「理」（ことわり）を究めること。「Street-smartに活躍するための基礎」を徹底的に学生に教え込みます。
Ｑ：先生のご専門を教えてください。
工学部機械電気システム工学科で「量子材料科学研究室」を主宰し、量子化学的・量子物理学的手法に基づいて、熱電変換特性・電気機械特性などの材料物性や表面・界面の反応過程に関する理論的研究と、これらに関連するシミュレーションを行っています。研究対象の材料系は二次元半導体ナノ材料・シリコンカーバイド・ハイエントロピー合金などです。また、相対論的電子状態理論を用いた材料系の応用計算にも取り組んでいます。
Ｑ：量子力学に興味を持たれたきっかけは何ですか？また、これまでにどのように研究されてきたのですか？
中学や高校のときから、原子や分子といった「目に見えない小さな世界」というものに興味がありました。また、理（ことわり）という言葉があります。道理とか理路として使われますが、物事には筋道があって、それを自ら検証していくことが好きなようです。
工学部・石油化学科を卒業していますが、大学4年生で初めて研究室に配属されて以来、量子力学をベースにした研究を続けています。ノーベル化学賞（福井謙一先生）を出した研究室でしたので、ノーベルメダルのレプリカもよく目にしていましたし、高名な先生方をすぐそばで接することができ、大いに刺激を受けました。
学生時代はイオン－分子反応を中心に、電子過程と反応性・反応機構・反応経路との関連について理論的に明らかにする研究を行っていました。とりわけ、ヘリウム原子と陽子（水素イオン）からなる2原子分子イオン系における電子の細やかな挙動と性質をメインの研究対象としており、「機械電気システム工学」とは全く無関係な分野でした。縁があって、博士課程を終えたときに京都大学の機械系専攻で量子力学を扱う研究室の教員に採用され、機械系の材料分野を勉強している学生も取り組めるような、電子状態理論を用いた半導体・誘電体や新規ナノ材料の設計・物性評価に関する研究をスタートさせました。
Ｑ：以前ご勤務されていた大学での研究が電子材料であるナノデバイスの製作に大きな影響を及ぼしたのですね。
立命館大学に移ってシリコンナノデバイス作製に関する国のプロジェクトに参画し、このときに代表的な電気機械特性で圧力センサ・加速度計・ジャイロスコープなどの原理にも使われているピエゾ抵抗の理論研究を始めました。ピエゾ抵抗係数やゲージ率を量子力学計算により見積もる新たな理論的手法を開発したのですが、正確に見積もるためには条件によって特殊相対性理論を導入しなければならず、材料系における相対論的電子状態理論に関する研究も本格的にスタートさせました。この時の研究の成果が実際にナノデバイスを製作する際の材料特性の予測に広く使われています。
Ｑ：中村先生は、エジプトでも長期間に亘り大学院生を教えるといった貴重な経験をされていますね。
日本とエジプトとの二国間協定によって2010年に開学したエジプト日本科学技術大学（E-JUST）の、材料工学専攻の立ち上げに現地参画するために京都大学に戻り、2011年秋より教育・研究の場をエジプトに移しました。ちょうど「アラブの春」の真っただ中で、日本人には理解できないことが絶え間なく起こり、大学では教育課程の制度や文化の違いに悩まされ続けましたが、日常生活は結構楽しく過ごせたように思います。研究面では、エジプト人教員から熱電変換材料の開発をしたいが何の機材もないと相談を受けたことがきっかけで熱電変換特性の理論的研究を始め、電荷や熱の輸送現象の基本方程式と量子力学の基本方程式を結び付けた新たな理論的手法を開発しました。工学を学ぶ?学院?が、エジプトという国を背負って、熱?に研究している姿が印象に残っています。
Ｑ：本学工学部の立ち上げにも参画されました。
2019年にエジプトでの7年半に及ぶ長期滞在を終えて本学に移りましたが、本学の工学部は、私にとってはE-JUST に続いて2度目の「立ち上げ」参画です。E-JUSTでは教育・研究だけでなく、カリキュラムの修正作業や大学最高評議会（日本での設置審に相当）との交渉支援も行いました。エジプトでの経験は財産になっています。
「出会い」という点では、やはり現学部長の田畑修先生の存在が大きいです。初めてお会いしたのは、田畑先生が京大の機械系に移籍された時ですが、研究面も含めてほとんど接点はありませんでした。それから、節目ごとにアドバイスをいただける機会があり、立命館大学に移ったのもエジプトに移ったのも田畑先生の後押しが大きかったです。
Ｑ：本学ではどのようなことを研究されていきますか。
「量子材料科学研究室」助教の羽部哲朗先生との共同研究として、電子励起状態計算をベースにした二次元半導体ナノ材料系の物性評価シミュレーションに関する研究を新たにスタートさせています。材料系の電子状態を評価するのに現在では広く使われている「第一原理計算」という手法は「密度汎関数理論」という基礎原理に基づいているのですが、この理論の大前提は「電子状態が基底状態（最も安定な状態）にある」ということなので、電子励起状態（エネルギーの高い状態）には適用できません。そこで励起エネルギーも取り扱えるように工夫を加えた「時間依存密度汎関数理論（TDDFT※）」によって材料系の電子励起状態を定性的・定量的に評価し、そこから材料のいろいろな物性を導く研究を行っています。TDDFTはこれまで分子系への適用がメインでしたので、材料系においてどこまで的確に活用ができるのか、私自身も非常に注目しています。
※Physical Review Bに掲載
Optical properties of monolayer, multilayer, and bulk Bi I 3 studied using time-dependent density functional theory
Ｑ：現在の研究内容を将来、どのような形で社会に還元していきたいとお考えでしょうか。
私が行っているのはいわゆる基礎研究ですので、どのような形で社会に還元するかという質問には回答に窮する部分も多いですが、理論研究者として、とにかく新しいことをやるんだという思いは持ち続けています。自分が若いときに所属していた研究室では「新しい価値観の創造」という言葉をスローガンにしていましたが、あらためてよい言葉だと思っています。概念であれ、方法論であれ、新しい考え方を生み出していく姿勢は示し続けていきたいですし、そこに本学の工学部生・大学院生が共感してくれれば、本当にありがたいです。
「応用をやるなら基礎をやれ」という言葉があります。福井先生の師である喜多源逸先生から福井先生を経て、我々にも受け継がれている至言です。このスタンスは本学工学部の学生にも伝えていければと思います。工学部の学生がStreet-smartに活躍するための基礎・土台作りに貢献できれば幸いです。
Ｑ：先生の趣味や関心、大学生時代に夢中になった事についてご教示ください。
趣味は将棋ですが、最近のマスコミの持ち上げぶりに、ちょっと距離を置いているところです。常に二手三手先を読んで行動することは大事だと思います。その他、趣味はいくつかありますが、工学部生には広く知られているようです。
