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/内田 就也 HP 准教授/是常 隆 HP 准教授/柴田 尚和 HP
助教/泉田 渉 HP 助教/大槻 純也 HP 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、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、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。

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。

細胞の非平衡・非線形ダイナミクス(内田)
生命の単位である細胞は強い非平衡状態にあってさまざまな動的現象を示す。化学エネルギーを運動エネルギーに変換する分子モーターが鞭毛、繊毛や細胞骨格を構成するフィラメントを駆動し、それらが自己組織化して細胞の遊泳、遊走や分裂など巨視的な運動として現れる。また多数の細胞の相互作用によって集団運動や多細胞生物の形態形成が引き起こされる。これらの現象は物理学の新たな対象として、ソフトマターや非平衡統計力学、非線形動力学の観点から研究が進められている。本研究グループでは、細胞の遊泳や物質輸送を司る鞭毛や繊毛を中心に、細胞や細胞集団のダイナミクスを流体力学、同期現象、相転移などの理論を用いて研究している。

第一原理計算を用いた物性解明(是常)
第一原理計算とは物質の結晶構造のみをインプットとし、物質に依存するパラメータを用いず、非経験的に電子状態を計算する手法である。近年、この第一原理計算に基づいて様々な物性が議論されるようになってきており、実験と理論の比較になくてはならない手法となりつつある。本研究グループでは、この第一原理計算の適用範囲を拡大し、より広範な物性を解明、予言していくことを目指している。具体的には、超伝導体や磁性体の物性、異常ホール効果や異常ネルンスト効果のような輸送現象などを研究している。また、様々な物質に対する計算データの蓄積とそのデータ科学的手法を用いた解析により、第一原理計算に基づく物質設計を目指した研究も行っている。

低次元強相関電子系の研究(柴田)
物質中の有効電子間相互作用が弱い場合、フェルミ面の存在によって低温、低エネルギーの電子の性質は自由電子の性質と質的に同じになる。これは、ランダウのフェルミ液体論の帰結であり、相互作用があっても一電子的描像が成り立つことを説明する。しかし、d軌道やf軌道という空間的に局在した原子軌道を電子が部分的に占有するときには、電子間の相互作用の効果が強く働き、フェルミ液体論の前提となるフェルミ面の特異性が失われることで、フェルミ液体論は破綻する。本研究グループでは、このような 強相関電子系の代表例である重い電子系、遷移金属酸化物、量子スピン系、量子ホール系における量子多体効果の研究を行っている。

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