1-5 物理学科研究活動報告●学科●学科専任教員

物理学科
石川晃（教授）久保康則（教授）
鈴木俊夫（教授）
高橋博樹（教授）
滝沢武男（教授）
千葉剛（教授）平本尚（教授）水野伸夫（教授）
望月章介（教授）
藤代史（助教）冨田崇弘（助教）
小川直樹（助手 A）【研究の概要および結果 】
物性物理学における理論的・実験的研究
走査電子顕微鏡を用いて，タンパク分子に金ナノ結晶を標識して wet cell に密閉し，分子の運動に伴う金ナノ結晶の方位の変化を，電子後方散乱回折法（EBSP）を用いて計測し，それから分子運動を求める計測法（DiffractedElectron Tracking; DET）の開発を目指している。まず，金ナノ結晶の微細な運動を計測可能なことを実証するために，カーボン蒸着薄膜に保持した金ナノ粒子を wet cell に密閉した試料について，水分子の衝突による金粒子のブラウン運動による結晶方位の変化を計測し，10-2rad の精度でブラウン運動が計測可能であることを実証した。
（石川，小川）
局在性の強い f- 電子と，結晶中を遍歴する伝導電子との 2 種類の相互作用（RKKY，近藤効果）の競合から出現する重い電子状態と磁気秩序が温度と圧力の変化でさまざまに変化する電子状態をこの研究で探る。研究対象はここ十数年来研究され未解明の問題，CeRu2Si20 における f- 電子が高温で局在状態，低温で遍歴状態に転移することを，実験と理論両面から解決すること。一方，Ce と相補的な Yb を含む重い電子系化合物 YbT2Zn20（T=Fe, Co, Ru, Rh,Os, Ir）を取り上げる。この系は高濃度近藤系をなし，従来見られたことのない比熱係数の大きさ 7900mJ/mol・K2を取る T=Co を中心に，最近行われたドハ - ス・ファンアルフェン（dHvA）効果の実験と第一原理計算によるフェルミ面極値断面積の比較を行い，フェルミエネルギ - 付近の電子状態を明らかにする。
CeRu2Si20 においては，高分解能コンプトン散乱の高温・低温での実験結果の再構成解析と第原理計算により，f電子の高温での局在状態，低温での遍歴状態を突き止めることが出来た。YbT2Zn20（T=Fe, Co, Ru, Rh, Os, Ir）の系については，第一原理計算により f- 電子状態の振る舞いは T 原子に起因する d- 電子状態の特徴と Zn 原子の p- 電子による，d-f 混成，p-f 混成が重要である事が明らかになった。
CeRu2Si20 については，f- 電子の高温・低温での局在・遍歴転移の直接的な解明が出来，重い電子系の理解に貢献することが出来た。希土類が Yb の場合には Ce と比べて f- 電子の局在部分と遍歴部分が共存していて，Ce 系には見られない特異な現象が観測されており，この研究を足がかりにその特異性を今後探る。

（久保）

鉄系新高温超伝導体の発現機構に関する知見を得るために，鉄系超伝導体（La1-xSrx）Fe2As2 の高圧下での，電18気抵抗測定，帯磁率測定，X 線回折測定を行った。 この物質は最近電子ドープで超伝導を示すことが発見され，キャリアドープを進める目的で圧力実験を行ったが，圧力下で構造相転移が起きる事がわかり，Tc も圧力下で減少することがわかった。超伝導発現と結晶構造の関係について考察を進めている。

