論文賞・若手奨励賞

第21 回(2016年)論文賞授賞論文
21st Outstanding Paper Award of the Physical Society of Japan

本年度の日本物理学会第21回論文賞は論文賞選考委員会の推薦に基づき、本年2月20日に開催された第594回理事会において次の5編の論文に対して与えられました。

Each year, in recognition of important achievements towards the progress of physics, the Physical Society of Japan selects outstanding papers among original research articles published in the Journal of the Physical Society of Japan, Progress of Theoretical Physics, and Progress of Theoretical and Experimental Physics.
The selection committee has chosen the following five papers for the 2016 award from 25 nominations (18 papers) made by the editors of the two journals and representatives of the 19 divisions of the society.



​初田選考委員会委員長による選考経過報告 藤井会長より表彰状を授与される受賞者

初田選考委員会委員長による選考経過報告  藤井会長より表彰状を授与される受賞者

論文題目
Title of Article
Metal–Insulator Transitions in Pyrochlore Oxides Ln2Ir2O7
掲載誌
Journal
J. Phys. Soc. Jpn. 80, 094701 (2011)
著者氏名
Authors
Kazuyuki Matsuhira, Makoto Wakeshima, Yukio Hinatsu, and Seishi Takagi
授賞理由
Citation
  電子相関と強いスピン軌道相互作用の競合・協奏による多彩な電子相の出現は,近年の凝縮系物理学におけるひとつの大きな主題であり,強相関電子物性分野だけでなく,量子輸送やいわゆるトポロジカル相の物理など,幅広い物性分野の研究者から注目を集めている。本論文は,そのような研究の礎のひとつを築いたものである。
  著者らは本論文に先立ち,パイロクロア形イリジウム酸化物Ln2Ir2O7(Lnは希土類元素)の温度変化に伴って金属絶縁体転移が起こる例を見出していたが,本論文ではさらに系統的に希土類元素依存性を調べ,その結果を希土類金属のイオン半径をパラメータとする電子相図にまとめて報告した。このいわゆる“松平”相図は主に理論家によって,電子相関と強いスピン軌道相互作用と競合の問題として捉え直され,トポロジカルモット絶縁体や磁性により時間反転対称性を破ることによって生じるワイル半金属状態といった,エキゾチックな電子相の予言につながることとなった。こうしてパイロクロア形イリジウム酸化物を舞台とした物性研究が,世界的に活発に進められるようになった。
  このように、本論文は精緻な実験と物理的な理解を進めるデータ解析により,理論と実験の両方を刺激して新しい電子相研究の基盤となったものであり,日本物理学会論文賞にふさわしい業績であると認められる。

 The competitive or concerted effect of electron correlation and spin-orbit interaction is an important subject in condensed matter physics. It is drawing the attention of researchers in various fields, including strongly correlated electrons, quantum transport, and the physics of topological phases. This paper provides a basis for research on this subject.
 The authors reported in their preceding paper that some pyrochlore iridates Ln2Ir2O7 (Ln: lanthanide) exhibit a metal–insulator transition with changes in temperature. They systematically investigated the dependence on Ln and summarized their results in a phase diagram with respect to the ionic radius of the Ln ions. The physics of the Matsuhira phase diagram was later understood by theorists as the competition between the electron correlation and spin-orbit interaction, which led to the prediction of exotic electronic phases such as topological Mott insulators and Weyl semimetals caused by the violation of time-reversal symmetry by magnetism. After that, the material properties of pyrochlore iridates were studied actively across the world.
 The paper provided an important basis for research on the emergent electronic phases and motivated both theoretical and experimental studies with elaborate experiments and data analysis useful for physical understanding. Hence, we conclude that it deserves the Outstanding Paper Award of the Physical Society of Japan.
論文題目
Title of Article
SmB6: A Promising Candidate for a Topological Insulator
掲載誌
Journal
J. Phys. Soc. Jpn. 80, 123710 (2011)
著者氏名
Author
Tetsuya Takimoto
授賞理由
Citation
  SmB6は電子相関の強い近藤絶縁体と呼ばれる物質の例として古くから知られている。トポロジカル絶縁体概念の出現以降、SmB6が同時にトポロジカル絶縁体になっているのではないか、すなわち多体効果によって有限なトポロジカル数が付与されているのではないか、という予想がなされていた。本論文で著者は、第2近接までの影響を取り入れた強束縛近似(周期アンダーソン模型)をバンド計算結果を再現するように構成し、強相関効果を取り入れる信頼度の高い理論モデルを開発し、これに基づいてZ2トポロジカル数を計算して、これが1であってトポロジカル絶縁体になっているということを示した。
  この論文は、近藤絶縁体について初めて具体的にトポロジカル数を計算したものであり、更にトポロジカル絶縁体の一般的性質である金属的な伝導を持つ表面状態の存在を示し、実験で長い間謎とされてきた低温での残留伝導度およびその磁場応答について理論的な説明を与えた。この論文の結果は、その後多くのより簡便な理論モデル開発の基礎となった。この論文が動機となって詳細な低温電気伝導の実験、また角度分解光電子分光の実験などが行われ、結果の物理的な正しさが証明されるに至っている。電子相関の強いトポロジカル絶縁体の問題は、固体物理の重要な問題として今後ますます深い理解が求められ、本論文の注目度も高くなると予想される。
  以上のように、本論文は長年の実験的な問題、理論的な問題の双方に解決を与え、多くの新たな研究の動機付けとなっており、日本物理学会論文賞に相応しいものである。

