2025年11月の気になった論文（暫定版）
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‐2025/11/3‐‐
The Anderson transition -- a view from Krylov space
クリロフ部分空間展開法は、疎な数値計算手法において不可欠な基礎的手法であり、近年、多体動力学に関する物理的知見を得る手段としてその重要性がますます認識されている。本研究では、長年にわたり研究されてきたアンダーソン局在モデル（次元d = 1, 2, 3, 4）を再び取り上げ、クリロフ空間における局所保存量（LIOM）を構築する。
Advanced micropillar cavities: room-temperature operation of microlasers
分子線エピタキシー法を用いて高品質のマイクロピラー共振器を成長させた。半導体とハイブリッド出力ミラーを備えたマイクロレーザーにおいて、室温で安定した連続発振が実証された
How Do Proteins Fold?
タンパク質の立体構造形成機構は、生物学における最も中心的かつ未解決の問題の一つである。アミノ酸配列にコード化された折り畳み規則という概念は60年以上前に提唱されたものの、このコードは未だに明確に定義されていない。現在ではタンパク質の最終天然構造を予測する強力な解析ツールが存在するものの、配列情報がどのように折り畳み経路を決定するのかを説明する予測的枠組みは未だ確立されていない。折り畳み機構を説明する主要な概念モデルとして主に2つの理論が提唱されている：険しい超多次元エネルギー地形上において多数の代替経路を経て進行する折り畳み過程を想定する「漏斗モデル」と、離散的な中間体の階層的配列を提案する「フォルドンモデル」である。
Deep learning denoising unlocks quantitative insights in operando materials microscopy
オペランド顕微鏡法は、機能性材料の機能を支配する動的な化学的・物理的プロセスを直接的に観察可能にする技術である。しかしながら、測定ノイズが有効な分解能を制限し、定量的解析の信頼性を損なうという課題が存在する。本研究では、モダリティや長さスケールに依存しない定量顕微鏡法のワークフローに、教師なし深層学習ベースのノイズ除去技術を統合するための汎用的な枠組みを提案する。
Single femtosecond laser pulse-driven ferromagnetic switching
光パルスを用いた手法は、磁気ビット記録においてより高速でエネルギー効率に優れ、かつ直接的な手法を提供し、光伝送とスピン保持を基盤としたハイブリッド型メモリおよびコンピューティングパラダイムの実現を示唆している。しかしながら、この分野の進展は依然として停滞している。決定論的な単一パルス光スイッチングによる磁気状態反転は、これまでフェリ磁性材料においてのみ達成されているが、この材料は技術的応用にはあまりにも特異な希土類元素組成と温度条件を必要とする。スピントロニクスメモリ・ストレージの中核をなす強磁性体においては、レーザー誘起加熱が時間反転対称性を本質的に破らないため、双安定スイッチングの実現は根本的に困難と考えられてきた。本研究では、単一レーザーパルスによって熱異方性トルクを駆動源とした強磁性体におけるコヒーレントな磁化反転現象を報告する。
Plastic or Viscous? A Reappraisal of Yielding in Soft Matter
ペースト状物質、ゲル、濃縮エマルション、懸濁液など、多くの軟質で固着した材料には、降伏応力として知られる閾値応力が存在する。この応力を超えると、材料は永久変形あるいは流動を起こす。レオロジーの分野では、降伏応力閾値を超えて材料が示す連続的な流動（時間経過に伴うひずみの無制限な増加）を「塑性流動」という用語で表現するのが一般的である。一方、固体力学における塑性とは、不可逆的ではあるが有限の、速度依存性のない変形（時間経過に伴って変化しないひずみ）を指す。さらに、多くの軟質材料は粘度分岐現象を示し、これはチクソトロピー性の顕著な特徴である。この現象は、降伏応力の定義と解釈をより複雑にする要因となる。粘度分岐が発生する閾値応力は、たとえこの閾値以下の変形が純粋な弾性変形ではない場合であっても、やはり「降伏応力」と呼ばれる。一方、この閾値を超えると、材料は一定のせん断速度で均一に流動する。本論文では、これらの重要な問題について、レオロジーと固体力学の観点から塑性現象を再検討する。ここで提示する知見は、軟質固着材料における流動現象の解釈において生じ得る用語上の曖昧さを解消するためのものである。
Programmable digital quantum simulation of 2D Fermi-Hubbard dynamics using 72 superconducting qubits
