東 京 工 業 大 学

極低温研究支援センターだより
No. 34

最 近 の 研 究 概 要

令和２年度（２０２０）

目 次
1

ご挨拶

田中秀数

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

1

2

2020年度の活動報告

大熊 哲・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

2

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

7

センター発表会プログラム
3

技術情報

藤澤真士

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

8

4

センターからのお知らせ1

藤澤真士

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

17

センターからのお知らせ2

大熊 哲・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

19

研究報告

田中研究室

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

23

金森研究室

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

28

平原研究室

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

30

西野研究室

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

33

腰原・沖本研究室

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

34

森研究室

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

36

大友研究室

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

40

浅田研究室

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

43

小寺研究室

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

47

藤澤研究室

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

53

大熊研究室

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

59

5

6

業績リスト

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

65

7

大岡山利用研究室一覧

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

83

8

運営委員・専門委員・職員名簿 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

85

1. ご挨拶
極低温研究支援センター長

田中秀数

令和 2 年度「極低温研究支援センターだより」をお届け致します。
極低温研究支援センターは，ヘリウムの液化，寒剤（液体ヘリウム，液体窒素）の供
給，低温技術や安全に関する講習会の開催，低温研究に関する研究会の開催を通して，本学の研究を支援しています。また，高校生や一般市民を対象に，ヘリウムのもつ不思議な性質や極低温で起こる不思議な物理現象を紹介する啓蒙活動も行っています。この「極低温研究支援センターだより」には，本センターが行っている液体ヘリウムのリサ
イクルシステムと液化業務，低温技術や安全に関する講習会及び啓蒙活動の報告，寒剤を扱う上で必要な技術情報，そして寒剤ユーザーの研究成果の一端がまとめられています。
液体ヘリウムや液体窒素は実験試料を冷やすために使われるほか，超伝導磁石，
SQUID磁束計，物理特性の測定システム，有機物の構造決定のための高分解能NMR装置などの精密機器の維持に不可欠な寒剤です。本学には研究水準の高さを反映して，寒剤を必要とする上記の精密機器が多く導入されています。このため，本センターでは2名の技術職員と1名の技術員の3名体制で大岡山地区部門・すずかけ台地区部門の業務にあたり，寒剤の安定的な供給に努めています。すずかけ台地区のヘリウム液化装置は大岡山地区から移設した古い装置であるために，不具合がたびたび発生していましたが，本学執行部のご理解により，ヘリウム液化装置の更新が認められ，昨年12月に導入されました。試運転も終わり，本格的なヘリウム供給に向けて準備を行なっております。これにより，すずかけ台地区でのヘリウムの安定供給が図られ，すずかけ台地区の研究体制が一段と強化されます。
寒剤に関する昨今の最も深刻な問題は，一昨年にヘリウムガスの輸入が著しく停滞し，全国的にヘリウム不足が深刻な状況になったことです。昨年からヘリウムガスの輸入が少しずつ改善されてきましたが，ヘリウム不足は続いており，価格は高止まっています。
本センターではヘリウム回収率向上に一層努め，このヘリウム危機を乗り切るべく努力致す所存です。今後とも皆様のご理解とご協力を賜りますよう，お願い申し上げます。

1

２.

2020（令和 2）年度の活動報告

大熊哲○組織改革から 3 年目 －すずかけ台の液化機更新される－組織改革により極低温研究支援センターに大岡山地区部門とすずかけ台地区部門が設置されてから, 3 年目を迎えました。田中秀数センター長の下, これまでどおり大岡山地区部
門は大熊哲・藤澤利正教授, すずかけ台地区部門は川路均・宗片比呂夫教授の体制で運営を行っています。今年度はコロナ禍で, 大学もセンターの活動も大きな影響を受けました。図
1 のグラフに示すように, 大岡山の液体ヘリウムの供給量は, 特に上半期は, 例年より大きく落ち込みました。毎年 4 月に実施している安全講習会（低温技術講習会）は時期を 9 月にずらして, また研究発表会はいつもどおり 1 月に, いずれも Zoom によるオンラインで開催しました。これまで同様, 大岡山とすずかけ台の合同での開催となりました。
2020 年度の大きなできごととして, すずかけ台の液化機の更新があげられます。すずか
け台では 2012 年に大岡山から移設された液化装置による液化運転が開始された直後から,
宗片教授を中心に設備更新の準備が進められてきました。その後, 川路教授も加わって更新の要求が行われ, ようやく一昨年に予算が認められることとなりました。

He 危機

He 価格高騰
He 危機
He 価格高騰
新型コロナ発生

大岡山

すずかけ台

すずかけ台液化機更新

図 1 大岡山（上グラフ）とすずかけ台（下グラフ）における液体 He の月別供給量 (2021
年 3 月途中迄). 2013 年の He 危機では, 止むを得ず供給制限を行ったことにより供給量が大きく減少した。2018 年から始まった 2 回目の He 危機は収まったように見えるが, 先行
きは不透明な点も多く, He 価格の高騰という形で危機は現在も続いている.

2

図2

すずかけ台液化室へ新しい液化装置を設置している様子.

2020 年 12 月迄には装置設置の工事（図 2）と高圧ガス設備の法定検査が終了し, 引き続
きヘリウム液化の調整運転が行われました。出川悦啓技術職員の立ち合いの下, 3 月までに性能チェックを終え, 無事に装置納入が完了しました。大学執行部をはじめ, 液化機更新のためご尽力いただいたすべての皆様にお礼を申し上げます。
すずかけ台ではもうひとつ設備の導入が行われました。それは液化機の故障時に, 大岡山など他の液化施設にヘリウムガスを輸送し, 液化・供給を受けるためのバックアップ用のインターフェイス設備です。具体的には, 長尺ヘリウムガス容器から輸送用のヘリウムガスカ
ードルに, 原料となる回収ガスを充填し移送するために用いる高圧ガス配管設備です。図 3はヘリウムガスカードルへ接続する末端部の写真です。昨年度にすずかけ台の液化用圧縮機が故障したことを契機に計画されたものでした。コロナ禍で工事が遅れるなどの理由により, 2020 年度には当初予定していた量の運用はできませんでしたが, 実際にすずかけ台の回収ガスを大岡山で精製・液化し, すずかけ台に戻すという作業を実施しました（図 4）。
本設備が設置されたことにより, 将来のすずかけ台のヘリウム供給は, より安定的なものになると期待されます。

図 3 すずかけ台液化室に新設された高圧ガス移送用の高圧ガス配管設備の一部.
図 4 すずかけ台で高圧充填された回収ヘリウ
ムガスを大岡山液化室に搬入している様子. →3

〇大岡山のヘリウム液化装置の稼働状況
大岡山地区では, 2011 年度に更新されたヘリウム液化装置は順調に稼働していますが,2020 年度にはヘリウムガス回収系の回収ガスホルダーとヘリウムガス回収圧縮機に予期しない不具合が発生しました。このため, 短期間ではありますが液体ヘリウムの供給制限を行いました。このトラブルによって, 長尺容器内の回収ヘリウムガスに大量の空気が混入し,それに伴い, 少なからぬ量のヘリウムガスが失われました。影響は長期に及び, 2021 年 3 月
現在でも, 混入した空気を取り除く精製作業を続けています。
主な原因は, 平成 7 年に導入された, 回
収ガスホルダーの付帯装置であるレベル
計の経年劣化にあることが判明しました。
コロナ禍のため, 製造業者による修理作
業が大幅に遅れましたが, その間, 藤澤真
士技術職員と金本真知技術支援員の懸命の応急対応により, ヘリウムガスのロスを最小限に抑えることができました。詳しい説明は, 後述の技術情報を参照くださ

図 5 センター技術職員による回収ガスホル
ダーの応急修理の様子.

い。

〇ヘリウム危機の状況
すでにお知らせしてありますように, 米国からのヘリウムの輸出量削減および不安定な中東情勢により, 日本国内へのヘリウム輸入量が大幅に減少しています。一方で, 世界的な産業用途や医療用 MRI の利用拡大から, 世界中でヘリウム需要が高まっています。これらの理由により, 2018 年から国内でのヘリウム供給が逼迫し, 研究機関への影響が出始めています。大岡山では, ここ暫くの間ヘリウムガスの年間購入契約ができない状況が続いています。2019 年 4 月以降, 必要量のヘリウムガスの購入は可能となっているものの, 購入価格は引き続きこれまでの 2 倍（すずかけ台では 3 倍）となっており, 研究への影響が心配されます。大岡山ではこれまで同様, 回収率に応じて利用単価に大きな差をつけ, 平均単価も従来より高く設定させていただいております。皆様にはご不便をおかけしますがご理解をいた
だくと共に, これまで以上に回収率の向上に努めていただきますようご協力をお願い申し上げます。回収配管が使える研究室につきましては, 是非回収配管を通しての回収をお願いいたします。

○ 技術スタッフの見学・交流等の記録
今年度はオンラインのみとなりましたが, 以下に示すように, センターの技術スタ
ッフは業務に支障のない範囲で, 他大学のヘリウム液化施設等の見学や講習会への参加を積極的に行い, 最新の情報の収集と発信, および人的交流を絶えず行っています。

4

保安教育実施記録
意見交換会「コロナ下での液化室・低温センター対応他」
主催：東京大学 物性研究所 低温液化室
実施年月日：2020 年 12 月 9 日(水) 15:00-17:00
場所：Zoom によるオンライン開催
対象者：センター職員(参加者：金本真知)
内容：全国の大学・研究施設においてヘリウム液化業務に従事する技術職員と意見交換を行った。
高圧ガス製造者・貯蔵所所有者保安講習
主催：公益社団法人 東京都高圧ガス保安協会
実施年月日：2021 年 2 月 2 日(火)場所：Zoom ウェビナーのオンライン講習
対象者：センター職員(受講者：藤澤真士)
内容：「保安法の基礎、製造事業所、貯蔵所、ガスの物性・特性、危険性、事故事例」「東京都の高圧ガス事故の動向、高圧ガス移動車両の点検結果、移動基準」について学んだ。
日本物理学会第 76 回年次大会
主催：日本物理学会
実施年月日：2021 年 3 月 12 日(金)-15 日(月)場所：Zoom によるオンライン開催
対象者：センター職員(参加者：藤澤真士)
内容： 低温技術に関する最新の情報を集めた。

○ その他の活動
2020 年度に本センターで実施したイベントやセンターの活動状況を以下に記します。その一部は, センターのホームページ（http://www.rcltp.titech.ac.jp/）上でも公開しています。

2020 年
4 月「新入生オリエンテーション」における研究紹介 → 中止
例年, 理学院の新入生オリエンテーションに際し, センター研究室の公開を行ってまいりました。しかし, 残念ながら本年度は新型コロナウイルス拡大防止の観点から, 全学的に中止となりました。

「極低温センターだより No. 33」の発行
学内の低温研究者の情報交換と本学の低温関連分野のアクティビティを広く学内外の方々に知っていただくことを目的として, 本センターおよびセンター利用研究室の研究成果の概要をまとめた年次報告書「極低温研究支援センターだより No.33」を発行しました。

5

電 子 版 を 極 低 温 セ ン タ ー の web ペ ー ジ か ら ダ ウ ン ロ ー ド す る こ と が で き ま す 。
http://www.rcltp.titech.ac.jp/report/index.html

8 月「オープンキャンパス」における施設公開 → 中止
毎年 8 月の夏休み期間中に開催される東工大（大岡山）の「オープンキャンパス」に協力し, 中高生などを対象とする施設公開を行ってきました。しかし, 今年度は新型コロナウ
イルス感染予防のため, 本イベントは中止となりました、

9 月「第 31 回低温技術講習会」の開催 ―高圧ガス・寒剤取扱上の安全教育―
毎年, 新規にセンターを利用する教職員・学生を対象とする講習会を 4 月に実施してまいりました。本年度は新型コロナ感染予防のため 4 月には実施できず, 感染警戒レベルが下がった 9 月に開催時期を遅らせ Zoom によるオンラインで実施しました。本講習会は寒剤や高圧ガスを取り扱う上での安全教育と低温技術全般にわたる実践的な教育を目的としています。
内容はガスボンベ等の高圧ガス取り扱い上の注意, 低温技術の基礎, 液体ヘリウム・液体
窒素の寒剤取り扱い上の留意点, 事故の事例紹介に基づく安全教育を中心としています。低温物性の基礎, さらに, クライオスタットの構造, 設計に関する実践的な講義も含まれます。
例年は講習会の後半に液化室で実施していた, ヘリウム液化システムの紹介, 液体ヘリウ
ムの汲み出しの実演, デモ実験, および液体窒素自動汲み出し装置の取り扱いの説明は, 本
年度は実施できませんでした。
11-12 月「高圧ガス保安検査」の実施
高圧ガス保安法に基づく定期自主検査を 11 月に実施しました。引き続き, 12 月には東京
都の 4 名の検査官による高圧ガス保安検査を受検しました。本年度も, 例年同様, 良好な管理運営がなされているとの講評をいただきました。

2021 年
1 月「極低温センター研究発表会」の開催
極低温センターおよびセンターを利用する関連研究グループの 1 年間の研究の成果を紹介し, 研究室間の交流を深めることを目的して, 毎年 1 月に開催している研究発表会です。
今回は Zoom によるオンライン開催となりました。昨年同様, すずかけ台キャンパスの方々も参加されました。参加者の研究分野は, 物理, 化学, 材料, 応用化学, 電気電子, フロンテ
ィア材料など多岐にわたります。講師の皆様には非専門家向けのわかり易いイントロダク
ションも含め, 最先端の興味深いお話しをしていただきました。講演者と講演題目は, 後につけましたプログラムを参照ください。今後も大岡山とすずかけ台キャンパスの合同で続けてまいります。

6

極低温研究支援センター研究発表会のお知らせ
極低温研究支援センター長

田中 秀数

下記のように極低温研究支援センターの研究発表会を開催いたします。多数の皆様のご参加をお待ちしております。
日時・場所

2021 年 1 月 27 日(水)Zoom によるオンライン開催

登録リンク: https://zoom.us/meeting/register/tJclduyvpjkqGtw3YCKDZgXJ61IDqPdYDHSo
ミーティング ID: 938 1578 2008
パスコード: BJ2?6d1N1Y

13:00-13:05

開会の辞
田中 秀数（理学院物理学系・極低温センター長）

13:05-13:25

二次元三角格子 NbO2 層における強相関電子と超伝導

座長：大熊 哲相馬 拓人（物質理工学院応用化学系 大友研）

13:25-13:45

電子強誘電体の非線形光学応答
沖本 洋一（理学院化学系 腰原・沖本研）

13:45-14:05 真性モット絶縁体 beta-(BEDT-TTF)TaF6 の構造と基底状態
川本 正（物質理工学院材料系 森研）
休憩 (10 分)
座長：藤澤 利正

14:15-14:35

熱電効果測定で探る 2 次元超伝導体の量子臨界現象と渦糸状態
家永 紘一郎（理学院物理学系 大熊研）

14:35~14:55 トポロジカル絶縁体への磁性原子層挿入による磁気拡張
平原 徹（理学院物理学系 平原研）
14:55-15:15
15:15-15:35

金属絶縁体転移にともなう熱伝導率変化の研究
気谷 卓（科学技術創成研究院フロンティア材料研究所川路研）

物理形成シリコン量子ドット中の単発トンネリングの観測
溝口 来成（工学院電気電子系 小寺研）
休憩 (10 分)
座長：川路 均15:45-16:05

整数/分数量子ホール Y 接合における量子化された電荷分数化現象
藤澤 利正（理学院物理学系 藤澤研）

16:05-16:25

スピン 1/2 正方格子 J1 - J2 反強磁性体におけるボンドランダムネス効果
渡邊 正理（理学院物理学系 田中研）

16:25-16:45

円偏光発光ダイオードとがん細胞検出
西沢 望（科学技術創成研究院未来産業技術研究所宗片研）

16:45-17:05

タンタル酸化物中に形成されたアセチレン分子接合の非弾性トンネル分光計測
金子 哲（理学院化学系 西野研）

17:05-17:10

閉会の辞
大熊 哲（理学院物理学系・極低温センター）
連絡先
7

物理学系

大熊

哲

sokuma@o.cc.titech.ac.jp (内線 3252)

3. 技術情報
大岡山キャンパスにおけるヘリウムガス回収に関わるトラブル○藤澤 真士 A,B、 金本 真知 B、 大熊 哲 B,CオープンファシリティセンターA、極低温研究支援センターB、理学院物理学系 C

1 はじめに2020 年度は極低温研究支援センター(以下センター)でいくつかのトラブルが重なった。比較的軽微なトラブルとしては、冷却塔水配管の水漏れがあり、これは部品交換工事によりすぐに解消した。軽微とは言えないトラブルは、ヘリウムガス回収に関わるものである。具体的には、回収ガス
ホルダー(以下ガスホルダー)のレベル計の故障と、回収圧縮機の電気系の故障である。今回はこのトラブルについて報告する。まずガスホルダーについて説明し、次に生じたトラブルとその対処、今後の対策案について記述する。

2 ガスホルダーと付帯設備
個別のトラブルの説明の前に、ガスホルダー、ガスホルダーのレベル計(以下レベル計)、ブリザーバルブについて説明する。
2.1 ガスホルダー
学内で実験に用いられた液体ヘリウムは、蒸発してガスになり、ヘリウム回収配管を通ってセンターへ戻ってくる。センターの積算流量計を通過後に、ガスホルダーに一時的に貯められる。
ガスホルダーの外観は図 1 である。この中には、ネオプレン製の図 1 ガスホルダー外観

3

風船(膜)が入っており、ヘリウムガスを最大 30 m 貯めることができる。ガスホルダー内部の構造に関しては図 2 を参考にして欲しい。ガスホルダー内のヘリウム
ガスの増減により風船が膨張・収縮する。
図 3 はガスホルダー内部を上側から撮影した写真である。赤い部分は金属の壁で、黒く膨らんで図 2 ガスホルダー模式図(断面)① ガスが貯まる領域② 円盤(ウェイト)③ 測長テープ④ レベル計⑤ 円盤を吊るワイヤ⑥ カウンターウエイト

8

いる部分がネオプレン製の風船である。風船の上部中心にはウェイトとなる灰色の円盤が付いている。中央にある 2 本のワイヤは、円盤を吊るワイヤ(図 2⑤)と、円盤の高さを知るためのレベル計の測長テープ(図 2③)である。円盤を吊るワイヤを逆側に辿っていくと滑車で向きが変えられ下方向に伸びていく。その先には重りが付いており、重りの増減で風船内の圧力を調整できる。
図 2①のガスが貯められる領域の圧力は、大気圧より 15 mmAq (≒ 147 Pa)程度高い正圧に保たれている。ガスが貯まり、レベル計の表示が 85%に達すると、レベル計から回収圧縮機に運転開始の信号が送られる。回収圧縮機が運転を開始し、ガスホルダー内のヘリウムガスは長尺容器へ移送される。レベル計の表示が 5.5％になると、レベル計からの信号により回収圧縮機は運転を停止する。長尺容器は高圧状態でガスを貯めることができ、その容量は標準状態換算で 2700 m3 (内訳：60
m3 が 30 本、75 m3 が 12 本)である。

図 3 ガスホルダー内部 1。上部より撮影

図 4 レベル計

2.2 レベル計
レベル計は東京計装株式会社の FT-1000 シリーズを利用している[1]。参考文献欄の URL にアクセスすると、カタログ PDF へリンクされている。レベル計の内部構造に関しては、その PDF に記載されている図を参照して欲しい。
レベル計はガスホルダーの近くに設置されており、図 4 は実際に利用しているレベル計の写真である。レベル計からは上方向に測長テープが出ており、ガイド管の中を 3 つの滑車で方向を変えられ、ガスホルダー内の円盤につながれている。測長テープは、レベル計内部にあるスプリング(コンストンスプリング)によって引っ張られている。測長テープの巻き取られ具合から、円盤の高さがわかり、高さからガスホルダー内に貯められたヘリウムガスの量を換算する。
レベル計にはその値によって、電気信号を出す機構が備わっている。この機構により回収圧縮機の運転開始と運転停止も行う。測長テープの巻き取られ具合に応じて、レベル計の内部にあるカムがゆっくり回転し、カムの凸部がマイクロスイッチを押す。このカムは 4 つ付いており、レベル計の示す値によって、信号を回収圧縮機に送る。カムはレベル計の背面を開けると調節可能で、カムの凸部の位置を回転させることで、設定値を変更できる。
4 つのカムに対応するマイクロスイッチを、ガスホルダー内のガスの量が多い順に、HH、H、L、
LL と呼んでいる。それぞれの対応するレベル計の数値とマイクロスイッチの役割を以下に記す。
HH

：

88.5%

(ガス量が最大値直前) 警報

H

：

85%

(回収圧縮機の「自動モード」において) 運転開始

L

：

5.5%

(回収圧縮機の「自動モード」において) 運転停止
9

LL

：

2.5%

(ガス量が最小値直前) 警報、(「モード」に関わらず)回収圧縮機の停止

2.3 ブリザーバルブ
ヘリウムガスが大量にガスホルダーに流入し、圧力が異常に高くなった場合や、回収圧縮機がトラブルで自動停止せず動き続け、ガスホ
ルダー内が負圧になった場合に、風船に損傷を与える可能性がある。
風船への損傷を回避するために、ブリザーバルブ(図 5)が付いている。
バルブ内の圧力が、「大気圧 + 100 mmAq」以上でヘリウムガスを吐出し、「大気圧 － 100 mmAq」で大気を吸入する。センターでは、金子産業製の K 型ブリザーバルブを利用している。吐出吸入の仕組みに関しては、メーカーのウェブサイトが参考になる[2].

3 トラブルと対処
図 5 ブリザーバルブ

3.1 レベル計のトラブルと対処 1
2.1 で説明したように、通常、ガスホルダー内のガスの量によって、レベル計の表示値は変化する。しかし、2020 年 1 月から、レベル計が正常に動作しなくなった。この件については昨年度のセンター便りでも報告した[3]。改めてどのような不具合が生じたかと、それに対する対処をここでは記述する。
3.1.1 トラブルの詳細レベル計が正確な値を表示するには、測長テープがガスホルダー内のガスの量に応じて滞りなく動く必要がある。言い換えると、ガスホルダー内の円盤からレベル計本体まで、測長テープはたわ
みなく張っている必要がある。
トラブルはガスホルダーにガスが増えていく過程で起きる。ガスがガスホルダー内に貯まっていくとき、測長テープがレベル計本体にうまく巻き取られずに、測長テープが途中でたわんでしまう。
このような状況では、レベル計は正確な表示を示さない。測長テープを、レベル計側から引き離す
ように手で軽く引っ張ると、スプリングの機能が一時的に回復し、レベル計側に測長テープが巻き込まれ、測長テープのたわみは一時的に解消される。しかし、このようにたわみを解消しても、再度ガスが貯まってくるときに、同じ個所で何度もたわみが生じる。また、このようなたわみが生じる場所は一か所ではなく、複数の場所で生じた。
回収圧縮機を動かし、ガスホルダーからガスが減っていく過程では、たわみを解消するように測長テープは動く。たわみが解消されるまでレベル計の表示は動かないが、ガスが減り、たわみが解消された後は、レベル計は正確な表示を示す。これらの症状から、測長テープの折れ曲がりや、途中の滑車の不具合、レベル計内にあるスプリングの不具合、などが原因として推察される。
レベル計が正確な値を示さないと、回収圧縮機の運転開始ができない。2.2 で記したように、回収圧縮機は、ガスの量が 85%のところで運転を開始し、5.5%で停止する設定になっている。例えば、60%未満の領域では正常だが、60%以上の領域ではうまく表示されないとしよう。このようなレベル
計が正確に機能しない状況では、いつまでたっても回収圧縮機の運転開始ができず、自動的にガスを回収できない。

10

3.1.2 一時的な対処と症状の悪化
ガスホルダーの膨らみ具合を目視し、回収圧縮機を手動で動かすことはできるが、夜や休日に手動で行うことは無理がある。いずれレベル計の修理は必要であるが、当初は間に合わせの手段で対応した。レベル計がまともに機能する領域(例えば 60%未満だけ)を使用し、その範囲内で回収圧縮機のオンオフを行うように設定を変更した。これで、当面の間装置は動き続けた。
レベル計の不具合はさらに悪化し、正常に利用できる表示範囲は時とともに狭くなった。利用範
囲が狭くなるたびに、設定を変更した。2020 年 1 月頃は 60%未満で運用し、同 3 月頃は 40%未満で運用した。後の話になるが、2020 年 10 月末頃は、23％～29％の領域で運用し、ごく限られた範囲でしかレベル計を利用できなくなった。結果として回収圧縮機のオンオフを頻繁に行った。
3.2 回収圧縮機の電気系トラブルと対処 1
レベル計が不完全な状況下で、別の問題が発生した。回
収圧縮機の電源系の故障である。回収圧縮機自体は 2017 年
度末に更新した新しい装置であり、今回のトラブルが生じるまで問題なく動いていた。8 月 25 日に運転中の回収圧縮機が突然停止した。電気系の不具合によるものである。大電流が流れ、スター用電磁接触器が溶着し、動かなくなった(図⑥)。なぜ大電流が流れ、溶着してしまったかは現時点では不明である。電磁接触器を新品に交換したら動くよ
うになった。

