令 和 ５ 年 度
京 都 大 学 大 学 院 理 学 研 究 科

修 士 論 文 発 表 会

修 士 論 文 要 旨 集

２０２４年１月２９日（月）、１月３０日（火）物 理 学 第 一 分 野

物理学第一分野修士論文発表会
場所：理学研究科５号館 ５階・第四講義室+Zoom
発表：１５分（別に質問時間５分程度）
２０２４年１月２９日（月）９：００～１７：５０

目

次

１．相互作用にランダム性を有する液晶相転移の解析天野玲（ ９：００）・・・・・ １

２．Td-WTe2 の光誘起構造相転移における赤外線形・非線形光学応答
繁岡優（ ９：２０）・・・・・ ２３．強相関電子系における非線形エーデルシュタイン効果
大池

潤（ ９：４０）・・・・・ ３４．金属錯体 DNA の特異性を研究する分子動力学シミュレーション岡本
光（１０：００）・・・・・ ４５．物質のトポロジカル相における対称性と双対性
安藤 貴政（１０：２０）
・・・・・ ５

１０：４０～１０：５０

休憩

６．非エルミート表皮効果の局在特性の解明
下村 顕士（１０：５０）
・・・・・ ６
７．混合次元周期アンダーソン模型における UTe2 の磁性と超伝導
白野 龍二（１１：１０）
・・・・・ ７８． 表面微細金属構造によるテスラ級ピコ秒パルス磁場の発生とスピンダイナミクスの研究
丸山９．Interacting Kitaev Chain with

Supersymmetry
三浦

慶（１１：３０）・・・・・ ８憂（１１：５０）・・・・・ ９１０．計算機解析と量子ビーム散乱によるタンパク質の溶液構造ダイナミクス研究
會澤 直樹（１２：１０）
・・・・・１０

１２：３０～１３：３０

昼休み

１１．化学気相成長ダイヤモンドにおける励起子再結合過程の評価
戸塚 大貴（１３：３０）
・・・・・１１１２．冷却原子を用いたゲインエンジニアリング：
ダーク状態およびトポロジカルエッジ状態の原子波レーザーの観測
津野 琢士（１３：５０）
・・・・・１２
１３．Fiber Bragg grating を用いたひずみ測定による新奇交差相関応答の観測
富川 幹也（１４：１０）
・・・・・１３
１４．光格子中量子磁性観測に向けた
量子気体顕微鏡の安定性改善と新イメージング法の提案
磯貝 賢伸（１４：３０）
・・・・・１４

１４：５０～１５：００

休憩

１５．一般のノイズに対する量子情報復元手法の明示的構成
Constructing succinct decoders for an arbitrary noisy channel
内海 武尊（１５：００）
・・・・・１５
１６．異方的三角格子反強磁性 Ca3 ReO5 Cl2 における熱伝導率測定による１次元スピノン励起の観測
大塚 健一（１５：２０）
・・・・・１６
１７．Kitaev 量子スピン液体候補α- RuCl 3 単層膜における特異な状態密度振動の原子分解能解像
大間知秀祐（１５：４０）
・・・・・１７
１８．一粒子トラッキングによるせん断速度測定法の開発
尾形正太郎（１６：００）
・・・・・１８

１６：２０～１６：３０

休憩

１９．アガロース高分子ネットワークとコロイド粒子の動的結合
小野 基紀（１６：３０）
・・・・・１９
２０．UV レーザー干渉縞による分子マニピュレーション
谷知晃（１６：５０）
・・・・・２０２１．液晶エマルションの磁気誘起複屈折松村 大毅（１７：１０）
・・・・・２１
２２．確率的秩序変数ダイナミクスにおけるエントロピー力の紫外発散
角 祐大郎（１７：３０）
・・・・・２２

２０２４年１月３０日（火）９：００～１５：１０
２３．超純良 UTe2 単結晶におけるスピン三重項超伝導状態のギャップ構造
神村 真志（ ９：００）
・・・・・２３
２４．近藤超格子における非相反輸送測定によるヘリカル超伝導相の観測
小菅 優輝（ ９：２０）
・・・・・２４２５．擬似ランダム量子状態に基づく量子暗号の安全性
白川 雄貴（ ９：４０）
・・・・・２５
２６．カゴメ格子反強磁性体 YCu3(OH)6.5Br2.5 における磁化プラトー
立石将太郎（１０：００）
・・・・・１６２７．時空間分解発光分光による混晶ハライドペロブスカイトの光誘起相分離の研究
大穀 裕介（１０：２０）
・・・・・２７

１０：４０～１０：５０

休憩

２８．非線形量子干渉計を用いた広帯域もつれ光子対の研究
廣田 晴哉（１０：５０）
・・・・・２８２９．共鳴トンネルダイオードテラヘルツ発振器における発振双安定性小塙 朋樹（１１：１０）
・・・・・２９３０．二層系における内因的超伝導ダイオード効果
中村 恭平（１１：３０）
・・・・・３０
３１．Non-Equilibrium Spatiotemporal Dynamics of
Human Colorectal Cancer Organoids
永井 翔吾（１１：５０）
・・・・・３１３２．開放量子系におけるトポロジカル相の理論的研究
濵中 秀有（１２：１０）
・・・・・３２

１２：３０～１３：３０

昼休み

３３．制限空間内の超流動 3He texture
原奈槻（１３：３０）
・・・・・３３

３４．超流動 3He-A 中におけるドメインウォール構造とスピンスーパー流の効果日野 祐哉（１３：５０）
・・・・・３４
３５．純良単結晶 UTe2 の核磁気共鳴測定による超伝導状態の研究
松村 拓輝（１４：１０）
・・・・・３５３６．確率的化学反応系の Hopf 分岐点近傍における情報の流れの解析
松本 健心（１４：３０）
・・・・・３６
３７．エアロジェル中の超流動 3 He における渦糸格子
涌井 真哉（１４：５０）
・・・・・３７

相互作用にランダム性を有する液晶相転移の解析
統計物理・動力学研究室

天野玲

Abstract We examined the effect of random bonds on the isotropic-nematic transition using the LebwohlLasher model. In the absence of randomness, the Lebwohl-Lasher model displays a weak first-ordertransition. Our simulations revealed that the discontinuity associated with the first-order transition
disappears when the degree of randomness exceeds a certain threshold.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

3 次元の液晶系は通常一次のネマティック-等方相転移（N-I 相転移）をみせるが，山本ら[1]および伊田ら[2]は棒状ミセルを形成する SDS/DTAB 混合水溶液が温度依存的な N-I 相転移を起こし，さらにSDS/DTAB 混合比に応じてミセルのアスペクト比が変わることおよび一次転移がみられなくなることを実験的に見出した．これについて棒状ミセルの長さのばらつきによるミセル間相互作用のランダム性が系のふるまいに影響を及ぼした可能性が考えられる．我々はこれを確かめるため相互作用にラン
ダム性を導入した液晶系の数値解析を行い N-I 相転移の挙動を調べた．我々の採用した模型は，一次N-I 相転移を理論的に導くとされる 3 次元 Lebwohl-Lasher 模型（LL 模型）[2]を土台に，相互作用項にランダム性を導入し，さらに 2 次式を p 次式に拡張した以下のハミルトニアンを持つ模型である．

ここで si はサイト i における分子の向きを表し，総和は立方格子の隣接サイトの組 < i, j > を走るものとする．これは相互作用の係数 Jij = Ji×Jj が確率変数となっているためランダムボンド模型に類する．以下 V[Jij] =: J´2 により確率変数 Jij の従う確率分布の分散を表す．p = 2, 6, 8, 10 では分散 J´2 = 0（ランダム性なし）でみられた一次相転移の特徴が J´2 が大きくなるとみられなくなっていった．具体的には J´2 = 0 でみられた秩序変数 λ の急減衰や比熱 c のピークは J´2 が大きくなるとみられなくなり（Fig. 1. (i)(ii)），J´2 = 0 で自由エネルギー F に極小値を与えていたエネルギー E1, E2 の差 ΔE はJ´2 の増大に伴って減少しやがて 0 となった（Fig. 1. (iii)）．すなわち相互作用にある大きさ以上のランダム性が入ると液晶系は一次転移を示さなくなることが示された．
(i)

(ii)

(iii)

Fig. 1. (i)(ii) Temperature dependence of the order parameter λ and specific heat c for each variances J´2 in
p = 2 case. (iii) Dependence of the differences between two energies E1 and E2 giving the local minima of
the free energy on the variance J´2.

References[1] 山本潤, HyeRan Jo, 丸山祐也, 高西陽一, “超膨潤リオトロピックネマティック相の等方相-ネマティッ
ク相 2 次転移,” 日本液晶学会討論会講演予稿集 (2014).
[2] 伊田知里, 高西陽一, 山本潤, “アゾ混合リオトロピックネマチック相における光誘起ネマチック-等
方相転移，” 日本液晶学会討論会講演予稿集 (2015)．
[3] Lebwohl, P. A., and Lasher, G. ”Nematic-liquid-crystal order―a Monte Carlo calculation,” Phys. Rev. A 6.1(1972): 426.

Td-WTe2 の光誘起構造相転移における赤外線形・非線形光学応答
光物性研究室繁岡優Abstract We explored the photo-induced phase of Td-WTe2 by analyzing linear and nonlinear opticalresponses in the near- and mid-infrared regions. By comparing results obtained from three distinct probes,
we distinguished between electronic temperature-related effects and lattice displacement contributions.
This differentiation offers insights into comprehending the mechanism underlying photo-induced phasetransitions. © 2024 Department of Physics, Kyoto University
光誘起相転移は光照射によって物質のマクロな性質が変化する現象である。光照射による物性の変化は構造[1]、磁性[2]など多岐に渡り、様々な物質系で長年研究されてきた。光誘起相転移における超高速な変化を観測する手法としては、フェムト秒パルスレーザーを用いたポンプ-プローブ分光法が広く用いられてきた。この手法では、ポンプ光によって誘起される物質系の変化を、時間遅延をつけて入射されるプローブ光の応答 (反射・透過) の変化として観測することで、電子-格子結合ダイナミク
スやキャリア緩和ダイナミクスなどの情報を取り出すことが可能である。しかし、光誘起相転移では格子変位や温度、キャリア密度などの様々な自由度が相互に関連しながらマクロな物性が変化するとともに、光学応答を特徴付ける電子状態も大きく変化するため、それぞれの自由度の変化が光学応答に与える影響を分離して理解することは一般に難しい。各自由度の役割を理解できれば、光誘起相転移のメカニズムの解明に繋がると期待される。
層状物質Td-WTe2は光誘起構造相転移が実験的に確認されている物質であり、高強度な光励起により層間剪断変位が生じて構造が変化する[3,4]。構造変化に伴いトポロジカルな性質を変えることから、
光誘起トポロジカル相転移の研究の舞台として注目されている。先行研究では、光励起によるキャリ
アドープが自由エネルギーの平衡点を変えることで剪断変位が誘起されることや[3]、過渡反射率測定
により観測されるコヒーレントフォノン応答がプローブ光の波長と偏光に依存することが明らかにされ[4]、また赤外域に励起偏光に依存した軌道選択的な遷移の存在が理論的に予想されている[5]。
本研究では、高強度光励起によって形成したTd-WTe2の光誘起相を、波長・偏光の異なる赤外光によりプローブし、さらに非線形光学応答である高次高調波を利用することで光学応答変化における各自由度の寄与の分離を目指した。Fig.1は赤外ポンプ光(1.55 eV)入射
後15 psにおける(a)近赤外光学濃度変化(0.99 eV)、(b)中赤外反射率変化(0.26 eV)、(c)6.5 ps後における3次高調波(THG)強度変化のポンプ光強度依存性である。ポンプ強度に対して、(b)はほぼ線形な傾向を示すのに対し、(a)は1.2 mJ/cm2以上で非線形な増大を示
し、(c)は高強度励起で飽和する。これらの結果の比較から、波長・偏光に依らない電子温度の寄与を分離し、格子変位の寄与が波長選択的であることを明らかにした。つまり、波長・偏光によって関与する電子バンドが異なるとすれば、剪断変位による電子
バンドの変化は各バンドで異なる。また、THG強度の大きな変化
は線形光学応答では取り出せない電子バンドの微細な変化を反映していると考えられる。これは高次高調波を用いたプローブが光誘起相転移における超高速な電子バンドの変化を観測する強力な手法であることを示す。
References[1] S. Koshihara et al., Phys. Rev. B 42, 6853 (1990).
[2] S. Koshihara et al., Phys. Rev. Lett. 78,4617 (1997).
[3] E. J. Sie et al., Nature 565, 61(2019).
[4] D. Soranzio et al., Phys. Rev. Res. 1, 032033(R) (2019).
[5] M. X. Guan et al., Nat. Commun. 12, 1885 (2021).

Fig.1 Pump fluence dependence ofphoto-induced change in infrared(a)optical density, (b)reflectance and(c)THG intensity. The dashed lines arelinear guides.

強相関電子系における非線形エーデルシュタイン効果
凝縮系理論研究室

大池潤

Abstract We study electron correlations on the nonlinear Edelstein effect. In particular, we reveal that theeffect of electron correlations depends on the form of the applied external field, and we clarify thephysical origin of this dependence.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

近年、電子のスピン自由度を利用した「スピントロニクス」が大きく進展し注目を集めている。スピ
ントロニクスの中心的課題はスピンを電気的に生成・制御することであり、典型的な手法の一つとしてエーデルシュタイン効果(LEE)が利用されている。LEE とは印可した電場によってスピンが偏極される現象で、空間反転対称性の破れた金属で観測される創発電磁応答の一種である。実際に、LEE で駆動されるスピントルクが理論的に提案され、磁性体中のドメイン反転にも成功している。他方、スピントロ
ニクスで扱われる物質は弱相関系が大半で電子相関は見逃されていることが多い。背景には現代のスピ
ントロニクスが線形応答に基づいて発展してきたことにある。例えば、電子相関がもたらす電子のくりこみ効果は線形応答に対してほとんど影響を与えないことが分かっている[1]。しかし、強相関物質の一つである Ce3Bi4Pd3 において巨大な非線形ホール効果が観測されたこと[2]を契機に、非線形応答に強相
関効果を取り込む研究が進展してきている。
スピントロニクス分野においても非線形効果を取り入れた研究が報告されつつある。例えば、非線形
エーデルシュタイン効果(NEE)が理論的に提案されている[3-5]。NEE は以下 3 つの点から興味深い性質を持っている。まず、NEE は LEE と異なり空間反転対称性の破れを必要としない。また、金属に限らず半導体や絶縁体でも観測される。そして、非線形応答にも関わらず LEE と同程度の強さが期待される。
上記の魅力的な特徴は「非線形スピントロニクス」を推し進めるとともに、強相関電子系をスピントロ
ニクスの研究舞台に導くことが期待される。
そこで、強相関電子系が非線形スピントロニクスに有用な物質系であることを示すために典型的なHubbard 模型に対して NEE の解析を行った。具体的には、強相関効果を取り込めるように NEE を定式化し、動的平均場理論(DMFT)を用いて強相関効果を取り込んだ。その結果、電子相関により応答が増強される場合と抑制される場合があること[Fig. 1]、そしてその違いを生み出す背景にある物理を明らかにした。これらの結果は今後の実験的検出に向けての指針を与えるとともに、非線形応答を媒介とした「強相関スピントロニクス」という新たな研究分野を提供するための第一歩である。

Fig. 1 Interaction dependence of (left panel) the current-induced, (middle panel) the linear polarization-inducedand (right panel) the circular polarization-induced NEE response tensor.
(a) Current-induced case. (b) Linear polarization induced case. (c) Circular polarization induced case.
References[1] Y. Michishita and R. Peters, Phys. Rev. B 103, 195133 (2021).
[2] S. Dzsaber, et al., PNAS. 118, e2013386118 (2021).
[3] H. Xu, et al., Phys. Rev. B 103, 205417 (2021).
[4] B. M. Fregoso, Phys. Rev. B 106, 195108 (2022).
[5] C. Xiao, et al., Phys. Rev. Lett. 130, 166302 (2023).

