巻頭言

物理学会のありがたみ――未来を担う大学院生の皆さんへ

目次

80–90年代に加速器施設に建設された原子分子物理用のイオン蓄積リングは，重イオン物理や分子科学において多大な成果をあげてきた．近年，これらのリングの多くが当初の役割を終え，姿を変えて第二の生涯を歩み始めている．その背景には，原子分子物理の研究の場が，高エネルギー（MeV～GeV）の磁場型リングから低エネルギー（keV）の静電型リングへ移り変わってきたことがある．

原子分子の反応は素粒子や核物理のように高エネルギーを必要としないのでビームのエネルギーはkeV領域で十分であり，この程度のエネルギーであれば電場で制御することができる．磁場型リングではイオン質量に応じて磁場を強くする必要があったのに対し，静電型リングで必要な電場強度はイオン質量に依存しないため，多様なイオンビームを蓄積することが可能である．さらに電磁石が不要なため装置を実験室サイズに小型化することができる．大型の国際計画へと巨大化していく加速器や宇宙科学とは好対照に，大型加速器から生まれた蓄積リングの技術が多様化と小型化を遂げた結果，世界各所でバラエティ豊かな研究が展開されるようになった．原子，分子に関する基礎研究をはじめ，クラスターや生体分子を対象としたダイナミクス研究，星間分子反応の実験研究など，様々な研究分野にまたがる新しい発見がたくさん得られた．

このようななか，電子，振動，回転状態がいずれも基底状態に冷却された「単一量子状態の分子イオン」による新しい物理の探索を目指して次世代リングの検討が始まり，3つの拠点で極低温静電型イオン蓄積リングDESIREE（Stockholm大学），CSR（Max Planck原子核研究所），RICE（理化学研究所）の開発が進められてきた．いずれのリング開発も真空容器そのものを10 K以下にまで冷却することで熱輻射を遮断し，さらに10^－10 Pa以下の極高真空を実現して長時間のイオン蓄積を実現しようとする野心的な計画であった．各リングとも5～10年にわたる開発期間を経て，2010年代に入って装置温度10 K以下を達成し，数100秒以上の長時間にわたる分子イオンの安定蓄積に成功した．

2017年，極低温リング内での分子の冷却が初めて観測された．DESIREEとCSRのグループは，蓄積したOH^－分子イオンの光電子脱離スペクトルから振動回転状態の占有率を見積もり，最大で99%以上もの分子イオンが基底状態に冷却される様子を捉えた．我々の開発した極低温リングRICEでは3原子分子イオンN₂O^＋の高分解能分光によって，孤立分子の状態分布が刻々と変化する過程を追跡することに成功した．極低温リングの登場によってこれまで見ることのできなかった孤立分子の冷却ダイナミクスが明らかになってきたとともに，冷却分子イオンビームを利用した実験研究が現実のものとなった．

冷却分子およびその量子制御を利用した研究展開として，RICEでは中性原子ビーム，DESIREEでは負イオンビームとの相互作用を観測するためのセットアップが進行中である．CSRでは冷却分子と電子の衝突実験が行われ，初期宇宙の原子分子過程として重要なHeH^＋の解離性再結合反応および回転状態依存性が初めて観測されるなど，重要なマイルストーンが達成された．

素粒子物理学には，いくつかのフロンティアがある．一つは高エネルギーフロンティアで，高エネルギーの状態から新たな素粒子を発見することが主な目的である．CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が現在の最高エネルギーの実験装置であり，LHCにおける2012年のヒッグス粒子の発見により，素粒子標準模型に登場するすべての粒子が既知のものとなった．もう一つのフロンティアは高輝度（あるいは高強度）フロンティアで，特定の素粒子を大量に生成し，その性質を詳しく調べることで素粒子の相互作用について解明することを主眼とするものである．日本ではKEKのスーパーBファクトリー実験やJ-PARCにおけるK中間子，ミュー粒子，ニュートリノの実験等がこれにあたる．宇宙も素粒子物理のフロンティアであり，インフレーション理論の検証等が行われ，コスミックフロンティアと呼ばれている．

