東北大学で開発した、世界最高水準の分解能を持つ超高分解能光電子分光装置。様々な物質の電子のエネルギーと運動量を高精度で測定することができ、トポロジカル絶縁体や高温超伝導体などの量子物質の開発に大いに役立ちます。
◆研究の着想のきっかけは何ですか
絶縁体は普通電気を通しません。ところが、物質の内部は絶縁体なのにその表面は電気を通すことができるという、常識では考えられない特殊な絶縁体物質が存在します。この不思議な性質を持った物質はトポロジカル絶縁体と言い、2007年に発見されました。
日本は少し出遅れましたが、私のもとに共同研究を持ちかける電話がありました。すぐに共同研究を進め、そこから先は急ピッチでこの絶縁体材料開発と、電流が流れる際の電子の状態解明のための研究がスタートしました。その結果、この特殊な絶縁体の様々なタイプで、世界に先駆けた発見を続けています。
◆この研究が進むと具体的にどんなことに貢献しますか
電気を流す表面と、流さない内部。この両方の性質をうまく利用した特殊な絶縁体の研究が進むと、超がつくほど低消費電力の、次世代型の超小型電子装置ができるようになります。また「量子計算」という新しい計算手法に基づいた、今のコンピュータよりはるかに高速で計算できる次世代の新しいコンピュータを生み出すことができるようになります。
◆今後どのようにこの研究は発展するのでしょうか
大変不思議な性質を持ったこのトポロジカル絶縁体は、これまで考えられてきた物質の枠組みのどれにも属さない、全く新しい物質です。
この物質の表面を流れる電子の様子を表すのに、トポロジー（位相幾何学）という幾何学的な新しい概念が使われていることから、トポロジカル絶縁体とネーミングされましたが、絶縁体という身近な物質と数学が、実は思わぬところで深く結びついているのです。
基礎研究のためSDGsの目標と直結しはしませんが、7.「エネルギーをみんなに、そしてクリーンに」とは、比較的関連があると思います。
現在研究しているトポロジカル絶縁体や高温超伝導体（究極的には室温超伝導体）などの量子物質は、実用化されれば量子コンピュータや超低消費電力エレクトロニクスデバイスなどへの応用が期待され、身近な生活が劇的に変わるくらいのインパクトがあります。
◆きっかけ
高校２年生くらいまでは物理は苦手でしたが、色々な参考書を見ながら勉強していくうちに、高校３年の夏くらいに何かを掴んだ気がしました。その後は物理のテストの点数もアップして、途端に楽しくなりました。大学時代の物理の勉強は、その延長線上にあった気がします。
◆大学時代
大学時代、物理の勉強は相当頑張りました。大学受験の時よりも、むしろ勉強に割く時間が長かったのではないかと思います。高校時代は、苦手な科目も含めて満遍なく勉強する必要があり、結構大変でした。でも、大学では好きな物理の勉強にいくらでも時間を費やせたので楽しかったです。PCを購入してプログラム言語にはまり、暇さえあれば物理のシミュレーションをやったり、簡単なゲームを作ったりしていました。
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「15.エレクトロニクス・ナノ」の「60.物性物理・量子物理、半導体、電子関連材料」
研究室で開発した超高分解能光電子分光装置前での一枚。超高真空装置で薄膜試料を作成し、外部光電効果を利用して試料から叩き出された光電子を精密観測することで、物質の性質を司る電子のエネルギー状態を知ることができます。
研究室では、超高真空装置を用いて、新しい機能を持つ薄膜を作製しています。さらに「角度分解光電子分光装置」と呼ばれる先端実験装置を用いて、電子のエネルギー状態を調べています。研究テーマは、トポロジカル絶縁体や超伝導体、原子層物質など多岐に渡ります。
◆主な業種
・自動車・機器
・鉄道
・一般機械・機器、産業機械（工作機械・建設機械等）等
・電気機械・機器（重電系は除く）
・コンピュータ・情報通信機器
・半導体・電子部品・デバイス
・精密機械・機器（医療機器・光学機器を除く）
