上智大学 理工学部 機能創造理工学科 教員紹介｜後藤貴行教授の超伝導・量子スピン磁性体研究

こんにちは！KOSSUN教育ラボ教務担当（上智大学推薦入試サポート）です。

今回のテーマは、

「上智大学 理工学部 機能創造理工学科の後藤貴行教授と、超伝導体・量子スピン磁性体の研究」です。

物質をどんどん冷やしていくと、普段の生活では見ることのできない不思議な現象が現れることがあります。電気抵抗がなくなる「超伝導」も、その代表例です。後藤教授は、物質内部の電子が極低温などの環境でどのように振る舞うのかを調べ、未知の電子状態を探究しています。今回は、高校で学ぶ物理とのつながりにも注目しながら、その研究を見ていきましょう。

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後藤貴行教授が研究する「低温物性」とは？

上智大学の公式情報によると、後藤貴行教授は上智大学 理工学部 機能創造理工学科に所属し、「超伝導体・量子スピン磁性体のNMR及びμSR」を主な研究テーマとしています。学位は東京大学で取得した理学博士で、研究キーワードとしてNMR、超伝導、磁性が挙げられています。

大学院の物理学領域では、後藤教授の研究分野は「低温物性」とされ、量子スピン磁性体、高温超伝導体、有機超伝導体などについて、低次元・強相関物質に現れる新しい量子状態を探索しています。

低温物性とは、簡単にいえば、物質を非常に低い温度にしたときに現れる性質を研究する分野です。温度を下げることで熱による動きの影響が小さくなると、電子が持つ量子力学的な性質がはっきりと現れることがあります。そこには、私たちが普段目にする物質とは異なる世界が広がっています。

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超伝導はなぜ不思議なのか

後藤教授が研究対象としているものの一つが「超伝導体」です。

一般的な金属では、電流を流すと電気抵抗があり、エネルギーの一部が熱として失われます。ところが、特定の物質を低温にすると電気抵抗がゼロになる超伝導という現象が起こります。

高校物理で電気抵抗や電流について学んだ人なら、「抵抗がゼロになるとはどういうことだろう？」と疑問を持つかもしれません。その疑問をさらに掘り下げて、物質内部の電子がどのような状態になっているのかを調べていくのが物性物理学の研究です。

大学では、高校で学ぶ力学、電磁気学、熱などの知識を土台として、量子力学や統計力学などを使いながら物質の性質を考えていきます。実際に、上智大学の公式情報では、後藤教授がこれまで統計力学、解析力学、物理実験学、量子力学に関する演習などを担当してきたことが確認できます。

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NMRで物質の「中」を調べる

後藤教授の研究で重要な測定方法が、NMR（核磁気共鳴）です。

NMRは、原子核が持つ磁気的な性質を利用して、物質内部の状態を調べる方法です。医療で使われるMRIも、核磁気共鳴という物理現象を利用しています。

後藤教授の研究では、NMRを使って固体内部の電子の状態を調べています。上智大学の教員紹介では、NMRによって物質を構成する原子ごとの情報を得られると説明されています。

ここで大切なのは、「電子は直接目で見ることができない」ということです。研究者は磁気などに対する物質の反応を測定し、そのデータを分析することで、内部で何が起きているのかを考えます。

高校の実験でも、測定した数値から目に見えない現象について考えることがあります。大学では、その考え方をさらに発展させ、精密な装置と理論を組み合わせながら物質の内部を探っていくのです。

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もう一つの測定方法「μSR」

後藤教授はNMRだけでなく、μSR（ミュオンスピン回転・緩和・共鳴法）も研究に利用しています。

ミュオンは素粒子の一種です。μSRではミュオンを物質に入れ、その振る舞いを手がかりとして、物質内部の磁気的な状態などを調べます。

上智大学の教員紹介では、NMRが原子ごとの情報を与えるのに対し、μSRは原子と原子の間の様子を知るための手がかりになると説明されています。異なる方法から得られた情報を組み合わせることで、一つの測定だけでは分かりにくい電子状態を探ることができます。

