセンターの設備見学をした。教養学部は平成 25 年度
末に液化機をリンデ社製 L70 に更新し、平成 26 年度 5 月から供給を行っている。稼動開始後は、液化機停止の際にタービンの回転数が落ちない・一晩で HP ラインの圧力が 0.3 MPa まで低下するなどのトラブルがあったと説明があった。タービン入口バルブのシール不良が疑われたため、バルブのシールを交換し、現在は正常に運転できているとのことだった。設備トラブルの中で特に印象的だったのがエア
コンプレッサーのニトリルゴムホースの破裂である。ニトリルゴムは不飽和構造(二重結合)でオゾンとの反応性が高く、二重結合が切れると亀裂を生じさせる。今回の話はオゾン劣化が原因で、同様のトラブル
は他の事業所でも発生していると聞いた。この問題は効率の良い最新式エアコンプレッサーで生じており、旧型のエアコンプレッサーは効率の悪さから発生した熱でオゾンが分解されるため問題は起きていないとのことだった。ホースはオゾン対策品へ切り替えて運用する予定である。液化機の低温バルブにもニトリルゴムを使用しており、対策としてエアコンプレッサーの入口にオゾンフィルターを設けることも検討しているとのことだった。
今回の保安教育ではヘリウム液化設備のトラブルとその対応を数多く学ぶことができた。また他大学の高圧ガス関連職員とも活発な意見交換ができた。今回学んだ知識を日々の保安業務に活かしていきたい。今回の保安教育でお世話になった教養学部 松葉 健氏、生産技術研究所 北原 直尚氏、金子 和行
氏、並びに本保安教育を企画された物性研究所低温液化室 土屋光氏に心から感謝いたします。

（加茂 記）

3. 『PPMS シリーズ』テクニカルセミナー
日

時 平成 27 年 10 月 21 日（水）、22 日（木）場

所 日本カンタム・デザイン株式会社 本社

主 催 日本カンタム・デザイン株式会社
講 師 Quantum Design 社 Neil Dilly 氏、日本カンタム・デザイン社 上村 彰 氏
参加者 低温センター 戸田 亮

本学もしくは他機関の関連業務従事者（約 10 名）

日本カンタム・デザイン社が開催した PPMS シリーズの技術セミナーを受講した。本セミナーに参加した目的は、
低温センターにも設置されている PPMS 装置の測定原理・技術仕様についての知識を深め、それを装置の保守管理および装置利用者からの測定相談に活かし、東京大学における物性研究の遂行に資することである。

115

Quantum Design 社の PPMS では、広範な温度・磁場範囲において、電気伝導の測定を行うことができる。別売りのオプションを利用することにより、比熱・熱伝導などの熱物性や磁化率の測定も可能となる。また、PPMS を温度と磁場を制御するためのプラットフォームとして用い、任意の外部機器とうまく組み合わせることにより、メーカーオプションとして用意されていない種類の測定を行うことも可能である。
21 日の午前には、最も標準的な測定である電気抵抗測定に関して、PPMS で採用している測定原理、測定機器の仕様と測定結果を解釈する上での留意点について講義があった。午後には PPMS に外部機器を組み合わせた測定を行う場合について、ユーザーが自作する外部機器用のプログラムと PPMS 制御プ
ログラムの同期の取り方についての講義や、これまでに行われている外部機器を用いた測定事例の紹介があった。22 日は熱容量、熱伝導測定について初日と同様、測定原理・機器の仕様、結果解釈上の留意点について講義があった。
PPMS においては、多くの場合、試料をセットした後、測定温度や磁場等の条件を決めるだけで自動的に測定を行うことができる。このため、その測定原理を意識せずに利用する利用者も少なからず存在する。多くの場合、測定原理や機器の仕様を意識せず、結果のみを信用しても問題が表面化しないが、測定条件が想定された範囲を逸脱してしまい、結果の解釈を誤るケースもある。本セミナーで学習したことや、普段の運用上得られた知見などを利用者に伝え、正しい結果の解釈と研究のスムーズな遂行に寄与できるように努めたい。
（戸田 記）

4. 「保安検査のポイントと事例紹介セミナー」参加報告
日時 平成 28 年 2 月 17 日（水）場

所 タワーホール船堀(東京都 江戸川区)

主催 高圧ガス保安協会

講師 高圧ガス保安協会 宇都宮 敏氏

参加者 低温センター 阿部 美玲、他 約 190 名
低温センターは高圧ガス保安法一般高圧ガス保安規則(以下、一般則)が適用される高圧ガス第一種製造所であり、年 1 回の保安検査受検義務がある。保安検査では行政庁による立入検査が行なわれ、近年は指摘事項なく合格という好結果が続いているが、諸先輩方から引き継いだ保安検査対応の業務をより体系立てて理解するために受講した。
講義は、一般則だけでなく高圧ガス保安法全体を網羅する構成で、法令の基準制定に至った具体的な事
故事例の説明を交えて進められた。保安検査の目的は事業所の設備(ハード)が技術上の基準を満たした健
全な状態であるかどうかを行政庁が検査することにある。行政庁としては、日常点検や保安管理組織などソフト面が機能して初めてハードを健全に保つことができるとの認識を持っているので、立入検査時に各種書類の厳重な点検や保安管理体制を含めた検査を行なっているとのことだった。また、立入時に検査官が確認する具体的な事項や、関連した日々の業務改善のアイディアが説明された。例えば、すべての出入り口への警戒標設置やバルブの適切な操作のための措置が技術上の基準に定められている。講師
が過去に立入検査で何度か目撃した事例として、日頃人通りの無い通用門への警戒標掲示忘れや、作業116