量子多体システムの時間発展をシミュレートすることは、量子コンピュータの本来的な用途として、ファインマンによって最初に提案された。この提案は、物質や分子の物性において電子間の量子相互作用が果たす決定的な役割に着目したものである。このようなシステムを正確にシミュレートすることは、汎用デジタル量子コンピュータの最も有望な応用分野の一つであり、この種のコンピュータではモデルの全てのパラメータをプログラム可能であり、任意の物理量を出力することができる。しかしながら、現在の量子コンピュータにおいて、古典手法では実現不可能な規模でこのようなシミュレーションを実行するには、シミュレーションアルゴリズムの効率向上と誤り緩和技術の開発が不可欠である。本研究では、結晶固体中の電子を記述する最もよく知られた簡略化モデルの一つである2次元フェルミ・ハバードモデルの動力学を、古典シミュレーションの限界を超える規模でプログラム可能なデジタル量子シミュレーションとして実証する。
First-principles design of excitonic insulators: A review
エキシトニック絶縁体（EI）とは、60年以上にわたって理論的に提唱されながらも未だ実験的に確認されていない物質状態である。これは量子力学における励起子の自発的生成と、量子統計力学における励起子の自発的凝縮という、純粋に量子力学的な現象によって特徴づけられる。現在の理解では、励起子は従来の励起状態ではなく基底状態としての性質を示す。このため、候補物質の選択肢が限られていることが、これまでにEIが確認されていない主要な要因となっている。本総説では、まずEI概念の誕生経緯から始め、現在の研究状況とこの分野が直面している主要な課題について概説する。
High Thermal Conductivity of Rutile-GeO2 Film by MOCVD: 52.9W m-1 K-1
ルチル型二酸化ゲルマニウム（r-GeO₂）は、その広いバンドギャップ（約4.4～5.1 eV）、両極性ドーピング可能性、および高い理論熱伝導率という特性から、近年有望な超ワイドバンドギャップ（UWBG）半導体として注目を集めている。しかしながら、r-GeO₂エピタキシャル層の熱伝導率に関する実験データはこれまで報告されていない。この主な要因として、相制御の難しさと表面粗さの問題が挙げられる。本研究では、金属有機化学気相成長法（MOCVD）を用いて成長させた高品質（002）面配向のr-GeO₂薄膜において、時間領域熱反射法（TDTR）を用いて測定した52.9 ± 6.6 W m⁻¹ K⁻¹という高い熱伝導率を報告する。
Crossover between intrinsic and temperature-assisted regimes in spin-orbit torque switching of antiferromagnetic order
反強磁性体は、ピコ秒スケールに達する超高速ダイナミクスを有することから、次世代メモリ素子材料としての可能性が集中的に研究されている。近年、反強磁性状態の電気的双方向スイッチングが実証されたことで大きな注目を集めている。しかしながら、磁気秩序を不安定化させる顕著なジュール熱が存在する条件下では、スイッチングに要する時間スケールはナノ秒以下に制限される場合がある。本研究では、磁気層の厚さを制御することで、キラル反強磁性体Mn3Snにおけるスイッチング挙動のクロスオーバー現象を観測することに成功した。
NKTJ一族のMn3Snの新作か
MaterialsGalaxy: A Platform Fusing Experimental and Theoretical Data in Condensed Matter Physics
現代の材料科学研究では、実験と計算の双方から膨大かつ多様なデータセットが生成されるが、これらの多元的で異種混合のデータは、しばしば孤立した「サイロ」状態のまま分断されている。本研究では、凝縮系物理学における実験データと理論データを高度に統合した包括的プラットフォーム「MaterialsGalaxy」を提案する。
Higher-dimensional Fermiology in bulk moiré metals
過去 10 年間で、モアレ材料は物質の量子相の設計および制御方法に革命をもたらしました (Balents et al. (2020); Mak and Shan (2022); Nuckolls and Yazdani (2024))。これらは、強相関電子現象のための多用途プラットフォームであり (Cao et al. (2018a, b); Cai et al. (2023); Lu et al. (2024))、新しい強誘電体 (Yasuda et al. (2021); Vizner Stern et al. (2021))、磁性 (Song et al. (2021); Huang et al. (2023))、および超伝導状態 (Zhao et al. (2023)) をサポートします。