（高橋，冨田）硫化物ならびに酸化物蛍光体の作製とその蛍光特性の研究を行った。遷移金属あるいは希土類イオンを光学バンドギャップの大きな結晶中にドープすると d あるいは f 電子準位に起因する発光が生ずる。このうち f 準位に起因する発光は，母体の影響を受けにくく，自由イオンの発光準位を基にして種々の発光波長の蛍光体を設計することが可能である。現在，当研究室では，光学吸収端約であるアルカリ土類チオガレートに，上記イオンをドープし，青から赤までの種々の発光を示す蛍光体の作製に成功している。この内，赤色は，現段階では，強度が弱く実用材料として不適である。本研究では，遷移金属イオンと希土類イオンの二重添加により，弱い赤色発光の増強をめざすと共に増強の機構の解明を行う。
イオンによる赤色発光の増感が f-d 電子軌道の重なりと交差緩和によることをほぼ明らかにした。また，ESR の測定結果から Mn のサイトが Ca の独立な 3 つのサイトであることも判明した。しかし，増強されたときに Mn が同じサイトに普遍的に存在するかは，まだ不明である。今後これを確認するめドープ量を変えた種々の単結晶試料を作製し，さらに詳細な研究を行う。

（滝沢）

準周期的固体中での電子の輸送現象に関する研究，特に，絶対零度で期待される異常量子拡散から高温での正常拡散にいたる温度変化のプロセスおよびメカニズムを明らかにするための計算機実験による研究を進め，一部の結果をいくつかの研究会（「異常系のダイナミクス研究会」（2011 年 1 月，伊豆）他）で発表した。

（平本）

新しい光機能を有した物質の探索する事を目的として，レーザーアブレーション法，高周波スパッタリング法等で薄膜を作製し，高輝度白色発光体，可視光応答型光触媒，カラーフォトメモリー物質を探索している . これまでに多種類の金属酸化物で光触媒機能や白色発光の高輝度化を見つけている．ほかに，最近は CO2 の利用研究も行っておりそれらの研究結果について，本年 6 月にフランスのディジョンで開催された CO2 利用の国際会議で 1 篇の論文発表およびニュージーランドのネルソンで開催された半導体の欠陥の国際会議で 2 篇の論文発表を行った .
（望月）
二酸化炭素吸収材料の吸収能と結晶構造との相関関係の解明を行った。Ba2Fe2O5 の単相試料を合成し CO2 吸収材料としての妥当性の評価を試みた。Ba2Fe2O5 の CO2 吸収・放出反応を熱重量測定及び X 線構造解析により定量的に評価，また，熱力学計算によりこの反応の可逆性を確認した。
CO2 気流中での熱重量測定及び測定前後の試料粉末の X 線構造解析により，Ba2Fe2O5 が可逆的に CO2 吸収・放出反応を示すことを明らかにした。また，この反応のエリンガム図を初めて作成し，実際の CO2 分圧下でもこの物質が CO2 と十分に反応を示すことを示唆した。しかしながら，本研究では CO2 分圧が 1 気圧下での実験のみである
ため，Ba2Fe2O5 の CO2 吸収特性の解明には実際の CO2 分圧下での反応速度の見積もりが必要不可欠な課題であると考えられる。

（藤代）

原子核物理，宇宙物理に関する研究
新しい殻模型ハミルトニアンを用いて，原子核での弱過程，すなわち電子捕獲反応，ニュートリノ反応およびベータ崩壊，のより正確な評価を行い，元素合成過程に及ぼす影響の重要性を示した。特に Ni 同位体からの電子捕獲

19反応の高温，高密度条件下での捕獲率の評価の著しい改良に成功した。
中性子過剰核の存在限界（中性子ドリップ線）は多くの同位体で安定核から大きく離れているが，酸素同位体では中性子ドリップ線が安定核に異常に近く中性子数 16 を超えると束縛されなくなる。この異常は長年の謎だったが，核子間の 3 体力がこの酸素同位体の存在限界の異常を説明する上で決定的に重要な役割を果たしていることを初めて示した。

