物性実験
| 研究室 | 研究室HP | 研究者紹介 (理学部HP) |
研究テーマ |
| 藤森研 |  |
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強相関電子系の電子状態の光電子分光を用いた研究 |
| 福山研 | |
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超低温における量子流体／固体および低次元電子系の実験研究 |
| 長谷川研 | |
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固体表面およびナノスケール構造の物性に関する実験的研究 |
| 岡本研 | |
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半導体２次元系における極低温下での新しい量子現象の探索 |
| 島野研 | |
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分光学的手法による固体電子物性の研究、光による物質相制御 |
| 髙木・北川研 | |
髙木 英典 北川 健太郎 |
固体電子物性、強相関電子系、量子臨界現象 |
| 林研 | |
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電子スピン物性 |
物性実験 ― 物質の中に見る宇宙 ―
物性物理学では、多様な物質現象の中から新たな物理の基本法則を抽出することを目指しており、その基本法則は次の新たな物質設計にも応用されます。物性実験の魅力は、対象とする物質試料が1つの宇宙であり、その宇宙を自在に設計創作でき、そして実験室内でさまざまな探りを入れてその宇宙からの応答をつぶさに見ることができる、というフレキシビリティと精緻さにあります。自由度の大きい系ですから、予期せぬ発見の驚き(serendipity)に遭遇することもあります。 私たち物性実験グループでは、高温超伝導、超流動ヘリウム、量子ホール状態、表面現象といった多彩な分野にわたって、(1)高品位の新物質を創り出す中から新たな物理を探索する、(2) 他にないユニークで強力な測定手段を使って対象にアプローチする、という2つの方法を組み合わせて研究を進めています。ぜひ、各研究室のホームページでより詳しい活動状況をご覧下さい。一見複雑に見えるさまざまな物質現象を、わずかな基本法則と大胆な近似を使ってその本質をつかみ取る。これは物理学の醍醐味そのものと言えるでしょう。
高温超伝導、巨大磁気抵抗、金属－絶縁体相転移など特異で多様な物性を示す”強相関電子系”の研究は、近年、理論物理、実験物理を巻き込んだ物性物理学の大きな流れとなっています。これらの興味深い物性が発現するメカニズムを、固体中の電子の量子力学・統計力学的振る舞いに基づいて解明し、新しい物理現象を発見・予言し、新しい物質を開発するのが強相関電子系の物性研究の目標です。
強相関電子系の研究は、物質開発と物性測定の高度な技術によって支えられています。物性研究の最も基本となる電子状態を直接測定できるのが”光電子分光法”で、強相関電子系のバンド構造・フェルミ面・超伝導ギャップなどを観測しています（図1）。得られた電子状態は、電気的・磁気的・熱的性質の定量的な理解、高温超伝導、巨大磁気抵抗、金属－絶縁体相転移のメカニズム解明の理論的研究の足がかりとなっています。
強相関電子系の物性解明、新物質開発は、半導体スピン・エレクトロニクス、酸化物強相関エレクトロニクスなど、次世代のエレクトロニクスとして期待されている新分野の大きな原動力となっています。デバイス応用時に重要となるのが、物質自体の物性とともに、異なる物質間の界面の物性です。界面の電子状態、特に界面でのみ出現する新奇な電子状態も、直接観測を行っています（図2）。
温度は物理学の中でも最も基本的な変数の1つです。極微の基本粒子を調べるため高エネルギーの実験を必要とする素粒子の世界に対し、物性物理学では、多数の粒子が凝集した物質全体の振る舞いを調べるため、できるだけ低エネルギー、すなわち低温環境で実験することが重要です。さまざまな技術を駆使して試料を少しでも絶対零度に近づけて、系固有の相転移、素励起、基底状態を明らかにするのが低温物理学で、熱擾乱のベールをはいだ低温の世界は新しい物理現象や物理概念の宝庫です。私達はそこに最先端の測定技術を組み合わせ、以下のようにその地平を拡げる努力をしています。
