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次世代技術の芽と新しい物理をつくる

早稲田大学 理工学術院 先進理工学部 物理学科・応用物理学科

相互作用する電子が示す創発物性現象の理論研究

創発物性物理学研究

[English]

望月 維人  [教授]
e-mail
homepage http://www.f.waseda.jp/masa_mochizuki/index.html
専門分野 理論物性物理学
研究テーマ・研究活動

凝縮系物理学、強相関電子系、創発物性科学、スピントロニクス

1998年 東京大学理学部物理学科卒業
2003年 東京大学大学院理学系研究科物理学専攻 博士課程修了 博士(理学)
2003年 日本学術振興会特別研究員(PD)
2006年 理化学研究所 基礎科学特別研究員
2007年 科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業研究員
2009年 東京大学大学院工学系研究科・特任講師
2013年 青山学院大学理工学部物理・数理学科・准教授
2013年 科学技術振興機構さきがけ研究員(兼任)
2017年 早稲田大学先進理工学部応用物理学科・教授

望月研究室では、磁性体、強誘電体、超伝導体、金属、絶縁体と言った様々な物質が示す劇的な物性現象や豊かなデバイス機能を理論的に研究しています。出発点となるのは、物質を構成する電子の運動や相互作用を記述する、量子力学に基づいた数理モデルです。電子は、電流の担い手である「電荷」という自由度に加え、磁石としての性質を担う「スピン」自由度や、原子核の周りにどのような形状で分布するかといった「軌道」という自由度を持ちます。さらに、これらの電子の自由度は、結晶格子の構造や振動モードと結合します。このような効果を考慮して、物質の個性を反映したモデルを構築するのです。次に、構築した物理モデルを量子力学や統計力学、場の量子論、数値解析の手法などを駆使して解析し、実際の物質が示す不思議な物性現象を再現・説明したり、まったく新しい物理現象や物質機能を予言・探索したりするのです。

実は、電子1個の性質というのは、大学の学部で勉強する量子力学という学問のおかげで非常に良く分かっています。しかし、物質の性質を担う膨大な電子は、互いに強く競合・協調して絡み合うことで、11個の電子の単純な足し合わせとは違う、劇的で多彩な性質や現象を示します。例えば、低温で電気抵抗がゼロになる「超伝導現象」や、光や磁場をあてると絶縁体と金属の間を移り変わる「光誘起相転移」や「巨大磁気抵抗効果」、温度差を与えると発電する「熱電効果」といった現象や効果がその例です。望月研究室では、このような電子の集団が物質中で繰り広げる想像をはるかに超えたスペクタクルに、紙と鉛筆とコンピュータ、そして熱い情熱で挑みます。

ちなみに、熱い情熱の半分は、純粋な知的好奇心と真理の探究心でできていますが、もう半分は応用を視野にいれた「人類の役に立ちたい」という思いでできています。例えば、「キラル磁性体で実現するスキルミオンと呼ばれるナノ磁気渦(図参照)」や「磁性と誘電性が共存するマルチフェロイックス物質」の研究は、IoT時代やビッグデータ時代に起こる情報爆発問題を解決する高性能な磁気ストレージ素子の実現につながると期待しています。また、「熱電効果」や「超伝導」の研究は、エネルギー問題解決の秘策となるかも知れません。

図:キラル磁性体FeGe中に実現する「スキルミオン」と呼ばれるナノ磁気渦。
次世代磁気メモリ素子の情報担体としての応用が期待されている。

 

 

Masahito Mochizuki [Professor]
e-mail
homepage http://www.f.waseda.jp/masa_mochizuki/index.html
research field Theoretical condensed-matter physics
research keywords

Condensed matter physics
Strongly correlated electron systems
Emergent materials science
Spintronics

link

Theoretical studies on emergent phenomena of materials

We are theoretically investigating dramatic physical phenomena and rich device functions of materials such as magnets, electrics, superconductors, metals and insulators. Our starting points are microscopic models, which describe kinetics and interactions of electrons in materials based on quantum mechanics. The electrons have charge, spin, and orbital degrees of freedom, which mutually couple and correlate. Taking account of the interplays between these degrees of freedom, we first construct mathematical models for the materials. Analyzing thus constructed models using quantum mechanics, statistical mechanics, quantum field theory, and numerical techniques, we explore physics behind the amazing phenomena and predict novel physical properties and materials functions.

Properties of individual electrons are understood well, which faithfully obey quantum mechanical laws. However, once many electrons gather, the situation is no longer the same as  the case of a single electron, owing to keen competition and cooperation among them. Assembly of vast amounts of electrons show drastic and rich physical phenomena, e.g., magnetism, phase transitions, superconductivities, colossal magnetoresistance. We attack these inconceivable and spectacular phenomena with pencils, papers, computers and enthusiasms as our weapons.

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