巻頭言

求める学会像の共有を――物理学会の財政から

目次

情報化社会の進展がどのくらいエネルギー消費量を増やしているか，それがどのような環境変化をもたらしているかといったことを想像したことがあるだろうか．アメリカのIT企業Ciscoの全世界のモバイルデータトラフィックの予測によると，1984年に204 GB（ギガバイト）だった全世界のデジタル情報量は，2017年には1.5兆GB（1.5 ZB，ゼタバイト，Zetaは10²¹）へ増加し，2021年には3.4兆GBにまで増加すると予測されている．また，国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の資料「JST-LCS　情報化社会の進展がエネルギー消費に与える影響　平成31年」によると，デジタル情報を保存するデータセンター1施設分の電力消費量は，GAFA（Google, Apple, Facebook, Amazon）などの大手IT企業が所有する超大規模クラスで2,600 GWh（2018年）にもなり，世界で消費される全電力量の数%をIT分野が消費するまでになっている．COP21で採択されたパリ協定では，温室効果ガスの削減目標などの取り決めがなされたが，具体的な数値目標を定めたものとして1997年の京都議定書が有名である．1997年から約20年が経過し，その間にデジタル情報量は指数関数的な増加を見せ，IT分野での消費電力量は45%も増加しこれに伴う温室効果ガスの排出量も急激に増加している．我が国が目指す未来社会であるSociety5.0は，IoTを駆使した人間中心の社会であるため今後もデジタル情報量の急激な増加が見込まれ，それを下支えするストレージデバイスは重要な基幹技術である．次世代の豊かな社会と環境を両立させるためには，環境に配慮した技術革新が必要不可欠となっている．とりわけ，装置の小型化と台数削減に直結するストレージデバイスの高密度化技術の確立は，データセンターの省エネルギー化を実現していく鍵となる．

ストレージデバイスは半導体，誘電体，磁性体を用いるものが種々開発されているが，大容量・安価・不揮発という長所をもつ磁気ストレージデバイスであるハードディスクドライブ（HDD）はデータセンターでメインデバイスとして使われている．HDDはすでに1 Tbit/in²を超える密度（1ビットの面積が2.54 cm×2.54 cmの1兆分の1よりも小さい）を実現しているが，爆発的に増加するデジタル情報に対応するためにさらなる高密度化が求められている．日米のストレージメーカーが中心となって，数年のうちに4 Tbit/in²を達成することを目標に研究開発が進んでいる．

高密度化には，磁気記録媒体を構成するナノサイズの磁石のさらなる微細化が必要となる．しかし，ただ単に微細化してしまうと，高温になるHDDの動作環境下では記録情報となる磁石の磁化の向きが熱擾乱のため保持されなくなってしまう．情報の保持のためには磁気異方性を強くしなければならないが，今度は記録情報の書込み，すなわち磁化の向きを反転させるために大きな磁場が必要となる．しかし，HDDに組み込まれるマイクロサイズの電磁石が発生できる磁場にも限界があり，その磁場のみで制御する記録方式はすでに高密度化に対応できなくなっている．この書込みの問題を克服するために提案されたのが，エネルギーアシスト磁気記録である．ナノ磁石の磁化を反転させるときに外部からエネルギーを与えて磁化反転を助けるというイメージである．外部エネルギーとして，熱・高周波磁場・光などが提案されているが，熱および高周波磁場によるエネルギーアシスト磁気記録方式はすでに実用化研究段階に入っている．今後さらに高密度化を進め，かつ省エネデバイスを実現するためには，少しのエネルギーアシストで磁化反転できる，すなわち高効率な磁化反転が実現できるようなエネルギーアシスト方法や材料選択といった課題がある．

レーザーの高強度化・短パルス化技術の進展により，ピーク出力がペタワット級の大出力の光を生成することが可能となってきた．集光強度は10¹⁸ W/cm²を超え，レーザー場中の電子は“レーザー周期”数フェムト（10^-15）秒の間に相対論的エネルギーに加速される．相対論的強度とよばれるこのような集光強度をもつレーザー光は，1億気圧（0.1 Gbar，10 TPa）を超えるエネルギー密度，すなわち圧力をもつ．これは，現在地上で実現できる最大の圧力である．

高強度のレーザー光を固体やガスに照射することで，光の圧力と同等のエネルギー密度をもつプラズマを作り出すことができる．生成されるプラズマは，低密度の相対論的プラズマから低温・高密度の縮退プラズマまで幅広いパラメーター領域におよぶ．実験室にこのような物質状態を作り出すことで，宇宙における粒子加速や無衝突衝撃波形成，高エネルギー密度状態での熱伝導やオパシティなどの基礎物性等，様々な研究を行うことができる．また，生成されるプラズマを利用した高輝度X線・ガンマ線源，高エネルギー粒子加速器，制御核融合などの応用研究も展開されている．