これらに加えて，高精度フロンティアと呼ぶべき研究が近年重要さを増している．例えば，標準模型を越える新しい素粒子模型の多くが予言する，電子の永久電気双極子能率の探索が，原子や分子を対象とした高精度の測定に基づいて行われている．このフロンティアは，原子物理学の発展と密接に関連している．かつてはマクロな数の原子集団の測定によって個々の原子の性質が決定されてきたが，実験技術の進歩とともに，少数の原子を対象とした実験が可能になり，1個の原子やイオンをトラップし，単独原子の孤立状態を実現できるようになった．また，多数の原子の低温の孤立集団も実現されるようになり，ボーズ・アインシュタイン凝縮といった量子的なマクロ状態も観測されている．

私たちは，原子スペクトルの同位体シフトを精密に測定することで，標準模型を越える新しい物理の探索を行っている．もし，電子と中性子に結合する新粒子が存在すれば，この粒子が電子・中性子間で交換されることでも同位体シフトが起こる．同位体シフトの実験値と標準模型での理論値を比較すれば，原理的には，この効果を検出できる．しかし，同位体シフトの系統的精密測定が行われているカルシウムやイッテルビウムのような電子多体系のスペクトル計算の不定性は，実験精度に比べてかなり大きい．このため，同位体シフト自体の実験値と理論値の直接的な比較による新物理探索は，単純な原子を除いて現実的ではない．そこで，複数の遷移の同位体シフトが満たす線形関係に注目し，新粒子の効果でこの線形関係が破れることを利用して，新物理探索を行った．

具体的には，魔法波長の光格子に中性イッテルビウム原子をトラップし，578 nmの狭線幅光学遷移（時計遷移）について，数Hzの不確かさで系統的に同位体シフトの測定を行った．この結果と先行研究のイッテルビウムイオンの411 nmおよび436 nmの遷移の同位体シフトの測定結果を合わせることで，世界初の3遷移間の線形性検証を行った．その結果，線形性が有意に破れていることが分かったが，同時に，この線形性の破れは標準模型で説明されるべきものであることも明らかにした．新物理に由来する非線形性には上限が得られ，これに基づいて新粒子の結合定数に対する制限を与えた．現状では得られた制限は既存の実験のものよりも弱いが，今後の実験精度の向上によりこれを上回ることが期待される．

物性物理において電子間のクーロン斥力が顕著な役割を果たす強相関電子系は主要な研究対象の一つである．強相関電子系の中でも，特にCe（セリウム）などf電子を含む希土類金属化合物に「重い電子系」と呼ばれる物質群がある．その研究の歴史は半世紀を超え，日本人研究者も大きく貢献してきた．

f電子は「局在」と「遍歴」の二面性をもつ．磁気秩序で「局在」させるのはRudermann–Kittel–糟谷–芳田（RKKY）相互作用である．一方，伝導電子とスピン一重項（近藤一重項）を形成し「遍歴」させるのは近藤効果である．ただし，遍歴電子は強いクーロン斥力のため動きが遅い「重い電子」となる．f電子が“重くなる”際「局在–遍歴クロスオーバー」が起き，f電子が伝導に寄与するようになるためフェルミ面で囲まれた体積は“大きくなる”．

2000年代に「局在–遍歴クロスオーバーがどのような状況下で起きるか」は重い電子系の中心課題となった．2001年，絶対零度の磁性–非磁性転移（量子臨界点）が近藤一重項の消滅–形成と一致する「Kondo breakdownモデル」が欧米の研究者らによって提案され流行した．歴史的に量子相転移は大きなフェルミ面の下で起こると考えられてきたためモデルの信憑性を巡って一大論争となり，重い電子系における20年来の問題となっている．

