In₂O₃:Co の物語
発見・反証・外れた予測 ― 席・価数・欠陥でたどる室温強磁性
はじめに
この本は、Co をドープした In₂O₃（酸化インジウム）という一つの物質をめぐる、20年あまりの研究史を追いかける自学自習用の教材である。対象は、固体物理をこれから本格的に学ぶ大学2年生、および研究室に配属されたばかりの卒研生を想定している。
姉妹本『LaCoO₃ の物語』は、一つの磁化率ピークをめぐって物理の見方が深まっていく、いわば一本道の物語だった。本書の物語は、そう素直ではない。
この本の物語
出発点は魅力的な報告である。光を通す透明な酸化物に、磁性元素をほんの数％入れると、室温で磁石になる。もし本当なら、透明な磁石という、それまで存在しなかった材料が手に入る。
ところが話はそこから曲がっていく。
- ある研究室では強磁性が現れ、別の研究室では現れない（第2章）。
- 磁性の主役は Co なのか、Co が呼び込んだ欠陥電子なのか、決着がつかない（第6章）。
- 著者（佐藤桂輔）らの研究室は、Co の価数を外から動かす方法を見つけた。そこから一つの設計原理が立つ（第7章）。
- その原理にしたがって次の実験を予測した。予測の前半は当たり、後半は外れた（第8章）。
この「外れた」ところが本書の山場である。予測が外れたから研究が失敗したのではない。外れたことで、一つの変数（価数）だけを見ていた設計論が、多くの変数を同時に見る物理へ進んだ。
本書のねらいは、Co:In₂O₃ を「論文の寄せ集め」ではなく、一つの夢のある報告が、疑われ、深められ、そして自分たちの予測を裏切ることで前へ進む物語として理解することにある。論文とは答えを記録するものではなく、次の問いを精密にする装置である。
各章の読み方
各章はおおむね次の型で書かれている。読んだつもりで終わらないよう、毎章で一つ手を動かして考えられるように設計した。
- 章扉の問い ― その章が答えようとする、たった一つの問い。
- 最小限の道具 ― その問いに答えるために必要なものだけを用意する。
- 図を一枚読む ― その章の核になる図を選んで読む。
- 小課題 ― 手を動かして確かめる。解答例は折りたたんである。
- 歴史的位置づけ ― その結果が研究史の中で何を変えたか。
- 三段カード ― その章で言えることを、観測事実・物理的解釈・未検証の仮説に分ける。
最後の三段カードが、本書のいちばん大事な習慣である。この分野の論争が20年続いたのは、この三つが混ざりやすいからだ。読み終えるころには、論文を読むときも自分の実験ノートを書くときも、この三つを自然に分けられるようになっているはずである。
本書で扱う図について
本書に掲載する図は、すべて著者が本書のために新たに描き起こしたものである（論文の図そのものは転載していない）。元になったデータや概念の出典は、各図のキャプションに明示する。このため本書は、図版も含めて自由に再配布・公開できる。
必要な予備知識
- 原子の電子配置（s, p, d 軌道）の初歩
- 温度とエネルギーの関係（\(k_{\mathrm B}T\) がエネルギーのものさしになること）
- 磁場・磁化・磁化率という言葉の意味
- モルと単位換算（wt%、ppm を扱えること）
これら以外は、必要になった時点で本文の中で導入する。
姉妹本との関係
同じ Co:In₂O₃ を扱う姉妹本に『室温強磁性は本物か ― Co:In₂O₃ で学ぶ、証拠と主張の境界』がある。あちらは「不完全な証拠から、どこまで主張してよいか」を第一原理計算と電荷会計で問う本で、本書は「ここまで、どうやって分かってきたか」を実験の歴史でたどる本である。本書で「詳しくは姉妹本」と書いたところは、そちらを参照してほしい。先に読むならこちらでよい。
それでは、一つの魅力的な報告から物語を始めよう。