▌ 集中ゼミ

■ 集中ゼミとは？

集中ゼミでは、講師としてお招きした先生方に、ご自身の研究について3時間の講演をしていただきます。各分野の最新のトピックを時間をかけてわかりやすく学べることが集中ゼミの特徴です。

先生が研究されてきたトピックをそのご本人からお話いただくことで、通常の講義よりも更に「現場」の物理に近い、臨場感をともなった講演になるでしょう。また先生の講演を聞くだけでなく、学生側からの積極的な質問も歓迎していますので、活発な議論が起こることを期待しています。

■ 集中ゼミの形式

集中ゼミは4日目の午後に行われます。六つのゼミに別れて行われますので、アブストラクトやテキストなどを参考にして好きなゼミを選んでください。自分の専門分野についてさらに深い理解を求めるのもよし、自分の専門分野以外で新たに見聞を広めるもよしです。

集中ゼミでは講義と同様に座学形式で行われます。当日は長机と椅子が用意されています。

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■ 招待講演講師一覧（敬称略、五十音順）

講師	所属	講義タイトル
浅野建一	大阪大学大学院　理学研究科	電子正孔系の物理
今田正俊	東京大学大学院　工学系研究科	高温超伝導体の物理
筒井泉	高エネルギー加速器研究機構　素粒子原子核研究所・理論センター	量子力学の基礎に関する最近の話題
羽田野直道	東京大学　生産技術研究所	複雑ネットワーク：統計物理学の視点
細野秀雄	東京工業大学　フロンティア研究機構	酸化物半導体の機能開拓
森健彦	東京工業大学大学院　理工学研究科	分子性導体の特異な電子状態：強相関からゼロギャップまで

■ 講義内容
● 電子正孔系の物理

浅野建一　先生（大阪大学大学院　理学研究科　准教授）

この講義では同数の電子と正孔が共存しつつ熱平衡状態に達した系（電子正孔系）を扱う． この系は光で強励起された半導体やタイプIIの半導体構造等で実現される． その特徴は，電子間と正孔間に働く斥力と，電子正孔間の引力が共存したフェルミオン系ということである． それだけのことが「物性物理学の縮図」と言える程の多様性をこの系に与える． これは実は必然である．あらゆる物質は，負電荷（電子）と，それを打ち消す正電荷（原子核イオン）の集合で，電子正孔系はこの側面を究極まで簡約したモデルなのだ． その理解は基礎科学的にだけでなく，レーザー素子への応用面からも重要である．
講義では電子正孔系の相図と光学的性質を概観する．内容紹介を兼ねて相図の概略を述べよう． 低密度・低温では電子と正孔が電気的に中性な束縛状態（励起子）作り，絶縁的な励起子気体が現れる． 一方，低密度や高温では，励起子が乖離してエントロピーを稼ぎ，（古典的）プラズマとなる． 低温・高密度では，パウリ排他律と遮蔽効果のために（量子的）プラズマが形成される． これらのプラズマ相は金属的で，絶縁的な励起子気体の間にMott転移かクロスオーバーがある． 一方，極低温では低密度で励起子のBose-Einstein凝縮相，高密度で電子正孔Cooper対のBardeen-Cooper-Schrieffer凝縮相が現れ，両者はクロスオーバーで繋がる． このように現代物性論の様々なキーワードが勢揃いするのが面白い所である．

● 世話人濱田による紹介文

LEDやレーザー、太陽電池などに応用される半導体と光の科学は、半導体光物性という非常に大きな分野を成しています。 その中でも光で励起される電子と正孔の系が含む多様な物理は、何十年も前から研究されているにも関わらず、未だに明らかになっていません。 浅野先生は、電子正孔系におけるBCS-BECクロスオーバーやMott転移を専門に理論研究をされており、この分野の第一線で活躍されています。 この集中ゼミでは、電子正孔系という非常に簡単な系が内に秘める物性の基礎から最先端までを講義して頂く予定です。 皆様興味がある方は、ぜひ浅野先生の講演を聴講して下さい。

