Website of Hikaru Watanabe
物性物理の重要なキーワードの一つが自発的な対称性の破れ（秩序化）です。 そのパターンは元素や結晶構造に応じて多種多様であり、面白い物性現象がたくさん潜んでいます。 我々は特に秩序化に由来した素励起構造や応答に興味があります。これまでの研究においては、 磁性や超伝導など様々な秩序に由来した特異な現象を理論的に予言し、 実験グループと協力して実証してきました。具体的な 研究内容 も是非ご覧ください。
NEWS
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2025-12-01
北大に准教授として着任しました。 ぜひ遊びに来てください！（→コンタクト）
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2025-11-10
共同研究者のYizhou Liu / 刘艺舟さん（High Magnetic Field Laboratory, Hefei）が研究室を訪問されました。
Liuさん来てくれてありがとう！多謝！ -
2025-10-20
広島大学東広島キャンパスで開催された第80回年次大会(2025年) にて特に優れた発表を行った学生に贈られる学生優秀発表賞を共同研究者の松田仁さん（領域３）と服部航平さん（領域４）が受賞されました。 どうもおめでとうございます！（写真）
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2025-09-02
北大、科学大との共同研究成果が Physical Review B で出版されました。
こちらの論文は Editors' Suggestion にも選出されています。
（Symmetry analysis of cross-circular and parallel-circular Raman optical activity）
研究内容
物性物理の一分野である凝縮系物理においては多数の原子からなるモノを相手取ることとなり、その理論的解明は非常にチャレンジングと言えます。 我々は対称性の技法と応答のミクロな計算を組み合わせることによって、これに挑戦しています。 具体的なテーマを以下に示しています（クリックすると詳細が表示されます）。学生の方にむけた研究紹介については → こちら========工事中=======
量子秩序が絡む光学的性質の解明
完全な導電性と反磁性を併せ持つ量子相、超伝導は物性物理分野における一大トピックです。
超伝導相に特有なクーパー対の凝縮は直流応答のみならず、光学応答においても特異な応答をもたらすことが分かっています。
この点について、線形光学応答あるいはHiggsモードのような集団励起を介した非線形光学応答などが実験・理論の両面から研究されています。
光学応答として非常に注目を集めているのが、高調波発生や光整流応答といった、非相反光学応答です。
この非相反な光学応答が超伝導性とどのように相関するか？、は非常に興味深いテーマと言えます。
我々は超伝導体のミクロ理論に立脚したアプローチから、非相反な対称性の破れを持つ超伝導体における特異な非線形光学現象を予言しました。
我々が発見したメカニズムにおいては、従来的なものとは対照的に、準粒子の生成を必要としないうえ、低周波極限において発散的な応答を示します。
このメカニズムを利用することで、低散逸な非線形光学素子の創成が見込まれます。
また、このメカニズムは電子の多バンド効果、いわゆる量子幾何と大きく相関しており、例えば超伝導状態のトポロジカル転移の解明にも応用できるなど、基礎研究としても高いポテンシャルを秘めています。
関連論文：
PRB(2022),
PRB Letter(2022),
PRB(2023),
PRB(2024).
スピン自由度を活用するエレクトロニクス、いわゆるスピントロニクス分野における一つのキーワードにスピン自由度を活用した電荷輸送現象があります（代表例：巨大磁気抵抗効果）。
特に、スピンが原子スケールで互い違いに配位した反強磁性体を活用する場合には、反強秩序下スピンの高速なダイナミクスを活用することで、テラヘルツ帯の光周波数の変換あるいは次世代型のコンピューティング応用などを狙う事ができます。
特に最近では、伝導性と反強磁性を併せ持つ物質が多数報告されており、今後も大きく発展の見込まれるトピックと言えます。
私たちは磁性によって反転対称性が破れる奇パリティの反強磁性体に着目しました。
この系においては電場や電流と磁性の揺らぎ（マグノン）が強くカップルするため、非自明なスピン・電荷輸送現象が発現します。
電場によって誘起された磁性の揺らぎは創発的な場として電子系に作用し、整流効果などの光学応答を増強・変調することを明らかにしました。
関連論文：
PRB(2024),
PRB(2024),
PRB(2025).