科学研究では、一つの実験結果だけから結論を急ぐのではなく、異なる方法で調べたり、結果を比較したりすることが重要です。これは高校で探究活動をするときにも意識できる考え方です。

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「幾何学的フラストレーション」という不思議な世界

後藤教授が研究しているテーマには、幾何学的フラストレーションを持つ磁性体もあります。

たとえば、隣り合うスピンが互いに反対方向を向きたがる場合を考えてみましょう。一直線に並んでいれば交互に向きを変えることができます。しかし、三角形の頂点に配置されていると、三つすべての関係を同時に満足させることが難しくなります。

このように、物質の構造によって安定した状態を単純には決められない状況が「フラストレーション」です。後藤教授は、こうした性質を持つ物質や擬一次元・擬二次元と呼ばれる低次元物質を研究し、通常とは異なる新しい基底状態、つまり物質が最も低いエネルギーでとる状態を探索しています。

高校数学で扱う図形と、高校物理で扱う磁気。一見別々に見える内容が、大学では物質内部の量子現象を考える重要な手がかりになることがあります。

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高校の物理から後藤教授の研究につなげてみよう

「量子スピン磁性体」や「NMR」と聞いて、自分には難しすぎると感じる必要はありません。高校生の段階で大学院レベルの研究内容まで理解している必要はありません。

まずは、高校で学んでいる内容から疑問をつくってみましょう。「磁石はなぜ鉄を引きつけるのだろう」「電気抵抗はなぜ発生するのだろう」「物質を限界まで冷やしたら何が起きるのだろう」といった身近な疑問からでも構いません。

その疑問について本や大学の研究紹介などで調べると、磁性、電子、超伝導、量子力学といった新しいテーマにつながっていくかもしれません。

理工学を学ぶうえで重要なのは、計算問題を速く解けることだけではありません。知っている法則を使いながら、「なぜこの現象が起こるのか」「別の条件ではどうなるのか」と考えてみることも、大学での学びにつながる大切な経験です。

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推薦入試では「教授名を知っている」で終わらせない

上智大学 理工学部 機能創造理工学科の推薦入試を考えている人にとって、教員の研究を調べることは、学科で学べる内容を具体的に理解するきっかけになります。

ただし、「後藤教授の研究に興味があります」という一文だけで終わらせるのではなく、自分の興味との接点を考えてみましょう。

たとえば、「高校物理で電気抵抗を学び、超伝導ではなぜ抵抗がなくなるのか疑問を持った」「磁石に興味を持って調べるうちに、電子のスピンと磁性の関係を知った」というように、自分の経験から問いがどのように発展したのかを整理できます。

探究活動や科学部などの大きな実績がなければ考えられないわけではありません。授業や日常生活で生まれた疑問について自分で調べ、さらに分からないことが生まれたという過程も、自分の学問的な関心を整理する材料になります。

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「目に見えない世界」への疑問を大切にしよう

後藤貴行教授の研究は、物質を極低温などの環境に置き、NMRやμSRといった方法を使って、直接見ることのできない電子の状態を探る研究です。

高校で学ぶ電気、磁気、熱、原子などの知識は、大学では量子力学や統計力学、物性物理学へとつながっていきます。教科書に書かれた法則を覚えるだけではなく、「なぜこの物質はこんな性質を示すのだろう」と考えてみると、機能創造理工学科で学ぶ世界が少しずつ身近になってくるでしょう。

上智大学 理工学部 機能創造理工学科を目指している人は、後藤教授をはじめとする教員の研究を調べながら、高校で学んでいる数学や物理が大学でどのように発展していくのか、自分なりの問いを探してみてください。

もし一人で整理するのが難しいと感じたら、KOSSUN教育ラボの無料個別相談も活用してみてください。

※本記事は、記事作成時点で上智大学公式サイト等に掲載されている情報を確認したうえで作成しています。入試制度、出願資格、試験内容、日程、カリキュラム、教員の所属・研究分野などは変更される場合があります。受験を検討している方は、必ず上智大学公式サイトおよび対象年度の最新の入学試験要項をご自身で確認してください。

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※この記事は専門家による監修のもと執筆されています。