若手研究者のタイトなつながりが、斬新な成果を生み出す

磁性体の特殊な磁気の状態を調べるCOREラボ共同研究は、実験と理論双方の研究者のタイトな結びつきが成果を後押しするとともに、蛍光体材料や水素吸蔵合金、強力な磁石など工学の発展にエポックメイキングな貢献をしてきたレアアース（希土類元素）から、次世代電子デバイスとしての有用な側面を引き出した。そこで、日本希土類学会元会長の足立吟也・大阪大学名誉教授、COREラボ共同研究の受け入れ先となった小口多美夫・大阪大学産業科学研究所教授、研究代表者を務める奥山大輔・東北大学多元物質科学研究所助教が、研究の未来を拓く共同研究のあり方について話し合った。

希土類元素の研究が、物理学の側面からも注目されていますが、感想は

足立名誉教授　私は主に化学の面から希土類元素の研究に携わってきました。若い研究者らは、あらゆるチャンス、あらゆる偶然を逃さずに取り組んでほしい。

計算科学の立場からみた希土類元素は

小口教授　研究では、第一原理計算という計算手法を使います。物質の中で電子が動き回る系では計算しやすいのですが、今回の希土類元素の系では、あまり電子が動き回らないので難しい。しかし、空間反転対称性の破れの影響がどれぐらい、どの方向に出るかということを理論的にはおさえられます。ただ、実験で得られた数値データとの食い違いはあります。理論ですべて解明できれば、実験がいらず、またその逆も言えるので、共同研究は相補的に行っていくことになります。

COREラボでは、研究代表者になる若手研究者を公募し、支援していますが、そのメリットは

奥山助教　若い研究者は、つねに出張旅費など研究経費のやりくりに追われています。科研費（科学研究費補助金）や企業のファンドなどの資金は限られ、使用にあたって細部にわたるまで制約があるからです。その点、COREラボ共同研究は、受け入れ先の研究室に長期滞在できるなど経費の運用面でも助かっており、COREラボに関係する５大学の研究者は恵まれていると感じています。また、会合などで、専門分野のかけ離れた研究者から表面の物性をめぐって情報の交換があったり、未発表のデータについて議論したりとタイトな共同研究だからこそ得られる機会がありました。

小口教授　若手研究者はそれぞれのアイデアを持っています。COREラボとは、そのアイデアを生かすチャンスを用意することだと思っています。研究者同士が通常よりタイトな関係で、科学用語でいうコバレント（共有結合）な人のつながりを築くことが大事です。

足立名誉教授　私が研究を始めた1960年代は、教授、助教授、助手からなる講座制があり、教授がすべての権限を握る講座もありましたが、私の場合は、自由にテーマを選ぶことができました。常々感じております研究への取り組みのきっかけ（発端）は、未知の現象等に遭遇した場合、それを知りたい（どうしても知りたい）という欲求の解決がほとんどで、それ以外はありません。したがって、それに要する負担が目の前にちらつくことはまずありませんでした。「やりたいこと」は、だれが何と言おうと「断固」やるのです。

小口教授　私的な見解では、サイエンスそのものが難しくなり、発表まで一刻を争う競争が厳しく、事実上、単独で研究をすべて完成するのがつらい状況になっています。研究費のウエイトが増すなかで、研究者同士の密な交流により斬新なアイデアが生まれるというCOREラボの環境を広く知ってもらいたいです。

奥山助教　研究者は個々の専門領域を持っていてあまり手を広げてもうまくいかないことがあります。私の場合は以前から理論的な計算を依頼するなど小口先生らとの研究上のつながりがあり、そうしたことを背景に共同研究がうまくいきました。共同研究の成功は、人と人のつながりや互いの理解を深めることが根底にあると思います。

磁気の渦を知り、次世代電子デバイスの道拓く

COREラボ共同研究課題　研究代表者
東北大学多元物質科学研究所　助教 奥山大輔

磁石の性質を帯びた磁性体は、その表面などで特異な磁気の状態が現れる。微弱な物理現象なので基礎研究を中心に進んできたが、次世代電子デバイスの微細化などに使える有力な機能が解明されてきたため、にわかに注目が集まっている。奥山助教は、磁性材料である希土類金属を含む化合物を使い、この現象を固体内部で実現することにより、発現する機構の解明に挑んでいる。

磁性体の結晶内部は、構成する分子の配列が、互いに鏡像となる「空間反転対称性」と呼ばれる形で繰り返し並んでいる。ところが、物質の表面では、この構造が途切れる「対称性の破れ」があり、原子同士のペアが組めない。そのため、反転対称性の破れた表面では、反転対称性が保存している固体内では打ち消されている特殊な相互作用が生き残り、原子に含まれる電子の自転（スピン）から生じる磁性に変調が加えられる。

その中で、奥山助教が着目しているのは、「磁気スキルミオン」という電子スピンが渦状に配列する状態。一つの渦が約10ナノ（10億分の1）メートルと超微小ながら、比較的安定な構造であり、わずかな電流で駆動できるので、次世代電子デバイスのメモリなどへの応用が期待されている。

また、COREラボ共同研究では強磁性体と強誘電体の２つの性質を兼ね備えた「マルチフェロイックス」という機能がある希土類化合物などの物質も材料に選んだ。奥山助教が基礎物性の測定や結晶の構造解析の実験を行い、受け入れ研究室の小口教授らが計算科学という理論面を担当する形で、「マルチフェロイックス」や「磁気スキルミオン」などについての新たな現象の発見、解析に取り組んでいる。奥山助教は「電流や電場による磁性への影響などについて新たな発見があり、実用化に向けての問題点も明らかになってきました」と張り切る。希土類金属を含んだ化合物についても、「電子が持つ自由度が多く、渦状に加えて、らせん状にもなりうるので、密度の高いメモリなど期待できます」と意欲をみせた。

奥山助教は、大学院生時代から一貫して磁性体の研究を続けてきた。研究代表者を務めるのはCOREラボ共同研究が初めてで「責任を強く感じるとともに、2か月間も他の研究室に滞在して、異分野の研究者とフェイス・トゥ・フェイスで議論できるのは得難い環境」と強調する。これまで、海外の共同研究者らと電話やメールで意見交換しても意思の疎通を欠くことが多かったが、こちらでは「ランチタイムの雑談の間に、重要なヒントをもらった」との幸運な経験もあった。

研究への思いは「困難な実験ほど意欲が湧く。既存の学問のワク組みではできないテーマに挑戦したい。」と断言する。それだけにモットーは「あきらめたら、そこで試合終了」（スラムダンクより）。とにかく歩くことが好きで、研究室の学生に勧められたゲーム「ポケモンgo」にはまり、週50キロを踏破したこともある。