役立つ反強磁性体の開拓
我々の身の周りには磁気を利用したモノが沢山あります。
磁石はその最たる例であり、その発見は紀元前にまで遡ることができます。
一方、原子レベルでミクロな「磁石」が互い違いに並んだ反強磁性体は磁気を帯びておらず、その秩序の存在を確かめることは容易ではありません。
実際、反強磁性の実験観測は、中性子回折などミクロな磁気に敏感な測定手法の開発（20世紀初頭！）を待たねばなりませんでした。
このように一見して役に立たなさそうな反強磁性体ですが、原子配列と磁気秩序が上手くカップルすると電気磁気効果といった様々な応答が現れることが分かってきました。
特に電気磁気効果の解釈においては磁気多極子の活用が提案されていました（参考論文）。
これは、反強磁性を単に補償されたスピンの秩序と考えるのではなく、原子配列との結合を通じて一様な秩序パラメタを獲得した状態とみなす、という発想です。
例えば、電気磁気効果を示す典型的物質としてのクロム酸化物 Cr$_2$O$_3$ では反強磁性がマクロな磁気単極子（ランク0の多極子）を誘起します。
私たちはこの考えを拡張し、多極子（電磁気多極子）と表現論の手法を組み合わせ、マクロな電磁気異方性を体系的に分類しました。
これにより、強誘電秩序や強磁性秩序などの強的秩序だけでなく、反強秩序によって創発されるマクロな対称性の破れを統一的に扱うことが可能となります。
更に私たちは、反強磁性スピントロニクス分野の発展に触発され、実空間の電磁気異方性（多極子自由度）が電子のバンド構造などの波数空間の自由度にどのような影響を及ぼすか、という問題にも取り組みました。
興味深いことに、秩序が空間反転対称性を破る奇パリティ多極子が発現する場合、実空間の異方性とは対照的な波数空間上の非対称な構造が現れます。
これは波数などダイナミクスに関連した自由度の時間反転操作に対する奇パリティ性に由来します。
これまでの研究では特に空間反転操作に対してパリティ奇な奇パリティ多極子を重点的に調べてきました。
特に、私たちが興味を持って取り組んでいる、磁気秩序により反転対称性が破れる系（奇パリティ磁気多極子系、odd-parity magnetic multipolar system）では、空間反転および時間反転対称が失われる一方で、これら操作を結合した時空間反転に関する対称（$\mathcal{PT}$ symmetry）は保たれます。
時空間反転対称性は一様な磁化や強誘電などの構造の非対称を禁制するため、奇パリティ磁気多極子系はある意味対称性のよい状態といえます。
一方で、従来知られた構造的な非対称を記述する多極子（奇パリティ電気多極子、典型例がランク１の多極子としての電気分極）は時空間反転対称を破る一方で、時間反転対称性を有しています。
この時間反転/時空間反転対称性の双対関係は、奇パリティ多極子系の物性開拓に非常に有用であることが我々の一連の研究から明らかとなっています。
関連論文：
PRB(2017),
PRB(2018),
PRB Letter(2018).
強誘電体のような反転対称性の破れた物質はしばしば電気と弾性の線形に相関する応答（圧電応答）を示します。
これはトランスデューサの動作原理として機能し、私たちの身の回りのデバイス（スマホなど）に応用されています。
我々はそのような電気と線形の交差相関が磁性によって発現することを見出しました。
興味深いことに、この応答は磁気的パリティ破れに駆動されるため、強誘電体で見られるような構造の非対称よりはむしろ電子の励起構造（バンド構造）の非対称に起因します。
ここで、このバンド構造の非対称性と結合するのは電場ではなく電流（電子の流れ）です。
我々はミクロな解析から、磁性を介した電流に対する歪み応答、いわば磁気圧電応答（magnetopiezoelectric response）を理論的に予言しました。
理論提案から間もなく塩見研究室（東京大学）による実証実験が行われ、理論と良く整合する結果が得られています。
これまで非磁性の絶縁体に限られてきた圧電現象の舞台は磁性体・伝導体という全く非従来的な系を含む形で拡大し、更なる展開を見せていくものと期待されます。
関連論文：
PRB(2017)
（実験観測
PRL(2019),
PRB(2019),
SciRep(2020)
）
スピンは電子などの素粒子が持つミクロな磁気として扱われていますが、より厳密にはローレンツ不変性を量子力学に課すことで自然に現れる相対論的な概念です。