図 6 回収圧縮機の電磁接触器の溶着

3.3 ガスホルダーのレベル計のトラブルと対処 2
3.3.1 トラブルの発見と原因
10 月 12 日の朝に異常が発見された。レベル計が異常値を示している。ガスホルダーを実際に見ると最大まで膨らんでいる。また、長尺容器の圧力が最大になっている。回収圧縮機も複数のエラーメッセージを出している。
調査の結果、どうしてこのような事態になったか判明した。レベル計の測長テープが何らかの理由で切れた(図 7 を参照。測長テープのガイド管(②)から測長テープが出ていない)。切れた結果、測長テープはレベル計に巻き込まれ、レベル計が、回収圧縮機が動き出すレベル以上の数値を常に示すことになる。このことは、実際のガスホルダーのガスの量が減っても回収圧縮機を止める信号
を出さないことも意味する。このため、回収圧縮機が連続して長時間動いた。
ガスホルダー内は通常正圧であり、大気圧より少し高い状態に保持されている。回収圧縮機が動くと、膨らんでいた風船は潰れていく。レベル計が一定値以下に達すると止まるはずであるが、今回のケースではレベル計が機能しないため止まらない。中にあるヘリウムガスをほぼ長尺容器に移送し、ガスホルダー内が負圧になると、2.3 で説明したブリザーバルブから大気を吸い込み続けた。
このため今回のレベル計の故障によっても、ネオプレン風船の損傷は生じなかった。
レベル計の故障に伴う回収圧縮機の連続運転により、大量の空気が長尺容器に貯めこまれた。レ
ベル計の故障前は、長尺容器の圧力は 7～8 MPa 程度であったが、14 MPa 以上まで上がった。回収
圧縮機は、出口側の圧力がある値を越えると止まるように設定されており、その設定数値に至った
ことにより自動的に止まった。

11

図 7 ガスホルダー内部 2① 監視カメラ② 測長テープのガイド管③ 円盤を吊るワイヤ④ 円盤

3.3.2 対処
[レベル計の再接続と監視カメラ]
レベル計が機能しなくなってしまったので、まずその対処を考える必要がある。切れてしまった
測長テープを再接続した。再接続してもたわみは生じるため、常にレベル計が正確な値を示すわけではないが、目安にはなる。
測長テープが切れて、レベル計が異常値を示す可能性は今後もある。いずれ測長テープを新品に交換するとしても、別の手段で内部の情報を把握したい。そのため、ガスホルダー内を監視するた
めにネットワークカメラを設置した(図 7)。ネットワークカメラを設置する前は、ガスホルダーの外についている梯子を登って点検扉を開けて、上から中を見る必要があった。カメラの設置により、ネット回線がつながる場所からガスホルダー内を監視できるようになった。
[低純度のヘリウムガスの処理]
全ての長尺容器内に、純度が 55%程度の低純度のガスが占めてしまった。本センターの液化機は、純度が 95%以上のヘリウムガスがないと継続的な運転は難しい。このままでは液化ができないので、まず長尺容器に貯まったガスの一部(60 m3 の長尺容器数本分)を大気に放出した。空いた長尺容器に新たに回収された比較的純度の高いガスを貯めこみ、それを利用しヘリウム液化を行った。
純度が低めのガスを使えないか模索したが、我々の液化システムでは精製(不純物を取り除くプロセス)を継続するのが難しい。試しに、純度が低いガスも利用して液化をしてみたが、精製のさいの液化空気を排出する電磁バルブに固形物が詰まり、運転継続が不可能になるトラブルも生じた。
バルブのすき間を調節し、詰まりにはなんとか対処できたが、純度が低いガスを利用するには大きなリスクが伴う。
しかし、低純度とは言え 55%のヘリウムガスをすべて大気放出することは、予算面で厳しいだけ
でなく、希少な資源であるヘリウムを失うことになる。そこで、低純度ガスの処理を、時間をかけて行うことにした。具体的には、新しく回収された純度が高いガスと、今回のトラブルで貯まった
低純度のガスを混ぜ、継続的にヘリウム液化が行える純度のガスにし、そのガスでヘリウム液化を行う。純度が比較的高いガスが大量に必要になるので、この作業にはどうしても時間がかかる。ガスを混ぜる量を計算し、純度を監視し、長尺容器内の低純度ガスを処理していった。後の話になるが、2021 年 3 月中旬には、低純度ガスの処理はだいぶ進み、75％程度の長尺容器が利用可能になった。
3.4 回収圧縮機の電気系トラブルと対処 2
11 月 9 日 回収圧縮機の電磁接触器の溶着が再度生じた。今回も電磁接触器を交換し、無事に動12くようになった。電磁接触器は、高頻度でスイッチのオンオフを行うのが望ましくない。ガスホル
ダーのレベル計の正確な表示範囲が狭いため、結果として回収圧縮機のスイッチのオンオフを高頻度で行っていた。今回の故障を受けてオンオフの頻度を下げる検討を始めた。
ガスホルダー内をセンタースタッフがモニターで監視し、膨らんだ時点でスイッチを押すことにした。
しかし、このままだと、スイッチを押すため回収圧縮機のある部屋に行く必要がある。また監視カメラ
をかなりの頻度で見る必要がある。これを解決するために、スマートフォンから回収圧縮機の運転を開始・停止できるような仕組みを作った。
近年、ネットワーク越しにスイッチを押すことができる装置が安価に販売されている。SwitchBot もその一つであり、それを利用した。2.2 でも述べたが、レベル計には 4 つのマイクロスイッチがついている。(自動運転時の)回収圧縮機の運転と停止に対応するスイッチを SwitchBot で押すことにした。図8 はレベル計の背面を開けて SwitchBot を取り付けた写真である。
元々ついていたカムのうち、HH と H のマイクロスイッチに対応するカムは取り外した。残りの 2 つはつけたままである。自動運転時の回収圧縮機の停止は、SwitchBot と元々ついていたカムとで、並列で行えるようにした。このセッティングによる回収の一連の流れは次のとおりである。
① スタッフがモニターでガスホルダーが十分に膨らんだことを確認する。
② スマートフォンを操作し、SwitchBot に命令を出す。
③ SwitchBot がレベル計内のマイクロスイッチを押して、回収圧縮機の運転を開始する。
④ 回収圧縮機の運転開始により、ガスホルダーからガスが減り、測長テープのたわみが解消され、レベル計が正確な値を示すようになる。
⑤ レベル計のカムが回転し、カムの凸部がマイクロスイッ
チを押して、回収圧縮機が停止する。

図 8 レベル計内部背面

平日の日中は上記のような手順である。夜間や休日は、
SwitchBot のスケジュール機能を利用し、一定時間ごとに回収圧縮機を運転した。

新しく組んだシステムを運用するにあたりいくつかの点で苦労した。スイッチを押す装置の機械的な接続で何度か失敗した。センターのネットワークの問題(Wi-Fi の不良)、ネットワークカメラに利用していたコンピュータが自動で再起動してしまう問題(設定変更で回避)、スイッチのネット
ワークサービスの不具合など、当初は想定していなかった問題が発生し、それぞれに対処する必要があった。
トラブルに見舞われるたびに改善した結果、レベル計の修理が終わるまでの 2 ヵ月以上、ガスの回収をすることができた。
SwitchBot はあくまでも家庭用のデバイスであり、おそらく業務用に用いることを推奨されていない。当初、短期間だけ用いるつもりであったが、いくつもの事情が重なり、短くない期間を運用することになった。今回の報告は、同様な方法の推奨というわけではないことを断っておく。
3.5 回収圧縮機の電気系トラブルと対処 3
1 月 15 日に回収圧縮機の電気系に 3 度目のトラブルが生じた。今回はスター用電磁接触器とデルタ用電磁接触器が溶着した。新品と交換したら無事復帰した。原因は業者が調査中である。

13

3.6 レベル計の交換修理
1 月 22 日に、業者に依頼して、ガスホルダーのレベル計の主な消耗部品(測長テープ、スプリング等)を交換した。測長テープを巻き取るスプリング(コンストンスプリング)の劣化が、レベル計の動作不良の原因であった。スプリングが複数個所で裂けており(図 9)、測長テープを巻き込むことができなくなった。部品を交換後、調整を行い、その後は無事に動いている。
2010 年度末にガスホルダーの風船と同時に、レベル計の測長テープやスプリングを交換している。スプリングは消耗品であり、もっと早い時期の交換・メンテナンスが必要だったようである。

図 9 レベル計のスプリング。左は装置についている状態。右は取り外してある。スプリングが裂けているのがわかる。

4. 同様のトラブルが起きた時の対策案
4.1 レベル計
今後も、レベル計が壊れる可能性はあり、対策を検討した。著者らは、利用していたガスホルダ
ーのレベル計のトラブル例を知らなかった。ただ、他のヘリウム液化化施設において、ヘリウムガスを一時的に貯めておくガスバッグのレベル計がうまく働かなかった事例はあるようである。他のヘリウム液化施設のスタッフの方に意見を伺う機会もあった。
スプリングの不具合に関しては、この一年の経験から、今後は前兆がつかめると思う。気が付いた時に、早めに交換を手配すれば良い。測長テープの切断は、そうそう起きないとは思うが、長尺
容器内に大量の大気が入る対策はするべきである。以下にいくつかの対策案を記す。4.1.1 はトラブルの可能性を下げるための対策で、4.1.2 と 4.1.3 はトラブルが起きた時に被害を最小限に抑えるための対策である。
4.1.1 回収圧縮機運転開始・停止条件の変更
2 系統レベル計を設置し、条件次第で回収圧縮機のオンオフを行うことで、片方のレベル計が故障した時の対策になる。また、ガスホルダー内の圧力が基準値以下の負圧になったら、回収圧縮機をオフにすれば、今回のような大量の空気の吸入を防げる。
4.1.2 長尺容器の運用
長尺容器の個々のバルブはすべて「開」状態で、配管によってつながっており、長尺容器内の圧力は等しい。ヘリウムガス量の管理や、長尺容器の容量を最大限に利用する上でも、このような運用のメリットはある。しかし、トラブル時を考えると、通常の回収に使う長尺容器と、一部の非常用の長尺容器と分けるのも一つの選択肢である。非常用としては、高圧状態(13～14 MPa 程度)や低14

圧状態(3 MPa 程度)でガスを貯めておくと良いだろう。
もし高圧ガス配管に漏れが生じ、ガスが大量に失われた時、高圧状態の長尺容器があれば、ガス漏れ箇所のチェックや、液化に利用することができる。また、今回のような空気が大量に混じってしまった場合にも、ある程度純度の高いヘリウムガスがあることは望ましい。同じく空気が大量にまじってしまった場合に、低圧状態の長尺容器があれば、ガスを捨てることなく新たなヘリウムガスを回収できる。
4.1.3 メールアラート、「一定時間以上レベル計の値が変化しない」
異常事態(「一定時間以上回収圧縮機が動き続ける」
等) が生じたら、スタッフにメールを送信する。トラブルに早く気が付くことは重要である。
4.2 回収圧縮機
回収圧縮機のトラブルに関して、現状で原因が完全に分かっているわけではないため、その対策は難しい。交換部品をあらかじめ購入し、同じ個所が壊れた際にすぐに修理可能にした。ヘリウム
ガスの損失を最小限に抑えることができる。
予備の回収圧縮機があれば、今回のような事故の時や、回収圧縮機のオーバーホールの際にも役立つ。緊急時対応のためであり、吐出流量は少なくてかまわない。吐出流量が少なければ、購入費用も低めで、サイズも小さいことから、比較的導入しやすい。次回のシステム更新時にはこの点も含めて検討したい。

5 おわりにガスホルダーのレベル計は 2020 年中に修理が行われるはずであったが、新型コロナ感染症のため、修理が遅れることになった。1 月の修理以降、レベル計には問題は起きておらず、しばらくは安心だろう。回収圧縮機の電源に関しては現時点で不明なこともあるが、オンオフの回数が減り、スターとデルタ両方の電磁接触器を新品に交換したことから、すぐにトラブルが発生する可能性は低いと考えている。
回収圧縮機のトラブルによって、液体ヘリウム供給停止や供給制限を何度か行った。2020 年度は新型コロナウイルス感染症の影響により、学内の多くの液体ヘリウム利用者が実験を控えなければいけなかった。そのような中で、液体ヘリウムの供給停止・制限は、研究の進捗の遅れをまねいたと考えている。この場を借りてお詫びしたい。今までも寒剤の安定供給のためにセンタースタッフ
一同努力をしてきたが、今後も気を引き締めて業務にあたる。
参考文献[1]「FT-1000 / FP-1000｜26. スプリングバランス式液面計・サーボバランス式液面計｜液面 計
測・制御機器｜製品案内｜東京計装株式会社」
URL: https://www.tokyokeiso.co.jp/products/level/26sb_tank/01/ft_fp/index.html[2] 金子産業 official web site >> ブリザーバルブ
RUL: http://www.kaneko.co.jp/product/ventilating/blizzard-valve/[3] 藤澤真士、金本真知、大熊哲 「大岡山キャンパスにおけるヘリウム液化システムの維持管理」『東京工業大学 極低温研究支援センターだより』 No. 33 p.8

15

URL: http://www.rcltp.titech.ac.jp/report/index.html

16

４. センターからのお知らせ１
液体 He の Web による注文の方法
極低温研究支援センター・大岡山

藤澤真士

注文の手順は以下の通りです。
1. http://www.rcltp.titech.ac.jp/user/ (学内のみ)に入って下さい。
2．研究室 ID: (例 001)とパスワード:(例 AbCDEf)を入力してログインしてください。
3. 「新規注文」をクリックします。
「新規注文_入力」画面に入ります。必要事項を記入して「確認する」ボタンを押してください。
記入項目◼

供給希望日(任意) … 記入しない場
合、一番近い供給日とみなされます。

◼

注文者(必須)◼

電話番号(必須)◼

支払経費名(任意) … 通常は法人運
営費；予算責任者と相談して下さい。

◼

注文量(必須)◼

容器指定(任意) … 研究室にある容器に継ぎ足す場合は「継ぎ足す」を、それ以外は「新規」を選択してください。

◼

容器番号(任意) …「継ぎ足す」場合は記入してください。
「新規」の場合
でもご希望があれば記入してください。

◼

容器タイプ(任意) … ご希望の容器タイプがありましたら選んでください。

◼

内径(任意) … トランスファーチューブを挿入する場所の径です。分からない場合は、センタースタッフまで必ず相談してください。

◼

流量計(任意) … ガスメーターの値を入力してください。入力しなくても注文はできま
すが、回収率の計算のために必要です。回収配管を利用している研究室は最新の数値を入力してください。

◼

備考(任意) … 必要に応じて入力してください。できるだけ簡潔にご記入ください。

17

4. 「確認する」ボタンを押すと「新規注文_確認」画面に移動します。修正する場合は「再入力」
ボタンを、注文を確定する場合は「確認した」ボタンを押してください。
5. 「確認した」ボタンを押すと「新規注文_完了」に移動します。同時に注文受理のメールが配信されます。容器指定が「継ぎ足す」の場合は、これで注文が完了します。供給日の 11 時までに、容器を液化室に運んでください。容器指定が「新規」の場合は、容器が準備できるかを液化室まで必ず問い合わせてください。電話(内線 3253)か直接液化室に出向いて、口頭で確認をお願いします。
補足◼ 1 回の注文で複数の容器の指定はできません。必要な容器の本数だけ注文を繰り返してください。
◼ 通常、供給日の 15 時には全ての容器への充填は終わっています。15 時より早い時間に受け取りを希望する場合、備考欄に時間帯を記入してください。時間帯を指定した場合は、必ず液化室に事前にご確認ください。通常の供給日(月、木)以外の受け取り希望の場合も、備考欄にご記入ください。

18

センターからのお知らせ２
低温実験で用いる物品の貸し出し・提供を行っています。そのうち実験材料の一部はセンター1 階に設けたストック用スペースに配置し, 多くのユーザーの方々に利用していただ
いております。センターでは今後も, 低温技術のサポート（物品や材料の使い方の指導）や最新の情報提供をとおして学内利用者の研究を支援してまいります。センターでストックを希望される物品がありましたらお知らせ下さい。なお, これらの物品に関する説明は, 毎
年 4 月に開催する「低温技術講習会」で行います。

備品
１ 液体ヘリウム容器 30 リットル 1 台, 50 リットル 1 台, 60 リットル

1 台, 100リットル 17 台, 110 リットル 10 台, 120 リットル 1 台, 250 リットル 1 台（胴直径 820φ, 高さ 1620 mm）
２ 液体窒素容器 100 リットル 1 台, 10 リットル 1 台, 2 リットル 1 台
３ ヘリウムガス回収用バルーン 6 つ
４ ヘリウムリークディテクター ターボポンプ内蔵・ポータブル型〇ターボポンプが破損すると修理には多くの費用がかかります。利用者の皆様におかれましては, 取り扱いには一層注意を払われますようお願い致します。
５ 酸素モニター（ポータブル型）〇短期間に限り貸し出しできます。
６ リフター○クライオスタットのインサートや超伝導マグネットのリフト用

消耗品・その他の貸し出し物品
１ 各種線材(1) 超伝導線
NbTi(+Cu)線(SUPER SWU7A) 0.10 φ(SUPER SWU25A) 0.35 φ〇コイル, 極低温での導線, ヘリウム液面計の製作等に使用。
(2) マンガニン線(0.2 φ) 15 Ω/m 1 巻（0.1 φ） 60 Ω/m 1 巻〇電気抵抗大きく熱伝導小さい。室温部から冷却器内への導線, 極低温でのヒーターとして使用。
(3) インジウム線（1 φ）〇極低温でのシール用。
(4) 金線（0.1 φ）〇試料からの配線用導線等に使用。
２ ケーブル類(1) 極低温用超極細キュプロニッケル同軸ケーブル

19（外径 0.65 φ；50±5 Ω ）(2) ジュンフロン高周波用同軸ケーブル（導体軟銅線）
DTR403P （トライアックス外径 2.93 φ；50±2 Ω）
DAS401 （外径 0.61 φ；46 Ω）(3) 極低温用キュプロニッケル 2 芯より線（より線外径 0.52 φ）(4) りん青銅ツイストペアシールド線 CW5584（芯線径 0.08 φ）
３ 低温用接着剤(1) スタイキャスト（エポキシ系）1266〇無色透明。極低温における非金属構造材として, 加工可。接着剤として, 金属パイ
プとの気密シールもデザインに注意すれば可。急冷注意。
(2) スタイキャスト 2850GT〇黒色, 加工不可。極低温部での導線の気密シール, 熱膨張率小さく金属との接着にも適す。
(3) GE7031 ワニス（フェノール系）〇導線の熱アンカーや温度計等の固定に用いる。アセトン等で取り外し可（十分な量在庫してあります）。
(4) 2 液混合型導電性ペースト
４ 温度計センサー(1) ゲルマニウムセンサー（1.4-100 K 較正済）(2) プラチナセンサー（100 Ω未較正）
以上各 1 個（貸し出し）(3) RuO2 抵抗・希釈冷凍機温度域用（0.05-7 K 較正済）・角型チップ抵抗（未較正）（ALPS 社製造中止；同等の KOA 社製 RCL シリーズ）
470 Ω, 1k, 2k, 4.7 kΩ 多数保有
・RuO2 筒状温度センサー（Scientific Instruments 社製 600 Ω）1 個（貸し出し）〇温度・磁場特性は極低温センターだより No.7 本文「大熊研」参照。
(4) カーボン抵抗（松下 47, 100, 220 Ω）(5)

金+0.007 %鉄－クロメル線（0.2 φ）〇室温から液体ヘリウム温度まで測定可能な熱電対。

(6) シリコンダイオードセンサー（1.4-325 K 較正済）
〇従来のものは, 電極用の足がとれて使用不能となりました。取り扱いには十分注意をお願い致します。新しいもの（DT-670）を購入しました。

20

（東陽テクニカ社カタログより）

５ 磁場センサー（貸し出し）
InAs ホール素子（F. W. BELL 社製 BHA921 型）

１個

使用範囲 0～15 Tesla （較正は 3 T まで）；4.2～373 K
動作電流 100 mA

感度0.988 mV/kG

形状 Axial 型 直径 6.3 φ×厚さ 5 mm

（東陽テクニカ社カタログより）

６

マイクロピンコネ

クター（金メッキ）〇小型で自由な長さ切り出し可。1 K 以下でも使用可能。
７ ヘリウム汲み出し用（加圧用）バレーボール風船（２号）
８ ヘリウム容器排気用オペレーター（東理社, MVE 社, ウェシングトン社,
エアリキッド社, クライオサーモ社製容器用）〇オスねじがついていて引っ張り出すタイプ。
９ ヘリウム容器汲み口用ゴムチューブ（径はお問い合わせ下さい）
１０ ガラスデュワー用ラテックスゴム（寸法はお問い合わせ下さい）
１１ カプトン（マイラー）テープ
１２ ポリイミドチューブ（外径 0.2 から 5.0 φ[肉厚は 40-60 μm]まで各種；寸法はお問
い合わせ下さい）〇極低温, 高温で使用可。肉薄で配線の導入・絶縁に便利。
１３ 被膜剥離剤（フクゾール）

21

１４ 肉薄引抜ステンレスパイプ, キュプロニッケルパイプ（寸法はお問い合わせ下さい）
１５ NW クランプ, フランジ, ティー, レデューサー, フレキホース類（貸し出し）
１６ 銅管継ぎ手類
１７ スウェージロック
１８ 高圧ガス配管漏れ検出液
１９ 簡易型携帯用ヘリウムガス漏れ検出器（→）（約 95g; LD239 型： ジーエルサイエンス社カタログより）

その他, センター研究室内にも低温実験でよく用いる材料, 回路部品, 真空部品や工具類がありますので, 緊急に必要な方はご相談下さい。

22

5. 研究報告

令和 2 年度研究報告

物理学系田中研究室

物理学系

田中研究室

http://www.lee.phys.titech.ac.jp/˜tanakalb/tanakalb.html

Kitaev-Heisenberg 模型のモデル物質の報告例はな

S = 1/2 擬一次元反強磁性体 Cs2 LiRuCl6

く, 実験的な理解が得られていない.

の結晶構造と低温磁性我々の研究室では α-RuCl3 と同じく磁性イオ
ンが Ru3+ で Kitaev 相互作用を有することが期待

渡辺一充, 栗田伸之, 田中秀数

され, スピン 1/2 三角格子反強磁性体と考えられる

Rb2 LiRuCl6 に注目し, 物質探索を行った [8,9]. その

1 はじめに結果, Cs2 LiRuCl6 の純良で大型の単結晶育成に成功

2006 年に A. Kitaev により提案された蜂の巣格

した. 本稿では, 我々が初めて合成した Cs2 LiRuCl6

子上に S = 1/2 のスピンが局在し, 蜂の巣格子におの結晶構造及び磁気特性について報告する.

ける 3 種類の相互作用のリンクでそれぞれ異なる

図 1 に Cs2 LiRuCl6 の 結 晶 構 造 を 示 す.

方向に Ising 的な相互作用する Kitaev 模型についCs2 LiRuCl6 の空間群は P63 22 で, 結晶構造は八面て研究が盛んに行われている [1, 2]. 2 次元量子多体 RuCl6 と LiCl6 が面を共有して c 軸方向に連な体系模型にも関わらず基底状態が量子スピン液体

る鎖状構造である. このとき, 鎖は図 1 のように A,となることが厳密に求まり, 電子スピンが 2 種類の

B, C の 3 種類に分類される. 鎖 B, C は原子配置がマヨラナ粒子で記述されることで注目されている.

c/2 ずれているだけで等価であり, Ru3+ と Li+ はお

Kitaev 模型の候補物質の 1 つである α-RuCl3 の近およそ秩序化し交互に配置している. 一方, 鎖 A で年の実験では, 熱ホール伝導度 κ xy /T が温度と磁場

は Ru3+ と Li+ の占有率がそれぞれ 50 ％と原子配によらず量子化値の半分の値で一定となる振る舞

置が無秩序化している. この結晶構造の部分無秩序

いが観測された. これは熱を運ぶ粒子が電子の半分化は三角格子イジングスピン反強磁性体 (AFIMTL)の自由度をもつマヨラナ粒子であることを示してで観測される磁気構造の部分無秩序化に類似しており, マヨラナ粒子の初の実験的な観測例として非おり, AFIMTL における交換相互作用, up スピン,

常に注目されている [3]. α-RuCl3 について, 様々なdown スピンをそれぞれクーロン力, Ru3+ , Li+ に置

手法で研究が進められているが, 相互作用について

き換えることで解釈することが出来る.

十分なコンセンサスは得られていない [2, 4, 5].
実際の物質は，磁性イオン − 陰イオン − 磁性イ

2 単結晶育成

オンの結合角が正しく 90◦ ではないために，Kitaev
相互作用に Heisenberg 相互作用を加えた Kitaev-

Cs2 LiRuCl6 の合成は以下の化学反応式に従い, ２

Heisenberg 模型で記述される場合が多い. 三角格段階で行った．

子 Kitaev-Heisenberg 模型のゼロ磁場での基底状態

3CsCl + 2RuCl3 → Cs3 Ru2 Cl9
Cs3 Ru2 Cl9 + CsCl + 2LiCl → 2Cs2 LiRuCl6

では Kitaev 項と Heisenberg 項の競合により, Z2

vortex crystal など様々な相が存在することが理論
中間物質として Cs3 Ru2 Cl9 を作成することで, より計算より報告されている [6, 7]. しかし, 三角格子

純良で大型の単結晶が得られる. 単結晶育成は垂直

1
23

(a)
Cs+
Ru3+
Li+
Li+/Ru3+
Cl −
c
b

a

A

B

C

(b)

A

B

C

図 2 Cs2 LiRuCl6 の T = 50 K における ESR 測
定から得られた常磁性共鳴の周波数-磁場ダイア
グラム.

b

a
c

図 1 Cs2 LiRuCl6 の結晶構造. (a) は [110] 方向から, (b) は c 軸方向から見た構造. 青の点線は単位格子を表す.

ブリッジマン法で行った. 石英管に封入した試料が炉心で融解し, 徐々に炉心から離れることで石英管の先端部分から結晶化が進み単結晶が得られる. 得られた単結晶は c 軸を含む面で容易に劈開する.

