芝内・橋本研究室 – 東京大学大学院物質系専攻

凝縮系量子相物理学　芝内孝禎教授・橋本顕一郎准教授研究室

Shibauchi Takasada/Hashimoto Kenichiro

研究内容の紹介

本研究室では、高温超伝導に体表されるような、物質中の多数の電子が量子多体効果により示す様々な物質の量相”QuantumPhases of Matter”を、最先端の低温物性実験技術を駆使して研究しています。このような量子相では、電子の持つ内部自由度であるスピンや電荷、軌道自由度が如実に顔を出すため、それらを利用した次世代機能物質の開発が期待されています。本研究室では、例えば、長年未解決である高温超伝導の発現機構、その解明にヒントを与えるのではないかと期待される量子臨界点やBCS-BECクロスオーバーの物理（図1）、近年新しい概念として認識されつつある量子液晶・量子ガラスの物理（図2）、理論的研究が先行して実験的な検証が求められている量子スピン液体やトポロジカル超伝導状態などの多彩な現象を扱っています。実際の実験では、自分たちで装置を設計し（図3）、測定プログラムを組み、解析方法を考えるなど、ルーチンワークではない研究を行いますので、研究を通して物理学の理解を深められるとともに、色んな測定に関する技術を身に着けることができます。

BCS-BECクロスオーバーの概念図

電子液晶状態の概念図

長時間緩和法による精密比熱測定（上図）とルチル空洞共振器によるマイクロ波測定（下図）

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芝内教授からのメッセージ

人の役に立ちたいと思って物理に向かった。アイディアが浮かんだ時に、それが正しいのか実験して確かめられるチャンスがすぐそこにあります。

卒業研究で高温超伝導の研究を始めて、金属超伝導を説明するBCS理論が物理学で最も美しい理論の一つであることを知り、また物理学の様々な分野にも影響を及ぼしていることに感動しました。高温超伝導は、このBCS理論でも説明できない不思議な現象で、どんどん研究の魅力にはまっていきました。物質中にはたくさんの電子がありますが、一つ一つの電子の性質が完全にわかっていたとしても、それがたくさん集まると、全く予想できない性質を示すことがあります。ノーベル賞物理学者のP. W. Andersonはこのことを”More is different”（多くなると何かが変わる）という短い言葉に込めました。特に、電子の量子性が重要になるような場合には、通常の電子論では全く説明できない現象が現れます。高温超伝導はこの一例であり、その発現機構解明は物理学者の大きな夢です。この不思議な性質を理解し、制御できれば、様々な新しい機能を創り出すことも可能となるでしょう。
ふとアイディアがひらめいた時、それを実験して検証する。これがサイエンスの醍醐味ですが、物性物理学では多彩な現象を扱うので、研究を始めたばかりでもそんな醍醐味が味わえる機会があります。オリジナルな発想を大切に、自由な雰囲気で研究を楽しんでください。

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キーワード

量子臨界点 / 鉄系超伝導 / 磁場侵入長 / 対称性の破れ / 超伝導ギャップ / 有効質量 / 反強磁性 / 擬ギャップ / 時間反転対称性 / 非従来型超伝導 / 磁気トルク / 重い電子系 / 強相関電子系 / エピタキシャル成長 / 異方的超伝導 / 上部臨界磁場 / 回転対称性 / 超伝導 / ネマティック秩序 / 高温超伝導 / 高温超伝導体 / 電子ネマティック / ギャップ構造 / 比熱 / 低温物性測定 / 角度依存性 / 2次相転移 / 電子ネマティック相 / 隠れた秩序 / フェルミ面 / サイクロトロン共鳴 / 空間反転対称性 / 量子臨界現象 / 積層構造 / 超格子 / 非フェルミ液体 / 電子相関 / f電子系 / 量子揺らぎ / マイクロ波吸収 / プラズマ共鳴 / 有機超伝導体 / 微小試料 / 微小単結晶 / キャパシタンス測定 / メンブレン / ファラデー力 / 磁場勾配 / 希釈冷凍機温度 / 磁化測定 / 円偏光マイクロ波 / ネマティック超伝導 / 時間反転対称性の破れ / ボゴリューボフフェルミ面 / ボゴリウボフフェルミ面 / ウルトラノーダル / 量子液体 / ソフトマター / 量子多体効果 / 電子液晶 / ネマティック / 自己組織化 / スピン液晶 / トンネル分光 / 熱力学測定 / ミューオンスピン緩和 / 弾性抵抗 / ネマティシティ / マルチバンド / ボゴリューボフ準粒子 / ボーズ凝縮 / 電子構造 / トンネル磁気抵抗素子 / カイラル反強磁性 / 表面磁場分布 / トポロジカル物質 / 走査型磁気顕微鏡 / ホール素子 / 走査型顕微鏡 / エッジ電流 / カイラル磁性 / ワイル磁性体 / 軌道磁化 / ベリー位相 / 電子ネマティック秩序 / 超伝導揺らぎ / 強結合超伝導 / フェルミエネルギー / BCS-BECクロスオーバー / 量子相転移 / 化学置換 / 電子相図 / 異常金属 / 圧力効果 / ウラン化合物 / ドメイン構造 / カイラル反強磁性体 / 走査型プローブ顕微鏡 / 強相関超伝導 / ドメイン / カイラリティ / Critical current density / Critical State / Superconductor / Local field distribution / 電流分布 / 臨界電流 / 磁場分布 / 臨海電流密度 / 局所磁場分布 / 磁気光学効果 / 臨界電流密度 / 臨界状態 / 超伝導体 / 局所磁場 / 量子ゆらぎ / 下部臨界磁場 / 渦糸物理 / 臨界磁場 / 準粒子励起 / 超伝導特性 / 分子線エピタキシー / ラッシュバ分裂 / スピン軌道相互作用 / パウリ効果 / ネマティック感受率 / 結晶構造解析 / 構造解析 / ネマティック相 / 組成依存性 / 斜方晶 / 鉄系超伝導体 / 磁気異方性 / 斜方晶歪み / 強相関系 / 回転対称性の破れ / 散乱時間 / 超伝導ギャップ構造 / ネマティック状態 / FFLO状態 / 超格子構造 / 二次元性 / 薄膜 / 希土類化合物 / π接合 / 超伝導対称性 / 次元性制御 / ジョセフソン接合 / パイジャンクション / 高磁場物性 / 層間伝導 / 固有トンネル特性 / 銅酸化物高温超伝導体 / トンネル抵抗 / 負の磁気抵抗 / 微小メサ構造 / 不純物相 / 固有ジョセフソン接合 / 電子-ホール対称性 / 過剰ドープ / 層間トンネル抵抗 / ジョセフソン効果 / 磁束の相関 / 渦糸状態 / デカップリング転移 / 層状超伝導体 / デカップリング / 一次相転移 / 属状超伝導体 / ジョセフソン結合 / ジョセフソン・プラズマ / 空洞共振器 / 表面インピーダンス