最近の物性物理ではこのスピンを活用する動きが非常に盛んですが、そこでは電子の流れ（軌道運動）とスピンと結びつける スピン軌道相互作用が重要と考えられています。
一方で、スピンの秩序化を簡便に記述するハイゼンベルクモデルなど、スピン軌道相互作用の存在を仮定しない取り扱いも存在します。
この文脈において、スピン空間群（spin space group）がBrinkmanとElliottによって提唱されました（
参考論文１、
参考論文２
）。
これは、スピン軌道相互作用を仮定しない場合にはスピン秩序系の対称性は如何なるものか？、という問いに基づいています。
実際、スピン軌道相互作用よりはスピンを担う電子のあいだの強いクーロン相互作用がスピンの秩序化のカギとなることから、特に軽元素のようにスピン軌道結合の弱い物質においてはスピン軌道相互作用を無視した近似的な解析も一定の意味を持ちます。
Brinkman、Elliottらの研究はマグノン分散に関するものでしたが、最近では多極子あるいはaltermagnetと呼ばれる一連の磁性体を題材とした、より広い電子物性の文脈から研究がなされています（
参考論文１、
参考論文２、
参考論文３、
参考論文４、
参考論文５
）。
実際、スピン秩序に伴う自発的な対称性の破れが原子配列とうまくかみ合うことで電子の運動量とスピンの間にクーロン相互作用に由来した非常に大きな結合が現れることが分かり、爆発的な研究の広がりを見せています。
私たちはこのスピン軌道相互作用を必要としない磁性体中の創発物性を解明するための対称性の枠組みを提案しました。
解析においてはスピン空間群やスピン点群などからなるスピン結晶群（spin crystallographic group）が強力なツールとなります。
この対称性ツールを活用すると、スピン秩序に誘起されるスピン・運動量結合構造だけでなく、電場とスピン流の結合やスピンの幾何的構造に由来した異常ホール効果（いわゆるトポロジカルホール効果）など、相対論的なスピン軌道相互作用を本質的に必要としない物性を対称性の解析だけから更に深掘りすることができます。
従来的な対称性を用いた解析が、例えば「応答があるか、無いか」といった、ゼロor非ゼロの判定に限定されていた事を踏まえると、対称性だけから応答の起源を推測できる点において非常に驚くべき結果といえます。
私たちは、これまでのスピン軌道相互作用を仮定した多極子自由度に基づく解析をスピン結晶群を用いた解析へと拡張することで、スピン秩序が創発する多極子自由度とその特徴的な物性を提案しました。
FeやMnなど、比較的スピン軌道結合の小さい元素を活かしたスピントロニクス研究への応用など、将来的な広がりも十分に期待されます。
関連論文：
PRB(2024),
ActaCryst.A(2024),
解説記事(2025),
PRL(2025),
Review(2025)
隠れた秩序の見える化
ある種の反強磁性体においては磁気的パリティ破れという特異なタイプの対称性の破れが生じます。
ここで発現する反強磁性状態はその時空間反転対称性のために磁化や非対称なイオン変位などを示さないことが分かっています（参考：研究トピック「役立つ反強磁性体の開拓」）。
このような秩序の「対称性のよさ」は秩序の制御や活用などの観点から好ましくないとも言えます。
私たちはこのような時空間反転対称な磁性状態を可視化する手立てとして非相反な電気応答を提案しました。
ここで非相反性とは、外場をかける方向を180°変えても応答が変化しないこと、を意味します。
多極子自由度に基づく解析によれば、時空間反転対称な磁気秩序としての奇パリティ磁気多極子秩序は非対称な電子バンド構造といった波数空間の非対称を形成します。
この非対称性を利用すると、DC電場（AC電場）下における非相反な電流応答、すなわち（光）ダイオード的応答を実現できます。
ダイオード応答の整流方向は反強磁性秩序の「向き」に依存することから、非相反電流応答から秩序状態を読み取る事が可能となります。
この整流応答は、p/n半導体の接合やBaTiO$_3$のバルクで見られる非相反電流生成機構では説明できない、新奇な応答といえます。
例えば、円偏波した光の照射下ではシフト電流のようなトポロジカルな整流応答が得られることを理論的に指摘しました。
提案する可視化方法は反強磁性デバイス応用において重要な役割を果たすものと期待されます。
関連論文：
PRR(2020),
PRX(2021),
PRB(2021).