● 高温超伝導体の物理

今田正俊　先生（東京大学大学院　工学系研究科　教授）

高温超伝導体の例として銅酸化物超伝導体を鉄系超伝導体と比較しながら取り上げる。 超伝導体の中でも最高の転移温度を示す銅酸化物超伝導体は1986年の発見から四半世紀以上を経て、なお超伝導およびそれをとりまく常伝導相の物理が十分には理解されていない。 特に常伝導相、低ドープ領域に見られる擬ギャップ相の発生機構とその性質が、本質の理解の鍵を握っていると広く考えられている。 擬ギャップ相のギャップ構造や、角度分解光電子分光で観測されるフェルミ面のアーク構造、超伝導に果たす役割について最近も新たな知見が加わっている。 銅化物超伝導体が強い電子相関のもとで興味ある現象を生み、モット絶縁体の近傍にあることは広く知られているが、2008年に発見された鉄系超伝導体の場合は電子相関の果たす役割は必ずしも広いコンセンサスが得られてはいない。 また反強磁性秩序相が超伝導相の近傍に存在し、層状的な2次元異方性があるという共通点がありながら、この二つの超伝導体には軌道自由度の違いや、電子相関の強さ、モット絶縁体の役割などについて相違点も見られる。 銅酸化物を鉄系超伝導体と比較しながら、研究の最近の進展を概観する。

● 世話人一岡による紹介文

今田先生は東京大学理学系研究科物理学専攻の博士課程を修了後、東京大学物性研究所・助手、埼玉大学教養部・助教授、東京大学物性研究所・教授を経て，2006年から東京大学大学院工学系研究科・教授を務められています。 ご専門は物性理論、統計物理学、計算物理学であり、量子多体系に見られる現象の解明や、新しい物理の可能性について研究しておられます。 特に新しい手法を活用しながら、高温超伝導、強磁性、量子スピン液体、新奇相などの生成メカニズムや金属絶縁体転移、磁気転移、超伝導転移などの量子相転移について研究しておられます。 本講義では、銅酸化物超伝導体を鉄系超伝導体と比較しながら、最近の進展についてお話しして頂きます。 約30年前に発見された銅酸化物超伝導体はどこまで分かったのか、鉄系超伝導体との違いは何か、まだ何が分からないのか。 室温超伝導を実現したい人もそうでない人も、現在最高転移温度をもつ銅酸化物の最近のトピックスについて興味のある方は、ぜひご参加ください！

● 量子力学の基礎に関する最近の話題

筒井泉　先生（高エネルギー加速器研究機構　素粒子原子核研究所・理論センター　准教授）

２０世紀末からの量子情報科学の勃興と実験技術の著しい発展に後押しされて、今世紀になって実験的にも理論的にも量子力学の基礎に関する考察が深められ、新たな進展が次々に報告されている。 本講演では、まずその基盤となるアインシュタイン・ボーア論争以来の量子力学の基礎問題の核心とは何か、そしてその後、提出されたベル不等式の意義とその検証実験の現状を簡単に説明する。 その上で、最近、話題になったトピックの中から、一般化された「不確定性関係」（小澤の不等式）、新たな物理量としてのアハロノフの「弱値」とその精密測定への応用、そして物理量の非決定性に関するコンウェイらの「自由意志定理」と波動関数の認識論的解釈を廻る「PBR定理」を紹介し、これらが示唆する量子力学の新たな描像について述べたい。

● 世話人日向による紹介文

約一世紀前に創始された量子論は、その特異な性質から多くの物理学者を悩ませてきました。 量子論において物理量は本質的に確率的にしか決定することができず、総ての自然現象は決定論的であるとする従来の機械論的な世界観とは真逆の性質を持ちます。 アインシュタインは「神はサイコロを振らない」として量子論に対しては非常に懐疑的でありましたし、量子力学の基礎方程式を発見したシュレディンガーもいわゆる「シュレディンガーの猫」とよばれる思考実験を提案し、やはり確率的な解釈に大いに反対しました。 量子論は、その成立に多大な貢献をした物理学者から見ても到底受け入れがたい思想を持った理論であったのです。 本講演では筒井先生をお招きし、量子論の奇異な性質について時間の許す限りお話しいただく予定です。 「学部の量子力学の授業はよく分からなかった……」「でも量子論の摩訶不思議な世界には興味ある」という方は是非ご参加ください！

