研究者情報

井原 慶彦

講師

IHARA Yoshihiko

ミクロな視点から電子物性を解明

物理学部門 電子物性物理学分野

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研究テーマ

核磁気共鳴分光法を使った電子物性の精密測定。
温度・磁場・圧力を駆使して極限環境下で実現する電子の奇妙な凝縮状態を解明。
前人未到の磁場領域を精密測定により開拓。

研究分野強相関電子物性, 強磁場物性
キーワード核磁気共鳴法, パルス強磁場, 超伝導, 量子スピン, 巨視的量子凝縮状態

研究紹介

私の研究対象は電子です。電子単体は非常によく素性の知られた素粒子ですが、固体中で無数の電子が集団を作ると実に様々な性質を示します。それは現代のハイテク技術に欠かすことのできない実用的な機能から、実生活には全く役に立たないが、物理学の根幹を成す重要な概念の発展に資する現象まで、多岐にわたります。その中で私は電子の量子性が顕著に現れる現象に興味を持って研究を行っています。
私たちの生活の中で量子性を体感する機会はそう多くありません。そのため、電子の量子性が現れると日常的な感覚とはかけ離れた不思議な現象が観測されます。例えば水を想像すると、摂氏100度以上では気体、摂氏0度から100度までは液体、それより低い温度では固体と、温度を下げるにつれて水分子はエネルギーを失い、次第に静止していくという現象は日常でよく見かけられます。これに対し、極低温領域に踏み込むと、量子力学的不確定性により低温に行くほど電子が動き回るという、おかしな振る舞いが現れます。このように量子力学的効果により電子が動き回る(揺らぐ)ことで、超伝導状態やスピン液体状態など多彩な電子状態が観測されています。
私の研究は基礎研究に分類されますが、基礎研究の醍醐味は世界中の誰も知らない不可思議な物理現象を目の当たりにできることです。この貴重な瞬間に立ち会うためには、「新しい領域」に挑戦すること、そして「じっくり観察」することが重要であると考えています。「新しい領域」とは、まず新物質、そして誰も到達したことのない極低温、超高圧などが考えられますが、私は未踏の強磁場領域へ挑戦しています。一般的な研究で用いられる磁場は10テスラ前後ですが、私たちはそれを大きく上回る50テスラ級の磁場を用いて研究を行っています。ただし、50テスラ級の磁場を発生させるためには非常に大きなエネルギーが必要なため、一瞬(10分の1秒以下)しか発生させることができません。そのため、これまでは2つ目のカギである「じっくり観察」ということは難しいと考えられていました。そこで、私たちは電子の性質をミクロな視点から詳細に観測することができる核磁気共鳴分光法を強磁場発生技術と組み合わせることで未踏磁場領域での精密測定実現に取り組んでいます。精密測定を実現するには磁場発生のために投入する巨大なエネルギーを、高速に、そして正確に制御する必要があります。近年の技術革新によりこの課題が解決され、現在では新しい測定手法がほぼ確立したという段階に来ています。今後は、強磁場により引き起こされる様々な量子現象をつぶさに観測し、電子が引き起こす摩訶不思議な物理現象をこの目で捉えていくつもりです。