者のバルブ操作を補助する開閉札を設備から離れた通路で拾った事例などが紹介された。このうち後者は、強風などで開閉札が気が付かないうちに飛ばされたことが原因と考えられ、飛ばされない構造に変えることはコストがかかって難しいとしても、開閉札に予めバルブ番号を記入しておけば万が一外れた
ときでも発見時の現場での混乱を小さくできるとアドバイスしたとのことだった。
今後、液化供給部門では、これまでの業務に加え、製造事業所の外に設置されている低圧ガス設備の自主点検などをこれまで以上に積極的に実施していくという課題がある。今回の講義を参考に、各種の基準類を見直して現在の保安検査対応の作業内容を精査し、限られた人員と費用であっても製造事業所設
備のコンプライアンスを維持できるよう努めていきたい。
（阿部 記）

5. 平成 27 年度高エネルギー加速器研究機構技術研究会 参加報告
日時 平成 28 年 3 月 17 日（木)場

所 高エネルギー加速器研究機構(茨城県 つくば市)

主

催 高エネルギー加速器研究機構

参加者 低温センター 阿部 美玲、他
液化供給業務や総合技術本部運営の参考とするため、平成 27 年度高エネルギー加速器研究機構(以下、KEK)技術研究会の第 1 日目(全 2 日間)に聴講参加した。
開会式の後、平成 27 年度 KEK 技術賞受賞講演があった。KEK 技術賞は、技術・事務、常勤・非常勤を問わず KEK で働く職員から提案され実施された、同機構の運営や技術発展に寄与した事業へ年に 1 度授与される制度である。平成 27 年度は 2 件が受賞した。このうち大畠技術職員が発表した「Ｅ36 冷却システムの再構築ならびに J-PARC 大型 Helium 低温設備の集中管理制御システムの確立」では、10 年間未使用のまま放置されていたヘリウム冷凍機を本体の部品から制御ボード設計に至るまで KEK 教職員が行なって、東海村の J-PARC での再構築に成功した事例が説明された。その後、第 4 分野(真空、低温)と第 5 分野(情報処理)の口頭発表を聴講した。業務上使用する道具改良の創意工夫や、自前開発した案件での失敗談、業務遂行上の留意点など、それぞれの分野や所属機関ならではの取り組みが多数発表された。
普段の業務ではつい目先の作業にばかり没頭してしまいがちだが、今回、他機関での様々な活動を目の当たりにして、日常業務の課題解決に向けた自分たちの取り組みを振り返るよいきっかけとなった。また、研究会進行や会場設営に当たって気づいた点は来春に本学総合技術本部が中心となって開催される総合技術研究会にも反映していきたい。
（阿部 記）

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技術系職員 発表リスト
発表論文、著書等
1. 液体ヘリウムの移送効率
寺岡 総一郎，戸田 亮，加茂 由貴，志村 芽衣，阿部 美玲
平成 26 年度 東京大学低温センター年報, 126 (2015)
セミナー・講習等（依頼講演）
2. 平成 27 年度高圧ガス講習会
阿部 美玲
平成 27 年度 化学物質・UTCRIS・高圧ガス・レーザー取り扱い講習会（東京大学）2015 年 6 月
国内会議（一般講演）
3. 1 次元硫黄鎖を内包するカーボンナノチューブの低温伝導特性
中山 和貴，杉本 宗太郎，戸田 亮，松井 朋裕，藤森 利彦，金子 克美，福山 寛
日本物理学会 2015 年秋季大会・物性分野（関西大学）2015 年 9 月
4. 本郷地区キャンパスでの寒剤使用時のお願い志村 芽衣，阿部 美玲，加茂 由貴，寺岡 総一郎，板垣 信則，戸田 亮
第７回 低温センター研究交流会（東京大学）2016 年 2 月
5. ドライかウェットか？ 低温センターの TSCP 活動
寺岡 総一郎，戸田 亮，福山 寛
第７回 低温センター研究交流会（東京大学）2016 年 2 月
6. 低温センター共同利用部門紹介
戸田 亮
第 7 回 低温センター研究交流会（東京大学）2016 年 2 月
7. 液体窒素使用時における各種手袋の性能評価
中村 祥子，藤井 武則，戸田 亮，寺岡 総一郎
第７回 低温センター研究交流会（東京大学）2016 年 2 月
8. 低温センター 液化供給部門 業務紹介
阿部 美玲，加茂 由貴，志村 芽衣，寺岡 総一郎，板垣 信則，戸田 亮
第 1 回 東京大学技術発表会（東京大学）2016 年 3 月
9. 本郷地区キャンパスでの寒剤使用時のユーザーへの注意喚起について
志村 芽衣，阿部 美玲，加茂 由貴，寺岡 総一郎，板垣 信則，戸田 亮
第 1 回 東京大学技術発表会（東京大学）2016 年 3 月
10. 低温センター共同利用部門紹介
戸田 亮
第 1 回 東京大学技術発表会（東京大学）2016 年 3 月
11. ヘリウムガス回収における純度管理のネットワーク化
八幡 一志，笹尾 愛，阿部 美玲，土屋 光
第 1 回 東京大学技術発表会（東京大学）2016 年 3 月

