2026年度
新居研究室 配属説明

テーマに共通する点は「量子と物性がどこかで関わること」のみです。

現在、大きくわけて三つの方向性があります。 発足初年度は、卒論生3名にそれぞれの一つを割り当てて研究を進めています。 各テーマがそれなりに離れているため、学生・教員ともに大変なところはありますが、3名とも面白い結果がではじめています。

以下、クリックすれば、それぞれのテーマの詳細が見られます。

• 物性の中に量子を見出すテーマ
  
  「量子スピン液体における量子もつれ構造の研究」

  「量子スピン液体」と呼ばれる特殊な磁石があります。この磁石は、量子力学的な揺らぎにより、絶対零度でもスピンの向きが秩序化せず、 まるで液体のように揺らぎ続ける不思議な物質です。
  
  この物質の特筆すべき性質は、巨大で複雑な量子もつれの形成です。 量子スピン液体の中では、アボガドロ数個のスピンが互いに量子もつれを形成し、 非常に複雑に絡み合っていると考えられています。興味深いことに、このような巨大な量子もつれは自発的に形成されるため、 人工的に作られた量子もつれ（例えば光や超伝導量子ビットで作られるもの）に比べ、 はるかに多くのスピンが絡む、極めて複雑な状態となります。
  
  しかし、この非自明な量子状態は、これまで直接的に観測されたことはなく、 その検出方法も確立されていません。 つまり、そんな複雑な量子状態となっているのか、まだ誰も知らないのです!
  
  私たちは、この難題に対して独自のアプローチで進めています。 特に、物質中に内在する量子もつれを外に取り出し、 巨視的なスケールで観測することを目指しています。 現在はその第一歩として、量子もつれを「取り出す」ための方法論を理論計算を用いて検討しています。 まだまだ初期的段階ですが、良い方法論が見つかれば、 それを実験的な実装へと進みます。 最終的には物質スケールでの量子もつれの検出と制御の実現を目指しています。

  

  量子スピン液体物質中の複雑な量子もつれ構造

• 量子技術を使って物性を測る・操るテーマ
  
  「量子もつれ光を利用したフォノンスピンの検出」

  

  図3. 量子もつれした二つの粒子の概念図

  量子もつれとは、複数の粒子が強く相関し、 たとえ相互作用しないほど遠く離れていても、一体のように振る舞う量子特有の現象です。 この量子もつれを利用すると、観測に伴うさまざまなノイズを相関を通じて打ち消すことができ、 古典的な限界を超えた高感度計測が可能になります。
  
  これは「量子もつれ光による量子計測」と呼ばれる新しい手法で、 近年では精密分光や量子イメージングなど、実際の応用が進んでいます。 しかし、物性計測への応用という観点では未開拓です。 私たちは、この“量子もつれ光の優れた感度”を物性計測へ応用することを目指しています。 もし量子もつれ光によって、物質中のわずかな揺らぎや相互作用を捉えることができれば、 これまで観測が難しかった新しい自由度やダイナミクスを直接検出できるかもしれません。
  
  そこで、私たちが注目しているのが、「フォノンスピン」と呼ばれる物理量です。
  電子がスピンをもつように、格子振動（フォノン）も回転運動に対応する角運動量、 すなわちスピンをもつことが近年の研究で明らかになってきました。 そしてこのフォノンスピンが、新しい物性や機能の起源となるなど、物質科学における重要な自由度として注目されています。 しかしながら、フォノンスピンは電子スピンと異なり磁気モーメントをもたないため、 従来の磁気的な測定手法では観測が困難で、まさに“見えない自由度”なのです。
  
  本研究では、このフォノンスピンを量子もつれ光によって高感度に検出することを目指しています。 特に、量子もつれ光がもつ強い相関を活かせば、 光がフォノンと相互作用する際のごく微小な散乱やその変化を、 古典的なノイズの限界を超えて検出できる可能性があります。
  
  現在はその出発点として、 まず量子もつれをもたない、通常の光散乱過程を量子論的に定式化することで、 フォノンスピンと光との特徴的な相互作用を解析しています。 本研究が進展すれば、フォノンスピンという隠れた自由度を捉えるだけでなく、 量子相関を積極的に活用した新しい物性計測の原理を確立することにつながります。
  

  

  図4. 量子もつれ光を利用したフォノンスピン検出の概念図

• 物性を応用して量子研究の新しいプラットフォームを構築するテーマ
  
  「トポロジカルフォノン導波路の開発と量子応用」

  

  図5. トポロジーの比較。

  トポロジーとは、形の「つながり方」を分類する数学の一分野です。
  
  たとえばドーナツとコップは、どちらも穴が1つあるため、連続的に変形しても互いに行き来できますが、穴のないボールには変形できません。 このように、形を連続的に変えても越えられない違いがあるとき、「トポロジーが異なる」と言います。
  
  このトポロジーの考え方は、数学の話にとどまらず、近年の物性物理に大きな変革をもたらしています。
  というのも、物質中の電子にも「形」や「トポロジー」を定義できるのです。 そして電子のもつトポロジーが異なると、物質の性質そのものが劇的に変わることがあります。 たとえば、トポロジーの異なる二つの絶縁体をつなぐと、その境界では電流が流れる――まるで「絶縁体の境界に金属が現れる」ような不思議な現象が起こります。
  
  私たちは、このトポロジーの考え方をフォノン（格子振動/音波の量子）へと拡張しています。 すると、トポロジーの異なる物質の境界に、フォノンが局在して伝わるようになります。 これは、音の世界の光ファイバーとも言えるもので、振動を非常に小さい経路に閉じ込めて伝搬させること--つまり音波の回路--ができるかもしれないのです。
  
  私たちは、この特異なフォノンを利用して、まったく新しいフォノン集積回路の実現を目指しています。 これは、電子が情報を担う電気回路とは異なり、振動（フォノン）が情報を担い、回路上でさまざまな演算を行うものです。 こうした古典的な演算が実現できた暁には、それを拡張し、フォノンによる量子干渉や量子もつれの実証など、「音の量子物理」へと展開していきたいと考えています。

  

  図6. トポロジカルフォノン導波路の例。

世界でまだ誰も見たことのない現象を明らかにして、それを新しい機能につなげることが目標です。

• 思考実験や理論・数値計算を重ねて、実験方法を深く検討します。そのうえで必要な測定系がなければ自分たちで独自に開発します。
• その過程は、自ら設計したプラモデルを組み立て、それで遊ぶような楽しさがあります。
• 学生は興味や適性に応じて、色々な切り口で研究が開始できます。
• 現状、理論的志向の強い学生が多い傾向がありますが、教員個人としては、細かな理屈はさておき実験をバシバシやってくれる学生は非常にウェルカムです！