代表的な秩序としての強磁性と強誘電の特徴づけるのはそれぞれ磁化と電気分極、すなわちベクトル量です。
これらのベクトルは空間反転あるいは時間反転に対して異なるパリティを示し、それゆえに対照的な物性をもたらします。
最近の研究においては、他のベクトル量としての磁気トロイダルあるいは電気トロイダルに起因した物性が考えられています（参考論文）。
これらトロイダルベクトルは、直感的には磁化あるいは電気分極の回転的分布として捉えることができます。
回転作用（$\nabla \times $、rot）のために、トロイダルベクトルと元のベクトルは空間反転操作に対する偶奇が異なります。
つまり、軸性ベクトルとしての磁化（$\boldsymbol{M}$）がパリティ偶である一方、磁気トロイダル（$\nabla \times \boldsymbol{M}$）はパリティ奇（極性ベクトル）です。
同様に、パリティ奇の電気分極（$\boldsymbol{P}$）に対し、パリティ偶の電気トロイダル（$\nabla \times \boldsymbol{P}$）が得られます。
ここでは特に、電気トロイダルの一様な秩序である軸性秩序（ferroaxial order）（あるいは回転秩序、ferro-rotational order とも）に着目します。
この軸性秩序は空間反転対称も時間反転対称性も破らない「対称性の良いベクトル秩序」であるため、Kerr顕微鏡などのような従来的な測定手法では可視化することが困難でした。
しかし最近の実験研究により、ラマン円偏光活性（Raman optical activity）が活用できることがわかってきました。
ここでラマン散乱応答とは、フォノンなどの系の素励起により若干の周波数シフトを受けた光の量子力学的な散乱過程を指します。
線形光学応答における光学活性（物質を透過する光の屈折率が光の円偏波に応じて変化する現象）と類似して、ラマン円偏光活性においては散乱される光強度が円偏波に依存します。
このようなラマン円偏光活性はカイラリティ（掌性）を持つ系において既に発見されていましたが、軸性秩序系のラマン円偏光活性はカイラリティなしに実現されるうえ、非常に巨大な活性を示します。
私たちは東京科学大学や東京大学の実験グループと協力し、この新奇なラマン円偏光活性を解明しました。
従来知られたカイラリティをもつ系のラマン円偏光活性ではフォノンバンドのラシュバ分裂に似た縮退の解消が重要とされていましたが、軸性秩序系では時空間反転対称性のためにフォノンモードの分裂は見られません。
しかしラマン散乱過程においては、フォノンバンドだけではなく、電子とフォノンのあいだの相互作用も重要な要素となります。
ミクロなハミルトニアンに立脚した非線形光学応答の解析によると、軸性秩序下にある電子系は回転に関する向き付けを持ち、縮退したフォノンモードそれぞれが持つ回転自由度と選択的に結合します。
この選択的結合により実現するラマン円偏光活性度は、軸性秩序の向き、すなわち電子系の回転的向き付けに依存しますから、軸性秩序状態に依存したラマン円偏光活性シグナルの観測事実とも符合します。
このように私たちは既存の実験事実の理論解釈を与えることに成功しましたが、更なる秩序相の可視化可能性として軸性多極子がもたらすラマン円偏光活性も予言しました（続く）。
関連論文：
PRB(2025),
arXiv(2025),
arXiv(2025).
論文・出版物
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Symmetry analysis of cross-circular and parallel-circular Raman optical activity
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工事中 -
Multiferroic Collinear Antiferromagnets with Hidden Altermagnetic Spin Splitting
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工事中 -
Nonlinear Hall effect driven by spin-charge-coupled motive force
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工事中 -
Gapped nodal planes and large topological Nernst effect in the chiral lattice antiferromagnet CoNb$_3$S$_6$
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工事中 -
スピン空間群による磁性体の創発的応答の解明
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(Review) Magnetic parity violation and parity-time-reversal-symmetric magnets
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工事中 -
Nonlinear optical responses in superconductors under magnetic fields: quantum geometry and topological superconductivity
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工事中 -
Effect of collective spin excitation on electronic transport in topological spin texture
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工事中 -
Generalized Pitaevskii relation between rectifying and linear responses: its application to reciprocal magnetization induction
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工事中 -
Symmetry analysis with spin crystallographic groups: Disentangling effects free of spin-orbit coupling in emergent electromagnetism
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工事中 -
Bulk photovoltaic effect in antiferromagnet: Role of collective spin dynamics
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工事中 -
Algorithm for spin symmetry operation search
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工事中 -
Nonlinear optical responses in noncentrosymmetric superconductors
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工事中 -
Emergent Magneto-multipoles and Nonlinear Responses of a Magnetic Hopfion
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工事中 -
Effects of relaxation on photovoltaic effect and possibility of photocurrent within transparent region
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工事中 -
Does the Ferroaxial Order Matter?
