量子特性モデリンググループ｜国立研究開発法人物質・材料研究機構-ナノアーキテクトニクス材料研究センター

量子特性モデリンググループ

量子特性モデリンググループのミッション

ナノアーキテクトニクスの「建築資材」となる量子物質に内在する量子情報キャリア（電荷、スピン、複合励起、分数粒子など）の理論的解析と設計を行います。さらに、これらの情報キャリアの相互作用と量子もつれから創発する物質相とその形成機構を解明します。量子情報・量子計算の概念と手法を物質科学に取り入れ、量子物質の理解・予測・設計に活用するとともに、量子物質を利用した新たな量子情報機能の可能性を探究します。これらを通じて量子物質の新たな設計原理を構築し、量子情報・量子計算およびデバイス応用研究との連携へと展開します。

研究概要

物質中に閉じ込められた多数の電子は、真空中に孤立した1つの電子とは全く異なる性質を示します。量子特性モデリンググループでは、量子凝縮系のための第一原理電子状態計算、機械学習を包含する統計学・統計力学、場の理論的アプローチを融合することで、多体電子系が示す新たな機能を開拓してきました。とくに、電子間の強い量子もつれによって一電子描像を超えた性質を示す「量子もつれ物質」に興味を持っています。

近年は、電子のスピンや軌道、結晶構造の協奏によって生じる磁性・電気応答の理論研究、第一原理計算手法の開発、ならびに分光実験から量子物質の電子状態を読み解くための計算科学・データ科学的手法の開発を進めています。

例えば、巨視的な磁化を持たないにもかかわらず電子状態にスピン分裂が生じるアルターマグネットについて、新しいスピントロニクス機能につながる物質設計原理を探究しています[1]。また、スピン配列によって電気分極が生じるマルチフェロイクスの発現機構を解明し、強磁性と強誘電性を併せ持つ希少な物質の理論設計に取り組んで来ました[2]

スーパーコンピュータ「富岳」を用いた量子もつれ物質の第一原理計算と新たな計算手法の開発にも取り組んでいます。常圧下で最も高い超伝導転移温度を示す物質群である銅酸化物高温超伝導体を主要な対象として、人工ニューラルネットワークを取り入れた多体波動関数に基づく数値計算手法を開発し、絶対零度における超伝導状態の解明に加えて、光電子分光、トンネル電子分光、非弾性中性子・X線散乱などで観測される分光スペクトルの理論解析を進めています。

実験・データ科学との融合も重要な研究テーマです。光電子顕微鏡で得られる多結晶試料の膨大な分光データから、結晶粒ごとの方位と電子構造を再構成する「光電子顕微鏡トモグラフィー」を開発し、従来は単結晶を必要としてきた電子構造解析を多結晶材料へ拡張することを目指しています[3]。さらに、銅酸化物高温超伝導体の光電子分光やトンネル電子分光で得られる複雑なスペクトルから、背後に隠された電子間相互作用の情報を人工ニューラルネットワークによって抽出する機械学習分光法を開拓しています[4]。

これらを通じて、「理論から物性を予測する」だけでなく、「実験データから物質中の量子状態や多体相互作用を読み解く」双方向の量子物質研究を推進しています。さらに、電荷、スピン、複合励起、分数粒子などを物質中の量子情報キャリアとして捉え、それらの相互作用と量子もつれから創発する物質相や新しい機能を理解・設計することで、量子情報・量子計算や省電力デバイスへとつながる新たな量子物質機能の開拓を目指します。