Graduate School of Science and Engineering（Science）
理工学専攻（物理科学）
日本語
Update date：2025/01/06
Professor
Fuchizaki Kazuhiro

Job Achievement

  1. 理工学研究科数理物質科学専攻長その他2020/04/01-2021/03/31

Research History

  1. 1989-1990日本原子力研究所
  2. 1990-1991日本原子力研究所
  3. 1991-1999Kyushu UniversitySchool of Sciences
  4. 1999-2000九州大学大学院理学研究科
  5. 2000-2003Ehime UniversityFaculty of ScienceAssistant Professor
  6. 2003-2006Ehime UniversityFaculty of ScienceProfessor
  7. 2005/04-2006/03Institute for Molecular Science分子基礎理論第四研究部門客員教授
  8. 2006- 愛媛大学理工学研究科Professor
  9. 2017/04-2018/03The University of TokyoThe Institute for Solid State Physicsvisiting professor

Education

  1. Kyoto University1983
  2. Osaka University1989

Degree

  1. 工学博士大阪大学
  2. 工学修士京都大学

Research Areas

Research Interests

  1. topological defect
  2. glass transition
  3. nonequilibrium statistical mechanics
  4. polyamorphism

Research Projects

  1. Japan Society for the Promotion of ScienceGrants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)Proposal of the thermodynamic characteristics for predicting the onset of a liquid-liquid transitionGrant-in-Aid for Scientific Research (C)2020/04-2023/03Principal investigator
  2. Japan Society for the Promotion of ScienceGrants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)Elucidation of the microscopic mechanism that induces liquid-liquid transitionGrant-in-Aid for Scientific Research (C)2017/04-2020/03Principal investigator液－液転移の微視的過程を明らかにすることが本研究の目的である。平成30年度は二つの大きな成果が得られた。 まず一つ目の成果は液－液クロスオーバを起こすヨウ化ゲルマニウム液体の構造因子の逆モンテカルロ(RMC)解析から得られた。エネルギー分散法によるX線散乱強度から構築した構造因子のRMC解析結果は、加圧とともに分子対称性がTdからC3vに落ちることを示唆した。そこで、これらの対称性を有する場合の分子形状因子を解析的に求めたところ、構造因子の振動の様子の変化を定量的に説明できることが分かった。ヨウ化錫液体も転移の前後で同様な低対称性化を生じている。この分子低対称化を仮定すると、分子間相互作用が二つの特徴長さを持ち得ること、即ち、低密度液体と高密度液体が現れることが自然に示せる。そこで、分子低対称性化は液－液転移の前駆現象であると考えている。 二つ目の成果は分子動力学シミュレーションから得られた。分子性液体は液－液転移を経て高分子化を起こし、高密度化を達成すると考えられているが、実際の微視的過程は観測されていない。そこで、液体ヨウ化ゲルマニウム構造の圧力変化を融解曲線に沿って観察した。約1 GPaまでの圧力範囲で適用可能な模型を用いた。分子間のヨウ素が金属結合化する距離3.6 Å内に接近した際に物理的に「結合」したと見なす。この「結合」は0.1 ps程度の寿命をもつ。この「結合」の浸透確率とクラスターサイズの有限サイズスケーリング解析により、0.85±0.01 GPaで浸透転移が起こることを見出した。ただし、四面体分子の辺－辺配向時の「結合」が主に浸透に寄与する。浸透転移点がヨウ化ゲルマニウムの予想準安定液－液境界の延長線上に位置することは偶然でないと考えている。即ち、ヨウ化ゲルマニウム液体の高密度化は分子間ヨウ素間「結合」の浸透転移によって達成される。
