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Science Prize




凝縮系科学賞

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名古屋大学理学研究科
物理学教室
寺崎一郎
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過去の受賞者

第11回

第11回受賞者は実験部門で前田和彦氏(東京工業大学工学系研究科)が選考されました。 今回は理論部門は該当者なしとして受賞は見送られました。 表彰式は2016年12月9日に神戸大学六甲台第2キャンパス神戸大学百年記念館で行われ、 永長直人同賞選考委員長か ら賞状その他が贈られました。

太陽光を使って化学反応を駆動する光合成を人工的に実現することは、エネルギー・環境問題解決の切り札の一つです。水中 のTiO2が紫外光を吸収して水を水素と酸素に分解すること(本多・藤嶋効果、光触媒)は半世紀前に発見されましたが、 これでは太陽光エネルギーの大部分を占める可視光が未利用なため、バンドギャップのより小さい半導体の探索が活発に行わ れて来ました。

前田氏は、どちらもワイドバンドギャップ半導体であるGaNとZnOが固溶したときにバンドギャップが小さくなることを 予測し、これを用いて紫外から波長500 nm程度までの可視光によっても水が化学量論比で水素と酸素に分解できることを初めて示しました。一方、光吸収によって生成した電子と正孔が半導体中に一様に存在すると逆 反応が起き易く、効率が著しく阻害されます。これを防ぐために水素生成を選択的に行う活性点(「助触媒」)を系に付与す るのですが、前田氏はこの助触媒にも複合金属成分を使うという新しい発想を持ち込み、量子収率を飛躍的に高めました。こ れらの研究は、CO2からCOやギ酸の生成といった、人工光合成と呼ぶにより相応しい研究に展開しています。

これらの成果は、エネルギー・環境問題への応用という社会的波及効果はもちろん、明確な電子論的視点から光電気化学に取 り組むことの有効性を実践的に示したもので、凝縮系科学賞に相応しい業績です。

第10回

第10回受賞者は、実験部門で賀川史敬氏(理化学研究所創発物性科学研究センター)、 理論部門で石崎章仁氏(分子科学研究所協奏分子システム研究センター)が選考されました。 授賞式は2014年11月21日、東京大学小柴ホールで開催され、 永長直人同賞選考委員長から賞状その他が贈られました。

賀川氏の受賞理由は「分子性固体における強相関電子系の研究」です。近年、分子性物質が強相関電子系として注目されてい ます。柔軟で高い構造自由度を持つ分子の格子のもとで、強く相互作用する電子の集団が多彩な物性を示します。新規で多様 な物性の開拓と、分子軌道に基づく統一的な理解の試みが両輪となって、分子性物質ならではの強相関物理の研究が展開され ています。賀川氏は、分子性固体の物質パラメーターが圧力に敏感であることを利用して、精密に制御された加圧環境下にお ける実験により、擬2次元系では初めて、強相関電子系の代表的な現象であるモット金属-絶縁体転移の臨界現象を観測する ことに成功しました。また、電荷秩序が格子の幾何学的フラストレーションにより不安定化し、構造ガラスの特性を具備する 電荷不均一状態、すなわち電荷ガラスと呼ぶべき状態が発現することを見出しました。さらに、電荷移動型モット絶縁体にお ける強誘電分極の消長を磁場を印加することで起こすことにも成功し、従来とは異なる交差相関物性制御を達成しました。こ れらの成果は、それぞれ、基礎物理の解明、電子相の開拓、機能の開発という点で、強相関電子系の研究に大きな影響を与え ました。凝縮系科学賞に相応しい業績です。