不整合材料 Cummins (1990) の中で、モアレ材料は非周期複合結晶です(2018) の長波長モアレ超格子は、構成層を化学的に変更することなく調整可能な特性を可能にします。現在までのモアレ材料のほぼすべての報告は、熱力学的平衡から遠く離れた場所 (T < 150 ∘C) で組み立てられたファンデルワールスヘテロ構造を調査していました。Balents et al. (2020); Mak and Shan (2022); Nuckolls and Yazdani (2024); Yankowitz et al. (2019)。ここでは、熱力学的平衡にある高移動度モアレ材料を合成する概念的に新しいアプローチを紹介します。原子的に不整合な格子を持つ剥離可能なファンデルワールス結晶である新しいファミリーの葉状超格子材料 (Sr6TaS8)1+δ(TaS2)8 を報告します。交互層間の格子不整合は、2次元モアレヘテロ二分子膜に類似したモアレ超格子を生成する。この超格子は結晶全体で均一であり、化学組成を変えることなく合成条件を調整できる。高磁場量子振動測定は、これらのモアレ金属の複雑なフェルミオロジーを解明するものである（Shoenberg (1984)、Abrikosov (2017)、Onsager (1952)、Lifshits and Kosevich (1955)、Alexandradinata and Glazman (2023)、Leeb et al. (2025)）。これらはモアレ超格子構造を介して調整可能である。我々は、構造的に最も単純なモアレ金属のフェルミ面が40以上の異なる断面積から構成されていることを発見した。これは、我々の知る限り、あらゆる材料において最も多く観測されている断面積である。
The Demon Hidden Behind Life's Ultra-Energy-Efficient Information Processing -- Demonstrated by Biological Molecular Motors
人工知能（AI）の驚異的な発展は、現代のデジタルアーキテクチャが極めて大きなエネルギーを必要とすることを明らかにし、持続可能性に関する深刻な懸念を引き起こしている。これとは対照的に、人間の脳はわずか約20ワットという極めて低いエネルギー消費で効率的に機能しており、個々の細胞はギガビット規模の遺伝情報を、ワットの1兆分の1という極めて微小なエネルギーで処理している。同じエネルギー予算の下では、汎用デジタルプロセッサが1秒間に実行できる単純な演算はわずか数回程度に過ぎない。この著しい性能差は、生物システムが従来の計算とは全く異なるアルゴリズムに従って機能していることを示唆している。情報熱力学の枠組み、特にマクスウェルの悪魔とシラードエンジンの理論は、この問題に対する理論的な手がかりを提供しており、情報処理に必要なエネルギーの下限値を設定している。しかしながら、デジタルプロセッサはこの限界値を約6桁も上回っている。近年の単一分子レベルの研究により、生物の分子モーターがブラウン運動を機械的仕事へと変換していることが明らかになり、これは「悪魔的な」動作原理を実現していると言える。これらの知見は、生物システムが既にデジタル計算を超越した、極めて効率的な情報-エネルギー変換機構を実現していることを示唆している。本研究では、位置情報（ビット）と機械的仕事量の間に定量的な対応関係を実験的に確立し、分子マシンがブラウン運動に起因する稀ではあるが機能的な変動を選択的に利用することで、ATPレベルのエネルギー効率を達成していることを実証した。
Snap, Crackle, and Pop: This is why the potential of mean force clashes with the fluctuation dissipation relation
本研究では、熱力学的力を含む非線形一般化ランジュバン方程式を解析する。熱平衡状態にある系においても、熱力学的力が存在する場合、変動する力の自己相関関数が非定常的になることを明らかにする。
Probing non-equilibrium physics through the two-body Bell correlator
動的量子相転移（DQPT）として知られるシステムの動力学から、平衡状態における臨界点と相を同定することは、局所観測量のみに依存する場合、極めて困難な課題である。本研究では、量子状態における非局所相関を検出するために開発された実験的に利用可能な二体ベル演算子が、長距離相互作用（LR）XYスピン鎖に磁場を印加した系におけるDQPTの有効な指標として機能することを明らかにする。この系では、相互作用強度がべき乗則に従って減衰する。システムパラメータを急激に変化させた後、最近接スピン間のベル演算子は臨界境界において明確な減少を示す。本研究では、特に磁場強度と相互作用減衰率の2種類の急激変化プロトコルについて考察する。
Absence of Parity Anomaly in Massive Dirac Fermions on a Lattice
