2026年7月21日
総合科学研究機構
高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター
九州大学

【発表のポイント】

• 重症呼吸器系疾患の治療に重要なECMO^※1の性能向上のためには血栓を作りにくい高分子材料の開発が必要
• 抗血栓性高分子PMEA^※2において血栓形成を防ぐバリア層として働く水の存在を初めて実証
• 新たな抗血栓材料の創製に繋がる研究成果であり、今後の医療技術の発展に貢献

【概要】

総合科学研究機構（CROSS）と高エネルギー加速器研究機構（KEK）、近畿大学、東京理科大学、九州大学の共同研究グループは、大強度陽子加速器施設（J-PARC）物質・生命科学実験施設（MLF）^※3の中性子散乱実験装置を用いて、実際に ECMOの回路内壁コーティングに使用されているポリ（2-メトキシエチルアクリレート）(PMEA)に水和する水の運動状態を調べ、高分子との相互作用により通常の水よりも10倍から100倍遅い水（中間水）が存在することを初めて明らかにしました。また、原子間力顕微鏡（AFM）実験の結果と比較することにより、PMEAのナノメートル（10^-9 メートル）サイズのミクロ相分離構造に対応して、遅い水の運動が空間的に制限されていることが分かりました。この結果により、PMEAにおいて抗血栓性が発現するメカニズムが明らかになりました。

この発見は、既製品を超える性能を持つ新たな抗血栓性材料を創製するための設計指針を与えるもので、今後の超高齢社会を支える医療技術の躍進のためにも極めて重要な研究成果であり、幅広い展開が期待されます。

本研究成果は、日本時間2026年6月25日にアメリカ化学会の学術誌The Journal of Physical Chemistry Bに掲載されました。

【研究の背景】

体外式膜型人工肺（ECMO）を用いた治療は、コロナウイルス感染症のみならず、重症呼吸器系疾患の生命維持の要として利用されています。しかし、ECMOの利用には血液循環に伴う回路内部での血栓形成により長期間にわたる使用が困難であるという制限があり、医療現場における大きな課題となっています。この問題を解決するためには、長期間の使用に耐えうる優れた抗血栓性を有する新材料の開発が求められています。そのためにはまず抗血栓性の発現要因を明らかにすることが必要です。これまでの研究により、抗血栓性材料と血液成分との界面には特殊な構造の水がバリア層として存在していることが予想されていましたが、その形成メカニズムに関する理解には至っておらず、さらに優れた抗血栓性を示す材料の開発は、経験則に頼らざるを得ないという状況でした。

【研究の内容と成果】

共同研究グループは、中性子散乱を用いて抗血栓性高分子PMEAとその表面に吸着している水の運動状態を調べ、抗血栓性の起源となる水分子のバリア層の形成メカニズムの解明に取り組みました。中性子散乱は、分子や分子集団の構造と運動状態を明らかにする実験手法です。その中で中性子準弾性散乱は、水素原子の個々の動きを知ることができる実験手法で、軽水素と重水素^※4を使い分けることにより、材料とその中に含まれる水のそれぞれの動きを明らかにすることができます。そこで軽水素からなる通常のPMEAに重水を含ませた試料と、重水素化したPMEAに軽水を含ませた試料を用意して、それぞれの中性子準弾性散乱測定を行いました。それにより、PMEAの分子鎖の運動状態と、PMEAに吸着している水の運動状態を、独立に調べました。その結果、PMEAとの相互作用により通常の水よりも10倍から100倍遅い水（中間水）が存在することが明らかになりました。すなわち、PMEAが抗血栓性を発現するための要因と考えられていた中間水の存在を、初めて実証する結果となりました。

それに加えて、中間水が動いている範囲がナノメートルスケールに限られていること（図）を示しました。これは、以前の原子間力顕微鏡（AFM）を用いた研究で、PMEAと水の相互作用によりミクロ相分離構造が形成されていて、それが中間水の「足場」となっている、という結果に対応しています。

【研究の意義と今後の展望】

今回の研究結果により、親水性部分と疎水性部分を持つPMEAで、なぜ中間水が形成されるのかを明らかにする、重要な知見が得られたことになります。これにより、より効果的に中間水を制御できる材料の開発に指針を与え、安全で高性能な医療機器の開発を後押しすることが期待できます。

【研究支援】

J-PARCの物質・生命科学実験施設における中性子実験は、ビームラインBL02 DNA（課題番号：2020BU0201, 2020B0440）にて実施されました。また、JSPS科研費JP18H05717とJP19H05720、及び「物質・デバイス領域共同研究拠点： 人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンスにおける展開共同研究」の助成を受けています。

【各研究機関の役割】

総合科学研究機構：研究計画全体の主導、中性子散乱実験、解析、論文執筆
高エネルギー加速器研究機構：研究計画策定、試料準備
近畿大学：試料準備、DSC実験、中性子散乱実験
東京理科大学：試料準備、DSC実験、中性子散乱実験
九州大学：研究計画策定、高分子の設計と合成、試料準備、DSC実験、論文執筆

【論文情報】

【本件問い合わせ先】

＜研究に関すること＞

総合科学研究機構 中性子科学センター
サイエンスコーディネータ 瀬戸 秀紀（せと ひでき）
E-mail：h_seto[at]cross.or.jp
TEL：029-219-5300

九州大学先導物質化学研究所
教授　田中　賢（たなか　まさる）
E-mail：masaru_tanaka[at]ms.ifoc.kyushu-u.ac.jp
TEL 092-802-6235