金属錯体 DNA の特異性を研究する
分子動力学シミュレーション
統計物理・動力学研究室

岡本光

Abstract We investigated the stability of metal-complex DNA through all-atom molecular dynamics
simulations employing the reactive force field (ReaxFF). Our findings suggest that the introduction of themetal-complex enhances stability against temperature fluctuations, although counterintuitively, itdiminishes resistance against external forces.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

金属錯体 DNA は抗がん剤や DNA を用いたナノテクノロジーの進歩に大きく貢献することが期待され、実験による研究が多くなされてきた。図 1 が本研究で使用した金属錯体 DNA の全体像である。天然 DNAにおける水素結合より、金属イオンによる配位結合の方が強いため、金属錯体の導入により DNA の安定性が増すと考えられ、多くの実験結果を再現できるが、その微視的な機構については分からないことも多い。数値シミュレーションによる研究が望まれるが、系の複雑さのため、金属錯体 DNA に関する研究は多くない。本研究では、反応力場ポテンシャルを用いた全原子分子動力学シミュレーションの開発し、金属錯体 DNA の安定性について調べた。
用いた錯体は図 1 にあるヒドロキシピリドンと二価の銅イオンが結合した H-Cu2+-H である。この錯体は銅イオンに配位する酸素と銅イオンが同一平面内に収まるという特徴を持ち、DNA 内部の立体構造を邪魔しにくい[1]。錯体の配位結合は水素結合よりも結合エネルギーが強く、錯体が増えれば増えるほど結合そのものは強くなることが期待される。
本研究では、特に(1)温度安定性と(2)外力応答に関する生体内の DNA と金属錯体 DNA の差について調査した。両者ともに構造変化の指標として二乗平均平方根偏差（RMSD）を用いる。これはタンパク質などの構造の類似性を図るためにしばしば利用されるものである。本研究においては、初期構造をほぼ完
全な二重らせん構造とし、この構造との類似性を RMSD という指標で計測し、温度上昇や外力に対して構造を保てるか、という研究を行った。
その結果、(1)温度変化に対しては図 2 のように RMSD の傾きを用いて考えた。その結果金属錯体 DNAの方が確かに RMSD の傾きが小さい、つまり温度に対する構造変化が起きにくく温度安定性が高いことが分かった。(2)外力応答に関しては、結合が強くなるため直観的には金属錯体 DNA の方が構造変化が起きにくくなると思われるが、これに反した結果が得られた。発表では、開発した手法の紹介と、このような錯体を DNA に挿入したことによる特異性について紹介する。

Fig. 1. Metal complex ‘H-Cu2+-H’

Fig. 2. Thermostability of the metal-complex

DNAs
References[1] Yusuke Takezawa and Mitsuhiko Shionoya., Accounts of Chemical Research, 45, 2066–2076 (2012)

物質のトポロジカル相における対称性と双対性
基礎物理学研究所

凝縮系

安藤貴政

Abstract When the system has a global symmetry, we can define duality operations that map the system
to others with dual symmetries. In this presentation, we discuss the structures of such dualities in(1+1)-dimensional systems. In particular, we explore implications of self-dualities.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

量子多体系の性質を理解するうえで、その基底状態において発現するトポロジカル相の性質を調べることは重要な課題である。これまでの研究において、系が持つ大域対称性に注目することでさまざまなトポロジカル相の性質が明らかにされてきた。近年においては大域対称性の概念が拡張されており[1]、
そのような拡張された対称性の枠組みにおけるトポロジカル相が盛んに研究されている。大域対称性に基づいたトポロジカル相の研究の一つの方向に、実現可能な相を列挙し分類することがある。この研究は大きな成功を収め、ある特別なクラスの相においては、次元と対称性に応じたほぼ完全な分類が知られている[2]。
こうした個別のトポロジカル相の性質はよく知られている一方で、異なるトポロジカル相の間にどのような関係があるかについては理解されていない部分が多い。この問題に取り組む手法の一つに双対変換がある。双対変換とは、系の大域対称性に応じて定義される（一般に異なるヒルベルト空間の間の）変換であり、あるトポロジカル相に属する系を異なるトポロジカル相に属するものへ移すような操作である。双対変換後の系は一般にもとの系とは異なる大域対称性を持つ。さらに、ある系が可解であれば双対変換後の系も可解であるため、変換をうまく選ぶことで性質の良い対称性を持つ系に移ることができる場合がある。
本研究では、空間 1 次元系における双対変換のなす構造の詳細を調べる。特に、双対変換のもとで不変な（自己双対性を持つ）系についての解析を行う。自己双対性のもとでは系の対称性はより拡大されたものとなり、その帰結として模型の詳細によらず基底状態の性質に大きな制約を課すことができる（例えば[3]のような結果がある）。さらに、こうした自己双対性のある系を調べことにより、異なる
トポロジカル相の間で発現する臨界相（一般には多重臨界点）の性質が議論可能となる。本研究ではこのような一般論に加えて、ある対称性に対する自己双対性を持つ系の性質を調べ、さらにいくつかの臨界格子模型を解析する。応用として、位数 4 の二面体群の対称性を持つ系において、双対変換の自己双対性に注目することで、量子異常に起因する unique かつ gapped な基底状態を禁止する機構と、自明なSPT 相を禁止する機構との関係を議論する。自己双対性のもとでの対称性の拡大については数学的な一般論が存在する[4]が、この結果の物理的意味および拡張についても議論する。

References[1] D. Gaiotto, A. Kapustin, N. Seiberg, and B. Willett, Generalized Global Symmetries, JHEP 02 (2015) 172.
[2] D. S. Freed and M. J. Hopkins, Reflection positivity and invertible topological phases, Geom. Topol. 25 (2021)
1165-1330.
[3] M. Levin, Constraints on order and disorder parameters in quantum spin chains, Commum. Math. Phys. 378(2020) 1081-1106.
[4] P. Etingof, D. Nikshych, and V. Ostrik, Fusion categories and homotopy theory, Quantum Topol. 1 (2010)
209-273.

非エルミート表皮効果の局在特性の解明
基礎物理学研究所物性基礎論凝縮系

下村顕士

Abstract We establish a criterion for localization phenomena inherent in non-Hermitian systems. This
criterion elucidates the localization property of non-Hermitian skin effects in single-particle systems, andis also applicable to many-body systems. We discuss the effect of such a localization to dynamics of a
non-Hermitian system.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

古典系から量子系にいたるまで、非エルミート行列がダイナミクスを規定する物理系の性質が近年盛んに研究されている。非エルミート系ではエルミート性由来の制約を超えた現象が現れる場合があり、
非エルミート表皮効果はその典型である。並進不変な格子上の自由粒子に関する非エルミート表皮効果
は、開放境界条件の下で多数の固有状態が系の端に局在することによって特徴づけられる[1]。1 次元系の場合は、周期境界条件でのバンドトポロジー[2,3]や開放境界条件での拡張されたバンド理論[1,4]の観点から非エルミート表皮効果の起源と振舞いが系統的に理解されている。一方、高次元系、並進不変
でない格子系、相互作用系では、非エルミート表皮効果を引き起こす模型が個別的に研究されているに留まり、特にその局在特性には未解明な部分が多い。
幅広いクラスの非エルミート表皮効果の局在特性を系統的に理解するため、本講演ではまずベクトルの局在性を一般的な枠組みで定義する(Fig 1)。その上で、「同じ位置に局在するベクトルの個数がある閾値を越えるとそれらを固有状態に持つ行列がエルミートになりえない」という定理を示す。この定理はエルミート系に対応物がない固有状態局在現象の特徴づけになっており、非エルミート表皮効果の局在特性がこの定理から説明される。また、この定理は系の次元性 Fig 1. Schematic illustration of the vectorや形状に関係なく成立し、相互作用系においても Fock 空間

localization considered in this talk.

に属する固有状態に対してこの定理が適用できる。
次に、このような固有状態局在現象が非エルミート系のダイナミクスに及ぼす影響を議論する。そのために条件数と呼ばれる固有ベクトルの非直交性の指標を導入する[5]。条件数の増大は擬スペクトル
を通して系の過渡領域のダイナミクスに影響を与えることが知られている[6]。本講演では固有状態の局在性と条件数との間に成り立つ不等式を導き、固有状態の強い局在が条件数を増大させることを示す。
References[1] S. Yao and Z. Wang, Phys. Rev. Lett. 121, 086803 (2018).
[2] N. Okuma, K. Kawabata, K. Shiozaki, and M. Sato, Phys. Rev. Lett. 124, 086801 (2020).
[3] K. Zhang, Z. Yang, and C. Fang, Phys. Rev. Lett. 125, 126402 (2020).
[4] K. Yokomizo and S. Murakami, Phys. Rev. Lett. 123, 066404 (2019).
[5] Y. O. Nakai, N. Okuma, D. Nakamura, K. Shimomura, and M. Sato, arXiv preprint arXiv:2304.06689 (2023).
[6] L. N. Trefethen and M. Embree, Spectra and Pseudospectra, Princeton University Press (2005).

混合次元周期アンダーソン模型におけるUTe2 の磁性と超伝導凝縮系理論研究室

白野龍二

Abstract UTe2 is a strong candidate for the spin-triplet superconductor. We construct amixed-dimensional periodic Anderson model and apply it to UTe2 in order to elucidate the relationshipbetween the Fermi surface, magnetic fluctuation, and superconducting state. We show that the spin-triplet
p-wave superconductivity is stable over a wide range of parameters, especially in the regime dominatedby antiferromagnetic fluctuations.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

スピン三重項超伝導はクーパー対がスピン自由度を持つ超伝導状態であり、トポロジカル超伝導など
様々な興味深い現象が発現する舞台であると考えられている。UTe2 は 2018 年に超伝導が発見された近年非常に注目を集めている超伝導体[1]であり、パウリ極限を超える非常に大きな上部臨界磁場[2]、磁場や圧力をかけることによって現れる多重超伝導相[3]などの事実からスピン三重項超伝導体の有力な候補物質であると考えられている。
発見当初から UTe2 の超伝導対称性を決定するために非常に多くの研究が行われてきた。最近では、
NMR のナイトシフト測定や熱伝導度測定においてフルギャップ超伝導状態を示す結果が得られている。
一方で、比熱や磁場侵入長測定においてはポイントノードの存在を示唆する実験結果が得られているため、超伝導対称性に関するコンセンサスを得るには至っていない。
また、超伝導の発現機構については、発見当初に行われた磁化率測定や他の強磁性超伝導体との類似点から、強磁性揺らぎが誘起するスピン三重項超伝導体であると考えられてきた。しかし、その後行われた中性子散乱の実験により強磁性揺らぎではなく反強磁性揺らぎが観測された。反強磁性揺らぎは一般にスピン三重項超伝導ではなく、スピン一重項超伝導を安定化するため磁気揺らぎと超伝導状態の関係を再考する必要性が認識された。
電子状態に関しては、UTe2 ではド・ハース・ファン・アルフェン振動の実験から準 2 次元的なフェルミ面が報告されており、第一原理計算の結果からそれらは 1 次元的な伝導電子から構成されていると考えられている[4]。一方で、このフェルミ面に加えて 3 次元的なフェルミ面の存在を示唆する結果が第一原理計算やいくつかの実験から報告されている。
本研究では、上で述べた 1 次元及び 3 次元的なフェルミ面が共存するような混合次元周期アンダーソ
ン模型を構築し、磁気揺らぎ及び超伝導不安定性を解析した[5]。その結果を UTe2 に適用し磁気揺らぎの起源及び超伝導対称性を決定することを目的とした。乱雑位相近似を用いた理論解析により、フェルミ面の性質によって磁気揺らぎが変化することを示した。また、広いパラメータ領域、特に反強磁性揺らぎが支配的な領域においてもスピン三重項 p 波超伝導が安定になることを明らかにした。

References[1] Sheng Ran et al., Science 365, 684-7 (2019).
[2] Georg Knebel et al., J. Phys. Soc. Jpn. 88, 063707 (2019).
[3] Daniel Braithwaite et al., Commun. Phys. 2, 147 (2019).
[4] Dai Aoki et al., J. Phys. Soc. Jpn. 91, 083704 (2022).
[5] Ryuji Hakuno, Kosuke Nogaaki and Youichi Yanase, arXiv:2306.00405.

表面微細金属構造によるテスラ級ピコ秒パルス磁場の発生とスピンダイナミクスの研究
光駆動固体物性研究室

丸山慶

Abstract We studied the generation of terahertz magnetic field pulses by applying terahertz pulses to a
micro-scale metallic structure fabricated on a terbium-gallium-garnet substrate. We measured thetemporal waveform of the magnetic pulses by a magneto-optical sampling method and showed that the
maximum value achieved at about 1 T.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

近年、微細な金属共振器構造を用いてテラヘルツ(THz)光の電場や磁場を増幅させる技術によって、新しい物理現象の発見、および新規物性を解明する研究が盛んに行われている[1,2]。アンテナ付きらせん型共振器(SAR)はその一つであり、自由空間を伝播する THz パルスを高効率に捕集し、らせん構造内に瞬間的に電流が発生することにより、物質内部にピコ秒程度の高強度磁場パルスの生成が予測されている[1,3]。最近では、SAR を活用したスピンの非線形応答が観測されているが[1]、発生する磁場パルスの時間波形や絶対値を実験的に直接評価した報告例はない。本研究では、発生させる磁場パルスの時間
波形の絶対値を磁気光学サンプリング法(MOS)によって評価することを目的とした。
Fig. 1 に本研究で行った MOS 実験の光学系を示す。試料として、Fig. 2 に示すような SAR をテルビウ
ム-ガリウム-ガーネット(TGG)上に作製した。TGG 結晶は、大きなヴェルデ定数を持ち、ファラデー回転角から磁場の絶対値を決定する実験に適した常磁性材料である[4,5]。近赤外光パルス（中心波長 800
nm、時間幅 80 fs）をパルス面傾斜法を用いて LiNbO3 に照射し、高強度な THz パルスを発生させた。
放物面鏡を用いて試料表面にある SAR のアンテナ部分の長手方向に偏光した THz パルスを集光させた。
電気光学サンプリング法により測定した最大電場強度は 0.6 MV/cm である。THz 電場照射により、らせん構造に流れる瞬時電流によって TGG 結晶内に発生するパルス磁場を、プローブ光の偏光回転角の変化として測定した。ここで、らせん内部の磁場が均一な領域
は直径 4 μm 程度であるため、プローブ光を対物レンズで 1
μm 程度に集光している。入射する THz パルスと近赤外光パ
ルスの相対的時間間隔をステージ掃引により変化させ、発生するパルス磁場の時間波形を測定した。静磁場によるファラデー回転測定により測定した TGG 試料のヴェルデ定数（80rad/T m）を用いることにより、ピコ秒パルス磁場の最大磁場
強度が 0.96 T に達することが分かった。また、その磁場波形は計算値と精度良く一致した。
さらに、反強磁性体オルソフェライト Sm0.7Er0.3FeO3 上にSAR を作製し、テスラ級ピコ秒パルス磁場による非線形なス
Fig. 1. Experimental setup.
ピンダイナミクスを観測した。発表ではこの成果についても報告する。
References[1] Z. Zhang et al., Nat. Commun. 14, 1795 (2023).
[2] Y. Mukai et al., Appl. Phys. Lett. 105, 22410 (2014).
[3] D. Polley et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 51, 224001(2018).
[4] N. Kumar et al., Opt. Express 20, 11277 (2012).
[5] K. Maruyama et al., under review.