石崎氏の受賞理由は「実時間量子散逸系の理論とその光合成初期過程への展開」です。石崎氏は、凝縮相分子系の量子ダイナ ミクスとその光学応答を同じ理論基盤から正確に計算できる、散逸系量子散逸系の基礎理論の開発に寄与し、さらに光合成初 期過程における電子エネルギー移動の研究に展開しました。(i)タンパク質に内包された色素電子状態の動的揺らぎの時間 スケール、(ii)タンパク質の局所的な歪み、(iii)応答、の3者間に成り立つ揺動散逸関係に注意しながらモデルを 構成し、量子ダイナミクス計算を行うことで、エネルギー移動の速度が、自然環境に対応するパラメータ領域で、最大化・最 適化されていることを明らかにしました。さらに、量子エンタングルメントの測度を用いて動的揺らぎに曝されたエキシトン の頑健性・脆弱性を考察しました。そして、電子励起エネルギーの揺らぎを反応座標とした断熱自由エネルギー面を解析する ことで、エネルギー移動に要する活性化自由エネルギーが、天然状態に対応するパラメータ領域でほぼ0となっていることを 示し、光合成光捕集系における高速エネルギー移動の物理的起源を明確にしました。一連の研究は、光合成初期過程の化学物 理学・生物物理学などの当該分野に留まらず量子物理学やエネルギー変換デバイスの理論研究など関連周辺分野をも強く影響 を与えた、凝縮系科学賞に値する優れた研究業績です。


第9回

第9回受賞者は、実験部門で松石聡氏(東京工業大学元素戦略研究センター)、 理論部門で水島健氏(大阪大学基礎工学研究科)が選考されました。 授賞式は2014年11月21日、大阪大学豊中キャンパス基礎工国際棟で開催され、 北岡良雄同賞選考委員長から賞状その他が贈られました。

松石聡氏の受賞理由は「機能性エレクトライド・ハイドライドの創出」です。新しい物質の開発が物質科学の鍵を握っている と言っても過言ではありません。物質科学の様々な分野でその発展を支えてきた酸化物系固体の物質開発においては、カチオ ンである金属イオンを置換するという方法が広く用いられてきました。松石氏は、酸素の置換アニオン種として、電子そのも の(電子化物)および最も単純な元素である水素のアニオンに注目し、機能性酸化物エレクトライドおよびハイドライドの開 発に新しい道を切り拓きました。氏は、籠状構造を有するセメント鉱物において、籠の中に緩く束縛されている酸素イオンを 化学的手法で電子に置換し、籠の中に電子が漂う物質(エレクトライド)を実現させました。この物質は、常温大気雰囲気下 で高い安定性と高い電気伝導性を有し、その後に超伝導の発現が明らかにされ、物質科学に大きな衝撃を与えました。さら に、鉄系ニクタイド系超伝導体の研究において、酸素イオンの一部を水素アニオンで置換できることを示し、フッ素イオン置 換では 15%に留まっていた電子ドープ濃度を 50%まで可能にしました。その結果、2つの”超伝導ドーム”の存在とそれに伴う新たな反強磁性相の発見等、超伝導研究に新たな展開をもたらしました。以上のように、松石 聡氏は、電子と水素をアニオンとして活用することにより、新しい機能性酸化物を開発し、物質科学の発展に大きく貢献した ことは、凝縮系科学賞に値する優れた研究業績です。

水島健氏の受賞理由は「トポロジカル超流動・超伝導の理論的研究」です。超流動 3 HeB相は、「時間反転不変性」と「粒子・ホール対称性」によって保護されたトポロジカル超流動(DIIIと呼ばれるクラスに分類)です。 時間反転対称性は磁場印加により容易に破壊されるので、これまでは、トポロジカル超流動性は消失すると考えられてきまし た。水島氏は、印加磁場の下でも「時間反転操作」と「スピン・軌道空間の反転(180 度回転)操作」からなる「隠れた離散操作(Z2)不変性」に保護されたトポロジカル超流動状態が可能であることを発見しました。さらに、磁場効果と磁気双極子間相互作用の 競合効果により、非自明なトポロジカル相と非トポロジカル相との間に予期せぬ相転移が存在すること、そして、そのような 相転移はNMRを用いた実験により観測可能であることを予言しました。この成果は、トポロジカル量子相の物理に新しい風 を吹き込み、今後の研究の1つの方向性を示すものであるとともに、トポロジカル超伝導の研究にも影響を与えるものであ り、凝縮系科学賞に値する優れた研究業績です。

