日本物理学会誌
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巻頭言
目次
解説
  • 増渕 覚, 町田 友樹
    原稿種別: 解説
    2020 年 75 巻 9 号 p. 550-558
    発行日: 2020/09/05
    公開日: 2020/11/18
    ジャーナル 認証あり

    60年ほど前に「原子を一つずつ配置して思い通りの物質を作れば,これまで考えられなかったほど多くの物性を引き出すことができる」と述べたのはリチャード・ファインマン教授でした.江崎玲於奈博士は半導体超格子を提案し,分子線エピタキシーによって「ボトムアップでナノサイズの人工物質を作る」という概念を実証しました.物質を構成する原子や分子を自在に積み上げて組み合わせることができれば,これまで見られなかった新しい電子物性を有する物質を創り出すことができる――物性科学を志した研究者であれば,このような想いを心に描いたことがあるのではないでしょうか.

    近年になり,グラファイトをはじめとする様々な二次元結晶が,スコッチテープを用いた剥離法により単原子層まで薄層化できるようになりました.剥離された原子層は様々な手法によって機械的に貼り合わせることができ,原子層単位で界面が制御された人工構造――ファンデルワールスヘテロ構造――が作製できます.接合界面における格子整合が不要であることから,様々な材料同士の組み合わせが実現でき,波動関数の混成と電子間相互作用によって,多彩な電子物性が発現します.例えば,結晶方位角のズレをθ~1.06°に正確に制御して単層グラフェンを二枚重ねると,両者のバンドの交点においてフラットバンドが形成され超伝導が発現します.グラフェンと六方晶窒化ホウ素を結晶方位を合わせて重ね,磁場を印加すると「ホフスタッターの蝶」と呼ばれるフラクタル状のバンドが形成されます.構成要素として利用可能な二次元結晶は20種類以上存在し,ファンデルワールスヘテロ構造は無限の可能性を秘めていると期待されます.

    これまで電子物性研究に用いられてきた最高品質のファンデルワールスヘテロ構造は,二次元結晶を剥離して貼り合わせるという極めて原始的な手法により作製されてきました.高品質な母結晶を剥離することが,最も不純物の取り込みが少ない試料作製法だからです.原子層を壊さずに重ねるため,過去10年間にわたり様々な手法が開発されてきました.ファンデルワールスヘテロ構造を舞台として物性科学研究をさらに進めるためには,それぞれの手法の特徴を理解し,これらを上手く組み合わせていくことが重要です.さらに最近,ロボティクス・機械学習・深層学習を用い,研究者が手作業で行ってきたファンデルワールスヘテロ構造の作製工程を自動化し,これまで考えられなかった複雑な試料を作製する研究が始まりつつあります.研究は今後,興味深い物性を示す組み合わせをシステマチックに探索する形へ移行していくと考えられます.その先には,物質を構成する原子や分子を自在に積み上げて組み合わせ,様々な機能を持つ材料を自在に設計するという,多くの科学者が抱く究極の夢が広がっています.

最近の研究から
  • 大谷 航
    原稿種別: 最近の研究から
    2020 年 75 巻 9 号 p. 559-564
    発行日: 2020/09/05
    公開日: 2020/11/18
    ジャーナル 認証あり

    素粒子物理学の大きな目標は,時空と物質を統一的に記述する究極の物理法則を解明することである.その目標への取り組みは道半ばであるが,これまでに我々が手に入れた素粒子の標準理論は,実験事実のほぼすべてを矛盾なく説明するなど大きな成功を収めてきた.しかしながら,宇宙の暗黒物質の正体・消えた反物質の謎・宇宙創生期の素粒子と力の大統一の理解などさまざまな根源的な未解決課題が残されており,残念ながら標準理論はその答えを我々に与えてくれない.超高エネルギーで成立するより普遍的な究極理論が存在し,標準理論は低エネルギーでの近似理論に過ぎないと考えられている所以である.

    現在の素粒子物理研究のほぼすべてが,この標準理論を超える究極理論を求める取り組みであると言ってよい.たとえば,最高エネルギー加速器LHCでは,標準理論を超える新物理で予言される粒子を直接生成して発見することをめざして研究が進められているが,今のところ新粒子生成の兆候は得られていない.宇宙の暗黒物質が未発見の新物理粒子であるという仮定のもと,それを探索する実験が世界各地で実施されているが,そちらでもまだ何の手掛かりも得られていない.未だ新物理の兆候が見つからないこの状況は,新物理粒子が予想以上に重い可能性を示唆している.そんな中,重い新物理粒子の媒介で引き起こされる稀な現象の探索を通して超高エネルギーの新物理に迫る実験に注目が集まっている.

