最先端光科学が迫る物質の中の宇宙
島野 亮 物理学科
物理学科の物性物理学・光科学・量子情報
理論6研究室 実験10研究室
高温超伝導、強相関電子系 表面、界面の物理 二次元電子系、グラフェン、 トポロジカル絶縁体,etc. 低温物理 量子情報 非平衡統計物理、相転移 光物性物理 光量子物理 レーザー科学、量子エレクトロニクス 原子分子物理2012 Serge Haroche, David J. Wineland
単一量子系の観測と量子操作
2010 Andre Geim, Konstantin Novoselov
グラフェン
2009 Charles Kuen Kao, Willard S. Boyle, George E. Smith
光ファイバ、CCDセンサ
2007 Albert Fert, Peter Grünberg
巨大磁気抵抗
2005 Roy J. Glauber, John L. Hall, Theodor W. Hänsch
量子光学、超精密レーザー分光、光周波数コム
2003 Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg, Anthony J. Leggett
超伝導、超流動
光
及び
物性物理
に関連する最近のノーベル物理学賞
2001 Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, Carl E. Wieman
希薄アルカリ原子気体のボース・アインシュタ イン凝縮
2000 Zhores I. Alferov, Herbert Kroemer, Jack S. Kilby
半導体ヘテロ構造による超高速エレクトロニク ス、光エレクトロニクス、集積回路
1998 Robert B. Laughlin, Horst L. Störmer, Daniel C. Tsui
分数量子ホール効果
1997 Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips
原子のレーザー冷却、トラップ
1996 David M. Lee, Douglas D. Osheroff, Robert C. Richardson
物性物理学の魅力
More is different
（多は異なり）
身近な物質
量子力学が支配する世界
創発性(emergence)
P. W. Anderson,The Nobel Prize in Physics 1977
参考：アンダーソン博士 東京大学名誉博士称号授与 記念講演 学内広報 特別記事 「多は異なり-再考-」 http://www.u-tokyo.ac.jp/gen03/kouhou/1254/1.html
多様性の中の普遍性
超伝導、超流動、 量子ホール効果、 トポロジカル絶縁体、 …超伝導
BCS理論 (1957)
Bardeen, Cooper, Schrieffer 1911 超伝導発見 1972 Nobel Prize 1913 Nobel Prize 温度 (K) 電気抵抗 ( Ω )
室温 液体窒素
Tc
(K)
液体Heyear
2008 LaOFFeAs 鉄系超伝導体超伝導転移温度の変遷
2010 picene 芳香族超伝導体 pentacene 高温超伝導体 青木秀夫教授より 青木研（理論）、小形研(理論）、高木研(実験）、藤森研(実験）自発的対称性の破れと相転移
ReΨ Im Ψ ReΨ Im Ψ T>Tc(臨界温度 T<Tc(臨界温度） 真空の相転移 宮下研(物性理論） Yoichiro Nambu 2008 Nobel Prize 物性物理(BCS理論） ⇒素粒子の理論へ “… It is a result of my experience in both condensed matter and particle physics. …”広い視野を持って学ぶことが大事 物理学科で学ぶ意義
量子ホール効果
青木研（理論）、岡本研（実験）、福山研(実験） 岡本研より
K. von Klitzing,1985 Nobel Prize 整数量子ホール効果
Laughlin, Störmer, Tsui 1998 Nobel Prize
グラフェンの量子ホール効果
青木研（理論）、福山研(実験）、島野研（実験）
A. H. Castro Neto et al.,
Rev. Mod. Phys. 81, 109 (2009).
Geim Novoselov
2010 Nobel Prize
K. S. Novoselov et al., Nature 438, 197 (2005).
グラフェン中の電子はみかけの質量ゼロ。
ディラック電子と呼びます。
（固体中の“ニュートリノ” ）
光科学 ー 学術の展望
1 9 世紀 2 0 世紀 Ｃ Ｗレーザー ア ト秒パルス発生 レーザー パルスレーザー 2 1 世紀 光原子時計 光コム技術 ノーベル 物理学賞 (2005) 融合 電磁波の 発見 量子論 相対論 真空の非線形光学 光格子 時計 重力波 天文学 量子もつれ配信 単一フォトン EUV時間標準 量子中継 光時間 標準 ソフトマター物理 複雑系 天文宇宙物理 量子多体系 物理凝縮系 素粒子物理 原子核物理 プラズマ物理 レーザー核融合 重力波 検出 冷却分子 スーパー ケミストリー XFEL ア ト秒パルス制御 分子軌道イメージング 高強度コヒーレントX線 量子計算 量子シ ュミ レーター バイオ サイエ ンス 超高圧新物質 ア ト秒化学 臨床医学 高分解・ 多波長・多チャンネル 望遠鏡 平成23年8月24日 日本学術会議 第三部報告：理学・工学分野における科学・夢ロードマップ 五神真教授より レーザー光を用いた原子、分子、物性物理学の 研究(実験）： 五神研、酒井研、島野研エネルギー(eV) 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 波長(cm) 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15
放射光を利用した物理学研究