第8回

第8回受賞者は、実験部門で内田健一氏(東北大学金属材料研究所)、 理論部門で伏屋雄紀氏(電気通信大学情報理工学研究科)が選考されました。 授賞式は2013年12月1日、東京大学武田ホールで開催され、 北岡良雄同賞選考委員長から賞状その他が贈られました。

内田健一氏の受賞業績は「スピンゼーベック効果の発見とスピン熱流物理の展開」です。 電子スピンの流れを使って情報やエネルギーを伝達するスピントロニクスが提案され、 これを実現するためのスピン流の生成・制御・検出法が近年盛んに研究されています。 しかしその多くはスピン偏極電流を対象とし、エレクトロニクスの影を色濃く残しています。 内田氏は、温度勾配をもつ強磁性金属に常磁性金属を接触させ、 常磁性金属中の逆スピンホール効果を用いて、熱流がスピン流を生成する「スピンゼーベック効果」 を発見しました。 次いで、この熱スピントロニクス効果とも呼ぶべき現象を電荷移動の要素を含まない 強磁性絶縁体/常磁性金属接合においても実証し、さらに、音波によるスピン流生成にも成功しました。 これらの発見は、これまでに全く前例が無く、その独創性は高く評価でき、 科学への貢献にとどまらず、スピンゼーベック効果を利用した電荷の自由度を全く用いない 革新的な熱スピントロニクスデバイスの開発を通して社会へ計り知れない波及効果を持ち得る可能性があります。

伏屋雄紀氏の受賞業績は「固体中ディラック電子系の量子輸送現象の理論的研究」です。 軌道反磁性は回転電流によって磁気モーメントが発生することで生じるますが、 この平衡状態で流れる電流は外に取り出すことができないので輸送現象には寄与しません。 ところが、一方で、バンド間効果による非散逸性の電流やスピン流による輸送現象が 盛んに研究されるようになり、反磁性電流と輸送現象の間の関係がクローズアップされるようになってきました。 伏屋氏は、ディラック粒子として記述できるビスマスの電子系を対象に、バンド間効果の役割を、 ホール効果、スピンホール効果、光誘起スピン偏極電流効果、の3つの現象に即して明らかにすることで、 この基本的な問題に対して重要な寄与をしました。 従来バンド内効果の解析のみが行われてきた輸送現象の理論に対して、バンド間の行列要素を注意深く扱った 精密な計算によってバンド間効果を解析し、特に、スピンホール伝導度と軌道反磁性の関係を追求して フェルミエネルギーがギャップ内にあるときには両者は基本定数によって厳密に関係づけられることを示しました。 これらの成果は、バンド間効果の輸送現象における役割を明らかにしただけでなく、 軌道反磁性電流と輸送電流の間の深い関係を示唆するものであり、 基礎物理学へ大きなインパクトを持つばかりでなく、スピントロニクス等への応用という 観点からも高く評価されます。

第7回

第7回受賞者は実験部門で塚崎敦氏(東京大学新領域創成科学研究科)、 理論部門で笠真生氏(イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校)が選考されました。 表彰式は2012年11月27日に東京大学武田ホールで行われ、 北岡良雄同賞選考委員長から賞状その他が贈られました。

塚﨑敦氏の受賞業績は「高品質ZnO薄膜の作製と酸化物エレクトロニクスへの応用」です。 同氏は、酸化亜鉛(ZnO)はワイドバンドギャップ半導体電流注入によって発光するpn接合を初めて実現しました。 (MgZn)O/ZnO界面にポテンシャルの谷を作り、2次元電子系を実現し、最も良質の化合物半導体で観測される ものに匹敵する輸送特性として、分数量子ホール効果さえ観測出来る高品質なもの実現しました。 酸化物エレクトロニクスと漠然と呼ばれていた分野が「物質科学ならびにエレクトロニクスとしての 応用分野における明瞭な研究対象」となることを示すとともに、酸化物が電子技術材料として 確立されるために必要な研究の指針を与えました。

笠真生氏の受賞業績は「トポロジーを用いた固体電子状態分類学の確立」です。 これまで全貌が明らかではなかった固体中電子の量子波動関数の持つトポロジー的性質 について、同氏は3つの対称性(時間反転対称性、粒子・正孔対称性、カイラル対称性)を用いて その普遍クラスが10個のクラスで尽きていることを見出しました。 その結果、系の次元に応じてトポロジカルに非自明な絶縁体および超伝導体を特徴づける群を 決定することが可能となり、世界で初めて「トポロジカル周期表」を完成させ、 新しい電子状態を探索する指針を与えました。

