原田さんは物質で起きるどのような現象を計算機の中に再現しようとしているのでしょうか。「メインテーマの一つは臨界現象です。臨界現象は相転移の一種です」

まず、相転移とは何でしょうか。「0℃で水が氷に変わったり、ある圧力と温度で磁力が現れたりするなど、物質の性質が突然変わる現象です」と原田さんは説明します。では、水が氷に変わるような相転移と臨界現象では、どのような違いがあるのでしょうか。

「臨界現象は特有のスケールを持たないという特徴があります。物質の中で起きる臨界現象は、物質の最小の単位である素粒子のスケールや、広大な宇宙スケールでも起きる可能性があると考えられているため、研究する価値が高いのです」と原田さんは力を込めます。

物質の中では無数の種類の臨界現象が起き得ると理論上は考えられています。しかし、平面状の2次元や立体的な3次元の物質の中で実際に発見されている臨界現象は数えるほどしかありません。「臨界現象は、見つけることが難しい宝石のようなものです。私たちは今、臨界現象の中でもまれにしか起きない『脱閉じ込め量子臨界現象』の研究を行っています」

それは、マイナス273.15℃という絶対零度において起きる電子スピンが関係した現象です。電子スピンとは、磁力を生み出す源で、向きを持っています。磁石では、多くの電子スピンが同じ方向を向いているので、磁力が現れるのです。

「脱閉じ込め量子臨界現象では、電子スピンの向きの並び方が、ある条件で突然変わります（図2）。しかもその変化を対称性という観点から見ると、二つの臨界現象が同時に起きていると考えられます。そう言われても、イメージができませんよね。あくまで例え話ですが、磁力を持つ水があったとしましょう。その水に圧力をかけていくと、あるところで氷となり、しかも、同時に磁力を失う現象が起きるようなものです。つまり、脱閉じ込め量子臨界現象は、無関係だと思われていた2種類の現象が融合して同時に変化する特殊な臨界現象なのです。従来の臨界現象の理論を超える現象なので、それが本当に起きるのかどうか、研究者の間で大きな論争になっています」

原田さんたちは、あるタイプの物質で圧力などの条件を変えていくシミュレーションを行い、脱閉じ込め量子臨界現象が起きるかどうか調べる研究を行いました。「すると、小さなサイズでは、脱閉じ込め量子臨界現象と同様の電子スピンの変化が起きることを突き止めました」（図1・図3）

それが本当に臨界現象であることを確かめるには、物質のサイズを大きくしても電子スピンの変化が起きるかどうか調べなければいけません。ただし、物質のサイズを少し大きくするだけで必要な計算量が急増してしまいます。そこで、原田さんたちは世界有数の計算速度を誇る「京」や、東京大学物性研究所のスーパーコンピュータを用いて研究を続けてきました。

「その結果、私たちが計算機の中で見つけた変化が脱閉じ込め量子臨界現象である確率が8割、そうでない確率が2割といった状況です。変化が起きる瞬間（量子臨界点）において、それまで自由に動けず閉じ込められていたスピノンという仮想的な粒子が物質全体を自由に動き回る“脱閉じ込め”が起き、スピノンが2種類の異なる現象を融合させて同時に変化を引き起こすと考えられています。私たちは、計算機の中でスピノンを再現して、それが自由に動き回るかを調べることで、脱閉じ込め臨界現象の検証を続ける計画です」

臨界現象の研究には、どのような意義があるのでしょうか。「妻に“あなたの研究は何に役立つの？ ”と聞かれると、いつも答えに詰まってしまいます」と原田さんは苦笑します。

特に、脱閉じ込め量子臨界現象は絶対零度で起きる現象なので、その研究成果を直接、装置や材料の実用化へ役立てることは難しいと考えられます。しかし、物理学全体に大きなインパクトを与えるはずです。

「脱閉じ込め量子臨界現象は、もともと素粒子の世界で起きると考えられてきました。ただし最先端の素粒子理論の計算は、物質の計算よりもさらに難しいため、本当に起きるかどうか立証できていません。私たちが物質の中で脱閉じ込め量子臨界現象が起きることを確かめることができれば、その現象は素粒子から宇宙までスケールを超えて起きる可能性があると考えられ、物質の起源を探る素粒子物理学や、宇宙誕生を研究する宇宙論に大きく貢献することになります。臨界現象の魅力の一つは、物質の中に宇宙が見えてくることです」

（取材・執筆：立山 晃／フォトンクリエイト）