 SmB6 is known to be a Kondo insulator, in which the quantum correlation effect plays an important role in forming the electronic structure. After the discovery of topological insulators, it was conjectured that SmB6 is also a topological insulator, that is, the correlation effect causes the system to have a finite topological number. In the present paper, the author calculated the Z2 topological number for SmB6 to be 1, showing that SmB6 is a topological insulator. For the calculation, he developed a highly reliable theoretical model that reproduces the result of band calculation and considers the effect of second-nearest neighbor sites ina tight-binding approximation (a periodic Anderson model) as well as the correlation effect.
 The paper provided not only the first calculation of the topological number in a Kondo insulator but also reasonable answers to longstanding questions regarding low-temperature residual conductance and the response to the magnetic field with the existence of surface metallic states, which is a common property of topological insulators. It presented a theoretical basis for many subsequent theoretical works and motivated detailed experiments on low-temperature transport and angle-resolved photoemission spectroscopy, which proved the consequences of the theory. The topological aspects of strongly correlated systems are becoming increasingly important in condensed matter physics, and the paper should attract further attention from researchers.
 The paper resolved important experimental and theoretical problems of the Kondo insulator and stimulated further works in the field. Hence, we conclude that it deserves the Outstanding Paper Award of the Physical Society of Japan.
論文題目
Title of Article
Superconductivity Induced by Bond Breaking in the Triangular Lattice of IrTe2
掲載誌
Journal
J. Phys. Soc. Jpn. 81, 053701 (2012)
著者氏名
Authors
Sunseng Pyon, Kazutaka Kudo, and Minoru Nohara
授賞理由
Citation
  近年の超伝導研究は、電子格子相互作用に基づくBCSメカニズムを越える新たなメカニズムの探求に多くのエネルギーが割かれてきた。銅酸化物の高温超伝導は、その典型例である。しかしながらフォノン以外のメカニズムについては、多くの理論的提案があるものの、実験的確証が得られたものは少ない。
  本論文は、層状遷移金属化合物IrTe2に僅か3.5%のPtをドープすることで超伝導が発現することを報じたものである。IrTe2は高温でIr-Irの2量体形成を伴う特異な構造相転移を示すことが知られていたが、著者らはPt置換によってIr-Ir化学結合を切断することで、超伝導を発現させた。電子を局在させる何らかの秩序状態を抑制することで、超伝導が発現する仕組みは、多くのエキゾチック超伝導体に共通するものであり、“量子臨界点近傍”の量子揺らぎを媒介としたクーパー対形成がなされると考えられている。この考えに基づけば、Irの軌道秩序による構造相転移が消失したときに出現した本物質の超伝導は、軌道揺らぎを媒介としたものである可能性がある。新しい超伝導メカニズムの可能性を示唆した論文として、その価値は高く評価できる。
  その他、化学結合の切断によって超伝導化するという物質設計指針を示した点、広い5pバンドを有するテルル化物は単純な金属になるという従来の常識を覆し、重遷移金属の5dバンドとの混成による新たな物性開拓の可能性を示した点など、本論文は後の研究に大きな影響を与えたものであり、日本物理学会論文賞に相応しい業績と認められる。