● 複雑ネットワーク：統計物理学の視点

羽田野直道　先生（東京大学　生産技術研究所　准教授）

この集中ゼミでは、複雑ネットワークを概観し、統計物理学の視点からの解析について議論します。
ネットワークとは、数学ではグラフと呼び、幾つかの点（ノード）を幾つかの線（リンク）で結んだものです。 数学的に主に研究されてきたのは、点をランダムに結んだランダムネットワークです。 ところが、生体内のタンパク質の相互作用ネットワークから、人間社会の知人関係ネットワークに至るまで、様々な場面で現れるネットワークが、ランダムネットワークとは全く異なる統計的性質を持つことが最近、明らかになってきました。 それらを総称して複雑ネットワークと呼びます。最大の特徴がスモールワールド性とスケールフリー性です。 スモールワールド性とは、ネットワーク上の任意の２点を結ぶ最短経路が、ランダムネットワークからの予想よりもずっと短いという性質です。 スケールフリー性とは、ノードに繋がるリンク数の頻度分布が冪分布であるという性質です。 他にほとんど繋がっていないノードが非常に多数ある一方、いくらでも大量のリンクを抱えたノードも存在し、典型的なリンク数が存在しません。 ランダムネットワークならポアソン分布になるところです。 このような性質を持つネットワークがどのように現れるのか、また、そのようなネットワーク上でのモデルが、格子上とどのように異なる振る舞いをするのかが分野横断的に盛んに研究されています。 これらを初歩から丁寧に説き起こしてお話しします。

● 世話人黒澤による紹介文

羽田野先生は1993年に東京大学の鈴木研究室でスピン系のモンテカルロシミュレーションによって博士号をとられ、現在は東京大学生産研究所において准教授をつとめておられます。 先生の研究は非平衡量子力学、非Hermite量子力学などの物性基礎論から経済物理学など多岐にわたり、まさに分野の垣根を超えて幅広くご活躍なさっています。 今回は先生をおまねきして、近年様々な分野で注目されている複雑ネットワークについて、そのおもしろさを物性物理学の視点からお話ししていただきます。

● 酸化物半導体の機能開拓

細野秀雄　先生（東京工業大学　フロンティア研究機構　教授）

酸化物というと、30年前にはガラスや陶磁器、セメントなどの伝統的な窯業製品が主であり、電子的な機能は一部の(強)誘電体や半導性酸化物程度しかなかった。 科学史上の事件であった1986年の銅酸化物の高温超伝導体の発見は、セラミックスの主な構成物質である酸化物が、電子機能の宝庫として広く認識される契機となった。 特に電子間の斥力と電子の遍歴性が拮抗する3d遷移金属酸化物は、超伝導、巨大磁気抵抗、巨大熱電効果などの興味ある機能発現の舞台となり、物性物理の分野で著しい進展がみられる。 また、それ以外の酸化物系でも1990年代から半導体機能を中心として世界的に研究が活性化している。 その成果の一つである大きな電子移動度をもつ透明アモルファス酸化物半導体のひとつIGZOを活性層とする薄膜トランジスタ（TFT）が、新型タブレットPCやスマートフォーンの高精細で省電力の液晶ディスプレイの駆動用バックプレーンとして昨年から量産が開始され、有機ELの大型TVへの搭載も本年２月から始まった。 これらの酸化物をベースとした電子機能の研究領域は、1990年後半から応用物理学会の「酸化物エレクロ二クス」中分類として開設されただけでなく、国際的にもすっかり定着している。
酸化物の電子機能の進展は多岐に亘っており、詳細については、これに特化したハンドブック１)や成書2)を参照されたい。 本講演では、透明な酸化物を中心に、その伝統的なイメージを打ち破る研究成果とその基礎科学を紹介することで、石器時代から使われている酸化物の秘められた広い意味での電子材料としてのポテンシャルを示したい。
1) 鯉沼秀臣編、酸化物エレクトロ二クス、培風館 (2001).
2) 福長　脩編、セラミックス機能化ハンドブック、NTS(2011).
3) 総合報告：　細野秀雄、応用物理、第81巻 第9号 p.728 (2012).

