ナノ物質と光の相互作用 ― 長波長近似を超えて ―

講師

石原一 先生

大阪府立大学 工学研究科 教授 

概要

光と物質は如何に相互作用するか？　この問題は、物理、化学を始めとする多様な研究分野で長く中心的課題とされてきました。最近では電子の運動を閉じ込めるナノ物質が、そのサイズや形の制御により、光との相互作用を「設計」できる系として注目を集めています。

光と物質の相互作用は多くの場合「長波長近似」に基づいて記述されます。「電子の波動関数が広がる領域に比べれば、光の波長はずっと長いので、その空間変動は無視して良い。」　固体物理、光化学、量子光学など、光と物質の相互作用を問題とする様々な分野の教科書でこのような記述を見ることが出来ます。

実際、長波長近似は多くの場合良い近似となり、光と物質の相互作用の標準的な記述法を与えてきました。しかし近年、精度良く作製されたナノ・マイクロ構造により、光波長程度まで広がった電子系励起状態や、逆に分子スケールにまで局在化された光電場が実現されるようになり、長波長近似の枠を越えた新しい「光と物質の相互作用」が我々の視野に入ってきました。そこでは電子系波動関数と光電場の空間的なインタープレイにより、従来では考えられなかったような光-物質強結合状態や、通常では実現できない特異な分子励起状態が現れます。

このサブゼミでは、ナノ物質の光学応答の基礎を踏まえ、最近現れてきた長波長近似を超えた新しい光学応答や、その利用についての先端的研究例を紹介する予定です。

世話人による講師紹介

あか。あお。みどり。ステンドグラスのきれいな発色は、ぴかぴかな金の粒子によるものです。ナノスケールの金のつぶつぶが小さくなるにつれガラスの色は、金から青へ、青から緑へ、緑から赤へ、どんどんと変わっていきます。このようなナノスケールの世界では、従来の物質を粗視化したモデルは破綻してしまい、さまざまな面白い現象が期待されます。とりわけ、光の波長と物質の励起状態のコヒーレンス長が同程度となり、長波長近似が成り立たなくなる領域では、思いもかけない不思議なことが起こっています。

このサブゼミで一緒に議論してくださる石原一先生は、長波長近似を超えた光と物質の相互作用の研究の最前線を走っていらっしゃる方です。ナノ技術の進展とともにますます重要になってくる微視的で非局所な光学応答の取り扱い方や、最先端の研究成果について楽しく分かりやすく紹介していただきます。ちいさな世界で、物質と光が織りなす不思議な光景。ちょっとのぞいてみませんか。

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計算機シミュレーションによる非平衡統計力学

講師

伊藤伸泰 先生

東京大学 工学系研究科 物理工学専攻 准教授

概要

熱力学・熱平衡統計力学の出発点が「熱とは何か」という問題であるように、「熱がどのように伝わるか」という問題は非平衡状態の理論の出発点であった。この問題に対する最初の成功は、19世紀初頭のフーリエによる熱の理論である。以来、熱伝導を分子運動に結び付ける研究が営々続けられた。その努力が実り、今日では熱伝導・電気伝導や流体粘性といった線形非平衡現象を、分子運動から再構築することが可能となった。これは散逸揺動関係、線形応答、久保公式といった現象論的な理論と、計算機の発達とが相俟っての成果である。この成果を踏まえ、現在の統計力学では非線形非平衡現象の研究が本格化している。

本サブゼミでは、線形非平衡現象に対する近年の研究について計算機シミュレーションを中心に紹介し、各論的に成果が挙がり始めている非線形非平衡状態の研究についても議論したい。

世話人による講師紹介

川の流れや大気の流れ、お湯を沸かすときに見られる対流など、日常よく見られる多くの現象は、熱平衡状態から離れた非平衡現象です。非平衡系の研究対象は地球環境から、ガラスや粉体、動物の群れ、化学反応まで多岐に渡っています。しかしながら、非平衡系の物理学はその本質を一言で言い表す概念と体系が未だ存在しない発展途上の学問であり、今後の進展が期待されています。そして近年、非平衡系の研究は揺動散逸関係、線形応答、久保公式といった理論と計算機実験方法の進歩によって急速に発展してきています。

伊藤先生は計算機シミュレーションにより､熱伝導･電気伝導といった非平衡現象を原子･分子のミクロな立場から明らかにし､非平衡現象一般の計算機シミュレーションによる解明の可能性を追求されています｡今回の伊藤先生のご講演では計算機シミュレーションによる非平衡現象へのアプローチの最先端についてご講演頂く予定です。