＜報道に関すること＞

総合科学研究機構 中性子科学センター 利用推進部広報担当
E-mail：press[at]cross.or.jp
TEL：029-219-5300

高エネルギー加速器研究機構 広報室
E-mail：press[at]kek.jp
TEL：029-879-6047

J-PARCセンター 広報セクション
E-mail：pr-section[at]ml.j-parc.jp
TEL：029-287-9600

九州大学　広報課
E-mail：koho[at]jimu.kyushu-u.ac.jp
TEL：092-802-2130

※[at]を”@”に置き換えてください。

【用語解説】

※1：ECMO：体外式膜型人工肺（extracorporeal membrane oxygenation）
通常の人工呼吸器管理では対応できない重症呼吸不全などに対して用いられる簡易式の人工心肺。ポンプを用いて脱血し、膜型人工肺でガス交換を行って患者に返血する仕組みになっている。ECMO稼働中は出血と血栓形成に注意する必要があり、専門的知識と技術を持つ医療チームによる集中管理が不可欠とされている。

※2：PMEA：ポリ（2-メトキシエチルアクリレート）
優れた血液適合性（抗血栓性）をもつバイオメディカル用高分子で、人工心肺などの体外循環回路のコーティング剤として用いられている。日本企業が開発したことで知られており、世界シェア第1位となっている。

※3：大強度陽子加速器施設（J-PARC）物質・生命科学実験施設（MLF）
J-PARCは、日本原子力研究開発機構（JAEA）と高エネルギー加速器研究機構（KEK）が共同で茨城県東海村に建設し運用する研究施設。MLFでは陽子ビームを水銀標的及び炭素標的に当てて発生する中性子やミュオンを利用して、物質や生命現象の解明、新材料開発などの先端学術研究や産業利用研究が行われている。

※4：軽水素と重水素
軽水素と重水素は水素の安定同位体で、軽水素の原子核は陽子1つで、重水素の原子核は陽子1つと中性子1つで構成されている。重水素原子は軽水素原子の約2倍の質量を持つ。

※5：九州大学先導物質化学研究所
新しい機能性分子の合成、新しい分子集積の化学、有機・無機融合材料の化学、先端材料の素子化に関する化学など、多岐にわたる研究に取り組んでいる研究所。各分野の研究グループが連携して、原子・分子・ナノスケールからマクロスケールまでの物質の構造と機能にかかわる基礎学術とその応用化に関する研究を推進している。ソフトマテリアル学際化学分野の田中賢研究室は、医療機器の表面設計に強みを持っている。
https://www.cm.kyushu-u.ac.jp/

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2026年7月1日
国立大学法人東北大学
国立大学法人大阪大学
国立大学法人東京大学
一般財団法人総合科学研究機構
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
J-PARCセンター

【発表のポイント】

• 高温超伝導体などの層状酸化物では層数を変化させるホモロガス系列^（注１）により物性を系統的に制御できる設計指針が確立されています。一方トポロジカル量子物質^（注２）ではこうした体系的指針がありませんでした。
• トポロジカルなディラック電子^（注３）状態を示す正方格子磁性体で初めて、層数制御が可能なホモロガス系列を実現する物質系を発見しました。
• 磁気状態だけでなくディラック電子状態も、層数に依存して大きく変化することを実証し、トポロジカル量子物質を層数により設計する新しい指針となるため、物質開発が加速することが期待されます。

【概要】

高温超伝導体や強誘電体などの層状酸化物では、結晶構造の層数を変化させるホモロガス系列に従って、キーとなる物性の自在な設計を目指した物質開発が行われてきました。一方、近年注目を集めるトポロジカル量子物質では、そのような体系的な設計指針は確立されていませんでした。

東北大学金属材料研究所の酒井英明教授（研究開始時：大阪大学大学院理学研究科）、大阪大学大学院理学研究科の山下淳志大学院生（当時）らの研究グループは、ディラック電子を持つ正方格子磁性体において、層数制御が可能なホモロガス系列を実現する物質系を発見しました。今回初めて合成に成功した二層系物質Ce₃Au₄Ge₂Bi₄において、層数を増やすことで磁気秩序が反強磁性からフェリ磁性^（注４）（強磁性的）へと変化するとともに、真空中では許されないほど大きく傾いた特異なディラック電子状態が現れることを実証しました。本成果は、トポロジカル量子物質において「層数」で磁性と電子状態を同時に設計する新しい物質開発法を提示するものであり、次世代量子物質の体系的な創製や新奇量子現象の開拓につながると期待されます。

本成果は、2026年7月1日正午（米国東部夏時間）に国際学術誌Journal of the American Chemical Societyにオンライン掲載されます。

なお本成果は、大阪大学大学院理学研究科の水野竜太特任助教（常勤）、越智正之准教授、木田孝則助教、萩原政幸教授、西真輝学部生（当時）、村川寛助教、花咲徳亮教授、神戸市立工業高等専門学校の小島達弘准教授、東京大学物性研究所の齋藤開助教、中島多朗准教授、近藤雅起助教、徳永将史教授、総合科学研究機構の中尾朗子副主任研究員、日本原子力研究開発機構の木俣基研究副主幹との共同研究によるものです。

【詳細な説明】

研究の背景

近年、磁性や超伝導などの量子機能に加え、特異なトポロジーによって特徴づけられる電子状態（波動関数）を示すトポロジカル量子物質が、次世代エレクトロニクスや量子計算の新しい基盤材料として注目を集めています。特に、あたかも光速で動く粒子のように運動が記述されるディラック電子を持つ物質は、エネルギー損失の少ない電気・熱伝導が実現できるため、活発に研究が行われています。