超硬 線 線 線 軟 線 極紫外線 紫外線 可視光 赤外線 遠赤外線 ミ リ 波 マ イ ク ロ 波 結晶 分子 高分子・ Ｄ Ｎ Ａ ク ラ ス タ ー 生体物質 超格子 ク ォ ーク 素粒子 原子核 原子 分子 超格子 ク ラ ス タ ー 磁性 超伝導 スペクトロスコピー （エネルギース ペクトルの研究） SPring-8 Photon Factory X X γ γ 放射光 回折実験 （構造の研究）藤森研
URL: http://www.gono.t.u-tokyo.ac.jp
五神研
レーザー光による量子凝縮相の生成 光によって創られる集団の量子現象の探求とその応用を目指す。 集団の量子現象を発現する高密度極低温の粒子集団の生成方法、 その時間空間制御の方法を最先端レーザー技術を駆使して調べ ている。 レーザー技術 低 温 技 術 -273℃ 光で量子現象を操る 希薄励起子ガス 多体問題と非線形光学 光子場操作への応用 電子正孔系の 量子凝縮 励起子モット転移、 電子正孔液滴 励起子ボーズ凝縮 励起子超流動？ 電子正孔プラズマ 半導体レーザーの ゲイン機構 半導体の高密度電子正孔系の多彩な相 高次高調波発生とその応用 人工ナノ構造を用いた光制御 フォトンリング （高強度高繰り返し光源） Ne 波長以下のスケールの人工ナノ構造で生じる 新しい光学応答の探求 テラヘルツから軟X線に及ぶ波長 領域をカバーする、高強度高繰り 返しコヒーレント光源の開発と応用 最先端光源を用いたコヒーレント軟X線発生と その分光応用Greiner et al., Nature 462, 74-77 (2009) 「光格子（人工の固体）」中の原子集団の動きを、一原子ずつ観測 単一原子レベルの量子測定と量子制御は、マクロな物性に影響するか？ 新たな理論的な問題：
冷却原子気体の測定と制御
上田研
VS. ミクロ：可逆な世界 マクロ：不可逆な世界 可逆と不可逆の境界はどこにあるのか？ 熱力学第二法則は量子論から導出できるか？ → ナノサイエンスの基礎となる理論
上田研
情報と熱力学： 非平衡統計力学におけるパラダイムシフト酒井広文研
ー配向制御技術で拓く分子物理学の新展開ー
気体分子の向きを揃える技術の開発 で世界をリード ↓ 空間異方性をもつ分子に特有の超高 速現象の観測とその解明 Pulse shaper Optimization Nd:YAG (alignment) 2 x 1012 W/cm2 Ti:sapphire (probe) 2 x 1014 W/cm2 Electrodes TOF mass spectrometerMolecular beam Detector Fragment ions Learning loop Genetic algorithm (GA) Eminor Emajor Eminor Emajor ε = θ TOF axis Aligned molecules ｢分子内電子の立体ダイナミクス｣研究の開拓を進めている 例1：高調波発生における電子のド・ ブロイ波の量子干渉の観測 例2：時間依存偏光パルスに よる多光子イオン化の最適制御
ReΨ ImΨ
光による物質相の量子操作
レーザー光を用いた物性物理学の研究
島野研
例① 超伝導体中の“ヒッグス粒子”を光で調べる 光による超伝導巨視的波動関数の 量子制御への道を拓く ポンプ光 プローブ光 時間 τ x y z 偏光子 超伝導体(NbN) 光子のエネルギー (meV) 時間 τ ( ps ) σ1(ω) プ ロ ー ブ 光透過率 の変 化 (任 意単位 ) 時間 τ (ps) 秩序変数の 振幅IΨIの振動 （ヒッグスモード） 超伝導体で 初めて観測！ 自由エネルギー Ψ：巨視的波動関数 実験配置 Ψの振幅方向の振動は ヒッグスモードと呼ばれ ます。electron, スピン1/2 hole ,スピン1/2 （電子の抜け穴、正孔） Exciton Biexciton Electron-Hole Gas(Plasma) Electron-Hole Liquid (Droplets) 例② 光で半導体中に物質-“反物質”の集団をつくる 温度や密度によって様々な状態をとります （excitonの気体、電子正孔の気体、電子正孔 の液体（滴）、etc.) （半導体電子正孔系） 光を照射すると… エネルギー 運動量 真性半導体の基底状態（真空） 電子が詰まって 動けない状態 粒子（電子）と“反粒子” （正孔）ができます electron hole
insulating metalic boson fermion exciton gas Fermi liquid e-h plasma Phase coexistence (e-h droplets) e-h BCS exciton BEC 温度
光で半導体に物質-“反物質”の集団をつくる
正負の電荷からなる量子多体系の相図の決定は凝縮系物理に限ら ず重要な問題。少しづつわかってきて、ますます面白くなってきた。 電子正孔対密度 例② 光で半導体中に物質-“反物質”の集団をつくる （半導体電子正孔系） 予想されている相図の概略 実験で決定した相図（一部） Excitonのイオン化率 電子正孔対密度 温度 (K)ν = 6 ν = 2 磁場 （テスラ） フ ァ ラ デー回 転 角 –θ F （ ミリ ラ ジアン ） 実験 理論 例③ 磁場中のグラフェンの中のディラック電子 ～固体中の“ニュートリノ” が示す不思議な光学現象～ ファラデー効果による偏光の回転角は 微細構造定数( )を単位として 階段状になる。⇒光領域の量子ホール効果！ 『量子ファラデー効果』と名付けました。 炭素原子一層のファラデー効果 以上例に挙げた三つの実験はいずれも未踏領域の光、“テ ラヘルツ光”を操る技術の進歩によって可能になったもの。 新しい実験技術は新しい物理を拓く！ (詳しくはこちら： http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/todai-research/research-news/optical-quantum-hall-effect-in-graphene/) c e2 /4πε0
固体物理学 対称性の破れ
青木研（物性物理理論）
超伝導
トポロジカル系 （量子ホール効果, グラフェン） © H Aoki非平衡
室温超伝導 非平衡相転移 トポロジカル性の制御＋光
創発性 素粒子・原子核・ 宇宙