  3. Japan Society for the Promotion of ScienceGrants-in-Aid for Scientific Research (C)Evidence for the existence of the liquid-liquid critical point in tin tetraiodide2014/04-2017/03Principal investigator水のポリアモルフィズムは臨界点シナリオによって矛盾なく、且つ簡潔に説明できる。ただし、その足場となる臨界点はおろか、その付近の低密度水と高密度水そのものを直接観察することは許されない。そこで、代替物質としてヨウ化錫に着目し、「前人未踏」の第二臨界点存在の立証を試みることがが本研究全体の目的である。目的達成に必要な重要な知見が得られた年度であった。 1 GPa付近での圧力領域でのX線小角散乱測定を計画していたが、装置上の制約のため、単色X線吸収測定に変更した。比較的低圧で液体ヨウ化錫を長時間封入保持するために容器蓋の再設計と改良に取り組んだ。これまで実績を積んできたSPring-8 BL22XUでの測定だけではなく、東北大・鈴木昭夫氏のご尽力により、KEK-AR NE7Aを利用した測定も可能になった。KEK放射光X線の横発散の大きさのため、密度に関する定量的な解析は困難なものの、定性的な再現性の確認を行うことができた。 まず、特筆すべき点として、950 Kと1000 Kに保ったまま、圧力印加を行うと、(報告者による理論予想通り)1.5 GPa付近で急な吸収増加が見出される。以前、970 KにてSPring-8で同様な測定を行った際に見出した現象を完全に再現した。これは低密度液相から高密度液相への不連続相転移境界を横切ったことを表している。一方、1200 Kでの圧力印加では、こうした吸収の「跳び」は見られず、単調に吸収が増加する。これらのことより、第二臨界点は間違いなく1.5 GPa付近、1000 Kと1200 Kの間に存在することが言えた。この結果は、この付近での液体構造の局所変化のその場観察の結果と併せてStatPhys26で報告するとともに学術誌に速報する予定である。 また、水に見られるような密度極大が1 GPa未満の低圧領域に現れることも明らかにした。
  4. Evidence for the existence of the second critical point in tin tetraiodide基盤研究(C)2014/04-2017/03Principal investigator
  5. The Ministry of Education,Culture,Sports,Science and TechnologyGrant-in-Aid for Scientific Research on Innovative AreasStructural characteristics of liquids near the liquid-liquid critical point of the water-type liquid-liquid transition2011/04-2013/03Principal investigatorヨウ化錫の二液相状態に関して、高圧下での放射光X線その場観察によって、これまで報告者らが得た知見が液相間(第二臨界点)シナリオで矛盾なく、半定量的に説明ができることを示した。ただし、シナリオの完成には液相間に不連続な転移がある実験的証拠を見出す必要があるが、平成23年度までに行った放射光X線吸収によるヨウ化錫液体の密度測定の結果、ほぼそれを手中に射止めている。平成24年度内に論文発表する予定である。水系と異なり、第二臨界点付近の温度・圧力には比較的容易にアクセスすることができることになる。人類初の第二臨界現象の定量的な観察が行えそうである。
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Books and Other Publications