こうしたトポロジカル量子物質の有力な候補として注目されているのが、正方格子を持つ層状物質です。正方格子層ではディラック電子などのトポロジカル電子状態が実現する上、その間に挟まれた層では磁性や超伝導などの多様な量子現象が発現します。このため、両者の相互作用から超低消費電力スピントロニクスなどにつながる新しい量子機能の創出が期待されています。

これまで、層状構造の機能物質では結晶構造を系統的に設計する指針として、層数を変化させて一連の物質群を生み出すホモロガス系列が知られてきました。高温超伝導体や磁気抵抗物質、強誘電体などで知られる層状酸化物のルドルスデン・ポッパー相はこの好例で、機能を担うペロブスカイト層の数を変えることで、超伝導や磁性などの強相関物性を系統的に制御する物質開発が進められてきました（図1）。しかし、トポロジカル量子物質においては、このように層数を設計パラメータとして物性を操るための明確な指針は、これまで確立されていませんでした。

今回の取り組み

研究グループは、正方格子トポロジカル量子物質において、正方格子層の間に挟まれた四面体層の数に着目しました。従来知られていた正方格子磁性体 CeAuBi₂は四面体層が一層（n=1）で構成されています。これに対し、研究グループは、四面体層を二層持つ新物質 Ce₃Au₄Ge₂Bi₄（n=2）の合成に世界で初めて成功しました。その極限構造である CeAu₂Ge₂は四面体層の無限層構造（n=∞）として実在しており、二層の新構造は、両者をつなぐ中間構造とみなせます（図1）。このように、正方格子物質において層数を設計パラメータとする新しいホモロガス系列が実現できることを発見しました。

さらに、研究用原子炉JRR-3と大強度陽子加速器施設J-PARCの物質・生命科学実験施設（MLF）を相補的に利用した中性子散乱測定により、磁気構造を詳細に調べた結果、従来の一層系物質で見られる反強磁性秩序とは異なり、Ce₃Au₄Ge₂Bi₄では自発磁化を持つフェリ磁性秩序が現れることを明らかにしました（図2）。また、理論計算と強磁場測定から、層数の増加によってディラック電子状態が大きく変形し、本来の相対性理論（真空中の物理）では許されないほど傾いた「タイプIIディラック電子状態」が形成されることを見出しました（図2）。

これらの結果は、正方格子トポロジカル量子物質において、層数を変えることで磁性とトポロジカル電子状態を同時に制御できることを初めて実証するものです。

今後の展開

本研究で見いだしたホモロガス系列は、これまで個別物質の探索が中心であったトポロジカル量子物質の開発において、基本ブロックを保ったまま「層数」を変えることで磁性と電子状態を同時に設計できるという、体系的な物質開発の枠組みを提示する成果といえます。この設計原理を応用し、元素置換などを組み合わせることで、より幅広い物質群の開拓が可能になります。これにより、次世代量子技術の基盤となる新材料の開発を加速・拡大することで、これまで予想されていなかった新奇量子現象や革新的な量子機能の発見につながると期待されます。

【謝辞】

本研究は、JSPS科研費（JP22H00109, JP22K18689, JP23H00268, JP23H04862, JP25K08457, JP26H02017）、旭硝子財団、Spin-RNJ、JST FOREST (JPMJFR212P) の支援を受けて実施されました。中性子散乱実験は、研究用原子炉JRR-3に設置された5G-PONTA（課題番号24519, 25510）、大強度陽子加速器施設J-PARCの物質・生命科学実験施設（MLF）に設置されたビームラインBL18「千手」（課題番号2025A0219）において実施されました。また、掲載論文は『東北大学 2026 年度オープンアクセス推進のための APC 支援事業』の支援を受け Open Access となっています。

【用語説明】

注1.ホモロガス系列
結晶構造の基本ブロックを繰り返し積み重ねることで構成される物質群のこと。繰り返しブロックの数（層数）を変えることで、一連の関連した結晶構造が形成される。高温超伝導体や強誘電体などの層状酸化物では、ホモロガス系列を利用して物性を系統的に制御する物質設計が行われてきた。本研究では、この考え方をトポロジカル量子物質へ初めて拡張した。

注2.トポロジカル量子物質
物質内の電子の波動関数がねじれてしまい、真空とは異なるトポロジーにより電子状態が保護される物質群をトポロジカル物質と呼ぶ。さらに、その中で磁性や超伝導などの量子機能を併せ持つものがトポロジカル量子物質であり、外乱に対して非常に安定した物性を示すことから、次世代のスピントロニクスや量子計算への応用が期待されている。本研究の正方格子物質では、層数という結晶構造パラメータを制御することで、磁性とトポロジカルな性質を同時に操る「合理的な物質設計」が可能になる。

注3.ディラック電子
固体中で質量がゼロであるかのように振る舞い、散逸が少ない高い易動度で運動する特殊な電子のこと。エネルギーと運動量が直線的に比例する「円錐形（ディラックコーン）」の構造を持つのが特徴。本研究では、この円錐が極限まで傾いた特異な状態を実証した。

注4.フェリ磁性
物質中の磁石の元となる電子スピンが反平行に並びながらも、その大きさが異なるために完全には打ち消し合わず、全体として磁石のような性質（自発磁化）を示す磁気秩序。本研究で発見したCe₃Au₄Ge₂Bi₄では、セリウム（Ce）の磁気モーメントが「上−下−上」に配列することでフェリ磁性が実現している。