第6回

第6回受賞者は実験部門で北川健太郎氏(東京大学物性研究所)が選考されました。 今回は理論部門は該当者なしとして受賞は見送られました。 表彰式は2011年11月19日に東北大学金属材料研究所2号館1階講堂で行われ、 北岡良雄同賞選考委員長から賞状その他が贈られました。

北川氏は、方位制御のための2軸回転が可能なコンパクトなサイズを持ちながら、 10GPa級の超高圧が発生可能で、7mm3という従来ものに比べて、 一桁近く大きな試料体積を持つこれまでに類のないデザインと性能を持つ画期的な圧力セルの開発に成功しました。 その結果、超高圧下NMR測定を鉄ニクタイド化合物単結晶SrFe2As2に適用し、 元素置換による不純物効果の影響を受けない圧力誘起超伝導状態は、 これまでに例のない構造転移も関係した磁性と超伝導の共存状態であることを発見しました。 今回、開発に成功した画期的な超高圧セルは、高圧の専門家からも注目され、 例えばJ-PARCで開発中の高圧下中性子回折実験装置、高圧下光学測定などにも役立っています。 この技術開発は、物性科学のフロンティアを切り拓くことが期待でき、凝縮系科学賞に値する研究業績です。

第5回

第5回受賞者は実験部門で木須孝幸氏(大阪大学基礎工学科)、 理論部門で小林未知数氏(東京大学総合文化研究科)が選考されました。 表彰式は2010年11月13日に東京大学武田ホールで行われ、 北岡良雄同賞選考委員長から賞状その他が贈られました。

木須氏は、光電子分光法の超高分解能化を可能にする実験技術 の開発を推し進めて来ました。光電子分光法は、物質の電子状態 を明らかにできる有力な方法であり、その分解能の向上はそのま ま電子状態の詳細な理解、ひいては背後に潜む物理の解明につな がるものです。このために、光源としてレーザー光の高次高調波 を用いるとともにアナライザーの開発から取り組み、分解能の記 録を次々と塗り替えました。また、高分解能を活用するための低 温化にも挑戦し、エネルギー分解能0.15 meV、到達温度1.8K を 達成するに至っています。これらの実験技術の開発によって、光 電子分光では従来不可能と思われていた電子物性研究が可能であ ることを示し、物性科学のフロンティアを切り拓たものであり、 凝縮系科学賞に値する研究業績です。

小林氏は、量子流体力学とりわけ量子乱流の研究を進め、巨視 的波動関数が従うグロス・ピタエフスキー方程式の数値解析によ り、古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が超流動 乱流においても成り立つことを示しました。超流動乱流では量子 渦は安定な位相欠陥であるため構成要素が明確であり、かつ粘性 による通常の散逸が存在しません。このことにより、乱流状態で の渦のカスケード過程がコルモゴロフ則成立にとって本質的であ ることを曖昧さなく示せた点が画期的です。乱流はレオナルド・ ダ・ヴィンチ以来、理学・工学を通して自然界の最大の難問の一 つですが、その理解へ向けての大きな進歩と見なせます。また、 この研究は種々の原子気体ボース・アインシュタイン凝縮体の量 子渦の振る舞いを解明する研究へと発展しており、凝縮系科学賞 に値する研究業績と評価されます。

第4回

第4回受賞者は実験部門で千葉大地氏(京都大学化学研究所)、 理論部門で桂法称氏(JSPS海外研究員)が選考されました。 表彰式は2009年11月29日に東京大学武田ホールで行われ、 北岡良雄同賞選考委員長から賞状その他が贈られました。