（鈴木）

WMAP 衛星や SDSS サーヴェイなどの天文学的観測から宇宙の大規模構造の種になる密度揺らぎは，ほぼスケールよらないスペクトルを持つことが明らかになってきた。そのような揺らぎを生成する有力なメカニズムとしてはドジッター膨張（加速膨張）時におけるスカラー場の量子揺らぎがある（スローロールインフレーション）。インフレーションは，ビッグバン宇宙論にまつわるさまざまな微調整の問題を解決し，なおかつスケール不変な密度揺らぎを予言する理論であり，現代宇宙論のパラダイムとなっている。また，さらには近年の天文観測から宇宙は現在加速膨張していることも明らかになってきた。この加速膨張源としてはアインシュタインの宇宙定数や軽くてゆっくり動く（スローロールする）スカラー場が考えられている。

そこで，本研究では，多成分スカラー場でのインフレーションモデルを考えさらにスカラー場の重力相互作用も一般化したモデルでのスローロールの条件を，宇宙初期のインフレーションにとどまらず現在の加速膨張を含めたモデルに対しても適用できるような形で求めることを目的とする。
多成分スカラー場で重力相互作用も一般化したモデルを考え，そのモデルにおけるスローロール条件を導出した。また，条件式で用いられるスローロールパラメターを用いた密度揺らぎのスペクトルや重力波のスペクトルのコンパクトな公式を導出することに成功した。さらには，スカラー場が宇宙の主成分でない状況にも適用可能なスローロール条件も見出すことができた。重力相互作用を一般化した場合についても条件式を求めることに成功した。スローロールの運動方程式から，スカラー場の加速度・速度比の符号が重力相互作用が minimal か nonminimalかでまったく異なることが明らかになった。観測的にスカラー場の重力相互作用を決定できる可能性を指摘した。
（千葉）
電気推進ロケットの一つであるホール推進機の実験結果から磁場配位のモデル式と電圧・電流に対する経験式を導出した。それらの結果から粒子速度や回転半径を求め，推力，比推力を計算し，推進剤流量を変化させたときの放電電圧 - 放電電流特性，消費電力に対する推進性能を調べた。その結果，計算値と実測値の間の対応関係があることがわかった。

（水野）［学会発表］
石川晃「Wet Cell SEM による水中の金ナノ結晶方位の EBSP 計測」日本顕微鏡学会 66 回学術講演会（2010 年 5月 25 日）

久保 康則 ｢YbCo2Zn20 のメタ磁性 ｣ 日本物理学会

2010 年 秋季大会

9 月 23 日

久保 康則「重い電子系化合物 CeRu2Si2 におけるコンプトンプロファイルの温度変化測定」日本物理学会
春季大会

2011 年3 月 25 日

高橋博樹 “Pressure studies for iron-based superconducor Fe（Se, Te）” The International Conference on Quantum
Phenomena in Complex Matter（Superstripes 2010）（2010 年 7 月 29 日）（招待講演）
高橋博樹「LaFeAsFxO1-x（x=0，0.05，0.08，0.1，0.14）の高圧下 NMR」日本物理学会（2010 年 9 月）
滝沢武男「CaGa2S4: Eu 発光への Ho 共添加の影響」応用物理学学術講演会（2010 年 9 月 15 日）

20滝沢武男「CaGa2S4: Eu 発光への Ho 共添加効果」応用物理学会多元系機能材料研究会年末講演会（平成 22 年 11 月19 日）
望月章介「金属酸化物の固体結晶及びナノ結晶の紫外レーザー光誘起現象Ⅱ」日本物理学会第 66 回年次大会（2011 年 3 月 27 日）
望月章介「金属酸化物の固体結晶及びナノ結晶の紫外レーザー光誘起現象」日本物理学会 2010 年秋季大会（2010年 9 月 25 日）
鈴木俊夫 “Gamow-Teller and First-Fobidden Transition Strengths in Astrophysical Processes” International Nuclear
Physics Conference 2010（INPC2010）､Univ. of British Columbia, Vancouver, Canada.（2010 年 7 月 9 日）
鈴木俊夫 “Electron Capture Reactions and Beta Decays in Astrophysical Environments” The 3rd International
Conference on Frontiers in Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions（FINUSTAR3），Rhodes, Greece.（2010 年 8 月 23 日）
千葉剛 “Slow-roll dark energy” invited talk at the 20th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan（JGRG20）（2010 年 9 月 24 日）

