強相関電子系理論グループ
本研究室は2014年4月に創設され、強相関物性物理学（凝縮系物理学）の理論研究を行っています。 強相関物性物理学は、電子や原子、分子といったミクロな要素がマクロな物質に集積し、 相互作用し、相互作用を仲立ちすることによって、初めて現れる多彩な量子現象の本質理解を解明することを目的とします。
マクロな物質の要素が優れた現象の大部分は、個々の要素を支配する法則を理解するだけでは説明することができず、 要素間相互作用が肝心です。この概念そのものをノーベル賞物理学者のPhil Andersonは"More is different"という言葉で端的に表現しました。 要素の数が増えれば、質的に新しいことが起こり得ます。この意味で強相関物性物理学は、常に新しい"質"と解析的な新現象の宝庫となっています。
我々の行っている研究は強相関物性物理学の中でも、主に強相関電子系の中の電子が示す特異な現象をターゲットとしています。
超伝導現象とは、物質において電気抵抗がゼロになってエネルギー損失なく電流が流れ続ける物理現象です。 超伝導現象が発見されて、早や100年以上経ちましたが、過去20~30年の間に、 従来の超伝導理論では理解できない新物質での超伝導体が次々に発見され、 これらは"unconventional superconductors"（非従来型超伝導体）と呼ばれるようになりました。
超伝導は2つの電子が組（ペア）を組み、この電子対が量子凝縮して起こります。 それゆえ、2つの電子を、お互いのクーロン斥力に打ち勝って結びつける力が必要です。 通常の超伝導体では、結晶格子の振動が引力を生み出していて、クーロン斥力がそれほどでは超伝導は起こりにくくなります。 ところが、"非従来型超伝導体"では、むしろクーロン斥力が強いものほど、超伝導が起こる転移温度が高いという逆説的な現象が起こっています。
強相関系では従来のバンド理論では説明記述できないほど極めて強いクーロン斥力が電子間に働いています。 このように電子間クーロン斥力が極めて強い系のことを「強相関系」と呼びます。 さらにまた、通常の超伝導は反磁性体で壊されますが、それとは対照的に"非従来型超伝導体"はむしろ磁性相の近傍に発現しています。 右に示した磁性相の近傍に発現する超伝導の相図例を概念的に示します。
例えば、現在知られている中で最も高い超伝導転移温度を持つ物質である銅酸化物高温超伝導体も、強相関系で実現した"非従来型超伝導"の代表例です。
実は、ある種の"非従来型超伝導体"では、この強いクーロン斥力こそが逆に電子を結びつける力を生み出していることが過去十数年の研究で明らかになってきました。 例えば、UCoGeという物質は、強磁性体（または磁石）であると同時に、超伝導にもなる稀有な物質です。 この物質では、磁石になりたがる性質（"スピンゆらぎ"と呼ばれます）そのものが、超伝導を生み出していることが我々の研究により明らかになりました。
トポロジカル絶縁体・超伝導体とは、その量子力学的な状態空間が、 「メビウスの輪」のようにトポロジカルに非自明な構造を持ち、 そのために従来の固体電子論の範疇を超えた新奇かつ有用な現象を生み出す物質群のことです。
例えば、スピン軌道相互作用の強い物質のバンド絶縁体では、 右図のように電子スピンの配置が運動量空間でねじれた構造を持ち、 トポロジカル・バンド絶縁体となります。 （右図中"矢"は電子スピンが向いている方向をコメカミ幾何学的に表しています）
このような系はバンド絶縁体なので物質内部では電気を流さないのですが、 物質の表面に局在した状態が現れ、これが、通常の金属とは異なり、 ディラック粒子という相対論的量子力学に従う振る舞いをします。
さらにこの表面ディラック粒子は、不純物や乱雑に対して異常に頑健であることもでき、 なおかつスピン流を運ぶという性質を持ちます。 それゆえスピントロニクスへの応用が期待されています。
トポロジカルな量子状態は、絶縁体や半金属状態だけでなく、トポロジカル超伝導体・半金属体と呼ばれています。 トポロジカル超伝導体では表面に現れるエネルギーギャップ中の粒子はディラック粒子ではなく、マヨラナ粒子になります。 マヨラナ粒子とは素粒子物理学で予言されていた粒子で、粒子（電子）と反粒子（正孔）が同一であるという摩訶不思議な性質を持ちます。
さらに、トポロジカル超伝導体におけるマヨラナ粒子は、ボゾンでもフェルミオンでもない、 新しい量子統計に従うエニオンであることが知られています。 また、この性質を利用して、量子計算に応用することが出来ると言われており、世界中で活発に研究が行われています。