・鉄鋼
・ソフトウエア・情報システム開発
・大学・短大・高専等、教育機関・研究機関
◆主な職種
・基礎・応用研究・先行開発
・設計・開発
・製造・施工
・システムエンジニア
・大学等研究機関所属の教員・研究者
◆学んだことはどう生きる？
博士過程の時の研究を生かして、その研究をさらに発展させ、大学や企業の研究所で研究をしている卒業生が大勢います。研究室で培った超高真空技術や装置開発技術などを生かした、技術系の会社で活躍している卒業生もいます。
東北大学理学部物理学科では、一般の人、とりわけ高校生に、物理の面白さを知ってもらうために、日本物理学会主催のもと、他の学科や研究所と連携して、高校生向けの「出前授業」を行っています。
分野は、素粒子、物質、光、生物など多岐に渡り、多くの先生が講師として登録しています。出前授業は、実験デモなども交えて物理現象を分かりやすく講義するもので、高校生の皆さんに物理に興味を持ってもらう、良いきっかけになると思います。
1) 量子力学の考え方や超伝導の仕組みについて
2) 液体窒素を用いた高温超伝導体の磁気浮上実験 3) 高温超伝導体を自分で作ってみよう
もっとも美しい対称性
イアン・スチュアート：著 水谷淳：訳(日経BP)
本書は、物理学の基本である「対称性 (Symmetry)」という概念とその“美しさ”を追い求めた数々の数学者(ガウス、ガロア他)や物理学者(アインシュタイン、ディラック他)の物語を、古代バビロニア時代から現代までたどって紹介したもの。
最先端の物性物理学の研究テーマには、物質の様々な対称性(時間反転対称性、鏡映対称性など)をもとにしたものも多い。なお、特に数学好き、物理好きの人は、本書で紹介されている古代ペルシャの詩人・数学者のオマル・ハイヤームが、円錐の対称性から導き出した「３次方程式の作図解法」に感銘を受けることだろう。
量子論で宇宙がわかる
マーカス・チャウン：著 林一：訳(集英社新書)
タイムマシンは可能なのだろうか。この本は現代物理学の２本の柱、量子論と相対性理論を使って解き明かしてくれる。量子論とは、量子力学という20世紀初頭にできた新しい物理学で、極小の世界を解明する。一方、相対性理論はアインシュタインの生み出した理論で、宇宙のような極大の世界を解明する。
２つの学問を用いることで、私たちの周りで起きる奇妙な出来事を例に、分かりやすく面白く解説している。例えばタイムトラベル以外にも、ものの瞬間移動が可能なこと、あるいは、今のコンピュータよりはるかに優れた量子コンピュータの可能性について述べる。
トコトンやさしい超伝導の本
下山淳一(日刊工業新聞社)
物質はそれぞれ電気の流れにくさが異なり、これを電気抵抗というが、超伝導とは、電気抵抗がゼロの状態のこと。では、超伝導になるのはどんな物質で、どんな状態の時に超伝導になるのか。そして、超伝導の物質はどのようなものに利用できるのか。
そんな超伝導の基礎と応用を、図解付きで説明した本。これ１冊読むだけで、超伝導という特別な現象がどういうものかがよく分かる。
ヘウレーカ！ひらめきの瞬間 誰も知らなかった科学者の逸話集
ウオルター・グラットザー：著 安藤喬志、井山弘幸：訳
レントゲン、マリー・キュリー、ニュートン、フンボルト、ノイマンなどなど、多くの有名な科学者の逸話を、何と181も集めた読み物。偉大な発見をした科学者も、時には失敗や勘違いをし、人間臭い行動をしていたことなどが書かれているので、教科書に出てくる人物や発見が身近に感じられて、理科科目が俄然面白くなるだろう。
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Q1.日本以外の国で暮らすとしたらどこ? ドイツ。研究環境がしっかりしているし、ビールが美味しいから。 |
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Q2.研究以外で楽しいことは？ 料理。食材の選定、調味料の調合・味付けは、研究（物質開発）に通じるものがある。 |