10 μm
Fig. 2. SAR fabricated on a TGG substrate.

Interacting Kitaev Chain with 𝒩 = 1 Supersymmetry
Physics of Matter: Condensed Matter Physics (YITP) Urei Miura
Abstract We explore a Kitaev chain model with 𝒩 = 1 supersymmetry, focusing on ground-statedegeneracy and fermion excitations. We identify a phase with spontaneously broken supersymmetry andanalyze the related phase transition. Using superfield formalism, we devise a mean-field theory tounderstand the order parameters and Nambu-Goldstone fermions. We discover significant degeneracy inthe ground state at the frustration-free point, linked to zero-energy domain walls that separate the trivial
and topological states of the Kitaev chain.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

Symmetry is crucial in modern physics, providing a unified framework for elementary particles andessential for categorizing various phases of matter. Supersymmetry, generated from fermionicoperators, stands in contrast to conventional bosonic symmetry and boasts unique properties. It isparticularly useful in condensed matter and statistical physics for analyzing disordered systems. An
exemplary case is the 𝒩 = 1 supersymmetry at the tricritical point in the two-dimensional Isingmodel with vacancies.
There is growing interest in applying the non-relativistic supersymmetry to the purely fermioniclattice models [1], which showcase special features like extensive ground-state degeneracy andNambu-Goldstone fermions with spontaneous supersymmetry breaking.
We propose a lattice model composed of Majorana fermions with explicit 𝒩 = 1
supersymmetry [2-4]. In this model, the supercharge is represented as a sum of local terms.
This setup facilitates the study of fermionic excitations at low energies and the characteristicsof the ground state through both analytical and numerical methods. We rigorously prove thespontaneous breaking of supersymmetry and the existence of Nambu-Goldstone fermions.
Moreover, we develop a new mean-field approximation that automatically detects the breakingof supersymmetry. The phase transition points obtained from numerical analysis using theDensity Matrix Renormalization Group (DMRG) are consistent with our rigorous analyticalresults and the estimates from the mean-fieldapproximation. The DMRG further reveals that the
emergent Nambu-Goldstone fermions are described by
Ising Conformal Field Theory (CFT), and thesupersymmetry breaking transition point is described by
the tri-critical Ising CFT. Additionaly, we identify theexact ground state at a certain parameter value, which
exhibits degeneracy proportional to the system size andforms a zero-energy domain wall, separating the
topological from the trivial states in the Kitaev chain(see Fig. 1). Through perturbation theory, we elucidatethat this domain wall ground state demonstrates a
Fig.1 Exact ground state as the zeroquadratic dispersion relation when the parameter values
energy domain wall.
are altered.
References[1] Fendley, P., Schoutens, K., & de Boer, J. (2003). Physical review letters, 90(12), 120402.
[2] Sannomiya, N., Katsura, H., & Nakayama, Y. (2016). Physical Review D, 94(4), 045014.
[3] Miura, U., & Totsuka, K. (2023). arXiv:2308.03346.
[4] Miura, U., Shimomura, K., & Totsuka, K. (2023). arXiv:2310.19493.

計算機解析と量子ビーム散乱によるタンパク質の溶液構造ダイナミクス研究
生体分子構造研究室

會澤直樹

Abstract The combination of small-angle X-ray scattering, small-angle neutron scattering assisted bydeuteration and ligation techniques and computational approach was applied to solve the solution structureof a multi-domain protein (MDP). The solution structure of MDP was successfully reproduced by theensemble of five model structures.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

I (q) / cm-1

マルチドメインタンパク質 (MDP) は複数のドメ
インから構成されるタンパク質であり、溶液中の内部運動が MDP の多様な溶液構造の起源となっている。
-210溶液構造を捉える手法として X 線小角散乱 (SAXS)、
中性子散乱 (SANS) が挙げられ、計算機解析との統合解析が進められている。一方、大きな内部運動の振-3幅を持つ MDP の散乱曲線は、散乱強度に対して散乱10ベクトルの単調減少として観測されることが多い。
このような散乱曲線のみによる溶液構造の解明は困
h-Hef from SAXS
h-Hef from SANS
pdN-hI-hH from SANS
難なため、更なる実験による拘束条件が必須である。
-4
10
hN-hI-pdH from SANS
部分重水素タンパク質は 100%重水中の SANS 測定で散-2-1
乱的に不可視化される[1]。また、ライゲーション技
-1
10
10
q/Å
術により MDP の構成ドメインを連結することで MDPを再構成できる[2]。即ち、重水素化とライゲーショ
Fig.1. SAXS profile from h-Hef (green circle), SANS
ン技術の組み合わせによりヘテロ重水素化 MDP を調
profiles from h-Hef (blue circle), hN-hI-pdH (yellow
製し、その SANS 測定から得られる散乱曲線は更なる
circle), pdN-hI-hN (light blue circle). The green, blue,
実験上の拘束条件となることが期待される。本論文
では、MDP の一例として 2 つのドメイン(Helicase yellow and light blue lines correspond to the ensemble
domain(H)と Nuclease domain(N))と天然変性領域 averaged scattering profiles for h-Hef, h-Hef, hN-hIpdH, and pdN-hI-hN, respectively.
(I) から構成される Hef に注目した。軽水素化 Hef(h-Hef：h は軽水素化を表す）溶液の SAXS 及び SANS
測定、Helicase domain を重水素化した Hef (hN-hIpdH：pd は部分重水素化を表し、SANS では不可視化)
溶液、Nuclease domain を重水素化した Hef (pdNmodel 1
model 2model 3hI-hH) 溶液の SANS 測定から得られた散乱曲線(Fig.1) を用いて、Hef の溶液構造解析を行った。アンサンブル最適化法 (EOM)[3]から生成された候補集団を用いて、四つの散乱曲線を最も良く再現する
構造集団を遺伝的アルゴリズムを用いて選出した。
model 5model 4
最終的に、Fig. 2 に示す構造集団により四つの散乱曲線を再現した。本構造集団を用いた更なる解析、及 Fig.2. Five model structures selected by EOM.
び物理的な解釈は当日発表する。
References[1] M. Sugiyama et al., J. Appl. Cryst. (2014), 47, 430.
[2] A. Okuda et al, Angew. Chem. Int. Ed. (2022) 62, e202214412.
[3] T. Giancarlo et al, IUCrJ (2015) 2, 207.

化学気相成長ダイヤモンドにおける励起子再結合過程の評価
光物性研究室戸塚大貴

Abstract The effect of non-radiative recombination of excitons at dislocations in chemical-vapor
deposition diamonds is modeled based on a diffusion equation. We have found an excellent agreement
between the predicted spatial patterns of quantum efficiency of excitonic emission and the observations.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

ダイヤモンドは 5.5 eV のワイドバンドギャップを持つ間接半導体であり、近年は化学気相成長(CVD)
法によって高純度な単結晶が合成可能となったことから、深紫外発光ダイオードやパワーデバイスへの応用が期待されている。ダイヤモンドを光励起することで生成される電子と正孔の束縛対である励起子
は 94 meV という大きな束縛エネルギーを持ち[1]、ダイヤモンドの光学特性に深く関わっている。CVD
ダイヤモンドでは線欠陥（転位）が多く内在し、励起子の非輻射中心としてはたらくことが最近指摘された[2]。本研究では、転位によって生じるひずみの大きさから局所的に発光量子効率を求めるモデル（以下、転位モデルと呼ぶ）を２次元に拡張し、長い拡散長をもつ励起子の空間移動に加え、結晶内に不均一に分布する複数の転位の効果を取り込んで量子効率を求める数値計算の手法を提案した。また、
空間分解発光測定によって量子効率を極低温から室温まで実測し、計算結果との定量的な比較を行った。
転位モデルでは、複屈折法により測定した主ひずみ差 ϵ を用いて転位までの有効距離𝑤[μm] = 0.35/√ϵ を求めることで、結晶内の各場所における非輻射寿命(a)𝑤 4 𝑤2
𝜏𝑛𝑟𝑎𝑑 ≈+
2𝑆 𝐷 𝜋 2を近似的に計算した。ここで、𝐷(= 70 cm2/s)は拡散係数、
𝑆(= 1.3 × 106 cm/s)は表面再結合速度である[2]。得られた
𝜏𝑛𝑟𝑎𝑑 と既知の輻射寿命𝜏𝑟𝑎𝑑 (= 1.5 μs [2])を用い、量子効率
η = τ𝑛𝑟𝑎𝑑 /(τ𝑟𝑎𝑑 + τ𝑛𝑟𝑎𝑑 )の空間分布に換算した。一方、数値計算では、実測したひずみの空間分布を再現するような
2,000 個の転位を初期条件として配置した。時間積算した励起子密度が量子効率に比例すると考え、転位での非輻射再結合を境界条件とした拡散方程式の時間積分形を数値的に解くことで、その空間分布を求めた。
(b)
実験では、深紫外レーザー光を線状にダイヤモンド試料(3.5 × 3.6 × 0.5 mm3)に照射しスキャンすることで励起子
発光の空間分布を測定し、試料中央で測定した寿命τ𝑛𝑒𝑡 =(1/τ𝑟𝑎𝑑 + 1/τ𝑛𝑟𝑎𝑑 )−1を用いて量子効率を求めた。図１の黒線は実測した量子効率 η = 0.22の等高線を表し、転位による空間不均一性が転位モデル(図１a)および数値計算（図１b）で再現されていることが分かる。数値計算で得られた量
子効率は実験値より２倍程度高く、このことは励起子が拡散するだけでなく転位周りのポテンシャル勾配により引き込まれる可能性を示唆している。
References
FIG. 1: Map of calculated quantum[1] T. Ichii, N. Naka, and K. Tanaka, Phys. Rev. B 104, 205201
efficiency (Q.E.) by (a) dislocation model(2021).
and (b) numerical simulation compared[2] K. Konishi, I. Akimoto, J. Isberg, and N. Naka, Phys. Rev. B
with measured Q.E. depicted by black
102, 195204 (2020).
contours at 𝛈=0.22 at 20 K.

冷却原子を用いたゲインエンジニアリング：
ダーク状態およびトポロジカルエッジ状態の原子波レーザーの観測
量子光学研究室

津野琢士

Abstract We investigated engineering of an effective gain through evaporative cooling of judiciouslychosen initial thermal atoms. We successfully observed a formation of Bose-Einstein condensation in adark state and a topological edge state in a synthetic hyperfine lattice, which is regarded as atomic laser
oscillations.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

近年、孤立系では見られない新奇な現象が生じることから、開放系に注目が集まっている。特に、量子状態の制御が研究の重要な課題となっている。開放系における主要な研究プラットフォームの１つであるフォトニクスの系はゲインとロスの両方の制御が柔軟に可能である。そのため、トポロジカル絶縁体レーザー[1]などの様々な非エルミート物理現象が実現されている。また、このような相互作用のない古典系とみなせるフォトニクスと異なり、冷却原子系は原子間相互作用が重要な役割を演じる量子多体系であり、その高い制御性から量子開放系としても注目を集めている一方で、冷却原子系はゲインをコントロールすることが容易ではないため、非エルミート過程の制御がロスの制御に限定されている。つまり、冷却原子系ではゲインによる非エルミート物理現象を研究することができないという制限がこれまで存在していた。
本研究では、87Rb の超微細構造を用いた人工次元[2]の格子上にダーク状態およびトポロジカルエッジ
状態をマイクロ波を照射することにより用意し、重ね合わせ状態を維持しつつ蒸発冷却することでボー
ス・アインシュタイン凝縮(BEC)を生成する、すなわち原子波レーザー発振させる実験を行った。より具体的には、3-site lattice を人工次元上に構築し、ダーク状態の BEC の生成を試みた。また図１のように 5-site の Su-Schrieffer-Heeger(SSH)モデルを人工次元上に構築し、トポロジカルエッジ状態の BEC の生成を試みた。その結果、複数の実験条件においてダーク状態およびトポロジカルな重ね合わせ状態の
BEC の生成を確認できた。すなわち、適切な熱的原子の初期状態を用意することで、蒸発冷却を通して lattice サイト依存の有効ゲインのエンジニアリングに成功した。これは、冷却原子系に対する新たなゲインエンジニアリングの手法を実証したことになり、開放量子系の研究に新たな展開をもたらすことが期待される。
(a)(b)

Fig. 1. (a) Microwave coupling scheme in the ground 52S1/2 state with 87Rb. (b) Atomic laser oscillations in a topologicaledge state of the Su-Schrieffer-Heeger lattice in the synthetic hyperfine lattice. The upper is a typical absorption image
and the below is the corresponding column density with the best fit bimodal function.

References[1] Miguel A. Bandres et al., Science 359, eaar4005 (2018).
[2] T. Ozawa and H. M. Price, Nat. Rev. Phys. 1, 349–357 (2019).

Fiber Bragg grating を用いたひずみ測定による
新奇交差相関応答の観測
固体量子物性研究室

富川幹也

Abstract Using fiber Bragg grating, we measured two types of cross correlations:piezomagnetism (magnetic-field-induced strain) in URhGe and magnetopiezoelectric effect(current-induced strain) in BaMn2As2. Piezomagnetism of URhGe appeared in “V-shaped”
magnetostriction (ε ∝|H|), and magnetopiezoelectric effect of BaMn2As2 could be distinguishedfrom other thermal effects.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

異なる対称性をもつ物理量が、物質のパリティ対称性や時間反転対称性の破れにより結びつく「交差相関」が近年注目を集めている。その一つに、圧磁効果（piezomagnetism）がある。これは磁性物質に磁場をかけて磁化させたのち、その反対方向に磁場をかけるとひずみが線形に応答する（ε ∝ H）現象
や、その逆効果を指す[1,2]。これは時間反転対称性を破った系で起こり得る交差相関であり、これまで
反強磁性体やフェリ磁性体において観測されていた。しかし近年、イジング的遍歴強磁性体 URhGe において磁化容易軸（c 軸）への磁場の印加により、圧磁効果がみられる旨の理論予想がなされている[3]。
また、新規に提唱されている交差相関として、磁気圧電効果（magnetopiezoelectric effect）がある[4]。
これは電流の印加によってひずみが誘起される現象で、時間反転対称性と空間反転対称性が破れた系において起こり得る。動的測定ではすでに反強磁性金属EuMnBi2において確認されており[5]、さらなる物
質での観測が期待されている。候補物質であるBaMn2As2は、TN = 625 KでG-typeの反強磁性秩序を示し、そのときの磁気構造は、時間反転対称性・空間反転対称性を共に破った奇パリティ多極子秩序状態となっている。この状態にc軸方向の電流を流すと、ab面方向に格子ひずみが誘起されると予想されている[4]。
本研究では、光ファイバーベースのひずみ測定手法である
fiber Bragg grating（FBG）法[6]の電磁耐性や多軸同時測定が可能な特性を生かし、これら 2 種類のひずみに関する交差相関を研究した。
Fig. 1にURhGeのTFM = 9.5 K前後でのH || c中での磁気ひずみを示す。T > TFMではH ～ 0 T付近でε ∝ H2の振る舞いを示すのに対して、T < TFMではε ∝ |H|となる。URhGeのH || c下での磁化は、わずか10-2 Tほどの外部磁場で完全に反転できるため
我々のひずみ測定の結果は、低磁場での磁化方向の切り替わりと圧磁効果の組み合わせで解釈できる。これは、我々の知る限
り、強磁性体における初めての磁気圧電効果の観測例である。
Fig. 1. Magnetostriction of URhGe (a)εb,Fig. 2に、BaMn2As2のc軸方向に矩形波の電流を印加した際の(b) εc, with H || c.
[110]軸と[100]軸のひずみのフーリエ変換の結果を示す。[110]軸には矩形波のフーリエ変換に現れるような1倍波や3倍波がみられるが、[100]軸にはみられない。これは、磁気圧電効果によりab面にシアーなひずみが発生していることを示唆している。
References[1] A. S. Borovik-Romanov, Ferroelectrics 162, 152-159 (1994).
[2] M. Jaime et al., Nat. Commun. 8 99 (2017).
[3] V. P. Mineev, J. Exp. Theor. Phys. 132, 556-558 (2021).
[4] H. Watanabe and Y. Yanase, Phys. Rev. B 96, 064432 (2017).
[5] Y. Shiomi et al. Phys. Rev. Lett. 122, 127207 (2019).
[6] C. E. Campanella et al. Sensors 18, 3115 (2018).