 In the field of superconductivity, considerable effort has been devoted to research new mechanisms beyond the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theory, where electron-phonon interactions play a major role in the Cooper pairing. A typical example is high-temperature superconductivity in copper oxides. In spite of many theoretical proposals, few new mechanisms have been experimentally confirmed.
 In this paper, the authors reported that a layered transition-metal dichalcogenide IrTe2 exhibits superconductivity by only 3.5% Pt substitution. It was previously known that IrTe2 exhibits an unusual structural transition accompanied by Ir-Ir bond formation at 250 K. The authors successfully obtained superconductivity by breaking this Ir-Ir bond by Pt substitution. In many exotic superconductors, superconductivity occurs when some order that causes electron localization is suppressed. This suggests that quantum fluctuation near a “quantum critical point” acts as a glue for Cooper pairing. In this context, there is a possibility that the superconductivity in (Ir,Pt)Te2, which is induced by suppressing the structural phase transition related to Ir-orbital ordering, is mediated by orbital fluctuations. This work, suggesting a new superconductivity mechanism, is highly appreciated.
 Other contributions of this study are (i) to indicate a new strategy of material design (creating superconductivity by chemical bond breaking), (ii) to refute the established idea that Te-compounds with a wide 5p band should be simple metals, and (iii) to discover a route to explore new phenomena and physics resulting from the hybridization of Te 5p and heavy-transition-metal 5d bands. Several studies were strongly motivated and influenced by this work. Hence, we conclude that this paper deserves the Outstanding Paper Award of the Physical Society of Japan.
論文題目
Title of Article
Observation of tau neutrino appearance in the CNGS beam with the OPERA experiment
掲載誌
Journal
Prog. Theor. Exp. Phys. 2014, 101C01 (2014)
著者氏名
Authors
OPERA Collaboration
N. Agafonova, A. Aleksandrov, A. Anokhina, S. Aoki, A. Ariga, T. Ariga, T. Asada, D. Bender, A. Bertolin, C. Bozza, R. Brugnera, A. Buonaura, S. Buontempo, B. Büttner, M. Chernyavsky, A. Chukanov, L. Consiglio, N. D’Ambrosio, G. de Lellis, M. de Serio, P. Del Amo Sanchez, A. Di Crescenzo, D. Di Ferdinando, N. Di Marco, S. Dmitrievski, M. Dracos, D. Duchesneau, S. Dusini, T. Dzhatdoev, J. Ebert, A. Ereditato, R. A. Fini, T. Fukuda, G. Galati, A. Garfagnini, G. Giacomelli, C. Goellnitz, J. Goldberg, Y. Gornushkin, G. Grella, M. Guler, C. Gustavino, C. Hagner, T. Hara, T. Hayakawa, A. Hollnagel, B. Hosseini, H. Ishida, K. Ishiguro, K. Jakovcic, C. Jollet, C. Kamiscioglu, M. Kamiscioglu, T. Katsuragawa, J. Kawada, H. Kawahara, J. H. Kim, S. H. Kim, N. Kitagawa, B. Klicek, K. Kodama, M. Komatsu, U. Kose, I. Kreslo, A. Lauria, J. Lenkeit, A. Ljubicic, A. Longhin, P. Loverre, M. Malenica, A. Malgin, G. Mandrioli, T. Matsuo, V. Matveev, N. Mauri, E. Medinaceli, A. Meregaglia, M. Meyer, S. Mikado, M. Miyanishi, P. Monacelli, M.C. Montesi, K. Morishima, M. T. Muciaccia, N. Naganawa, T. Naka, M. Nakamura, T. Nakano, Y. Nakatsuka, K. Niwa, S. Ogawa, N. Okateva, A. Olshevsky, T. Omura, K. Ozaki, A. Paoloni, B. D. Park, I. G. Park, L. Pasqualini, A. Pastore, L. Patrizii, H. Pessard, C. Pistillo, D. Podgrudkov, N. Polukhina, M. Pozzato, F. Pupilli, M. Roda, T. Roganova, H. Rokujo, G. Rosa, O. Ryazhskaya, O. Sato, A. Schembri, I. Shakiryanova, T. Shchedrina, A. Sheshukov, H. Shibuya, T. Shiraishi, G. Shoziyoev, S. Simone, M. Sioli, C. Sirignano, G. Sirri, M. Spinetti, L. Stanco, N. Starkov, S. M. Stellacci, M. Stipcevic, P. Strolin, S. Takahashi, M. Tenti, F. Terranova, V. Tioukov, S. Tufanli, A. Umemoto, P. Vilain, M. Vladimirov, L. Votano, J. L. Vuilleumier, G. Wilquet, B. Wonsak, C. S. Yoon, I. Yaguchi, M. Yoshimoto, S. Zemskova and A. Zghiche
授賞理由
Citation
  ニュートリノ振動とは、特定のフレーバー(電子型、ミューオン型、タウ型のいずれか)のニュートリノが時間とともに別の種類のニュートリノに周期的に変換する現象をいう。実験のタイプとしては、生成されたフレーバーのニュートリノ数がある距離を飛行した後に減少したことを観測する振動減少実験と、ある距離を飛行した後に別のフレーバーのニュートリノが生じたことを直接観測する振動生成実験がある。本研究論文では、国際共同実験OPERAの振動生成実験により、ミューオンニュートリノビーム中にタウニュートリノが有意な信頼度で生じたことを確立した結果が報告されている。他の振動生成実験としては、ミューオンニュートリノが電子ニュートリノに振動したことを観測した日本のT2K実験があるのみである。
  2015年のノーベル物理学賞の対象は大気ニュートリノや太陽ニュートリノなど自然界からのニュートリノであったが、本研究では加速器で生成したミューオンニュートリノが使用された。欧州ジュネーブにあるCERNのCNGSビームラインを用いてミューオンニュートリノのビームを生成し、それらを732km離れたイタリアのGran Sasso研究所で検出する。それらのデータの中に、過去に発表されたデータを含め、タウニュートリノの存在を示す合計4事象を観測した。これにより、ミューオンニュートリノからタウニュートリノへの振動現象を4.2シグマの統計的信頼度で初めて確立した。この実験における挑戦的課題は、多くのミューオンニュートリノ背景事象から、短い飛行距離しかないタウレプトンを通してタウニュートリノ事象を選別することであった。このため、高い位置精度で短い飛跡も測定できる原子核乾板技術が採用されたが、これは名古屋大学を中心とするグループが長年開発し続けている独創的な実験測定技術であり、これ無くしてはこの実験は実現できなかった。
 以上のように,本論文は、ミューオンニュートリノからタウニュートリノへの振動現象が4.2シグマの信頼度で確立したものであり、素粒子物理学における重要な課題であるニュートリノ質量やニュートリノ振動の解明を進めたものとして、日本物理学会論文賞にふさわしい業績であると認められる。