相対論的強度レベルの超高強度をもつ超高強度レーザーを実現するためには，強いパルス圧縮が必要であり，照射時間は10–100フェムト秒と短くなる．このような短時間では，高エネルギーに加速されたプラズマ中の電子は無衝突とみなすことができ，現象は電子の運動論的（粒子的）振る舞いに支配される．短時間のレーザー照射により強い非平衡状態が駆動され，照射終了後に緩和過程が進行する．

近年，レーザー装置の大エネルギー化にともない，相対論的強度をもちながらパルス長がピコ秒を超えるレーザー（ピコ秒超高強度レーザー）が開発され，運用が始まっている．スポット径も従来の超高強度レーザーより10倍程度大きく，形成される大体積の高エネルギー密度プラズマは広い応用展開のプラットフォームとなり得る．相互作用がピコ秒に及ぶと，高エネルギー粒子の運動に対して衝突緩和過程やイオンを含めたプラズマ全体の運動が重要な影響を及ぼすようになる．無衝突近似が破れ，イオンの集団的運動が出現し始める一方，流体近似を適用することはできない．この多層的な複雑性のためにシミュレーションも難しく，現象の理解が容易ではない．

著者は，この新領域において，光のエネルギーがどのようにプラズマ内部に輸送されていくのか，その結果としてどのようなプラズマや電磁場の構造が形成され，粒子が加速されていくのか，に興味をもって研究を行っている．最近の研究では，レーザー光によりプラズマが継続的に加熱されることによって，プラズマ表面の圧力が光の圧力を上回り，レーザー光を押し戻し始めることが明らかになった．その後も光の照射が継続すると，プラズマから大量の電子が強いレーザー電磁場中に噴出して，高エネルギーに加速され始める．これらの電子がプラズマ内部にエネルギーを輸送することにより，プラズマの構造が新しい定常状態へと遷移し，高効率のイオン加速も発現する．また，高密度プラズマ内部ではkeV温度の熱波が駆動され，10 Gbarを超える高エネルギー密度領域が形成される．

エネルギーが注入され続けるこのような超高強度光のエネルギーが注入され続ける開放系で，多階層にわたる現象が強く関連しながら進展していく点が，この領域のレーザープラズマ相互作用の魅力である．形成される高エネルギー密度プラズマの特性を理解することで，恒星内部での物質状態や輻射特性の解明等への貢献が期待される．また，従来の理論を超える高効率粒子加速やプラズマ加熱の実現，それを用いた制御核融合や新しい光量子源といった応用研究の発展が期待される．

物質は様々な分子で構成され，その複雑多様な性質は化学的によく理解されている．一方で分子を構成する原子は原子核と電子の束縛状態であり，量子力学により精密に記述される．さらに原子核は陽子と中性子の塊であり，それらはクォークで構成されるハドロンの安定状態である．電子やクォークはそれ以上分割できない素粒子であり，標準模型がその振る舞いを記述する．

不思議なことに自然法則は大きさの各階層で有効理論として閉じており，ある階層のパラメータには下の階層の法則の情報が凝縮されている．我々は既知の理論のパラメータが何故そのような値になっているのかに思いを巡らせ，その背後にあるさらに基本的な理論を読み解こうと苦闘してきた．

標準模型は物理学の一つの到達点であるが，現代の素粒子論の研究者はそのさらに背後にある物理理論を追い求めている．それは場の量子論で記述されるが，そこにもまた有効理論の階層構造が存在する．量子力学と相対性理論によれば長さのスケールはエネルギーのスケールの逆数となる．非常に重い，エネルギーの高い素粒子の場は低エネルギーで軽い場だけで書かれる有効理論において，パラメータへの繰り込みを通してのみその存在の痕跡を残す．

そのような痕跡を追いかけていく理論的道具立てとして繰り込み群方程式が知られている．場の理論の予言に必要なパラメータは考えるエネルギースケールによって変化し，繰り込み群方程式がその変化を記述する．エネルギーが下がって重い粒子が励起されなくなれば記述は有効理論に切り替わり，繰り込み群方程式も重い粒子の効果を含まないように変わる．有効理論の繰り込み群方程式の初期条件は一つ前の理論によって与えられる．素粒子の質量も場の理論ではその意味合いが変わり，こうした変化するパラメータの一つとして扱われる．