【論文情報】

【問い合わせ先】

（研究に関すること）

東北大学金属材料研究所
教授　酒井英明
TEL：022-215-2022
Email: hideaki.sakai[at]tohoku.ac.jp

（報道に関すること）

東北大学 金属材料研究所
情報企画室広報班
TEL: 022-215-2144
Email: press.imr[at]grp.tohoku.ac.jp

大阪大学 理学研究科 庶務係
TEL：06-6850-5280
Email：ri-syomu[at]office.osaka-u.ac.jp

東京大学物性研究所 広報室
TEL：04-7136-3207
Email: press[at]issp.u-tokyo.ac.jp

総合科学研究機構中性子科学センター
利用推進部 広報担当
TEL: 029-219-5300
Email: press[at]cross.or.jp

日本原子力研究開発機構 総務部報道課
TEL：070-1460-5723
Email：tokyo-houdouka[at]jaea.go.jp

J-PARCセンター 広報セクション
TEL：029-287-9600
E-mail：pr-section[at]ml.j-parc.jp

※[at]を”@”に置き換えてください。

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令和8年6月30日
J-PARCセンター
日本原子力研究開発機構
総合科学研究機構
茨城県
東京大学物性研究所
中性子産業利用推進協議会

令和8年度中性子産業利用報告会を開催いたします。本報告会は、産業界からの要望（中性子・ミュオンで何が分かるのか、どう使えるのか知りたい）に応えるため、中性子・ミュオンを用いた最先端の測定技術、研究成果を紹介し、産業界の「見たいもの」とのマッチングを図ることに重点を置いています。この方針のもと、以下の項目に沿ってプログラムを編成しました。
①(産業界)利用の現状、施設に何を望むのか、必要な技術とは何かを示す。
②(施設側)施設が提供できる技術とその可能性を示す。
③(共同研究グループ）J-PARC^※1 MLF（物質・生命科学実験施設）、研究用原子炉JRR-3^※2で始動した共同研究の成果を示す。
④社会から求められている課題解決への取り組み、貢献について紹介する。

プログラムについては、令和8年度中性子産業利用報告会Webページをご参照ください。

報道関係各位におかれましては、ぜひご来場の上、ご取材くださいますようお願い申し上げます。

１　開催日時

令和8年7月16日（木）13:00～17:45（受付：12:00開始予定）
令和8年7月17日（金） 9:30～17:25（受付： 9:00開始予定）

なお、16日の意見交換会、17日の利用相談・個別相談につきましては取材対象外とさせていただきます。

２　場所

秋葉原コンベンションホール（https://www.akibahall.jp/）
東京都千代田区外神田1-18-13　秋葉原ダイビル2F

３　取材申込み

取材を希望される方は、必要事項（お名前、ふりがな、貴社名、電話番号、メールアドレス、ご来場予定日）をご記入の上、7月13日(月)までにEメール（送付先pr-section[at]ml.j-parc.jp（[at]を”@”に置き換えてください））にてお申込みください。

４　その他

J-PARC MLFでは、産業利用への取り組みを振り返り、今後の方向性を示すことを目的として平成29年から「J-PARC MLF 産業利用報告会」を、令和4年度からはJRR-3を利用した同様の取り組みも含める形で「中性子産業利用報告会」を開催しています。

※1 J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) は、高エネルギー加速器研究機構（KEK）と日本原子力研究開発機構（JAEA）が共同で運営している先端大型研究施設で、素粒子物理、原子核物理、物質科学、生命科学、原子力などの学術的な研究から産業分野への応用研究まで幅広い分野で世界最先端の研究が行われています。
https://j-parc.jp/c/index.html

※2 JRR-3（Japan Research Reactor No.3）は、JAEAが有する熱出力20MWの高性能汎用研究炉であり、種々の中性子散乱や中性子ラジオグラフィ等の中性子ビーム実験、中性子放射化分析等の照射実験、ラジオアイソトープの製造などを行っています。また、冷中性子ビームを用いた高分子の構造解析による生命現象の解明等にも役立てられています。
https://jrr3.jaea.go.jp/

本件に関するお問合せ先

J-PARCセンター広報セクション
Tel: 029-287-9600
E-mail: pr-section[at]ml.j-parc.jp（[at]を”@”に置き換えてください）

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「CROSS T＆T」第82号

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実行委員　宗像 孝司

高エネルギー加速器研究機構(KEK) 物質構造科学研究所、J-PARCセンター、総合科学研究機構(CROSS)、PFユーザーアソシエーション(PF-UA)、J-PARC MLF利用者懇談会が主催する「2025年度量子ビームサイエンスフェスタ」が、2026年3月11日から13日までの3日間、水戸市民会館にて開催されました。

量子ビームサイエンスフェスタは、放射光・陽電子、中性子・ミュオンなど、異なる量子ビームを利用する研究者、技術者、学生、施設関係者が集まり、研究成果や施設の現状、今後の量子ビーム利用について情報交換を行う場として開催されています。2015年度から始まった本フェスタは今回で11回目を迎え、607名の参加者を得て盛況のうちに終了しました。

初日の3月11日には、第43回PFシンポジウムが開催されました。PF施設報告では、施設、光源、PFリング、ビームライン、各種課題の進捗など、放射光利用を支える施設・装置の現状について報告が行われました。午後にはPF-UA総会、PF次期光源計画に関する報告、総合討論が行われ、今後の施設計画や運営に関する意見交換が行われました。また、低速陽電子実験施設（SPF）の施設報告も行われました。

2日目の3月12日には、量子ビームサイエンスフェスタが開催されました。基調講演では、一杉太郎氏（東京大学／東京科学大学）より「異分野融合のハブとしての量子ビーム施設：協働と共用の推進」と題した講演がありました。AIロボット技術の進展や実験装置の自動化・自律化を背景に、研究者がより創造的な研究活動に注力するための環境づくりと、量子ビーム施設に求められる役割について紹介されました。また、山谷泰賀氏（量子科学技術研究開発機構）より「量子科学・量子ビームが切りひらく次世代の医療」と題した講演がありました。PETやOpenPETの開発をはじめ、診断と治療の双方に量子科学・量子ビームを活用する次世代医療の展開が示されました。量子ビーム施設の共用・協働利用や、医療応用を含む幅広い分野への展開について考える機会となりました。