図 3 g 値の理論計算と実験結果の比較. g 値の理

3 ESR 測定

論計算は文献 [10] の FIG. 13. (a) の δ/λ′ が −1 から 0 の部分を拡大したものである.

電子スピン共鳴測定（ESR）は東北大学金属材料研究所野尻研究室のテラヘルツ電子スピン共鳴装置（Terahertz electron spin resonance apparatus:られる. δ は結晶場理論における状態 Eg と A1g のエ

TESRA-IMR）を用いて行った. サンプルホルダー

ネルギー差を表しており, 八面体 RuCl6 が [111] 方に参照試料として g = 2.004 の DPPH をグリース

向に縮んだ時は δ > 0, 伸びた場合は δ < 0 となる.

でセットした. 図 2 に T = 50 K における ESR 測定

δ/λ′ < 0 は Cs2 LiRuCl6 において八面体 RuCl6 がから得られた常磁性共鳴の周波数-磁場ダイアグラ[111] 方向に伸びていることと一致する. 減少因子 kムを示す. 得られた H ∥ c, H ∥ ab, DPPH の常磁性

は Cl− の p 軌道と Ru3+ の d 軌道の混成によって定共鳴から磁場が c 軸に平行な場合と垂直な場合の g

まることから Cs2 LiRuCl6 と α-RuCl3 でおおよそ一

値はそれぞれ g∥ = 2.72, g⊥ = 1.50 と求められた.

致する. 文献 [10] では α-RuCl3 は (δ/λ′ , k)=(0.77,

図 3 に g 値の実験値と理論計算の結果の比較を0.95), (1.18, 0.83) の状態のどちらかが実現している示す. ここで g 値の理論計算は文献 [10] の FIG.

と考えられている. Cs2 LiRuCl6 の k の値が 0.96 と13(a) の δ/λ′ が −1 から 0 の部分を拡大したもので定まったことから α-RuCl3 は (δ/λ′ , k)=(0.77, 0.95)

ある. 得られた g 値から (δ/λ′ , k)=(-0.54, 0.96) が得の状態が実現していると考えられる.

2
24

に比べて鋭く, 磁化の磁場微分は飽和磁場で大き

0.12
0.12

く減少していることから, Heisenberg 項に比べて0.10
χ [emu/mol]

H // c

0.10

0.08

Kitaev 項は小さいことが考えられる.

0.08
0.06

図 5(c) に Van-Vleck 常磁性の寄与を補正し, g 値

0.04で規格化した磁化曲線を示す. 磁化曲線の形状に大χ [emu/mol]

0.02
0.00
1

0.06

2

3 4
T [K]

5

きな違いは観測されないことから, 磁化の異方性は

6

主に g 値 の異方性に由来し, 相互作用の異方性は小0.04 H // ab

さいと考えられる. 図 5(c) の縦軸は磁化を飽和磁化

gµB S で割った値に等しいが, 飽和磁場以上でその0.02

値は 1 に達していない. この要因として, 原子配置

Cs2LiRuCl6
H = 0.1 T

0.00
0

5

が無秩序化した鎖 A において, Ru3+ が鎖内で部分
10

15

20

25

30

的に隣接し, 強い反強磁性的な相互作用によって非T [K]磁性の singlet を形成したことが考えられる.

図4

Cs2 LiRuCl6 の磁化率の温度依存性. 挿入図は最低温度付近を拡大した図を示している.

図 5(c) の点線は S = 1/2 一次元 Heisenberg 反強磁性体の磁化過程の理論曲線を示している [11]. 飽
和磁場 gHs の平均から鎖内の相互作用 J/kB ≅ 3.7

4 磁化測定K が得られる. 鎖内の相互作用が J/kB ≅ 3.7 K の磁化測定には SQUID 磁束計 MPMS-XL (Quan-

時, S = 1/2 一次元 Heisenberg 反強磁性体の磁化

tum Design 社) を用いた．図 4 は，印加磁場 0,1 T

率と比熱 C/T の短距離秩序に由来するブロードなで測定した 1.8 K までの磁化率の温度依存性であ

ピークの温度の理論値は T max = 0.64J/kB ≅ 2.4 K,

χ

C/T
T max
= 0.31J/kB ≅ 1.1 K となる [12, 13]. 磁化率とる．T = 2 K 付近にブロードなピークが見られる.
これは低次元反強磁性体の特徴的な性質であり, 反

後述する比熱の温度依存性について, ピークの温度

強磁性的な短距離秩序の発達が要因と考えられる.

が S = 1/2 一次元反強磁性体の理論計算とよく一強磁場磁化測定は東北大学金属材料研究所野尻

致することや磁化曲線が S = 1/2 一次元反強磁性研究室で行なった. 得られた磁化曲線を MPMS の体の理論曲線と類似していることから, Cs2 LiRuCl6

測定結果で較正したものを最終的な結果とした.

は Heisenberg 模型に近い S = 1/2 擬 1 次元反強磁図 5(a), (b) はそれぞれ 0.4 K で測定した H ∥ c

性体で記述されると考えられる.

方向, H ∥ ab 方向の磁化過程である. 飽和磁化に達したことで磁化曲線の傾きは緩やかになり, 飽5 比熱測定和磁場以上における磁化の直線的な増大は Van-

Vleck 常磁性の寄与である. 線形フィッティングか

比熱測定は PPMS (Quantum Design 社) を用い

ら Van-Vleck 常磁性 χcVV = 8.49 × 10−3 emu/mol,

た緩和法により行った. H ∥ c 方向に磁場を印加−3χabemu/mol と飽和磁化 Msc = 1.14
VV = 1.31 × 10

して, 3 He オプションを用いて 10 K から最低温度µB /Ru3+ , Msab = 0.62 µB /Ru3+ が得られる. また, 磁0.36 K まで測定を行った. 図 6 にゼロ磁場下での化の磁場 2 階微分 d 2 M/dH 2 から, 飽和磁場 Hsc =測定結果を示す. 比熱 C を温度 T で割った C/T
は T = 1.00 K で短距離秩序による広い山を持ち,

4.35 T, Hsab = 6.90 T が得られる. α-RuCl3 では全
スピンを保存しない Kitaev 項が大きいため, 磁化の転移温度 T N = 0.48 K で反強磁性転移に起因する

磁場微分は飽和磁場以上で緩やかに減少する [10].

ピークを示す. 図 6 の緑線は 7 K ∼ 10 K の範囲で

Cs2 LiRuCl6 の飽和磁場での磁化の異常は α-RuCl3

Cph /T = αT 2 を用いてフィッティングした結果である. 全比熱から格子比熱を引くことによって磁気

3
25

2.5

1.0

2.0

0.8

0.6

2

1.5

1.0

0.4

Smag [R ln2]

C/T [J/K mol]TN

Cs2LiRuCl6
0.5

0.0 3

C/T
Smag

0.2

5

0.0

lattice45

6 7 8 9

2

3

4

6 7 8

1

T [K]

図6

Cs2 LiRuCl6 のゼロ磁場下での比熱 C/T の
温度依存性. 右軸は磁気エントロピーの温度依存性を示しており, 緑の実線は T 3 に比例するとした
格子比熱である.

トロピーは高温で S mag ∼ 5.7 J/K mol に十分に近づくことから, 有効スピンは S = 1/2 であると確認できる.
図 7 に H ∥ c 方向に磁場印加時の比熱の温度依存性を示す. 図 7 の矢印は転移温度 T N (H) を示している. H ≤ 3 T では磁場の増加に伴って, 転移温度

T N (H) は上昇し, λ ピークは大きくなる. H ≥ 3 T では磁場の増加に伴って, 転移温度 T N (H) は急激に減
少し, λ ピークは小さくなる. 図 8 に比熱測定から得られた相図を示す. 低磁場領域における T N (H) の上
昇は古典計算からも報告されており, 次のように解釈することが出来る. 擬一次元 Heisenberg 反強磁性体の Neel 状態について, ゼロ磁場ではハミルト
ニアンは等方的でスピン揺らぎは全方位回転を許す
が, 磁場を印加することでスピン揺らぎは磁場に対して垂直な平面内の回転に制限される. 磁場によっ
Cs2 LiRuCl6 の磁化過程. (a) は H ∥ c 方向,(b) は H ∥ ab 方向の測定結果. 点線は高磁場領域から評価される Van-Vleck 常磁性の寄与を示している. (c) は Van-Vleck 常磁性の寄与を補正し, g 値で規格化した結果. 点線は S = 1/2 一次
元 Heisenberg 反強磁性体の磁化過程の理論曲線を 0.84 倍したものを示している [11].
図5て自由度が減るため, 低磁場領域において T N (H) は上昇する [14, 15].

6 まとめ
本研究では Cs2 LiRuCl6 の結晶構造と磁気特性を明らかにした. Cs2 LiRuCl6 の結晶構造は八面体比熱を求めることができる. 図 6 の青マーカーは磁

RuCl6 と LiCl6 が面を共有して c 軸方向に連なる鎖気比熱 Cmag /T を温度で積分した結果である. エン状構造である. 結晶構造の部分無秩序化が観測され,

4
26

30

参考文献
Cs2LiRuCl6( H // c )25[1] A. Kitaev, Annals of Physics. 321,2 (2006)

4.3 T

C/T [J/K mol][2] Y. Motome and J. Nasu, J. Phys. Soc. Jpn. 89,

4.2 T

20

012002 (2020), and references therein.

4T
3.5 T

[3] Y. Kasahara, T. Ohnishi, Y. Mizukami, O.

2

15

3T
2.5 T

Tanaka, S. Ma, K. Sugii, N. Kurita, H. Tanaka,

2T

10

J. Nasu, Y. Motome, T. Shibauchi, and Y. Mat-

1.5 T
1T

suda, Nature 559, 227 (2018).

0.7 T

5

[4] T. Suzuki and S. Suga, Phys. Rev. B 97, 134424

0T

0
0.4

(2018).

TN

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

[5] P. Laurell and S. Okamoto, npj Quantum Mater.

T [K]5, 2 (2020), and references therein.

H ∥ c 方向に磁場印加時の Cs2 LiRuCl6 の比
熱 C/T の温度依存性. 矢印は転移温度 T N (H) を示している. 磁場の増加ごとに上方にシフトしている.
図7[6] M. Becker, M. Hermanns, B. Bauer, M. Garst,
and S. Trebst, Phys. Rev. B 91, 155135 (2015).
[7] I. Rousochatzakis, U. K. Rossler, J. van den
Brink, and M. Daghofer, Phys. Rev. B 93,

5
4
H [T]

104417 (2016).

Cs2LiRuCl6( H // c )[8] G. Jackeli, and G. Khaliullin, Phys. Rev. Lett.
102, 017205 (2009).

3
AF[9] G. Meyer and E. Dietzel, Rev. Chim. Miner. 16,

Para

2

189 (1979).
[10] Y. Kubota, H. Tanaka, T. Ono, Y. Narumi, and1

K. Kindo, Phys. Rev. B 91, 094422 (2015).
0
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

[11] R. B. Griﬃths, Phys. Rev. 133, A768 (1964).

1.2[12] D. C. Johnston, R. K. Kremer, M. Troyer,

T [K]H ∥ c 方向に磁場印加時の Cs2 LiRuCl6 の相
図. 赤マーカーは比熱 C/T の温度依存性, 青マー
カーは高磁場磁化測定から得られた結果. 点線はガイド線である.
図8

X. Wang, A. Klümper, S. L. Bud’ko, A. F.
Panchula, and P. C. Canﬁeld, Phys. Rev. B 61,
9558 (2000).
[13] A. Klümper, Eur. Phys. J. B 5, 677 (1998).
[14] W. J. M. de Jonge, J. P. A. M. Hijmans, F.

鎖は A, B, C の３種類に分類される. ESR 測定から

Boersma, J. C. Schouten, and K. Kopinga, Phys.

g∥ = 2.72, g⊥ = 1.50 が得られた. 磁化測定と比熱測Rev. B 17, 2922 (1978).

定の結果から Cs2 LiRuCl6 は Heisenberg 模型に近[15] A. M. C. Tinus, F. Boersma and W. J. M. de

い J/kB ≅ 3.7 K の S = 1/2 擬 1 次元反強磁性体でJonge, Phys. Lett. 86A, 300 (1981).

記述され, T N = 0.48 K で反強磁性転移を示すこと[16] K. Watanabe, N. Kurita, H. Tanaka, H.

が明らかになった. H ∥ c 方向の相図の全体像が得Sugiyama, H. Uekusa, I. F. Diaz-Ortega, and H.

られ, 低磁場領域における T N (H) の上昇が観測されNojiri, Phys. Rev. B 103, 064419 (2021).

た. 本研究は文献 [16] に掲載されている. ご覧頂け
れば幸いである.

527

赤外レーザー分光法によるパラ水素結晶内のCH3Fによって誘起された
水素振動遷移の偏光特性の研究
理学院

物理学系

金森研究室

中井川晃

HP: http://www.molec.ap.titech.ac.jp【序】パラ水素結晶は六方最密充填構造をとることが知られており、この中にごく少数の CH3F をドープした場合、
CH3F の 12 個の最近接サイトには n 個のオルト水素と(12-n)個のパラ水が配置される。これらの水素分子と CH3F 分子をまとめて CH3F-(ortho-H2)n クラスターと呼んでいる。(Fig.1
参照) CH3F-(ortho-H2)n クラスターのパラ水素の振動遷移(Q1(0))は本来禁制であるが CH3F やオルト水素によって誘起されることで観測可能となり、FTIR を用いた研究[1] によって複数のピークが存在することが知られている。

Fig.1 n 個のオルト水素

我々はこれまでにパラ水素の Q1(0)ピークの分裂について (赤)と(12-n)個のパラ水素
CH3F-(ortho-H2)n クラスターに含まれるオルト水素の数 n に (青)から成る CH3F-(orthoよるものであることをポンプ-プローブレーザー分光を用 H2)n クラスター (図はいて明らかにしている[2]。一方で同じオルト水素の数を持 n=2)
つ CH3F-(ortho-H2)n クラスターから複数の Q1(0)ピークが生じていることも確認しており、この分裂については不明な点が多く残されている。これを解決するために今回
我々は Q1(0)ピークの偏光特性に着目し実験的研究を行った。Q1(0)ピークはそのピークを生じるパラ水素と CH3F による誘起の仕方によって異なる角度で振動していることが予想されるため、未帰属なピークの性質の解明につながることが期待される。
【方法 (実験・理論)】測定に用いる結晶は para–H2 ガス(ortho-H2: ~ 1000ppm)に CH3F
を 20 ppm 混入したものを、2 K に冷却した基板上に吹き付け、その後 7 K でアニーリ
ングして生成した。測定には 2.4 m 帯の DFB レーザー（TOPTICA、DL100 DFB）を使用した。結晶を通過する前に波長板と偏光子を用いることで結晶に入る時のレーザーの偏光角を設定し、複数のレーザーの偏光角でのスペクトルを取得することで偏光依存性の測定を行った。
【結果・考察】レーザーの偏光角を基板に対し s 偏光で入射した場合と p 偏光で入射した場合のスペクトルが Fig.2 である。この図から同じ n のクラスターから発生するピーク間に強度に対して異なる偏光依存性が確認できる。Fig.3 は n=0 のクラスター、
すなわち、最近接サイトにパラ水素のみが存在する場合の三本のピークの偏光角度依存性を示している。この角度依存性は CH3F によって誘起されたパラ水素の振動方向28Absorbanceの違いを表していると考えられ
n=0 n=1 n=2 n=3る。パラ水素結晶中の CH3F のC-F 伸縮振動遷移の偏光依存性
0.25の配向の解析に用いられたモデ
0.20
ル関数[3]を用いてフィッティン
0.15
グを行い、各ピークの振動方向0.10を求めることを試みた。その結果、n=0 の三本のピークは結晶の0.05c 軸に対して波数の低い順にそ0.00
れぞれ 70(2)゜、20(1)゜、87(5)゜4148.8 4149.0 4149.2 4149.4 4149.6となり、これらが 2 原子分子のWavenumber(cm-1)
配向角 に対 応する と 考えられる。
Fig.2 レーザーの偏光角が p-偏光 (赤, 上側)と s-偏光(青,一方でパラ水素の Q1(0)ピーク 下側)の時のパラ水素の振動遷移のスペクトル, 上側の数字
群のうち同じ n を持つクラスタ は発生元の CH3F-(ortho-H2)n クラスターを表す。
ーから発生しているピークは最大で三本しか観測されていない。これを説明するために我々は CH3F-(ortho-H2)n クラスター
を、CH3F のある層、CH3F の上にある層、CH3F の下にある層の三つに分け、それぞれの層にある
パラ水素が異なるピークを発生させている、というモデルで考えてきた。しかし今回得られた各ピークの配向角を CH3F が作る電場から説明するために従来のモデルを修正する必要性が高まった。そのため結果を説明す Fig.3 CH F-(ortho-H ) クラスターから発生する三本のピー
3
2 0
るためのモデルを現在新たに構-1
ク(赤: 4148.9cm , 青: 4149.24cm-1, 黒:4149.46cm-1)の規格化
築している。
された強度のレーザー偏光角による変化、曲線は先行研究の【参考文献】

fitting 関数に基づく[1] K. Yoshioka et al. J. Chem. Phys. 119, 4731 (2003)[2] 京都, 第17回分子分光研究会, F15(2017)[3] H. Kawasaki et al. J. Chem. Phys. 144, 184306 (2016).

29

理学院 物理学系 平原研究室 2020 年度研究報告
磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造の XMCD 測定
理学院 物理学系 福嶋隆司朗、⼀ノ倉聖、平原 徹
https://thirathara.wixsite.com/hiraharagroup
トポロジカル絶縁体はバルクが絶縁体でにディラックコーンギャップが磁性由来のあるが、表⾯に⾦属的なスピン偏極したデものであることが明らかになった [2]。しィラックコーンを有し、時間反転対称性がかし Bi2Se3 ではフェルミ準位を制御する⽅破れない限りディラック点がトポロジカル法が確⽴されておらず、実際に輸送測定でに保護されており、ギャップを開けること

QAHE を観測するのが難しいと予想される。

ができない。磁性を導⼊して時間反転対称

そこでフェルミ準位の制御⽅法が確⽴され性を破ると、ディラック点にギャップが開ている Bi2Te3 に対して同様に Mn と Te のくと同時に輸送特性では無磁場下での量⼦

蒸着を⾏い(この試料を以後 Mn,Te/Bi2Te3

ホール効果である、量⼦異常ホール効果と呼ぶ)、Bi2Se3 と同じ現象が起きるかを検(QAHE)が実現する。2014 年に QAHE が証した。⾓度分解光電⼦分光法でディラッ初めて実験的に実証されてから多くの研究

クコーンギャップの観測を⾏ったところ、が⾏われてきたが、その実現温度は最⼤で15 K で 70 meV 程度開いていたギャップがも 2 K である [1]。そこで、QAHE 由来の

200 K で閉じることが明らかになった [3]。

無散逸に伝導するエッジ状態をデバイスに本研究ではこの Mn,Te/Bi2Te3 の磁化特性応⽤するには、より⾼温で QAHE を実現すを明らかにしてディラックコーンギャップ

ることが求められている。

との関係を明らかにすることを⽬的に
XMCD 測定を⾏った。

これまでトポロジカル絶縁体に強磁性を付加する⽅法として薄膜作製時に磁性不XMCD 実験は SPring-8 BL23SU で⾏

純物を導⼊する、という⽅法が⾏われていった。液体ヘリウムにより最低 6 K まで試た。これに対し我々は最近、Mn と Se をト

料を冷却して測定を⾏った。Mn,Te/Bi2Te3

ポロジカル絶縁体 Bi2Se3 に蒸着すると、試料は実験室で作成後表⾯保護のためにキBi2Se3 の表⾯最上位層に Mn と Se が潜り込ャップしたものを BL23SU の超⾼真空装置

むことで MnBi2Se4/Bi2Se3 という、秩序だに導⼊後、200-250 度で加熱してキャップ

った磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ接合をを⾶ばすことで清浄表⾯を回復して⾏った。

形成できることを明らかにした。このヘテ

図 1(a)に 6 K で試料⾯直に 8 T の磁場をロ構造では室温まで約 100 meV という⼤き印加した際に測定された XMCD スペクトなディラックコーンギャップが観測された。

ルを⽰す。L3、L2 吸収端ともに明確なシグ

さらに SQUID による磁化測定では⾯直のナルが出ていることが分かる。図 1(b)に⽰

磁化曲線にヒステリシスが観測され、確かすように XMCD スペクトルの形状は磁場

30

(a)

eV(図中の B)でもピークが⾒られるようになり、それ以下の磁場ではピーク A よりも
B が⽬⽴つようになった。これは磁性に寄与している Mn 原⼦が 2 種類存在することを⽰唆している。さらに残留磁化におけるXMCD スペクトルは磁場印加時と逆向きであるという特異な振る舞いが観測された。
そこでより詳細な知⾒を得るために、A とB のエネルギーにおける 6 K での XMCD
シグナルの磁場依存性(図 2(a))および 0.2
T での温度依存性(図 2(b))を測定した。
図 2(a) に⽰すように、±3 T の範囲での

(b)

L2

磁化曲線を測定すると、ピーク A では概ね
磁場に対して磁化が⽐例する常磁性的な傾L3向が⾒られ、ピーク B に関してはゼロ磁場

L3付近でヒステリシスが観測され、強磁性的な振る舞いをすることが分かった。ただ上述の通り、残留磁化における XMCD スペ
クトルの符号が印加磁場を反対⽅向であったことを反映して、磁化曲線も負のヒステ
リシス(プロテリシス)であった(⽮印が時
計回りに回っているが、本当の強磁性体では反時計回りである) [4]。ピーク A の⽅もゼロ磁場近傍で何か時計回りのシグナルの

図 1 (a) 6 K において 8 T の⾯直磁場を印加兆候が⾒られており、本来の意味の常磁性して得られた Mn,Te/Bi2Te3 の XMCD スペクとは⾔えないかもしれない。図 2(b)より、トル。(b) 6 K における XMCD スペクトルの強磁性成分ピーク B のキュリー温度は TC

磁場依存性。挿⼊図が L3 における 1 T 以下の~ 25 K 程度であると推定できた。⼀⽅ピー

データを⽰している。ピーク A および B の⼆

ク A の⽅は 25 K 以上でも緩やかにと強度つの成分があることが分かる。また残留磁化が下がり続けており、やはり常磁性成分とが印加磁場と反対⽅向になっている。

考えるのが妥当と思われる。

を 5 T、1 T と下げても変化しなかった。し以上の結果をまとめると、Mn,Te/Bi2Te3

かし挿⼊図にあるように磁場を 0.5 T 以下の系において磁性に関係している Mn が 2にすると L3 吸収端で変化が⾒られた。1 T

種類存在し、
⼀つは TC ~ 25 K の強磁性的、では 639.9 eV にピークがあったが(図中のもう⼀つは常磁性的であることが分かった。

A)、磁場を下げて 0.2 T にすると 639.5

また強磁性成分では負のヒステリシスが観

31

(a)

存在していることを暗に⽰している。事実
プロテリシスや負の残留磁化は微粒⼦などにおいて、強磁性成分とそれ以外の成分の反強磁性的な交換相互作⽤の結果⽣じると報告されている[4]。今後、反強磁性成分や反強磁性的相互作⽤が存在するかを実験的に検証する必要がある。
最後に Mn,Te/Bi2Te3 の系におけるディラックコーンギャップと磁化特性の関係について議論する。上述の通り、ギャップは
200 K まで存在したが、強磁性は 25 K まで

(b)

しか観測されずこの⼆つの温度は明らかに異なっている。もしかすると反強磁性成分が存在しておりそのネール温度が 200 K であるかもしれない。あるいはスピンの⻑距離秩序がなくても、ミクロな短距離の局在
スピン間の相互作⽤による時間反転対称性の破れにより、ディラックコーンにギャッ

Tc ~ 25 K

プが開き得ることを⽰唆していると思われる。例えば強磁性成分の短距離秩序が 200
K まで存在している、
あるいは試料内の Mn
同⼠が反強磁性的に相互作⽤をしており、

図 2 (a) 6 K における Mn,Te/Bi2Te3 のピーク
A および B の XMCD 強度を⽤いた磁化曲線。
挿⼊図がゼロ磁場近傍の様⼦を表しており、そのエネルギースケールが 200 K 程度である可能性がある。今後この Mn,Te/Bi2Te3 の構造を明らかにし、理論計算と組み合わせ

A が常磁性的、B が強磁性的であることが分るなどしてギャップの起源に迫っていきたかる。(b) ピーク A および B の 0.2 T におけいと考えている。

る XMCD 強度の温度依存性。強磁性成分 Bのキュリー温度が 25 K 程度であると分かる。

参考⽂献[1] M. Mogi et al., Applied Physics Letters

測され、通常の強磁性体ではないことが推107, 182401 (2015).

定された。そして XMCD 総和則による定量[2] T. Hirahara et al., Nano Letters 17, 3493

的解析から、8 T、6 K における平均スピン(2017)

磁気モーメントは 0.6 μB/Mn、平均軌道磁[3] T. Hirahara et al., Nature Comm. 11,

気モーメントは 0.04 μB/Mn と導出された。

4821 (2020).

これは強磁性や常磁性の Mn だけから想定[4] R. K. Zheng et al., Jour. Applied Physics

される値よりも⼩さく、反強磁性の Mn が96, 5370 (2004).

