Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

高密度物質 / 強磁場 / クォーク物質 / スカーミオン / スカーミオン結晶 / 相転移 / 回転系 / スピン / ハドロン物質 / エネルギー運動量テンソル / 相対論的流体方程式 / カイラリティ / 電磁場中のフェルミオン / カイラル磁気効果 / カシミア効果 / カイラル物質 / 相対論的回転 / 量子異常

本年度は強い磁場中の高密度物質の性質について精力的に研究を展開した。このような物質は、例えば中性子星深部に存在しており、中性子星の観測データを説明するためにも必要不可欠な研究である。また物性系でも同じ対称性を持つ類似のセットアップを考えることができるため、普遍的な問題設定である。
強い相互作用の基礎理論であるQCDではクォークは3種類のカラーを持っているが、理論的な取り扱いを簡単化するため、しばしばカラー数を無限大にした仮想的な世界で計算をする。そこではパイ中間子に代表されるメソンが支配的な自由度であり、バリオンはパイ中間子のソリトンすなわちスカーミオンとして実現される。本研究では磁場中のスカーミオン、およびスカーミオン結晶の性質を調べた。
磁場中では回転対称性が失われるため、通常のスカーミオンに使われているヘッジホッグ型の解を仮定することができず、数値的に高度な変分問題を扱う必要がある。そこで我々は2次元有限要素法を用いて、磁場中のスカーミオンの変形を定量的に調べた。その結果、スカーミオンの回りのパイ中間子の分布は、土星の輪のように広がっていくがその振幅がすぐに減衰してしまうため、実際にはそのような円盤状の形状は物理量には表れないことが分かった。
しかしこの結果は1つのスカーミオンに対するものであり、我々はスカーミオンを2次元結晶的に並べれば円盤状の構造が相転移を引き起こすのではないかと考えた。こうしたスカーミオン結晶は原子核物理学では、カラー数が無限大の世界で高密度物質を記述する方法として長らく知られているものである。詳細な計算によって、磁場を強くしていくと、円盤状に広がった構造が繋がって、一様な分布すなわちパイオンドメインウォールへと相転移することを見出した。2つの異なるトポロジー的な配位が磁場を介してどのようにつながっているか明らかにした本研究の意義は大きいと考える。

カイラリティ / 電子 / スピン / 弾性 / 対称性 / 量子論 / 応答 / カイラル磁性体 / 非線形応答 / 非局所応答 / スピンダイナミクス / カイラル物質 / 磁性 / ソリトン格子 / カイラルフォノン / キラリティ / 電磁応答 / らせん磁性 / ダイナミクス / 物性物理学 / 物質科学 / 物質中の電磁場

代表者は2005年頃よりカイラル結晶特有の磁性現象に取り組み、カイラル物質中で電子スピンのダイナミクスがカイラル環境下で示す非対称・非局所・非線形・非相反現象を明らかにしてきた。磁性研究は2016年頃までにほぼまとめ、光と弾性の研究に移った。2017年には、カイラル物質中を伝搬する電磁波が特有の保存量を運ぶことを示した。この保存量は電場と磁場の空間微分を含み、空間反転で符号を変える擬スカラー量である。真空電磁波についてはZilchとして知られていたが、これをカイラル媒質中の光に拡張した。そして2020、宿願であったカイラル結晶特有のフォノン（カイラルフォノン）の理論を完成させた。

右手と左手は，互いに鏡映しの関係にあるが互いに重ならない．この形態をカイラリティという．らせん階段はカイラリティの身近な例である．ミクロな世界の分子や結晶内部の原子の並び方もカイラルな構造を持つことがある．不思議なことに，カイラルな物質は光や電場，磁場，さらに弾性的な歪に対して特徴的な応答と機能を示す．こうした「カイラル応答」の研究の源流は１９世紀前半に遡るが，量子論に基づく統一的な理解の試みは比較的最近始まったばかりである．代表者（岸根）らは，過去１５年ほどこの方向の研究に携わってきた．今回の大きな研究成果として，光・電気磁気・弾性という結晶が示す三大応答のつながりを理論的に明らかにした．

【研究分担者】
戸川欣彦	大阪府立大学	工学(系)研究科(研究院)	教授	(Kakenデータベース)
加藤雄介	東京大学	大学院総合文化研究科	教授	(Kakenデータベース)
松浦弘泰	東京大学	大学院理学系研究科(理学部)	助教	(Kakenデータベース)
福島孝治	東京大学	大学院総合文化研究科	教授	(Kakenデータベース)
多々良源	国立研究開発法人理化学研究所	創発物性科学研究センター	チームリーダー	(Kakenデータベース)