118

技術ノート技術ノートウェットかドライか？

低温センターの TSCP 活動

低温センター・液化供給部門 1、共同利用部門 2、研究開発部門 3
寺岡 総一郎 1、戸田 亮 2、福山 寛 3
1. 概要

近年、液体ヘリウムの再充填作業が不要で簡便に T = 4 K の極低温環境を実現できるパルス管
冷凍機や GM 冷凍機など、いわゆる個別「冷凍機」の普及が急速に進んでいる。低温センターのようなヘリウム再液化施設がなく、液体ヘリウムが安定して安価に調達できない一般の企業や病院、研究機関では、冷凍機導入のメリットは大きい。しかし、冷凍機の消費電力は冷却能力に比してかなり大きく、その安易な導入は本学が進める地球環境負荷低減のための東大サステナブル
キャンパスプロジェクト(TSCP)の理念に逆行するだけでなく、維持経費の点でも大きな財政負担となることを具体的に把握している研究者は意外と少ない。
そこで、現在、本郷地区キャンパスで低温センターから液体ヘリウムの供給を受けている浸漬式冷却装置(ウエット方式)をすべて冷凍機(ドライ方式)に置き換えた場合、キャンパス全体で年間どのくらい所要電力量と維持費が増加するかを試算することにした。そのためには、個々の装置の液体ヘリウム消費量や稼働時間を知る必要があるが、それらは千差万別であり、登録されている装置数は 160 台もあって、定量的に信頼できる試算を行うことは容易でない。そこで我々は、
全装置を４つのカテゴリーに大別し、月初の装置毎のヘリウム残量報告データから装置カテゴ
リー別の平均の稼働月数を、実験室毎の寒剤供給状況から同じくヘリウム使用量を推定した。
試算の結果、現状のウェット方式が、TSCP、維持経費いずれの点でも圧倒的にメリットが大き
く、キャンパス全体で年間 800 万 kWh 以上の節電、2 億円以上の節約になっていることがわかった。これを第 7 回低温センター研究交流会[1]で発表したところ、参加者から大きな反響をいただ
いた。本稿ではその具体的な算出方法について説明する。なお、この試算は特に記す以外、平成
27 年度における各種データに基づき、低温センターが寒剤供給する本郷・弥生・浅野の本郷地区
3 キャンパスに対して行ったものである。

2. 学内の浸漬式冷却装置の分類
まず、低温センターから液体ヘリウムの供給を受けている浸漬冷却方式の実験装置を、液体ヘリウム蒸発率、補充頻度、装置稼働率などによって次の A〜D の４つのカテゴリーに大別する。
A：NMR 分析装置
B：PPMSa)、MPMSb)などの汎用物性測定装置
C：温度可変インサート、超電導電磁石、3He冷凍機、希釈冷凍機などの一般クライオスタット
D：連続フロークライオスタット
各カテゴリーの装置数はそれぞれ 39、40、54、27 台と比較的近い(図 1 参照) c)。
カテゴリーA の NMR 分析装置では、定常磁場発生用の超電導電磁石を冷却するのに液体ヘリa),b) Quantum Design 社の登録商標。
c) カテゴリー別装置台数は平成 26 年度のデータを用いた。

120

汎用物性測定装置

NMR分析装置

A

1)

B

一般クライオスタット

連続フロークライオスタット

C

D

2)

3)

4)

5)

1) https://www.bruker.com/products/mr/nmr/magnets/magnets.html より転載
2) http://www.oxford-instruments.jp/products/cryogenic-systems/より転載
3),4) http://www.janis.com/Products/productsoverview/より転載
5) http://arscryo.com/より転載

図１：学内で使用されている実験装置を、運転形態や断熱性能などの違いから A〜D の 4 つのカテゴリーに分類する。右はカテゴリー別の台数分布。
ウムを用いる。近年の液体窒素シールド式 NMR クライオスタットの液体ヘリウム蒸発率の典型的な値は 10 cc/h 程度と低い。通年冷却で使用され、液体ヘリウムの補充は 1 ヶ月～数ヶ月に 1 回程度である。なお、800 MHz の NMR 分析装置は高磁場超電導電磁石を 2.2 K に減圧冷却 (ラムダ冷却)するオペレーションがなされるので、減圧しないタイプより液体ヘリウムの消費量が多い。
そのためこれは次のカテゴリーB に含めた。
カテゴリーB の汎用物性測定装置は PPMS (Physical Property Measurement System)、MPMS(Magnetic Property Measurement System)に代表される電気伝導率、比熱、熱伝導率、磁化率等の物性測定を一台で行うことができる装置で、一研究グループで複数台所有する例も少なくない。
装置稼働率が高いことに加えて準低損失型のクライオスタットを採用していることから、保守作
業に伴う休止期間を除いてほぼ通年冷却される場合が多い。液体ヘリウムの補充は印加磁場の強さや掃引の仕方にもよるが、週に 1～2 回程度である。
カテゴリーC の一般クライオスタットは大抵、冷凍機本体や超電導電磁石を上方に抜き取ることができるオープンデュワー方式で、特殊なケーブル追加や超電導電磁石の更新など実験目的に応じた仕様変更が容易で柔軟性に富む反面、液体ヘリウム蒸発率はカテゴリーB と比べて多い。
そのため稼働率が低い利用例もある一方、研究分野によっては数ヶ月から 1 年単位で連続冷却することも少なくない。液体ヘリウムの補充は運転方法や機種によってかなり異なるが、週に 2～3回程度である。
カテゴリーD の連続フロークライオスタットには、光学実験用クライオスタット、光学顕微鏡

121

用冷却ステージ、低温プローバ、超高真空用 XYZ ステージ(マニピュレータ)などが相当する。液体ヘリウム可搬容器とトランスファーチューブ(移送管)で接続し、クライオスタット出口側をポンプ排気するなどして低温ヘリウムガスと試料ステージを熱交換させて冷却するタイプで、液体ヘリウム槽は有しない。実験のたびに室温から冷却する。定常状態での典型的な液体ヘリウム消費量は 0.5～1.0 L/h である。