重い電子系の醍醐味は基底状態を「圧力」で制御できることである．f電子の磁性は加圧によって抑制され量子臨界点を迎える．特筆すべきことに量子臨界点で重い電子による非従来型超伝導が現れることが経験的に知られている．しかし重い電子系の基底状態とf電子の「局在」と「遍歴」の関係は明確ではない．なぜなら近藤一重項の消滅–形成，すなわち局在–遍歴クロスオーバーは物理量の変化が小さく直接観測が難しいからである．言い換えると，半世紀の歴史で未だ重い電子誕生の秘密が明かされないままである．そのため超伝導発現機構も不明である．

我々はこの問題を解決するため重い電子系反強磁性超伝導体CeRh_0.5Ir_0.5In₅（反強磁性転移温度T_N＝3.0 K，超伝導転移温度T_c＝0.9 K）に着目し，¹¹⁵In核の核四重極共鳴（NQR）実験を行った．

まずT_NとT_cの圧力依存性から，反強磁性量子臨界点（P_c^AF＝1.2 GPa）で最高T_c＝1.4 Kが実現し，量子臨界点が超伝導に有利に働くことがわかった．

次に我々は遍歴f電子がIn核位置に作る電場勾配を通して局在–遍歴クロスオーバーを探知することを試みた．¹¹⁵In-NQR周波数ν_Qの温度，圧力依存性を徹底的に調べた結果，特定の圧力，温度でν_Qの“跳び”を観測し，局在–遍歴クロスオーバーを捉えることに成功した．結果，圧力相図に反強磁性と超伝導に加え「局在–遍歴クロスオーバー線」を示すことができた．今回得られた結果では絶対零度における局在–遍歴クロスオーバー点はP *＝0.8 GPaでP_c^AFと一致せず，局在–遍歴クロスオーバーは量子臨界点の手前，反強磁性相内で起きることが明らかとなった．

最後にT_cが高いにもかかわらず異常に大きな残留状態密度をもつギャップレス超伝導が実現していることを見出した．この超伝導はCeRhIn₅やCeIrIn₅のd波スピン一重項超伝導では説明できない特異なもので，大きいフェルミ面と量子臨界点がほどよくバランスし，ユニークな奇周波数p波スピン一重項超伝導状態を発現させたと考えられる．

強磁性体は，隣り合う磁気モーメントが一方向に整列し，全体として大きな磁化を持つ物質である．強磁性体の磁化方向は安定であるため，テープレコーダー，ビデオテープ，ハードディスクドライブ，磁気メモリーなどのデバイスにおける記録情報として利用されてきた．情報の書き込みは磁化反転に対応し，磁気デバイスの動作速度は磁化ダイナミクスの速度で決定される．磁化ダイナミクスの速度は磁気モーメントが回転する周波数で決まり，例えば強磁性体に実験室で得られる強い磁場である1テスラの磁場を印加した場合，周波数は28ギガヘルツ（GHz）である．したがって，強磁性体デバイスの動作速度はナノ秒オーダーである．

一方，反強磁性体は，隣り合う磁気モーメントが反対方向に整列し，全体として磁化を持たない物質である．反強磁性体中の隣り合う磁気モーメントは，隣接する磁気モーメントの相互作用による有効磁場周りを互いに歳差運動し，この有効磁場が数百テスラと大きいため，歳差運動の周波数は数テラヘルツ（THz）となる．さらに，反強磁性体の隣り合う磁気モーメントの大きさが異なる物質も存在し，フェリ磁性体と呼ばれる．フェリ磁性体は隣り合う磁気モーメントの差分として全体の磁化を持ち，強磁性体の磁化のように有効磁場周りを数十GHzの周波数で歳差運動する．さらに，フェリ磁性体には，反強磁性体と同様に，隣接する磁気モーメントの交換相互作用による数THzの歳差運動も存在する．