 Neutrino oscillation is a phenomenon where one type (or “flavor”) of neutrinos oscillate into a different type of neutrinos over time. There are three flavors of neutrinos: electron neutrinos, muon neutrinos, and tau neutrinos. There are two types of measurements: a “disappearance measurement,” in which the change (or decrease) of the number of neutrinos of the original flavor is observed; and an “appearance measurement,” in which the neutrinos of a different flavor are positively observed after neutrino oscillation.
 This 2014 article reported the appearance measurement of tau neutrinos being oscillated from muon neutrinos for the first time with sufficient statistical significance. Appearance measurements are generally difficult; thus far, only one other experiment—the Tokai-to-Kamioka (T2K) experiment—has measured the oscillation from muon neutrinos into electron neutrinos. Although the experimental achievements regarding neutrino oscillation, which received the 2015 Nobel Physics Award, used neutrinos from natural sources such as atmospheric neutrinos or solar neutrinos, this experiment employed accelerator-based neutrinos. The muon neutrino beam produced at the CERN neutrinos to Gran Sasso (CNGS) neutrino beam facility at CERN, Geneva, was provided to the detectors at the Gran Sasso laboratory in Italy, which is located 732 km away from CERN. This experiment is called the “Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA)” experiment. Thus far, the OPERA collaboration has led to the observation of four events of tau neutrinos and the significance of signals with a confidence level of 4.2 sigma. The experimental challenge of the OPERA experiment is to identify a tau lepton that is produced by a tau neutrino with a high confidence level. This is difficult because the tau lepton has a very short lifetime, and therefore, a very short flight path. The OPERA collaboration adopted a novel technique of nuclear emulsion. The group at Nagoya University has a long history of developing nuclear emulsion techniques. The contribution of the group is significant and is leading the OPERA collaboration. Without their contribution, the OPERA experiment would not be conducted successfully.
 In summary, this article reported four events of neutrino oscillation from muon neutrinos into tau neutrinos with a confidence level of 4.2 sigma, providing significant insights in elementary particle physics, including neutrino masses and neutrino mixing. Therefore, we conclude that this article deserves the Outstanding Paper Award of the Physical Society of Japan.
論文題目
Title of Article
The Nature of Primordial Fluctuations from Anisotropic Inflation
掲載誌
Journal
Prog. Theor. Phys. 123, 1041 (2010)
著者氏名
Authors
Masa-aki Watanabe, Sugumi Kanno and Jiro Soda
授賞理由
Citation
  インフレーション宇宙のシナリオは、宇宙の一様性と等方性を説明するものと考えられてきた。近年の宇宙背景輻射の詳細な観測によって、宇宙の晴れ上がり時期の地平線を超えた距離においても宇宙背景輻射の温度揺らぎが相関を持つことが明らかとなり、初期宇宙における加速膨張 (インフレーション)の存在はほぼ確実となった。一方、これまで数多くのインフレーション模型が提唱されているが、観測可能な物理量の数が限られていたため、現在のところ特定の模型が選択されるには至っていない。2008年頃より、本論文の著者達によって、一様だが非等方性が減衰しない非等方インフレーションが可能であることが指摘され、インフラトンとベクトル場が結合した整合的な非等方インフレーション模型が初めて構築された。さらに、インフレーション時に生成されるゆらぎを宇宙背景放射や重力波を用いて観測することにより、インフレーションの背後にある基礎理論についての情報を得る可能性が明らかにされた。
  本論文は、非等方インフレーション模型の観測的予言を定量的に計算した最初の論文であり、非等方インフレーションによりスカラー型・ベクトル型・テンソル型ゆらぎの間の変換、曲率ゆらぎと原始重力波の相関、原始重力波の偏光など、将来観測可能な興味深い効果が生み出されることが予言されている。論文発表後、WMAP 観測に続き、Planck 衛星による CMB 観測でもゆらぎの非等方性を示唆する結果が得られ、非等方インフレーション模型は大きな注目を集めるようになった。本論文は,今後の宇宙背景放射偏光観測や重力波観測によるインフレーション研究におけるマイルストーンとして,今後もその重要性が増すと考えられ、日本物理学会論文賞として相応しい業績である。本論文の発表は2010年で5年以上経過しているが、その重要性は顕著である。