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Polarization-controlled tunable directional spin-driven photocurrents in a magnetic metamaterial with threefold rotational symmetry
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工事中 -
Nonreciprocal Meissner Response in Parity-Mixed Superconductors
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工事中 -
Nonreciprocal optical response in parity-breaking superconductors
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研究室の先輩である大同暁人さんに超伝導の基礎からレクチャーしていただきながら作り上げた論文。これまでにも日本の研究者をはじめとした、超伝導体の非相反な応答の理論研究は為されていたものの、基本的には直流応答が研究されていた。特に秩序が十分に成長した低温領域において、超伝導の超流動性と非相反光学応答がどのように相関するのか、という点は興味深い問題である。数値計算をすると、準粒子励起がないにもかかわらず、入射光の低周波極限において発散的な応答が得られた。はじめはバグだろうかと思っていたが、大同さんと一緒に手計算を進めていくと、むしろ超伝導性に由来した興味深い結果であると分かった。今まで大変お世話になっていた先輩と共同研究ができたという点で大変嬉しい成果であった。 -
Superconducting piezoelectric effect
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工事中 -
Photocurrent response in parity-time symmetric current-ordered states
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工事中 -
Chiral Photocurrent in Parity-Violating Magnet and Enhanced Response in Topological Antiferromagnet
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工事中 -
奇パリティ多極子相の分類学と電磁応答・超伝導 (拡張多極子が拓くスピン軌道物性の新展開特集号)
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Nonlinear electric transport in odd-parity magnetic multipole systems: Application to Mn-based compounds
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工事中 -
Bond Directional Anapole Order in a Spin-Orbit Coupled Mott Insulator Sr$_2$(Ir$_{1-x}$Rh$_x$)O$_4$
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工事中 -
Enhanced Magnetopiezoelectric Effect at N'eel temperature in CaMn$_2$Bi$_2$
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工事中 -
Observation of a Magnetopiezoelectric Effect in the Antiferromagnetic Metal EuMnBi$_2$
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工事中 -
Symmetry analysis of current-induced switching of antiferromagnets
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工事中 -
Group-theoretical classification of multipole order: Emergent responses and candidate materials
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工事中 -
多極子秩序系の群論的分類 ―秩序が創発する応答への応用―
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Theory of orbital magnetic quadrupole moment and magnetoelectric susceptibility
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工事中 -
Magnetic hexadecapole order and magnetopiezoelectric metal state in Ba$_{1-x}$K$_x$Mn$_2$As$_2$
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工事中
Curriculum Vitae
職歴
- 2025-
北海道大学 工学研究院 応用物理学部門 物性物理工学グループ 准教授 - 2024–2025
東京大学 理学系研究科 物理学専攻 有田亮太郎研究室 助教 - 2022–2024
東京大学 先端科学技術研究センター 計算物質分野 有田亮太郎研究室 助教 - 2022.05–2022.09
東京大学 先端科学技術研究センター 計算物質分野 有田亮太郎研究室 特任助教 - 2021–2022
理化学研究所 創発物性センター 強相関理論研究グループ（永長直人ディレクター） 学振特別研究員（独立行政法人日本学術振興会） - 2018–2021
京都大学 大学院理学研究科 物理学・宇宙物理学専攻 凝縮系理論グループ（栁瀬陽一教授） 学振特別研究員DC1（独立行政法人日本学術振興会）
学歴
- 2018-2021
京都大学 大学院理学研究科 物理学・宇宙物理学専攻 凝縮系理論グループ（栁瀬陽一教授） 博士後期課程
博士学位論文「時空間反転対称な磁性体における非線形電流生成の理論的研究」（理博第4668号, 2021.03.23取得） - 2016-2018
京都大学 大学院理学研究科 物理学・宇宙物理学専攻 凝縮系理論グループ（栁瀬陽一教授） 博士前期課程 - 2015-2016
大阪大学 理学部 物理学専攻 量子多体制御グループ（小林研介教授） 学士課程 - 2012-2016
大阪大学 理学部 物理学専攻
リンク
Contact
- Email: hikaru-watanabe[at]eng.hokudai.ac.jp
- Office: 北海道大学工学部A棟 A2-20
- Address: 〒060-8628 札幌市北区北13条西8丁目