32

理学院化学系(化学コース)

西野研究室 2020 年度 研究報告

[序文] 単分子接合は低次元極小サイズの伝導体としてバルク状態とは異なる電子物性が期待されることから、電子素子としての応用が期待されている[1]。これまで、主に、金属線を力学的に破断することによって形成されるナノギャップに分子を架橋させることで単分子接合が作製されてきた。機械的に破断される接合では応力の影響を受けやすく安定性が低いという課題があった。
そこで本研究では固体電解質中で電圧印加により導電性フィラメントの形成・破断させる原子ス
イッチの利用に着目した [2]。固体電解質層としてタンタル酸化物を用い、導電性分子ワイヤーの基本単位として重要なアセチレン分子接合の作製を試みた。
[実験] 原子スイッチは銀、タンタル酸化物、白金の三層構造を成膜することにより作製した。作製した原子スイッチデバイスを高真空まで真空引きした後、アセチレン雰囲気化で、フィラメントの形成破断を繰り返した際の伝導度の分布を計測した。次いで計測系を液体ヘリウム中に設置し、非弾性トンネル分光計測(IETS)を行った[3]。
[結果・考察] Figure 1 にフィラメントが破断した後の電気伝導度変化に関する 2 次元ヒストグラムである。
真空中ではリセット電圧後に電気伝導度が即座に減少した(Figure 1a)。一方、アセチレン雰囲気下では、フィラメントの破断後に 0.2 G0 (2e2/h)電気伝導度状態が0.5 秒程安定に保持されることが示唆され、アセチレ
ン分子に由来した準安定状態がフィラメント破断後

Figure. 1(a)真空中および(b)アセチレン
雰囲気における伝導度の時間変化に形成されることが示唆された(Figure 1b)。観測された伝導度状態の構造に関して知見を得るため IETS 計測を試みた。Fig. 2 に 0.2 G0 において観測した IETS ス
ペクトルを示す。Fig. 2 に示すように 161 mV, 312mV の位置にピークが 観測された。ピークが観測されたエネ
ルギー は金属表面に吸着した アセチレン分子の振動
エネルギーに対応する。よって、0.2 G0 の伝導度状態はアセチレン分子が架橋した分子接合に対応しているこ

Figure 2 0.2 G0 の電気伝導度の準安定状態で観測した d2I/dV2 スペ
クトル.

とが示唆された。以上より、固体電解質の内部に分子接合構造を作製し、分子に由来した振動の検出に成功した。
[参考文献][1] S.Kaneko, T. Nishino, et al., Chem. Sci, 10 6261-6269 2019.
[2] A. Aiba, S. Kaneko, T. Tsuruoka, K. Terabe, M. Kiguchi, T. Nishino, Appl. Phys. Lett. 117 233104 2020.
[3] A. Aiba, T. Nishino, et al., ACS Appl. Mater. Inter. 11 27178-27182 2019.

33

理学院化学系

腰原・沖本研究室 2020 年度研究報告

中性イオン性相転移を示す新規一次元鎖状高分子単結晶における光誘起電荷移
動ダイナミクス
理学院化学系（エネルギーコース）
石川 忠彦
http://www.pipt.sci.titech.ac.jp/
1.

はじめに

我々は、新規光機能性開拓及びそのメカニズム解明をテーマにフェムト秒レーザーパルスを光源として用いた時間分解分光を一つの柱として研究を進めている。光励起によるエネルギー注入は、非接触かつ高速に行えることが魅力である。時間分解測定でその途中経過を明らかにしていくことが重要であり、特に新規物質の光応答を観測していくことで既報の物質との比較を通してメカニ
ズムの理解を深めていくことを進めている。
中性イオン性（NI）相転移を起こす電荷移動錯体である TTF-CA は、特に高効率の光誘起ダイナ
ミクスが起こる事で注目され盛んに研究をされてきた [1]。この物質はドナー（D）である TTF 分子とアクセプター（A）である CA 分子が積層した 1 次元鎖構造を基本とした結晶構造をしており、温度や圧力変化により D 分子と A 分子間での電荷移動が結晶全体で起こる NI 相転移を起こす物質である。この NI 相転移は、D 分子のイオン化エネルギーと A 分子の電子親和力に対して、イオン化した DA 分子間のクーロン引力によるエネルギー利得の大きさが結晶構造により変化する事で説明される [2]。この微妙なバランスを光励起で崩す事で高効率の光誘起電荷移動相転移ダイナ
ミクスが実現していると考えられている。ここまで述べた NI 相転移のメカニズムからは、電荷移動に伴い、スピンを持たない中性相から電荷移動によりスピンを持つイオン性相に変わる磁性相転移の側面もあるはずなのだが、実際にはイオン性相において、DA 間の二量化が起き、スピン一重項化して非磁性相になる為に、磁性相転移の側面が観測されることは無い。
2．新規中性イオン性相転移系[Ru2(3,4–Cl2PhCO2)4TCNQ(OEt)2]・DCE
本 研 究 で 扱 っ た [Ru2(3,4–Cl2PhCO2)4TCNQ(OEt)2] ・ DCE は 、 D 分 子 で あ る Ru 複 核 錯 体
Ru2(3,4–Cl2PhCO2)4 と A 分子である TCNQ(OEt)2 が共有結合で繋がった一次元鎖構造(DA 鎖)を持つ結晶試料である。転移温度 230 K で中性イオン性(NI)相転移を起こす [3]。電荷移動錯体
以外で NI 相転移を起こす初めての物質である。本物質の NI 相転移は、DA 分子対の二量化を示さず、I 相で磁性を示す。従ってこの系における光誘起ダイナミクスを観測し、従来の二量化を伴う NI 相転移系である TTF-CA と比較する事は、興味深い。二量化構造変化が光誘起ダイナミ
クスにおいて果たす役割を明らかにする目的とともに、光励起による磁性制御を行う事の可能性の探求も目的としている。そこで我々は、単結晶試料を用いた光学測定を行った。
3． [Ru2(3,4–Cl2PhCO2)4TCNQ(OEt)2]・DCE 単結晶の光誘起ダイナミクス

34図(a)は、DA 鎖方向に平行な直線偏光（E || chain）での光学密度(OD)スペクトルの温度変化である。低温 I 相で、1.5 eV 付近にイオン化した A 分子の分子内遷移に対応した吸収ピークが現われる。つまりこのピークの出現は、相転移により DA 間に電荷移動が起きた事を意味している。また、別の測定より、これより低エネルギーの 0.8eV を中心とする吸収ピークが観測されており、こちらはDA 分子間の電荷移動遷移に対応すると考えられる。これらの知見をもとに、我々は、フェムト秒レーザーを光源とした時間分解分光測定を行った。実験条件として、試料はクライオスタット中で100K 維持され、DA 分子間の電荷移動遷移を励起し、透過光強度変化の測定を、1.4-2.1 eV の範囲でおこなった。その結果、光励起直後に大きく OD が変化し、その後、約 0.4 ps と 4.6 ps の3

2 つの時定数を持つ緩和過程が存在する事が(a) 100 K分かった。この二つの緩和過程に対応する光

OD

誘起状態のスペクトルを図(b)に丸印で示した。
0.4 ps の時定数で緩和する状態のスペクトル（赤丸）は、NI 相転移の際の差分スペクトル形

2
290 K
E||chain

1

Amplitude

偏光（E⊥chain）での励起直後のスペクトル変化
は、温度変化による NI 相転移のスペクトル変化にほぼ類似している。この事から、光誘起過
渡状態では、DA 分子間の価数変化が起こると

0.1

2
(b)
I

E||chain

1

I

OD

状（実線）と一致していない。一方で、直交する

0.00

共に、別の状態変化も伴うと考えられる。このス
OD (290 K, 100 K)

ペクトル変化は、低エネルギーに向けて吸収が-0.1増大する形をしており、光誘起キャリアのような何らかの動き回れる素励起が導入されたことを示唆しているが、光励起キャリアのものとするには高エネルギーで観測されている事から、その同定を現在模索中である。従来の電荷移動錯体 NI 転移系では観測されなかった応答であり、

1.4

1.6
1.8
2.0
Photon energy (eV)-12.2

図. [Ru2(3,4–Cl2PhCO2)4TCNQ(OEt)2]•DCE の(a):高温相(290 K)および低温相(100 K)における光学密度（OD）スペクトル(Echain)。
(b): Echain で観測した 100 K での光誘起過渡状態
スペクトル（丸印）と、100 K と 290 K の OD スペ
クトルとの差分（実線）

そのメカニズムを解明したい。
本研究は、東北大学宮坂等研究室との共同研究である。
[参考文献][1]

H. Okamoto, Y. Ishige, S. Tanaka, H. Kishida, S. Iwai, and Y. Tokura, Phys. Rev. B 70,
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[3]

W. Kosaka, Y. Takahashi, M. Nishio, K. Narushima, H. Fukunaga, and H. Miyasaka, Adv.
Sci. 1700526 (2017).

35

物質理工学院材料系森研究室 2020 年度研究報告
川本正，倉田浩平，森健彦
物質理工学院材料系
http://www.op.titech.ac.jp/lab/mori

真性モット絶縁体 β-(BEDT-TTF)TaF6 の構造と物性
分子性導体 κ-(BEDT-TTF)2 X (BEDT-TTF: bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene，X:アニオン) は

BEDT-TTF 分子が井桁状に配列した構造をもつ．強いダイマー構造によりダイマーを 1 サイトとみなせ，エネルギーバンドは実効的に 1/2 充填率バンドとなる．ダイマーモデルにおいて，同一サイトのクー
ロン反発エネルギー U とバンド幅 W の比 U/W の値によって基底状態が反強磁性絶縁体ー超伝導ー金属と変化すると考えられている [1]．また，ダイマーは三角格子を形成しており，ダイマー間のトランス
ファー積分は t′ と t の 2 種類になることが多い．トランスファー積分の比 t′ /t が 1 に近いと強くフラストレートした三角格子を実現していると考えられ，なかでも 32 mK まで電子スピンの長距離秩序が観測されないダイマーモット絶縁体 κ-(BEDT-TTF)2 Cu2 (CN)3 が注目されている [2]．
BEDT-TTF 分子と 8 面体アニオン M F6 (M = P, As, Sb) を用いた伝導体では，ドナー分子が捩じれてスタックするモードと分子短軸方向にスライドしてスタックするモードが交互に繰り返されて積層する δ 型構造が知られている [3]．我々は (BEDT-TTF)2 TaF6 には 2 種類の δ 型 (単斜晶系の δm 相と直方晶系の δo 相) が存在し，それぞれ 276 K と 300 K で電荷秩序転移を示してスピン一重項状態になることを明らかにしてきた [4]．また，[TaF6 ]− を用いて得られる結晶の中にダイマーモット絶縁体
κ-(BEDT-TTF)2 TaF6 を発見し，1.6 K まで磁気秩序を示さないことを見出してきた [5]．さらなる新物
質としてダイマー構造をもたない真性モット絶縁体 β-(BEDT-TTF)TaF6 を発見したので，この物質の構造と物性について報告する．
図 1 に β-(BEDT-TTF)TaF6 の結晶構造を示す [6]．ドナー分子・アニオン分子ともに対称心上にあり，結晶学的に独立な分子は 0.5 分子ずつである．室温において，ドナー分子の末端のエチレン基部分にも乱れはない．ドナー分子は c 軸方向にユニフォームスタックしている．ドナーとアニオンの比が 1 : 1
であることから，真の 1/2 充填率バンドをもつ真性モット絶縁体が実現していることがわかる．スタッ

a

(a)
o
tc

(b)

ta

tc

c t

p

b

(
(c)

o

b

c
tq or tr

7.99 Å

図 1: β-(BEDT-TTF)TaF6 の結晶構造．(a) 分子長軸方向からの投影と (b) bc 面投影．(c) スタックしている分子の重なり方．

36

ク方向の分子の重なり方を見ると，分子長軸方向におよそ ∼ 8 Å と大きくスリップしている．分子短軸方向へのスリップはほとんどないため，分子配列は β 型に分類される [7]．伝導シートは ac 面だが，大きなスリップのためシート間方向にも重なりがあることがわかる．
結晶構造解析の結果を用いて，トランスファー積分は tc = 40.5 ta = 39.9 tp = 0.1 tq = −7.0

tr = −0.5 meV と計算される．分子長軸方向の大きなスリップのため，スタック方向のトランスファー
tc とスタック間方向の ta がほぼ同じ値になっている．さらに，対角方向は分子の重心間距離が 12 Å と極めて大きいため，トランスファー tp がほぼゼロという四角格子構造を実現している．バンド計算の結果は図 2(a) に示すように教科書的な四角格子のフェルミ面を示すが，電子相関により図 2(b) のようにバンドが分裂して絶縁体となっているはずである．バンド幅の計算値は W = 0.3 eV と極めて狭く，大きな U/W をもつ真性モット絶縁体が実現していると考えられる．
電気抵抗率の測定は 2 端子法で電圧印加による電流測定にて行なった．290 K でおよそ 5 × 105 Ω cmと大きな値である．温度を低下させると抵抗は上昇し，240 ≤ T ≤ 290 K の温度領域では熱活性化型の振る舞いを示す (図 3)．アレニウスプロットの傾きから電荷ギャップ Eg は 0.55 eV と見積もられる．
X バンドの電子スピン共鳴によるスピン磁化率・線幅・g 値の温度依存性を図 4 に示す．スピン磁化率はキュリー的ではなく低温に向けて緩やかに上昇し，10 K 付近で減少する．線幅は温度を下げると狭くなっていくが，およそ 25 K 以下で発散的な増大に転じる．g 値はほとんど温度によらないが，10 K 付
近で異常が見られる．これらの振る舞いは 10 K 付近で反強磁性相に転移していることを示唆している．

(a)

ka

Energy (eV)

0.4

VB
V’

0.2

EF 0.0

Γ

Z

U

kc

-0.2

charge gap

-0.4
0
2
4
6 Γ
-1
-1
DOS (states eV molecule )

(b) E
X

BV

X

Z

Γ

V’

図 2: (a) バンド計算による状態密度とバンド構造．(b) オンサイトクーロン反発 U により (a) の状態密度の図は 2 つに分裂する．

図 3: 抵抗率の温度依存性のアレニウスプロット．

図 4: ESR スピン磁化率，線幅，g 値の温度依存性．

37

基底状態が反強磁性秩序を有するかを明らかにするために，マイクロカンチレバーを用いた磁気トルクの測定を行なった．図 5(a) に，様々な磁場方位における磁気トルクの磁場依存性を示す．磁場を a 軸近傍に印加するとスピンフロップ転移と考えられる振る舞いが現れている．このピーク構造は磁場と a軸のなす角度 θ が 40◦ 程度まで観測されるが，θ ∼ 50◦ ではスピンが連続的に回転することによるトルク曲線に変化している．また，b∗ c∗ 面内における磁気トルクには，このピーク構造は観測されない．したがって，この物質の基底状態は磁化容易軸が a 軸方向の 1 軸性反強磁性絶縁体である．トルクがピー√クを示す磁場 Hmax の角度依存性はフロップ磁場を Hsf を用いて Hmax (θ) = Hsf / cos(2θ) で振舞うことが知られている [8]．これを用いると，フロップ磁場 µ0 Hsf は 1.6 K で 0.8 T と見積もられる．このピーク構造は温度を上昇させるとピーク高さが減少し 10 K で消失することから，ネール温度 TN はおよ
そ 10 K である (図 5(b))．

β-(BEDT-TTF)TaF6 と構造がよく似た物質として ζ-(BEDT-TTF)PF6 が報告されている [9]．この物質もダイマー構造をもたない真性モット絶縁体である．ドナー分子のカラムにおいて分子短軸方向にもスリップしているので，分子配列は β ′′ 型に分類される [7]．そのため，カラム間方向のトランスファー
はスタック方向より 5 倍ほど大きく，1 次元的な電子構造をもつ．低温ではスピン一重項状態を示すので，基底状態はおそらくスピンーパイエルス状態であると考えられている．この ζ-PF6 塩は偏光反射ス
ペクトルの測定がなされており，その結果からオンサイトクーロン反発 U が 0.82 eV と求められている．
この U と β-TaF6 塩の抵抗の温度依存性から見積もった電荷ギャップ Eg を用いると，U − Eg = W と仮定した場合のバンド幅 W は 0.27 eV となり，バンド計算による見積もりとよく一致する．
本稿では新物質 β-(BEDT-TTF)TaF6 の構造と物性について報告した．この物質はダイマー構造をもたない四角格子型の真性モット絶縁体であり，その基底状態は TN = 10 K の反強磁性絶縁体であることを明らかにした．
θ = 41º(a)θ = 31º400

160 x10

θ = 61º140

200 x10120
θ = 81º0θ = 0º ( H // a)θ = -1ºθ = -2ºθ = -5ºθ = -17ºθ = -49ºθ = -29º

-200
-400

100

τ (arb. unit)θ = 10ºθ = 7ºθ = 4ºθ = 1º200τ (arb. unit)(b)θ = 71ºθ = 19º-600 x10-6θ = 51ºpeak height (arb. unit)

600

80
60
40
20

θ = -39º

T = 1.6 K
ac*-plane

2

4

6

150
100
50
0
0

2

4

6
T (K)

8

10

12

0

-6

0

θ = 10º
4.0 K
6.0 K
8.0 K
9.0 K
9.6 K
9.8 K
9.9 K
10.0 K
11.0 K-680.0

μ0H (T)

0.5

1.0

1.5

2.0

μ0H (T)

図 5: (a) 1.6 K での様々な磁場方位における磁気トルクの磁場依存性．(b) 様々な温度におけるスピン
フロップ近傍の磁気トルクの磁場依存性．磁場は a 軸から c∗ 軸方向に 10◦ 傾けている．内挿図はピーク
高さの温度依存性．

参考文献[1] K. Kanoda, Hyperﬁne Interact. 104, 235 (1997).

38

[2] Y. Shimizu et al., Phys. Rev. Lett. 91, 107001 (2003).
[3] R. Laversanne et al., Solid State Commun. 52, 177 (1984).
[4] T. Kawamoto et al., Magnetochem. 3, 14 (2017).
[5] T. Kawamoto et al., J. Phys. Soc. Jpn. 87, 083703 (2018).
[6] Crystallographic data of β-(BEDT-TTF)TaF6 : chemical formula C10 H8 F6 S8 Ta, triclinic, spacegroup P 1̄, a = 6.5788(12) Å, b = 8.523(2) Å, c = 8.7380(17) Å, α = 77.954(18)◦ , β = 78.596(15)◦ ,γ = 79.877(19)◦ , V = 465.04(17) Å3 , Z = 1, and Dcalc = 2.427 g/cm3 . The ﬁnal R1 value is0.0205 for 2582 reﬂections (F 2 > 2σ(F 2 )), and wR2(F 2 ) is 0.0521 for all 2709 reﬂections.
[7] T. Mori, Bull. Chem. Soc. Jpn. 71, 2509 (1998).
[8] S. Weyeneth et al., Phys. Rev. B 83, 134503 (2011).
[9] H.-L. Liu et al., Chem. Mater. 9, 1865 (1997).

39

物質理工学院応用化学系 大友研究室 2020 年度研究報告
層状岩塩型 LiNiO2 のエピタキシャル成長と電気伝導性
物質理工学院応用化学系 大友研究室
矢島 達也，相馬 拓人，大友 明
http://www.ohtomo.apc.titech.ac.jp/

1. はじめに層状岩塩型構造を有する LiNiO2 は，安価で無害なリチウムイオン二次電池の電極材料として近年研究が盛んである[1, 2]．電子物性の面では s = 1/2 の二次元三角格子系のため極低温までフラストレーションが残り常磁性体となることが知られている[3]．多結晶でのみ報告されている電気伝導性は絶縁体的である．Li が脱離した Li1−xNiO2 では Ni4+の高原子価が生じていると考えられるが，詳しい物性は明らかにされていない．LiNiO2 は，固溶体 Li1−xNi1+xO2 (−1/3 ≤ x ≤ 1)の x = 0 に相当し（Fig. 1），Li が欠損した
り Ni の高原子価状態が不安定になったりすると容易に岩塩型構造に変態する．このことは，単結晶の作製を困難する大きな要因であり，これまで電気伝導性がほとんど研究されてこなかった理由の一つでもある．もし LiNiO2 のエピタキシャル薄膜を作製することができれば，当研究室がこれまで報告してきた様々な薄膜材料（Li1+xTi2O4，Li1+xV2O4，Li1−xNbO2，
LixWO3，LixMoO3）に対する（電気）化学的なイオン脱挿入によるフィリング制御が適用可能となり，ひいては元来の電気伝導性を調べることにつながると期待される．この観点では，最近注目されている層状酸化物の一つである Nd0.8Sr0.2NiO2[4]や NaxCoO2•1.3H2O[5]におけるエキゾチック超伝導との関連性を調べることは興味深い．つまり，層状岩塩型 LiNiO2 やその類縁体

Fig. 1 固溶体 Li1−xNi1+xO2 の組成と面間隔の関係[6–8]．

Li1−xNiO2 において特異的な電気伝導現象が生じる可能性を検討することは意義がある．
本研究では，層状岩塩型 LiNiO2 のエピタキシャル薄膜の合成法を確立し，本質的な電気伝導性を調べることを目的とした．

2. 層状岩塩型 LiNiO2 のエピタキシャル成長
まず，パルスレーザ堆積法を用いて Li-Ni-O 薄膜の合成法を検討した．一般にパルスレーザ堆積法では原料の組成が維持されたまま薄膜の気相成長が進行すると言われているが，本研究で扱う Li 含有酸化物の場合は，気相成長中に原子量が小さい Li が他の気相成分によって散乱されたり，基板表面から揮発したりするため，薄膜にとり込まれる Li 量は減少する．定比組成の LiNiO2 を原料（レーザを照射して昇華するため，ターゲットとよばれる）に用いて合成した薄膜の対称面 X 線回折プロファイルを Fig. 2に示す．LiNiO2 003 反射に相当する回折ピークが見られないことと薄膜由来の回折ピークのバルク値からのずれから，Fig. 1 における Li/Ni ~ 0.2 に相当する cubic 相の薄膜が得られたことが分かった．同じく
層状岩塩型構造を有する LiCoO2 では，定比組成のターゲットを用いてエピタキシャル薄膜が得られる
ことが知られている[9]．今回の結果は LiCoO2 とは大きく異なり，Li が著しく欠損したことを示唆している．このことは，これまで LiNiO2 のエピタキシャル薄膜が得られなかった要因の一つと考えられる．

40

造ではなくスピネル型構造の薄膜が得られた．このことから，定比組成のターゲットを用いた合成は不可能であると結論した．

40

105

LiNiO2 target
c-sap. sub.*

104

102

ながら，真空下非加熱での薄膜合成でも Li/Ni = 1.5 のターゲット

100
10

*

T = 700 °C
1 hour, in air

103

101

LiNiO2 006

106

LiNiO2 003

107

り薄膜にとり込まれる Li 量は減少しないと考えられる．しかし組成まで cubic 相となることが報告されている [10]．Li/Ni = 2.52030
2 (deg.)