千葉

剛 “Cosmology with TMT” ,「TMT で切り拓く 2020 年代の新しい天文学」招待講演，国立天文台（2010 年 10月 5 日）

水野伸夫「低電力円柱型ホール推進機（CHT）の電気特性と推進性能に関する実験と理論」電気学会（2010 年 9 月13 日）
藤代史「Ba2Fe2O5 の CO2 吸収特性の熱力学的解析」日本セラミックス協会 2011 年年会（2011 年 3 月）

藤代史「熱力学による Ba2Fe2O5 の CO2 吸収反応の解析」電気化学会第 78 回大会（2011 年 3 月）

［学術論文］
石川晃

・Akira Ishikawa, Yasuhisa Hirohata, Yuji C. Sasaki “Dynamical Observation of Motion of Gold Nano-Crystal in Water
using Diffracted Electron Tracking（DET）with Use of Wet Cell SEM” Proceedings of 17th International Microscopy
Congress, I10.13（2010）
久保康則
・“Metamagnetic Behavior in Heavy-Fermion Compound YbIr2Zn20 ” Journal of the PhysicalSociety of Japan 79，064609-064613（2010）．
・“Contribution of f electron to the change of electronic structure in CeRu2Si2 with temperature: A Compton scattering
study” Physical Review Letters 106 136401-136404（2011）
高橋博樹
・“Magnetic fluctuations and superconductivity in LaFeAsO1-xFx under pressure as seen via 75As NMR” Phys. Rev.
B82（2010）172502 1-4 published on 2010 November 4 American Physical Society
・“Electron tunneling using STM/STS on iron-based oxypnictides” Physica C 470（2010）S315 S316 （December,2010）Elsevior Proc. of the 9th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity
滝沢武男
・“Toshimitsu Obonai, Chiharu Hidaka, Shigetaka Nomura, Takeo Takizawa “ ESR study of Mn2+ red emission inCaGa2S4 codoped with a REE” Optical Materials 32（2010）1637-1641
・Takeo TAKIZAWA, Toshimitsu OBONAI, Shigetaka NOMURA1, and Chiharu HIDAKA “Effect of Rare Earth Element21

Codoping on the Mn Red Emission in Ca and Sr Thiogallates. Focusing on Its Mechanism through Electron Spin
Resonance Study of Single Crystals” Jpn. J. Appl. Phys. 50（2011）
望月章介
・S. Mochizuki, T. Saito “CO2-enhanced photoluminescence intensity of various metal oxides” 11th International
Conference of Carbon Dioxide Utilization”
・S. Mochizuki, T. Saito, K. Yoshida “UV-laser-light-controlled photoluminescence of metal oxide nanoparticles indifferent gas atmospheres: BaTiO3, SrTiO3, HfO2” Physica B (2011) 10.1016/j.physb.2011.08.057.
鈴木俊夫
・T. Suzuki, M. Honma, T. Yoshida, H. Mao, T. Kajino, T. Otsuka “Spin-dependent Nuclear Weak Processes andNucleosynthesis in Stars” Progress in Particle and Nuclear Physics 66（2011）385-389.
・T. Otsuka, T. Suzuki, J. Holt, A. Schwenk, Y. Akaishi “Three-Body Forces and the Limit of Oxygen Isotopes” PhysicalReview Letters 105（2010）032501.
千葉剛

・Takeshi Chiba, Kohei Kamada, Masahide Yamaguchi “Gravitational Waves from Q-ball Formation” Phys. Rev. D81,083503（2010）．
・Takeshi Chiba “The Equation of State of Tracker Fields” Phys. Rev. D81, 023515（2010）．

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