特任研究員Title固体高次高調波の理論的研究:一次元模型シミュレーション、三次元原子論的シミュレーションによるアプローチAbstract低い光子エネルギーを持った高強度コヒーレント光の実現により、こうした光で誘起する固体における電子の非線形ダイナミクスの観測が可能になった。した現象の中で最も基本的なものの一つである。その物理が良く理解できる。ステップ模型の固体版の拡張以外の様々な物理が表れることが理論的、実験的に示唆されており、活発に議論が行われている。シミュレーションを通じて、我々はこうしたメカニズムの解明に取り組んでいる。半古典的な記述法と、三次元原子論的シミュレーションを用いた実験との直接比較について紹介する。Title永久スピン旋回の直接観測と時空間ダイナミクス制御Abstract電子は電荷の性質と共に磁気的性質である「スピン」の自由度を持っている。スピンの情報は非常に失われやすいが、現在日常的に取り扱われるマイクロスケール、ナノスケール領域ではスピン自由度も保たれるため、電気輸送と磁性が互いに影響を及ぼす効果が容易に観測される。代表的な効果としては、磁気抵抗効果やスピントランスファトルクがあり、これらは不揮発性の磁気抵抗メモリに利用されている。この電子の持つスピン自由度は磁化だけでなく他にも光の偏光や熱、音波といった物理量と変換可能であるため、様々な新機能デバイスの担体としても期待されている。いった要素技術の確立が必要であるが、これらすべてにおいて重要な役割を果たすのがスピン軌道相互作用である。スピン軌道相互作用は運動する電子スピンに有効磁場を与えることができるため局所スピン操作を可能にするが、この有効磁場はスピンを急速に緩和させる原因となり、スピンを有効に利用できる時間や輸送距離には大きな制限がある。GaAsなどの化合物半導体の二次元量子構造においては2種類の異なるスピン軌道相互作用を利用でき、ある条件下ではスピン緩和が完全に抑制される「永久スピン旋回」状態が実現される。失われやすいスピン情報を長時間保った状態で、局所的なスピン操作が可能となる。本セミナーでは、スピントロニクス分野におけるいくつかの研究成果を紹介するとともに、半導体スピントロニクスにおいて注目を集めているスピン軌道相互作用を利用した永久スピン旋回状態の観測とスピン空間分布制御についてお話したい。2]としての破壊現象について紹介したい。以下に概要を述べるような,化学-力学共役現象としてのゲルの破壊実験[2]の結果報告を主体に話す:水で膨潤したアクリルアミドゲルの破壊エネルギー測定を,ゲル内部の水と相溶する各種の液体をき裂先端に滴下しながら行った。滴下液体も水である場合,遅い亀裂進展測度での強度エネルギーが低下した。ポリアクリルアミドにとって貧溶媒(ゲル網目を収縮させる)であるエタノールを注入した場合,破壊エネルギーは著しく増加した。エチレングリコールやグリセリンを滴下した場合,それらが水と同じくポリアクリルアミドの良溶媒であるにも関わらず,貧溶媒のエタノールと同様に破壊エネルギーが増大した。この高分子と滴下溶媒の熱力学的相互作用(良or貧)では説明できない結果を,き裂先端での3成分(水,高分子網目,滴下溶媒)拡散のダイナミクスという観点から考察する。Title様々な形状の自発運動するゲル粒子の作成Abstract[1]などのシミュレーションにより粒子のアスペクトレシオをパラメータとした自発運動する粒子の集団挙動の転移が見出されている。このような粒子形状変化による集団運動の転移を実験的に調べ、運動方法の詳細に依存せずに粒子形状だけで決まる普遍的な集団挙動を見出すことを目指している。device(CDSD)を用いて自発運動ゲルを作成した[3]。CDSDは遠心力を利用して構成要素が異なる複数の領域を持つ単分散ゲルを作る道具である[2]。アルギン酸ナトリウム水溶液をCDSD中のガラスキャピラリに封入し、遠心力によりキャピラリ先端から微小液滴を射出する。できた微小液滴はCDSDの底にある塩化カルシウム溶液中でゲル化する。θ管など複数の穴を持つガラスキャピラリを用いると、それぞれの穴の中の構成要素からなるゲルを組み合わせた球状粒子を作ることが出来る。今回は一部の穴にアガロースを含む溶液を入れた。作成した粒子を冷却後にEGTA溶液の中に入れるとアガロースを含む部分だけが残り、様々な形状のゲルが作れる。このゲルの一部に触媒や高誘電率の粒子を封入し、化学反応や電場を用いてゲルの自発運動を実現した[3]。