108

Intensity (arb. unit)

できなかった．一方で，真空下非加熱での薄膜合成では前述の通101

面 X 線回折プロファイル．

この合成法を用いて層状岩塩型構造を有する LiNiO2 のエピタキ
まず①の条件のみで直接合成した場合は cubic 相の生成を抑制

102

Fig. 2 定比組成原料を用いた場合の対称要素からなる 2 段階合成法を新たに開発した．以下で述べる通り，
シャル成長に初めて成功した．

LiNiO2 target
MgAl2O4 (111) sub.*Tg = 600 °C
PO2 = 30 mTorr

103*

囲気下非加熱での前駆体薄膜合成，④ポストアニール，の 4 つの

104

100
10

そこで種々の検討により，①Li 過剰（Li/Ni = 2.5）原料ターゲ
ット，②格子不整合の「大きい」c 面サファイア基板，③酸素雰

105

LiNiO2 006*

Intensity (arb. unit)

格子不整合の小さい MgAl2O4 (111)基板を用いても層状岩塩型構

LiNiO2 003*

106

また，この薄膜をポストアニールすると不均化反応が進行した．

Tg = RTPO2 = 0.1 Torr

2030
2 (deg.)40

Fig. 3 Li 過剰原料を用いて二段階合成したでも試したところ，
文献と同様に cubic 相となることがわかった． 場合の対称面 X 線回折プロファイル．前駆そこで③の条件を適用したところ，前駆体合成時に酸素を導入す

体（下），ポストアニール後（上）．

ることで cubic 相の生成が抑制されることがわかった．その結果，非晶質の薄膜を得ることに成功した（Fig. 3 下部）．そこで④の条件を適用してこの薄膜を大気下 700 °C で１時間アニールすると，trigonal
相の層状岩塩型構造を有する LiNiO2 に結晶化した（Fig. 3 上部）．LiNiO2 003 と 006 反射の積分強度比I003/I006 は，層状岩塩型構造の秩序度と関係していることが知られている．Li と Ni のアンチサイト欠陥が少ない高品質な試料では I003/I006 が大きくなる．得られた薄膜の I003/I006 は 2.6 であり，単結晶における 6.8 には及ばなかった [11]．結晶化度の向上に向けてさらなる条件の検討が必要である．その一つが層状岩塩型構造を有する LiNiO2 との格子不整合の小さい MgAl2O4 (111)基板を用いることだが，興味深いことに②の条件のように格子不整合の大きい基板を敢えて選択した方が良い結果が得られた．

Fig. 4 (a)層状岩塩型 LiNiO2 エピタキシャル薄膜の電気抵抗率の温度依存性(○)および多結晶での報告値[12–14]．(b)熱活性化型伝導機構によるフィッティング．

3. 層状岩塩型 LiNiO2 エピタキシャル薄膜の電気抵抗率の温度依存性
合成した層状岩塩型構造を有するLiNiO2エピタキシャル薄膜の電気抵抗率を，物理特性測定システム（PPMS）を用いて測定した．結果をFig. 4に示す．多結晶に対して報告されている温度依存性は，絶縁41

体的なふるまいを示している[12–14]．熱活性型の電気伝導機構を仮定して，
𝐸𝜎 = 𝜎0 exp (− 𝑘𝑇𝑎 )をもちいてフィッティングしたところ，活性化エネルギーは0.21 eVと求まり，多結晶での値とほぼ一致した[13]．一方で低温側では線形から逸脱していることがわかった．多結晶のゼーベック係数の温度依
存性は，300 Kを境に低温側で急峻に立ち上がることが報告されており[13]，モット・ハバード型の電子状態を反映したキャリアの局在化が示唆されている．このことが層状岩塩型LiNiO2の本質な伝導機構であるか検証するためには，より秩序度が高い試料の合成が必要不可欠であると考えている．

4. まとめと今後の展望①Li過剰原料，②格子不整合の大きな基板，③酸素雰囲気下非加熱前駆体合成，④ポストアニール，という4要素を持つ合成手法を用いることで，層状岩塩型LiNiO2のエピタキシャル薄膜の合成に成功した．電気伝導性は絶縁体的であり，多結晶の報告値と一致した．
今後はさらにアニール条件を精密化し，より高品質なエピタキシャル薄膜を合成するとともに，本質的な伝導性を明らかにしたい．また，Liイオンの脱挿入による物性制御を検討する予定である．さらなる展開として，スピネル型LiNi2O4エピタキシャル薄膜の合成が考えられる．バルク合成ではLiを脱離させた層状岩塩型Li0.5NiO2を熱処理することで得られるが[15]，電気化学的反応性を除く物性がほとんど
明らかになっておらず，3次元系のフラストレーションや混合原子価に由来する現象に興味が持たれる．
すでにスピネル型MgAl2O4基板上にエピタキシャル成長できる結果が得られているので，今後の課題として取り組む予定である．

参考文献
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42

浅田研究室 2020 年度研究報告
未来産業技術研究所 浅田研究室
http://www.pe.titech.ac.jp/AsadaLab/

構造を簡略化した共鳴トンネルダイオードテラヘルツ発振器とメタマテリアルとの融合
１．背景・目的
電波と光の境界領域であるテラヘルツ(THz)周波数帯は分光分析・イメージング・超高速無線通信などさまざ
まな応用が提案されており、今後の発展が大きく期待される分野である[1]。コンパクトなコヒーレント光源は、
これらの THz 応用のキーコンポーネントで、電子デバイスと光デバイスの両方から光源の研究が行われている。
光デバイスでは量子カスケードレーザ[2]-[4]が、また、電子デバイスでは HBT、HEMT、Si-CMOS などのトラン
ジスタが盛んに研究され、動作周波数が伸びている[5], [6]。共鳴トンネルダイオード(RTD)も室温 THz 光源の候
補のひとつであり[7]-[15]、他の電子デバイスと比べて更に高い周波数動作が可能である。我々は、低損失共振器を用いることで、2 THz に迫る基本波発振を達成し、また、1 THz 帯で 0.7 mW の高出力動作を 89 個の発振器を並べ同時動作させることで達成している。
しかしながら、従来の RTD 発振器では、発振回路と直流バイアス回路を分離するための MIM(metal-insulatormetal)キャパシタが必要であり、作製プロセスが複雑かつ長時間かかる問題があった。そのため、我々は MIM キ
ャパシタを取り除いた RTD 発振器を新たに提案し、構造および製作プロセスの簡素化に成功した。ただ、共振器の損失が大きく 1 THz を超える発振は困難であったため、メタマテリアルを構成するメタ原子である低損失
なスプリットリング共振器（SRR）を用いた新たな RTD 発振器の提案および理論検討を行い、1 THz を超える発振が可能なことを明らかにすると共に、設計に基づいてデバイスを作製し 1.22 THz の発振を得たので報告する。
２．RTDテラヘルツ発振器の構造簡略化
図 1 左に構造簡略化した RTD 発振器の構造を示す。スロットアンテナの中央に RTD が集積され、スロットの両端には安定化抵抗があり低周波での寄生発振を抑圧すると共に、アンテナを形成している。図 1 右に等価回路を示す。この安定化抵抗 Rsup はスロットのインダクタンス Lslot と直列に接続されており、高周波では Lslot のインピーダンスが高くなるため、Rsup での損失は小さくなる。そのため、RTD の持つ微分負性コンダクタンス-Grtd により、損失を打ち消すことが可能となり、テラヘルツの発振が得られる。発振周波数は Lslot と RTD のキャパシ
タンス Crtd の並列共振周波数となる。スロットアンテナからの放射は Grad と表され、この消費電力が放射出力となる。
作製プロセスを以下に述べる。まず、RTD 層がエピ成長された SI-InP 基板上に PMGI/ZEP の 2 層レジストを塗布し、電子線描画装置によるパターニング、Ti/Pd/Au の蒸着、およびリフトオフによって RTD およびアンテ
ナ電極を形成する（図 2 左①）。次に、再度 PMGI/ZEP の塗布および露光を行い（図 2 左②）、反応性イオンエッ
チングによって安定化抵抗を形成する（図 2 左③）。最後に、ウェットエッチングにより RTD メサおよびエアブ
リッジを形成する（図 2 左④）。MIM のあった以前の構造ではプロセスにおけるパターニングの露光が６回であったのが、この構造のプロセスでは２回に大幅に削減された。作製したデバイスの光学顕微鏡写真を図 2 右に示43

す。パターンのズレなど無く綺麗にデバイスが形成できていることが分かる。
作製したデバイスについて、液体ヘリウム冷却ボロメータとフーリエ赤外分光装置を用いて発振周波数を測定した。RTD 面積を縮小することで周波数は向上し、最大で 956 GHz の発振が得られた。また、実験で得られた周波数と、等価回路モデルから算出した周波数は良い一致を示した。

図 1 構造を簡略化した RTD テラヘルツ発振器の構造と等価回路

図 2 デバイス作製プロセスと作製した発振器の光学顕微鏡写真

３． スプリットリング共振器集積発振器
前節で示したように、簡易構造で大幅なプロセスの簡単化が出来たが、共振器の損失が大きく得られる最大の発振周波数は 1 THz 未満である。そのため、メタマテリアルを構成するメタ原子である低損失な SRR を集積した新たな発振器を提案し、同様のプロセスでデバイス作製を行った。図 3(a)に作製した RTD 発振器の光学顕微鏡像を示す。SRR の中央に RTD が集積され、SRR の外側には放射ためのコプレーナストリップ線路アンテナが形成されている。SRR 両端には安定化抵抗があり低周波での寄生発振を抑圧している。図 3(b)に作製した RTD
発振器の SEM 写真を示す。RTD の上部電極をつなぐエアブリッジが綺麗に形成されていることが分かる。
デバイスは SRR 設計を固定し RTD 面積を変えたものを作製した。図 4 に発振周波数の RTD メサ面積依存性を示す。面積を縮小すると容量が小さくなり周波数が向上し、周波数限界は 1.22 THz まで到達することが分かった。1.22 THz の発振スペクトルも図 4 右に示す。コプレーナストリップ線路アンテナの負荷と整合する 0.9 THz
において発振出力がピークとなり、そこでは約 30 μW の出力が得られた。実験結果は理論計算と良く一致して

44

図 3 (a)SRR 集積発振器の光学顕微鏡写真と(b)SEM 写真

図 4 発振周波数の RTD メサ面積依存性いる。今後、SRR 構造に対する依存性や変調特性などを明らかにし、無線通信などのテラヘルツ応用を実施す
る予定である。また、本構造は、平面アレイに容易に拡張が可能であり、アクティブなメタマテリアルとしての発展が期待できる。
参考文献[1] M. Tonouchi, Nat. Photonics, 1, 97, 2007.
[2] R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfeld, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F.
Rossi, Nature, 417, 156, 2002.
[3] B. S. Williams, Nat. Photonics, 1, 517, 2007.
[4] L. Bosco, M. Franckié, G. Scalari, M. Beck, and A. Wacker, J. Faist, Appl. Phys. Lett., 115, 010601, 2019.
[5] L. A. Samoska, IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol., 1, 9, 2011.
[6] U. R. Pfeiffer, Y. Zhao, J. Grzyb, R. Al Hadi, N. Sarmah, W. Förster, H. Rücker, B. Heinemann, ISSCC Dig. Tech.
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58, 20, 1991.
[8] M. Reddy, S. C. Martin, A. C. Molnar, R. E. Muller, R. P. Smith, P. H. Siegel, M. J. Mondry, M. J. W. Rodwell,
H. Kroemer, and S. J. Allen, IEEE Electron Device Lett., 18, 218, 1997.
[9] S. Suzuki, M. Asada, A. Teranishi, H. Sugiyama, and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett., 97, 242102, 2010.
[10] M. Feiginov, C. Sydlo, O. Cojocari, and P. Meissner, Appl. Phys. Lett., 99, 233506, 2011.
[11] Y. Koyama, R. Sekiguchi, and T. Ouchi, Appl. Phys. Express, 6, 064102, 2013.
[12] T. Maekawa, H. Kanaya, S. Suzuki, and M. Asada, Appl. Phys. Express, 9, 024101, 2016.

45

[13] R. Izumi, S. Suzuki, and M. Asada, Int. Conf. Infrared, Millimeter, and THz Waves, MA3.1, Cancun, Mexico,
Aug. 2017.
[14] S. Suzuki, M. Shiraishi, H. Shibayama, and M. Asada, IEEE J. Selected Topics Quantum Electron., 19, 8500108,
2013.
[15] K. Kasagi, S. Suzuki, and M. Asada, J. Appl. Phys. 125, 151601, 2019.
[16] T. Van Mai, Y. Suzuki, X. Yu, S. Suzuki, and M. Asada, J. Infrared Milli. Terahz. Waves, 41, 1498, 2020.

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工学院電気電子系小寺研究室
2020 年度研究報告書
電気電子系

小寺哲夫

http://www.quantum.ee.e.titech.ac.jp【背景・目的】近年、量子力学的な特性を利用して、超並列演算を行う量子コンピュータが大きな注目を集めている。量子コンピュータを実現するためには、量子的な重ね合わせや量子もつれといった量子論特有の現象を積極的に情報処理に利用する必要がある。量子情報処理を担う量
子ビットの候補として様々な物理系が研究の対象となっているが、その中でも半導体量子ドット中の電荷スピンは、比較的長いコヒーレンス時間を持つ(~10 μs)、物理的に小さい(~100 nm)、高速な量子ビット操作が可能である(~10 MHz)、といった利点から有望な系とされ研究が盛んに行われている。
本研究室では、核スピンが少なく長いコヒーレンス時間が期待される IV 族半導体を用いた量子ドットデバイスを作製し、スピン量子ビット実現に向けた基盤技術の開発や物理の解明に取り組んでいる。IV 族半導体の内、シリコンを用いた量子ドットでは、silicon-oninsulator(SOI)基板上をエッチングすることで、電荷センサ、サイドゲートを集積した物理形
成シリコン量子ドットと呼ばれる構造を作製し、研究を行っている。物理形成量子ドットは、他の量子ドット構造に比べ、ゲート数を削減でき、将来的な量子ビットの大規模集積化に有利であると考えられている。また、キャリアの閉じ込めが強く、比較的高温で動作することができるという利点がある。また、ゲルマニウムを用いた量子ドットについてもデバイスの作製・測定を進めている。この構造では、Ge/SiGe ヘテロ構造基板上に絶縁膜を挟んで微小ゲートを堆積し、量子井戸中のポテンシャルを制御することで、量子ドットを形成する。こちらの基板では、正孔の有効質量が小さく、また、大きなスピン軌道相互作用による高速なスピン操作が可能になる。本年度は、スピン操作に向けてシリコン物理形成量子ドット中の正孔スピン共鳴、ゲルマニウム量子ドットデバイスの開発を行った。加えて、スピン読み出
しに向けて、センサと量子ドットの物理的な結合によって感度を向上させたデバイスの作
製、RF 反射測定における多重化技術の開発、オペアンプを使用した極低温 IV アンプの開発を行った。

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【物理的に形成された p 型シリコン二重量子ドットにおける正孔スピン共鳴】
東工大 1、産総研 2 田所 雅大 1、鈴木 優作 1、西山 伸平 1,2、加藤 公彦 2、
柳 永勛 2、村上 重則 2、森 貴洋 2、溝口 来成 1、米田 淳 1、小寺 哲夫 1
p 型シリコン量子ドットは強いスピン軌道相互作用(SOC)を持つため、交流電場のみでのスピン操作が実現されてきた [1]。本研究では物理的に形成された p 型シリコン二重量子ドット（DQD, Fig. 1）を作製し、それを用いてスピン共鳴を行った。測定では、まず、パウ
リスピンブロッケード（PSB）領域を観測し、その領域においてデバイス上部に作製されたトップゲート（TG）からマイクロ波(MW)を印加した。PSB 領域ではドット内のスピン状態によって選択的に正孔の輸送が抑制されている。また、MW は SOC を介すことで正孔にとっては有効交流磁場として作用する。外部磁場に比例する正孔スピンのゼーマンエネル
ギーに対応する周波数の交流電場が印加されたとき、Fig. 2 に示すように電流ピークが観測された。これは、有効交流磁場によるスピン共鳴で正孔スピンが回転し、PSB の漏れ電流が生じたためである。電流ピークは 3 つ見られ、これらは二重量子ドット中の正孔のエネ
ルギー準位差に対応していると考えられる。このスピン共鳴を利用した任意のスピン操作
により、大規模集積化に有利である物理的に形成された p 型シリコン量子ドット中のスピ
ン量子ビットの実現が期待される。
[1] R. Maurand, et al. Nat. Commun. 7, 13575 (2016).

Fig. 1 Scanning electron micrograph of thedevice and measurement circuit. To apply
a MW signal and DC offset voltage at thesame time, we added a bias tee with 𝑅 =1 kΩ and 𝐶 = 4.7 μF. The measurement
temperature is 300 mK. The black arrowshows the direction of external magnetic
field, 𝐵ext.

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Fig. 2 𝐼DQD measured as a function of
MW frequency and 𝐵ext . The output
MW power is -10 dBm and attenuatedin the AC line. We have subtracted thebackground current (estimated fromthe frequency dependence observed at
𝐵ext = 100 mT and the magnetic fielddependence at 𝑓 = 5 GHz)【ゲルマニウム量子ドットの正孔輸送特性】
東工大

松岡 竜太郎、溝口 来成、小寺 哲夫

ゲルマニウムの重い正孔は有効質量が小さいため顕著な量子効果を示すだけでなく[1]、強いスピン軌道相互作用による高速動作が可能であり[2]、その将来性が期待されている。
また、その強いスピン軌道相互作用によって交流磁場なしでのスピン操作が可能であり[2]、追加構造が不要で簡素な構造をとることができる。本研究では、ゲルマニウム量子ドットを作製し、ゲート電圧を変化させることでその正孔輸送特性を調べた。
Fig. 3 に本研究で作製した量子ドットの SEM 画像を示す。各ゲートは電子線リソグラフ
ィーの後、Ti/Au を電子線蒸着させることで作製した。この構造では、量子ドット直上に設置されたゲート(SGL, SGM, SGR)が他のゲートから分離しており、将来集積化に有利なゲート電極を利用したスピン読み出しへの利用が期待される。4.2 K の極低温下において、各ゲートに電圧を加え、ソース-ドレイン間を流れる電流値 Isd を測定した(Fig. 4)。測定の結果、クーロンダイヤモンドと呼ばれる電流が抑制される現象が観測された。これはデバイス内で電荷が 0 次元に閉じ込められ、量子ドットが生じている状態を示している。また、チャージングエネルギーは約 4.0 meV と求められ、形成された量子ドットの直径は約 70 nm とわかった。これは SEM 像から得られたデバイス構造を矛盾しない値となっている。この結果は、量子ドット直上のゲートが分離した構造でも量子ドットが作製できることを実証し、より複雑なデバイス構造の作製にも応用が可能であることを示唆している。
[1] M. Lodari, et al., Phys. Rev. B 100, 041304 (2019).
[2] H. Watzinger, et al. Nat Commun. 9, 3902 (2018).

Fig. 3. Scanning electron micrograph ofgermanium quantum dots.
Formedquantum dot is highlighted by the redcircle. The yellow gates control thepotential of the quantum dots, and the blue
gates control the coupling strengths
between quantum dots and between dot
and lead. The green top gates induce
carriers in quantum well under the gates.

49

Fig. 4. Coulomb diamond measurement
result. The current ISD flowing throughthe device was measured when thevoltage VSD, VSGL, VSGM, and VSGR were
swept. The rhombus-shaped current
suppression region in the orange line
can be seen.

【物理的に結合した電荷センサを持つ物理形成シリコン量子ドットの特性評価】
東工大 1，産総研 2 溝口 来成 1, 西山 伸平 1, 2, 加藤 公彦 2,
柳 永勛 2, 森 貴洋 2, 小寺 哲夫 1
物理形成量子ドットを用いたスピン量子ビットの読み出しに向けた先行研究では、電荷センサを用いて単発のトンネリングを捉えることに成功している[1]。しかしながら、高速な量子ビットの測定のためにはより高感度なセンサが必要となる。
本研究では、電荷センサ(CS)とターゲットとなる QD を物理的に結合したデバイスを作製し(Fig. 5)[2]、その特性を 4.2 K で評価した。物理的な結合により CS-QD 間の距離の縮小が可能になることで、静電結合が強まり、CS の感度向上が期待される。測定では 4.2K において、QD と CS の電流(𝐼QD と𝐼CS )に加えて、LC 共振回路を結合した CS の反射率の変化のトップゲート電圧(𝑉TG )依存性を調べた。𝑉TG が小さいうちは QD に電流が流れず、ピー
ク状の𝐼CS とそれに対応した反射率の小さな変化が観測されている。より𝑉TG が大きくなり
QD にも電流が流れるようになると、それに応じて𝐼CS の電流に大きな変化が現れ(Fig. 6(b)青い矢印)、また、反射率も𝐼QD に対応して大きく変化している。これらの変化は QD と CSのトンネル結合によるものと考えられる。今後はこのような構造を用いて高感度な電荷センシングを行う。
[1] 溝口ほか、第 67 回応用物理学会秋季学術講演会、13a-A305-3、2020 年.
[2] A. Morello, et al. Nature 467, 687 (2010).

Fig. 5 Scanning electron micrographwith LC tank circuit for RF
reflectometry. Current can flow
through two paths (𝐼QD and 𝐼CS ). The
left reservoir of the target quantum
dot is open.

Fig. 6 QD current, 𝐼QD (a), CS
current, 𝐼𝐶𝑆 (b), and amplitude
of reflected RF signal (c) as afunction of top gate voltage, 𝑉TG
at 4.2 K. 𝑉DSCS =1 mV, 𝑓RF =276.12 MHz50

【反射係数の複素平面状における RF 反射測定の多重化】
東工大

武田 裕貴、平山 勝登、田所 雅大、溝口 来成、小寺 哲夫

高速なスピン量子ビットの読み出しには RF 反射測定が用いられている[1]。シンプルな発想では、複数の量子ドットの読み出しのため、RF 反射測定を行う際にはインピーダンス整合された配線が各ドットに対して必要となるが、集積化された量子ドットの数と同数の配線を室温から極低温下に接続することは熱流入等の観点から望ましくない。そこで、単一の同軸線から複数ドットの情報を読み出す技術として、それぞれ異なる共振周波数を持つ
複数の共振回路を用いた周波数多重化及び MOSFET を用いたスイッチングによる切り替
えなどが提案されている[2]。しかし後者の技術においては各量子ドットの情報を時間で分けて読み出しを行うため、集積化を行った数に比例して読み出しにかかる時間が増加してしまうことが考えられる。
本研究では複数量子ドットからの情報を同時に読み出せる方式として、反射係数の複素平面状での多重化の検討を行った。この方式は PSK(位相偏移変調)のように複数の信号に対して二次元平面状での位相自由度をもとに多重化を行うことを目的としている。まず信号多重化を行うための回路を Fig. 7 に示す。この回路においてそれぞれのドットの抵抗𝑅𝑑𝑖
に対する反射率Γを考えたとき、同じだけ𝑅𝑑1 , 𝑅𝑑2 が変化しても、それらに対応して異なる位相変化が起き、同時に信号を読み出すことができると考えられる。実際に二つの量子ドットに対し、片方に 1 kΩ の抵抗を挿入した場合の結果を Fig. 8 に示す。この結果から抵抗の挿入による反射係数の変化率の位相変化が実現可能であると考えられる。
今後の展望として、多重化された各信号強度改善に向けた回路の最適化、およびデバイスの改善を行い、実際に多重化された信号による同時情報読み出しの実現が期待される。
[1] R. J. Schoelkopf et al. Science 280, 1238 (1998)

Quadrature (a.u.)[2] S. Schaal, et al., Nature Electronics 2, 236 (2019)In-phase (a.u.)
Fig. 7 schematic of circuit for
multiplexing. 𝑍𝑠1(2) is additional
impedance for multiplexing. Blueframe indicated equivalent circuitof quantum dot. Green frame
indicates the admittance of theload circuit except for inductanceL.

Fig. 8 complex plane of reflection
coefficient from the circuit in Fig. 7.
Conductance changes by gate voltage
for dot1 and dot2 are shown (blue andred dots, respectively). The directionsof changes for the dots are different
from each other, which induced the
additional impedances.

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【極低温下におけるオペアンプを用いた量子ドット中の電荷状態測定】
東工大

菊地 航行、高橋 洋貴、溝口 来成、米田 淳、小寺 哲夫

量子ドットデバイスでは、DC 信号による量子ビットの読み出しの場合、100 pA オー
ダーの電流信号を読み取る必要がある。このような微小信号の読み出しにはアンプを用いて増幅することが実用上不可欠である。先行研究では、雑音や測定帯域の問題を解決するため、アンプを極低温下に配置することも行われてきた。本研究では市販のオペアンプ利用した IV アンプを極低温下を設置し、デバイスの電流測定を行った。
今回の測定では、オペアンプにルネサスエレクトロニクス社の ICL7611 を用いた IV
アンプを作製し、量子ドットの特性を調べた。このオペアンプは先行研究で、大きな電源電圧を必要とするものの、低温での動作が確認されている[1]。本研究では、このICL7611 を用いて、プリント基板上に抵抗を挿入した負帰還回路を作製し、極低温で IV
アンプとして利用し（Fig. 9（右側））、量子ドットデバイスの𝐼d − 𝑉g 測定を行った。その量子ドットデバイスには当研究室で作製及び動作の確認を行った P 型の単一量子ドット
デバイスを使用した（Fig. 9（左側））。結果として Fig. 10 に示すように、量子ドットの電流値に対応した IV アンプの出力に成功した。この時、IV アンプの増幅率は2.95 V/nAであった。今後は、量子ビットの読み出しに向け、ノイズの低減について評価を行っていく。
[1] J.T. Hastings, and K‐W. Ng., Rev. Sci. Instrum. 66, 3691 (1995)

Fig. 9 Quantum dot connected to IV amplifier.
(a)

(b)

Fig. 10 (a) Current through quantum dot and (b) output voltage fromthe IV amplifier as a function of top gate voltage of the quantum dot.

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理学院物理学系 藤澤研究室 令和２年研究報告
理学院物理学系, 極低温研究支援センター 藤澤 利正
http://fujisawa.phys.titech.ac.jp/
藤澤研究室では、半導体ナノ構造を用いた低次元電子系の物性研究をおこなっている。特に、人工的に設計されたポテンシャル中の電子のダイナミクスを主な研究テーマとしており、新しい量子電子輸送現象を明らかにするとともに、ナノエレクトロニクス・量子情報技術・プラズモニクス・スピントロニクス・熱輸送技術への発展を目
指し、下記のサブテーマのもとに研究を進めている。

量子ホール効果エッジチャネルの非平衡輸送現象に関する研究
二次元電子に強磁場を印加すると、試料の端を沿って電子が流れる伝導モード（エッジチャネル）が形成される。その電荷密度波であるエッジマグネトプラズモンは量子ホール状態の低エネルギー励起であり、散乱がなく、一方向性を有することから興味深い現象が現れる。このカイラル一次元系は、朝永ラッティンジャー流体モデルを実現しうる系としても注目されており、相互作用に起因した特異な非平衡状態や時間応答に注目して研究を進めている。さらに、分数量子ホール領域における分数電荷励起に関する研究を行っている。これらの実験は、時間応答測定、周波数応答測定、自己相関・相互相関の電流雑音測定など、研究室独自の手法によって行っている。

量子ドットの電子状態とフォノンとの相互作用に関する研究
半導体表面の櫛形電極に高周波を印加することにより、コヒーレントで単色な表面弾性波フォノン（音響格子振動モード）を発生することができる。このコヒーレントフォノンをナノ構造の電子系（二重量子ドットなど）に照射することにより、共鳴フォノン支援トンネル現象などの電子格子相互作用に起因した輸送現象を研究している。
金属周期構造の設計によりフォノン共振器構造を作製し、共振器中での電子格子相互作用や、フォノンと電子系のエネルギー変換、電子系のデコヒーレンスの低減など、新たな電子状態制御方法の開拓を目指している。
これらの研究は、ＮＴＴ物性基礎研究所・量子固体物性研究グループ、特に村木康二グループリーダー、
橋坂昌幸氏、秋保貴史氏などとの共同研究により行っている。また、科研費基盤研究(S) (19H05603)、萌芽研究(17K18751)、新学術領域（計画研究）(15H05854)、東工大極低温研究支援センター、東工大ナノテクノロジープ
ラットフォーム、の支援を受けておこなっている。
今年度の研究活動状況は下記のとおりである。

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1. 整数/分数量子ホールY接合における電荷波束の分数化現象
東工大理 A, NTT 物性基礎研 B
Chaojing LinA、橋坂昌幸 B、秋保貴史 B、村木康二 B、○藤澤利正 A
占有率 2/3 の分数量子ホール系では、整数(∆ν = 1)チャネルと分数(∆ν = 1/3)チャネルが結合した複合エッジチャネル(∆ν = 2/3)が形成され、チャネル間の相互作用と電子散乱によって電荷モードと中性モードが生じる。この複合チャネルが孤立した整数(1)・分数(1/3)チャネルに分岐する量子ホール Y 接合において、電荷波束の分数化が生じることを報告した[1]。この電荷分数化
率が 1/3 の量子化値を示す点を中心に調べ、モデルとの対応を議論する。
図(a)のように、バルク占有率νB = 2/3 の分数量子ホール系に、ゲート電圧 Vg の印加によって占有率νG = 1 の整数量子ホール領域を形成すると、独立した整数チャネル(1)と分数チャネル(1/3)
および結合した複合チャネル(2/3)との間に Y 接合(YC, YN)が形成される。ゲート電極 GI に電圧ス
テップを印加することで電荷波束を生成し、Y 接合を通過した後の電荷波束の波形を、ゲート電極
GD にパルス電圧を印加することで電流 ID として検出した結果が図(b)である。νG = 0 における参照
実験では、波形(i)のように電荷量 qt の単一の波束が観測される。νG = 1 で得られる波形(ii)では、２つの波束に分数化する様子がみられ、整数エッジ(1)を伝搬する電荷 q の波束が、接合 YC において
電荷 2q/3（最初の波束）と q/3（分数エッジ(1/3)−整数エッジ(1)を周回し、再分数化で2番目の波束
2q/9 となる）に分数化している。これらの波束の電荷量（パルス面積）qf1 と qf2 はそれぞれ 2qt/3 と 2qt/9にほぼ一致し、r = qf1/qf2 で定義される分数化係数は r = 0.34±0.03 とほぼ量子化値 1/3 に近い。この量子化された分数化率は、図(c)の丸印のように様々な条件で再現する。これらの結果は、チャネル間の相互作用と電子散乱を考慮したモデルとよく適合する[2,3]。また、通常、チャネル間散乱が無視できる整数量子ホール系での分数化率は量子化値をとらないが、チャネル間散乱が顕著な試料では図(c)の四角印のように量子化値(r = 1/2)を示すことも確認した。
本研究は、科研費(JP15H05854, JP19H05603)、
東工大ナノプラットフォームの支援を受けた。
[1] C. J. Lin 他, 2020 年春物理学会 17aA43-6 (2020).
[2] C. L. Kane et al., Phys. Rev. Lett. 72, 4129 (1994).
[3] C. J. Lin et al., Nature Commun. 12, 131 (2021).