Fig. 2. FFT of the square AC induced
strain of BaMn2As2.

光格子中量子磁性観測に向けた
量子気体顕微鏡の安定性改善と新イメージング法の提案
量子光学研究室

磯貝賢伸

Abstract By significantly improving our quantum gas microsope machine, we successfully obtain clear
fluorescence images with single-site resolution for single 174Yb atoms of a Bose-Einstein condensate
loaded into a two-dimensinal optical lattice. We also propose a high-fidelty spin-selective imaging
scheme for 173Yb.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

1995 年に冷却気体原子によるボースアインシュタイン凝縮[1]が実現されて以来、冷却気体原子系は量子多体系の新たな研究材料として注目されるようになった。特に近年では、光格子中の冷却気体原子系を用いた Hubbard モデルの量子シミュレーションが盛んに研究されている。このような系を、観測する強力な手法として量子気体顕微鏡(QGM)がある。量子気体顕微鏡とは、光格子中にトラップされた原子を、高分解能イメージング系によって単一格子点単位で直接観測する手法である。原子スピンを分解して測定することによる、量子磁性の直接観測も達成されている[2]。
従来の量子気体顕微鏡では、アルカリ金属が研究の対象とされることが多かったが、我々の研究グル
ープの量子気体顕微鏡はアルカリ土類金属であるイッテルビウム(Yb)を対象としたものである。イッテ
ルビウム原子は安定同位体が豊富であり、特に核スピン I=5/2 を持つ 173Yb(I=5/2)は 新奇な量子相をもつ SU(N≦6) Hubbard 模型[3]の研究に利用することが可能であり、最近では新奇な SU(N)Hubbard 模型における反磁性相関の観測も行われている[4]。
我々の装置では、固侵レンズの使用によって高分解能を達成しているが、単一格子分解イメージングを行うためには、固侵レンズの直下に十分に冷却された原子を用意することが不可欠である。本研究では、系統的な測定に必要な安定性を確保するため、不安定性の原因を突き止め装置の改善を行った。特に、輸送に使用する移動光格子内における原子の意図しない加熱原因の除去、磁気光学トラップにトラップされた原子数の揺らぎの抑制、等に成功した。結果、174Yb(ボーズ同位体)を使用した実験では、安定的にボースアインシュタイン凝縮を作り出すことに成功した。更に、Richardson-Lucy アルゴリズムを利用した Deconvolution[5]と組み合わせることで、各サイトの発光量分布をプロットしたヒストグラ
ムにおいて、占有サイトと非占有サイトの発光量ピークを分離することにも成功した。また、本研究では、173Yb 原子を用いた実験に向けて、Probe
光による原子の加熱を抑制し、また同時に原子の冷却を行うこともできるようなイメージング手法を提案する。
単一格子分解測定のフィデリティ評価も可能
Fig. 1. Fluorescence imaging of 174Yb atoms in two-dimentinal lattice. (Left) Raw,となる。
(Middle) deconvoluted images with 10.78µm×10.78µm. (Right) Reconstructed lattisesite occupation.
References[1] M. H. Anderson et al, Science 269(5221), 198-201(1995).
[2] A. Mazurenko et al., Nature 545, 462 (2017).
[3] M. A. Cazalilla and A. M. Rey, Rep. Prog. Phys. 77, 124401 (2014).
[4] S. Taie et al., Nat. Phys. 18, 1356 (2022).
[5] W. H. Richardson , J. Opt. Soc. Am. 62(1), 55–59 (1972).

一般のノイズに対する量子情報復元手法の明示的構成
Constructing succinct decoders for an arbitrary noisy
channel
物性基礎論:量子情報研究室

内海武尊

Abstract For quantum information recovery, we introduce two decoders for any quantum noise. One isan extension of the Yoshida-Kitaev decoder, and the other is a concise version of the Petz map. We
analyze upper bounds on recovery error and circuit complexities. We then compare their efficiency with
the Petz map.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

量子情報の通信を行う際に、情報源から送信される情報は環境系との相互作用によってノイズの影響を受けてしまい情報が正しく受信されないことが起こりえる。そこで、通信の前後にエンコーディン
グ・デコーディングと呼ばれる操作を行うことでそのノイズを実効的にキャンセルし、望みの情報の伝達を可能にしたい。ノイジーな量子通信理論はこのような問題に取り組むものであり、本研究はその一分野に属する。
送信できる情報量のレートの原理的な上限は量子通信容量と呼ばれ、これまで盛んに研究されてきた。
量子相関のモノガミー性に基づいたデカップリングアプローチにより、量子通信容量を達成するエンコーディングの手法としては、Haar ランダムユニタリを用いる“良い”手法が知られている。一方で、デコーディングの手法は明示的ではなく、Uhlmann の定理によりデコーダの存在が保証されるに留まる。
しかし実際に通信を行う場合、具体的なプロトコルとして提示された明示的なデコーダが必要となる。
現時点では、明示的に構成され、一般のノイズに適用可能な効率の良いデコーダの開発は十分ではない。
本研究では量子情報のデコーディングに着目し、既存の明示的なデコーダに着想を得た 2 種類の新デコーダの構成を行った。一つは qubit 消失ノイズに対する復元手法として提案された Yoshida-Kitaev
デコーダを拡張したものである。Qubit 消失ノイズは Hayden-Preskill モデルとしても知られており素粒子物理の観点から注目を集めているが、量子情報の観点からはより一般のノイズに対する拡張が期待されていた。もう一つは量子情報分野でよく知られている Petz recovery map をより簡潔にしたデコーダである。Petz recovery map は既に一般のノイズに対して適用可能であるが、その計算量が大きいた
め、計算量を可能な限り抑えたより簡潔なデコーダの構成が求められていた。
本研究の主な成果は、以下の 5 点である。
・デコーダを一般化し、一般のノイズに適用可能なデコーダを構成した。
・Petz recovery map に着想を得た、より簡潔なデコーダを構成した。
・新デコーダそれぞれの復元エラーの上限を求め、任意のノイズに対して量子通信容量を達成可能なことを示した。
・新デコーダそれぞれの回路計算量を評価した。
・新デコーダに必要な計算量と Petz recovery map の既存の計算量を比較し、前者の計算量が後者の計算量より小さくなる条件を明らかにした。

References[1] Mark M. Wilde, “From Classical to Quantum Shannon Theory”, arXiv: 1106.1445 (2011).
[2] B. Yoshida, A. Kitaev, “Efficient decoding for the Hayden-Preskill protocol”, arXiv: 1710.03363 (2017).
[3] A. Gilyén, et al. “Quantum algorithm for Petz recovery channels and pretty good measurements”, Phys. Rev.
Lett. 128.22 (2022): 220502.

異方的三角格子反強磁性𝐂𝐚𝟑 𝐑𝐞𝐎𝟓 𝐂𝐥𝟐 における熱伝導率測定による１次元スピノン励起の観測
量子凝縮物性研究室

大塚健一

Abstract To investigate whether one-dimensional spinon excitations survive at a low energy scale, we
performed thermal conductivity experiments on anisotropic triangular lattice antiferromagnet
Ca3 ReO5 Cl2. We found thermal conductivity divided by temperature in the paramagnetic state has a finite
intercept at T = 0 K, suggesting the presence of one-dimensional spinon excitations.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

フラストレート磁性体は絶対零度までスピンが凍結しない量子スピン液体の候補として精力的に研究されている。異方的三角格子は２種類の相互作用 J,J’(J >J’)をもつ三角格子であり、J’/J < 0.7
ではフラストレートの効果により２次元から１次元へのクロスオーバーが生じることが予言されており、２次元格子であるにもかかわらずスピン 1/2 ハイゼンベルク鎖特有のスピノン励起が現れる。異方的三角格子反強磁性体の代表例としてCs2 CuCl4 が知られており、中性子散乱実験[1]によって１次元ス
ピノン励起に特有な連続体励起が観測されている。しかしながら、Cs2 CuCl4 は磁気秩序化する温度𝑇𝑁に対して相互作用 J’の値が小さく、狭い温度領域でしか１次元の物理現象が探索できないという欠点があった。
最近発見された異方的三角格子反強磁性体Ca3ReO5 Cl2はCs2CuCl4よりも𝑇𝑁 に対する J’の値が大きく、広い温度領域での１次元の物理現象の探索が可能である。Ca3ReO5 Cl2 における中性子散乱実験[2]や比熱測定[3]で１次元スピノン励起特有の現象が観測されている。しかしながら、これまでの実験では低温かつ低エネルギー領域まで１次元スピノン励起が存続しているかどうかは不明のままであった。
本研究では方向性をもったバルクプローブである熱伝導率測定をCa3ReO5 Cl2 に対して行った。鎖内方向である b 軸と鎖間方向である c 軸方向のそれぞれ熱流方向の熱伝導率測定を行った結果、b 軸方向では磁気秩序化する温度𝑇𝑁 で折れ曲がりが観測され、常磁性領域での温度依存性を 0Ｋ
外挿したところ有限の値をとることが明らかとなった。一方、c 軸方向ではこのような振る舞いは観測されなかったことから、１次元スピノンが b 軸方向に熱輸送していることを示唆している。また、磁場の印加によって b 軸方向の熱伝導率が減少することから、１次元スピノン励起に由来する熱伝導が抑制されることが明らかとなった。これらの結果は１次元スピノンが低温かつ低エネルギー領域でも存続していることの証拠であり、Ca3 ReO5 Cl2において 2 次元から 1次元へのクロスオーバーがフラストレート
によって 誘起されていることを 示している。
Fig. 1: Temperature dependence of the thermal
conductivity of Ca 3 ReO5 Cl2 .

References[1] R. Coldea et al., Physical review letters, 86(7):1335, (2001).
[2] K. Nawa et al., Physical Review Research, 2(4):043121, (2020).
[3] D. Hirai et al., journal of the physical society of japan, 88(4):044708, (2019)

Kitaev 量子スピン液体候補α-RuCl3 単層膜における特異な状態密度振動の原子分解能解像
量子凝縮物性研究室

大間知秀祐

Abstract We report the results of scanning tunneling spectroscopy measurements on monolayerα-RuCl3,
a promising Kitaev quantum spin liquid candidate. We discover decaying spatial oscillations around point
defects with a characteristic bias dependence. The oscillation is distinct from any known spatial
modulations and may therefore be an unusual phenomenon.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

強い量子揺らぎの影響で絶対零度においても磁気秩序を持たない量子スピン液体は、量子磁性体の新しい状態として注目を集めている。A. Kitaev が考案した２次元ハニカム格子に S = 1/2 が並ぶ Kitaev
模型では、基底状態が厳密に量子スピン液体を実現し、スピンが分数化して Majorana 粒子になる[1]。
Majorana 粒子は外乱の影響を受けにくいことから、ノイズに強いトポロジカル量子計算の基本要素として期待されている。Mott 絶縁体α-RuCl3 は熱 Hall 伝導度などのバルク測定において Kitaev 量子
スピン液体物質であることを示唆する結果が得られているが[2]、量子計算への応用のためには実空間分解能を有する方法で Majorana 粒子を検出・制御することが必要である。
我々はパルスレーザー堆積法を用いて作製したα-RuCl3 単層膜を、極低温走査型トンネル顕微鏡によって測定した結果、膜上に点欠陥が存在し、そこから減衰する局所状態密度の空間的振動を観測した(Fig.1-A)。この振動の波数は正負バイアスで異なるが、正負バイアスそれぞれで分散を持たないという特徴を持ち(Fig.1-B)、電荷密度波や準粒子干渉などの従来の現象では説明がつかない。異なる Mott
絶縁体やその他の絶縁体または単層膜において同様の振動の報告例はなく、α-RuCl3 単層膜に固有の特異な現象であると考えられる。また、振動は Néel 温度以上の 8 K でも観測されたことからジグザグ
反強磁性秩序とは無関係であり、この結果は振動が Kiatev 相互作用に由来することを支持する。我々が欠陥周りで観測した振動は、Kitaev 模型下での Majorana 粒子によるものであると推測している。
A

B

Fig. 1: (A) A topographic image of anα-RuCl3 monolayer film taken at +980 mV and 0.1 nA (T = 5 K).
(B) The amplitude of Fourier transforms of the normalized conductance maps. Blue dotted lines indicate thewavenumbers of the oscillation.

References[1] A. Kitaev, Annals of Physics, 321(1), 2–111 (2006).
[2] Y. Kasahara et al., Nature, 559(7713), 227–231 (2018).

一粒子トラッキングによるせん断速度測定法の開発
時空間秩序・生命物理研究室

尾形正太郎

Abstract We measured shear velocity around a micro-swimmer through tracking a particle which has an
eccentric fluorescently bright point, so called OCULI particle. We measured the particle's velocity and therotation speed of the particle along shear flow, and examined the correspondence between the two. In
addition, we estimated the strength of shear velocity around Tetrahymena by using the relationship above
mentioned.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

ミクロな水中は低レイノルズ数の世界であり、そこで生きる微生物はストークス方程式に支配されている。移動や転向に使う推進力やトルクは流体との相互作用によって得ており、運動の特徴は細胞近傍の流体や場合によっては細胞内の流体の運動に反映される。そこに現れる渦や剪断流など流体中に生じる速度差の測定は、散逸の見積もりや遊泳の特徴付けなどにとって重要である。微生物が泳いだときの周囲の流体の振る舞いに関しては、高密度にプローブ微粒子を分散させた媒質を用意し、その複数の粒子の変位から流体の変位を算出する粒子画像流速測定法などの測定が代表的な実験手法として用いられている。しかし、細胞内などの微小領域や、遊泳微生物の遊泳装置の傍など、遊泳にとって興味深い
領域の測定となると、せん断の大きさに対して粒子密度や数が足りなくなる為に測定は困難になってくる。この問題を解決する足掛かりとして、回転を直接検出できるコロイド粒子の利用を試みた。
球の中心とは異なる場所に蛍光の発光点を持つ粒子は、粒子の並進運動と回転運動の両方の情報が乗った形で発光点の並進運動が観察される。最初に、せん断速度の直接測定プローブとして利用可能かど
うか、ハーゲン・ポアズイユ流れの中で粒子の測定を行った。内部寸法で厚さ 200μm の直方体形状の流路に矩形波で圧力を印加し、流路の中を流れる粒子の発光点の並進運動と蛍光強度を追跡し、それらを流路内の高さを変えて取得した。流体をせん断応力と流速の差が比例関係にあるニュートン流体を仮定
し、粒子の平均の並進速度の微分と流れに沿った回転速度を測定したうえで両者の間の対応関係を検討した。その後実際に遊泳する微生物での測定例として繊毛虫テトラヒメナを用い、テトラヒメナの周りに目玉粒子を分散させた上でその回転を測定した。上で求めた速度差と回転速度の校正関係を利用することで、テトラヒメナのごく近辺に生じた剪断応力の強さの算出を試みる。
孤立した一粒子でのせん断速度や回転の測定が可能になれば、微小領域の複雑な流れの測定手法の発展に大きく貢献する事が期待できる。

