研究身邊的物質，創造具有新性能的材料，會催生出讓社會生活更加便利的產品。考察物質性質、探索新物質的學科被稱為「物性物理學」。近年來，隨著「位相關係」概念的導入，該領域的研究日益活躍。理化學研究所創發物性科學研究中心ECL研究單元負責人藤代有繪子，正通過研究利用拓撲幾何學性質的電子特性，致力於開發新一代材料。
上小學前就立志成為一名研究者
不為浪漫而是為了「讓生活更美好」
我們日常接觸到的各種物質，都是由無數原子和分子聚集而成的。每種物質的性質，都深受原子或分子中電子運動的影響。例如，鐵、金、銀等金屬中，有許多可以自由移動的電子，因此它們的導電與熱傳導率都很高。相反，橡膠和玻璃中沒有可自由運動的電子，因此成為不導電的絕緣體。此外，根據不同的條件時而能導電，時而又不能導電的物質被稱為半導體。
半導體是我們的智慧型手機、電腦等日常用品中不可或缺的存在。除此之外，LED/DVD、液晶屏、太陽能電池板等，都是通過物性物理學的研究創造出來的產品。
理化學研究所ECL研究單元負責人藤代有繪子也在挑戰開發具有新功能的物質。特別是在利用拓撲理論研究固體中電子行為與性質的前緣領域，取得了令人矚目的成果。藤代受從事電脳科學研究的父母影響，上小學前就立志成為研究者。她回憶道「小時候，我覺得科學代表著夢想和浪漫，後來在大學課堂上，我瞭解到藉助科學改善人類生活的前輩研究者，於是我決定主修物性物理學。」
磁性漩渦「斯格明子」
有望用於資訊存儲等領域
物質中的電子群體，有時會表現出超出現有電磁學解釋的行為。其中之一就是被稱為「斯格明子」的結構。電子具有一種叫作「自旋」的性質，這與物質的磁性密切相關。多數物質的自旋方向雜亂無序，因此不具磁性；而磁鐵等少數物質中，自旋方向統一排列，因而具有磁性。
斯格明子是由物質中數千個電子聚集而成的、自旋方向呈渦流狀排列的狀態。當斯格明子形成時，會在物質內部產生只有運動電子才能感受到的磁場，展現出既不同於磁性相、又不同於非磁性相的新型物質狀態。
斯格明子最初是核子物理學中的一種粒子模型，後來在物性物理學中受到關注。2009年，科學家首次在物質中確認了斯格明子的存在。此後，三位物理學家因以拓撲理論闡明相變機制而於2016年獲得諾貝爾物理學獎，這使拓撲物質的研究在全球範圍內迅速發展。
其中，以斯格明子為代表的拓撲磁性結構，與電子結合，從而在固體中產生被「湧現磁場」的虛擬實效磁場，對電子運動產生巨大影響。闡明這一機制並控制電子運動，已成為各類電子器件基礎中的重要題目，被期待能夠推動下一代存儲介質、節能裝置，以及傳統設備的超微型化。
被「相變」所吸引的學生時代
發現世界上最高密度的自旋結構
藤代利用超高壓與強磁場等極端條件，研究拓撲磁性結構在相變過程中所產生的未知電子性質。她的代表成果之一，是成功合成了兼具斯格明子結構的拓撲物質「錳硅（MnSi）」與具有刺球狀自旋結構、被稱為「刺蝟」的拓撲物質「錳鍺（MnGe）」的固溶體MnSi 1 -XGeX（見圖1）。
圖1：MnGe中的拓撲磁性結構（刺蝟與反刺蝟）及其對電子產生的虛擬磁場分佈。MnGe中存在的磁單極與反磁單極可在固體中產生高達40特士拉的巨大虛擬磁場，其磁場的大幅波動會顯著影響電子的運動。
藤代表示自己從學生時代起就被「相變」的魅力所吸引，有一天她突然產生了一個疑問：MnSi與MnGe之間的固溶體會形成怎樣的結構呢？也就是說，如果將錳、鍺、硅混合，會形成怎樣的拓撲磁性結構呢。
