磁性体の量子多体現象を極めるRSSTweet2016.10.20物理学は、自然界に起きるさまざまな現象の中に法則性を見い出し、それを体系化していく学問です。その対象は、素粒子、原子核という極微のスケールから始まり、多彩な構造や性質をもつ原子レベルの物理、さらに我々を取り巻く宇宙まで、あらゆるものを対象にしています。物理学系の研究室では、そのほとんどすべての領域をカバーし、世界をリードする最先端の研究が行われています。研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介。今回は、磁性体の量子多体現象を極める、田中研究室です。研究テーマ磁性体で現れる新奇な多体現象と量子現象の発見と解明。磁性体を中心とした新物質開拓。磁気共鳴などを主に量子効果と多体効果の観点から研究しています。磁性体を中心に新物質開拓に力を入れています。研究のスタイルは、実験試料すなわち結晶を自ら作成し、物質の磁性を様々な実験手段で調べることを基本方針にしています。実験は私達の研究室の装置及び、共同利用施設の装置を利用しています。他機関との共同研究も積極的に行っています。通常の強磁性体や反強磁性体ではスピンの秩序化が何の問題も無く起こります。ような系では、人間社会と同じように三角関係が生じてしまい、フラストレーションが溜まってスピンの秩序化がすんなりと起こりません。その分、逆に顕著な量子効果が現れます。このような磁性体の問題児の変わった振る舞いはなかなか興味深いものがあります。スピン状態と磁場中で起こる磁化の量子化現象。(2)様々な結晶構造をもつ磁性体の新奇な量子現象スピンを担う磁性原子が特殊な構造をもつ磁性体では量子効果のために基底状態が磁場を加えても磁化がでないシングレット状態になることがあります。磁化曲線に磁場を増加しても磁化が変化しないプラトーが幾つか出現することがあります。図:Ba2CoSi2O6Cl2の結晶構造と磁化曲線。基底状態がスピンシングレットで励起状態との間にギャップがある磁性体をスピンギャップ磁性体とよびます。このスピンギャップ磁性体にギャップを壊すほどの強い磁場を加えると、ある温度で磁気秩序が起こります。この磁場誘起相転移はマグノン(スピン対のトリプレット状態)のボース-アインシュタイン凝縮であることが分かりました。マグノンのボース-アインシュタイン凝縮を起こるとマグノンのコヒーレントな流れが生じる可能性があります。これを是非観測したいと考えています。図:左は研究対象のスピンギャップ磁性体TlCuCl3の結晶構造。右は磁場中のマグノンを表す模式図。上記(1)~(3)の研究対象となる物質を私達の研究室で多数発掘開拓してきました。良質の結晶は内に潜む物理を暗示するかのように深い深い色をたたえていて、いつまで見ても見飽きません。新しい物理現象は新しい物質から生まれるという信念の下に、磁性体を中心に新物質開拓に力を入れています。田中先生より学生は、一人一人が自身の研究テーマを持っています。一つの物質の研究全般を一人の学生が受け持っています。上級生の手伝いというようなことがないようにしています。言っても、実験は一人でできないことが多くありますので、互いに協力しあって行っています。当研究室に頭の切れる学生は一人もいませんが、それぞれが真摯に研究に取り組み、なかなかの成果をあげていると思います。研究に何より大切なことは、物理への思いと根気です。大学院生は殆ど全員が一年生の実験のインストラクターとして本学の基礎教育の一翼を担っています。tanaka@lee.phys.titech.ac.jp※この内容は掲載日時点の情報です。東工大の教育に関連するWebサイトの構成です。