図1

実験の概略図

図 2 高さごとの平均流速とそのフィッティング(1 pixel = 0.109μm, 50 fps, 30px/frame=163.5μm/s)

アガロース高分子ネットワークとコロイド粒子の動的結合
ソフトマター物理学研究室

小野基紀

Abstract Dynamic coupling between the Brownian motion of colloidal particles and agarose solsand gels was studied using DLS. The motion of colloidal particles in agarose solutions was slower
than that in water. The diffusion of colloidal particles was found to slow down as the concentrationof agarose increased.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

アガロースは寒天の主成分の高分子で、水溶液中ではポリマー間の水素結合によりクラスターを生成し、クラスターは水溶液中で拡散運動をしている。さらに高濃度では 30℃程度まで冷却するとクラスターがパーコレートしてゾル‐ゲル転移する。本研究では、アガロース水溶液に球状のコロイド粒子(シリカナノ粒子、直径 50nm)を混合し、アガロース高分子のクラスターの拡散運動とコロイド粒子のブラウン運動との動的結合を動的光散乱(DLS: Dynamic Light
Scattering)により研究した。
まず、アガロース溶液(0.05wt%：ゾル状態)とコロイド溶液の DLS
測定をそれぞれ 30℃で行い、Fig.1 に示すように、いずれも単一緩和を示す協同運動が存在することを確認した(それぞれ青●と黒●)。また散乱角を変化させた Fig.2 の分散関係測定（青×と黒●）に示されるようにそれぞれの協同運動は拡散的な運動であることが示され、それぞれコロイド粒子のブラウン運動と、アガロースのクラスターの拡散運動に対応すると理解できる。アガロ
ースはコロイド粒子より 100 倍程度大きなクラスターを生成しており、コロイド粒子の半径と比較すると数ミクロン程度のクラス
ターであることが推測される。
次に、混合溶液におけるコロイド粒子濃度依存性の測定を行った。コロイドが低濃度(<0.2wt%)の領域では、2 段緩和として 2 つの緩和が観測され(Fig.1 緑●)、Fig.2 の分散関係測定に示されるように、2 つの運動は共に拡散的な運動であった。観測された
速い緩和時間（緑●）は純粋なコロイド粒子溶液で観測された緩和時間（黒●）に、遅い緩和時間(緑×)は純粋なアガロース溶液
で観測された緩和時間（青×）に近い。一方、高濃度(>0.2wt%)の領域では、単一緩和が観測され(Fig.1 赤●)、Fig.2 の分散関係測定から、その緩和時間は純粋なコロイド粒子溶液に近いが、アガ
ロースの混合に伴い減速することが分かった。
これは、アガロースネットワークの存在により、コロイド粒子
がアガロースネットワークを巻き込んで運動するためと考える。
最後に、コロイド粒子濃度を 0.5wt%で固定して、アガロース濃度依存性を 0.05wt%～1wt%まで変えて測定を行った（Fig.3）。速い緩和時間として観測されるコロイド粒子の拡散は、アガロース
濃度の増加に伴い減速し、アガロース濃度 1.0%では拡散係数が1/3 となることが分かった。アガロース濃度の増加に伴い、コロイド粒子の運動がアガロースネットワークにより強く制限されていることが分かった。

Figure 1
Autocorrelation
functions from DLS.

Figure 2
Wavenumber
dependence of relaxation time.
×…agarose solution
×…mixture(colloid0.2%)：slow●…mixture(colloid0.2%)：fast●…mixture(colloid1%)：fast

Figure3Agaroseconcentration dependence ofthe diffusion constant of
colloidal particles in an
agarose solution. When
there
were
multiplerelaxation
modes,
thefaster, diffusive mode wasselected.

UV レーザー干渉縞による分子マニピュレーション
ソフトマター物理学研究室

谷知晃

Abstract We performed molecular manipulation in a liquid crystal by illuminating the sample withan interference pattern of UV laser light. The stripe spacing was made significantly narrower(λ=18µm) than in previous work (λ=60µm), allowing for higher resolution manipulation. This
improvement was largely due to significant modifications to the optical system and a thinner samplecell© 2024 Department of Physics, Kyoto University

ネマチック液晶にアゾ化合物をドープし、Trans-Cis異性化を誘起する励起光のパターン照射により、液晶の配向秩序度の空間分布制御し、不純物濃度の空間分布を制御する分子
マニピュレーションが発明された[1]。最近、当研究室では

Figure 1 Improved interference device

UVレーザー干渉縞を用いたストライプ型のマニピュレーショ
ンが実現されたが、縞間隔を狭められないことが問題であった[2]。本研究では光学系の改良とともに、セル厚を薄くすることで干渉縞によるマニピュレーションと、その高解像度化を実現した。
試料はE44とT15の混合物(ネマチック液晶)、メタクリル酸
11-[4-(4-ブチルフェニアゾ)フェノキシ]ウンデシル(Azo：ア18µm

ゾ化合物)、ADS12PQT(PQT：蛍光高分子)を混合したものである。試料は水平配向処理を行ったガラスセルの中に封入した。UVレーザーには325nm のHe-Cdレーザー光を用いた。UV

Figure 2

光照射前後のPQTの蛍光輝度を冷却CCDカメラで撮影し、PQT

intensity image.

Normalized fluorescenceの濃度分布変化を観測した。液晶セルの厚さは従来の1/4の5µmとした。干渉縞を生成する光学系部分は可変な縞間隔を実現するために、マッハ・ツェンダー干渉計を参考に改良した(Fig.1)。これにより縞間隔、数µmから100µm程度の安定な干渉縞を生成することができた
Fig.2はAzo 2.8wt%、PQT 0.08wt%の試料を、温度105℃で干渉縞 (縞間隔18µm)を5分照射後の蛍光輝度変化画像である（撮影範囲は約120µm 四方）。Fig.3にストライプに垂直な方向に蛍光輝度（緑線）と周期変化を干渉縞間隔の周期関Figure 3 Normalized fluorescence intensity(green) and fitting curve(purple).

数でフィッティングした結果（紫線)で示した。セル厚を薄くしたことによって撮影前後の蛍光ノイズが低減され、蛍光輝度画像がより明瞭になった。蛍光輝度変化はUVレーザー干渉縞に一致しており、レーザー干渉縞による高解像な分子マニピュレーションの実現を確認した。
References[1] S. Samitsu, et al., Nature Materials, 2010, 9, 816[2]高冨士愛子, 修士論文(2022)

液晶エマルションの磁気誘起複屈折
ソフトマター物理学研究室

松村大毅

Abstract Liquid crystal emulsions are microscopically anisotropic due to the internal director alignmentof individual droplets, but macroscopically isotropic due to their random orientation. We placed theemulsion in a magnetic field and succeeded in realizing a macroscopically anisotropic optical response.
Their birefringence was found to depend on magnetic field strength.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

Retardation (radian)Light Intensity (a.u.)

液晶分子は疎水性のため、水に液晶分子を分散させると液滴状に相分離する。液晶エマルションとは、界面活性剤により、水中に液晶液滴を安定に分散させたものであり[1]、液滴一つ一つは有限のネマテ
ィック配向秩序を有し、異方性を持つにもかかわらず、水中で液晶液滴の異方軸の方向がランダムとなるため、巨視的には等方性を示す。液晶エマルションに、電場や磁場をかけると、液滴内部の液晶分子はトルクを受け、液滴の異方軸の方向が磁場や電場方向にそろい、マクロな異方性を示すことが期待できる。本研究では、単分散な液晶エマルショ
ンを作成し、磁気誘起複屈折を発現させることを試みた。
液晶エマルションの作成には、Ouzo 効果を利用した。これは、アセトンのような水によく溶ける溶媒に疎水性の溶質を分散させたのち、多量の水を加えると、溶媒が水に溶けるために疎水性物質が水中に孤立し、単分散な液滴を形成するという現象である[2]。本研究では、水、アセトン（水に対し 1wt%）、低Fig. 1. Schematic representation of the
分子液晶 7cb と界面活性剤 PEO-PCNEPHMA（合計で水に対しexperiment.
0.01wt%）を混合して溶液を作成した。液滴の流体力学的半径と1 123mT
単分散性は動的光散乱法で測定した。得られた自己相関関数を
236mT
0.8 350mT
拡張型の指数関数でフィッティングしたところ、ストレッチト
0.6 463mT
インデックスは 0.9 程度と 1 に近く、液晶エマルションの単分
577mT
0.4
散性が確認できた。
0.2
最大で 600mT の磁場を発生できる電磁石の磁極間に、温度制0御可能な試料ホルダーを設置し、液晶エマルション水溶液を封-1135
入した光路長 10mm の光学セルを配置した（Fig.1）。磁気誘起Time (s)複屈折を観測するため、偏光子により入射光の偏光方向を磁場と45°に設定し、もう１枚の偏光子をクロスニコルとなる配置
Fig. 2. Change of light intensity againstに設置して、光電子増倍管により磁場 On/Off に対する透過光
time when the magnetic field was turned
強度の変化をデジタルオシロで観察した。磁場 On に対する磁on at 𝑡 = 0 . Different colors represent
気複屈折の時間変化の磁場依存性の測定例（液晶エマルション
different field strength.
半径 640nm,0.01wt%,温度 35℃）を Fig.2 に示す。磁場印加に対する応答時間は 1 秒程度であることが分かった。また磁場 On
0.06
後に十分な時間が経った後の光強度は、磁場強度の増加ととも
0.05
0.04
に大きくなる様子が観測された (Fig.3)。これは液晶エマルシ
0.03
ョン中の配向秩序が持つ磁気異方性に起因して、液晶エマルシ
0.02
ョンを磁場方向に配向させようとする回転トルクと、配向をラ0.01
ンダム化する回転ブラウン運動が拮抗していると理解できる。
0
References[1] Shinji Bono et al., Europhys. Lett. 109, 26004 (2015).
[2] Elise Lepeltier et al., Adv. Drug Deliv. Rev. 71, 86 (2014).

0

200

400

600

magnetic field (mT)Fig. 3. Retardation against magnetic fieldstrength.
and the analyzer are rotated to maintainthe angle between them, while themagnetic field direction is maintained.

確率的秩序変数ダイナミクスにおけるエントロピー力の紫外発散
統計物理・動力学分科

角祐大郎

Abstract The stationary propagation velocity of a (d−1)-dimensional planer interface ind-dimensional space is studied by analyzing mesoscopic non-conserved order parameter dynamics with
two local minima under the influence of thermal noise. It is found that the velocity singularly depends onan ultraviolet cut-off when d ≥ 2.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

異なる相が平坦な界面を通じ接触しているとき、一般に界面はある方向に運動する。その定常速度は、二相の自由エネルギー差による駆動力と易動度で決まる。この現象を秩序パラメタ場に対する決定論的力学系で記述するとき、モデルのポテンシャルが自由エネルギーに対応する。すなわち、二つのポテン
シャル極小状態におけるポテンシャル値が等しいとき、界面は運動しない。この系にノイズが加わると、
自由エネルギーにノイズに由来するエントロピーの寄与が加わる。その結果、界面は運動する [1]。このように、エントロピーの寄与により駆動される界面をエントロピー駆動界面と呼ぶ。
本修士論文では、d 次元空間で定義される場に対する (d − 1) 次元平坦界面がエントロピー駆動される場合の定常速度を問題にする [2]。具体的には、d 次元空間で秩序パラメタ場 ϕ(r, t)、ミクロなカットオフ長 2π/kc を定義し、ポテンシャル密度 f(ϕ) 、易動度 Γ 、界面エネルギーの定数 κ 、温度 T として、∂tϕ = −Γ[f ′ (ϕ) − κ∆ϕ] + η
により時間発展が記述される系を考える。∆ は d 次元のラプラシアンである。ガウスホワイトノイズ
η(r, t) は揺動散逸関係⟨η(r, t)η(r ′ , t′ )⟩ = 2ΓT δ(r − r ′ )δ(t − t ′ )を満たす。
このモデルに対して、界面の定常速度の公式を新たな方法で導出する。特に、先行研究で得られていた d = 1の場合 [1]と先行研究の方法では導出できていない d ≥2 の場合に対し、統一的に定式化する。新たに得た d ≥2 に対する公式によると、定常速度は kc に依存し、kc→ ∞ の極限で発散する。つまり、このメソスケールの系はよりミクロな階層と分離できないことを意味する。
さらに、d = 2 のモデルの数値計算を行ない、定常速度が数値計算の格子間隔に特異的に依存することを確認する。Fig. 1 では、界面の定常速度 c の格子間隔 ∆x 依存性について、数値計算結果と理論的結果を示している。
両者はよく一致することが分かる。

Fig. 1 ∆x –dependence of c in two dimensions.
ξ1 is the correlation length of fluctuations in
the bulk region. The symbols show the resultof numerical simulations. The solid line
represents the theoretical result.

Reference[1]G. Costantini and F. Marchesoni, Phys. Rev. Lett. 87, 114102 (2001).
[2]Y. Kado and S.-i. Sasa, arXiv:2304.03554. [Phys. Rev. Lett.に掲載決定]

超純良 UTe2 単結晶におけるスピン三重項超伝導状態のギャップ構造
量子凝縮物性研究室

神村真志

Abstract We measure the thermal conductivity of ultra-clean UTe2 single crystals to determine thesuperconducting gap structure. Contrary to previous reports, we find the absence of nodes around a-axis.
Combined with the reduction of nuclear magnetic resonance Knight shift, these results indicate thesuperconducting symmetry is the fully gapped Au symmetry.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

スピン三重項超伝導体は Majorana フェルミオンが出現する
トポロジカル超伝導が実現するための理想的な環境であり，トポロジカル量子計算への応用などから強い関心を集めている．
その有望な候補物質が 2018 年に超伝導が発見された重い電子系超伝導体 UTe2 であり[1]，Pauli 極限を大きく超える上部臨
界磁場やリエントラント超伝導などからスピン三重項超伝導体であることが支持されている．URhGe や UCoGe などの強磁性超伝導体と異なり常磁性の UTe2 は転移温度が高く常圧下で超伝導状態となるため，様々な実験手法により超伝導の性質を調べられる格好の物質である．
しかし，超伝導発現機構や超伝導状態のトポロジカルな性質を理解する鍵となるギャップ構造は未だ明らかになっていな
い．比熱や Kerr 効果測定からは時間反転対称性の破れについて相反する結果が報告されている[2]．また，複数の実験から Fig. 1. Field dependence of residual
ポイントノードの存在が示唆されているが，その位置は報告 thermal conductivity.
によって様々であり議論が続いている．熱伝導率[3]など複数の実験から対称性が B3u である可能性が主に議論されてきたが，異方的超伝導体では低エネルギー準粒子励起が不純物の影響を強く受けるためギャップ構造の決定が妨げられていた可能性がある．実際，純度の高い試料では転移温度が高く，比熱の2 段階転移が消失し残留比熱が激減しているため，ギャップ構造の決定には試料純度が高いことが極めて重要である．
最近，
残留抵抗比が 200 を超え量子振動が観測される極めて純度が高い単結晶が作製されたことで[4]，UTe2 の本質的な性質が明らかになることが期待されている．本研究では超伝導ギャップ構造を調べるた
め，高純度試料に対しバルクプローブである熱伝導率測定を行った．その結果，磁場が a, c 軸方向の場
合の a 軸方向の残留熱伝導率は，低磁場領域では常伝導状態の残留熱伝導率の 1%以下であり他のウラン系超伝導体に比べて非常に小さいことが分かった(右上図)．これにより超伝導ギャップが a 軸方向及びその周辺にノードを持たないことが明らかになり，これまで支持されてきた B3u 対称性が排除された．
核磁気共鳴 Knight シフトの結果[5]と合わせると，対称性はフルギャップの Au であると結論付けられ，
これは超流動 3He の B 相に相当する超伝導状態である．UTe2 の超伝導対称性が Au であることを考慮すると，Fermi 面が 3 次元構造を持つ場合は 3 次元巻き付き数をトポロジカル不変量として持つ強い 3 次元
トポロジカル超伝導体となり，全ての表面にヘリカルな Majorana 表面状態が現れることが期待される．
References[1] S. Ran et al., Science 365, 684 (2019)[2] D. Aoki et al., J. Phys.: Condens. Matter 34, 243002 (2022).
[3] T. Metz et al., Phys. Rev. B 100, 220504 (2019).
[4] D. Aoki et al., J. Phys. Soc. Jpn. 91, 083704 (2022).
[5] H. Fujibayashi et al., J. Phys. Soc. Jpn. 91, 043705 (2022).