上述したように，歳差運動の周波数は，そのダイナミクスを利用したデバイスの動作速度に直結する．したがって，反強磁性体やフェリ磁性体を利用することで，ピコ秒の動作速度を持つ超高速スピントロニクスデバイスの実現が期待される．しかし，反強磁性体やフェリ磁性体は正味の磁化がない，あるいは微小であるため，その磁化ダイナミクスを制御する手段が限定されていた．

従来，磁化は磁場によって制御されてきたが，スピントロニクスの発展は，スピン角運動量の流れであるスピン流や電圧など，磁場以外による磁気励起や磁化制御を可能とし，既にこのような新技術を利用した磁気メモリーが市場にでている．磁場による制御が困難な反強磁性体やフェリ磁性体へ，強磁性体スピントロニクスで発展した手法を展開するのは自然であり，近年，反強磁性体やフェリ磁性体の磁化ダイナミクスをスピン流や電圧によって励起・制御する研究が盛んとなってきた．本稿では，著者らが独自の実験手法や測定手法を駆使して取り組んできた反強磁性秩序における磁化ダイナミクスとその物性について，フェリ磁性体，人工反強磁性体，反強磁性体を対象にした研究について紹介する．フェリ磁性体特有の磁壁の高速移動現象，人工反強磁性体で初めて観測されたスピン波の非相反伝導とスピン波間の強結合状態の実現，さらにはTHz帯における反強磁性体の磁化ダイナミクスなど，強磁性体では観測されなかった反強磁性体やフェリ磁性体特有の現象について解説する．

量子コンピュータの実用化に向けた研究が様々な物理系を用いた量子ビットを使って行われている．どの物理系にもそれぞれの長所，短所があり，どれが実用化に最も適しているか現時点で決定することはできない．超伝導量子ビットは人工的に性質（共振周波数や相互作用の強さなど）を設計可能という利点をもち，実用的量子コンピュータの有力候補として期待されている．その中で超伝導量子パラメトロン（以降Kerr Parametric Oscillator（KPO））と呼ばれる超伝導量子ビットが最近注目され始めている（右の用語解説も参照）．

標準的な超伝導量子ビットのトランズモンと同じくKPOも共振現象により特定の周波数の光子を閉じ込める共振器である．トランズモンは光子が1つある状態とない状態（真空状態）を量子ビットとして用いるのに対し，KPOでは2つの異なる位相をもったコヒーレント状態が安定に存在でき，この2状態を量子ビットとして用いる．量子ビットの性能を下げる要因として光子損失がある．コヒーレント状態は光子損失に対して安定であるためビット反転エラーが抑えられ，少ないオーバーヘッドで量子エラー訂正が行えることが期待される．これがKPOを用いる利点の一つである．

KPOは非線形振動子の性質をもち，共振周波数の2倍の速さで振動するポンプ磁場で駆動される．動作原理はブランコと同じでパラメトリック励振に基づいている（右図）．ブランコではπ位相が異なる2種類の振動が可能であるが，それと同様にKPOでは同位相と逆位相のコヒーレント状態が安定して存在する．古典的なブランコとの違いは両者の重ね合わせが可能なことである．

これまでにKPOを使った量子アニーリングマシンや誤り耐性汎用量子コンピュータの理論提案がなされており，少数量子ビットの実験も報告されている．しかし，KPOの基本的な評価・制御方法はまだ十分に確立していない．

例えば，ポンプ強度によってKPOのエネルギー構造が決まるが，ポンプ強度を実験的に直接測ることは難しい．先行研究ではポンプを一度切ってからKPOの状態を調べ，ポンプ下のKPOのエネルギー構造を間接的に求める手間の掛かる方法が使われていた．一方，他の多くの系では，電磁波を照射して反射・透過する光を測定するシンプルな分光法がエネルギー構造を求めるために用いられている．