NIMSジュニア研究員Title軌道ネマチック揺らぎによる高温超伝導Abstract鉄系超伝導体の典型的な相図において、反強磁性相よりも電子ネマチック相が超伝導相の近くに存在することが知られている。このことから、電子ネマチック揺らぎが超伝導の発現に重要な寄与をすることが期待される。dyzの2軌道からなるミニマルモデルを用いた。乱雑位相近似で軌道ネマチック揺らぎを取り入れ、線形化Eliashberg方程式を電子の自己エネルギー効果を含めて低温まで解くことに成功した。その結果、ノーマル状態、ネマチック状態のいずれからも超伝導転移が可能で、その転移温度は実験で得られているものと同程度であることがわかった。実験結果の特徴を捉えており、超伝導の発現に軌道ネマチック揺らぎが重要な寄与をしている可能性がある。助教Titleアクチン細胞骨格におけるモーター誘起応力の理論Abstractアクチン細胞骨格は真核細胞の細胞膜直下につくられるアクチンフィラメント(アクチン分子が連なってできる繊維状構造)から成るネットワーク状の構造である。ミオシンフィラメント(ミオシン分子が束になってできる構造)や架橋タンパク質によりアクチンフィラメント同士は結節されている。真核細胞の形状を支えるだけでなく、ミオシンの分子モーターとしての働きによる力を媒介することで能動的な細胞変形にも関与し、真核細胞の力学に重要な役割を担っている。当日は主に、このアクチン細胞骨格中でのミオシン分子モーター誘起の応力に関する我々の理論について話す予定である。真核細胞は遊走や分裂などに際してミオシンがアクチン細胞骨格中で生み出す収縮力を活用しているが、ミオシンがアクチンフィラメントに加える力が如何にしてネットワークの収縮力になるのかは自明ではない。我々はアクチン細胞骨格を表すミニマルな理論モデルを提案し、内部のミオシンが細胞骨格に与える応力を計算することで、収縮力が生じる機構とその条件を調べている。実際の細胞皮質骨格のように、アクチンフィラメントのネットワークが等方的かつ流動的な場合に着目して研究を進めた[1]。結果として、収縮力が生じるにはアクチンとミオシンだけでなく一定量以上の架橋タンパク質も不可欠であることが明らかになった。細胞骨格の各要素のターンオーバーがミオシン誘起応力に与える影響についても明らかにした。当日詳しく我々のモデルとその解析結果を説明したい。ArabiaTitle光触媒設計:定量的アプローチAbstract水分解用光触媒の開発が精力的に行われているが,多くの研究は材料の開発であり,定量的な物性の理解などはあまり進んでいないのが現状である。イオンの拡散からなると考察できる。我々研究グループではこれら水分解が起こる反応に関わる様々な特性を抽出し,様々なキャラクタリゼーションおよび理論計算を用いてあらゆる時間軸・空間軸に切り分けて定量化することで,光触媒の弱点を見出そうという試みを行っている。この方法が確立されれば,ある特性を選択的に改善する,すなわちスクリーニングではない正確な触媒設計が可能になりえる。当発表ではTa3N5光触媒をモデル光触媒として研究を行った結果を紹介し,このアプローチの意義を議論したい。特任助教TitleTa2NiSe5の励起子相における外場応答Abstractナローギャップ半導体あるいは半金属において、価電子帯の正孔と伝導帯の電子が自発的に励起子対を作って対凝縮を起こした相を励起子相と呼ぶ。この際、混成により半導体ではバンド端がフラット化し、半金属ではバンドギャップが開く。励起子相の存在は、超伝導相におけるクーパー対の凝縮とのアナロジーからBCS理論が登場してまもなく提案されたが、励起子は電荷が中性であることから実験での観測は非常に困難であり、当時は励起子相にある物質の発見には至らなかった。より物質のバンドが直接観測できるようになったため、いくつかの候補物質が提案されるようになった。バンド分散の変化を観測しただけでは励起子相の直接的な証拠とはならない。励起子相をよく説明する三本鎖模型を使用した理論研究を行い、この物質が励起子相にあるかどうかを調べる実験手法の提案を目的とする。そのために注目したのが超音波吸収係数と核磁気緩和率[1]、そして軌道磁化率[2]である。前者の超音波吸収係数と核磁気緩和率は、励起子相の波動関数の量子干渉が転移点直下のエネルギー吸収率に及ぼす影響を調べたものである。後者の軌道磁化率であるが、軌道磁化率は一般にバンド間効果が重要な役割を持ち、励起子相は価電子帯と伝導帯を必要とする多バンド系であることから、励起子相がバンドに及ぼす影響を調べる上で有用な物理量であると考えられる。本セミナーではこれらの成果について報告する。