    物質を構成する素粒子であるクォークとレプトンには3つの世代(フレーバー)がある.電荷をもつレプトン(電子・ミュー粒子・タウ粒子)のフレーバーを保存しない現象は,標準理論では厳しく制限されている一方で,新物理ではほんのわずかではあるが観測可能な確率で起こることが予測されており,新物理を検証する強力なプローブとなり得る.

    MEG実験はミュー粒子が電子とガンマ線に崩壊するレプトンフレーバーを保存しない現象μ→eγ崩壊を世界最高感度で探索する実験である.これまでの実験を大きく上回るMEG実験のμ→eγ探索感度は,スイス・ポールシェラー研究所(PSI)の世界最大強度のミュー粒子ビームと,独自に開発した革新的な測定器により可能となった.MEG実験は,既に新物理が予測するμ→eγの頻度を検証することが可能な感度をもっており,現象の発見に大きな期待が寄せられている.

    第一期実験では,2009年から2013年の間にデータ取得を行い,2016年には全データを用いたμ→eγ探索結果を報告している.探索感度は以前の実験に比べて大幅に改善したが,残念ながらμ→eγ現象の発見には至らなかった.その一方で,超対称大統一理論など有望な新物理理論に対して厳しい制限を課すことになった.

    現在,さらに探索感度を改善したアップグレード実験MEG IIの準備が進められている.倍増するミュー粒子ビーム強度と,大幅に性能を改善した測定器によりMEG実験に比べ約10倍の探索感度を達成できる見込みである.現在すべての測定器の建設が終了し,実験開始に向け急ピッチで準備が進められている.実験開始後およそ4,5年で目標感度に到達することをめざしているが,順調に行けば最初の数か月でMEG実験の感度を凌駕することになる.それ以降は前人未踏の領域であり,すぐにでもμ→eγ現象が発見される可能性がある.

    μ+NeNNは原子核),μ→3eなど,μ→eγ以外のレプトンフレーバーを破る稀な現象を探索する他の実験も数年の内に開始される見込みであり,それらも合わせて総合的に標準理論を超える新物理の正体に迫っていく.

  • 門内 晶彦
    原稿種別: 最近の研究から
    2020 年 75 巻 9 号 p. 565-569
    発行日: 2020/09/05
    公開日: 2020/11/18
    ジャーナル 認証あり

    クォークやグルーオンといった素粒子は,4つの基本相互作用の1つである「強い相互作用」を行い,量子色力学によって記述される.これらは常温常圧下ではハドロンの内部に閉じ込められているが,約2兆度を超える超高温では解放されクォークグルーオンプラズマとよばれる多体系を形成すると考えられている.

    近年の高エネルギー原子核衝突実験においては,実際に量子色力学における(擬)相転移が引き起こされクォークグルーオンプラズマが生成されている証拠が数多く観測されており,その温度は約5兆度ほどに達するとされる.これにより強い相互作用をする素粒子の物性が,実験データと理論計算の比較に基づきより定量的に議論されるようになった.クォークグルーオンプラズマはビッグバン直後の高温初期宇宙を満たしていたと考えられることから,高エネルギー原子核衝突は強い相互作用についての詳細を調べると同時に,初期宇宙を再現しその性質を探ることができる貴重な機会としてしばしばリトルバンともよばれる.

    原子核衝突では特にクォークグルーオンプラズマが粘性の極めて小さな相対論的流体として振舞うことがわかり,系が温度などの熱力学量が定義できる局所平衡状態にあることが示唆されている.系の熱力学的性質は,状態方程式によって特徴付けることが可能である.これまでに格子量子色力学法に基づく第一原理計算によって,ゼロ密度近傍ではハドロン相からクォークグルーオンプラズマ相へと至る精度の高い状態方程式が得られており,また流体模型を用いた解析によってもこれが実験結果と整合性があることが示されている.

    一方でネットバリオン数が有限の場合は,符号問題のため第一原理計算が困難であることが知られており,その詳細は未解明である.量子色力学は有限密度下において様々な相構造をもつことがモデル計算によって示唆されており,原子核ハドロン分野におけるフロンティアの1つとなっている.そのため現在,原子核衝突のエネルギーを変えることで実験的に有限密度領域の知見を得ようとする試みが行われている.

    こうした背景を踏まえて,筆者らは格子量子色力学計算とハドロン共鳴ガス描像に基づいて有限密度における強い相互作用の状態方程式の現象論的構築を行った.特に高エネルギー原子核衝突への応用のため,ネットバリオン数に加えて電荷とストレンジネスを考慮した4次元パラメータ空間の状態方程式を議論した.まず格子量子色力学におけるテイラー展開法を用いてゼロ密度で定義された物理量から高温側のクォークグルーオンプラズマ相における有限密度の状態方程式を構築した.これを低温側のハドロン相において実験データおよび格子量子色力学計算からその存在が支持されているハドロン共鳴ガスの状態方程式へと接続する方法をとった.