標準模型の拡張は種々提案されているが，中でも超対称性理論はその有力候補である．超対称性理論では標準模型の全ての素粒子に統計性が逆のパートナー（超対称性粒子）が導入される．厳密な超対称性の下ではそれらは元の素粒子と同じ質量をもつが超対称性の破れにより重くなり，有効理論として標準模型が実現する．この超対称性による縮退を解く質量は超対称標準模型のパラメータであるが，さらに高いエネルギーの理論により説明される．二つの理論のエネルギースケールの間に超対称標準模型に含まれない重い素粒子が存在すると，その相互作用により質量の繰り込み群による変化に影響を及ぼし，実験で測定される超対称性粒子の質量の予言を変化させる．こうした効果はミクロの理論を探る上での貴重な窓となっている．

一方，従来そうした重い素粒子の質量は勝手に選べるパラメータとして扱われてきた．しかし超対称性理論の背後に量子重力理論の候補である超弦理論を想定すると，その起源が問題となる．超弦理論に含まれる質量パラメータは基本的には超弦の張力のみであり，それと階層的に異なる大きさの質量を実現することは自明ではない．そうした質量を実現する方法の一つが非摂動効果である．最近，超弦理論で超対称性を破るモジュライ媒介とよばれる機構において，超対称性を破る場の非摂動効果が重い素粒子の質量を生成していると，重い素粒子による繰り込み群の補正が有効理論から見えなくなる場合があることが明らかになった．これは，重い素粒子を取り除いて有効理論を作る際の補正と繰り込み群の効果が相殺されるためであり，従来の理論で「アノマリー媒介の紫外不感性」とよばれていた効果の拡張として理解できる．この効果は超対称性理論において直接探索できないミクロの物理を明らかにする上で重要な意味をもっている．

トポロジカル絶縁体とよばれる物質群には，通常の絶縁体では見られない特殊な金属的表面状態が存在している．このトポロジカル表面状態は，スピン偏極したディラック電子から構成されており，多彩な機能性の発現の舞台として近年大きな注目を集めている．通常の絶縁体とトポロジカル絶縁体は，バンド反転とよばれるバンドを構成する波動関数の「ひねり」の有無で分類することが可能であるが，実験的に判別するには表面に存在するディラック電子の特徴を捉える必要がある．そのため，固体中のバンド分散を高分解能で可視化することが可能な角度分解光電子分光（Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy, ARPES）が，これまでトポロジカル絶縁体の実験的検証に重要な役割を担ってきた．

ARPESは占有電子状態を観測する手法のため，主にトポロジカル表面状態がフェルミ準位より下にあるn型試料（例えば，Bi₂Se₃やBi₂Te₃など）を測定の対象としてきた．しかし一方で，トポロジカル表面状態が非占有側に位置しているp型試料（例えば，Sb₂Te₃など）の場合，通常のARPESでは表面状態を捉えることができないという問題が存在していた．

そこで我々は，p型トポロジカル絶縁体の非占有バンド分散を捉えるために，ポンプ・プローブ法とARPESを組み合わせた時間分解ARPESに着目した．時間分解ARPESは占有・非占有バンド分散の観測が可能なため，n型からp型までの様々な物質を測定対象とすることができる．我々はこの手法を用いて，p型Sb₂Te₃のトポロジカル表面状態の全容を高分解能で捉えることに成功した．

また，ポンプ光とプローブ光の間に遅延時間を設けることによって，超高速キャリアダイナミクスを追跡できる点も時間分解ARPESの大きな利点の1つである．Sb₂Te₃のバンド分散の過渡変化を時間分解ARPESによって詳細に調べたところ，ポンプ光によって励起された電子が，まるで砂時計の中の砂粒のように，トポロジカル表面状態を介して平衡状態へ緩和していることが明らかとなった．さらに，Sb₂Te₃にBiをドープしてディラック点の位置をフェルミ準位に近づけると，5ピコ秒程度であった非平衡状態の持続時間が400ピコ秒以上に延び，トポロジカル絶縁体に付与した光情報を少なくともナノ秒域まで持続可能であることも見出した．

超高速キャリアダイナミクスを観測することで，トポロジカル絶縁体の光機能に関する知見も得ることができた．キャリアチューニングによってトポロジカル絶縁体のバルクの絶縁性を高めると，金属表面とのキャリア密度の違いを反映して表面光起電力効果が発生することが明らかとなった．トポロジカル絶縁体の表面にはスピン偏極したディラック電子が存在するため，光によって起電力を生じることはスピン偏極電流の取り出しにも利用できるだろう．表面光起電力効果はパルスレーザーだけではなく，ランプや太陽光であっても原理的には発生可能であるため，今後，光とトポロジカル絶縁体の相互作用を活用したスピン流の生成・制御に関する応用展開が期待される．

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