3. 装置カテゴリー別の年間稼働月数の評価
既存の浸漬式冷却装置をすべて冷凍機に置き換えたときの消費電力量を試算するには、装置カ
テゴリー別の年間稼働時間 (月数)を何らかの方法で評価する必要がある。低温センターでは、毎
月初、ユーザーに各装置内の液体ヘリウム残量(装置在庫量)をガスデータとして報告していただ
いている。
「装置在庫量」が有限値なら前月その装置は稼働状態、ゼロなら休止状態だったと考え、個別装置の年間稼働月数(Mi：i は各装置の通番)を推定した。統計性を向上させるため、ここでは当該装置の登録開始時から平成 27
た。その結果、カテゴリーA、B、
C の平均の年間稼働月数(MA, MB,

MC)は図 2(左)に示すようにそれぞれ 11.2、10.5、3.1 月となった。一方、連続フロークライオスタットという特性上、カテゴリーD にこの方法は使えないので(液体ヘリウム

12

平均年間稼働月数

年度末までの全データを参照し

9

D,
9,222

A,
7,264

C,
78,916

B,
87,871

6
3
0

A

B

C

D

の装置内在庫は常にゼロ)、カテゴ
リーD の装置しか使用しない実験

図２：本郷地区キャンパス内浸漬冷却式装置のカテゴリー別室への液体ヘリウム供給実績をもの平均年間稼働月数(左)および液体ヘリウム年間使用量(単位とにして MD = 0.9 月と推定した。

リットル)(右)。

4. 浸漬式冷却(ウェット)方式の液体ヘリウム使用料金と消費電力
次に、装置カテゴリー別の平均の年間液体ヘリウム使用量を推定する方法を説明する。低温センターでは実験装置毎ではなく実験室(使用場所)毎にヘリウム使用量(＝配達量−回収量)を集計しており、一つの実験室で複数のカテゴリーの装置が混在している場合も多く、同じカテゴリー内でも装置によって蒸発量も運転形態も異なるので、その推定には少し工夫がいる。我々が知りた
いのは個々の実験室や装置の値ではないので、カテゴリー別に平均した装置 1 台あたりの「通年」
液体ヘリウム使用量(VA, VB, VC, VD)を以下に説明する繰り返し計算から求めることにした。ここで、通年使用量とは「仮に」その装置を通年運転したときに使用する液体ヘリウム量のことである。
例えば、ある実験室には装置 1(カテゴリーA)と装置 2(カテゴリーB)のみがあるとする。この実
験室の液体ヘリウム使用量 vFY は既知であり、それぞれの装置の年間稼働月数 m1A, m2B も前章で説明したように装置在庫量データから推定できている。いま VA, VB に適当な初期値を与えれば、次の按分式を使って vFY から個別装置の「年間」使用量 v1A, v2B に換算できる。

122

v1A = vFY×(m1A×VA) / (m1A×VA + m2B×VB)
v2B = vFY×(m2B×VB) / (m1A×VA + m2B×VB)
他のカテゴリーや任意の台数がある実験室についても同様に書き下せる。これを学内すべての個別装置 i に対して行い、それぞれの年間使用量 vi を算出して、次式を使ってカテゴリー別の通年
使用量 VA’, VB’, VC’, VD’を計算してみる。

V ’A,B,C,D = Σ[(12/mi)×vi ] / NA,B,C,D
和はカテゴリーA, B, C, D 毎に i について取る。ここで、NA〜ND はカテゴリー毎の装置総数である。こうして求めた VA’,〜VD’を新しい初期値として上記の計算を再び行う。これを 10 回も繰り返せば結果はよく収束し、最も確からしい VA〜VD の値を求めることができる。収束した VA〜VDに年間平均稼働月数(MA〜MD)を 12 で除した稼働率を乗ずれば、最終的に求めたい装置カテゴ
リー別 1 台あたりの年間液体ヘリウム使用量が得られる。結果を図２(右)に示す。それに、平成
27 年度の液体ヘリウム平均単価 311 円/L(平均回収率 91.0%に対応)をかければ、同じく年間寒剤
使用料金を算出することができる。表１にはこれを「装置 1 台の維持費」としてカテゴリー別に示した。
浸漬式の消費電力は、低温センター内で回収ヘリウムガスを再液化するときに使う回収設備や液化機の運転によるもので、いずれも圧縮機の消費が主である。平成 27 年度の消費電力量は 49
万 kWh である。表 1 に記した装置カテゴリー別の電力使用量(電力量)は、49 万 kWh を上記で求めた寒剤使用量で按分した値である。なお、低温センターの場合、この電力料金も寒剤使用料金の中に含まれており、ユーザーが負担している。

カテ装置

浸漬冷却方式(低温センター平成 27 年度実績)

ゴ

台数

電力量

装置

(千 kWh/年)

リー

維持費 6)(千円/年)

装置 1 台の維持費(千円/年)

冷凍機方式(パルス管での試算)
電力量(千 kWh/年)

維持費 7)(千円/年)

装置 1 台の維持費(千円/年)

A

39

19

2,259

58

2,940

82,700

2,120

B

40

234

27,328683

3,890 8)100,100

2,500

C

54

210

24,543455

1,540

70,100

1,300

D

27

24

2,868

106

240

25,700

950

本郷地
区キャ
ンパス

160

487

56,9988,610

278,600

合計6) 寒剤費(電力料金や損失ヘリウムガス補填代金を含む)と同等。
7) 電気料金と保守点検費の合計。
8) 水冷チラー付再凝縮タイプの PPMS と MPMS のカタログ値に基づく。