大学時代はアルバイトに明け暮れました。学習塾の講師は、1年生から博士課程まで8年間勤めました。4年生になってからはとにかく研究が楽しく、暇があったら数学の勉強をしていたような気がします。
Professor NAKAMURA Koichi
In this issue of “Tell Us Teacher”, we talked to Professor Nakamura, who believes in pursuing “reason” and teaching the basics at the Faculty of Engineering, which was newly established in April 2020.
Teaching students “the fundamentals of becoming a successful, street-smart engineer” through reason.
Ｑ：What is your specialty?
At the Faculty of Engineering’s Department of Mechanical and Electrical System Engineering, I preside over the “Quantum Materials Chemistry and Physics (QMCP) Laboratory” and conduct theoretical research on the properties of materials, such as their thermoelectric conversion or electromechanical characteristics. We also examine reaction processes on surfaces and interfaces, and related simulations based on quantum chemical and physical methods. Materials we intend to study include two-dimensional semiconductor nanomaterials, silicon carbides, and high-entropy alloys. We are also working on applied calculations of material systems using relativistic electronic state theory.
Ｑ：What sparked your interest in quantum mechanics? And how have you studied it so far?
Since junior high school and high school, I have been interested in the invisible world of atoms and molecules. I like to think that these things have a reason (in Japanese: kotowari) and I enjoy verifying that reason myself.
I graduated from the Faculty of Engineering, Department of Hydrocarbon Chemistry (translated into Japanese as the same meaning as Department of Petrochemistry) and have been doing research based on quantum mechanics since I was first assigned to a laboratory in my fourth year of university. Since that laboratory had produced a Nobel Prize in Chemistry (Prof. Kenichi Fukui), I often saw replicas of the Nobel medal and was greatly stimulated by the proximity of these renowned professors.
As a student, I focused on ion-molecule reactions, theoretically clarifying the relationship between electronic processes and reactivity, reaction mechanisms, and reaction paths. In particular, my main focus was on the detailed behavior and properties of electrons in diatomic molecular ion systems consisting of a helium atom and a proton (hydrogen cation), all of which had nothing to do with “mechanical and electrical systems engineering” by the way.
By chance, when I finished my doctoral course, I was hired as a faculty member of a laboratory dealing with quantum mechanics in the Department of Engineering Physics and Mechanics at Kyoto University, and I started research on the design and characterization of semiconductors, dielectrics, and new nanomaterials using electronic structure theory, which could be tackled by students studying materials in mechanical engineering.
Ｑ：The research at the university where you worked before had a great impact on the fabrication of nanodevices and electronic materials, didn’t it.