● 世話人藤井による紹介文

20世紀前半と現代では研究開発のスピードが桁違いである。 次々と新物質が次々と発見され、昨日まで最新であったものが、今日には古いものとなっていく。 しかし、それほど研究開発が盛んとなった今日であっても画期的な発見を成し遂げることはそうなことでは容易ではない。 数々の苦難が立ちはだかり、それを乗り越える情熱が必要である。 この集中講義では現在高温超伝導体の常識となっている鉄系超伝導体、有機ＥLディスプレイへ応用される透明アモルファス酸化物半導体、これら２つ大発見を成し遂げられた細野秀雄先生にお越し頂き、発見に至った経緯、最先端の研究、これからの展望についてお話ししていただく。 是非ともこの講義に参加して、最先端を担う研究者の熱意に触れ、将来の大発見を成し遂げる第一歩としてほしい。

● 分子性導体の特異な電子状態：強相関からゼロギャップまで

森健彦　先生（東京工業大学大学院　理工学研究科　教授）

分子性導体は一見複雑な分子構造をもつが、多くの場合１分子についてひとつの軌道を考えればよく、さらに2次元ネットワークを考えれば十分なため、強結合近似から出発して簡単にエネルギーバンドを導くことができる。 そのフェルミ面に関連してこれまでに多くの興味ある強磁場物性が報告されている。 バンドモデルを超える強相関系について検討するために、分子内および分子間のクーロン相互作用を考慮した拡張ハバードモデルを考える。 ハバードモデルの平均場近似や原子近似のもとで導かれる結果を調べることによって、モット絶縁相や電荷整列といった現象を直観的に理解することができ、これが統一的相図として分子性導体を理解する基礎となっている。 多くの分子性導体の配列は三角格子に還元されるため、電荷整列のパターンとして、一般的なストライプの他にノンストライプ状の電荷整列が安定となり、これと関連した特異な物性が知られている。 最後に最近注目を集めているゼロギャップ系を扱うため、2つのエネルギーバンドが接点をもつ条件が、トポロジカル絶縁体において開発されたブリルアンゾーン特殊点でのパリティーを調べる方法で簡単に求められることを示す。 ノンストライプ電荷整列の存在によって分子性導体の分子間相互作用ネットワークはグラフェンと等価なhoneycomb格子に還元されるため、対称心以外に何の対称性も持たない分子性導体において、安定的かつ普遍的にDirac点が実現される。

● 世話人廣瀬による紹介文

物性物理の対象は長い間無機物質が主流でしたが、近年では有機の分子性導体の分野も勢いを増しています。 分子性導体でも、モット絶縁相へのキャリアドープにより超伝導を示す物質や、電荷整列のパターンからグラフェンと同様なディラック電子を持つ物質などの多様な物性を示す物質が発見されており、物性物理の一角を担っています。
森先生は、分子性導体の分野において、実験・計算の両面での物性研究から、半導体デバイスの開発まで幅広く手がけていらっしゃいます。 分子性導体には様々なトピックがありますが、今回は(1) 分子性物質のエネルギーバンド計算 (2) 物質開発のための強相関(モット絶縁相・電荷整列)の簡単な理解法 (3) 分子性物質のゼロギャップ条件 という内容でご紹介いただく予定です。 これまで有機に興味の無かった方も、ぜひこの機会に詳細に触れてみましょうよ！