物質における量子現象の理論的研究
本研究室では、多くの電子・原子の集まった系を理論的に研究することで、凝 縮系物理学のフロンティアを解明することを目指しています。 電子はフェルミ統計に従うために、金属、半導体、絶縁体といった多様な性質を示します。また自発的な対称性の破れにより、磁性や超伝導といった現象が起こります。一方、量子化された格子振動やスピン波、整数スピンをもつ原子はボース統計に従い、密度が上がるとボース・アインシュタイン凝縮が起こります。ひとたび凝縮が起こると、非常に多くの粒子が同一の波動関数で記述され、物質の量子性が巨視的なスケールで観測可能となります。こうした従来の凝縮系物理学の研究に加えて、近年ではトポロジカル量子物理という新しい領域の研究に取り組んでいます。
トポロジーとは連続変形で形を分類する数学の手法です。そこでは、トポロジカル不変量と呼ばれるある種の整数が定義されます。この手法を用いてハミルトニアンや波動関数を分類することで、トポロジカルに非自明な物質が整理されています。例えばトポロジカル絶縁体という表面だけ金属的な性質をもつが内部は絶縁体という物質が最近発見されて、この分野が爆発的に広がっています。トポロジカル絶縁体には周辺物質とし て、異常ホール系、トポロジカル結晶絶縁体、ワイル半金属などトポロジカルに非自明な物質があります。これらの系は運動量空間におけるトポロジーを議論していますが、実空間におけるトポロジーを議論することも可能で、量子渦や磁気スキルミオンといった構造が知られています。運動量空間や実空間における量子状態の変化は系に実効的に働くゲージ場を創出し、粒子やスピンの運動を制御できることから、スピントロニクスの 新しい材料としても注目を集めています。
その一方で、トポロジカルに非自明なエッジ状態をもつ超伝導体（トポロジカル超伝導）も興味を集めています。そこでは、マヨラナフェルミオンという生成と消滅の区別のできない特異な準粒子がエッジ状態として現れます。このマヨラナフェルミオンのもつ非局所的相関効果は将来の量子計算に役立つといわれています。トポロジカル量子物理は、トポロジカル絶 縁体、超伝導体、超流動ヘリウム３、冷却原子気体など様々な系で研究され、フェルミオン、ボゾンだけでなく新しい統計性を持つ粒子の存在 も予言されています。さらに近年では、駆動外場により系のトポロジーを制御したり、環境との相互作用通して新たな量子状態を作り出そうという試みがなされています。
我々は、トポロジカル量子現象の研究を広く研究して（固体の電子系から冷却気体のような原子系まで）量子物理学のフロンティアを切り開く国際 的に卓越した研究拠点の形成を目指しています。 スタッフや大学院生と協力して、第一線の研究に積極的に参加し、新しい物理を切り開く意欲的な学生を歓迎いたします。研究室の中だけでなく、国内、海外の主要な研究室との共同研究が非常に活発に展開されています。