千葉氏は、「強磁性半導体の電界効果に関する研究」に対して同賞が授与されました。 千葉氏は、強磁性半導体薄膜の物性とデバイス構造に関する研究を進め、 強磁性の電界制御という新しい分野を切り開きました。 強磁性半導体薄膜の電界によるキャリア濃度変調により、 強磁性転移温度や保磁力の制御、さらに磁気異方性を変化させて 外部磁場やスピンカレントを用いずに磁化方向を操ることに 成功しています。 今日の情報通信を支えるエレクトロニクスは半導体と磁性体の機能を 別々に用いていますが、同氏の研究はこの両者を融合した、 まさに新機能のスピントロニクスデバイスを実現するための 先駆け的な成果であり、凝縮系科学賞に値する価値ある研究業績です。

桂氏は、「磁性強誘電体の理論的研究」に対して同賞が授与されました。 桂氏は、スピン・軌道相互作用の関係した電気・磁気効果に起因する磁性 強誘電体、および磁気構造と輸送現象の関係についての理論的研究で顕著な 成果を挙げました。 近年大きな注目を集めているマルチフェロイックス物質群の物性を 微視的な立場から理解しようとする挑戦を行ない、その結果、 「非共線磁気構造(特に螺旋構造)におけるスピン流が, 電気分極を作り出す」 という新しい物理的機構を世界で最初に提唱しました。 この理論が提出された後に、実験によって数々の物質群で桂氏らが 提唱した機構が働いていることが実証されるに至り、 今日ではマルチフェロイック研究の古典的な文献と目されるまでになっている ことからも、凝縮系科学分野での先駆的な業績であると高く評価されます。

第3回

第3 回受賞者は実験部門で神原陽一氏(科学技術振興機構TRIP 研究員)、 理論部門で古賀昌久氏(京都大学理学研究科)が選考されました。 表彰式は2008年11月30日に東京大学武田ホールで行われ、 北岡良雄同賞選考委員長から賞状その他が贈られました。

神原氏には、「鉄系高温超伝導体の発見」に対して同賞が授与されました。 神原氏は、鉄を含むオキシニクタイド化合物で最大32K の転移温度を持つ 新系統の高温超伝導物質を発見しました。 鉄を含む化合物でこれほど高い転移温度を示したものはなく、 新しいタイプの高温超伝導物質であると考えられています。 今年の2月にLaFeAsO1-xFx における超伝導を発見して以来、 世界では各サイトの元素置換やドーピング効果による超伝導特性の報告がなされるなど、 研究は急激な進展を見せています。 新物質探索や伝導機構解明等の研究が世界中で繰り広げられており、 インパクトの大きな成果であり、凝縮系科学賞に値する価値ある研究業績です。

古賀氏には、「直交ダイマースピンおよび多軌道モット転移の理論的研究」 に対して同賞が授与されました。 強相関電子系が示す多彩な電子相は今日の物性物理学の中心的テーマですが、 その中でもフラストレーションや他自由度の役割が本質的に重要であることが 認識されるようになっています。 古賀氏はこの問題に対して、信頼性の高い理論的解析を行い、先駆的な研究を行ないました。 特に、(1)幾何学的フラストレーションを含む量子スピン系SrCu2(BO3)2 を 記述するモデルで新しいスピンギャップ相を見出したこと、 (2)多軌道モット転移を記述する模型でフント結合が存在する場合には、 軌道選択的にモット転移が起こることを示しました。 今後、この軌道依存した電子相関効果という概念はその重要性を増すと考えられ、 凝縮系科学分野で先駆的な業績あり、高く評価されます。

第2回

第2回受賞者は実験部門で青木 大氏(フランス・グルノーブル、フランス原子力庁)、 理論部門で妹尾 仁嗣氏(日本原子力研究開発機構)が選考されました。 表彰式は2008年1月5日に名古屋大学野依記念学術交流館で行われ、 福山秀敏同賞選考委員長から賞状その他が贈られました。