54

2. 量子ポイント接合を用いた量子ホールエッジチャネルの熱輸送制御
東工大理 A、NTT 物性基礎研 B
小沼亮太 A, Chaojing LinA, 秦徳郎 A, 平澤太一 A, 秋保貴史 B, 村木康二 B, 藤澤利正 A
量子ホールエッジで見られるカイラルな 1 次元伝導チャネルは、普遍的な熱伝導度を示し[1]、並走するチャネル間での熱輸送[2]を示すことから、熱電機関や熱輸送回路などへの応用が期待される。本研究では、量子ホールエッジチャネルの熱輸送を量子ポイント接合によって制御できることを示す。実験は、熱源用量子ポイント接合でチャネルの電子系を加熱し、熱輸送制御用量子ポイント接合を通過したあとのチャネルの熱流を量子ドットによるエネルギー分光測定で評価した。
図１のように、AlGaAs/GaAs ヘテロ接合二次元電子系に磁場 B (= 1.9 T)を印加して、占有率ν
= 4 の量子ホール状態を用いた熱輸送回路を形成した。熱源用量子ポイント接合(QPC1)にバイア
ス電圧 VS (= 0.3 mV)を印加すると、チャネルに電流と熱流が注入される。チャネル間の相互作用によって、係数ηij で決まる割合でチャネル i からチャネル j への熱輸送がおこる。各チャネルの熱流は、熱輸送制御用量子ポイント接合(QPC2)によって制御される。その後におこるチャネル間熱輸送を経た終状態について、チャネル 1 のエネルギー分布関数を量子ドット QD により評価した。
得られた電子系のエネルギースペクトルはフェルミ分布関数に近いことから、フェルミ分布関数で評価される温度 T を用いて熱流 J = (π2/6h)kB2T 2 を求めた。図 2 は、QPC2 のコンダクタンス G と熱流 J を示しており、ゲート電圧 VP2 によって、G には 4 段、J には 2 段の階段状変化が見られる。
これらは、チャネル 1 と 2 の間の結合が支配的であるとともに、QPC によって熱輸送を制御できることを示している点で興味深い。この系での熱流 J を定量的に評価することによって、チャネル間の相互作用の理解を深めるとともに、熱輸送回路などへ発展が見込まれる。
本研究は科研費(JP15H05854, JP19H05603)、東工大ナノプラットフォームの支援を受けた。

[1] S. Jezouin et al., Science 342, 601 (2013).
[2] K. Itoh et al., Phys. Rev. Lett. 120, 197701 (2018).

図 1 熱輸送回路の概念図。QPC1 で発生した熱は、チャネル間熱輸送(ηij)、QPC2 による熱輸送制御を経て、量子ドット(QD)による分光測定で評価される。用いた試料は、L1 =
L2 = 2 µm。

55

図 2 QPC2 のコンダクタンス G（上）と、チャネル１の熱流 J （下）。階段状の電流制御、熱流制御を示す。

3. 占有率 2 の量子ホールエッジチャネルにおけるエネルギー緩和測定
東工大理 A, NTT 物性基礎研 B
平澤太一 A, Chaojing LinA, 秦徳郎 A, 小沼亮太 A, 秋保貴史 B, 村木康二 B, 藤澤利正 A
占有率 2 の量子ホールエッジチャネルは、カイラルな電子輸送・熱輸送を示し、朝永ラッティンジャー流体（TLL）の性質を示すなど、興味深い系である。外界との結合が比較的弱く、輸送距離 5-10 μm 程度で僅かな電子エネルギーの緩和が見られる程度である [1]。
本研究では、様々な輸送距離 L = 0.3 ~ 200 μm を経た後のエネルギー分布を測定すること
で、エネルギー緩和現象についての理解を深めることを目的とした。
GaAs/AlGaAs ヘテロ構造の 2 次元電子系に垂直強磁場を印加した占有率 2 の量子ホール系において（図 a)、量子ポイントコンタクト（QPC）からバイアス電圧 VS (= 0.1 mV)で電荷を注入すると、スピン電荷分離長(SC ~ 1 μm)を超えた輸送距離で、熱エネルギーは２つのチャネルに分配される [1]。より長い輸送距離では、
環境との結合によりエネルギー緩和が起こると考えられる。量子ドットを用いたエネルギー分光
により電子のトンネル状態密度を測定すると、フェルミ分布関数に近いスペクトルが得られ[1,2]、
その温度 T から見積もられる熱流 W = (π2/6h)kB2T
2を評価した。図 b は、輸送距離 L = 10 μm における熱流 W の QPC 伝導度 G 依存性であり、QPCがトンネル領域となる条件で高い熱流を示している。また、２つのチャネルに 熱エネルギーが等分配され、外界へのエネルギー緩和を無視した場合に期待される熱流（点線）と同程度であることから、この距離では、顕著なエネルギー緩和を示していないことがわかる。一方で、輸送距離 L= 50 μm における熱流 W は、ベース温度での熱流程度に減少していることから、エネルギー緩和長はこれらの間にあると考えられる。系統的な熱流測定を行うことにより、より正確な緩和長を見積もることができるとともに、緩和現象のメカニズ
ムを明らかにできると期待している。
本研究は科研費(JP15H05854, JP19H05603)、東工大ナノテクノロジープラットフォームの支援を受けた。
[1] K. Itoh et al., Phys. Rev. Lett. 120, 197701(2018).
[2] C. Altimiras et al., Nat. Phys. 6, 34 (2010).

56

図(a) 測定系の概念図 (b) QPC コ
ンダクタンス G に対する熱流 W (L =10 μm) (c) QPC コンダクタンス G に対する熱流 W(L = 50 μm)

4. 量子ホールエッジチャネルを用いた量子ドット熱電機関における仕事率のトンネ
ル速度依存性東工大理 A、NTT 物性基礎研 B
小沼亮太 A, Chaojing LinA, 秦徳郎 A, 南陽貴 A, 秋保貴史 B, 村木康二 B, 藤澤利正 A
量子ドットなどのナノ構造を用いた熱電機関は、高い熱効率への期待や、量子デバイスにおける熱力学への興味から、幅広く研究されている。本研究では、量子ポイント接合(QPC)の熱源と量子ドット(QD)の熱電機関を、量子ホール(QH)エッジの一次元カイラル熱輸送で結合した QH-QD
熱電機関の基本特性を評価した。
図 1(a)のように、AlGaAs/GaAs ヘテロ接合二次元電子系に磁場 B (= 3.7 T)を印加して、占有率
ν = 2 の量子ホール状態を用いた熱集積回路を形成した。適当な透過率 D の QPC にバイアス電
圧 VS を印加すると、チャネル 1 に電流と熱流が注入される。並走する 2 本のチャネル間で、クーロン相互作用による熱分配が生じ、D ~ 0.5 では近似的な熱平衡状態に達する[1]。これを高温 THの“熱浴”とみなして、QH-QD 熱電機関を評価した。図 1(b)のように、高温のチャネル 1（左側）から、
QD のエネルギー準位 E0 を介して、低温 TC のチャネル C（右側）へ電子を輸送する。適切な電位
差Δµ/e において、それに逆らう（逆符号の）電流 IQD を得ることで、電気的仕事率 P = −IQDΔµ/eを得るとみなすことができる。ここでは、E0、Δµ、ならびに左側・右側のトンネル速度ΓL,ΓR の調整により、仕事率 P が変化（最大化）する様子を調べた。まず、QD のクーロンダイヤモンド特性［バイアス電圧 VC (= µC/e) とゲート電圧 VQD に対する電流 IQD の変化］から、QPC による電流注入で発生する電気化学ポテンシャル µH を見積もった。Δµ = µH - µC と E0 の調整で最大にできる仕事率 Pµ,E は、図 2(b)の挿入図のように、(i)電子トンネル(µH < µC < E0)と(ii)正孔トンネル(µH > µC >E0)による２つの条件で得られる。QD のトンネル障壁を調整する複数のゲート電圧を図２横軸のパラメータ Vε で調整すると、図 2(a)のようにΓL とΓR が増大するのに伴って、図 2(b)のように Pµ,E は増大し最大値を経て減少に転じる様子が観測された。トンネル速度の調整（ΓL = ΓR）などにより、さらに高い仕事率が期待される。
科研費(JP15H05854, JP19H05603)、東工大ナノプラットフォームの支援を受けた。
[1] K. Itoh et al., Phys. Rev. Lett. 120, 197701 (2018).
(a)

(a)

(b)

(b)

図 1 (a) QH-QD 熱電機関の構成図。(b) QD のエネルギー図。

57

図 2 （a）ΓL, ΓR と（b）Pµ,E の Vε依存性。Vε は、図 1(b)の VL と
VR をともに増加するパラメー
タ。

5. 占有率 2 の量子ホールエッジチャネルにおけるホットエレクトロン注入による非熱的状態
東工大理 A、NTT 物性基礎研 B
平澤太一 A, 鈴木光太郎 A, 秦徳郎 A, 佐藤裕也 A, 秋保貴史 B, 村木康二 B, 藤澤利正 A
ランダウ占有率 2 の並走する量子ホールエッジチャネルは、朝永-ラッティンジャー流体(TLL)モ
デルを実現する系として知られ、長寿命な非熱的状態を示す点で興味深い[1]。本研究では、高エネルギー電子(ホットエレクトロン)を用いた非熱的状態の生成手法について報告する。
図 1 は、測定系の概念図である。GaAs/AlGaAs ヘテロ接合二次元電子系に磁場 B (= 5.0 T)を印加して、占有率 2 の量子ホールエッジチャネル(スピン↑と↓)を形成する。一方のチャネルにホ、入射電流 )と、フェルミ面付近の電子との電子電子
ットエレクトロンを注入する(エネルギー(e-e) 散乱により、ホットエレクトロンはエネルギーを失い、フェルミ面付近に電子正孔(eh)励起(紫縦縞)が生じ、それぞれ図の右向きに伝播する。e-e 散乱はエネルギーが低いほど顕著になるため、
eh 励起が顕著に生成されるホットスポット(位置)が現れる[2]。
によっては変化するため、固定位置 x = L に置かれた量子ポイント接合(QPC)又は量子ドット(QD)で、eh 励起生成後のダイナミクスを距離()の依存性として調べることができる。QPC による分析[図 1(c)]では、QPCのトンネル領域 (図 2 上：伝導度 G の遷移領域)で、QPC 電流(図 2 下)に を超えるピークが見られ、スピン↑及び↓のチャネルにおける eh 励起を示している。スピン↑の eh 励起が最大になる条件(:赤線)とスピン↓に対する条件(:青線)の差は、チャネル間のエネルギー分配に距離 を要するためと考えられる。生成された eh 励起の非熱的状態を調べるため、QD を用いてチャネル↑のエネルギー分布を評価した。図 3 の電流 には、クーロン振
動ピークの左端(点線, 化学ポテンシャル )の左側に、緩やかに減少する様子が見られ、フェルミ分布と異なる非熱的状態の生成を表している。このスペクトルは、（すなわち、からの距離）によって大きく変化し、非熱的状態の特徴的なダイナミクスを示している可能性がある。
本研究は科研費(JP15H05854, JP19H05603)、東工大ナノプラットフォームの支援を受けた。
[1] K. Itoh et al., Phys. Rev. Lett. 120, 197701 (2018).
[2] T. Ota et al., Phys. Rev. B 99, 085310 (2019).

図 1 測定系の概念図。ホットエレクトロン
は電子電子散乱( )、チャネル間のエネ
ルギー分配を経て、QPC、QD で分光測定 さ れ る 。 用 い た 試 料 は。

図 2 QPC による分光測定。上：量子化伝導度ス
テップ。下：電子正孔励
起による電流のピークが
見られる。

58

図 3 QD によるチャネルのエ
ネルギー分布測定。高エネ) の傾きがルギー側(
非熱的状態を表す。

2020 年度

大熊研究室研究報告

物理学系（極低温研究支援センター）大熊哲

http://www.rcltp.titech.ac.jp/~okumalab/

1. 熱電効果で探る 2 次元超伝導体の異常金属状態 −量子臨界現象と渦糸状態−
家永 紘一郎et al.

乱れを含む 2 次元超伝導体では，超伝導と局在効果の競合によって磁場印加による超伝導-絶縁体転移(SIT)が起こる。SIT は量子相転移の典型例として知られ，その量子臨界性は専ら電気抵抗測定によって議論されてきた[1]。ところが近年, 電気抵抗にはない
重要な情報を含む熱電効果の測定が一部のグループによって展開されている[2]。
ところで, アモルファス MoxGe1-x のような, アモルファスでも比較的乱れの弱い超伝導薄膜[3]や，劈開, イオンゲート, 分子線エピタキシーなどで作製された結晶性の高い
超伝導の原子層膜[3,4]では，超伝導相と絶縁体相の間に異常な磁場誘起金属状態が存在することが報告されている。この超伝導-金属-絶縁体転移 (SMIT) は SIT の描像では説明できない。これまでの実験のほとんどは電気抵抗測定に限られているため, その起源は現在でも明らかになっていない。したがって，SMIT における量子ゆらぎや量子臨界性を検出する実験が必要である。

図 4. (左) 電気抵抗の温度特性. 磁場を増加させると超伝導, 金属, 絶縁体の順に絶対零度の状態が変化する. (右) ネルンスト信号の強度. 金属状態を示す磁場範囲において, 絶対零度付近まで渦糸液体状態が存在する[6,7]. https://www.titech.ac.jp/news/2020/048488.html

59

そこで本研究では, SMIT を示す厚さ 12 nm のアモルファス MoxGe1-x 薄膜を作製し, 0.1
K の極低温域まで熱電効果(ネルンスト効果)測定[5]を行うことにより, 超伝導秩序パラ
メータのゆらぎを高感度に測定した。ここで, ネルンスト効果の主な信号源は, 秩序パ
ラメータの位相ゆらぎ(渦糸液体)，振幅ゆらぎ，および準粒子であるが，アモルファス
試料では電子の平均自由行程が極端に短いために準粒子の寄与が無視できる[5]。測定の結果，渦糸液体と振幅ゆらぎの領域を明確に検出することに成功した[6,7]。特に金属状態を示す磁場範囲においては，極低温域においても渦糸液体が存在することが明らかになり，量子ゆらぎによって生じた量子渦糸液体が絶対零度の金属状態の起源であることがわかった。さらに，ネルンスト信号から渦糸コアのもつ輸送エントロピーを評価した結果，量子渦糸液体の輸送エントロピーは極低温下で非常にゆるやかに減衰すること,
すなわち量子臨界性を示すことが明らかになった。この結果は，SIT の量子臨界点の広がりによって金属状態が出現していることを示唆している。
[1] A. M. Goldman and N. Marcovi´c, Physics Today 51, 39 (1998).
[2] A. Roy, E. Shimshoni, and A. Frydman, Phys. Rev. Lett. 121, 047003 (2018).
[3] A. Kapitulnik, S. A. Kivelson, and B. Spivak, Rev. Mod. Phys. 91, 011002 (2019).
[4] Y. Saito, Y. Kasahara, J. Ye, Y. Iwasa, and T. Nojima, Science 350, 409 (2015).
[5] K. Behnia and H. Aubin, Rep. Prog. Phys. 79, 046502 (2016).
[6] K. Ienaga, T. Hayashi, Y. Tamoto, S. Kaneko, S. Okuma, Phys. Rev. Lett. 125, 257001 (2020).
[7] 家永紘一郎, 大熊哲, 固体物理 55, 723 (2020).

2. 可逆不可逆転移に及ぼす速度の効果
宮川 聖（M2）et al.

ランダムに配置された多粒子系に交流せん断力を印加すると, 粒子同士は衝突を繰り返しながら, 次第に次の衝突を避ける配置へ自己組織化していく。この現象は動的秩
序化, あるいはランダム組織化と呼ばれる。この現象に関連して, せん断ひずみ振幅の増大に伴い, 各周期後に全粒子が初期位置に戻る可逆状態から, 一部の粒子が戻らなくなる不可逆状態へ変化する非平衡相転移が報告された[1]。この現象は可逆不可逆転移と呼ばれ, 巨視的せん断力がかかるコロイド系ではじめて実験的に観測された[1]。我々のグループは, 巨視的な交流せん断力が印加できるコルビノディスク型超伝導体の渦糸系を用いて可逆不可逆転移の普遍性を実証した[2]。さらに最近, 局所的な交流せん断を印加した渦糸系でも可逆不可逆転移が観測されることを示し, この相転移が吸収状態転移の 2 次元 Directed Percolation (DP) 普遍クラス[3]に属する強い証拠を見出した[4]。
ところで, 駆動させる渦糸の速度を下げ実効的なピン止め力を強くすると, 局所的なせん断が起こり易くなり, 衝突が増えて可逆性が弱まると考えられる。しかし, 速度が60図 2(a) 可逆相と(b)不可逆相における, 60ｋHz の様々な交流駆動振幅 d で測定されたランダム組織化を示す電圧の緩和波形. (c) 60 と 450 kHz の周波数の交流電流で駆動された渦糸系の緩和時間 τ の d 依存性. インセットは, べき乗の臨界発散を示す.

可逆不可逆転移にどのような影響をもたらすかは他の物理系で調べることは困難であることから, これまで速度の影響は明らかにされてこなかった。一方, 最近の理論によると, ガラス-液体転移に代表される系の構造変化をエネルギー変化によって記述する
ポテンシャルエネルギー地形モデルの概念[5]が, 可逆不可逆転移に適用できる可能性が提案された。可逆不可逆転移が, 従来の粒子の衝突による構造変化の観点からだけではなく, エネルギー変化の観点からも理解できるかどうかは興味ある問題である。
そこで本研究では, 可逆不可逆転移に及ぼす速度の影響を実験的に明らかにすることを目的とした。このため, これまで同様ランダムなピン止め中心をもつアモルファス
MoxGe1−x 薄膜の渦糸系を準備し, 広い速度域で可逆不可逆転移の実験を行った。まず乱れた初期状態を準備し, 系に交流駆動力を印加したときの電圧（速度）振幅の時間発展|V(t)| を測定した。その結果, 測定した全速度域でランダム組織化を観測した。定常状
態の電圧値を V ∞とすると, V ∞－|V(t)| で表される衝突する渦糸の数は, サイクル数を増やしていくと指数 α ≈ 0.45 のべき乗で減衰することがわかった。これは 2 次元 DP 普遍
クラスの理論で予想される臨界指数 α ≈ 0.451 と一致する。さらに, 図 2 に示すように,定常状態に至るまでの|V(t)|（図 2(a)）の緩和時間 τ は, 臨界振幅 dc の両側でべき乗の発散を示し, その臨界指数 ν も 2 次元 DP 普遍クラスの理論値である ν = 1.295 ± 0.006 に近い値を示した（図 2(b)）。これらの結果から, 可逆不可逆転移における臨界現象は, 調べた速度範囲では速度によらない普遍的な現象であることがわかった[6]。
一方, 低速域では可逆相と不可逆相を分ける dc は大きくなり, 低速域で可逆相が広がる結果となった。この結果は, 低速域では実効的なピン止め力が強くなることにより衝突が増え, 可逆性が弱まるという予測と逆であった。この結果を図 3 に模式的に示す粒子の衝突モデルで考察する。低速域（図 3(b)）ではピン止めされた渦糸が増え, これが駆動された渦糸のガイドレールの役割を果たすことにより, 運動方向と垂直方向のずれを抑制する, すなわち可逆性が強められると解釈することができる[6]。

61図 3(a)高速域と(b)低速域において, 振幅 d で周期駆動された渦糸の, 1 周期の間の運動の模式図. 〇が渦糸を, ×がランダムなピン止め中心を表す. 色をつけた破線と実線の矢印
は, それぞれ 1 周期の前半と後半の渦糸の軌跡を表す[6].

つぎに, 渦糸系に注入したエネルギーから, 可逆相が不可逆相に変わる臨界エネルギ
ー Ec を求めると, 低速域で増加すること, すなわち可逆相が広がることがわかった。低速域でピン止めされる粒子数が多くなると動ける粒子数が減るため, 系がとり得る安
定な粒子配置の場合の数は限られてくる。この場合の数は, エネルギー地形でいえば極小点の数に相当する。また, 粒子がピン止めされると系のエネルギーは減少する。したがって, 低速域ではエネルギー地形の極小点の数が減少し, 極小点の谷底が深くなることにより Ec が増大する, すなわち, 不可逆状態になるためにより大きなエネルギーが必
要な地形に変形する。このことにより, 可逆性が強まったと解釈することができる。
以上の結果より, 可逆不可逆転移に及ぼす速度の影響は, 図 3 のような渦糸の衝突による配置構造の変化, およびエネルギー地形を用いたエネルギー変化の観点からも理解できることがわかった。
[1] L. Corte et al., Nat. Phys. 4 (2008) 420: D.J. Pine et al., Nature 438 (2005) 997.
[2] S. Okuma, Y. Tsugawa, A. Motohashi, Phys. Rev. B 83 (2011) 012503.
[3] H. Hinrichsen, Adv. Phys. 49, 815 (2000).
[4] S. Maegochi, K. Ienaga, S. Kaneko, S. Okuma, Sci. Rep. 9, 16447 (2019).
[5] F.H.Stillinger Science 267, 1935 (1995)[6] K. Miyagawa, S. Maegochi, K. Ienaga, S. Kaneko, S. Okuma, J. Phys. Conf. Ser., in press.

3. 交差駆動渦糸系における方向メモリー効果
前垣内 舜（D1）et al.
自然界には様々な種類のメモリーがあるが[1], 系にどのように情報が記憶されるかは, 基本的な興味ある問題である。応用面ではメモリーの保持時間と記憶される情報量が重要である。メモリー効果は非平衡状態でも現れる。例えば, 外力を受ける多粒子系
では, 過渡的に駆動力の情報が記憶されることが知られている[2]。具体的には, 超伝導
渦糸系において渦糸を直流駆動させ, その過渡状態で駆動力を一度切って再度同じ駆動力を印加すると, 駆動力を切る直前の運動状態を再現する[3]。これは駆動力を切った

62

(a)

(b)

図 1(a)十字型のアモルファス MoxGe1-x 膜試料.中央部の 4 つの電圧端子により, x 方向と y
方向に駆動された渦糸の運動を独立に検出できる. (b) 渦糸運動によって発生する電圧の過渡波形. 黒の波形は x 方向に駆動させた場合で, 定常状態になった後に駆動力を切り, y 方向に駆動力を印加すると赤の電圧波形が得られた. わずかだが緩和が見られる. x
方向に駆動力を印加したときにはこのような緩和はまったく見られない。この結果は方向のメモリー効果を示す.