プロフィール

1990年東京大学工学部物理工学科卒業
1993年東京大学工学部物理工学科助手
1999年東京大学博士(工学) 取得
1999年ロスアラモス研究所博士研究員
1999年 IBMワトソン研究所客員研究員(兼任)
2001年ロスアラモス研究所オッペンハイマーフェロー研究員
2001年京都大学大学院工学研究科電子物性工学専攻助教授
2005年京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻准教授
2014年東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻教授

橋本准教授

プロフィール

2007年京都大学理学部卒業
2012年京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻博士後期課程修了博士（理学）取得
2012年東北大学金属材料研究所助教
2019年東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻准教授

キーワード

有機導体 / 幾何学的フラストレーション / 電荷ガラス / 強相関電子 / 水素結合 / モット絶縁体 / マヨラナ粒子 / 分子性有機導体 / 非線形伝導 / 三角格子 / ノイズ測定 / 確率共鳴 / 量子常誘電 / 量子スピン液体 / プロトン / π電子 / 赤外分光 / 超伝導 / 光学伝導度 / 電荷秩序 / 自発磁化 / 空洞共振器 / 円偏光 / トポロジカル超伝導 / マイクロ波 / 円偏光空洞共振器 / カイラル超伝導 / キャリアドーピング / 磁場角度回転比熱 / トポロジカル物性 / マヨラナギャップ / 比熱 / スピンゼーベック効果 / チャーン数 / キタエフスピン液体 / 非線形・非平衡現象 / カゴメ格子 / 磁場侵入長 / MOF / 金属有機構造体 / 配位高分子 / フラストレーション / スピン液体 / 高感度比熱測定 / 高密度共役 / 磁化率 / 量子常磁性 / プトロン / 誘電率 / 確率共鳴現象 / 不揮発性メモリ / 有機薄膜単結晶 / 量子ガラス / 示差走査熱量測定 / 強相関 / DSC / TTT図 / 誘電率測定 / 誘電ノイズ測定 / 走査型近接場光顕微鏡 / 走査型近接場光顕微鏡お / ノイズ分光 / 固体物理 / 可視紫外分光 / 応力・ひずみ / 圧電効果 / 誘電分極 / 結晶化過程 / 動的不均一 / サーモクロミズム / 高圧実験

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石原滉大さん

芝内先生は、強相関電子系の研究において世界の第一線で活躍されています。その気さくな人柄から国内外問わず幅広い人脈をお持ちで、学生の立場からみても非常に接しやすい先生です。
芝内・橋本研では、高温超伝導現象のメカニズム解明など、固体物理学における重要問題の解決に向けて研究に取り組んでいます。どれも一筋縄ではいかない難問ばかりですが、経験豊富な先生方から的確なアドバイスを頂けるので、研究を前に進めることが出来ます。
芝内・橋本研では学生が自分のペースで研究することを第一に考えており、研究室は圧倒的に自由な雰囲気で、みんな伸び伸びと研究を行っています。また、芝内・橋本研は学生が海外の舞台で研究することを奨励しており、国際会議での発表や、海外の研究機関での滞在は非常に刺激的で、若いうちにこのような経験をさせて頂けたことは今後の人生の糧になると考えています。
物質の中には無限の可能性が秘められており、より効率的にエネルギーを変換できる物質はないかを探ったり、物質が前例のない性質を示した際にその理由をしっかり理解しておくことは、未来の社会に向けて非常に重要なことだと思っています。物質系専攻は物質科学の幅広い分野をカバーしているので、物性研究をしたい方は興味のある研究室がきっと見つかると思いますし、同じキャンパスにある物性研究所には十分な研究設備があるので、研究環境も満足できるはずです。