青木氏は「ウラン・超ウラン元素を含む重い電子系新超伝導体の発見」に対して同賞が授与されました。 一般的に5f電子は、局在的な4f電子と遍歴的な3d電子の中間的な性質を持ち、 5f電子が磁性を担うウラン化合物は、重い電子状態、異方的超伝導、 磁気・四極子秩序など多彩な物性を示します。 なかでも強相関電子系と呼ばれる重い電子系が示す超伝導状態は、 通常の金属とは異なりクーパー対が異方的であってそれゆえに多彩な性質を示し、 この四半世紀にわたり活発な研究がなされてきました。 この分野では新しい超伝導体を発見することが第一義的に重要であり、 従来の経験は「新しい物質は新しい概念を内包する」ことを示しています。 青木大氏はウラン元素を含むURhGeの純良化に成功し、 常圧下低温で強磁性と超伝導が共存することを発見しました。 これは加圧下の強磁性状態で超伝導が発現するUGe2との関連を解明する上でも重要な発見です。 さらに、ごく最近、超ウラン元素であるネプチニウムを含むNpPd5Al2が 超伝導ギャップがポイントノードをもつ強結合異方的超伝導体であることを発見しました。 その後の研究によって、この物質は強相関と弱相関の中間にあることが示唆されていること、 また上部臨界磁場近傍で量子臨界点が誘起されることなども含めて、 強相関電子系超伝導の研究展開の中で重要な位置を占めることを予感させます。 氏は、これら以外にも、幾多の純良単結晶の育成、 ドハース・ファンアルフェン効果によるフェルミ面の確定を通じて 重い電子関連の研究の推進に多大の貢献をしています。

妹尾氏は「有機導体における電荷秩序の理論的研究」に対して同賞が授与されました。 有機伝導物質は、電子状態の低次元性、電子間クーロン相互作用、 電子格子相互作用の競合により、多彩な電子相を示します。 最初の有機超伝導体としてよく知られる擬一次元電子系(TMTTF)2X, (TMTSF)2Xも、 超伝導相に加え、金属相、様々な磁性をもつ絶縁相が圧力制御やアニオンXの置換で現れます。 これらの多様な電子相の統一的な理解は物性物理学の大きな課題でした。 妹尾仁嗣氏は、物質に即した有効モデルの理論研究により、 この系における絶縁相が電荷秩序に起因することを予言し、 実験による検証を経て、電子間長距離クーロン相互作用が現実の物質に決定的な影響を 及ぼすという描像を築きました。さらにこの研究の発展として、 擬2次元有機伝導体(BEDT-TTF)2Xの電荷秩序についても重要な理論的示唆を与え、 多くの実験研究を刺激すると共に、三角格子における電荷秩序とフラストレーションの 研究へと新しい研究領域の発展を促しました。 妹尾氏によるこれら一連の研究は、分子性物質の電荷秩序研究の源流と言うべき 極めて影響力の大きなものと評価されます。

第1回

第1回受賞者は、 実験部門で中辻 知氏(東京大学物性研究所)、 理論部門で村上 修一氏(東京大学工学系研究科物理工学専攻) が選考されました。表彰式は、2007年1月5日に東京大学・弥生講堂で行われ、 秋光 純同賞選考委員長から賞状その他が贈られました。

中辻 知氏は、電子相関の強い系での低温磁性が専門で、 最近では特に、幾何学的フラストレーションにより期待される新しい量子磁性現象の発現を 目指した磁性体の研究開発をされています。 なかでも、京都大学大学院理学研究科前野悦輝教授の研究グループと共同で開発された 三角格子スピン系での新しい2次元量子磁性状態の発見、 3次元パイロクロア金属でのスピン液体的基底状態と異常な輸送現象の発見は 特に注目されるものです。 今回の賞はこうした「幾何学的フラストレーションを持つ新物質の開拓」に対して授与されました。 固体物理学では、物質開発による新しい物理概念の創造が発展の推進力であり、 氏のさらなる活躍が期待されます。

村上修一氏は固体物性理論が専門で、幾何学的位相(ベリー位相)に起因する特異な 物性現象の 理論的予言・解明を研究されています。 特に2003年より、同専攻の永長直人教授、スタンフォード大学のShoucheng Zhang教授と 共同で内因性スピンホール効果の理論的予言や絶縁体でのスピンホール効果等の研究を おこなっており、本研究を端緒としてスピンホール効果が理論・実験両面で盛んに 研究されるようになりました。 今回の凝縮系科学賞はこの「スピンホール効果の研究」に対して授与されました。
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