午後にはMLF利用者懇談会が開かれ、総会に続いて、要望・アンケート報告が行われました。その後のMLF成果発表では、磁性研究、中性子光学、燃料電池材料の構造解析、半導体検出器、偏極技術など、MLFを利用した研究成果と関連技術開発に関する講演が行われました。中性子・ミュオンを用いた研究の広がりに加え、実験・解析を支える技術開発の重要性も示されました。

今回のフェスタでは、量子ビームを利用した多様な研究成果に加え、J-PARC MLFの利用環境、装置・手法開発、ユーザーからの要望などについて理解を深める機会となりました。

開催にあたり、ご参加いただいた皆様、講演・発表をいただいた皆様、ならびに開催・運営にご尽力いただいた事務局および関係各位に御礼申し上げます。

関連ページ

• 2025年度量子ビームサイエンスフェスタWebサイト
• KEK物質構造科学研究所/2025年度量子ビームサイエンスフェスタを開催

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第17回MLFシンポジウム、第43回PFシンポジウム first appeared on CROSS 中性子科学センター.

2026年6月23日
東京理科大学
東京大学
東北大学
総合科学研究機構
茨城大学

【発表のポイント】

• 近藤絶縁体YbB₁₂（12ホウ化イッテルビウム）に対し、バルク感度の高い超音波実験により磁気音響量子振動（MAQO）の探索を通じてその起源解明を試みました。
• 最大65 Tまでの強磁場、最小485 mKまでの極低温という条件で超音波実験を行ったところ、磁場誘起金属相でのみ磁気音響量子振動が観測され、絶縁体相では観測されませんでした。
• 本研究成果は、近藤絶縁体における量子振動の起源を探る上で重要な手がかりを与えるものです。

【研究の概要】

東京理科大学 創域理工学部 先端物理学科の栗原 綾佑助教、東京大学 物性研究所の宮田 敦彦准教授、東京大学大学院新領域創成科学研究科 物質系専攻の今城 周作准教授、神戸大学大学院 理学研究科 物理学専攻の日比野 瑠央助教らの共同研究グループは、最大65 T（テスラ）までの強磁場および最小485 mKまでの極低温において、超音波を用いて近藤絶縁体（＊1）YbB₁₂における磁気音響量子振動（MAQO, ＊2）を探索しました。実験に用いた単結晶試料は、茨城大学の伊賀 文俊名誉教授（現総合科学研究機構 サイエンスコーディネータ）により提供されました。
YbB₁₂は絶縁体でありながら磁気抵抗や磁気トルク、比熱などで磁気量子振動（MQO）が観測されていますが、その起源は未解明となっています。本研究グループは、結晶内部（バルク）の性質を敏感に検出できる超音波測定を用いて、音響応答の観点から絶縁体相に量子振動が本当に存在するかどうかを検証しました。
今回の研究では、先行研究と同様に磁気抵抗と磁気熱量効果におけるMQOを確認しました。一方、³He冷凍機（＊3）を用いた485 mKまでの極低温環境と非破壊パルスマグネット（＊4）による65 Tまでの強磁場環境を組み合わせた超音波測定では、絶縁体相におけるMAQOは確認されませんでした。MAQOは磁場誘起金属相においてのみ観測され、絶縁体相と金属相とで音響応答が明確に異なることが示されました。
本研究は、YbB₁₂の絶縁体相における音響特性について新たな実験的知見を提供し、絶縁体における量子振動の起源解明に向けた研究に貢献するものです。
本研究成果は、2026年6月16日に国際学術誌「Physical Review B」にオンライン掲載されました。さらに、本論文は、編集者および査読者から重要性・独創性・明快さにおいて高い評価を受け、掲載論文の中でも特に優れた論文として「Editors’ Suggestion」に選定されました。

【研究の背景】

通常、金属にはフェルミ面と呼ばれる電子の境界面が存在し、強磁場中で磁気量子振動（MQO）と呼ばれる周期的な振動現象が生じます。一方、絶縁体にはフェルミ面が存在しないため、MQOは原理的に起きないと考えられています。ところが近年、「近藤絶縁体」と呼ばれる特殊な物質において、絶縁体相にもかかわらずMQOが観測されたという報告が複数なされています。YbB₁₂では約45 Tの磁場を印加すると絶縁体から金属へと転移し、金属相においてMQOが観測されます（図1(a)）。しかし、その直下の絶縁体相においてもMQOと思われる振動が報告されており、その起源として「表面状態」「バルクのフェルミ面」「電荷を持たない中性準粒子」など複数の仮説が提唱されているものの、いまだ決着はついていません。
先行研究では、電気輸送特性を反映する電気抵抗、磁気的性質を反映する磁気トルク、熱特性を反映する比熱など、複数の物理量においてMQOが観測されてきました。固体物性研究では、結晶格子（フォノン）と電子状態の相互作用の理解も重要ですが、この観点からの研究は限られており、絶縁体中のMQOの起源には未解明な点が残されていました。
そこで本研究では、フォノンと電子状態の相互作用を音響特性として調べられる超音波測定を用いて（図1(b)）、YbB₁₂の絶縁体相の磁気音響量子振動（MAQO）を検証しました。

