量子物性の研究の目的は新しい量子現象の発見および未知の量子メカニズムの解明にあります。新量子現象の発見は新しい量子論的メカニズムにつながり、新材料発見にもつながります。物理現象は普遍的な法則に従っておこり、その普遍的法則を見つけることも研究の目的の一つです。
高温超伝導体の研究 高温超伝導体が発見されて１０年以上たちますが高温超伝導はまだ解決していません。 解決していないと言うのは、高温超伝導体を説明するような描像がかけていないということです。高温超伝導の研究において解決すべきこととして
*超伝導のメカニズムは何か、
*異常金属相とはどういうものか、
*低ドープ域での相図はどうなっているか、
*電子ドープ高温超伝導体の相図はどうなっているか、およびそれがホールドープ系と異なるのはなぜか、
などがあげられます。
高温超伝導に対する引力の起源として最有力であるのが、 短距離のクーロン相互作用です。クーロン相互作用は斥力であるにもかかわらず電子間に引力が働くのはどうしてかという疑問が生じますが、d波の対称性をもつ クーパーペアーに対してはオーダーパラメーターの符号が変わることにより、クーロン相互作用が引力として働きます。この考えにより、ハバードモデルや三バンドのハバードモデル（d-pモデルとも呼ばれます）に対して、実際にd波のペアーに対して引力的であることを示すと良いのですが、これがなかなか難しいことであります。多くの研究があるにもかかわらず、例えば「（三バンド）ハバードモデルではクー ロン相互作用Uによりd波の超伝導相が存在する」と認知されるような状況にはなっていないようです。例えば、量子ホール効果で有名なLaughlinは「ハバードモ デルではまだ超伝導になるということがestablishしていない。だから、私は有効 Hamiltonianを考えてその物理的性質を議論しているのだ。」と言っていました。
それでは（三バンドの）ハバードモデルで超伝導は可能でしょうか。それを研究する ために我々が考えている方法は二つあります。一つは相互作用Uが非常に小さい極限 における計算であり、もう一つは中間の大きさのUに対するモンテカルロ法による計算です。ハバードモデルに対して相互作用Uが小さい極限では摂動論により厳密に基底状態について議論することができます。Uが小さい極限の計算は、しかし、それほど簡単ではなく普通にギャップ方程式を解いて臨界温度Tcを求めようとしてもうまくいきません。Tcが小さいために数値計算の誤差から解が求まらなくなります。ある程度Uが大きい場合にはTcを求めることができますが、Uが大きいために摂動論が正しいのかどうかわからなくなります。この困難は絶対零度T=0で弱結合のギャップ方程式を解くことにより回避されます。この計算は一バンドのハバードモデルに対して最近になって近藤先生によってなされ驚くべき結果が得られました。ハバードモデルはUが小さい極限において基底状態はd波対称の超伝導的であることがわかりました。Uがある程度有限の値になっても正しいと考えると、何らかの長距離秩序がない限り基底状態は超伝導的であることになります。われわれの最近の計算によると、三バンドのハバードモデルに対しても同じことが言えます。すなわち、クーロン相互作用がある系ではd波の超伝導になり易く、実際に超伝導になるかどうかはほかの秩序状態との競争で決まることになります。したがって、可能な秩序状態との比較をモンテカルロ法で行なえば超伝導相が存在するかどうかがわかる、ことになります。
われわれの超伝導研究における指導原理（＝研究課題）：
すべての物質はなんらかの秩序が発生しない限り、キャリアー数をコントロールできるならば温度を下げれば必ず超伝導になる。
高消費社会において地球規模で日々増大する情報、エネルギー消費量を支えるには環境にやさしい新材料の開発が不可欠となっています。環境にやさしい材料とは低電力で作動し、長期間に渡って壊れずに動くようなものです。金属酸化物材料に着目するとそれらの候補と成りうる物質が浮かんできます。酸化物は酸化物高温超伝導体に代表されるように超伝導性を示すものが存在します。当グループでは酸化物であっても高電気伝導性、高誘電性を示すものを発見しました。これをもとに極薄膜作製技術の確立を目標としています。トランジスタのゲート電極や絶縁材料に応用することにより高性能デバイスへの展開が期待できます。
物質に新しい現象を示してもらうには、こちらからいろいろと働きかける必要があります。たとえば、圧力を加える、温度を下げるなどです。われわれのグループでは30mK、20Tesla、3GPaの多重極限環境下における測定技術の確立をめざしています。最近、一軸性圧力を加えて電子の動き易さを制御することにより、圧力誘起の強磁性転移を発見しました。
新量子現象、新材料の研究において結晶育成技術は重要です。当グループでは酸化物高純度結晶育成技術を保持しており、また、酸素気圧が10のマイナス21乗気圧下での単結晶育成技術を確立し、実用化を目指しています。