近藤超格子における非相反輸送測定によるヘリカル超伝導相の観測
量子凝縮物性研究室

小菅優揮

Abstract We measured nonreciprocal electrical transport on tricolor superlattices, which are
non-centrosymmetric superconductors with large Rashba spin-orbit coupling. Nonreciprocal component
in resistance R2ω exhibits a distinct anomaly in high magnetic field and at low temperatures, indicating the
emergence of helical superconductivity.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

近年、非従来型の超伝導体として、クーパー対が有限の重心運動量を持つ超伝導体が注目を集めている[1]。しかし、このような超伝導相の存在を実証するような実験結果は未だ挙がっていない。
そのような状況の中、この有限の重心運動量を持つ超伝導体の一種であるヘリカル超伝導相の発現を観測できる実験手法として、非相反輸送測定という手法が理論分野で提案された[2]。実際に空間反転対
称性を破った s 波超伝導体において非相反輸送の測定が行われたが、ヘリカル超伝導相由来の信号とその他の由来の信号の分離が難しいなどの問題があり、現在に至るまでヘリカル超伝導相の発現を示す決定的な実験結果は報告されていない。そこで我々は、重い電子系の s 波超伝導体 CeCoIn5 と、その他に二種類の金属を用いて空間反転対称性を破った三色超格子と呼ばれる物質に注目した。この三色超格子
では、様々な物性の測定結果から、低温高磁場においてヘリカル超伝導相の可能性のある新たな超伝導相の存在が報告されている物質である[3]。
そこで今回我々はヘリカル超伝導を観測することを目的として、三色超格子における非相反輸送測定を行った。その結果、低温高磁場において電気抵抗の非相反成分 R2ω が観測され、さらに R2ω が磁場方向に対して異方性を示すことを発見した。先行研究で見られるような渦糸による非相反輸送ではこのような異方性を説明できず、磁場を面内から傾けた際に信号がほぼ変化しないことからマイスナー遮蔽効果による寄与も否定されるため、この信号は有限重心運動量対による寄与だと考えられる。有限重心運動量対を持つ状態として、ヘリカル超伝導相の他に FFLO 状態が挙げられるが、三色超格子では Rashba 効果によってもたらされるエネルギー利得 R が、FFLO 状態の起源となるゼーマン効果によるエネルギー利得 BH を大きく上回るため、三色超格子
では FFLO 状態ではなくヘリカル超伝導相が発現する可能性が高いと考えられる。
この観測結果をもとに、2 つの磁場方向での非相反成分の差
分ΔR2ω に関する温度磁場相図を作成したものが Fig. 1 である。
超伝導状態の低温高磁場付近においてのみΔR2ω が大きく増大した。これらの結果は、磁場をアンチノード方向にかけたときにのみヘリカル超伝導由来の非相反輸送が大きく増強されていることを示している。

Fig.1: H-T Phase diagram of the difference ofnonreciprocal transport ΔR2ω and superconducting
transition line.

References[1] E. Bauer and M. Sigrist, Non-Centrosymmetric Superconductors, Lecture Notes in Physics, 2012.
[2] N. F. Q. Yuan, L. Fu, PNAS 119, 15 (2022).
[3] M. Naritsuka et al., Phys. Rev. B 96, 174512 (2017).

擬似ランダム量子状態に基づく量子暗号の安全性

物性基礎論：量子情報研究室 白川雄貴
Abstract Pseudorandom quantum states generators (PRSGs) are efficient quantum algorithms
that output quantum states which are computationally indistinguishable from Haar random states.
We clarify the computational assumptions necessary for the existence of PRSGs and PRSG-based
cryptographic primitives in terms of the relationships between the computational complexity classes.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

暗号における安全性の概念は、おもに情報理論的安全性と計算量的安全性の 2 種類に分けられる。情報理論的安全性は計算能力が無制限の攻撃者に対しても安全であるという利点を持つが、この安全性を達成可能な例は限られたものしか知られていない。一方で、計算量的安全性は多項式時間の振る舞いをする攻撃者に対する安全性であり、強度の点で情報理論的安全性に劣るものの、公開鍵暗号をはじめとする多くの実用的な暗号機能が構成できる。RSA 暗号が素因数分解の難しさを仮定した上で安全である
ように計算量的安全な暗号には何らかの仮定が必要となる。そのため、どれだけ信頼度の高い仮定から暗号機能を構成できるかが重要な問題である。古典暗号においては最も基礎的な仮定として一方向性関数が知られているが、量子暗号の場合は擬似ランダム量子状態と呼ばれる暗号機能が一方向性関数なしでも存在できる可能性が示唆され[1]、暗号における量子優位性として注目されている。
擬似ランダム量子状態生成器(PRSG)[2]とは一様ランダムにサンプリングされた量子状態と多項式時間で区別出来ない量子状態を効率的に生成するアルゴリズムである。また、一方向性関数を量子アルゴリズムへと一般化した一方向性量子状態生成器(OWSG)[3]や秘密にしたいメッセージを暗号化する手法の 1 つである古典通信量子擬ワンタイム・パッド(ccQPOTP)[4]などの暗号機能は PRSG から構成
できることが知られている。
本研究では、これらの暗号機能の安全性の程度をよく知られた計算量クラスとの関係という観点か
ら明らかにした。特に、1.qubit 数の小さい量子状態を出力する PRSG、2.異なる鍵から生成される状
態間の距離が遠くなる性質を持つ特殊な OWSG、3.ccQPOTP、に着目してそれぞれ以下の結果を得た：
1. 𝑛(𝜆) = 𝑂(log 𝜆) かつ 𝑛(𝜆) ≥ log 𝜆 を満たす 𝑛(𝜆) に対して 𝑛(𝜆)-qubit 状態を出力する PRSG が存在するならば BQP ≠ QCMA が成立する。
2. 0 ≤ 𝑐(𝜆) < 1 − 1/poly(𝜆) に対して、𝑐-injective OWSG が存在するならば BQP ≠ PP が成立する。
3. 𝑀(𝜆)(> 𝜆)-bit メッセージに対する ccQPOTP が存在するならば BQP ≠ QCMA が成立する。

References[1] W. Kretschmer, “Quantum pseudorandomness and classical complexity”, TQC 2021.
[2] Z. Ji, Y-K. Liu, and F. Song, “Pseudorandom quantum states”, CRYPTO 2018.
[3] T. Morimae, and T. Yamakawa, “Quantum Commitments and Signatures Without One-Way Functions”,
CRYPTO 2022.
[4] P. Ananth, A. Gulati, L. Qian, and H. Yuen, “Pseudorandom (Function-Like) Quantum State Generators: New
Definitions and Applications”, TCC2022.

カゴメ格子反強磁性体 YCu3(OH)6.5Br2.5における磁化プラトー
量子凝縮物性研究室

立石将太郎

Abstract To investigate the ground state of the kagome antiferromagnet YCu3(OH)6.5Br2.5, we havemeasured the magnetization process and the magnetic torque. We observed the 1/9 and 1/3 magnetization
plateaus. We estimated that the spin gap of YCu3(OH)6.5Br2.5 was less than 1.4 K from linear
magnetization curve near zero magnetic field. © 2024 Department of Physics, Kyoto UniversityM⊥ (μB/Cu)

フラストレート磁性体は、幾何学的に競合する磁気相互作用や量子揺らぎからエキゾチックな量子多体状態を持つ。その代表的な系である、量子スピン 1/2 カゴメハイゼンベルグ反強磁性体は、絶対零度
においても磁気秩序のない量子スピン液体状態を持つことが期待されている。これまで 2 次元カゴメハ
イゼンベルグ反強磁性体の基底状態の性質について精力的な研究が行われてきたが、未解決の問題が数多くある。例えば、ゼロ磁場中の基底状態でのギャップの有無である[1]。また磁場中では、磁場誘起ス
ピンギャップから生じる飽和磁化の 1/9、1/3、5/9、7/9 で磁化プラトーが出現することが予言されている。これらのプラトーは古典的スピンでは説明できない量子もつれ状態によるものであり、エキゾチッ
クな状態であることが期待されているが、基底状態についてはまだ明らかとなっていない。1/9 磁化プ
ラトーに関してはその存在すらはっきりとわかっていない。
カゴメ反強磁性体の基底状態を明らかにするためには、ゼロ磁場でのギャップの有無や磁化プラトーを実験で観測する必要がある。しかしながら、これまでカゴメ格子に歪みを持たず、低温で磁気秩序しないカゴメ反強磁性体はあまり見つかっていない。最も有望な候補物質の ZnCu3(OH)6Cl2 でさえも、Znと Cu のサイト間の乱れによって、その基底状態ははっきりとわかってこなかった。
最近発見された YCu3(OH)6.5Br2.5（YCOB）は歪みのない Cu2+のカゴメ格子を持ち、60~80K の反強磁性相互作用 J に対して、50 mK まで磁気秩序が観測されていない。さらに、ZnCu3(OH)6Cl2 のようなサイト間の乱れを持たないため、カゴメ反強磁性体の基底状態を調べるのに理想的な舞台となっている。
以上の背景から、本研究では、YCOB のパルス磁場による 57 T までの磁化過程と、低磁場の磁気トルクを測定した。50 T 以上では、Cu2+イオンの飽和モーメントの 1/3 で明確な磁化プラトーが観測され、YCOB が理想的なカゴメ反強磁性体に近いことが明らかとなった。さらに 20 T 付近では 1/3 プラトーの
約 1/3 の磁化を持つ 1/9 磁化プラトーを発見した。これ
らのプラトー領域での磁化曲線が、1.6 K 以下で温度に0.30依存しないことから、スピンギャップの存在が明らか
0.25
0.5K
となり、その大きさはプラトー幅から約 15 K と見積もられた。以上の結果は、YCOB がカゴメハイゼンベル
0.20グ反強磁性体におけるエキゾチック量子相を探索する
ための理想的なプラットフォームであることを示して
0.15
いる。
0.10
また YCOB の磁気トルク測定からは、磁化は 0.25 Kにおいて 0.5 T 以上では磁場に対して線形であることが0.05わかった。これは、もしゼロ磁場においてギャップが0.00存在するとしても、スピンギャップが 0.7 K 未満である
0
10
20
30
40
50
ことを示している。
B (T)Fig. 1. Magnetization process of YCOB for H||cReferences[1] S. Yan, D. A. Huse, and S. R. White, Science 332, 1173(2011). 0.9K
[2] T. Picot, M. Ziegler, R. Oru ś , and D. Poilblanc, Phys.Rev. B 93, 060407 (2016).
[3] M. R. Norman, Rev. Mod. Phys. 88, 041002 (2016).
[4] X.-H. Chen, Y.-X. Huang, Y. Pan, and J.-X. Mi, J. Magn. Magn. Mater. 512, 167066 (2020).

時空間分解発光分光による混晶ハライドペロブスカイトの光誘起相分離の研究
光駆動固体物性研究室

大穀裕介

Abstract Using hyperspectral photoluminescence (PL) imaging techniques and PL lifetime
measurements, we studied spatial and temporal dynamics of photoinduced phase separation in
mixed halide perovskite thin films. By focusing continuous light on a spot and applying electricfields, we revealed that the phase separation originates from halide ion migration throughdefects.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

ハロゲン化金属ペロブスカイトは高効率な光電変換材料として活発な研究が行われている[1]。その基本的な組成は ABX3 [A = Cs, CH3NH3 (MA), HC(NH2)2 (FA), B = Pb, Sn, X = I, Br, Cl]で表され、各サ
イトに種類の異なる複数のイオンを用い、その混合比を変えることによってバンドギャップエネルギーを操作できる。なかでも X サイトに I と Br を用いた混晶ハライドペロブスカイトが積層型太陽電池のトップセル材料として期待されている[2]。しかし、混晶ハライド系に連続的に光を照射すると発光スペクトルが大きくレッドシフトすることが知られており[3]、実用上の課題となっている。この現象の原因としてハロゲンのイオン移動による I-rich 相と Br-rich 相の形成が議論されているが、そのメカニズムは未だに理解されてなく、その解明が応用上待ち望まれている。加えて、このような光誘起相分離は基礎光物理学の観点からも非常に興味深い現象である。
そこで本研究では、Cs0.15FA0.85PbI2Br 薄膜の相分離過程における発光スペクトルを時空間分解発光
分光により測定した。ガラス基板上に作製した試料に対して 2 W/cm2 の励起光を局所的に 3 分間照射した後の発光エネルギーの空間分布を Fig. 1 に示す。光照射前は発光エネルギーが 1.73 eV 程度の均一な分布を示したが、励起光照射後は空間分布に不均一性が生じ、スポット中心では 1.67 eV 程度まで発光
エネルギーがレッドシフトした。さらに、金電極を蒸着したガラス基板上に試料を作製し、局所的な連続光照射と電圧の印加を同時に行い、発光スペクトルの時空間変化をハイパースペクトルイメージング分光により測定した。時間経過に伴って、発光強度が減少
しつつ発光エネルギーがレッドシフトした領域が陽極側から励起光照射スポットに向かって移動する様子が観測された。同時に空間分解発光寿命測定も行うこと
で、その領域では発光寿命も減少することが確認された。この結果は、連続的な光照射がハロゲン欠陥を介したイオンの移動を誘起することを示している。また、
発光スペクトルのレッドシフトと欠陥の増加が同時に起こることから、I-rich 相および Br-rich 相の形成は
Br イオンの移動によるものであると結論した。以上の結果は、格子欠陥を介したイオン移動過程により光誘起相分離が起こることを明確にとらえたものであり、 Fig.1. A spatial image of the PL energy in a mixed
光誘起相分離の抑制やペロブスカイト太陽電池の長寿 halide perovskite film after laser excitation. The
命化実現のヒントを与えるものである。
vertical and horizonal axes show the distance fromthe center of the excitation laser spot. The beam
spot diameter is 18 µm.

References[1] Y. Kanemitsu, T. Handa, Jpn. J. Appl. Phys. 57, 090101 (2018).
[2] C. D. Bailie, M. D. McGehee, MRS. Bulletin. 40, 8, 681-686 (2015).
[3] E. T. Hoke et al., Chem. Sci. 6, 613–617 (2015).