為此，藤代製作了多份鍺與硅比例不同的樣品，並反復開展實驗。由於在常壓下鍺與硅難以充分混合，她施加了約6萬大氣壓力的壓力，同時將樣品加熱至數百攝氏度（圖2）。最終，在製得的物質中，她發現了新的拓撲磁性結構，並且揭示了斯格明子結構向湧現磁單極結構轉變的過程。
圖2：製備拓撲物質時使用的壓力機。可在加壓加熱下達到最高8萬大氣壓力、1400℃。
「這種結構是當時世界上最高密度的自旋結構，能在物質中產生更強磁場。能憑自己之力首次創造出新事物，讓我獲得了極大的自信。」她堅定地說道。
打破「難以破壞的結構」獲得成果
為高效利用廢熱裝置開闢道路
位相結構一旦形成，通常具有極高的穩定性，要破壞它需要耗費巨大的能量。這就好比要將固態的冰解凍成水，就必須對其進行加熱才行。藤代在研究中，對拓撲物質MnGe施加強磁場破壞其自旋結構，觀察會出現的情況。結果發現，在這個過程中產生了巨大的磁波動，這使得焦熱電轉化效率（也就是將熱能轉化為電能的效率）比普通金屬化合物高出了一個數規模。「別人越說‘這種結構不容易被破壞’，我就越想嘗試破壞一番，沒想到還真有了意想不到的發現。」藤代笑著說道。
我們在日常生活中會消耗電能等各種各樣的能量。另一方面，電能並不能全部轉化為有效功，其中一部分會像家電在運行中發熱一樣白白頭浪費掉。藤代所發現的拓撲磁性結構中蘊含的巨大熱電效應，作為一種全新的高效焦熱電轉換原理，有望被應用於能夠充分利用廢熱的裝置中。
憑藉這些成果，藤代於2025年獲得了第4屆「展翅女性研究者獎（瑪麗亞·斯克沃多夫斯卡-居里獎）」最優秀獎（圖3）。她欣喜地表示：「獲知自己得獎時我非常驚喜。未來將繼續拓展國際科研合作網路，並希望藉此契機讓更多人瞭解物性物理學的魅力。」
圖3：藤代（右）從高圓宮妃殿下手中接過獎盃。（供圖：波蘭駐日大使館）
在超高壓環境中探索物性
創造超越常識的新物質
目前，藤代正在挑戰在包括超高壓在內的極端環境下創造具有新特性的物質（圖4）。其中最感興趣的是「超導體」。超導現象指的是電阻降為零的狀態，自1911年在汞中被發現以來便一直是研究的熱點。然而，超高壓下物質的物性仍有許多未知領域。僅藤代的研究中，就觀測到了多個發生狀態轉變的相變現象。今後，她計畫繼續研究迄今所掌握的拓撲自旋結構，並進一步探索新的超導物質。
圖4 實驗中合成的物質的照片。藤代表示，拓撲物質也被稱為「物質中的基本粒子」，想到其中可能蘊含著一個微觀宇宙，就讓人心潮澎湃。
以往，物質研究大多聚焦於我們日常所處的常壓環境，然而，僅在這種條件下探尋新物質已逐漸接近心極限。「我們生活在地表，自然而然地認為1個大氣壓力是常態，但對於物質而言，或許在不同環境下才能充分展現出其真正的潛力。我希望能突破常識的束縛，去發現更多有趣的新物質。」她滿懷憧憬地說道。
藤代表示，她對向孩子們傳遞科學樂趣的活動感興趣。「當我詢問同仁們為何立志成為研究者時，很多人提及小學一二年級時的經歷。我希望能多與這個年齡段的孩子接觸，激發他們對科學的興趣，為他們營造一個能夠輕鬆以研究者為目標的氛圍。」藤代對科普推廣活動表現出積極興趣。從位相關係出發開拓物性物理新領域的藤代，未來將如何繼續展翅前行，著實令人期待。（TEXT：荒舩良孝、PHOTO：島本繪梨佳）
原文：JSTnews 2025年10月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
