研究身边的物质，创造具有新性能的材料，会催生出让社会生活更加便利的产品。考察物质性质、探索新物质的学科被称为“物性物理学”。近年来，随着“拓扑学”概念的导入，该领域的研究日益活跃。理化学研究所创发物性科学研究中心ECL研究单元负责人藤代有绘子，正通过研究利用拓扑几何学性质的电子特性，致力于开发新一代材料。
上小学前就立志成为一名研究者
不为浪漫而是为了“让生活更美好”
我们日常接触到的各种物质，都是由无数原子和分子聚集而成的。每种物质的性质，都深受原子或分子中电子运动的影响。例如，铁、金、银等金属中，有许多可以自由移动的电子，因此它们的导电与热传导率都很高。相反，橡胶和玻璃中没有可自由运动的电子，因此成为不导电的绝缘体。此外，根据不同的条件时而能导电，时而又不能导电的物质被称为半导体。
半导体是我们的智能手机、电脑等日常用品中不可或缺的存在。除此之外，LED/DVD、液晶屏、太阳能电池板等，都是通过物性物理学的研究创造出来的产品。
理化学研究所ECL研究单元负责人藤代有绘子也在挑战开发具有新功能的物质。特别是在利用拓扑理论研究固体中电子行为与性质的前沿领域，取得了令人瞩目的成果。藤代受从事计算机科学研究的父母影响，上小学前就立志成为研究者。她回忆道“小时候，我觉得科学代表着梦想和浪漫，后来在大学课堂上，我了解到借助科学改善人类生活的前辈研究者，于是我决定主修物性物理学。”
磁性涡旋“斯格明子”
有望用于信息存储等领域
物质中的电子群体，有时会表现出超出现有电磁学解释的行为。其中之一就是被称为“斯格明子”的结构。电子具有一种叫作“自旋”的性质，这与物质的磁性密切相关。多数物质的自旋方向杂乱无序，因此不具磁性；而磁铁等少数物质中，自旋方向统一排列，因而具有磁性。
斯格明子是由物质中数千个电子聚集而成的、自旋方向呈漩涡状排列的状态。当斯格明子形成时，会在物质内部产生只有运动电子才能感受到的磁场，展现出既不同于磁性相、又不同于非磁性相的新型物质状态。
斯格明子最初是核物理学中的一种粒子模型，后来在物性物理学中受到关注。2009年，科学家首次在物质中确认了斯格明子的存在。此后，三位物理学家因以拓扑理论阐明相变机制而于2016年获得诺贝尔物理学奖，这使拓扑物质的研究在全球范围内迅速发展。
其中，以斯格明子为代表的拓扑磁性结构，与电子结合，从而在固体中产生被“涌现磁场”的虚拟实效磁场，对电子运动产生巨大影响。阐明这一机制并控制电子运动，已成为各类电子器件基础中的重要题目，被期待能够推动下一代存储介质、节能装置，以及传统设备的超微型化。
被“相变”所吸引的学生时代
发现世界上最高密度的自旋结构
藤代利用超高压与强磁场等极端条件，研究拓扑磁性结构在相变过程中所产生的未知电子性质。她的代表成果之一，是成功合成了兼具斯格明子结构的拓扑物质“锰硅（MnSi）”与具有刺球状自旋结构、被称为“刺猬”的拓扑物质“锰锗（MnGe）”的固溶体MnSi 1 -XGeX（见图1）。
图1：MnGe中的拓扑磁性结构（刺猬与反刺猬）及其对电子产生的虚拟磁场分布。MnGe中存在的磁单极子与反磁单极子可在固体中产生高达40特斯拉的巨大虚拟磁场，其磁场的大幅波动会显著影响电子的运动。
藤代表示自己从学生时代起就被“相变”的魅力所吸引，有一天她突然产生了一个疑问：MnSi与MnGe之间的固溶体会形成怎样的结构呢？也就是说，如果将锰、锗、硅混合，会形成怎样的拓扑磁性结构呢。