表１：低温センターが再液化する液体ヘリウムを利用する現行の浸漬冷却方式による本郷地区
キャンパス全体の消費電力量と維持費の平成 27 年度実績値と、キャンパス内実験装置をすべて
液体ヘリウムの補充を要しないパルス管冷凍機に置き換えた場合(冷凍機方式)の消費電力量と維持費の試算。

123

5. 冷凍機(ドライ)方式の消費電力と維持費
低温センターに登録されている学内の全ての浸漬式冷却装置を、すべて冷凍機での冷却に置き換えた場合の消費電力と維持費を試算してみる。冷凍機としては T = 4 K での冷却力が1.0 W の
パルス管冷凍機を想定し、代表的なメーカー2社(C 社と S 社)の製品を半数ずつ使用するとした。
消費電力は両メーカーのカタログ値を用いたが、そのほとんどは圧縮機ユニットの消費(7.9,
7.2 kWh)である。両社とも水冷式圧縮機なので、これに冷却水用チラーの電力(5.2 kWh)が加わる。
年間稼働月数は第3章で求めた値をそのまま使う。こうして装置カテゴリー別に試算した年間消費電力量を表１に示す。いずれのカテゴリーも桁違いに電力量が増し、キャンパス全体では800万
kWh 以上増加することが分かる。TSCP の観点からは決して容認できない大きな数字である。
上記の試算方法について少し補足する。カテゴリーA の NMR 分析装置を冷凍機式に置き換える方法には、冷凍機がデュワー上部に直置きされたいわゆるゼロボイル型と冷凍機を装置外に別置きした再凝縮装置追加型の 2 通りある。ゼロボイル型の場合、室温からの熱流入は液体窒素槽の代わりに冷凍機の 1st ステージの冷却力で遮蔽するのでデュワーの構造が浸漬式とまったく異なる。液体窒素補充の必要がなく運転労力が少ない一方、冷凍機への熱負荷が大きいので消費電力のより大きい大容量の冷凍機を使う必要がある。一方、再凝縮装置追加型に置き換える場合は、既存の浸漬式装置に比較的短いトランスファーチューブで冷凍機再凝縮ユニットを外部連結する
ので、ゼロボイル型より改造費が安く、液体窒素シールドを併用するのでより小容量の冷凍機を使うことができる。したがって、カテゴリーA だけは 0.5 W@4 K 級の冷凍機で試算し、そのうち半数の研究室ではさらに消費電力の少ない空冷式圧縮機ユニットをもつ製品(C 社)に置き換えるとした。
個別冷凍機に置き換えた場合の維持費を考えるとき、忘れてならないのは、電気料金の他に 1台あたり年間 50〜200 万円の機器保守点検費用がかかることである(運転時間に応じて交換する

億円以上、維持費が増すという試算結果となる。
参考までに、装置 1 台当たりの両方式による平均年間維持費を図 3 にグラフでも比較しておく。電力の点でも維持費の点

保守費用

1,000
500
0

D-wet
wet D
dry D
D-dry

キャンパス全体では浸漬方式に比べて 2

1,500

C-wet
wet C
dry C
C-dry

に含めた。それでも表 1 にあるように、

2,000

電気料金

年間 80 万円と少なめに見積もって維持費

2,500

寒剤費

は、カテゴリーに依らず一律 1 台あたり

3,000

B-wet
wet B
B-dry
dry B

きく異なるので試算が難しいが、表 1 で

A-wet
wet A
A-dry
dry A

テゴリー、機種、保守契約内容によって大装置１台当たりの平均年間維持費[千円]
装置１台当たりの平均年間維持費 [千円]

消耗品代を含む)。具体的な金額は装置カ

でも、すべてのカテゴリーでウェット方式

図３：装置カテゴリー別 1 台あたりの浸漬(wet)方の削減効果が極めて大きい。

式と冷凍機(dry)方式の年間維持費の比較。

124

6. まとめ
本学でも電気料金の部局負担から研究室負担への移行が進みつつある現在、これと似たような試算を研究室単位でされた方も多いであろう。本稿は、本郷地区キャンパスを例にとり、それをキャンパス全体に対してできるだけ現実的で定量的な試算を行ったものである。その結果、冒頭でも述べたとおり、ヘリウムを低温センターで再液化する現行のリサイクルシステム(浸漬冷却あるいはウェット方式)は、これを装置個別の冷凍機に代替した場合(ドライ方式)に比べ、本郷地区の 3 キャンパスだけでも年間 800 万 kWh 以上の節電、2 億円以上の経費節約になっていることがわかった。一般に業務や機能を集約すれば節電、節約効果が期待できるものだが、これほど大きな集約効果(電力量が 1/18、経費が 1/5)がある分野もめずらしいのではなかろうか。今日、極低温を利用する先端実験装置は自然科学のほとんどの分野にユビキタスに行き渡っており、大学のようにそれが大規模に集積した事業所では、ヘリウムリサイクルシステムのメリットが一層増幅されるのである。このメリットは、液体ヘリウムの再充填作業に要する研究者の労力と時間を補って余りあると思うし、何より CO2 排出量を抑えることは大学が社会に率先して取り組むべき責務であろう。ヘリウムリサイクルシステムは TSCP 活動の優等生と言える。

参考文献[1] 寺岡 総一郎、戸田 亮、福山 寛, 第 7 回低温センター研究交流会概要集 p66 (2015).

