研究紹介

理学研究科 物理学専攻 下村晋准教授 インタビュー

「構造物性研究から展望される物質の世界」

結晶構造から物質の性質とその原理を解明する

X線回折装置:発生させたX線を試料に当て、得られた回折強度をイメージングプレートによって検出する。

電気抵抗測定装置:冷凍機を用いて試料を冷却し、
電気抵抗の温度依存性を測定できる。

私が専門としているのは、物理学のなかの物性物理学という分野です。物性物理学は、物質のもつ固有の性質を微視的な観点から解き明かし、普遍的な法則性を見出すことを目的としています。当研究室では、とくに結晶構造の観点から物質の性質を解明することを目指して研究をおこなっています。このような研究分野は構造物性と呼ばれています。構造物性の研究には、結晶構造やその乱れに関する情報を与えるX線回折・散乱は不可欠な実験手段といえます。我々は、通常のX線発生装置のほかに放射光を用いて、温度・圧力・磁場といった様々な環境下における物質の性質を調べ、物性の発現機構に関する知見を得たり、新しい現象を探索したりしています。

当研究室では、X線発生装置を用いたX線回折・散乱実験に加えて、電気抵抗率といった基本的な物性の測定もおこなっています。また、実験装置や実験手法の開発も並行しておこなっています。例えば、物質を低温や高圧といった極端な環境にするための実験装置、種々の物性を測定するための装置、測定の自動化や解析を行うためのソフトウェア、等の開発があげられます。

さらに、筑波にある放射光実験施設(Photon Factory)や兵庫県西播磨にあるSPring-8 において放射光を用いた実験もおこなっています。放射光は高輝度で指向性が高いため、強度が極端に弱い反射や散漫散乱を精密に測定することができます。さらに放射光には、波長を選択できることや偏光特性、高コヒーレンスなどの優れた特徴があるため、共鳴X線散乱、X線磁気散乱、X線非弾性散乱、コヒーレントX線散乱といった実験をおこなうことができます。これらの実験から、結晶構造だけでなく磁性や電子状態の情報を得たり、ダイナミクスの研究をおこなったりすることも可能です。

以上のような実験装置や実験手法を駆使して、原子や電子といったミクロなスケールからマクロな物質の性質に関する法則性を見出すことが、私たちの研究の目標といえます。興味ある物理現象のなかでも特に相転移現象に注目して研究をおこなっています。相転移はその物質の特徴を如実に表す現象であり、また、相転移が起こると電気的・磁気的・誘電的性質などが大きく変化します。そのため、相転移は基礎科学のみならず応用においても重要な現象であるといえます。

当研究室の具体的な研究テーマをひとつご紹介します。最近、我々は希土類金属間化合物SmNiC2について、電気抵抗率が特異な振る舞いを示すこと、さらにその振る舞いが電荷密度波と磁性の強い相関関係に起因していることを明らかにしました。SmNiC2は図1のような結晶構造をもち、歪んだ六方構造をとるSmの間をNiとC2とが占めています。SmNiC2について電気抵抗率を調べると、図1のa軸、b軸、c軸方向で大きさが異なり、異方性があることがわかりました。さらに、電気抵抗率の温度変化を調べると、複雑な様相を呈することがわかりました。一般的な金属と同様に温度の低下とともに電気抵抗率は減少していきますが、148 Kになると抵抗率が上昇に転じ、極大をむかえた後に再び減少していきます。さらに温度を下げ強磁性転移温度(17.5 K)に達すると電気抵抗率が不連続に激減するという奇妙な振る舞いを示します。この電気抵抗率の異常な振る舞いの原因を明らかにするために、放射光を用いたX線回折・散乱実験を行いました。その結果、148 K以下で結晶格子が変調された状態が発生し、その格子変調が強磁性転移と同時に消滅するということがわかりました。また、148 K以上でフォノンのソフト化を示唆するX線散漫散乱が存在することを見出しました。以上の結果は、148 K以下で電荷密度波と呼ばれる電子密度と格子が変調した状態に相転移し、強磁性秩序の発生と同時にその電荷密度波が消失すると考えると理解できます。このような磁性と電荷密度波が強く結合した振る舞いはこれまでになく、新しい現象を見出したと言えます。以上の研究は、SPring-8および東北大学との共同研究によりおこなわれました。

このように、SmNiC2は電荷密度波と磁性が強く結合したユニークな性質を示すことが明らかとなりました。しかし、その現象の微視的な発現機構については完全にわかっているとは言い難く、まだ多くの謎が残されています。そのため、構造的な観点のみならず、磁性や電子構造の観点からもさらなる研究が必要です。それらの知見を集積していくことで物質の性質の全貌が明らかになり、物性の発現機構の本質的な理解につながると考えています。

SmNiC2の結晶構造

(図1)SmNiC2の結晶構造

知れば知るほど興味が尽きない物性研究

インタビュー風景

新たな事実が実験によって明らかになると、そこから新たな興味や疑問が生じてきます。その興味や疑問を明らかにするために関連する研究を継続していくこともありますし、その実験結果が契機となって新たな方向に研究が展開していく場合もあります。このように、調べれば調べるほど、知れば知るほど、好奇心が刺激されて興味が尽きなくなります。

大学院では学部で習得した基礎学力をベースにしてより専門的な内容を深く学ぶと同時に、研究のプロセス(問題を発見し、その問題を解決するための実験内容を立案して実行し、得られた結果を考察して、研究結果として公表する、という構成からなります)を経験することにより、新しいことを発見したり創造したりする楽しさを味わうことができます。大学院で学ぶことにより、専門家としての能力を身につけることができ、さらに、知識と経験に裏打ちされた自信を得ることができると思います。

物性物理学という学問は、エレクトロニクスをはじめとする産業の発展に寄与し、人々の生活を豊かで便利にする礎を築いてきました。物性物理学が取り扱う内容は多岐にわたっています。また、基礎科学である物理学の中でも実際に役に立つという実学的な側面が強い分野でもあります。そのため、大学院で物性物理学を学んだ後に企業等に就職した場合、大学院で習得した知識や経験を直接的に生かすことができる場面が数多くあると思います。

以上のように、当研究室ではX線を主たる実験手法として物性の研究をおこなっています。研究室を訪問してもらえれば、さらに具体的な研究内容を説明します。在籍している大学院生は、研究に勉強にと日々励んでいます。やる気のある人は我々と一緒に物性物理学の研究を楽しみましょう!

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