【研究結果の詳細】

本研究では、MQOが報告されている試料を準備したうえで、先行研究と同様に磁気抵抗および磁気熱量効果においてもMQOが観測されることを実験的に確認しました。次に、YbB₁₂に強磁場を印加しながら超音波により弾性定数を測定しましたが、絶縁体相においてMAQOは観測されませんでした（図2）。一方、磁場誘起金属相では65 T（テスラ）までの測定においてMAQOが明確に観測されました。この結果は、絶縁体相でMQOを担うフェルミ粒子が結晶格子（音響フォノン）と極めて弱くしか結合していない、あるいは弾性定数測定では検出できない性質を持つことを示唆しており、絶縁体中で観測されるMQOの起源に新たな制約を与える重要な知見です。また、今回の研究により、絶縁体相の39 T付近において顕著な弾性異常が観測されました。これらは低温でのみ現れ、絶縁体相に未知の電子状態変化が存在することを示唆しています。

本研究を主導した東京理科大学の栗原助教は、「絶縁体状態における量子振動は、未知の物理の開拓につながる可能性があります。以前もYbB₁₂の超音波測定に取り組みましたが、量子振動は観測できませんでした。YbB₁₂では量子振動が試料に依存することが知られているため、素性が確かな試料を用いて、そのうえで超音波で量子振動が観測できるかどうかを確かめたいと考えました。また、仮に観測されない場合でも、その背後には何らかの理由や物理機構が潜んでいると考えられるため、それについても明らかにしたいと思いました」と、研究の意義と動機についてコメントしています。

※本研究は、日本学術振興会の科研費（20K14404, 23H04862, 24H01629, 21KK0046）、二国間交流事業（JSBP120193507）の助成を受けて実施したものです。

【用語】

＊1　近藤絶縁体
比較的高温では金属的に振る舞うものの、電子間の強い相互作用（近藤効果）により、ある特徴的な温度以下で微小なエネルギーギャップが形成され、絶縁体的性質を示す希土類化合物の総称。代表例として、SmB₆やYbB₁₂などが知られている。

＊2　磁気音響量子振動（MAQO: magnetoacoustic quantum oscillation）
強磁場中で電子のエネルギー準位がランダウ準位と呼ばれる離散的な準位に量子化されることで、電気抵抗や磁化などの物理量が磁場の逆数に対して周期的に変化する現象を量子振動（QO: quantum oscillation）という。MAQOはその一種であり、ランダウ準位の量子化が弾性定数や音速の振動として超音波測定により観測されるものである。

＊3　³He冷凍機
ヘリウムの同位体である³Heの蒸発冷却を利用した冷凍機。通常の⁴He冷凍機で得られる1.4 Kよりも低い極低温環境を実現できる。

＊4　非破壊パルスマグネット
短時間に強力な磁場を発生させる電磁石を用いた装置。「非破壊」とは電磁石が破壊されずに繰り返し使用できることを意味する。

【論文情報】

【発表者】

【研究に関する問い合わせ先】

東京理科大学 創域理工学部 先端物理学科 助教　
栗原 綾佑（くりはら りょうすけ）
E-mail: r.kurihara[at]rs.tus.ac.jp

【報道・広報に関する問い合わせ先】

東京理科大学 経営企画部 広報課
TEL: 03-5228-8107　FAX: 03-3260-5823　
E-mail: koho[at]admin.tus.ac.jp

東京大学 物性研究所 広報室
TEL: 04-7136-3207
E-mail: press[at]issp.u-tokyo.ac.jp

東北大学 金属材料研究所 情報企画室広報班
TEL: 022-215-2144　FAX: 022-215-2482
E-mail: press.imr[at]grp.tohoku.ac.jp

総合科学研究機構 中性子科学センター 利用推進部 広報担当
TEL: 029-219-5300　FAX: 029-219-5311
E-mail: press[at]cross.or.jp

茨城大学広報・アウトリーチ支援室
TEL: 029-228-8008
E-mail: koho-prg[at]ml.ibaraki.ac.jp

※[at]を”@”に置き換えてください。

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2026年6月19日
国立大学法人東北大学
一般財団法人総合科学研究機構
J-PARCセンター
慶応義塾大学
国立大学法人京都大学

【発表のポイント】

• 原子が持つ磁気モーメント^（注1）がらせん状に整列した「らせん磁性体」^（注2）では、らせんの巻き方（キラリティー、右巻き・左巻き）が電流と磁場によって制御できることが示唆されていました。
• 微視的なプローブであるスピン偏極中性子散乱^（注3）実験によりらせん磁性の巻き方を直接観測し、試料体積の90%以上（最大99%）で巻き方を制御できることを明らかにしました。
• 巻き方自由度を用いた新型磁気メモリへの応用に向けて、重要な基盤となります。

【概要】

磁気モーメントがらせん状に整列したらせん磁性体は、巻き方（右巻き・左巻き）の自由度を持ち、これを ”0” と ”1”に対応させた新しい磁気メモリへの応用が期待されています。制御した巻き方はこれまで、巨視的な実験手法である電気伝導測定によって、間接的に観測されていました。
東北大学金属材料研究所の増田英俊講師、柳澤祐太郎大学院生、小野瀬佳文教授、総合科学研究機構中性子科学センターの大石一城主任研究員、京都大学複合原子力科学研究所の南部雄亮特定教授、慶應義塾大学理工学部の新居陽一准教授の研究グループは、スピン偏極中性子散乱実験を行うことでらせん磁性の巻き方を直接観測し、巻き方が試料体積全体の90%以上（最大99%）の高い精度で制御できることを明らかにしました。本研究成果は、らせん磁性体を用いた新型磁気メモリの実現に向け、重要な基盤となることが期待されます。
本研究成果は 2026 年 6月16日（米国時間）に米国科学アカデミー紀要(PNAS：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) に掲載されました。