准教授Title空間反転対称性の破れた結晶におけるバンド構造とスピン分極―光電子分光による直接観測―Abstract近年結晶中の電子に働くスピン軌道相互作用の効果が高く注目されている。おいても、スピン軌道相互作用は本質的な重要を果たしている。強い物質を対象とした研究を行っている。ネルギー、運動量やスピンなどの情報を直接得られる実験手法である。新しいトポロジカル物質についても紹介する。ペロブスカイト太陽電池へ、その歴史と現状Abstract今世紀に入り、それまで主力であった化石燃料を用いた発電から、硫酸化物や窒素化物を排気しないクリーンなエネルギー源である太陽光を利用した発電に切り替える検討がなされてきた。この太陽電池の作製プロセスには真空系機器が用いられないことから低生産コストが見込まれるため、生産・設置コストと発電量から見積もられるエネルギーペイバックタイムが他の太陽電池と比べて短くなる可能性を有している。エネルギーペイバックタイムをより短くすることを目的に、低生産コストのための安価な材料開発と作製プロセス開発、さらに低設置コストのためのプラスチック基板による軽量化を目指した研究開発が行われ、かつ並行して単位時間当たりの発電量を増加させるための研究開発が行われてきた。ペロブスカイト太陽電池が生まれる経緯と、それらの研究開発の現状について述べる。大きな束縛エネルギーをもつ励起子が形成される。実験的にも理論的にもよく研究されてきた。準粒子(ポラロン)として振る舞う。励起子系が関わる光学過程にもその影響をが現れる。精密な理論と実験の比較がされてこなかった。近年我々が取り組んできたフォノンと結合した励起子系への理論的アプローチの開発を報告する。フォノン結合の影響がどのように現れるのかを議論する。教授Titleキラルらせん磁性体の物性と機能Abstract磁気秩序構造に様々な次元性を持つトポロジカル欠陥を作り込んで電流や外場によって制御しようという研究が活発に進行している。ランダウ理論によれば、秩序構造は結晶の幾何学的対称性によって括り込まれたものである。この意味で、秩序状態が織りなすトポロジカル構造も結晶の幾何構造の配下にある。我々はこのような視点に立って「キラル磁性結晶で実現するキラルらせん磁気構造」の研究を進めてきた。この種の磁気構造に磁場を印加すると、キラルソリトン格子と呼ばれるコヒーレントなスピン位相のストライプ秩序が安定化する。このストライプ構造は「周期的,非線形,非対称,トポロジカル」という性質をあわせ持ち,0.1テスラ程度という控えめな磁場でその空間周期を数十ナノメートルから結晶サイズまで連続的に制御することができる。本講演では、カイラルらせん磁気構造とキラルソリトン格子についての研究の現状と展望を紹介する。助教Title有機物分子性結晶が捉えたモット転移の量子臨界現象Abstract電子間の相互作用が強い系(強相関電子系)では、高温超伝導などの特異な現象が起きることが知られている。なかでも電子が結晶中に広がった金属から結晶中の各サイトに局在したモット絶縁体へと金属絶縁体転移を起こすモット転移は強相関物理の中心的なテーマの一つである。古くから研究されてきたモット転移であるが、近年その量子臨界現象について動的平均場理論などを中心とした理論研究が活発になっている(1)。モット転移の量子臨界現象が明らかになれば金属とモット絶縁体という全く異なる電子状態が移り変る過程を理解することができるため、その学術的価値は大きい。電子相関やバンド幅を連続的に変化させることが困難であることや、モット転移の量子臨界点が存在する系が知られていなどの理由から、その実験的研究は難しかった。注目することで、加圧による連続的なバンド幅制御を実現し、モット転移の量子臨界現象を実験的にとらえることを目指した(2)。具体的には、圧力温度相図上のモット転移近傍での電気抵抗をスケーリング解析することで量子臨界現象を検証した。その結果、基底状態に反強磁性秩序モット絶縁体、スピン液体、d波超伝導体、フェルミ液体など様々な状態を持つ、三つの異なる有機物質が、高温において普遍的に量子臨界現象を示すことを明らかにすることができた。得られた臨界指数やスケーリング関数が、動的平均場理論による結果と近いものであることがわかった。本発表では上記の研究内容に加え、分子性結晶におけるモット転移近傍の電子相についての背景紹介も行う予定である。谷口弘三氏らと共同で行われた。D3Title準周期系における相関効果Abstract広義の結晶でありながら並進対称性を持たない準結晶は、その発見から現在まで合金としての性質に注目した研究が精力的に行われてきた。