融合研究で見えたもの
わからないことに、違う視座で立ち向かう
山浦一成 ナノアーキテクトニクス材料研究センター
量子材料分野 量子物質創製グループ グループリーダー
河野昌仙 ナノアーキテクトニクス材料研究センター
量子材料分野 量子物質特性グループ 主席研究員
様々な分野の横断を通じて、今までにない研究成果を生み出すMANA融合研究プログラム。今回の２人は「実験」と「理論」ががっぷり四つに組み合わさった研究だ。同じMANA量子材料分野に属しながらも、量子物質創製グループの山浦一成と、量子物質特性グループの河野昌仙ではアプローチが大きく異なる。ひとつの興味深い物質「Mn3Sb」に注がれたふたつのアプローチは、その違いがあったからこそ意味を持つものとなった。
なぜ反強磁性体での異常ホール効果が重要なのか
新規デバイス開発の背後には､想像も出来ないような新しい物理理論が隠されている。たとえば、手元のスマートフォンひとつとってみても､そのメモリの消費電力を抑え､反応速度を高め､さらに小型化を実現するためには､物性理論、特に基礎物理科学の進展がなくてはならない。
では、より高性能な新しいメモリ開発に貢献できる材料とは何か？近年、マンガン化合物系の材料が注目され、研究が活発に進められている。特にMn3Z（Z=Sn, Ge）と呼ばれる材料の磁性効果は多く研究されており、トポロジカル反強磁性体という特殊な磁性体が不揮発性メモリや高密度集積への応用に繋がる可能性が期待されている。
「反強磁性体」とは､電子のスピンが一様な方向に揃う強磁性体（磁極をもつ磁石）とは異なり､スピンの向きが互いに打ち消し合うように配列した状態にある材料を指す。
一般的な磁性体にはホール効果と呼ばれる現象があり、磁場が加わることで電流と垂直方向に起電力が生じる。強磁性体では、外部磁場がなくても磁極の向きに依存したホール効果（異常ホール効果）が発生することが知られている。
しかし、これまで異常ホール効果は強磁性体に特有の現象と考えられていたにもかかわらず、近年の研究により反強磁性体でも異常ホール効果が検出されている。
通常では考えられない異常ホール効果が反強磁性体で発現するのはなぜか？この謎を解明することは､次世代メモリの開発に大きく貢献する可能性を秘めている。
本質的でわからないことに、実験と理論で立ち向かう
MANA量子材料分野・量子物質創製グループの山浦は､反強磁性体の一つであるMn3Sbおよびその関連物質の電子物性を研究していた。特に、磁気特性にとどまらず､電気伝導性や熱伝導性など､異常ホール効果に関係すると考えられる特性を実験によって詳しく調査していた。Mn3Sbは、山浦が高温高圧合成技術を用いて新たに作製した物質である。
前述のように､これらの特性を真に理解するためには､実験だけでなく理論的なアプローチ､特に基礎物性理論が不可欠である。山浦は、実験から得られたデータを物性理論の観点から専門的に検証できる理論研究者を求めていた。
そこで、山浦が声をかけたのは、同じMANA量子材料分野・量子物質特性グループの河野だった。
「私たちは、さまざまな実験を行い､データを取得することはできます。しかし、そのデータが何を意味するのか。それを私たちよりも理論的に解釈できる研究者に参画してもらいたいと考えました。そこで､強相関電子系の理論物性に精通し､お声がけしやすかった河野さんに、まずは相談しました」（山浦）
一方、河野は次のように語る。
「マンガン系の材料で､磁化していないのに異常ホール効果が現れるという話を聞き､少し自分の専門からは外れるとは思いましたが、自分の勉強も兼ねて取り組んでみたいと考え､引き受けました。専門から外れるというのは､異常ホール効果についてあまり研究してこなかったことや､トポロジカルな側面に関する経験が少なかったことです。自分なりに勉強はしていましたが､直接的に研究したことはありませんでしたね」（河野）
「特に、量子論的な効果が顕著に現れる物性の解釈は､実験の延長だけでは十分に説明できないことが多い。理論的な示唆が非常に有用でした。それを通じて､今回の研究では、本質的に極めて難しい課題に取り組んでいることが明らかになりました。」（山浦）
本質的に難しいとはどういうことだろうか？
「今回のターゲットであるMn3Sbは、磁化していないにもかかわらず、大きな異常ホール効果を示します。これはなぜかというと、立方晶の結晶構造における磁気構造は、実際には非常に特異でした。実験結果もそうした特殊な理論と一致し、理論的な整合のとれた解釈になりました。しかし、山浦さんが行った実験結果は、従来のモデルをそのまま当てはめれば説明できるものではありませんでした」（河野）
「これまでの延長だけでは、十分に説明することができませんでした。従来のさまざまな理論を検討することで理解は深まりましたが､従来の理論をそのまま適用すれば明確に説明できるかというと､決して単純ではありませんでした。結論としては､まだ決着がついていません。」（山浦）
物質理解へのアプローチの違い
今回のMANA融合研究プログラムは､従来の共同研究とはどこが違っていたのだろうか。
「通常の共同研究では､それぞれの得意とする実験を担当することが多いですね。物性理論の解釈を積極的に取り入れながら進めることは、それほど多くありません。」と山浦は言う。