【詳細な説明】

研究の背景

スピントロニクス^（注4）は、物質が持つ磁気的な性質をエレクトロニクスに活用することで、高機能かつ低消費エネルギー動作が可能なデバイスの開拓を目指す分野で、ハードディスクの読み取りヘッドや磁気ランダムアクセスメモリが代表例です。従来のスピントロニクス素子は磁石（強磁性体）を用いますが、磁石は周囲に磁場をつくって周囲の磁石と相互作用するためにビット間の干渉を起こし、高集積化には限界があると指摘されています。このため、磁化を持たず周囲に磁場をつくらない磁性体によるスピントロニクスの試みが盛んになっています。
このような新たな磁性体のひとつがらせん磁性体です。らせん磁性体では原子が持つ磁気モーメントがらせん状に整列し、らせんの巻き方（右巻き・左巻き）の自由度を持ちます（図1）。右巻き・左巻きを”0”・“1”に割り当て、これを電気的に制御することで情報の書き込みを行うことができます。最近の研究で、金属らせん磁性体に電流と磁場を同時に印加することで巻き方を制御する試みがなされ、巨視的な電気伝導現象の測定から「制御できている」という示唆は得られていました。しかし、これは間接的な測定手法であり、巻き方制御の決定的な証明はなされていませんでした。
らせん磁性の巻き方を直接的に観測するには、スピン偏極中性子散乱が有用です。中性子が持つスピンが、らせん磁性を形作る原子の磁気モーメントと相互作用することで、らせんの巻き方を微視的かつ直接的に観測することができます。

今回の取り組み

　今回の研究では、室温でも安定ならせん磁性体であるYMn₆Sn₆に着目し、中性子散乱実験が可能な大型単結晶試料に、独自に開発した実験セットアップを用いて大電流と強磁場を印加することで、らせん磁性の巻き方を制御した試料を用意しました（図2）。この試料を中性子実験施設に持ち込み、スピン偏極中性子散乱実験を実施しました。
　実験の結果、入射中性子のスピンに応じて、中性子散乱強度が大きく異なる結果を観測しました（図3）。これは試料体積全体の90%以上（最大99%）が片方の巻き方に揃えられていることを示します。さらに巻き方制御に用いる電流と磁場を反転させた試料でも測定を行い、巻き方を「右巻き」「左巻き」のいずれか一方の状態へと高い精度で制御できることを実証しました。

今後の展開

本研究では、らせん磁性金属が持つ巻き方が電流と磁場によって制御できることを、微視的なプローブであるスピン偏極中性子散乱を用いることで、直接的に実証しました。これによって巻き方制御の微視的機構に対する理解が進み、らせん磁性体を用いたスピントロニクスの発展に向けて重要な基盤となることが期待されます。

【謝辞】

本研究はJSPS科研費（課題番号：JP22H05145, JP23K13654,JP24H01638, JP24H00189, JP24K00572, JP25K01489, JP26H00621）、JSTさきがけ（課題番号：JPMJPR245A）、JST創発（課題番号：JPMJFR202V）の支援を受けて実施されました。スピン偏極中性子散乱実験は、大強度陽子加速器施設（J-PARC）の物質・生命科学実験施設（MLF）に設置されたビームライン　BL15「大観」(課題番号：2024B0119) において実施しました。

【用語説明】

注1.磁気モーメント
物質中の原子が持つ、微小な磁石（原子磁石）としての性質。原子の磁気モーメントの整列の仕方によって、物質全体の磁気特性が決まる。

注2.らせん磁性体
原子の磁気モーメントが、図1のようにらせん状に整列した構造を持つ物質。一つの原子層内では磁気モーメントが同じ方向に揃っているが、隣接する原子層ごとに少しずつ向きが変わり、物質全体としてらせん状の構造を形成する。らせんの巻き方（右巻き・左巻き）の自由度を持つ。

注3.スピン偏極中性子散乱
中性子の持つスピン（小さな磁石としての性質）自由度に注目した中性子散乱手法のこと。スピンを揃えた中性子を試料に入射し、その散乱パターンを観測することで磁気構造の情報を得る。中性子スピンを揃えない非偏極中性子散乱の場合と比べて得られる情報が増え、らせん磁性の巻き方を直接観測することができる。

注4.スピントロニクス
物質が持つ磁気的な性質をエレクトロニクスに利用する研究分野。代表的な例であるハードディスクドライブや磁気抵抗メモリでは、強磁性体の磁化方向を情報記憶に用いることで不揮発メモリを実現している。

【論文情報】

【問い合わせ先】

（研究に関すること）

東北大学金属材料研究所
講師　増田英俊
TEL: 022-215-2244
Email: hidetoshi.masuda.c8[at]tohoku.ac.jp

（報道に関すること）

東北大学情報企画室広報班
TEL: 022-215-2144
Email: press.imr[at]grp.tohoku.ac.jp

総合科学研究機構中性子科学センター
利用推進部 広報担当
TEL: 029-219-5300
Email: press[at]cross.or.jp

J-PARCセンター 広報セクション
TEL：029-287-9600
E-mail：pr-section[at]ml.j-parc.jp

慶應義塾広報室
TEL: 03-5427-1541
Email: m-pr[at]adst.keio.ac.jp

京都大学 広報室 国際広報班
TEL：075-753-5729
E-mail：comms[at]ail2.adm.kyoto-u.ac.jp

※[at]を”@”に置き換えてください。

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2026年6月15日
理化学研究所
国立情報学研究所
高輝度光科学研究センター
J-PARCセンター
東北大学
総合科学研究機構