 The inflationary universe scenario is believed to naturally explain the homogeneity and isotropy of the universe. Recent detailed observation of the cosmic microwave radiation background (CMB) revealed correlations among the temperature fluctuations in the CMB beyond the horizon at the time of recombination, which supports the existence of an inflationary period in the early universe. Although many models of inflation have been proposed, it is not easy to determine the correct model, owing to the lack of sufficient physical quantities from observation. In 2008, the authors indicated the possibility of anisotropic inflation, whereby the universe expands anisotropically while maintaining homogeneity. They proposed the first concrete model of a vector field coupled to an inflation field that generates anisotropic inflation self-consistently. They clarified how to obtain information about the theory underlying the inflation from observations of the CMB and gravitational waves.
 In this paper, the authors provided the first quantitative analysis of the nature of primordial fluctuations due to anisotropic inflation. They analyzed the evolution of scalar, vector, and tensor fluctuations and showed the couplings between curvature perturbations, vector waves, and gravitational waves. They derived predictions about the polarization of primordial gravitational waves to be tested in future. After the paper was published, there were reports by the Wilkinson microwave anisotropy probe and Planck satellite observation indicating anisotropy in fluctuations in the CMB, which triggered great attention to the subject among the community. The importance and relevance of the paper will certainly increase the research on inflation through the observation of CMB and gravitational waves in the coming years. Although more than five years have passed since its publication, the significance of the paper is undoubtedly increasing. The paper deserves the Outstanding Paper Award of the Physical Society of Japan.

日本物理学会第21回論文賞授賞論文選考経過報告

日本物理学会第21回論文賞選考委員会*

  本選考委員会は2015年6月の理事会において構成された。日本物理学会論文賞規定に従って、関連委員会等に受賞論文候補の推薦を求め、11月下旬の締め切りまでに、25件18編の論文の推薦を受けた。18編の論文については、原則として選考委員1名と外部委員1名の2名による閲読を依頼したが、選考委員に適任者が見当たらないものについては外部委員2名に閲読を依頼した。
  2016年2月13日の選考委員会では全選考委員が出席し受賞候補論文の選考を進めた。それまでに提出されていた閲読結果に基づき、各論文の業績と物理学における貢献について詳細に検討した。その際、対象論文の発表された時期及び種別について、論文賞規定に記述されている原則と例外規定についても検討がなされた。その結果、上記5編の論文が第21回日本物理学会論文賞にふさわしい受賞候補論文であるとの結論を得て理事会に推薦し、同月の理事会で正式決定された。

*日本物理学会第21回論文賞選考委員会

委員長:初田哲男
副委員長:常行真司
幹事:柴田利明
委員:太田隆夫, 梶田隆章, 勝本信吾, 加藤礼三, 久野良孝, 田口善弘,田島節子, 平野琢也, 細谷裕