直後の渦糸配置に, 駆動力の大きさが記憶されていることを意味する。我々のグループ
では, 渦糸系の過渡状態に記憶された情報を読み出す 2 段階の輸送現象測定手法を開発した[4,5]。大きさの記憶以外にも, グラニュラー系[6]や電荷密度波[7]の系では, 駆動力の極性のメモリー効果が知られている。それでは, 駆動力の方向は記憶されるだろうか。
最近のシミュレーションでは, ある方向に渦糸を定常状態までフローさせた後, 駆動力を一旦切り, 再度同じ大きさの駆動力を向きだけ 90°変えて印加すると, 先ほどの駆動方向とは異なるフロー状態になることが報告されている[7]。これは渦糸の運動状態が駆動力の大きさだけではなく, 駆動力がかけられていた方向も記憶していることを示唆している。
本研究ではこのような方向のメモリ―効果の存在を実験的に検証するため, 十字型のアモルファス MoxGe1-x 膜を作製し, 渦糸の駆動方向を 90°変えられる交差駆動法を開発した。この試料を用いて, まず多くの渦糸がピン止めからはずれた秩序的な初期配置を準備し, x 方向に小さい駆動電流で駆動させたところ, 図 1(b)の黒い線で示す減衰型の電圧波形が得られた。この波形はランダムなピン止めに渦糸が徐々に捕まる, 運動による無秩序化を反映している。定常状態に到達した後に駆動力を一旦切り, 今度は y 方向に先ほどと同じ大きさの駆動力を印加したときの電圧波形が赤色の線である。わずかではあるが減衰が観測された。x 方向に同じ大きさの駆動力を印加したときには, このような緩和はまったく見られない。y 方向に駆動力を印加したときに現れるわずかな緩和
波形は, 強くピン止めされた渦糸が局所的壁を形成し自由な渦糸の流れをせき止める,
クロッギングの描像で説明することができる。図 1(b)の結果は, 方向のメモリー効果の存在を示している。この実験を, ピン止めの影響をほとんど無視できるくらい大きな電流で行うと, y 方向の緩和は見られなくなった。この結果は, 方向のメモリー効果はピン63

止めの影響を受けた乱れたフロー状態によって生じていること, すなわち上述のクロッギング機構が重要な役割を果たしていることを裏づける。
[1] N. C. Keim et al., Rev. Mod. Phys. 91, 035002 (2019).
[2] S. N. Coppersmith et al., Phys. Rev. Lett. 78, 3983 (1997).
[3] Z. L. Xiao, E. Y. Andrei, M. J. Higgins, Phys. Rev. Lett. 83, 1664 (1999).
[4] M. Dobroka, Y. Kawamura, K. Ienaga, S. Kaneko, S. Okuma, New J. Phys. 19, 053023 (2017).
[5] M. Dobroka, K. Ienaga, Y. Kawamura, S. Kaneko, S. Okuma, New J. Phys. 21, 043007 (2019).
[6] M. Toiya, J. Stambaugh, W. Losert, Phys. Rev. Lett. 93, 088001 (2004).
[7] R. M. Fleming, L. F. Schneemeyer, Phys. Rev. B 28, 6996 (1983).
[8] C. Reichhardt, C. J. O. Reichhardt, Sci. Rep. 10, 11625 (2020).

謝辞： 本稿で紹介した研究の一部は, 科研費新学術領域研究 (公募研究) (代表 大熊哲,
20H05266), 科研費基盤研究(B) (代表 大熊哲, 17H02919), 科研費若手研究 (代表 家永紘一郎, 20K14413), および第 1 回大隅良典基礎研究支援（代表 家永紘一郎）の支援を受けて行われた。

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６. 業績リスト
田中研究室

1.

S. Kimura, M. Matsumoto, and H. Tanaka: Electrically controlled directional microwave switch
in the triplon Bose-Einstein condensate; Phys. Rev. Lett. 124 (2020) 217401 (1-5).

2.

D. S. Razaq, B. Kurniawan, D. R. Munazat, K. Watanabe, and H. Tanaka: Role of Potassium
Substitution in the Magnetic Properties and Magnetocaloric Effect in La0.8−xKxBa0.05Sr0.15MnO3(0 ≤ x ≤ 0.20); Crystals 10 (2020) 407 (1-19).

3.

D. R. Munazat, B. Kurniawan, D. S. Razaq, K. Watanabe, and H. Tanaka: Crossover criticalbehavior and magnetic entropy change of La0.7Ba0.1Ca0.1Sr0.1MnO3: A comparison between
wet-mixing and sol-gel synthesis methods; Physica B 592 (2020) 412227 (1-13).

4.

T. Suzuki, K. Katayama, I. Watanabe, and H. Tanaka: Spin Fluctuating Ground State in theSpin-1/2 Kagome Lattice (Rb1-xCsx)2Cu3SnF12 with x=0.53 Observed by Muon Spin Relaxation;
J. Phys. Soc. Jpn. 89 (2020) 074701 (1-5).

5.

K. Sakurai, S. Kimura, S. Awaji, M. Matsumoto and H. Tanaka: Spin-driven ferroelectricity inthe quantum magnet under high pressure; Phys. Rev. B 102 (2020) 064104 (1-6).

6.

R. Nomura and Y. Okuda: Colloquium: Quantum crystallizations of 4He in superfluid far fromequilibrium; Rev. Mod. Phys. 92 (2020) 041003 (1-23).

7.

M. Yamashita, J. Gouchi, Y. Uwatoko, N. Kurita and H. Tanaka: Sample dependence of thehalf-integer quantized thermal Hall effect in a Kitaev candidate -RuCl3; Phys. Rev. B 102(2020) 220404(R) (1-5).

8.

X. G. Zhou, Yuan Yao, Y. H. Matsuda, A. Ikeda, A. Matsuo, K. Kindo and H. Tanaka:
Particle-Hole Symmetry Breaking in a Spin Dimer System TlCuCl3 Observed at 100 T.; Phys.
Rev. Lett. 125 (2020) 267207 (1-6).

9.

野村竜司，奥田雄一：超流動液体から生じる4He量子結晶の平衡形と非平衡形；日本結晶成長学会誌 47 (2020) 4-3 (1-10).

10. 栗田伸之，田中秀数：ほぼ完全にフラストレートしたスピンダイマー量子磁性体の局在励起；波紋 30 (2020) 130-135.
11. K. Watanabe, N. Kurita, H. Tanaka, H. Sugiyama, H. Uekusa, I. F. Diaz-Ortega, and H. Nojiri:
Coupled spin-1/2 antiferromagnetic chain Cs2LiRuCl6 with partially disordered crystal lattice;Phys. Rev. B 103 (2021) 064419 (1-9).

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平原研究室論⽂：
T. Hirahara, M. M. Otrokov, T. T. Sasaki, K. Sumida, Y. Tomohiro, S. Kusaka, Y. Okuyama, S.
Ichinokura, M. Kobayashi, Y. Takeda, K. Amemiya, T. Shirasawa, S. Ideta, K. Miyamoto, K.
Tanaka, S. Kuroda, T. Okuda, K. Hono, S. V. Eremeev, and E. V. Chulkov"Fabrication of a novel magnetic topological heterostructure and temperature evolution of its
massive Dirac cone",Nature Communications 11, 4821 (2020).
N. Fukui, R. Hobara, A. Takayama, R. Akiyama, T. Hirahara, and S. Hasegawa"Scattering of topological surface-state carriers at steps on surfaces",
Physical Review B 102, 115418 (2020).
A. K. Pedersen, S. Ichinokura, T. Tanaka, R. Shimizu, T. Hitosugi, and T. Hirahara"Interfacial Superconductivity in FeSe Ultrathin Films on SrTiO3 Probed by In Situ
Independently Driven Four-Point-Probe Measurements",
Physical Review Letters 124, 227002 (2020).
T. Tanaka, K. Akiyama, S. Ichinokura, R. Shimizu, T. Hitosugi, and T. Hirahara"Superconducting dome revealed by surface structure dependence in single unit cell FeSeon SrTiO3(001)",
Physical Review B 101, 205421 (2020).
招待講演：
Toru Hirahara"Superconductivity of monolayer FeSe films on SrTiO3 substrates with controlled surface
superstructures",28th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM28)
2020 年 12 ⽉ (オンライン)
平原 徹"界⾯を制御した単層 FeSe/SrTiO3 の超伝導研究"
基研研究会「⾼温超伝導・⾮従来型超伝導研究の最前線：多様性と普遍性」
2020 年 10 ⽉ (京⼤基研、オンライン)

66

平原 徹
"界⾯を制御した単層 FeSe/SrTiO3 の超伝導研究"
物性研究所ワークショップ「ナノスケール物性科学の最先端と新展開」
2020 年 7 ⽉ (オンライン)
⼀般講演
国内学会：
橋⽖瑞葵, ⼀ノ倉聖, 清⽔亮太, ⼀杉太郎, 平原徹“Li インターカレートした SiC 上のグラフェンの層数制御によるリフシッツ転移の観測”
⽇本物理学会 第 76 会年次⼤会 2021/3/12 (オンライン)
⼀ノ倉聖, Hemmi Adrian, 清⽔亮太, ⼀杉太郎, Greber Thomas, 平原徹“アルカリ⾦属蒸着による単原⼦層 h-BN のエネルギーバンドシフト”
⽇本物理学会 第 76 会年次⼤会 2021/3/12 (オンライン)
⽇下翔太郎, 佐々⽊泰祐, ⾓⽥⼀樹, ⼀ノ倉聖, 出⽥真⼀郎, ⽥中清尚, 宝野和博, ○平原徹
“Bi と Te からなるトポロジカル絶縁体超格⼦の作製とその電⼦状態”
⽇本物理学会 第 76 会年次⼤会 2021/3/12 (オンライン)
福嶋隆司朗, ⾓⽥⼀樹, ⽵⽥幸治, ⼀ノ倉聖, 平原徹“磁性トポロジカル絶縁体サンドウィッチ構造の電⼦状態と磁化特性”
⽇本物理学会 第 76 会年次⼤会 2021/3/12 (オンライン)
平原 徹"界⾯を制御した単層 FeSe/SrTiO3 の⾼温超伝導特性解明"
新学術機能コア 第 5 回遠隔連携会議 2020 年 11 ⽉ (オンライン)
橋⽖瑞葵, ⼀ノ倉聖, 豊⽥雅之, ⽇下翔太郎, 出⽥真⼀郎, ⽥中清尚, 清⽔亮太, ⼀杉太郎,
斎藤晋, 平原徹"Li-インターカレーションによる 単層グラフェン/SiC(0001)の⼆層化とフラットバンドの占有"
UVSOR シンポジウム 2020 2020 年 10 ⽉ (オンライン)
⾼城拓也, 秋⼭了太, I. A. Kibirev, A. V. Matetskiy, 遠⼭晴⼦, 中⻄亮介, 樋渡功太, 平原徹,
深澤拓朗, A. V. Zotov, A. A. Saranin, ⻑⾕川修司

67

"強磁性トポロジカル絶縁体サンドイッチ構造 Mn(Bi1-xSbx)2Te4/(Bi1-xSbx)2Te3/ Mn(Bi1x

Sbx)2Te4/Si(111)のフェルミ準位制御による電気伝導特性変調"

⽇本物理学会 2020 年秋季⼤会 2020/9/9 (オンライン)
⼀ノ倉聖, Pedersen Asger, ⽥中友晃, 清⽔亮太, ⼀杉太郎, 平原徹"超⾼真空中での独⽴駆動 4 探針電気伝導測定法による FeSe 超薄膜/SrTiO3 の界⾯超伝導の検出"
⽇本物理学会 2020 年秋季⼤会 2020/9/10 (オンライン)
深澤拓朗, ⽇下翔太郎, ⾓⽥⼀樹, 橋⽖瑞葵, ⼀ノ倉聖, ⽵⽥幸治, 出⽥真⼀郎, ⽥中清尚,
清⽔亮太, ⼀杉太郎, ○平原徹
"磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造 MnBi2Te4/Bi2Te3 の構造、電⼦状態と磁性"
⽇本物理学会 2020 年秋季⼤会 2020/9/11 (オンライン)
⽥中友晃, ⼀ノ倉聖, 清⽔亮太, ⼀杉太郎, 平原徹"SrTiO3(001)-√13×√13 上に作成した単層 FeSe の超伝導特性"
⽇本物理学会 2020 年秋季⼤会 2020/9/11 (オンライン)
橋⽖瑞葵, ⼀ノ倉聖, 豊⽥雅之, ⽇下翔太郎, 出⽥真⼀郎, ⽥中清尚, 清⽔亮太, ⼀杉太郎,
斎藤晋, 平原徹"Li-インターカレーションによる単層グラフェン/SiC(0001)の⼆層化とフラットバンドの占有"
⽇本物理学会 2020 年秋季⼤会 2020/9/11 (オンライン)

68

西野研究室
論文リスト(http://www.chemistry.titech.ac.jp/~nishino/)

1. T. Harashima, Y. Hasegawa, S. Kaneko, Y. Jono, S. Fujii, M. Kiguchi and T. Nishino"Elementary Processes of DNA Surface Hybridization Resolved by Single-molecule
Kinetics: Implication for Macroscopic Device Performance" Chem. Sci. in press, 2020.
2. Y. Isshiki, S. Fujii, T. Nishino, M. Kiguchi, "Selective Formation of MolecularJunctions with High and Low Conductance States by Tuning the Velocity of Electrode
Displacement" Phys. Chem. Chem. Phys 22 4544–4548 2020.
3. S. Fujii, M. Iwane, S. Furukawa, T. Tada, T. Nishino, M. Saito, M. Kiguchi, "Hybrid
Molecular Junctions Using Au–S and Au–π Bindings" J. Phys. Chem. C 124 92619268 2020.
4. S. Kobayashi, S. Kaneko, M. Kiguchi, K. Tsukagoshi, T. Nishino "Tolerance toStretching in Thiol-Terminated Single-Molecule Junctions Characterized by SurfaceEnhanced Raman Scattering" J. Phys. Chem. Lett. 11 6712-6717 2020.
5. A. Aiba, S. Kaneko, T. Tsuruoka, K. Terabe, M. Kiguchi, T. Nishino "Effects of Water
Adsorption on Conductive Filaments of a Ta2O5 Atomic Switch Investigated by
Nondestructive Electrical Measurements" Appl. Phys. Lett. 117 233104 2020.

69

腰原・沖本研究室<論文リスト>1.

Fujiwara, K., Fukada, Y., Okuda, Y. et al. Direct evidence of electronic ferroelectricity in
YbFe2O4 using neutron diffraction and nonlinear spectroscopy. Sci Rep 11, 4277 (2021).
DOI:10.1038/s41598-021-83655-6

2.

R. Fukaya, N. Yamaya, T. Ishikawa, S. Koshihara, Y. Okimoto, K. Onda, A. Isayama, T. Sasagawa,
K. Horigane, "Picosecond dynamics in layered cobalt perovskites studied by time-resolved
Raman spectroscopy", Comptes Rendus Physique, p.8 (2021), DOI:10.5802/crphys.35

3.

M.Hada, K.Makino, H.Inoue, T.Hasegawa, H.Masuda, H.Suzuki, K.Shirasu, T.Nakagawa, T.Seki,
J.Matsuo, T.Nishikawa, Y.Yamashita, Shin-ya Koshihara, V.Stolojan, S. Ravi, P.Silva, J.Fujita,
Y.Hayashi, S.Maeda, M.Hase, "Phonon transport probed at carbon nanotube yarn/sheetboundaries

byultrafast

structuraldynamics",

Carbon,170,

165-173(2020),

DOI:10.1016/j.carbon.2020.08.026
4.

M.Fukuda，T.Nishikubo，Z.Pan，Y.Sakai，M.H.Zhang，S.Kawaguchi，H. Yu，Y.Okimoto，
S.Koshihara，M. Itoh，J.Rödel，and M.Azuma, "Enhanced Spontaneous Polarization by V4+
Substitution in a Lead-Free Perovskite CaMnTi2O6", Inorg. Chem., 59, 11749–11756 (2020),
DOI:10.1021/acs.inorgchem.0c01697

5.

H. Yu, K. Takubo, T. Ishikawa, S. Koshihara, M. Hada, T. Asaka, K. Ozawa, K. Shigematsu, M.
Azuma, Y. Okimoto, "Ultrafast Nonlinear Spectroscopy in (111) Oriented Bismuth Ferrite Oxide",
JPSJ, 89, 063401 (2020), DOI:10.7566/JPSJ.89.063401<国際会議 >
1.

“Photoinduced charge transfer dynamics in a chain coordination-polymer neutral-ionic phasetransition system”, T. Ishikawa, F. Sano, T. Goto, Y. Okimoto, S. Koshihara, Y. Takahashi, Y. Du,
W. Kosaka, and H. Miyasaka, The 1st Asian Conference on Molecular Magnetism (ACMM 2020),
Online, Mar. 7-10, 2021 (Poster)<国内会議>
1.

「有機強誘電体 Hdppz-Hca のプロトン動的再配列による超高速強誘電性制御」、松島遼、石川忠彦、腰原伸也、夏沛宇、板谷治郎、堀内佐智雄、沖本洋一、第 76 回日本物理学会年次大会、オンラインで開催、2021 年 3 月 12-15 日（口頭発表）

2.

「第二次高調波発生から見た LuFe2O4 結晶の電子強誘電性」、于洪武、森田敦也、石川忠
彦、腰原伸也、沖本洋一、深田幸正、藤原孝将、池田直、岸田晶穂、伊藤弘毅、岩井伸一郎、
第 76 回日本物理学会年次大会、オンラインで開催、2021 年 3 月 12-15 日 （口頭発表）

3.

「水素結合型有機反強誘電体における非線形光学分光」、周清瑶,松島遼,石川忠彦,腰原伸也,堀内佐智雄,沖本洋一、第 76 回日本物理学会年次大会、オンラインで開催、2021 年 3 月
12-15 日 （ポスター）

4.

「スピンクロスオーバー相転移を示す複合磁性材料における、 励起波長依存性をもった 2 つの光誘起状態」、中野真之介, 石川忠彦, 田久保耕, 沖本洋一, 腰原伸也, 東亮介, 宮脇敦
70

大, 高橋一志, 佐藤文菜, 一柳光平, 深谷亮、第 76 回日本物理学会年次大会、オンライン
で開催、2021 年 3 月 12-15 日 （口頭発表）
5.

「分子内振動スペクトルから見た (NPr4)2[Fe2(Cl2An)3]の電荷移動相転移」、加藤望根，石川忠彦，田久保耕，沖本洋一，腰原伸也，江口尚輝，Jian Chen，関根良博，宮坂等、第 76 回
日本物理学会年次大会、オンラインで開催、2021 年 3 月 12-15 日 （口頭発表）

6.

「新同期方式によるフェムト秒電子線回折装置の開発」、Jin Sichen, 田久保耕, S. Banu, 金子水咲, 石川忠彦, 沖本洋一, 腰原伸也, 羽田真毅, 林靖彦、第 76 回日本物理学会年次大会、オンラインで開催、2021 年 3 月 12-15 日（ポスター）7.

「水素結合型有機反強誘電体における非線形光学分光」、周清瑶,松島遼,石川忠彦,腰原伸也,堀内佐智雄,沖本洋一、第 31 回光物性研究会、オンラインで開催、2020 年 12 月 12 日（ポ
スター）

8.

「有機強誘電体 Hdppz-Hca における中赤外域振動電場を用いた強誘電ダイナミクス制御」、
松島遼、石川忠彦、腰原伸也、夏沛宇、板谷治郎、堀内佐智雄、沖本洋一、第 31 回光物性研究会、オンラインで開催、2020 年 12 月 11-12 日（口頭発表）

9.

「中性イオン性相転移を示す新規一次元鎖状高分子単結晶における光誘起電荷移動ダイナ
ミクス」、石川忠彦、佐野史弥、田久保耕、沖本洋一、腰原伸也、杜毅軟、高橋優介、高坂亘、宮坂等、2020 年日本物理学会秋季大会（物性）オンラインで開催、2020 年 9 月 8-11 日（口頭発表）

10. 「光誘起構造ダイナミクス測定のためのテーブルトップフェムト秒時間分解電子線回折装置の開発」、田久保耕, Jin Sichen 羽田真毅, 東正樹, 林靖彦, 桑原真人, 宮坂等, 石原純夫,
石川忠彦, 沖本洋一, 腰原伸也、2020 年日本物理学会秋季大会（物性）、オンラインで開催、2020 年 9 月 8-11 日 （ポスター）

71

森研究室
1. “Low-temperature properties of thermoelectric generators using molecular conductors”
Y. Kiyota, T. Kawamoto, and T. Mori, Synth. Met. 259, 116217-1 – 116217-7 (2020).
β2. “Thermoelectric power of the multi-orbital dimer Mott system,(CH3 )4 N[Pd(dmit)2 ]2 ” Y. Kiyota, T. Kawamoto, R. Kato, and T. Mori, J. Phys. Soc.
Jpn. 89, 034701-1 – 034701-5 (2020).
3. “Bulky phenylalkyl substitutions to bisthienoisatins and thienoisoindigos” D. Yoo, A.
Kohara, M. Ashizawa, T. Kawamoto, H. Masunaga, N. Ohta, H. Matsumoto, and T.
Mori, Cryst. Growth Design 20, 3293 – 3303 (2020).
4. “Ambipolar organic ﬁeld-eﬀect transistors based on N-unsubstituted thienoisoindigo
derivatives” D. Yoo, T. Hasegawa, A. Kohara, H. Sugiyama, M. Ashizawa, T.
Kawamoto, H. Masunaga, T Hikima, N. Ohta, H. Uekusa, H. Matsumoto, and T.
Mori, Dyes Pigments 180, 108418-1 – 108418-12 (2020).
5. “Ambipolar transistor properties of N2 S2 -type metal complexes” Y. Kato, K. Iijima,
D. Yoo, T. Kawamoto, and T. Mori, Chem. Lett. 49, 870 – 874 (2020).
6. “Transistor characteristics of charge-transfer complexes observed across a neutral-ionictransition” T. Uekusa, R. Sato, D. Yoo, T. Kawamoto, and T. Mori, ACS Appl. Mater.
Interfaces 12, 24174 – 24183 (2020).
7. “A large variety of crystal structures and conducting properties in dimethylbenzoimidazolium (DMBI) salts of tetracyanoquinodimethaness” K. Suzuki, D. Yoo, Y. Kiyota
T. Uekusa, T. Kawamoto, and T. Mori, Cryst. Growth Design 20, 5940 – 5946 (2020).
8. “Transistor properties of salen-type metal complexes” K. Koyama, K. Iijima, D. Yoo,and T. Mori, RSC Adv. 10, 29603 – 29609 (2020).
9. “Structures and transistor properties of extended and unsymmetrical birhodanines”
Y. Sumimoto, K. Iijima, D. Yoo, T. Kawamoto, Y. Le Gal, D. Lorcy, and T. Mori,
CrystEngComm 22, 6920 – 6926 (2020).
10. “Temperature dependence of ﬁeld-eﬀect thermoelectric power in rubrene crystals” Y.
Kiyota, T. Kawamoto, and T. Mori, J. Phys. Chem. C 124, 22399 – 22405 (2020).
11. “A cyano-rich small molecule dopant for organic thermoelectrics” K.-H. Tu, Y. Wang,
Y. Kiyota, T. Iwahashi, Y. Ouchi, T. Mori, and T. Michinobu, Org. Electron. 87,
105978-1 – 105978-7 (2020).
12. “Diketopyrrolopyrrole-thiophene-methoxythiophene based random copolymers for organic ﬁeld eﬀect transistor applications” S. Otep, Y.-C. Lin, H. Matsumoto, T. Mori,
K.-H. Wei, and T. Michinobu, Electronics 9, 1604-1 – 1604-13 (2020).

72

大友研究室[2020 年度対外研究報告]
⚫

論文

1.

Ryo Wakabayashi, Kohei Yoshimatsu, Mai Hattori, Jung-Soo Lee, Osami Sakata, and Akira Ohtomo,"Epitaxial stabilization of complete solid-solution β-(AlxGa1−x)2O3 (100) films by pulsed-laser
deposition", Cryst. Growth Des., in press.

2.

Takuto Soma, Tomohiro Kobayashi, Kohei Yoshimatsu, and Akira Ohtomo, "Superconducting dome
underlying bipolaronic insulating state in charge-doped Ti4O7 epitaxial films", J. Phys. Soc. Jpn. 90,
023705 (2021).

3.

Takuto Soma, Kohei Yoshimatsu, and Akira Ohtomo, "p-Type transparent superconductivity in a layeredoxide", Sci. Adv. 6, eabb8570 (2020).

⚫

国際会議
なし

⚫

国内会議

1.

佐藤 大知, 横山 竜, 相馬 拓人, 大友 明, "Ni-N 結合の実現に向けた CrN/NiO 超格子構造の作
製", 第 68 回応用物理学会春季学術講演会, オンライン, 2021.3.16−3.19.

2.

張 書馨, 相馬 拓人, 大友 明, "Investigation of impact of orientation on electronic properties in
epitaxially grown MoO2 films", 第 68 回 応 用 物 理 学 会 春 季 学 術 講 演 会 , オ ン ラ イ ン ,2021.3.16−3.19.

3.

矢島 達也, 相馬 拓人, 大友 明, "層状岩塩型 LiNiO2 薄膜のエピタキシャル成長", 第 68 回応用物理学会春季学術講演会, オンライン, 2021.3.16−3.19.

4.

張 楠, 斉藤 拓海, 亀井 海聖, 相馬 拓人, 大友 明, "光支援容量-電圧測定による
γ-Al2O3/β-Ga2O3 界 面 の 評 価 ", 第 68 回 応 用 物 理 学 会 春 季 学 術 講 演 会 , オ ン ラ イ ン ,2021.3.16−3.19.

5.

斉藤 拓海, 井原 佑太, 相馬 拓人, 加渡 幹尚, 大友 明, "パルスレーザ堆積法による窒素ドー
プ Ga2(O1−xSx)3 薄膜の成長", 第 68 回応用物理学会春季学術講演会, オンライン, 2021.3.16−3.19.

6.

矢島 達也, 相馬 拓人, 大友 明, "スピネル・層状岩塩型構造バナジウム酸リチウムのエピタキ
シャル成長と電気化学的 イオン脱挿入", 第 46 回固体イオニクス 討論会, オンライン,
2020.12.8−12.9.

7.

矢島 達也, 相馬 拓人, 大友 明, "電気化学反応を用いたフィリング制御による「電子の重さ」の変調", 第 10 回 CSJ 化学フェスタ, オンライン, 2020.10.20−10.22.

8.