非線形量子干渉計を用いた広帯域もつれ光子対の研究
光物性研究室廣田晴哉

Abstract Photon pairs generated by simultaneous spontaneous- parametric down-conversion process havebeen characterized for the future application to the quantum spectroscopy. We observed quantum
interference of the pair with the nonlinear interferometer and confirmed that the spectrum of the idler iswidely spread over the mid-infrared region.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University
光量子分光法は光の量子統計性を利用した分光法である。通常の古典的分光法では、ランプやレーザーなどの古典光で系を励起し、その後の透過、反射、吸収、光散乱などを計測する。これらのデータに半古典的近似の理論を適用することにより、物質の励起状態や素励起の情報を得ることができる。最近、励起光の量子統計性が生成される素励起の性質に強く反映されることが指摘された[1,2]。このような現象は半古典的近似では完全な説明ができない。さらに、量子もつれ光子対の量子相関を用いた光量子
分光法が提案され、その実証が行われている[3]。しかし、これらの手法に必要な量子もつれ光子対発生
技術は発展途上であり、発生波長の選択性が高い量子もつれ光子対源の開発が求められている。我々の研究グループでは、同時自発的パラメトリック下方変換（s-SPDC）過程と呼ばれる、波長可変かつ広帯域量子もつれ光子対の発生手法を提案した[4]。s-SPDC は 2 つ以上の位相整合条件を同時に満たすこと
で２組の光子対を発生させるパラメトリック過程である。s-SPDC ではシグナル光（近赤外光）とアイド
ラー光（中赤外光）が周波数もつれを持って発生するため、生成されたもつれ光子対を光量子分光に用いることによって、物質の振動遷移と電子遷移の間の量子的な相関を取得できることが期待される。
本研究の目的は s-SPDC で発生した量子もつれ光子対源の評価を行うことである。本実験では周期分
極反転 MgO 添加 LiTaO3（PPSLT）に 638nm の光を入射させたときに発生するシグナル光とアイドラー光のスペクトルを調べる。特に s-SPDC によって発生する中赤外光は強度が弱く半導体検出器や超伝導ナノワイヤーでは検出が困難であるため、中赤外光を直接検出せず中赤外光のスペクトルを取得する必要がある。この問題を解決するために本研究では s-SPDC に基づく非線形干渉計を構築した。非線形干渉計では、①ポンプ光を非線形光学結晶に入射させ s-SPDC により光子対（シグナル光とアイドラー光）を発生させる、②結晶から出射されたポンプ光と光子対を結晶に再度入射させて①の光子対と重なるように光子対を発生させて、③シグナル光とアイドラー光を分離してシグナル光の光子計数を行う。計測されたシグナル光は①と②のいずれの光子対発生によるもの
かは区別できないことから、量子干渉が生じる。この過程
は３つの光の位相に敏感であることから、①と②の間のア
イドラー光に遅延時間を付与することにより、シグナル光の光子数が増減する量子干渉を遅延時間の関数として計測できる。この干渉をフーリエ変換することにより、アイド
ラー光（中赤外光）のスペクトルが得られる。
図１は PPSLT 結晶の反転分極周期 17.1μm、結晶温度２５℃のときに、観測するシグナル光の波長を変えることに
よって得られた、対応するアイドラー光のスペクトルである。s-SPDC で発生された 3.7μm から 4.9μm の中赤外光の発生を確認できた。この結果は s-SPDC 過程における光子対発生過程が量子的な性質を持つことを示唆する。発表では、そのメカニズムに関して議論する。
References[1] M. Kira and S. W. Koch, Phys. Rev. A 73, 013813 (2006).
[2] M. Kira et al., Nature Phys 7, 799 (2011).
[3] K. E. Dorfman, F. Schlawin, and S. Mukamel, Rev. Mod.
Phys. 88, 045008 (2016).
[4] M. Hojo and K. Tanaka, Sci. Rep. 11, 17986 (2021).

Fig.1. Idler spectra obtained from thenonlinear interferograms. The idler peak
position is systematically obtained byobserving the signal with corresponding
wavelength.

共鳴トンネルダイオードテラヘルツ発振器
における発振双安定性
光物性研究室小塙朋樹

Abstract We found an unstable oscillation state of the RTD oscillator biased in the bistable regime triggeredby the fast bias voltage modulation. Characteristics of the transient oscillation are explained by considering
the noise. This suggests that the stability of the RTD oscillator in the bistable region is dominated by noise.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

共鳴トンネルダイオード(RTD)発振器は、室温テラヘルツ(THz)光源の有力な候補であり、次世代通信など様々な分野での応用が期待されているデバイスである[1]。RTD 発振器は、RTD が微分負性抵抗を持つバイアス電圧範囲で発振することができるが、その発振範囲の両端において、バイアス電圧のスイープ方向によって発振状態が異なるという双安定性が現れることが知られている[2]。この双安定性は、応用上重要であるバイアス電圧変調下の動作を不安定にする可能性がある。そこで本研究では、RTD 発
振器の双安定領域における発振の安定性について調べた。
実験では、双安定領域にバイアスされた RTD 発振器のバイアス電圧に変調を加えることで発振状態を操作し、その後の過渡的な発振状態を評価した。その結果、低速に電圧をスイープした際には双安定性が確認されなかった領域においても、過渡的に発振状態が変化する現象が確認された。Fig. 1(a) に 1µs の間だけバイアス電圧変調を加えることで、一時的に発振させた際の出力を示す。変調終了後も~700µs に渡って発振が持続している。この発振が持続する時間は、変調を加えるごとに毎回変化し、その分
布は Fig. 2(b) に示すようにある寿命で減衰する指数関数に従っていることがわかった。さらに、この発振持続寿命は、バイアス電圧を変化させると指数関数的に変化するということもわかった (Fig.1(c)) 。
同様の振る舞いは、一時的に発振を停止させるような変調を加えた際にも確認された。これらの振る舞
いは、集中定数等価回路に基づいた理論とシミュレーションに、RTD 発振器内部の電気的ノイズにより発振振幅が変化する効果を取り入れることより説明することができた。これは、双安定領域における発振状態の安定性がノイズによって支配されていることを示唆する。
また、双安定領域にバイアスされた RTD 発振器に、外部から THz 光のパルスを注入することにより、発振状態を切り替えることができることも見出した。これは、THz 光パルスがノイズと同様に振幅を変化させる役割を担っていることを示唆する。

Fig. 1. (a) Single-shot measurement of the output power of the RTD oscillator induced by the bias voltage
modulation. (b) Averaged output power of the RTD oscillator. (c) Bias voltage dependence of the oscillation
lifetime.

References[1] M. Asada and S. Suzuki. Sensors. 21, 1384 (2021).
[2] 有住徹弥 et al., 応用物理 32, 892 (1963).

二層系における内因的超伝導ダイオード効果
凝縮系理論研究室

中村恭平

Abstract The superconducting diode effect (SDE) is characterized by the nonreciprocity of the criticalcurrent. We study an orbital effect on the SDE in a bilayer system. We show that a small orbital effectleads to a crossover of the helical superconducting state at a lower magnetic field than the monolayer, anda large orbital effect induces a decoupling transition, resulting in the drastic change of the SDE.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

近年、順方向と逆方向で応答が異なる非相反現象への関心が集まっている。特に、超伝導体における非相反現象である「超伝導ダイオード効果」は、Nb/V/Ta での観測[1]を契機に、爆発的に研究が加速した。超伝導ダイオード効果は、臨界電流の非相反性が現れる現象であり、順方向には超伝導電流、逆方向には常伝導電流が流れるという理想的な整流作用を実現できることから省電力デバイスへの応用が期待されている。また、物質の量子相が電流の方向によって制御されるというのは基礎的な側面からも注目に値する特徴である。
Nb/V/Ta では、臨界電流の非相反性が磁場に対して振動することが実験的に観測されているが[2]、内因的機構に基づく理論研究によってこの特徴的な振動現象が再現された[3]。また、超伝導ダイオード
効果とクーパー対が有限の重心運動量をもつヘリカル超伝導との関連性も明らかになり、ヘリカル超伝導の有用なプローブとしての可能性が示唆されている。理論のモデルは、空間反転対称性の破れに起因するラシュバ型スピン軌道相互作用がはたらく、面内磁場が印加された単層系という、比較的シンプルなものであり、実験結果を定性的に再現するには十分であるが、定量的な一致には至っていない。
そこで、本研究では二層系における超伝導ダイオード効果の理論研究を行った[4]。二層系にすることで、単層系からの単純な拡張に留まらず、層間へのジョセフソン渦の侵入に起因する軌道対破壊効果という、これまでの理論研究では考慮されることがなかった効果を取り入れることができる。BdG 方程式による解析の結果、軌道対破壊効果が小さいときには臨界電流の非相反性の振動周期が短くなり、軌道対破壊効果が大きいときには二層のデカップリング転移によって、多層効果、あるいは軌道対破壊効果という新しい内因的機構に基づく振動現象が現れることが示された[Fig.1]。したがって、軌道対破
壊効果は超伝導ダイオード効果において定性的にも定量的にも重要な役割を果たすと言える。

Fig. 1 Magnetic field dependence of the superconducting diode effect

References[1] F. Ando et al., Nature 584, 373 (2020).
[2] R. Kawarazaki et al., Appl. Phys. Express 15 113001 (2022).
[3] A. Daido et al., Phys. Rev. Lett. 128, 037001 (2022).
[4] K. Nakamura et al., arXiv:2305.19317.

Non-Equilibrium Spatiotemporal Dynamics of
Human Colorectal Cancer Organoids
Active Matter Lab

Shogo Nagai

Abstract Non-equilibrium spatiotemporal dynamics of human colorectal cancer organoids (miniaturizedorgan model) were quantitatively analyzed from the dynamic deformation of growing organoids. Using
the organoids with known genetic fingerprints, the causality connecting the principal gene mutations incancer and the spatiotemporal patterns of dynamic deformation could be identified.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

Colorectal cancer is the second cause of cancer death in Japan. To date, the majority of cancer research hasrelied on microscopic images of fixed cells and tissues. However, non-equilibrium dynamics of cancer have been
largely overlooked, despite the fact that cancerous cells and tissues are highly dynamic. Extending the recent
studies shedding light on the dynamics of the isolated cells, spatiotemporal analysis of cancer on a multicellularlevel is expected to reveal how the genetic mutation and the modulation of protein expression affect the growthand invasion of cancerous tissues.
This study aims to extract the characteristic spatiotemporal patterns of colorectal cancer organoids(miniaturized organ model) with two principal genetic mutations (BRAF and KRAS). The organoids derived frompatients were cultured under collaboration with the Department of Gastroenterology and Hepatology, Graduate
School of Medicine and Faculty of Medicine, Kyoto University. After seeding single cells in a 3D gel matrix,
the dynamic deformation of organoids was monitored for 5 days (120 h), and the time lapse images were
quantitatively evaluated by the Fourier mode expansion (Fig. 1). The deformation power summed over m = 2 – 4,
indicated that the deformation of the organoids with BRAF mutation was much larger compared to the wildtype
organoids (no mutation) and those with KRAS mutation. Next, the effective viscoelasticity of organoids wascalculated from a stress-normalized deformation power. As a remarkable result, the organoids with BRAF
mutation showed the lowest effective elasticity throughout the whole observation period (t = 0 – 120 h),
suggesting the weaker cell-cell junctions caused by BRAF mutation. In fact, the immunofluorescence images
indicated that the expression of cell-cell junction protein (E-cadherin) in organoids with BRAF mutation was
significantly lower than the wildtype and the organoids with KRAS mutation.
In conclusion, this study demonstrated that the spatiotemporal dynamic analysis of cancer organoids can beused to unravel how the key gene mutations modulate the protein expression and result in the active deformationof multicellular systems. The dynamic phenotype of cancer organoids proposed here could potentially serve as anovel diagnostic index to unravel the dynamic aspects of cancer progression out of equilibrium that cannot be
detected by the standard diagnosis using fixed samples.

Fig. 1. Quantitative evaluation of the colorectal cancer organoid by the Fourier expansion of the polar function of its
shape. Scale bar is 20 μm.

開放量子系におけるトポロジカル相の理論的研究
凝縮系理論研究室

濵中秀有Abstract We propose novel topological phenomena in open quantum systems under different situations.
One is the interaction-induced skin effect in ultracold atoms, and the other is the emergence of the skineffect in equilibrium topological matter.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

近年、孤立系の枠組みを超えた開放量子系におけるトポロジカル相の研究が盛んに行われている。特に相互作用のない 1 次元系においては、非自明な 1 次元トポロジカル不変量に起因して、表皮効果という固有状態のほとんどが端に局在する現象が起きる[1]。本研究では、以下の 2 つの課題に取り組んだ。
(1) 相互作用誘起の表皮効果[2]冷却原子系において、光会合と呼ばれる技術を用いて、 173Yb などの原子間に非弾性散乱を誘起することで、システムに制御可能な散逸を導入できるようになった[3]。このような冷却原子系は開放量子系の格好の実験的舞台となる。特に、冷却原子系においては、相互作用や多体の粒子ロスが自然に現れる[4]。しかしながら、従来の開放系のトポロジーに関するほとんどの研究は相互作用のない系を扱っており、強相関効果が開放量子系におけるトポロジカル相に与える影響の多くが未解明となっている。
たとえば、開放系特有のトポロジーが強相関効果によって誘起され得るかという問題は明らかとなっていない。
そこで、本課題では、1 次元の強相関モデルに 2 体ロスが存在するモデルを解析することで、相互作用誘起のリウビリアン表皮効果を提案した[2]。特に、相互作用によって固有モードが端に局在することを数値的に示した。さらに、リウビリアンを二重化ヒルベルト空間に作用する演算子に書き換えた場
合、ケット空間にのみ捻り境界条件を課すことでリウビリアン表皮効果を特徴づけられることを確認した。また、この特徴づけは 1 粒子系におけるリウビリアン表皮効果[4]にも有効であることを解析的に示した。
(2) 平衡系のトポロジカル相における点ギャップトポロジカル現象の発現
上述の課題で、外因的に散逸が加わった系を解析したように、これまでの大部分の研究は散逸を外部から与えることで表皮効果を誘起している。したがって、平衡系における点ギャップトポロジカル現象の観測およびその役割は現状、ほとんど理解されていない。
本課題では、平衡系における点ギャップトポロジカル現象の発現を提案する。具体的には、エルミー
トなトポロジカル絶縁体のエッジを着目系とみなし、バルクを熱浴とみなすことで、エッジの有効ハミルトニアンが非自明な点ギャップトポロジーを示すことを見出した。特に、1 粒子グリーン関数法を用いて[6]、Chern 絶縁体のカイラルエッジ状態が羽田野ネルソンモデルのような表皮効果を示すことを確認した。本成果によって、固体中における表皮効果の役割を明らかにすることが期待される。
発表会では、⑴ 相互作用誘起の表皮効果について説明を行った後、⑵ 平衡系のトポロジカル相における点ギャップトポロジカル現象の発現について簡単に議論したい。
References[1] N. Okuma, et al., Phys. Rev. Lett. 124, 086801 (2020); K. Zhang, et al., Phys. Rev. Lett. 125, 126402 (2020).
[2] SH, K. Yamamoto, and T. Yoshida, Phys. Rev. B 108, 155114 (2023).
[3] K. Sponselee, et al., Quantum Sci. Technol. 4, 014002 (2018); T. Tomita et al., Sci. Adv. 3, e1701513 (2017).
[4] K. Honda, et al., Phys. Rev. Lett. 130, 063001 (2023).
[5] T. Haga, et al., Phys. Rev. Lett. 127, 070402 (2021).
[6] T. Yoshida et al., Prog. Theor. Exp. Phys. 12A109 (2020).