  1. 高圧力の科学・技術事典固体物理朝倉書店2022/11/01978-4-254-10297-0
  2. 新物理小事典渕崎 員弘三省堂2009/069784385240176
  3. 古典力学(下)渕崎 員弘吉岡書店2009/039784842703503
  4. 古典力学(上)渕崎 員弘吉岡書店2006/079784842703367
  5. Slow Dynamics in Complex SystemsAmerican Institute of Physics1999
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Papers

  1. XAFS Evidence for Two Liquid States of SnI42024/09/15Kazuhiro Fuchizaki Hiroki NarutaJournal of the Physical Society of Japan93/ 9Research paper (scientific journal)10.7566/jpsj.93.095001URLPhysical Society of Japan
  2. Can weight hysteresis in a neural network judge the continuity/discontinuity of a phase transition?2023/07Katsumi Nakamura Kazuhiro FuchizakiJOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND THEORETICAL56/ 30Research paper (scientific journal)10.1088/1751-8121/ace13eIOP Publishing LtdWe often encounter hysteresis associated with short-term memory stored in our brain when we see continuously varying pictures in back-and-forth directions. We expect a neural network (NN) to also experience hysteresis in recognizing information back and forth depending on its continuity. This study shows that using equilibrium configurations obtained from the well-defined models undergoing the phase transitions as learning data, the weights of an NN can exhibit hysteresis behaviors against sequential learning, increasing (or decreasing) an external field or temperature. Indeed, the weights' hysteresis clearly shows up when an NN learns back and forth a series of configurations passing through a continuous transition or a crossover, whereas no hysteresis arises for discontinuous transitions. This fascinating finding opens up a new application of machine learning to judge the order of a phase transition from the suitably visualized changes in microscopic configurations without setting a specific model.
  3. Thermodynamics of polyamorphism2022/02/25Kazuhiro FuchizakiMemoirs of the Faculty of Science, Ehime University24, 43-63Research paper (bulletin of university, research institution)愛媛大学理学部A substance in a solid state can take more than a crystalline phase. For example, ice, a solid form of water, has nineteen crystalline phases. Each solid state has a different structure because water molecules are located on discrete lattice points with different symmetry. Then, the problem is whether a liquid state without a long-range order can take more than a single phase. Water has been considered to have two forms; one is low density and the other high density. The problem is named polyamorphism because of the involvement of polyamorphs. An occurrence of polyamorphism has been pointed out on a thermodynamic basis. At the beginning of this century, experimental evidence of polyamorphism was given for liquid phosphorus. This exciting experimental finding has revived the old theory of polyamorphism and activated the hunting of substances exhibiting polyamorphism. This review picks up essential substances stimulating the subsequent theoretical development. Therefore, the author also explains the original and recent theories in some detail. We have now attained a consensus regarding water polyamorphism through the theories. The author also mentions the crucial problems that remain unanswered.
  4. The microscopic transition process from high-density to low-density amorphous state of SnI42021/06/23Kazuhiro Fuchizaki Ayako Ohmura Hiroki Naruta Takuya NishiokaJournal of Physics: Condensed Matter33/ 36Research paper (scientific journal)10.1088/1361-648x/ac0dd7URLURL_2IOP Publishing
  5. Application of Nonequilibrium Relaxation Scheme to Machine Learning for Detecting a Phase Transition2021/05Kazuhiro Fuchizaki Katsumi Nakamura Daiki HiroiJOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN90/ 5Research paper (scientific journal)10.7566/JPSJ.90.055001PHYSICAL SOC JAPANA great success in detecting the phase transition in a two-dimensional Ising model using a neural network prompts us to apply the idea of nonequilibrium relaxation to the detection. In fact, convolutional neural networks can afford to predict the transition point at an early learning stage. We also mention the limitations of the machine learning approach.
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Presentations

  1. ポリアモルフィズムの熱力学J-PARC ワークショップ「1 MWパワーで探れ、非晶質の中の小さな不思議―『自由』と『束縛』の協奏曲―」2024/10/28Symposium workshop panel(public)
  2. SnI4の二液相のXAFS測定日本物理学会第79回年次大会2024/09/16Oral presentation(general)
  3. Similarities and differences between the liquid and amorphous structures of SnI461st European High Pressure Research Group Meeting2024/09/05Oral presentation(general)
  4. Polymorphism of SnI461st European High Pressure Research Group Meeting2024/09/03Poster presentation
  5. Inertia Effects in Machine LearningXXXV IUPAP Conference on Computational Physics2024/07/11Oral presentation(general)
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Works

  1. 液相および非晶質状態内の相転移と新たな臨界現象2006-2007
  2. 液体構造に関する理論的研究2005-2005
  3. 分子性液体構造に関する理論的研究2005-2005
  4. ヨウ化錫液体における液相－液相転移2003-2004
  5. 圧力誘起非晶質化現象の解明2003-2003
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Allotted Class

  1. 2024Statistical and Thermal PhysicsⅢ
  2. 2024Statistical and Thermal PhysicsⅣ
  3. 2024Statistical and Thermal PhysicsⅤ
  4. 2024Statistical and Thermal PhysicsⅥ
  5. 2024Graduation Research I
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Professional Memberships

  1. American Association for the Advancements of Science
  2. American Association for the Advancement of Science
  3. 日本物理学会
  4. 日本高圧力学会
  5. American Association for the Advancement of Science
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