(1) ボース粒子であるヘリウム4やフェルミ粒子であるヘリウム3(3He)が凝集した液体・固体は、低温で超流動、磁性超流動、スピン液体、など粒子の統計性や量子力学が本質的な役割を果たすユニークな物理現象を示す物質系で、量子流体・量子固体と呼ばれます。図1Aは１原子層の2次元 3Heで観測した熱容量異常です。核磁気共鳴測定や理論計算も併用して詳しく調べた結果、この系では図1Bのように空格子点が絶対零度でも結晶性を保ったまま動き回ることで新しいタイプの量子流体が実現していることが分かってきました。2次元系には3次元系とは異なる多くの新奇な物性が隠されています。
(2) 私達が開発した超低温走査トンネル顕微鏡 (ULT-STM：図2A)は、超低温・高磁場下で物質表面の電子状態を原子分解能をもって調べることができる、世界でも有数の装置です。この装置を使ってグラファイト表面の擬2次元電子系が磁場中でランダウ量子化する様子を捉えたのが図2Bで、図2Cはそのときの電子の局在を示す波動関数の空間分布です。これらの実空間観測で、量子ホール効果を理解する上で不可欠のランダウ量子化と電子局在の関係が初めて可視化できるようになりました。この他にも、ULT-STM装置の高い能力と機動性を活かして、グラフェン(1原子層のグラファイト)、半導体量子ドット、異方的超伝導体など幅広い物質の電子物性研究を内外のグループとも共同で推進しています。
長谷川研究室では、人工的に作られた1原子層程度の厚さ、数原子列程度の幅、数十原子程度の大きさを持つ「ナノメータ構造体」の原子配列、電子状態、そして電子輸送特性、量子効果などを研究しています。これらナノメータスケールの構造体は、半導体結晶表面上に形成される「表面超構造」を利用して形成されます。その作成方法を模索すると同時に、走査トンネル顕微鏡・分光法、電子顕微鏡・回折法、光電子分光法、4端子プローブ法など、超高真空中での各種実験手法を駆使し、さらに独自の実験手法も工夫しながら、ナノスケールに特有な原子配列構造、相転移、フェルミオロジー、質量輸送・吸着脱離・原子層成長などの動的変化、電子輸送などの電子物性の実験的研究を進めています。これらはナノサイエンス・ナノテクノロジーの基礎をなす研究となっています。
岡本研究室では、半導体界面・表面に形成された2次元電子系の量子物性を中心テーマとしています。
左図は、銀をわずかに堆積させたInSb劈開表面で観測された整数量子ホール効果です。縦抵抗の消失とともに抵抗がh/e2の整数分の1に量子化される領域が出現します。自分の手で作った試料でこのような美しい現を観測できることが物性実験の醍醐味です。
半導体に作られた「2次元の世界」の電子は、金属中の電子と同様に、絶対零度においても止まることなく動き回っています。これは量子効果のおかげなのですが、電子同士の反発力が顔を出すようになると、それぞれの電子は好き勝手に動くことができなくなり、極端な場合には電子が格子を組むことになります。右の図は、シリコンの2次元系において電子の数を調節することにより、電気を流す状態（金属的状態）と流さない状態（絶縁体状態）の移り変わりを観測したものです。電気抵抗の温度依存性が点線を境に逆転していますが、これは電子間の相互作用が強い場合においてのみ見られる現象です。私たちは、（1）相関効果によって固体になる寸前のドロドロした液体状態、 （2）量子効果によって溶けて液体になる寸前のフラフラした固体状態、の両方に興味をもち研究を行っています。
髙木・北川研究室では、固体中の電子多体系が示す新奇な量子電子相の探索と相形成のメカニズム解明の研究を推進しています。遷移金属化合物中の伝導や磁性を支配しているのは主に遷移金属元素のd,f軌道を占める電子です。d,f電子はクーロン相互作用により強く相関していて、電荷、スピン、軌道(縮退する軌道のどれを選ぶか)の 自由度がしばしば顔を出します。例として、エキゾチックな磁性共存超伝導、電荷液晶状態、量子スピン液体状態といった元の結晶構造からは想像できないよう なバラエティ豊かな状態が出現するのが物性物理の醍醐味の一つです。髙木・北川研究室では試料合成、薄膜形成、超高圧・強磁場・極低温複合極限環境を駆使 してこのような新しい状態を創りだし、その詳細を明らかにするために物質の外部から電磁気的・熱力学的性質を探るマクロな測定と物質の内部からスピンと軌 道の性質を測る核磁気共鳴法や非弾性共鳴X線散乱実験などのミクロな測定の両面からアプローチしています。
電子の自転に相当する角運動量「スピン」が生み出す物性は多様であり、それを探求する研究は「スピントロニクス」という分野を確立しました。さらに最近では、電子のスピンと波動関数を結合する「スピン軌道相互作用」を利用して物性を開拓する新たな取り組みも進んでいます。
林研究室では、物質中の電子スピンが関与する物理現象に関する研究を行っています。具体的には電子のスピンが生み出す伝導や磁性、光・熱応答などの物性研究を中心に行ってきました。最近は特に、金属・酸化物の超格子やヘテロ構造、2次元系において、スピン軌道相互作用を取り入れることで発現する新たな物性の開拓とその物理解明に関する研究を進めています。
