Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

超強磁場 / 超音波 / 液体酸素 / 量子スピン / 磁場誘起相転移 / 強磁場 / 相転移

初年度に開発した手法に関する論文を執筆し、Rev. Sci. Instrum.誌に掲載することができた。出版した論文ではMnCr2S4, green dioptase, 液体酸素の超音波測定の結果を報告した。これは100T以上の超強磁場領域で超音波物性測定に成功した最初の論文である。また液体酸素に関しては超強磁場物性を議論した論文をPhys. Rev. B誌に掲載することができた。ここでは複数の測定手法を用いた実験結果を報告しており、本申請で開発された手法は大きなウエイトを担っている。本研究のメインターゲットの一つであった、磁場誘起液体ー液体相転移の観測には至らなかったものの、酸素という純物質の音波物性を超強磁場領域まで報告できたことは大きな意味がある。
本年度はこの測定手法を用いて、2次元量子スピン磁性体SrCu2(BO3)2の超音波物性を150Tまで測定することに成功した。得られた測定結果は過去の磁化・超音波測定の結果とおおよそ良い一致を示しながら、140T付近で飽和磁場に対応する異常を示した。また飽和磁場近傍にいくつかの磁気転移に対応する異常を観測することに成功した。この物質における物性を飽和磁場まで測定したのは本研究が最初である。得られた実験結果に関して、現在スイス・オランダの理論研究グループと議論を進めているが、理論計算との合致もおおむね良好である。共著者との議論が収束次第、論文の執筆を進める予定である。

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。

強い相互作用 / 強電磁場効果 / 曲がった時空 / 実時間シミュレーション / カイラル対称性の破れ / 非摂動的計算 / ダイクォーク相関 / トポロジー的ゲージ配位 / クォーク物質 / 実時間量子発展 / 強電磁場中の粒子生成 / スカラー曲率 / カイラル対称性の自発的破れ / 量子色力学 / 相転移 / 非一様凝縮相 / 強磁場 / ホログラフィック模型 / 高密度クォーク物質 / 高密度核物質 / 臨界点

極限環境下でのクォーク・グルーオン物質の性質を研究し、特に強磁場中、強重力場中のカイラル対称性の破れについて、新しいダイナミクスを発見した。強磁場中では、中性スカラー中間子中のクォーク分極が磁場と結合する可能性を指摘し、スカラー中間子の揺らぎが磁場によって増大することを実証した。また曲がった時空中ではカイラル対称性を破らないフェルミオン質量ギャップを発生させる機構を発見し、これをカイラルギャップ効果と命名した。さらに実時間シミュレーションによって、強電場中の粒子生成を解析し、確率過程量子化法での新しいシミュレーション法を提唱した。

磁性 / 強磁場物性 / 磁気熱量効果 / 強磁場 / 比熱 / 相転移 / 物性実験 / 磁性形状記憶合金

高速で試料の温度を測定できるシステムを立ち上げ、瞬間的に強磁場を発生可能なパルス磁場下における磁気熱量効果の測定を確立した。パルス磁場下では試料と外界との熱接触を抑えた断熱条件の実現が容易であり、高精度に磁気熱量効果を測定できる。本研究で立ち上げた測定システムを用いて磁性形状記憶合金において報告されていた巨大な負の辞意熱量効果の全貌を直接観測することに世界で初めて成功した。またその結果の詳細な考察によって、負の磁気熱量効果に対するスピン系、電子系および格子系の寄与をそれぞれ評価することにも成功した。

強相関系 / 放射光 X 線 / 強磁場 / 相転移 / 量子臨界点 / 価数揺らぎ / 量子臨界 / 重い電子 / エックス線分光 / 放射光X線 / パルス強磁場 / 価数揺動 / パルス磁場

エックス線吸収分光実験としては世界最高の40テスラ強磁場を用い、顕著な電荷揺らぎを示す希土類金属間化合物について、極低温・磁場中の電荷揺らぎを直接的に観測した。この電荷揺らぎが、非従来型の超伝導発現などの特異な現象の原因であることが最近、理論的に示されており、磁場によって揺らぎが制御できるかどうかは、理論との比較において重要である。本研究において、いくつかの代表的な化合物について電荷揺らぎの顕著な磁場依存性が実験的に初めて見出された。

クォーク・グルーオン・プラズマ / カイラル対称性 / カラー閉じ込め / 量子色力学 / 相転移 / バリオン密度 / クォーク物質 / クォーク・グルーオン / トポロジカル転移 / 強磁場 / 強い相互作用 / 相対論的重イオン衝突 / 非閉じ込め相転移 / 臨界現象 / 量子異常

相対論的重イオン衝突実験で生成される「クォーク・グルーオン・プラズマ」へと至る過程で、ハドロン物質からクォーク・グルーオン物質への相転移(クロスオーバー)がおきる。本研究では、この相転移を記述する微視的なモデルを作り、複数の秩序変数が絡み合うQCD相転移現象の本質を明らかにした。

【研究分担者】
水牧仁一郎 (水牧仁一朗)	高輝度光科学研究センター	研究員	(Kakenデータベース)

【研究協力者】
PAWLOWSKI Jan M.