125

技術ノート液体窒素使用時における各種手袋の性能評価
低温センター・研究開発部門１、液化供給部門２、共同利用部門３
中村 祥子１、藤井 武則１、寺岡 総一郎２、戸田 亮３
1. 背景
低温センターでは高圧ガス製造所として高圧ガス保安法に定められる安全教育を行っており、
液体寒剤の使用者に対しては、凍傷を防ぐために適切な保護具の着用を呼びかけている。手指は特に、誤って寒冷に接しやすい部位であり、その保護には適切な手袋の着用が効果的である。
低温センターでは多層構造の極低温用手袋であるクライオグローブ[1]を採用しており、安全講習会でも紹介してきたが、学内では軍手やニトリル手袋を着用した作業による凍傷事故も散見され、液体寒剤使用時の手袋についての知識不足をうかがわせる。事故事例の中には、適切な手袋着用により防げた事故もあれば、保護性能と作業性のトレードオフから手袋による対応が難し
く、そもそもの作業手順や道具に見直しが必要なケースもあり、様々な手袋の保護性能についての目安が必要とされている。そこで、低温業界で伝統的に使用されてきた革手袋も含めた各種手袋について、液体寒剤使用時における保護性能を実測した。

2. 測定手順
手袋をかぶせた魚肉ソーセージの表面にＴ型熱電対を貼付し、手袋の外側から寒冷に接触させ、熱電対の示す温度の時間変化を測定した。一般に、指の表面温度が −２℃付近になると凍傷が生じると言われている。魚肉ソーセージは、人の指と同様の大きさ、熱容量、熱伝導度を有するものとして使用したが、実際の人体とは異なり血流による熱伝導や発汗、発熱が無いので、温度変化の絶対値は、あくまで目安として考えてほしい。
液体寒剤の使用時に手指が寒冷に接触する可能性としては、


液体寒剤によって冷却された固体に触れる（図１(a)）



液体寒剤の飛沫を浴びる（図１(b)）



液体寒剤に手を浸ける（図１(c)、例えば、落とした物を拾おうとして）

液体寒剤が急速に蒸発して冷たい蒸気に触れる（特に液体ヘリウムの使用時）といった場合が考えられる。今回、はじめの３点について、図１の写真に示したような状況で、液体窒素を用いた模擬実験を行った。

（a）

（b）

（c）

図１．(a) 測温体（魚肉ソーセージ入り手袋）を液体窒素に半分浸かった金属板に乗せる（自重のみ） (b) 測温体に液体窒素 100 cc を浴びせかける (c) 測温体を液体窒素に浸ける様子。

126

液体寒剤を用いるときに特に危険とされる軍手については、図２(左)に示すような銅ブロックに図２(右)のように軍手をはめ

図２．沸騰曲線測定用て液体窒素で浸漬冷却し、銅ブロックの中の銅ブロック。右は、心に埋め込んだＴ型熱電対の示す温度と銅

左に軍手の指先部分

ブロックの熱容量から沸騰曲線を計算するをかぶせたもの。

(a)

ことで、より詳しく考察した。

3. 結果・考察
図１(a)のように測温体を冷たい金属に載せた
場合の温度変化を図３に示した。色付け部分は、
水の氷点以下を示している。氷点付近の温度で温度変化が緩やかになるのはソーセージ中の水分が凍る影響で、人体では凍傷による不可逆な変化に相当する。
冬季に日常で使うような、厚く、間に空気を含む手袋が保温性能に優れていた。素手と示したのは、魚肉ソーセージに何も付けずに金属板に置いた場合を示している。この模擬実験では接触圧力
は自重のみだが、冷たい金属を掴むような場合は何倍も速く冷却が進むので注意が必要である。
冷たい金属に濡れた手で触ると貼り付いて危

図３．冷たい金属に触れる場合の各種手袋の保温性能。

険というのはよく知られた事実だが、今回の実験のように液体窒素温度付近という極端な低温の場合には、貼り付くことはなかった。もちろん安全ということではなく、貼り付く間もなく凍ってしまうというだけである。液体窒素中だと一瞬なら気体の保護層によって守られるが、この金属板の場合、一瞬でも触れると忽ち白く凍りついた。金属板を液体窒素から取り出して−40～−20℃付近の温度域まで温めると、霜が成長すると同時に、乾いた魚肉ソーセージでも空気中や霜の水分によって金属板に貼り付くようになった。

図４．液体窒素を浴びせたとき(左)と液体窒素に浸けたとき(右)の各種手袋の保温性能。

127

図４には、測温体が図１(b)のように液体窒素を浴びたとき(左)と、図１(c)のように液体窒素に浸されたとき(右)の様子を示す。液体窒素を浴びる、または液体窒素に浸かる場合には、軍手は極めて危険である。図４では赤線で示したが、黒線で示されている素手（実験では、何もかぶせていないソーセージ）よりも急速に冷却される上に、染み込んだ液体窒素がなかなか蒸発しない
ため、昇温するのも遅い。残念なことに、古くから用いられてきた革手袋も似た振る舞いを見せている。革手袋の場合は、縫い目や傷んだ部分から局所的に液体窒素が侵入するので軍手よりも少し時間的猶予があるが、一度染み込むと一気に冷えてしまい全く乾かない。革手袋を用いる場
合、装着せずに雑巾のように使うように推奨される場合があるが、これは、一度染み込むと数秒以内で凍り付いてしまい脱ぎ捨てられないことに基づくのだろう。
ビニール手袋やゴム手袋の場合、液体窒素が染み込まないので、温度変化は、素材の熱伝導率と厚さによって決まる。しかし、熱収縮と低温脆性（低温で柔軟性を失い、外力に対する応答が変形ではなく破壊になる）の問題があるので、これらの薄くて全体が冷えてしまう手袋は実際の使用には耐えない。特にゴム手袋（薬品用の、やや厚手のもの）の場合は、２回試して２回とも、液体窒素に浸して約５秒後に破裂してしまった。
液体窒素に直接触れる可能性がある場合には、防水タイプの低温用手袋が推奨されている。これは、アラミド系の耐寒繊維の多層型手袋に防水層を加えたものである。液体窒素に浸ける場合は保証外だが、図４(右)に示したように、高い保温性能を誇る。少量（100 mL）を一過的に浴びる程度であれば、図４(左)に示したように、非防水タイプでも影響は小さい。しかし、浴びせかけた液体窒素の量や位置によっては、液体窒素に浸けたときと同様に、十秒超後に一気に冷えてしまったので、明らかに液体窒素を浴びた場合には、すぐに手袋を手から外した方が良いだろう。
最後に、浸漬冷却の際に軍手の着用によって冷却速度が上がる理由について考察する。液体窒
素を扱うときに軍手の着用が危険とされるのは、軍手の先端のみが液体窒素に触れた場合にも液体窒素を吸い上げて手に液体窒素を接触させてしまうからである。しかし、図４(右)の結果から、