代表的な研究業績

Emergence of frustrated short-range order above long range order in the S = 1/2 kagome antiferromagnet CaCu3(OD)6Cl20.6D2O,
Y. Ihara, K. Matsui, Y. Kohama, S. Luther, D. Ophereden, J. Wosnitza, H. Kuhne, and H. K. Yoshida,
J. Phys. Soc. Jpn. 90, 023703 (2021)
Compact megajoule-class pulsed power supply for generating long-pulsed magnetic fields,
K. Matsui, T. Kanda, Y. Ihara, K. Kindo, and Y. Kohama,
Rev. Sci. Instrum. 92, 024711 (2021).
Anisotropic magnetic excitations from single-chirality antiferromagnetic state in Ca-kapellasite,
Y. Ihara, K. Arashimda, M. Hirata, Y. Sasaki, and H. Yoshida,
Phys. Rev. Research 2, 023269 (2020).
Microscopic coexistence of superconductivity and charge order in organic superconductor β''-(BEDT-TTF)4[(H3O)Ga(C2O4)3]C6H5NO2,
Y. Ihara, K. Moribe, S. Fukuoka, and A. Kawamoto,
Physical Review B 100, 060505(R) (2019)
Gapless magnetic excitations in kagome antiferromagnet Ca-kapellasite probed by 35Cl NMR spectroscopy,
Y. Ihara, T. Sasaki, N. Noguchi, Y. Ishii, M. Oda, and H. Yoshida,
Phys. Rev. B, 96, 180409(R) (2017)

関連産業分野

エネルギー材料, 機能性材料
学位博士(理学)
所属学会日本物理学会
居室理学5号館 5-128号室

物理学部門 電子物性物理学分野

井原 慶彦

講師

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研究者になるまでの思い出を教えてください。

大学院生時代に新しい磁気転移を発見した時のことをよく覚えています。当時は核四重極共鳴(NQR)測定という実験を行っていました。この実験はスペクトルをとるために、「周波数を設定し信号強度を測定する」という作業を延々と繰り返すのですが(当時は手動だった)、日夜実験に明け暮れた結果、オシロスコープを見ながら周波数発生器のノブをグリグリ回して周波数を連続的に変化させることで、スペクトルの全景を一瞬で把握するという特殊能力が身についていました。この能力を使ってたくさんの試料を次々測っていくと、どうやら出来立てほやほやの試料ではスペクトルの形状が違うようであるということに気づきました。この発見をもとに、さらに詳細な測定を続けていくことでこれは未知の磁気転移であるということが明らかになりました。異常なスペクトルに気づいた時の興奮は心に沁みついており、これが今でも研究を続けている動機の一つになっています。

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いま没頭している研究テーマは何ですか?

強大な磁場中での精密測定により電子物性の新しい可能性を見出す研究をしています。水を加熱すると水蒸気になり、冷却すると氷になるように、電子も温度によって様々な性質(物性)を示す状態に変化していきます。このような状態変化は温度を変えるだけでなく、外から磁場をかけることによっても引き起こされます。しかし、磁場により電子状態をコントロールできる幅(エネルギースケール)は温度と比べるとはるかに狭いため、電子状態を自在にコントロールするには巨大な磁場が必要になります。私たちは3/100秒というほんの一瞬だけ強磁場を発生させるパルス磁場技術を用いて電子状態の磁場制御にチャレンジしています。パルス磁場の難しさは、磁場が発生している一瞬の間に起こる電子状態変化を精密に観測しなければならないところです。私たちは最先端の測定技術を余すことなく投入し、この難題に挑んでいます。基礎研究の段階ではほんの一瞬しか姿を現さない電子状態ですが、その物性理解が進むことでハイテクデバイスや発電などに応用されることが期待されます。

パルス強磁場発生装置
コイルにエネルギーを供給する電源の中身
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得意なこと、⼤好きなこと、趣味、⽇課を教えてください。

毎朝、子供たちをこども園まで送ることを日課としています。30分ほどの道のりを毎日歩いて通っています。いつも変わらぬ同じ登園経路でも子供たちと歩いていると見える景色は一日として同じことはありません。ときには全力疾走し、ときにはしゃがみこんで動かなくなるなど天真爛漫な挙動に振り回されてばかりですが、動かなくなった視線の先には奇妙なキノコが生えていたり、見たこともない虫がアリに食べられていたり、謎の石が転がっていたり(もしかして磁性体!?)と大人の視点からは有り得ない新鮮な発見をもたらしてくれています。小学校に進学し、各自勝手に通学できるようになるまで続けたい朝の日課です。