I moved to Ritsumeikan University and participated in a national project on silicon nanodevices, where I started theoretical research on piezoresistivity, a typical electromechanical property used in the principles of pressure sensors, accelerometers, and gyroscopes. We developed a new theoretical method for estimating the piezoresistance coefficient and the gauge factor of materials using quantum mechanical calculation. However, to estimate these accurately, special relativity must be applied depending on the conditions. We also started research on relativistic electronic state theory in material systems in earnest. The results of this theoretical research are widely used to predict the properties of materials in the actual fabrication of nanodevices.
Ｑ：It seems like you gained valuable experience teaching graduate students in Egypt.
To participate in the launch of the Department of Materials Science and Engineering at the Egypt-Japan University of Science and Technology (E-JUST), which was founded in 2010 as a result of a bilateral agreement between Japan and Egypt, I again joined Kyoto University in the summer of 2011. Educational and research activities started in Egypt shortly thereafter in the fall. This was just in the midst of the “Arab Spring”, and there were incessant surprises that most Japanese people would not be able to comprehend. At the university, our two cultures sometimes clashed on matters like administration and curriculum, but I also think we had a pretty good time. On the research side, I was consulted by an Egyptian professor who wanted to develop thermoelectric conversion materials but did not have any equipment, so I started theoretical research on thermoelectric conversion characteristics and developed a new theoretical method that combines fundamental equations of charge and heat transport phenomena with fundamental equations of quantum mechanics. I was impressed by the Egyptian graduate students who were studied engineering eagerly while carrying the future of their country on their back.
Ｑ：How were you involved in the launch of the KUAS Faculty of Engineering?
In 2019, after seven and a half years in Egypt, I moved to KUAS, where I got to participate in the “start-up” of a Faculty of Engineering for the second time. At E-JUST, I was involved not only in teaching and research, but also in revising the curriculum and negotiating with the Supreme Council of Universities (the equivalent of the Japanese government’s University Establishment Council). These experiences have since proved to be an asset to me.
In terms of professional acquaintances, Professor Osamu Tabata, the current dean of the Faculty of Engineering, was a big help. I first met Professor Tabata when he moved to Department of Mechanical Engineering at Kyoto University, but we had very little contact, including in the area of research. Since then, I have had the opportunity to receive advice from him at every milestone, and it was largely due to his encouragement that I moved to Ritsumeikan University and to Egypt.
Ｑ：What are you researching at KUAS?
In collaboration with Dr. Tetsuro Habe, Assistant Professor of the QMCP Laboratory, I have started a new research project on the simulation of the chemical and physical properties of two-dimensional semiconductor nanomaterial systems based on electronically excited state calculations. First-principles calculations, which are now widely used to evaluate the electronic states of material systems, are based on a fundamental principle called “density functional theory,” but the basic premise of this theory is that the electronic state is in the ground state (the most stable state), so it cannot be applied to electronically excited states (states with high energy). We have started to challenge qualitative and quantitative simulation of various material properties in excited states by electronic structure calculations based on time-dependent density-functional theory (TDDFT*), which is applicable to excited states. Since TDDFT has been mainly applied to molecular systems so far, it is not clear to what extent TDDFT can be applied to materials systems, and I am very interested to see what can be gained through its application.
*Published in Physical Review B
Optical properties of monolayer, multilayer, and bulk Bi I 3 studied using time-dependent density functional theory
Ｑ：In the future, how would you like to contribute to society through your research?
Since my research is what you could call “basic research”, it is difficult for me to answer the question of how to give back to society, but as a theoretical researcher, I am determined to do something new. When I was young, the laboratory I belonged to used the slogan “creation of new values,” and I think that this is a good phrase. I would like to continue to show that we are committed to creating new ways of thinking, whether it be concepts or methodologies, and I would appreciate it if the engineering students and graduate students of KUAS could relate to this.
There is a saying, “If you are going to research applications, do the basics”, or “No basic, no application”. This is a saying that has been handed down to us from Prof. Genitsu Kita, Prof. Fukui’s supervisor. I would like to convey this mindset to the students of our Faculty of Engineering. I would be happy if I could contribute to building a foundation for engineering students to be street-smart and successful in our modern, global world.
Ｑ：Tell us about your hobbies and interests and what you were into when you were a university student.
My hobby is Shogi (Japanese chess), but I’m keeping my distance from it because of the way the media has been popularizing it lately. I think it is important to always act two or three moves ahead. I also have several other hobbies, but they seem to be widely known among the engineering students.
During my college years, I spent a lot of time working part-time jobs. I worked as a tutor at a private tutoring school for eight years from my first year of university until my doctoral course, and after I became a fourth-year student, I enjoyed doing research and studied mathematics whenever I had free time.
EOD