図５．
（左）銅片を直接、軍手をかぶせて、または軍手の上にサニメント手袋をかぶせて液体窒素に浸けときの銅片中心温度の時間変化。
（右）温度の時間変化と銅の比熱[2]から求めた沸騰曲線と、膜沸騰領域における特徴長さ依存性の文献値[3]。

128完全に液体窒素に囲まれた浸漬冷却の状況でも、軍手を着用した方が急速に冷却されることがわかった。図２に示した銅片を浸漬冷却し、温度の時間変化（図５(左)）から沸騰曲線を調べた結果を図５(右)に示す。軍手の着用による影響があるのは、銅片の表面が蒸気に覆われていて銅片と液体窒素の温度差が大きい膜沸騰領域のみであることが判明した。膜沸騰領域での熱伝達は、膜厚の不安定性から生成し成長した泡が膜から離れる条件に制限されることが知られており、離れる段階での泡が小さいほど熱伝達効率が良い[2]。軍手による表面の凸凹は、泡が膜から離れることを促進すると考えられる。文献値と対照すると、軍手をかぶせないときには 1 mm程度であった特徴長さが、軍手をかぶせる
ことで 0.4 mm 程度になったということになり、その大きさは軍手の目の粗さと大よそ対応している。沸騰の様子を見ると、図６の写真では判別が難しいが、軍手のすぐ周
図６．軍手をかぶせなかった場合（左）とかぶせた辺が細かな泡によって白っぽく見えた。そ場合（右）の、液体窒素で浸漬冷却している銅片ののような小泡が効率よく熱を運んでいると周囲の気泡の様子。

考えられる。

図５には、参考として、軍手の上にサニメント手袋をかぶせた場合の沸騰曲線と温度の時間変化も載せている。この場合は、表面温度と銅片の中心温度に差異があるため熱流束の値が小さく、膜沸騰から核沸騰へ切り替わる温度もずれている。もし銅片表面ではない部分が熱流束に大きく関わっているとすると同様の影響が出たと考えられる。なお、軍手の上にサニメント手袋をかぶせた場合、市販の低温用手袋に相当する断熱性能を発揮するが、少しの振動でサニメント手袋が破れ、軍手のみの場合と同様の状況になった（図５(左)参照）。また、実際に手に装着して低温蒸気で冷却するとパキパキと音を立てながらサニメント手袋が手を締め付けるように収縮して凍っていったので低温用手袋としての実用には耐えない。液の染み込みから保護する最外層は、市販品のように耐寒繊維の密な織物に樹脂を含浸したものでないと機械的に耐えられないようである。

4. まとめ液体窒素に直接触れる可能性がある場合、軍手を着用するのは素手より危険であることを示す
データが得られた。また、ビニール、ゴム系の手袋や革手袋は、不測の事態においては素手よりマシだが継続的な作業において信頼できるものではないこと、多層型低温用手袋（特に防水型）
のみが低温での作業に耐えうることが示された。
液体寒剤を用いる作業において作業性と保温性能の双方が高い万能な手袋は、現段階では見つかっていない。そのような手袋を求める問い合わせに対しては、作業性が必要ならば液体窒素に触れる危険性を何らかの方法で下げること、液体窒素に触れる可能性が下げられない場合には作業性が悪い手袋でも作業できるような手順や道具を考えるよう提案することで対応したい。
[1] Cryo-Gloves® by Tempshield, Inc.
[2] Cryogenic Material Properties Database by NIST.
( http://cryogenics.nist.gov/MPropsMAY/material%20properties.htm )[3] 『低温工学ハンドブック』内田老鶴圃新社(1982)

129

各種委員会・センター教職員名簿
低温センター運営委員会
第 124 回運営委員会（平成 27 年 6 月 11 日開催）
第 125 回運営委員会（平成 28 年 2 月 4 日開催）