2次元空間におけるディラックフェルミオンのパリティ異常は、量子場の理論と凝縮系物理学の双方において重要な概念的枠組みを形成してきた。凝縮系物理学の分野では、これは質量を持つディラックフェルミオンで記述される系における半量子化されたホール応答の機構として発展してきた。本研究では、格子モデルを用いてこの問題を再検討し、適切な格子正則化が施され、並進不変性が考慮されている場合、質量を持つディラックフェルミオン系においては半量子化されたホール伝導率が存在しないことを明らかにする。
Time-Resolved Photoemission Spectroscopy of Quantum Materials Using High Harmonic Generation: Probing Electron-Phonon Interactions and Non-Equilibrium Dynamics
超高速レーザーシステムと高次高調波発生（HHG）技術の近年の進展により、フェムト秒時間スケールでの時間分解光電子分光測定が可能となった。これにより、量子物質の研究において時間領域と運動量空間の両方において前例のない新たな研究機会が開かれた。本総説では、様々な量子物質系に対してHHGレーザーを用いた時間・角度分解光電子分光法を適用した最新の代表的な研究事例を紹介する。
Thermoelectricity of moiré heavy fermions in MoTe2/WSe2 bilayers
近年、モアレ材料において調整可能な近藤格子系および重フェルミオン物理が報告されているが、これまでの研究の大半は電気的・磁気的特性に焦点を当てたものであった。重フェルミオンのエントロピー的性質を明らかに可能な定量的な熱電測定法については、未だ確立されていない。本研究では、正孔ドープされた角度整合MoTe2/WSe2二層膜において実現されるモアレ重フェルミオン相について、包括的な熱電特性評価を行った結果を報告する。
Enhancing Neural Network Backflow
強相関系の基底状態を正確に記述することは、その創発物性を理解する上で不可欠である。ニューラルネットワーク・バックフロー（NNBF）は、単一粒子軌道に配置依存型の修正を導入することで平均場波動関数を改良する強力な変分基底関数系である。理論的には大規模ネットワーク極限において普遍的な性質を示すものの、実際の計算においてはネットワークサイズの増大に伴う性能向上が飽和することが判明した。これに対し、多決定子基底関数系を採用することで顕著な性能向上が可能となる。本研究では、変分パラメータ数を増加させることなくこれらの多決定子展開を効率的に生成する手法について検討する。特に、単一ステップ・ランツォス法と対称性射影法に着目し、これらの手法の性能を、異なる平均場に適用した拡散モンテカルロ法およびNNBFと比較検証する。
Interpretable Artificial Intelligence (AI) Analysis of Strongly Correlated Electrons
人工知能（AI）は、科学的データの解析において極めて強力なツールとなっている。特に、注意機構を組み込んだアーキテクチャは、複雑な相関関係を捉える優れた能力を示し、従来では認識が困難であった潜在的なパターンに対して解釈可能な洞察を提供することが明らかになっている。この進展は、従来の理論的手法では解析が極めて困難な強相関電子系の研究にAI技術を応用する動機付けとなっている。本研究では、2次元ハバードモデルのテンソルネットワークシミュレーションから得られるスナップショットデータセットを、広範な温度範囲およびドーピング濃度領域にわたって解析するための新たなAIワークフローを提案する。
Reducing the strain required for ambient-pressure superconductivity in bilayer nickelates
高圧下におけるバルク二層ニッケル酸化物での高温超伝導の画期的な発見は、エピタキシャル圧縮歪みが静水圧圧力の本質的な特性を模倣し得るという仮説を提起している。SrLaAlO4（001）面上に形成した薄膜における超伝導の実現はこの対応関係を支持するものであり、しかしながら、二層ニッケル酸化物の豊富な圧力-温度相図が、エピタキシャル歪みの関数として系統的にマッピング可能であるか否か（さらには常圧条件下で研究可能であるか否か）については未解明のままである。この問題を解明するためには、超伝導相境界の境界付近における実験的検証が、超伝導状態の本質およびそこから導かれる基底状態の性質を理解する上で極めて貴重な知見をもたらすであろう。さらに、これは理論モデルの検証基準としても機能し得る。本研究では、常圧超伝導を実現するために必要な圧縮歪みが約-1.2%と半減したLaAlO3（001）面上に成長した超伝導二層ニッケル酸化物について報告する。
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