準結晶物質は狭義の結晶が持ち得ない回転対称性を持つことが知られており、狭義の結晶とは異なる性質を持つことが期待される。Au51Al34Yb15において、今まで研究されてきた準結晶合金とはことなり、典型的な重い電子系の振る舞いを示すことや、近似結晶では発現しない量子臨界性を示すことが明らかにされた。これにより、準周期系における相関効果は、強相関系の新たな舞台となっている。本研究では、準結晶特有の性質である準周期性をもつ2次元ペンローズ格子に注目し、ハバードモデルを用いて局所電子相関に由来する電子物性について論じる。(R-DMFT)を用いて解析を行った。U/t~10で起こることを明らかにした。準結晶特有の幾何学構造により、モット転移近傍において非自明な繰り込まれた金属状態を発見したことを報告する。量子アニーリングと呼ばれる方式を採用した量子計算デバイスである。量子アニーリングは、1998年に門脇、西森によって理論提案がなされた日本発の計算技術である[2]。量子アニーリングは、量子揺らぎに駆動された自己組織化現象を用いた計算技術と考えることもできる方法である。これは組合せ最適化問題に対する最適解を効率良く得ることが期待されている汎用的な方法である。通信網、電子回路の最適化、作業人員の工程表作成など、あらゆる業界において内在するが、最適解を得ることが極めて難しい問題であるため、最適解を効率よく得る計算技術の開発が強く求められているという背景がある。我々は2009年から量子アニーリングの本格的活用を視野に入れた研究を進めてきた[3-7]。具体的には、クラスタ分析に対する量子アニーリングの有用性の検討である。クラスタ分析とは、膨大なデータを潜在的意味によって分類する方法を指し、機械学習の一手法である。量子モンテカルロ法を用いた擬似シミュレーションの結果、従来の手法であるシミュレーテッドアニーリングに比べ、量子アニーリングが有用であることを示唆する結果を得た。本講演は二部構成を予定している。第一部として、量子アニーリングの基礎の紹介を行う[8,9]。内部構造に関する解説も時間が許す限り行う予定である。数々の日本発の超伝導エレクトロニクス技術が用いられている[10,11]。続いて、我々の研究である量子アニーリングを用いたクラスタ分析について述べる。)との共同研究である。(KEK)Title超高エネルギー粒子で探る極限宇宙Abstractインフレーションから始まったと考えられている宇宙は、その進化の過程で様々な天体を生み出して来た。それら天体やそこで起こっている天体現象は、宇宙物理学の対象として伝統的に電波や光赤外、X線の観測により研究されて来たが、より高いエネルギーの粒子を放出する天体現象があることも知られてきた。eVにも及ぶ運動エネルギーを持つ原子核など、ダイナミックな天体現象の中でも極限的な環境でのみ生成されうる超高エネルギー粒子の起源についての研究が大きく進展し、この分野の研究は観測と理論の進展がうまく噛み合った非常に面白いフェーズにある。謎の一つである最高エネルギー宇宙線の起源問題を軸として、高エネルギー宇宙物理学の基本から始めて、最近の研究の進展と将来展望について紹介する。~Nepomnyashchii-Nepomnyashchii恒等式を中心に~AbstractBose-Einstein凝縮体が持つ性質を、Green関数論における近似理論によっていかに再現するかという試みについて、我々の研究成果[1,2]を紹介したい。BEC相を特徴づける非対角の自己エネルギーが、長波長かつ低エネルギー極限で消失するという自明ではない恒等式(Nepomnyashchii-Nepomnyashchii恒等式[3,4])を中心に議論を展開していく予定である。Bose系のGreen関数論は、Bogoliubovによる凝縮体成分の扱い方を土台にし、Beliaevによって整備されている。これをもとに、いくつかの恒等式が導かれている。Hugenholtz-Pinesの関係式[5]は自己エネルギーと化学ポテンシャルとの関係を与える。これは、一粒子励起がgaplessになることを意味する。Nepomnyashchii-Nepomnyashchii恒等式[3,4]は、非対角の自己エネルギーが低エネルギー極限で消失するという条件を与える。これは、Bogoliubov近似の結果とは異なり、その意味をすぐに捉えることは容易ではない。