張 樹桐, 武内 優, 相馬 拓人, 大友 明, "巨大交換バイアスの実現に向けた La2MnCoO6 薄膜のB サイト秩序度制御による磁気特性の変調", 第 10 回 CSJ 化学フェスタ, オンライン,
2020.10.20−10.22.

73

浅田研究室

査読付き論文1.

K. Kobayashi, S. Suzuki, F. Han, H. Tanaka, H. Fujikata, and M. Asada, "Analysis of a highpower resonant-tunneling-diode terahertz oscillator integrated with a rectangular cavity
resonator" Jpn. J. Appl. Phys., vol. 58, no. 5, pp. 050907-1-050907-5, May 2020.

2.

A. Dobroiu, R. Wakasugi, Y. Shirakawa, S. Suzuki, and M. Asada, "Amplitude-modulated
continuous-wave radar in the terahertz range using lock-in phase measurement" Meas. Sci.
Technol., vol. 31, pp. 105001-1-105001-9, May 2020.

3.

Y. Takida, S. Suzuki, M. Asada, and H. Minamide, "Sensitive terahertz-wave detector responses
originated by negative differential conductance of resonant-tunneling-diode oscillator" Appl.
Phys. Lett., vol. 117, no. 2, pp. 021107-1-021107-5, Jul. 2020.

4.

T. Van Mai, Y. Suzuki, X. Yu, S. Suzuki, and M. Asada, "Structure-Simplified ResonantTunneling-Diode Terahertz Oscillator Without Metal-Insulator-Metal Capacitors" J. Infrared
Milli. Terahz. Waves, vol. 41, no. 12, pp. 1498-1507, Dec. 2020.

5.

F. Han, K. Kobayashi, S. Suzuki, H. Tanaka, H. Fujikata, and M. Asada, “Impedance matchingin high-power resonant-tunneling-diode terahertz oscillators integrated with rectangular-cavity
resonator,” IEICE Trans. Electron., 2020ECS6020, 2021. (10.1587/transele.2020ECS6020)

6.

M. Asada and S. Suzuki, “Terahertz Emitter Using Resonant-Tunneling Diode and Applications,”
Sensors, vol. 21, no. 4, pp. 1384-1-1384-19, 2021.

7.

Y. Tokizane, H. Ejiri, T. Minamikawa, S. Suzuki, M. Asada, and T. Yasui, “Hybrid optical imaging
with near-infrared, mid-infrared, and terahertz wavelengths for nondestructive inspection,” Appl.
Opt., vol. 60, no. 10, pp. B100-B105, 2021.

74小寺研究室
(1) 論文発表
原著論文
1.

R. Mizokuchi, S. Bugu, M. Hirayama, J. Yoneda, T.Kodera,”Radio-frequency single electrontransistors in physically defined silicon quantum dots with a sensitive phase response” accepted
to Scientific reports (2021)

2.

S. Bugu, S. Nishiyama, K. Kato, Y. Liu, T. Mori, T. Kodera, "RF reflectometry for readout ofcharge transition in a physically defined p-channel MOS silicon quantum dot." accepted toJapanese Journal of Applied Physics (2021).

3.

S. Bugu, F. Ozaydin and T. Kodera, “Surpassing the classical limit in magic square game with
distant quantum dots coupled to optical cavities” Sci Rep, 10, 22202 (2020), 2020-12-17,
doi:10.1038/s41598-020-79295-x

4.

R. Mizokuchi, M. Tadokoro and T. Kodera, “Detection of tunneling events in physically definedsilicon quantum dot using single-shot measurements improved by numerical treatments” Appl.
Phys. Express, 13, 121004 (2020), 2020-11-23, doi:10.35848/1882-0786/abc923

5.

N. Shimatani, Y. Yamaoka, R. Ishihara, A. Andreev, D. A. Williams, S. Oda, and T. Kodera,“Temperature dependence of hole transport properties through physically defined siliconquantum dots” (Editor's pick) Appl. Phys. Lett. 117, 094001 (2020), 2020-8-31,
doi:10.1063/5.0010981

6.

S. Hiraoka, K. Horibe, R. Ishihara, S. Oda and T. Kodera, “Physically defined silicon triple
quantum dots charged with few electrons in metal-oxide-semiconductor structures” Appl. Phys.
Lett. 117, 074001 (2020), 2020-8-19, doi: 10.1063/5.0010906

7.

N. Lee, R. Tsuchiya, G. Shinkai, Y. Kanno, T. Mine, T. Takahama, R. Mizokuchi, T. Kodera, D.
Hisamoto, and H. Mizuno, “Enhancing electrostatic coupling in silicon quantum dot array by
dual gate oxide thickness for large-scale integration” Appl. Phys. Lett. 116, 162106(2020),2020-4-23, doi: 10.1063/1.5141522(2) 口頭発表① 招待講演1.

小寺 哲夫、「半導体量子ビットの研究動向と展望」18p-Z07-6、第68回応用物理学会春季学術講演会、シンポジウム「スピンを利用した量子技術の最前線 - 量子デバイス開発から新材料探索まで -」、オンライン開催、2021年3月18日

2.

小寺 哲夫、「Ⅳ族半導体量子ビット研究の動向と展望」科研費 ゲルマニウム系量子スピン研究会、オンライン参加、2021年3月10日

3.

小寺哲夫、
「シリコンスピン量子ビットの集積に向けた研究」第 25 回半導体におけるスピン工学の基礎と応用、オンライン開催、2020 年 11 月 17 日-19 日

4.

小寺哲夫、
「シリコン量子コンピュータデバイス技術」講演 3、第 224 回応用物理学会

75

シリコンテクノロジー分科会 研究集会 「量子コンピュータにおける半導体・デバイ
ステクノロジー」オンライン開催、2020 年 11 月 13 日
5.

T. Kodera, (Invited) “Silicon quantum dot devices for spin-based quantum computing” IEEE
Silicon Nanoelectronics Workshop 2020 (SNW 2020), 5.1, (Virtual), June 13-14 (2020)② 国際学会1.

S. Bugu, S. Nishiyama, K. Kato, Y. Liu, T. Mori, T. Kodera, ”Readout of Charge States in a
Physically Defined PMOS Silicon Quantum Dot via RF Reflectometry”, 2020 International
Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2020), I-6-02, ALL-VIRTUAL
Conference, September 27-30(2020)

2.

T. Kodera (Invited), “Silicon quantum dot devices for spin-based quantum computing”, IEEE
Silicon Nanoelectronics Workshop 2020 (SNW 2020), 5.1, (Virtual), June 13-14 (2020)③ 国内学会1.

太田 俊輔、Junliangn Wang、高田 真太郎、中村 秀司、岡崎 雄馬、Christopher
Bauerle、金子 晋久、小寺 哲夫、「チャープ IDT を用いたデルタパルス型表面弾性波の生成」16a-Z26-10、第68回応用物理学会春季学術講演会、オンライン開催、2021年3
月16日

2.

泊 開人、西山 伸平、田所 雅大、小寺 哲夫、「静電的なクロストークを低減できる
物理形成シリコン量子ドットのゲート構造提案」16a-Z26-9、第68回応用物理学会春季
学術講演会、オンライン開催、2021年3月16日

3.

田所 雅大、鈴木 優作、西山 伸平、加藤 公彦、柳 永勛、村上 重則、森 貴洋、溝口 来成、米田 淳、小寺 哲夫、「物理的に形成された p 型シリコン二重量子ドットにおける正孔スピン共鳴」16a-Z26-8、第68回応用物理学会春季学術講演会、オンライン
開催、2021年3月16日

4.

Hiroki Takahashi、Sinan Bugu、Tetsuo Kodera、「Controlling impedance matching in RFreflectometry measurement of quantum dot via FPGA」16a-Z26-6、第68回応用物理学会春季学術講演会、オンライン開催、2021年3月16日

5.

松岡 竜太郎、「スピン量子ビット集積化に向けたゲルマニウム量子ドットの作製と評
価」科研費 ゲルマニウム系量子スピン研究会、オンライン参加、2021年3月10日

6.

溝口 来成「Ge/SiGe ヘテロ構造中での低次元正孔輸送についての研究」科研費 ゲル
マニウム系量子スピン研究会、オンライン参加、2021年3月10日

7.

小寺 哲夫、「シリコンスピン量子ビットの集積に向けた研究」第25回半導体におけるスピン工学の基礎と応用、オンライン開催、2020年11月17日-19日

76

8.

小寺 哲夫、「シリコン量子コンピュータデバイス技術」講演3、第224回応用物理学会
シリコンテクノロジー分科会 研究集会 「量子コンピュータにおける半導体・デバイ
ステクノロジー」オンライン開催、2020年11月13日

9.

溝口 来成、西山 伸平、加藤 公彦、柳 永勛、森 貴洋、小寺 哲夫、「トンネル結合
した電荷センサを持つ物理形成シリコン量子ドットの特性評価」11p-Z09-8、第81回応用物理学会秋季学術講演会、オンライン開催、2020年9月11日

10. 平山 勝登、溝口 来成、田所 雅大、小寺 哲夫、「単一データライン上の量子ドット
状態読み出しに向けた信号多重化についての研究」11p-Z09-9、第81回応用物理学会秋季学術講演会、オンライン開催、2020年9月11日
11. 太田 俊輔、濱田 龍之介、門脇 正史、西森 秀稔、小寺 哲夫、「量子アニーラ(Dwave)を用いた多変量標準正規分布に従う乱数生成に向けた検証」、8p-Z27-4、第81回
応用物理学会秋季学術講演会、オンライン開催、2020年9月8日
12. 田所 雅大、中島 峻、小林 崇、武田 健太、野入 亮人、泊 開人、樽茶 清悟、小寺哲夫、「大規模集積化に向けたシリコン量子ビットを用いた NISQ デバイス」、11pZ09-10、第81回応用物理学会秋季学術講演会、オンライン開催、2020年9月11日

77

藤澤研究室理学院物理学系, 極低温研究支援センター

藤澤 利正

http://fujisawa.phys.titech.ac.jp/【論文】[1] Chaojing Lin, Masayuki Hashisaka, Takafumi Akiho, Koji Muraki, Toshimasa Fujisawa,"Quantized charge fractionalization at quantum Hall Y junctions in the disorder-dominated regime",
Nature Communications 12, 131 (2021).
[2] Tokuro Hata, Tomoki Uchino, Takafumi Akiho, Koji Muraki and Toshimasa Fujisawa, "Sensitive
current measurement on a quantum antidot with a Corbino-type electrode", Japan. J. Appl. Phys. 59,
SGGI03 (2020).
[3] Masayuki Hashisaka, Koji Muraki, and Toshimasa Fujisawa, "Two-step breakdown of a local
nu=1 quantum Hall state", Phys. Rev. B 101, 041303(R) (2020).
【国際会議発表】[1] Chaojing Lin, "Quantized charge fractionalization at quantum Hall Y junctions in the disorder
dominated regime", 10th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effectand Quantum Information (SpinCamp), online (Dec. 17-18, 2020).
[2] Taichi Hirasawa, "Non-equilibrium excitation of quantum-Hall edge channels by injecting hot
electrons", 10th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect andQuantum Information (SpinCamp), online (Dec. 17-18, 2020).
[3] Ryota Konuma, "Tunable thermal transport through quantum Hall edge channels with a quantum
point contact", 10th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect andQuantum Information (SpinCamp), online (Dec. 17-18, 2020).
【国内学会】[1] 小沼亮太, Chaojing Lin, 秦徳郎, 平澤太一, 秋保貴史, 村木康二, 藤澤利正, 「藤澤利正量子ポイント接合を用いた量子ホールエッジチャネルの熱輸送制御」, 10aD1-7 日本物理学会
2020 年秋季大会 (online) (2020/9/8-11).
[2] Chaojing Lin、橋坂昌幸、秋保貴史、村木康二、藤澤利正、「整数/分数量子ホール Y 接合における電荷波束の分数化現象」, 10aD1-8 日本物理学会 2020 年秋季大会 (online) (2020/9/811).
[3] 平澤太一, Chaojing Lin, 秦徳郎, 小沼亮太, 秋保貴史, 村木康二, 藤澤利正、「占有率 2 の量子ホールエッジチャネルにおけるエネルギー緩和測定」, PSD-2 日本物理学会 2020 年秋季大会 (online) (2020/9/8-11).
[4] Chaojing Lin，橋坂昌幸，秋保貴史，村木康二，藤澤利正、「整数/分数量子ホール領域境界に形成された単一分数チャネルにおける電荷波束の伝搬特性」, 17aA43-6, 日本物理学会 第75 回年次大会(2020 年), (COVID-19 対応のため概要発表のみ)

78

[5] 秋山竣哉，秦徳郎，Chaojing Lin，秋保貴史，村木康二，藤澤利正、「量子ホールエッジチャ
ネルを用いた熱電集積回路における総合熱効率」、16pPSB-152, 日本物理学会 第 75 回年次大会(2020 年), (COVID-19 対応のため概要発表のみ)

79

大熊研究室論文

1. K. Ienaga, T. Hayashi, Y. Tamoto, S. Kaneko, and S. Okuma
Quantum criticality inside the anomalous metallic state of a disordered superconducting thin ﬁlm
Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 257001(1-5).
2. 家永紘一郎, 大熊 哲
熱電効果で探る 2 次元超伝導体の量子臨界現象と渦糸状態
固体物理 55 No.12 (2020) 723-735
3. K. Miyagawa, S. Maegochi, K. Ienaga, S. Kaneko and S. Okuma
Eﬀects of the velocity on the reversible-irreversible transition in a periodicallysheared vortex system
J. Phys.: Conf. Ser. (2021) (1-6), in press.
口頭発表
1. 前垣内舜, 三宅健太郎, 名取透吾, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲:
交差駆動渦糸系における方向メモリー効果:
日本物理学会 2021 年年次大会 ２０２１年３月１２日-１５日, 東京大学

Zoom 開催

2. 上野龍司, 家永紘一郎, 金子真一, 笠原成, 松田祐司 A, 大熊哲:
FeSe 単結晶の渦糸フローホール効果と渦糸相図:
日本物理学会 2021 年年次大会 ２０２１年３月１２日-１５日, 東京大学

Zoom 開催

3. 家永紘一郎, 田本豊嘉, 依田正弘, 金子真一, 大熊哲:
乱れた 2 次元超伝導体の量子ゆらぎに対する膜厚減少の効果:
日本物理学会 2021 年年次大会 ２０２１年３月１２日-１５日, 東京大学

Zoom 開催

4. 宮川聖, 前垣内舜, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲:
超伝導渦糸系における可逆不可逆転移とポテンシャルエネルギー地形:
日本物理学会 2020 年秋季大会 ２０２０年９月８日-１１日, 熊本大学

Zoom 開催

5. 前垣内舜, 宮川聖, 家永紘一郎, 金子真一, 小林天, 坂田英明, 大熊哲:
Se ドープした ZrTe3 の渦糸状態:
日本物理学会 2020 年秋季大会 ２０２０年９月８日-１１日, 熊本大学 Zoom 開催
6. 家永紘一郎, 林太弘, 田本豊嘉, 金子真一, 大熊哲:
熱電応答で探るアモルファス Mox Ge1−x 超伝導薄膜の量子臨界性:
日本物理学会 2020 年秋季大会 ２０２０年９月８日-１１日, 熊本大学

Zoom 開催

7. 田本豊嘉, 家永紘一郎, 依田正弘, 金子真一, 大熊哲:
超伝導アモルファス Mox Ge1−x 薄膜の磁場誘起絶縁体相における熱電応答 II:
日本物理学会 2020 年秋季大会 ２０２０年９月８日-１１日, 熊本大学 Zoom 開催
8. 金子真一, 土屋和樹, 村上明花里, 家永紘一郎, 坂田英明, 大熊哲:
走査トンネル分光法による直流駆動された渦糸格子の観測:
日本物理学会 2020 年秋季大会 ２０２０年９月８日-１１日, 熊本大学

80

Zoom 開催

9. 家永紘一郎, 林太弘, 田本豊嘉, 金子真一, 大熊哲:
アモルファス Mox Ge1−x 超伝導薄膜の量子臨界点近傍のゆらぎ:
日本物理学会 2020 年年次大会 ２０２０年３月１６日-１９日, 名古屋大学東山キャンパ
ス アップロード Zoom 開催
10. 宮川聖, 前垣内舜, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲:
可逆不可逆転移に及ぼす渦糸速度の影響:
日本物理学会 2020 年年次大会 ２０２０年３月１６日-１９日, 名古屋大学東山キャンパ
ス アップロード Zoom 開催 (物理学会学生優秀発表賞)
11. 前垣内舜, 宮川聖, 家永紘一郎, 金子真一, 坂田英明, 大熊哲:
Se ドープした ZrTe3 における渦糸ダイナミクス:
日本物理学会 2020 年年次大会 ２０２０年３月１６日-１９日, 名古屋大学東山キャンパ
ス アップロード Zoom 開催
12. 田本豊嘉, 家永紘一郎, 依田正弘, 林太弘, 金子真一, 大熊哲:
超伝導アモルファス Mox Ge1−x 薄膜の磁場誘起絶縁体相における熱電応答:
日本物理学会 2020 年年次大会 ２０２０年３月１６日-１９日, 名古屋大学東山キャンパ
ス アップロード Zoom 開催
13. 村上明花里, 土屋和樹, 小川貴史, 金子真一, 家永紘一郎, 坂田英明, 大熊哲:
走査トンネル分光法による直流駆動させた渦糸の観察 III:日本物理学会 2020 年年次大会 ２０２０年３月１６日-１９日, 名古屋大学東山キャンパ
ス アップロード Zoom 開催
14. 土屋和樹, 村上明花里, 小川貴史, 金子真一, 家永紘一郎, 坂田英明, 大熊哲:
走査トンネル分光法で観測する直流駆動された渦糸格子の方位:
日本物理学会 2020 年年次大会 ２０２０年３月１６日-１９日, 名古屋大学東山キャンパ
ス アップロード Zoom 開催
15. 家永紘一郎, 林太弘, 田本豊嘉, 金子真一, 大熊哲:
熱電効果で探る 2 次元超伝導体の異常金属状態 -量子臨界現象と渦糸状態- :ワークショップ「超伝導物質, トポロジカル物質」 ２０２１年 3 月２５-２６日, つくば
物質・材料研究機構（招待講演）
16. 大熊哲, 前垣内舜, 家永紘一郎, 金子真一:
可逆不可逆転移近傍の渦糸配置 −超秩序構造の創出・検出・制御−:
科研費新学術領域研究 ハイパーマテリアル Web 領域会議 ２０２１年３月１１日（Zoom）
17. 家永紘一郎:
熱電効果測定で探る 2 次元超伝導体の量子臨界現象と渦糸状態:
極低温研究支援センター研究発表会 ２０２１年１月２７日, 東京工業大学 大岡山キャンパス
18. 大熊哲, 前垣内舜, 家永紘一郎, 金子真一:
可逆不可逆転移近傍の渦糸配置:
科研費新学術領域研究 第 5 回 ハイパーマテリアル Web 領域会議 ２０２０年１２月９日（Zoom）
19. 大熊哲, 前垣内舜, 家永紘一郎, 金子真一:
動的秩序化と可逆不可逆転移:
科研費新学術領域研究 第４回 ハイパーマテリアル Web 領域会議 ２０２０年７月１６日（Zoom）

8120. 大熊哲:
Hyper vortex matter:
科研費新学術領域研究 第３回 ハイパーマテリアル Web 領域会議 ２０２０年５月１９日（Zoom）
21. 家永紘一郎:
熱電応答で探るアモルファス Mox Ge1−x 薄膜の異常金属状態と超伝導ゆらぎ:
極低温研究支援センター研究発表会 ２０２０年１月２１日, 東京工業大学 大岡山キャン
パス

国際会議

1. K. Ienaga, T. Hayashi, Y. Tamoto, S. Kaneko, S. Okuma
Quantum criticality inside the ﬁeld-induced metallic state in an amorphous superconducting thin ﬁlm
APS March Meeting 19 March 2021 (online)
2. K. Ienaga, T. Hayashi, Y. Tamoto, S. Kaneko, S. Okuma
Quantum criticality associated with the ﬁeld-induced superconductor-metal-insulatortransition in amorphous thin ﬁlms
33rd International Symposium on Superconductivity (ISS’20), Tsukuba, 2-4 December 2020. (invited talk)
3. S. Maegochi, K. Ienaga, S. Miyagawa, S. Kaneko, S. Okuma
Irreversibility transition caused by increased shear amplitude and vortex density
33rd International Symposium on Superconductivity (ISS’20), Tsukuba, 2-4 December 2020.
4. S. Maegochi, S. Miyagawa, K. Ienaga, S. Kaneko, S. Okuma
Eﬀects of the velocity on the reversible-irreversible transition in a periodicallysheared vortex system
33rd International Symposium on Superconductivity (ISS’20), Tsukuba, 2-4 December 2020.

82

7. 極低温研究支援センター・大岡山 利用研究室一覧（2020 年度）

所属

研究室

利用項目

所属

研究室

利用項目

物理学

田中研

He，N, 実

応用化学

田中(健)研

He, N

物理学

佐藤研

N

応用化学

田中(浩)研

He, N

物理学

平原研

He，N

応用化学

田中(克)研

N

物理学

金森研

He，N

応用化学

高尾研

He

物理学

松下研

He, N

応用化学

桑田研

He，N

物理学

中村研

N

応用化学

山中研

N

物理学

学生実験

He, N

応用化学

伊藤研

He，N

化学

西野研

He，N，実

応用化学

大友研

He，N

化学

腰原研

He，N

応用化学

村橋研

N

化学

沖本研

He, N

応用化学

一杉研

N

化学

石谷・前田研

He

応用化学

中嶋研

N

化学

江口研

He，N

応用化学

芹澤研

N

化学

工藤研

He，N

応用化学

石曽根研

N

化学

大森研

He，N

応用化学

佐藤研

N

化学

岩澤・鷹谷研

He

機械

八木研

N

化学

岡田・福原研

N

機械

平田研

N

化学

川口研

N

機械

井上研

N

化学

豊田研

N

機械

店橋研

N

化学

河野研

N

機械

伏信研

N

地球惑星

上野研

N

機械

野崎研

N

材料

早川研

He, N

電気電子

宮本研

N

材料

森研

He，N，実

電気電子

山田研

N

材料

早水研

N

電気電子

間中研

N

材料

鶴見・武田研

He, N

電気電子

Pham Nam Hai 研

He，N

応用化学

古屋(秀)研

N

電気電子

安岡研

N

応用化学

鈴木(栄)研

N

電気電子

中川研

He, N

応用化学

伊原研

N

電気電子

小寺研

He，N, 実

応用化学

安藤(慎)

N

電気電子

波多野・岩﨑研N

応用化学

高分子-本館

He

環境・社会

佐々木栄一研N

応用化学

高分子-東２

He

未来研

浅田研

He

83

所属

研究室

利用項目

未来研

河野研

He, N

生命理工

二階堂研

N

生命理工

蒲池研

He

化学生命科学研

藤井研

N

地球生命研

地球生命研共通He

先導原子力研松本研N

先導原子力研鷹尾研He

総合安全管理セ

施設安全企画課

N

物理・極低セ

藤澤研

He，N

物理・極低セ

大熊研

He，N, 実He：液体ヘリウム，N：液体窒素, 実：共通実験室

84

8.

2020 年度

運営委員・専門委員・職員名簿

運営委員会委員
所
属
職名
極低温センター長 教 授
物理学系
物理学系
教 授
極低温センター(兼)物理学系
教 授
極低温センター(兼)科学技術創成研究院 教 授
極低温センター(兼)科学技術創成研究院 教 授
極低温センター(兼)
理学院長
教 授

氏
名
田中秀数
大熊

哲

藤澤利正
川路

均

宗片比呂夫
山田光太郎

理学院
物理学系
理学院
化学系
工学院
システム制御系
物質理工学院
応用化学系
物質理工学院
材料系

准教授

平原

徹

教

授

腰原伸也

准教授

大山真司

教

授

安藤慎治

教

授

北本仁孝

生命理工学院
生命理工学系

教

授

徳永万喜洋

専門委員会委員
所
属
職名
理学院
教 授
物理学系
理学院
教 授
化学系
物質理工学院
教 授
材料系
物質理工学院
教 授
応用化学系
工学院
准教授
電気電子系
理学院物理学系
教 授
極低温センター(兼)理学院物理学系
教 授
極低温センター(兼)極低温センター 技 術
（技術部）
職 員
専門委員会委員

大岡山
氏
名
田中秀数
腰原伸也
森 健彦
大友 明
小寺哲夫
藤澤利正
大熊 哲
藤澤真士

科学技術創成研究院 教
極低温センター(兼)科学技術創成研究院 教
極低温センター(兼)

授

すずかけ台
宗片比呂夫

授

川路 均

生命理工学院
生命理工学系
生命理工学院
生命理工学系
物質理工学院
応用化学系

教

授

占部弘和

助

教

池田 博

教

授

冨田育義

科学技術創成研究院

教
教

授
授

穐田宗隆
大熊 哲

技 術
専門員

清 悦久

セ ン タ ー 長・教授（併）田中 秀数（大岡山 本館 2F 243
大岡山地区部門長・教授 (兼)大熊 哲（大岡山 極低温センター2F
教授 (兼)
藤澤 利正 （大岡山 本館 2F 240
技術職員
藤澤 真士 （大岡山 極低温センター1F
技術支援員
金本 真知 （大岡山 極低温センター1F
すずかけ台地区部門長・教授 (兼) 川路 均
（すずかけ台 J1 棟 701
教授 (兼)
宗片比呂夫 （すずかけ台 J3 棟 1217
技術職員
出川 悦啓
（すずかけ台 S7 棟液化室

内線 3541）
内線 3252）
内線 2750）
内線 3253）
内線 3253）
内線 5313）
内線 5185）
内線 5908）

理学院物理学系
極低温センター(兼)すずかけ台分析
支援センター85