このような背景のもと，著者たちはポンプ下のKPOでも同じ手法が使えないだろうかと考え，KPOの反射測定の理論を構築した．この手間の掛からない測定方法はKPOのエネルギー構造やポンプ強度に加えて，KPOの準位間の結合強度を直接測ることにも使えるので，KPOの制御に有用である．

別の課題として，ポンプ磁場がより高い振動数の項を同時に発生させてしまい，理想的なKPOのハミルトニアンからのズレが生じるという問題がある．量子コンピュータを実現するためには正確な状態の準備と制御が求められるため，このズレの影響を評価することは応用上重要である．著者たちは，この不都合な振動がKPOの状態準備や制御に及ぼす影響を定量的に調べた．さらに時間依存の離調（KPOの共振周波数とポンプ周波数の差）を使うことで状態準備における不都合な振動の影響を低減できることを示した．

現代社会を支えている半導体などの機能性材料の多くは実は純粋な物質ではなく，多かれ少なかれ別な元素の添加（ドーピング）によりその性能を実用レベルに調整している．例えばシリコン（Si）半導体は，ホウ素（B）やリン（P）を10^－3–10^－6%程度ドープすることで初めて実用可能な半導体となる．これは例えば1億個のSiに対しBなどが1個，といった量である．

したがって，微量の異種元素（ドーパント）が結晶中のどこにあるかが材料の物性を考えるうえで重要となる．さらに，異種元素が入ることでその周囲の原子の配列が変化するので，その変化が物性に対し重要な意味をもつはずである．このドーパント周りの構造を「局所構造」と呼んでいる．

しかし，局所構造には並進対称性がないため，結晶構造決定に広く用いられる回折実験では局所構造を観測できない．このため局所構造の役割の理解はこれまで十分ではなかった．しかし，近年日本で急速に発展している「原子分解能ホログラフィー」という手法により，局所構造の可視化が可能になってきた．

原子分解能ホログラフィーは，X線を例にとれば，特定のドーパントから20 Å程度の範囲の局所構造を三次元で可視化できる原子イメージング法である．現在では，特に日本において蛍光X線ホログラフィー・光電子ホログラフィー実験が活発に行われ，局所構造の理解が急速に進んでいる．

一方で，X線と電子線の場合，エネルギー材料で重要となる水素，リチウム，ホウ素などの軽元素を重元素と同じ精度で同時に観測することは得意ではない．それに対し，軽元素と重元素で同程度の感度をもつ中性子を利用すれば，重元素を含む物質でも軽元素構造の観測が可能である．

筆者らは，大強度陽子加速器施設J-PARC（茨城県東海村）の物質・生命科学実験施設で発生する白色中性子を利用することで，中性子ホログラフィーでの原子像の精度の飛躍的向上に成功した．白色中性子を用いれば異なる波長での独立の130個のデータを一度に測定できる．この多数の独立データを同時に解析することで，単波長測定では原理的に生じてしまう偽の原子像を劇的に低減できたことが成功の鍵であった．

筆者らは，希土類強相関電子系SmドープRB₆（R: Yb, La）など，軽元素を含む多くの物質で局所構造観測に成功しており，ドーパント位置の決定と格子へのドープ効果の評価を進めている．一例として，安全・安価な熱電材料であるMg₂X（X＝Si, Sn）では1 mol%以下の微量なBをドープすることで熱電性能を向上させることができるので，Bの位置と挙動の理解が重要となる．筆者らはB周りの局所構造の可視化に成功し，そこから，理論予想に反してBがMg位置に入ること，BドープMg₂Snでは，B近傍のSn構造は安定しているのに対し，Mgは揺らいでいることを示した．この事実と熱電性能との関係が興味深い．

機能性材料での軽元素の重要性を考えれば，白色中性子ホログラフィーは物質科学での新しい目となるはずである．さらに，軽元素局所構造研究が可能なのは現時点では世界的にもJ-PARCのみであり，今後，日本独自の物質科学が展開できる．

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