本セミナーでは、Bogoliubov近似などのいくつかの近似理論の問題点を列挙することから始め、Nepomnyashchii-Nepomnyashchii恒等式の起源、物理的意味を説明する。その後、Popovの流体力学的理論[6]を説明し、Nepomnyashchii-Nepomnyashchii恒等式の性質を満足する我々の近似法[2]をお話ししたい。Title原子価スキッピング現象における電荷近藤効果の微視的理論Abstract様々な元素が集まり化合物になった時、それぞれの元素のとりうる形式的なイオン価数は経験的に知られている。これらを系統的に整理することによって、周期表の第3∼5周期の多くの元素は、“イオン価数を飛ばす”現象があることが明らかにされている[1]。Biは、Bi3+やBi5+を含んだ化合物は多いが、Bi4+を含んだ化合物はできにくい。PbやAsなどの元素もBiと同様に、“イオン価数を飛ばす”現象が知られている。この現象は、原子価スキッピング現象と呼ばれている。最近、この現象と密接に関連した超伝導の存在を示唆する実験が、半導体PbTeに少量のTlをドープした系での超伝導で報告された[2]。Tlのイオン価数は、BiやPbと同様に、1価(6s2)と3価(6s0)に限られ、2価(6s1)はとらず、原子価スキッピング現象を起こす元素である。この現象は、6s軌道の電子間に強い引力が働いているため、6s1より6s2の方が安定化される現象と解釈することもできる。この引力(ネガティブUと呼ばれる)を起源とした超伝導体であることが示唆されている。多体効果により、6s0と6s2のエネルギー準位が縮退することが可能で、その場合、磁気的(スピン)自由度の代わりに、電荷の自由度を用いた電荷近藤効果が可能であることが知られていた。実際、PbTeに少量のTlをドープした系でも電荷近藤効果が観測されており、原子価スキッピング現象との関係が注目されていた。原子価スキッピングの起源と電荷近藤効果とを統一的に説明する微視的理論については、これまでほとんど議論されていなかった。そこで本研究では、原子価スキッピング現象と電荷近藤効果の出現に関して統一的な理解を行うために、電子対を遷移させるクーロン相互作用(ペアホッピング相互作用を含んだ一般的な不純物アンダーソン模型を構築し、その電子状態を数値くりこみ群を用いて詳細に調べた[3,4]。その結果、様々なクーロン相互作用が存在する模型においても、ペアホッピング相互作用が選択的に増大することがわかった。物理量の温度変化を計算した結果、温度を下げるにつれて、まず原子価スキッピング状態が出現し、さらに低温では電荷近藤効果が生じることを明らかにし、これらの現象を統一的に説明できることを示した。モデルパラメーターを変化させると、原子価スキッピング領域が低温まで生き残ることがわかった。セミナーでは、原子価スキッピング現象と電荷近藤効果の統一的理解について講演し、時間があれば原子価スキッピング現象による超伝導についても議論する予定である。Title線形パウルトラップを用いたトンネル効果中のアハラノフ・ボーム効果の実証Abstractトンネル効果は量子力学特異な現象にあるにも関わらず、トンネル効果中における量子力学的な振る舞いをこれまで観測する手段がなかった。発展に伴う量子状態制御技術を用いることにより、このような量子基礎論の問題に対して実験的にアプローチに可能となってきた。そこで本研究では、線形パウルトラップで補足した2次元配置されたカルシウムイオンを用いて、トンネル効果により状態遷移が起こる量子トンネル回転子を実現させた。実験的には、ミクロンオーダーの非常に大きいトンネル領域をもった実験系を組み上げることに成功した。そこに磁場を挿印し、量子干渉の影響を調べるとアハラノフ・ボーム効果によって予言できる干渉パターンが観測された。これにより、トンネル効果中においてもベクトルポテンシャルと荷電粒子は結合しているということを示すことができた。本講演では、実験の詳細に加え、この研究に派生するトンネル現象における基本的に問題に対して議論を行う。センター博士研究員)により行われた。Title有機モット絶縁体の相転移と電界効果トランジスタへの展開Abstract金属中の伝導電子間に生じるクーロン相互作用は、ある値より大きくなるとその伝導電子自身を固化させて金属を絶縁化する。モット絶縁体と呼ばれるこのような物質は外場に対して時に巨大な応答をすることが知られており、圧力や磁場・光によって相転移を引き起こす。本講演では、有機モット転移に電界効果をかけることによって誘起された相転移と、そのデバイス利用への展開を紹介する。