为此，藤代制作了多份锗与硅比例不同的样品，并反复开展实验。由于在常压下锗与硅难以充分混合，她施加了约6万大气压的压力，同时将样品加热至数百摄氏度（图2）。最终，在制得的物质中，她发现了新的拓扑磁性结构，并且揭示了斯格明子结构向涌现磁单极子结构转变的过程。
图2：制备拓扑物质时使用的压力机。可在加压加热下达到最高8万大气压、1400℃。
“这种结构是当时世界上最高密度的自旋结构，能在物质中产生更强磁场。能凭自己之力首次创造出新事物，让我获得了极大的自信。”她坚定地说道。
打破“难以破坏的结构”获得成果
为高效利用废热装置开辟道路
拓扑结构一旦形成，通常具有极高的稳定性，要破坏它需要耗费巨大的能量。这就好比要将固态的冰融化成水，就必须对其进行加热才行。藤代在研究中，对拓扑物质MnGe施加强磁场破坏其自旋结构，观察会出现的情况。结果发现，在这个过程中产生了巨大的磁波动，这使得热电转换效率（也就是将热能转化为电能的效率）比普通金属化合物高出了一个数量级。“别人越说‘这种结构不容易被破坏’，我就越想尝试破坏一番，没想到还真有了意想不到的发现。”藤代笑着说道。
我们在日常生活中会消耗电能等各种各样的能量。另一方面，电能并不能全部转化为有效功，其中一部分会像家电在运行中发热一样白白浪费掉。藤代所发现的拓扑磁性结构中蕴含的巨大热电效应，作为一种全新的高效热电转换原理，有望被应用于能够充分利用废热的装置中。
凭借这些成果，藤代于2025年获得了第4届“展翅女性研究者奖（玛丽亚·斯克沃多夫斯卡-居里奖）”最优秀奖（图3）。她欣喜地表示：“获知自己得奖时我非常惊喜。未来将继续拓展国际科研合作网络，并希望借此契机让更多人了解物性物理学的魅力。”
图3：藤代（右）从高圆宫妃殿下手中接过奖杯。（供图：波兰驻日大使馆）
在超高压环境中探索物性
创造超越常识的新物质
目前，藤代正在挑战在包括超高压在内的极端环境下创造具有新特性的物质（图4）。其中最感兴趣的是“超导体”。超导现象指的是电阻降为零的状态，自1911年在汞中被发现以来便一直是研究的热点。然而，超高压下物质的物性仍有许多未知领域。仅藤代的研究中，就观测到了多个发生状态转变的相变现象。今后，她计划继续研究迄今所掌握的拓扑自旋结构，并进一步探索新的超导物质。
图4 实验中合成的物质的照片。藤代表示，拓扑物质也被称为“物质中的基本粒子”，想到其中可能蕴含着一个微观宇宙，就让人心潮澎湃。
以往，物质研究大多聚焦于我们日常所处的常压环境，然而，仅在这种条件下探寻新物质已逐渐接近极限。“我们生活在地球表面，自然而然地认为1个大气压是常态，但对于物质而言，或许在不同环境下才能充分展现出其真正的潜力。我希望能突破常识的束缚，去发现更多有趣的新物质。”她满怀憧憬地说道。
藤代表示，她对向孩子们传递科学乐趣的活动感兴趣。“当我询问同事们为何立志成为研究者时，很多人提及小学一二年级时的经历。我希望能多与这个年龄段的孩子接触，激发他们对科学的兴趣，为他们营造一个能够轻松以研究者为目标的氛围。”藤代对科普推广活动表现出积极兴趣。从拓扑学出发开拓物性物理新领域的藤代，未来将如何继续展翅前行，着实令人期待。（TEXT：荒舩良孝、PHOTO：岛本绘梨佳）
原文：JSTnews 2025年10月号
翻译：JST客观日本编辑部
