教員・研究室

物体の端っこである「表面」は、３次元の「結晶」とは全く異なる性質を持つことがあります。「結晶」は、原子が3次元空間において周期性を持って並んだ状態を指しますが、物事には必ず終わりがあるように、どんな物体も必ず端っこ、つまり「表面」が存在します。「表面」では、原子の並びの周期性が破られてしまうので、結晶の性質を理解するには邪魔なものとして扱われていました。しかし、様々な実験装置の開発が進み、表面に着目した研究が行われたことで、表面では、結晶とは異なる２次元の周期性をもつこと、表面特有の物理現象が起きることなどがわかってきました。２次元である表面や界面、１次元であるエッジ、０次元のドットなど、低次元系でおこる不思議な物理現象は、まだまだ未解明なことがたくさんあり、私たちの研究分野では様々な実験手法を用いてその詳細に迫ります。

　また、最近では、結晶表面に別の元素の原子を結合させて人工的に作成した「表面超構造」や「原子層物質」の研究も盛んに行われています。2010年ノーベル物理学賞の研究対象であるグラフェンは、３次元結晶であるグラファイトを限界まで薄くした２次元の原子層物質で、高易動度・高柔軟性・高安定性などの点から注目を集めています。鉄とセレンの化合物であるFeSeは、３次元結晶では7.2Kで超伝導に転移しますが、 SrTi03基板の上に１層だけ成長させることで超伝導転移温度が100Kを超えることが報告されています。2016年ノーベル物理学賞の理論が元になったトポロジカル絶縁体は、３次元結晶部分は絶縁体であるが２次元表面部分は金属、といった不思議な性質を持っています。

　物質の性質（物性）は、電子の動きが深く関わっているので、電子がどのように動いているのかがわかれば、物性を理解することができます。また、どのような物性を持つかを調べることも重要です。もちろん、原子がどう並んでいるのかも詳しく知る必要があります。私たちの研究室では、低次元物質を創る・見る・測る・理解するをモットーに、走査トンネル電子顕微鏡や光電子分光、電子・陽電子回折などの様々な実験手法を駆使して、低次元物性の解明を行います。

大学で物理を研究する一番の醍醐味は、この世界の理を知っているのは今世界で自分だけ！というタイミングに出会えることです。私が専門とする「物性物理学」は、ざっくり言えば、「どうして金属には電気が流れるのか？」とか「なぜ鉄は磁石にくっつくのか？」といった「物の性質＝物性」を明らかにする学問です。物性物理学によって様々な物質の性質を理解してきたことで、より良い性質や新しい性質を持った物質が発見・創出され、それらの物質が工業製品に応用された結果、現代の便利な生活が達成されました。スマホが使えるのも、リニア新幹線が開発されたのも、物性物理の恩恵だと私は思っています。錬金術師のように人工的に新しい物質を創り、探偵のように物理法則から現象を論理的に説明する物性研究を通して、誰も知らない世界の一端を明らかにしてみませんか？

The surface, which represents the edge of an object, has different properties from three-dimensional (3D) crystals. A crystal is a solid material whose constituents (such as atoms, molecules, or ions) are arranged in a highly ordered microscopic structure along three-dimensional axes. However, every crystal always has its edge, namely the surface. In recent years, there has been substantial research focused on surfaces, driven by advancements in various experimental techniques.

-Graphene, the thinnest form of graphite, is garnering significant attention due to its high mobility, flexibility, and stability.
-FeSe, a compound of iron and selenium, has been reported to exhibit a superconducting transition temperature above 100 K when grown in a single layer on a SrTiO3 substrate, whereas the 3D bulk crystal becomes superconductive only at 7.2 K.
-Topological insulators are known to be insulating in their interior but possess conducting states on their surface.

To understand the physical properties of these materials, it is essential to have knowledge of their electronic properties. Investigating these physical properties is also crucial. Furthermore, understanding the surface structure is vital. In our laboratory, to elucidate the physical properties of low-dimensional systems, we conduct various experiments using scanning tunneling electron microscopy, photoelectron spectroscopy, electron/positron diffraction, and other techniques.

The greatest pleasure of studying physics in university is experiencing moments when you realize you’re the only person in the world who knows the truth about the world. My specialty, condensed matter physics, is roughly the study of the properties of matter. Thanks to our understanding of the properties of various materials gained from condensed matter physics, we have discovered and synthesized materials with better or new properties. These materials have been applied to industrial products, leading to the convenient lifestyle we enjoy today. I believe that our ability to use smartphones and the development of the linear Shinkansen are both benefits of condensed matter physics. In condensed matter research, we synthesize new materials like alchemists and explain phenomena based on physical laws like detectives. Why not join us in uncovering a corner of the unknown world?