物性理論

物性理論

教員

教授/石原 純夫 HP 教授/川勝 年洋 教授/齋藤 理一郎 HP
准教授/柴田 尚和 HP
助教/泉田 渉 HP 助教/内田 就也 HP 助教/大槻 純也 HP 助教/中 惇 助教/中島 龍也
助教/Ahmad Ridwan Tresna Nugraha 助教/村島 隆浩 助教/横山 寿敏

研究について

(左)フラーレン・ナノチューブ・グラフェン。(中央)モット絶縁体の過渡電子励起スペクトル。
(右)ブロック共重合体のミクロ相分離構造の分子モデルと場のモデル。

物性理論の目的は個々の凝縮系の興味ある性質の研究を通して、普遍的な物理法則を明らかにすることである。対象となる凝縮系は天文学的規模の数の原子や電子が集まった系であり、強相関電子系やグラフェンなどの固体からナノ構造物質やソフトマテリアルまで多岐にわたる。近年、研究手法や概念の発展に伴い、物性理論研究の対象が大幅に拡大している。他分野との「境界領域」である、非平衡、量子情報、トポロジー、生体系、素粒子物理や一般相対性理論との融合領域などがその一例である。また実験研究との連携においても、物性理論の果たす役割はますます重要になっている。

本グループでは複数の教員で小グループを組織しており、教育と研究は教員と院生との個別的な指導と協力により行われている。また物性理論グループ全体で、コロキウム、計算機の利用、懇親会などの幅広い交流がなされている。多くの外国人ビジターに加え、外国人のポスドクや学生が在籍しており、研究活動の中で語学力や国際的な視点を身につけることができる。本グループは、質・量ともに国内外で最大級の物性理論グループであり、物性研究のほぼすべての領域をカバーしている。

各グループの主な研究テーマを記す。

相互作用の強い電子系の量子物性物理 (石原、大槻、中、横山)

電子間に働くクーロン相互や電子格子相互作用が強い系では、その多体効果、非線形効果と電子が本来持つ量子効果、量子統計性が絡み合い、バンド計算などの一電子近似では予想がつかない非自明な現象が現れる。高い転移温度を持つ超伝導、相互作用による金属絶縁体転移、量子スピン液体はその一例である。本研究グループでは数値的計算手法と解析的計算手法を駆使することで、多体電子系が織りなす新しい量子物性の起源の解明と理論予測を行っている。代表的なテーマを以下に挙げる。多電子系の新規な超伝導、磁性、誘電性、光物性。多体系における強い非平衡状態、過渡状態。電子間相互作用と電子格子相互作用との協力と競合。高温超伝導や冷却原子系の物性。重い電子系の磁性と超伝導。

ソフトマターの非平衡統計物理学 (川勝、内田、村島)

ソフトマターは、高分子、液晶、界面活性剤、膜等の物質群の総称であり、系に内在する多階層の構造に起因した柔軟な力学特性を示すことがその特徴である。このような多階層構造を持つ系を対象として、統計物理学の手法を用いた理論的なモデル化とともに、ミクロスケール(分子スケール)とマクロスケール(流体スケール)を連携させるマルチスケールシミュレーションによる研究を行っている。また、ソフトマターは生物の体をつくる材料でもある。生物は強い非平衡状態にあって化学エネルギーを運動エネルギーに変換するという特性を持っている。代表的な例としてバクテリアや細菌など微生物の運動を、流体力学や同期現象などの理論を用いて研究している。

ナノチューブ・グラフェン・原子層物質の物理(齋藤、泉田、中島、Nugraha)

カーボンナノチューブ、グラフェン、原子層物質(通常の固体を1原子の厚さにした、1次元(線)または2次元(面)の新規物質)の固体物理、特に光物性。齋藤・ヌグラハは、ナノチューブや原子層物質の光に対する特性を、解析的手法および第一原理計算による数値的手法で求める。特に円偏光に対するバレー偏極や励起子、表面プラズモン、コヒーレントフォノン、共鳴ラマン分光理論、熱電変換効率などの計算などを行っている。泉田は、有限長ナノチューブの閉じ込め効果やスピン軌道相互作用など、量子伝導領域のナノチューブの物性を、数値的および解析的な方法により研究する。中島は、貴金属製の球や分割リング共振器からなる人工層状物質(メタマテリアル)における近接場効果や負屈折率光伝搬現象を量子論的手法により追求する。

2次元原子層物質・トポロジカル物質 (越野)

グラフェンは炭素原子1層だけからなる物質であり、歴史上初めて実現した純粋な2次元結晶である。近年、グラフェンに続いて半導体、磁性体、超伝導体などさまざまな物質から2次元薄膜が作成されつつあり、「2次元物質」という新しい物理分野が誕生しつつある。2次元にすることで、その母体となる3次元物質とは全く異なる性質を実現できる。たとえば1層のグラフェンは元のグラファイトとは異なり、「質量ゼロの相対論的粒子」と呼ばれる異常な電子が現れる。また1層にすることで、光らない半導体が光る半導体になったり、また超伝導体では転移温度が何倍にも上がることもある。様々な2次元物質における輸送現象、光学特性、磁気的性質といった現象の理論解析を通じて、今までになかった物性や機能を探究することが可能である。

低次元強相関電子系の研究(柴田)

半導体に代表される物質の設計加工技術の進歩は工業製品の性能向上に大きな役割を果たしてきたが、そこで制御の対象になったものは半導体の界面に閉じ込められた2次元電子系である。この2次元電子系に磁場を加えると、これまでにない多彩な電子制御が可能になるが、このような系の性質を正しく理解するためには、電子間相互作用により生じる量子多体問題を正確に解くことが必要になる。本研究グループでは、このような強相関電子系に対する優れた計算法である密度行列繰り込み群(DMRG)を利用し、これまで解析が困難であった二次元量子系の基底状態、分数量子ホール効果、超伝導、量子スピン液体、重い電子状態などの様々な量子多体効果の研究を行っている。

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