河野は、「NIMSでも実験系の研究者と協力したことはあります。その際は、実験値の再現を依頼され､計算のみを担当していました。しかし今回は、それよりも踏み込んで､実験結果に見られる異常をどのように説明できるのかについて、継続的に議論を重ねました。その結果、理解が確実に深まりましたね。」と語った。
さらに河野は､物性理論と実験、それぞれのアプローチの違いについても印象的だったと語る。
「実験系の研究者と共同研究をすると､理論の価値観とは異なる視点が求められることを感じます。理論の価値観とは､つまり、物質の根本的な原理や､ユニバーサルで普遍的な真理を探究することが､物性理論として価値のある研究だと考えています。しかし、実験と共同で研究を進める際には、その探求手法が変わってきます。例えば､計算手法としてモデル計算ではなくて、第一原理計算が求められることが多いです。僕はこれまで第一原理計算をあまりやってこなかったのですが、今回の融合研究を通じて本格的に取り組むことになりました。特定の物質における特定の性質を明らかにする必要がある場合、モデル計算ではなくて第一原理計算へと進むことになります。今回の融合研究は、そのきっかけとなりました。」（河野）
同じ新規機能材料の探索という目的であっても､実験と理論でここまで視座が変わってくる、好例といえるだろう。
「第一原理計算の研究者は、対象となる物質の個性をより正確に把握することを重視します。一方で、物性理論では、むしろ“枝”の部分をそぎ落とし、最終的に根幹に残る本質に注目します。僕は物性理論の専門家として、やはり根幹の理解が最も重要だと考え、それを軸に研究を進めてきました。しかし、今回の融合研究を通じて第一原理計算の手法を取り入れたことは、今後の物性理論の研究を進めていく上で非常に大きな意義があると感じています。研究の幅が広がり､理解もより深まりました」（河野）
「物性理論のアプローチはもちろん重要ですが､私はその専門家ではありません。ターゲットとなる具体的な物質や材料、そしてその特性の新規性を探求するという､全く異なるアプローチをとっています」（山浦）
同じMANAに属していても、理論と実験を融合させるには、単に協力するだけではなく､価値観の共有が重要だという。物質合成と物理理論は異なるアプローチ手法ではあるが､最終的に目指す成果は同じである､という意味だ。
「化学的な視点を持つ研究者と､物性理論などの理論物理分野の研究者とでは､価値観を共有することが難しいと感じることが多い。実験と理論は、単に組み合わせればよいというものではありません。同じ価値観を共有しながらも､異なる手法を持つ研究者が協力することが重要だと考えています。山浦さんとは、それがうまくいきました」（河野）
「特性がおもしろい､という価値観だけでなく､何に使えるかという視点も共有しなければなりません。同じ価値観を共有していれば、アプローチが実験と理論で全く異なっていても、ディスカッションを通じてすり合わせることができます。『これが何の役に立つのか』と最初に問う人や、特性が明らかになり理屈が分かってからでないと共同研究できない､という人とは、一緒に進めるのは難しいでしょうね。今回は、とてもうまくいきました」（山浦）
融合研究だからこそ必要なものは
今回のMANA融合研究プログラムでは､研究者に大きな裁量が与えられたことも、研究の進捗において非常に有益だったという。
「申請の際に求められる出口戦略や進捗管理を、ある程度研究者に委ねていただいたことも、成功の要因の一つだと思います。こうした分野横断的な新しいチャレンジにおいて、細かな進捗管理が求められると、かえってハードルが高くなるのではないでしょうか。」
と、申請を担当した山浦は語る。
「こうした取り組みは､最初は手探りの状態があって当前です。進捗は必ずしも直線的ではなく、ある時点で突然、研究が大きく進展することもあります。そうした点においても、このプログラムは非常に取り組みやすかったと感じています」（河野）
この考えは、プログラムディレクターである若山裕氏が提唱する「融合研究プログラムは、必ずしも成果そのものを生み出すことが目的ではなく､成果につながるきっかけを生み出すものである」という理念にも通じている。
今回のプログラムを通じて得た「きっかけ」を、この先二人はどう考えているのか。
「デバイスの強磁性体を、今回のようなトポロジカル反強磁性体に置き換えることは、次世代メモリ開発における重要なステップです。そのためには、実験データの蓄積だけでなく､理論的な解明も不可欠であることは、これまでお話ししてきた通りです。今回の実験では､先行研究とは異なる結果が得られました。その理由を明らかにすることが、今後の研究の鍵になると考えています。また、今回の理論と実験を融合させた研究モデルは、単に理論的な知識を深めるだけでなく､実用的な応用へとつながる可能性を十分に秘めています。今後も河野さんと継続的に議論を重ね、より発展的な研究を進めていきたいですね。」（山浦）
「今回の取り組みを通して､モデル理論だけではなく､さまざまな物質の特殊性にも興味が湧いてきました。おもしろい結果が出たときに、『なぜだろう？』と考える際、これまでとは異なるアプローチができるようになると思います。今後の研究にも活かせるはずです。」（河野）
分野を横断し､パララックス（多角的な視点）を取り入れた研究を経て、それぞれに手応えを得られるプログラムとなったようだ。