    また得られた有限密度における強い相互作用の状態方程式を相対論的流体模型へと適用し,実際に原子核衝突のシミュレーションを行った.ハドロン生成量を実験データと比較することで,ネットバリオン,電荷,ストレンジネスの3つの保存量を導入することによって実験データの再現性が大幅に改善されることを示した.この結果は従来よりも広いパラメータ空間での状態方程式で原子核衝突実験を捉えることの重要性を指摘するものである.

    本研究は理論と実験の連携に基づく量子色力学の有限密度相構造の探索において新たな出発点になると期待できる.今後は原子核衝突における初期揺らぎの効果や非平衡過程である拡散の影響を取り入れることで,有限密度における強い相互作用の物性物理を精密科学へと高めていきたい.

  • 町田 理, 花栗 哲郎
    原稿種別: 最近の研究から
    2020 年 75 巻 9 号 p. 570-575
    発行日: 2020/09/05
    公開日: 2020/11/18
    ジャーナル 認証あり

    マヨラナ粒子はそれ自身が反粒子であるという特異な性質をもった,電荷が中性の粒子である.1937年にエットレ・マヨラナによって導入されたこの粒子は,その提案から80年以上たった今でも,素粒子として存在する証拠が見つかっていない未知の粒子である.しかし,最近になって,固体中でマヨラナ粒子の特徴をもった準粒子(マヨラナ準粒子)が出現し得ることが理論的に提唱され,物質科学の分野で,マヨラナ準粒子の実現を目指した研究が精力的に行われるようになった.固体中のマヨラナ準粒子が注目される理由は,未知粒子の発見という基礎物理学的な側面だけでなく,それが外乱に強い量子計算に利用できるという実用上の重要性のためでもある.そのため,世界中でマヨラナ準粒子の舞台の理論提案・実験検証が行われている.

    固体中でマヨラナ準粒子を実現するための舞台の一つとして,トポロジカル超伝導体が挙げられる.トポロジカル超伝導体では,その準粒子波動関数が非自明なトポロジーを有しており,そのエッジや渦糸芯ではバルク・エッジ対応の帰結としてトポロジカルエッジ状態がゼロエネルギーに現れる.さらにこのエッジ状態は,超伝導体の電荷–正孔対称性によって,マヨラナ粒子の特徴である「粒子=反粒子」の性質を備えている.すなわち,トポロジカル超伝導体の表面(以下,「エッジ」)や渦糸芯では,マヨラナ準粒子がゼロエネルギー状態(マヨラナゼロモード)として現れるのである.

    これまでに,様々なトポロジカル超伝導体候補物質のエッジや渦糸芯においてマヨラナゼロモードの検出を目指し,走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いたトンネル分光測定が行われてきた.しかしながら,通常,渦糸芯ではゼロエネルギー近傍に有限のエネルギーをもつ自明な束縛状態も存在するため,如何にしてこれらとマヨラナ準粒子を区別するかが最大の課題となっている.

    この問題を解決するために,本研究では,自明な束縛状態とマヨラナゼロモードとのエネルギー差が100~200 μeVと比較的大きいトポロジカル超伝導体候補Fe(Se, Te)の渦糸芯に着目し,極めて高いエネルギー分解能(~20 μeV)を有する超低温希釈冷凍機STMを用いて実験を行った.その結果,マヨラナゼロモードを示唆するゼロエネルギー束縛状態(Zero energy Vortex Bound State, ZVBS)と有限エネルギーの自明な束縛状態の分離に成功し,さらにZVBSをもつ渦糸ともたない渦糸が共存していることが明らかとなった.様々な磁場でトンネル分光により数百個の渦糸芯を系統的に調べた結果,ZVBSの有無は局所Se濃度,不純物分布,超伝導ギャップの不均一性といった試料の局所的性質とは無関係であることがわかった.また,外部磁場の増加によってZVBSを示す渦糸芯の割合が系統的に減少することも新たにわかった.これは,ZVBSの有無を理解する上で渦糸–渦糸間相互作用の重要性を示唆しており,将来的にマヨラナ準粒子を制御する際に重要な知見となると考えられる.

    本研究で観察されたZVBSは,マヨラナ準粒子の兆候の一つに過ぎない.観測されたZVBSがマヨラナゼロモードによるものであるかを決定付けるには,ゼロエネルギー状態以外のマヨラナ準粒子に固有の特徴を実験的に捉える必要がある.その例として,マヨラナゼロモードのスピン偏極状態やコンダクタンスの量子化の検証が今後の課題である.

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