運営委員会 名簿（任期 27.4.1~29.3.31）（委員長）樽茶 清悟

センター長･教授 大学院工学系研究科物理工学専攻･低温センター（兼務）

川﨑 雅司

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

新谷 亮

准教授

大学院工学系研究科化学生命工学専攻

福山 寛

教授

大学院理学系研究科物理学専攻・低温センター（兼務）

藤森 淳

教授

大学院理学系研究科物理学専攻

大越 慎一

教授

大学院理学系研究科化学専攻

永田 宏次

准教授

大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻

前田 京剛

教授

大学院総合文化研究科広域科学専攻

清水 敏之

教授

大学院薬学系研究科薬学専攻

岩本 敏

准教授

生産技術研究所光電子融合研究センター

榊原 俊郎

教授

物性研究所新物質科学研究部門

島野 亮

教授

低温センター研究開発部門

村川 智

准教授

低温センター研究開発部門

低温センター専門委員会
第 75 回専門委員会（平成 26 年 5 月 18 日開催）

専門委員会 名簿（任期 26.4.1~28.3.31）（委員長）樽茶 清悟

センター長･教授 大学院工学系研究科物理工学専攻･低温センター（兼務）

為ヶ井 強

准教授

大学院工学系研究科物理工学専攻

岡本 徹

准教授

大学院理学系研究科物理学専攻

上田 卓見

助教

大学院薬学系研究科薬科学専攻

島野 亮

教授

低温センター研究開発部門

村川 智

准教授

低温センター研究開発部門

藤井 武則

助教

低温センター研究開発部門

中村 祥子

特任助教

低温センター研究開発部門

阿部 美玲

技術専門職員低温センター液化供給部門

130

低温センター編集委員会
編集委員会 名簿（任期 27.4.1~29.3.31）
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

國松 聡

准教授

大学院医学系研究科生体物理医学専攻

上田 卓見

助教

大学院薬学系研究科薬科学専攻

永田 宏次

准教授

大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻

小野瀬 佳文 准教授（委員長）島野 亮

大学院総合文化研究科広域科学専攻

教授

低温センター研究開発部門

村川 智

准教授

低温センター研究開発部門

中村 祥子

特任助教

低温センター研究開発部門

低温センター教職員
教職員 名簿センター長
樽茶 清悟

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

福山 寛

大学院理学系研究科物理学専攻・教授（兼務）

村川 智

准教授

藤井 武則

助教

中村 祥子

特任助教

共同利用部門戸田 亮

技術職員

液化供給部門阿部 美玲

技術専門職員

加茂 由貴

技術職員

志村 芽衣

技術職員

寺岡 総一郎

技術職員

板垣 信則

技術補佐員

事務室
河本 裕文

主査

佐々木 陽子

特任専門職員

細野 久美

係長

131

お知らせ
人事異動
職員
河本 裕文

事務室主査

平成 27 年 4 月 1 日 昇任

細野 久美

事務室係長

平成 27 年 4 月 1 日 異動（本部研究推進企画課より）投稿のご案内低温センター編集委員会では、広く皆様からの投稿をお待ちしております。
テーマは自由ですが、多様な読者を念頭に、少なくとも本文のイントロダク
ションはできるだけ平易に書いて下さい。肩の凝らない読み物風の原稿も歓迎いたします。詳細は、低温センター・編集委員会

委員長(shimano@crc.u-tokyo.ac.jp) までお問い合わせください。

132

島野

亮

編集後記
低温センター・研究開発部門

中村 祥子

前号から年報の校正・編集作業を担当しております、低温センター特任助教の中村です。
昨年の今頃は、某質問サイトと首っ引きで、慣れない Word での位置合わせや特殊文字、編集記号に四苦八苦していましたが、今年は幸い、操作にも慣れ、参考文献リストの書き方やグラフの軸ラベル等、研究分野による慣習の違いを楽しめるまでに余裕ができました。
さて、この年報で冒頭の「研究ノート」は、編集委員の諸先生方が御推薦くださった学内の寒剤ユーザーの方々に御寄稿いただいている研究紹介ですが、分野外の読者向けに、導入部にも重点を置いていただいています。ですので、普通の論文にある背景や目的の一段階上、いつかは実現してほしい壮大な『夢』が見え隠れしています。すると、今まで、○○学系の××という装置を使った△△が対象の研究、として無機質に分類していたものが、それぞれにカラフルに見えてきて、いつの間にか校正作業を忘れて関連情報を探してしまうのも頻りでした。続く「共同利用研究室 研究実績報告」には継続研究も多いので一年前の記事を思い返しながら読んでいると、昨年はすみっこにあったタネが芽を出し、葉を広げようとする様子が垣間見え、早くも来年の報告書を待ち遠しく感じています。
2015 年度、低温センターでは、低温技術の実技講習である技術研修を、初めて教職員・学生向けに開催しました。安全講習会の座学や各研究室で受け継がれる伝承を補完しつつ、寒剤を、より身近でより安全な存在にできるよう、連続２年目を迎えた技術職員研修とともに、これからも励んでいきたいと考えています。
今後とも、低温センターをよろしくお願い申し上げます。

低温センター 編集委員会
岩佐

義宏

教授

工学系研究科物理工学専攻
附属量子相エレクトロニクス研究センター

田中

雅之

教授

工学系研究科電気系工学専攻

岡本

徹

准教授

理学系研究科物理学専攻

國松

聡

准教授

医学系研究科生体物理医学専攻
医学部附属病院放射線科

上田

卓見

助教

薬学系研究科薬科学専攻

永田

宏次

准教授

農学生命科学研究科応用生命化学専攻

准教授

総合文化研究科広域科学専攻

小野瀬 佳文（委員長）島野亮

教授

低温センター研究開発部門

村川

智

准教授

低温センター研究開発部門

中村

祥子

特任助教

低温センター研究開発部門

133

Annual Report 2015

(Cryogenic Research Center, The University of Tokyo)
平成 27 年度低温センター年報
東京大学低温センター
第７号 2016 年 11 月
Volume 7, November 2016
発行者：東京大学低温センター
編集：低温センター 編集委員会
印刷：河北印刷株式会社

所 在 地東京大学低温センター
住所： 〒113-0032
東京都文京区弥生 2 丁目 11 番 16 号
電話： 03-5841-2851（事務室）
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南北線 「東大前駅」1 番出口 徒歩 10 分