制限空間内の超流動 3He texture
低温物理学研究室 原奈槻
Abstract We used NMR to study the textures of superfluid 3He in cylindrical cells under conditions
where defect formation was expected. Unusual NMR signals were observed in both superfluid 3He-A and3
He-B. Possible shapes of the textures were discussed based on numerical simulation.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

制限空間内の超流動 3He では、クーパー対の軌道とスピンの異方性を反映したオーダーパラメータが空間変化を持って分布しており、テクスチャーと呼ばれる。テクスチャーは容器壁から受ける制限と系の自由エネルギーを最小にする要請が競合して決定され、条件によっては、２つのエネルギー的に縮退した領域を滑らかに繋ぐドメインウォールや、線欠陥が形成される[1]。特に超流動 3He-B 相において、円筒容器に円筒軸と垂直な方向に磁場を印加すると矛盾する境界条件が生まれ、そこで欠陥の生成が期待される。欠陥は周辺から受ける制約によって形成されるため、欠陥の位置を特定することは欠陥の構造を解析する上で重要である。そこで、直径 1mm の円筒型サンプルセル内を MRI 撮像し、テクスチャーを解析する実験を計画した。直径 1mm は超流動 3He-B 相のテクスチャーのヒーリング長の 10 倍程度のオーダーであり、温度を変化させていく過程でテクスチャーの発展を観測するのに適している。
超流動 3He-B 相では、常流動相で得た NMR 信号の周波数から 30Hz 程度のシフトが見られた。NMR 信号の周波数シフトは B 相のオーダーパラメータの異方性を記述するｎベクトルと外部磁場の成す角に依存するものであり、これは容器壁または欠陥から制約を受けてｎベクトルが一様でない空間構造を形成していることを意味する。さらに温度を下げていくと容器壁や欠陥から強く制限を受けてｎベクトルのテ
クスチャーが発達していき、シフト量は大きくなると予想していたが、これに反してシフト量は大きくならないという興味深い結果が得られた。観測したシフト量から考えられるテクスチャーについてパターン別に検討した。
超流動 3He-A 相では、低温になるにつれて NMR スペクトルの線幅が大幅に広くなる場合と広くならな
い場合の両方を観測した。3He-A 相においても、軌道の異方性を表す l ベクトルとスピンの異方性を表す d ベクトルによってテクスチャーが形成されるが、円筒容器内でのテクスチャーをコンピュータシミ
ュレーションによって計算すると、今回の実験で観測したテクスチャーに構造体がある可能性を示唆する結果が得られた。

Fig.1 Spectra of the normal phase (green) andB phase (blue)

Fig.2 Numerically calculated texture of the3
He-A phase in a cylindrical cell, with themagnetic field applied perpendicular to thecylindrical axis.

References[1] G.E. Volovik, Symmetry in Superfluid 3He in W.P. Halperin and L.P. Pitaevskii (Eds.) “HELIUM THREE”(Modern problems in condensed matter science, Volume26, Chapter2, 1990)

超流動 𝟑𝐇𝐞‐ 𝐀中におけるドメインウォール構造とスピンスーパー流の効果
低温物理学研究室

日野祐哉

Abstract In 3He-A, Spin Supercurrent is magnetic flow without friction and closely connected to thespatial variation of the 𝑑̂ -vector. Using NMR measurement, we observed the spectrum with asymmetricperformance in each side of the 𝑑̂ -soliton, depending on Spin Supercurrent, and we can determine therotation direction of the 𝑑̂ -soliton.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

超流動 3He-A 相におけるオーダーパラメーターは、軌道の異方性を表す𝑙̂ベクトルと、スピンの異方性を表す𝑑̂ ベクトルによって記述され、それらは壁等の境界条件に従いながら、各種エネルギーを極小とする織目構造（テクスチャー）を形成する。隣り合った 2 つの準安
定的なドメインでは、𝑙̂と𝑑̂ の向きが異なる場合があり、その間には 2
つのドメインを連続的に繋ぐように𝑙̂と𝑑̂ が空間変化するドメインウ
Fig. 1. Illustration of sample cell
ォールが形成される。
𝑙̂と𝑑̂ の空間変化は超流動 3Heの「流れ」と相互に影響している。𝑙̂の空間変化は超流動質量流𝑔𝑠 に寄与
し、生貝らによってドメインウォールの傾きとの関連が指摘された[1]。もう一方の𝑑̂ の空間変化は A 相を構成する|↑↑⟩状態と|↓↓⟩状態の対向流である超流動スピン流（スピンスーパー流）に寄与し、磁化の流れとして現れることが期待される[2]。
本研究では厚さ 100𝜇𝑚の平行平
板セル(Fig.1)に閉じ込めた超流動
3Heに対して NMR 測定を行った。このセルでは𝑙̂と𝑑̂ がそれぞれ+q 方向と-q 方向を向く場合で縮退しており、異なるドメイン間にドメインウ
ォールが形成される(Fig.2)。N 相から A 相に入れて出来たドメイン
Fig. 2. Texture of 𝑙̂-vector
Fig. 3. p-z MRI (left) and p-q MRI (right)
ウォールは主に 3 種類観測され、反̂ -vector for Fig.3(c)and𝑑
転するベクトルに応じて𝑙̂ソリトン(Fig.3(a))、𝑑̂ ソリトン(b)、𝑑̂ -𝑙̂ロックソリトン(c)があった。
𝑑̂ -𝑙̂ロックソリトンはパルス NMR による励起直後の MRI では
q 方向壁付近でのみ信号強度が落ちるが、観測時間を長くするにつれ、スピンスーパー流によって q 方向全域に広がっていく様子が見られ、スピンスーパー流の効果による時間スケ
ールとおおよそ一致した(Fig.3(right))。
また、𝑑̂ ソリトンに p 方向磁場勾配をかけて得たスペクト
ルは、かける磁場勾配の向き(符号)によって Peak-Dip 差がFig. 4. 𝑑̂-soliton spectrums normalized by N有意に異なった(Fig.4)。これはスピンスーパー流の効果に
phase spectrum in p-gradient magnetic field.
よって、ドメインウォールの左右の信号に違いが生じた結Δf=529Hz (left), 237Hz (right)
果であり、スピンスーパー流の式から定性的に説明される。
これにより、𝑑̂ ソリトンにおける𝑑̂ ベクトルの回転の向きを特定することが出来た。
References[1] Y. Ikegai, M. Sc. thesis, Department of Physics, Kyoto University (2022)[2] D. Vollhardt, P. Wölfle, “The Superfluid Phases of Helium 3” (Taylor & Francis, 2002)

純良単結晶 UTe2 の核磁気共鳴測定による超伝導状態の研究
固体量子物性研究室

松村拓輝

Abstract UTe2 is a strong candidate for a spin-triplet superconductor. We have performed 125Te-nuclear
magnetic resonance measurements on a single crystal with the transition temperature Tc = 2.1 K. We
determined the superconducting symmetry in the low-field superconducting state and found ananomalous magnetic fluctuation well below Tc.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

ΔK (%)

超伝導は 2 つの電子が対をなす量子コヒーレントな状態であり、対状態には大別してスピン自由度を持たないスピン一重項とスピン自由度を持つスピン三重項が存在する。スピン三重項超伝導体では、その内部自由度に起因する超伝導多重相や新奇な量子状態が期待され、盛んに研究がなされている。
2018 年に超伝導が報告された UTe2[1]は、b 軸高磁場下と圧力下で超伝導多重相を示すことからスピン三重項超伝導が有力視されている[2]。2022 年に試料の合成方法に大きな進展があり、超伝導転移温度 Tc が初期の 1.6 K から 2.1 K にまで上昇した[3]。この 2.1 K の試料は残留比熱がほとんどゼロであり、Tc と残留比熱の関係から Tc = 2.1 K は常圧で UTe2 が示す本質的な Tc と考えられる。そこで我々はこの2.1 K の純良単結晶試料を用いて、UTe2 の本質的な振る舞いを調べるために 125Te 核の核磁気共鳴(NMR)
測定を行った。
スピン三重項超伝導の超伝導対称性は秩序変数である d ベクトルがどの軸方向に成分を持つかで分類することができる。NMR ナイトシフト測定は超伝導状態においてスピン成分を測定することができる
数少ない測定手法である。一般に、d ベクトルは超伝導スピンに直交するため、ナイトシフトが超伝導転移によって減少する方向には d ベクトルの成分が存在することが知られている。我々は低磁場超伝導状態において、ナイトシフト測定を行い、すべての結晶軸方向で超伝導転移によるナイトシフトの減少を見出した(Figure)[4]。この結果は UTe2 の超伝導対称性が、d ベクトルが a、b、c 軸方向すべての成分を持つスピン三重項超伝導 Au 状態であることを示している。この対称性は最近の熱伝導率測定[5]とも整合的である。
さらに、超伝導状態におけ
UTe2 125Te-NMR Te(II)る軌道成分について調べるた
H || a0.66 T
H || b
0.66 T
H || c
1.2 T
め、b 軸磁場下で核スピン―
0
0.0
0.0
格子緩和率(1/T1)測定を極低温まで行った。その結果、
-2
-0.1
-0.1
0.4 K 以下において 1/T1 の異常な増大を発見した。この振
-4
-0.2
-0.2
る舞いはナイトシフト測定で明らかになったフルギャップ
-6
-0.3
-0.3
の超伝導ギャップ構造と矛盾
0
1
0
1
0
1
しており、低温において非自
T/Tc
T/Tc
T/Tc
明なスピンゆらぎが存在する
ことを示唆している。
Figure: Renormalized temperature dependence of the decrease in the three-axis
Knight shift ascribed to the SC transition (ΔK) [4].

References[1] S. Ran et al., Science 365, 684 (2019).
[2] D. Aoki et al., J. Phys. Condens. Matter 34, 243002 (2022).
[3] H. Sakai et al., Phys. Rev. Materials 6, 073401 (2022).
[4] H. Matsumura et al., J. Phys. Soc. Jpn. 92, 063701 (2023).
[5] S. Suetsugu et al., arXiv:2306.17549v1 (2023).

確率的化学反応系の Hopf 分岐点近傍における情報の流れの解析
統計物理・動力学研究室

松本健心

Abstract We study information flow near a bifurcation point of the Brusselator. We first calculate thelearning rate of one chemical species by numerical simulations of the chemical Langevin equation. We
then theoretically derive the learning rate by applying a singular perturbation method near a Hopf
bifurcation.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

物理学は情報理論と深い関わりがある。例えば、決定論的力学系における複雑なダイナミクスは情報理論に基づいて定義される Kolmogorov-Sinai エントロピーによって特徴づけられる[1]。
他の例として、
情報処理を行う部分系を熱力学系として取り扱うことにより情報量を含めた熱力学第二法則が定式化された[2]。前者はカオス、後者は情報熱力学として発展してきた。
本修士論文では、両者の統合を目指し決定論的力学系に対する情報熱力学を考える。具体的には、Hopf
分岐を示す化学反応系のモデルである Brusselator を用いて情報の流れを解析する。Hopf 分岐は振動を示す分岐現象であり、振動は生体システムの中で普遍的に現れる現象である。そのため、振動現象と情報の流れの関係を明らかにすることは生化学反応を理解する上でも重要であると考えられる。
まず、Brusselator の数値シミュレーションにより情報の流れの計算を行う。情報の流れを定量化する量として、相互情報量の時間微分をそれぞれの変数に対応するように分解して定義される学習率を用いる。具体的な数値シミュレーション方法としては、化学反応式からマスター方程式を書き下し、そのシステムサイズ展開で得られるフォッカープランク方程式に対応する Langevin 方程式を用いて、EulerMaruyama 法にて数値シミュレーションを行い、定常状態での統計平均から学習率を算出する。分岐点において系のダイナミクスは特異的に変化するが、学習率の分岐点前後での特異性の有無は明らかではない。
そこで Brusselator の学習率の分岐点での振る舞いを理論的に解析する。第一に、安定固定点が存在する定常領域で、線形解析から学習率を計算する。この結果は数値シミュレーションで計算される学習率とよく一致する(Fig.1)。しかし、分岐点に近づくにつれてズレが大きくなり、振動領域では計算できない。
ここで、Hopf 分岐点近傍では一般的な常微分方程式が StuartFig.1 Learning rate inLandau 方程式に縮約されることに着目する[3]。分岐点での学習率のthe stationary regime
特異性を知るために、単純なノイズの加わった Stuart-Landau 方程式で学習率を計算すると、決定論的極限で非解析的な振る舞いを示
すことがわかる。
その結果を踏まえて、特異摂動法により Brusselator からノイズの入った Stuart-Landau 方程式を導き、学習率を計算する。得られた
結果は、分岐点直上を除いて数値シミュレーションから得られる学習率と一致している(Fig.2)。しかし、単純なノイズの加わった
Stuart-Landan 方程式の解析結果と異なり、Brusselator で計算される学習率は決定論的極限で非解析的な振る舞いを示さないことが示
Fig.2 Learning rate near唆されている。このように、Hopf 分岐点における学習率の変化の仕the bifurcation point方は多様であることがわかる。
References[1] E. Ott, Chaos in dynamical systems, 2nd ed. (Cambridge University Press, 2002).
[2] J. M. Parrondo, J. M. Horowitz, and T. Sagawa, Nature physics 11, 131 (2015).
[3] Y. Kuramoto, Chemical oscillations, waves, and turbulence, (Dover Books on Chemistry,1984).

エアロジェル中の超流動 3He における渦糸格子
凝縮系理論グループ

涌井真哉

Abstract In the Polar phase of superfluid 3He, which is obtained in anisotropic aerogels in rotating
vessel, elementary topological objects are half-quantum vortices(HQVs). We examine the lattice structureof vortices based on the microscopic analysis for the Ginzburg-Landau model. Also, we consider spincurrent response, which maintains the superfluidity.
© 2024 Department of Physics, Kyoto University

P 波超流動 3He は、等方的なフェルミ面を持ち対状態がほぼ縮退しているために様々なタイプの対称性の破れを実現しうる量子凝縮状態である。この点に着目して、一軸異方性を持つエアロジェルという媒質中で Polar 対状態の出現が理論的に予言され[1]、10 年ほど前に実験的に見出された[2]。このエ
アロジェル中における超流動 3He の Polar 相では、トポロジカル励起として半整数渦(HQV)対が出現
する[3]。
HQV は渦一周につき d ベクトルと位相がともに半回転することで一価性を保つ渦構造である。
また、この系に Polar 軸方向に平行な磁場をかけていくことで、連続的にβ相と呼ばれる新規超流動相に転移することが理論的に論じられた[4]。
Polar 相で実現しうる渦励起については、渦一周につき位相が2𝜋回転する整数渦(SQV)と HQV 対とがエネルギー的に競合する。これまで、1 つの SQV と 1 つの HQV 対との間のエネルギーの比較が行わ
れ、フェルミ液体補正により HQV 対の方が安定化することが示されていた[5]。
本研究では、微視的な計算から導出された Ginzburg-Landau(GL)自由エネルギーを用いて、HQV 渦が構成する渦格子について検討した。準粒子間の斥力相互作用に起因する強結合効果を従来の弱結合近似に含めることにより、回転系で生じる渦格子は[4]で考えられていたものとは異なり、HQV 対が SQVになって単純な三角格子を組む方が安定であり、1 つの HQV 対の安定性を決めていたフェルミ液体補正は格子形成にとっては重要でないことがわかった。次いで、こうしてできたアブリゴゾフ格子型の渦糸格子が外からの流れに対し、どのように応答するのかを考えた。その結果、秩序変数が 1 成分の場合と同様に、通常の一様な流れに対してこの渦格子は、一様変位(スライディング)することによって位相コヒーレンスが壊れて超流動密度が 0 という従来の応答を示すが、HQV 対のそれぞれのスピン成分に異なる速度、すなわちスピン流を加えたときには、自由エネルギーゆらぎがスピン流の 2 乗に比例することになり、有限のスピン超流動密度を持つことがわかった。つまり系全体がスピン超流動状態にあることを理論的に明らかにした。
References[1] K. Aoyama and R. Ikeda. Phys. Rev. B 73, 060504 (2006).
[2] V.V. Dmitriev et al. Phys. Rev. Lett. 115, 165304 (2015).
[3] S. Autti et al. Phys. Rev. Lett. 117, 255301 (2016).
[4] G. E. Volovik. JETP Lett. 115 (5), 276-279 (2022).
[5] T. Hisamitsu and R. Ikeda. Phys. Rev. B 103, 224511 (2021).