電子の不思議な性質「遍歴・局在デュアリティー」

 電場に対する応答(電気伝導)の観点から地球上の物質(結晶)を分類すると、金属と絶縁体(半導体)に分けられます。金属の特徴である「電気を流す性質」 は、その中を動き回っている伝導電子の存在によります。この伝導電子を量子力学的に表すと「平面波(ブロッホ波)」となります。つまり、「物質の端から端 まで遍歴する電子」は、波の性質を持っていることになります。一方、磁場に対する応答の仕方で物質を分類すると、磁石に代表される磁性体と、殆ど磁場に応 答しない非磁性体に分けられます。磁性体の起源は、「ある原子上に局在した電子」が持つスピンおよび軌道角運動量です。このような局在電子は、1個2個… と数えられ、粒子的な性質を持つと言えます。

 希土類元素やアクチノイド元素に含まれるf電子は、その原子上に局在しているのですが、量子 力学の特徴であるトンネル効果(原子間に存在するポテンシャル障壁を通り抜けること)により、僅かながら隣接原子に移動することができます。その結果、f 電子は局在性(粒子の性質)と遍歴性(波の性質)を併せ持つようになり、遍歴・局在デュアリティー(2重性)を獲得します。大きなクーロン斥力のため互い に避けあいながら動き回るf電子の状況は、「大きな有効質量」という概念を用いて表現されます。有効質量の大きな重い電子(heavy fermion)から成る系は、以下に紹介するような面白い磁石や半導体を創り出し、「量子臨界点と呼ばれるブラックホールのような特異点」などの不思議な性質を示します。

大学院生の研究活動

 大学院生は一人一人個別の研究テーマをもち、独立した研究者として研究を進めています。とはいえ、研究対象の物理(重い電子や価数揺動)は共通しており、 また同じ実験装置を使用することになるので、互いに協力し合いながら実験を進めています。主な実験手法は、単結晶育成と物質開発(図1及び2を参照)、お よび多重極限下(極低温かつ高圧)における物性測定の2つです。勿論、私たちだけでできる実験は限られており、国内外の大学や研究所との共同研究を積極的 に進めています。また、その研究成果は、国内の学術雑誌だけでなく、海外の著名な雑誌(Physical Review Letters や Natureなど)にも掲載されております。

  学部を卒業した学生の多くは修士課程に進学し、修士を修了した学生は、多種多様な民間企業や官庁などに就職しております。博士課程に進学・修了した学生 は、民間企業の開発研究者や、国立大学の准教授・助教として活躍しております。皆さんも私達と一緒に世界の最先端で研究をしてみませんか。


名大同窓会報メッセージ集より 中野‐糟谷インタビュー