大型放射光施設「SPring-8（スプリングエイト）」^[1]で取得される実験データを、大学・研究機関が導入する研究データ管理基盤「GakuNin RDM^注1」から直接閲覧・利用できる連携サービスの試験運用を開始しました。本サービスは、理化学研究所（理研）、国立情報学研究所（NII）、高輝度光科学研究センター（JASRI）、東北大学を中心に、J-PARCセンターおよび総合科学研究機構（CROSS）の参画のもと検討を進めてきたものです。

SPring-8は、高輝度放射光を利用して、無機材料から生体分子まで多様な対象の構造や状態をナノレベルで解析できる世界有数の大型研究施設です。触媒、蓄電池、次世代半導体、生命科学など国内外の幅広い研究分野や、それに携わる研究者を放射光共用施設として支えています。SPring-8では近年、測定装置の高度化・高速化・自動化が進み、1日に数万件規模の測定を実施可能なビームラインも運用されるなど、測定能力の飛躍的向上を達成しました。さらに、現在整備中の第4世代大型放射光施設「SPring-8-II」では光源性能の向上により、短時間で高精細なデータの取得が可能になる見込みです。こうした技術発展は、新たな科学的発見・イノベーションを加速する一方で、測定装置から生み出されるデータ量の増大のみならず、データの種類、測定条件との関係性、解析履歴など、管理・共有・解析すべき情報を一層複雑化させることにもなります。また、AIの進展により、研究データをAIが扱える形で蓄積・共有・解析できるプラットフォーム整備も重要な課題です。その一歩目として、SPring-8では2021年度から「SPring-8データセンター」^注2の整備を進め、大規模実験データをリアルタイムで解析するとともに、効率的に管理・共有するためのデータフローサービス^注3を提供してきました。

一方、GakuNin RDMは、NIIが提供するわが国の研究データの管理・利活用のための中核的なプラットフォームとして位置付けられているNII研究データ基盤（NII Research Data Cloud：NII RDC）のうち研究データ「管理基盤」であり、データのライフサイクルに即した情報基盤として、多くの大学をはじめとしたさまざまな公的研究機関で導入、利用されています。研究者は所属機関のアカウントにより、研究プロジェクトごとのデータ整理、共同研究者との共有、アクセス権管理など一連の研究データ管理を行うことができます。

しかしながら、これまで認証・アクセス等の課題により、GakuNin RDMから SPring-8データセンターに保存された実験データへのアクセスができず、両者を一体的に利用することは容易ではありませんでした。

今回、SPring-8データセンターが提供するデータフローサービスとGakuNin RDMを連携させることで、SPring-8で創出され、データセンターで保存される実験データを、利用者ごとのアクセス権限に基づいてGakuNin RDMから直接閲覧・利用できるようになりました。これにより、大学等で取得した研究データとSPring-8実験データを共通の研究データ環境で利用できるようになります。本連携により、多数の実験・測定データを組み合わせたデータ駆動型研究が可能となり、材料科学、生命科学、半導体研究などにおける研究開発の加速が期待されます。

今後は、試験運用を通じた利用者からのフィードバックをもとに機能改善を進め、正式運用を目指します。また、大強度陽子加速器施設「J-PARC」^[2]や3GeV高輝度放射光施設「NanoTerasu」^[3]をはじめとする他の大型研究施設との連携拡大も視野に入れています。大型研究施設が生み出す最先端データと、全国の大学・研究機関が保有する研究データ基盤を連携させることで、データ駆動型研究およびAI活用研究を推進し、日本全体の研究力強化に貢献してまいります。

注1）GakuNin RDM（研究データ管理基盤）
https://rcos.nii.ac.jp/service/rdm/
注2）巨大実験データを活用するための「SPring-8データセンター構想」
https://www.riken.jp/pr/closeup/2023/20231225_1/
注3）データフローサービス- SPring-8 Data Center Portal
https://dc-portal.spring8.or.jp/dfs/

補足説明

1. 大型放射光施設「SPring-8（スプリングエイト）」
理研が所有する、兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す施設。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来する。放射光（シンクロトロン放射）とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げたときに発生する細くて強力な電磁波のこと。SPring-8では、遠赤外線から可視光線、軟X線を経て硬X線に至る幅広い波長域で放射光が得られるため、原子核の研究からナノテクノロジー、バイオテクノロジー、産業利用や科学捜査まで幅広い研究が行われている。

2. 大強度陽子加速器施設「J-PARC」
茨城県東海村にある大強度陽子加速器施設。高エネルギー加速器研究機構（KEK）と日本原子力研究開発機構（JAEA）が共同で運営している。加速器で加速した陽子を原子核標的に衝突させることで発生する二次粒子を用いて、物質・生命科学、原子核・素粒子物理学などの研究や産業利用が行われている。J-PARCはJapan Proton Accelerator Research Complexの略。

3. 3GeV高輝度放射光施設「NanoTerasu」
国の主体機関である国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構と地域パートナーの代表機関である一般財団法人光科学イノベーションセンターによる官民地域パートナーシップという新しい枠組みによって整備・運営する特定先端大型研究施設で、東北大学青葉山新キャンパス内に立地し、利用者選定等は高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っている。国内初の第 4 世代放射光施設で、従来の 100 倍の高輝度化と高コヒーレント化を実現することで、物質構造の解析に加え、機能に影響を与える「電子状態」、「ダイナミクス」等の詳細な解析が可能となっている。

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対象となった研究テーマは「巨⼤負熱膨張材料BiNi_1-xFe_xO₃の低環境負荷製法の開発」で、本研究は共同研究成果です。

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