物質中の電子の世界は、我々の最も近くに拡がる量子力学の世界です。多数の原子が化学的に結合した凝縮体である固体では、結晶という物質固有の構造を舞台に、膨大な数の電子やスピンが強く相互作用しあうことで、実に多様で魅力的な物理現象を引き起こします。その顕著な例が、強く相互作用しあう電子系 ― 強相関電子系― で実現する非従来型超伝導やエキゾチック電子状態、量子臨界現象といった現代物理学における重要問題とされるものたちです。更に、強く相互作用する電子系では、これまで素粒子の世界でのみ議論がされてきた様々な粒子が、新奇な"準粒子"として存在することが近年明らかになってきており、これらは素励起として実験的に観測されます。当研究室では、極低温・強磁場における精密熱測定や電子/熱輸送測定、磁気異方性測定、超伝導磁石による発生磁場を大きく超えるパルス強磁場での測定、超純良単結晶の育成など、様々な実験手法やその開発を通じて、新しい物理学を開拓することに取り組んでいます。
強相関電子系の物理は、素粒子物理学や宇宙物理学など、全ての物理学の分野の中で、最も多くの研究者が熱中し、研究に取り組んでいる分野です。日本物理学会で最も多くの講演数があり、活発な議論がされているのもこの分野で、非従来型超伝導やエキゾチック電子状態の研究は、その中でも特に中心的な研究課題です。本学は超伝導研究の最前線で成果を挙げているエキスパートが集結した国内屈指の研究機関であり、相互の連携もしながら研究を進めています。
非従来型超伝導
物質中の電子は量子力学に従って振る舞います。その中において超伝導は、量子現象がマクロに現れる自然界で最も美しく劇的な相転移現象の一つです。超伝導は今から100年以上前、H. Kamerlingh Onnesにより発見された現象ですが、現在の先端の凝縮系物理学においても最重要研究課題の一つであり、その要因を与えているのが非従来型超伝導体と呼ばれる物質群の存在です。非従来型超伝導体の研究、特にその発現機構解明において最も重要となるのが、 超伝導秩序関数の決定と超伝導状態近傍で実現する異常な電子状態の解明の二点です。前者においては、超伝導秩序関数の対称性を直接的に反映する超伝導ギャップ構造の決定が最も重要であり、これには低エネルギーの準粒子励起を明らかにすることが重要となります。一方、後者においては、常伝導状態でのスピンや軌道の揺らぎ、及びその秩序状態の形成を実験的に捉えることが重要となります。当研究室ではこのような非従来型超伝導の研究を主要なテーマとして、その実験的研究に取り組んでいます。
エキゾチック電子状態
物理学において「対称性の破れ」は最も重要かつ普遍的な概念の一です。強相関電子系においては、様々な対称性の破れを伴った新奇なエキゾチック電子状態の存在が明らかになってきており、その探索と解明は現代物理学における重要課題の一つとなっています。特に近年では、電子系の物理を液晶などのソフトマターになぞらえて統一的に理解する「量子液晶」ともいえる新概念が急速に注目を集めており、凝縮系物理学における新たな潮流となりつつあります。実際、電子の液体状態であるフェルミ液体と、クーロン斥力により電子が凍結した固体状態にあたるモット絶縁体状態の中間領域では、電子の集団が特定の方向に揃った液晶のような状態が創発され、回転対称性の破れた電子ネマティック状態と呼ばれるエキゾチック電子状態が、銅酸化物高温超伝導体、鉄系超伝導体、重い電子系超伝導体、更にはトポロジカル超伝導などで見出されてきています。私達は超高感度の磁気トルク測定など、バルク物性測定を通じて、電子ネマティック状態に関するパイオニア的な研究に取り組んでおり、最前線で活躍する研究者で構成される大型プロジェクト・科学研究費補助金・新学術領域研究「量子液晶の物性科学」に中心メンバーとして参画しています。また科研費・基盤研究(A)「時間および空間反転対称性を破る奇パリティ・アナポール秩序の解明」を通じて、よりエキゾチックな電子状態の探索に臨んでいます。
量子臨界現象
反強磁性秩序など、秩序相への相転移を圧力や磁場、化学組成などのパラメータにより抑制した際、絶対零度においても現れる相転移点は「量子臨界点 (Quantum critical point)」と呼ばれ、その近傍では量子揺らぎが物性を支配する量子臨界領域が拡がります。量子臨界点近傍では金属の標準理論であるフェルミ液体論から逸脱した異常物性が現れ、更には、非従来型と考えられる超伝導がしばしば出現します。量子臨界現象と非従来型超伝導の解明は現代の物性物理学における最重要課題の一つです。私達は、これまで実現がされてこなかった電子ネマティック状態が示す量子臨界現象の研究に注力し、これと 非従来型超伝導の関係解明に取り組んでいます。
高感度物性測定の開発
物理学の発展は、常に精密物性測定技術の進歩が絡み合うことでもたらされてきました。私達の研究室では高感度物性測定の開発にも注力し、比熱や磁気トルク測定の高感度化や、パルス強磁場中での独自の熱測定の開発に取り組んでいます。これらは世界でもごく限られた実験技術であり、新物質や純良単結晶の開発と新しい精密物性測定とが有機的に絡み合った研究を展開可能とすることで、新奇な物性の開拓と解明を目指しています。また、欧州の強磁場施設において、未踏の定常磁場下での熱輸送測定の立上げに取り組み、このオンリーワンの測定技術により、新奇超伝導状態や量子スピン液体状態などにおける準粒子励起を明らかにし、未踏の物理を切り拓いていきます。2022年度には、欧州磁場研究機構(EMFL-Nijmegen)での強磁場実験を目的とした6年間のプロジェクトとして、科研費・国際共同研究加速器金「極限定常磁場下での精密熱輸送測定の実装とエキゾチック凝縮相の物性開拓」が新たに採択されました。博士課程に進学をされる学生も欧州での実験に参画してもらいます。