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有機導体の低次元電子：その基本的性質と最近の発展

講師

鹿児島誠一 先生

明治大学 理学部 物理学科 客員教授

概要

物性物理の主要な対象のひとつは有機分子性物質である。その源流は1950年代の「有機化学合成で半導体を」という日本の化学者グループの目論見と、1960年代の「室温を超える超伝導を」という米国のひとりの物理学者の提唱にまで遡れる。1970年代にTTF-TCNQと呼ばれる1次元金属電子系をもつ有機導体が合成されたことが契機となり、物性物理がそれまで馴染みのなかった有機化学合成の世界と結びついた。これ以後の精力的な研究によって、いまでは分子性物質が物性物理の主要な役者のひとつとなるに至っている。

物性物理の世界において有機導体がもつ特徴は、物質がきわめて多様性に富んでいて多彩な物性が展開されること、および電子系が強い低次元性をもつとともに、初歩のバンド理論では無視される伝導電子間のクーロン相互作用が、電子系の振る舞いに大きな役割を演じることである。低次元性とクーロン相互作用は、物質が金属であるか絶縁体であるかを決める主要な要因であり、有機導体は物質の金属性と絶縁性を俯瞰できる系だと言える。

この講義ではまず、学部課程の物性物理ではあまり馴染みのない、有機導体の電子系の基本的性質を概観する。ついで、密度波、異方的超伝導、電荷秩序など、低次元性とクーロン相互作用に起因する具体的な物理を詳しく見ていく。最後に、素粒子のニュートリノに似た性質を持つ電子状態や、有機FET超伝導、強誘電性、光誘起現象など、現在発展中のいくつかの話題を紹介する。

世話人による講師紹介

有機導体って知っていますか？

有機導体は物性物理の分野において、少し知名度が低いかもしれません。でも、有機導体は豊富な物質の選択肢があり、多彩な物性をもっているおもしろい領域です。ちょっと興味がそそられませんか？

今回の講義では有機導体の領域の大家である鹿児島先生に、有機導体の基礎的な説明から順に現在発展中のお話までしていただく予定です。 ぜひ聞きにきてみてください。

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リズム現象の物理学：基礎・モデリング・生物の話題・ネットワーク関係など

講師

郡宏 先生

お茶の水女子大学 お茶大アカデミック・プロダクション、JSTさきがけ兼任 特任助教

概要

この世界には様々なリズムが存在します。例えば、メトロノームや振り子時計などの機械が作り出すリズム、歩行や鼓動、活動と睡眠の繰り返し、ホタルの明滅 といった生き物が持つリズムなどがあります、また化学反応でも周期的反応を作り出すことができます．このサブゼミでは様々な振動現象を紹介し、振動現象を 取り扱う物理学的手法について解説します。以下の4つの内容を軸にします。また、みなさんが主体的に参加できるように、質問、議論、実験の時間をなるべく とりたいと思います。

（1）諸分野でのリズム現象の話題 生物を中心に、ざっとレビューします。体内時計や文節時計など生物にはリズムがたくさんあります。今後の発展には、物理学者の積極的な参加が絶対に必要です。

（2）モデリング基礎 メトロノーム振動のモデル化を通して、現象をモデルで記述する意義や楽しさについて考えます。

（3）位相縮約の基礎 位相モデルは振動子集団のダイナミクスを記述する強力なもので、その方程式は位相縮約によって導出されます。位相縮約では、遅い自由度に着目して運動方程 式を簡略化するのですが、同様の思想に基づく縮約方法は流体方程式の導出に使われるなど、物理学の中で決定的な役割を果たしてきています。位相縮約を直感 的に理解できるよう、エッセンスを解説します。そして、位相縮約を通して、振動子集団ダイナミクスについてわかること、わからないことを簡単に紹介します。

（4）ネットワークの話題 近頃「ネットワーク」が物理学でたいへんはやっていますが、ネットワークが絡むダイナミクスの研究には確立された理論があまりありません。縮約の考え方 を、ネットワーク上のダイナミクスに適用すると面白いことがわかります。例えば、ネットワークのどの素子が、ネットワーク全体の挙動に対して重要な寄与を しているのか、また、各素子が揺らぎをもっているときに全体の揺らぎはどのようになるのか。これらはネットワーク構造によって決まり、固有値問題で特徴付 けることができます。縮約の考え方が、多方面に適用できることを実感してもらえれば幸いです。

世話人による講師紹介

毎日朝に起きて夜に寝る、呼吸をする、心臓が拍動する…人の生命活動の多くがそれ固有のリズムを持っています。固有のリズムを持って活動しているのは人間に限らず、動植物に普遍的に見られます。生物以外でも、特有のリズムを持つ現象としては振り子から化学反応まで枚挙にいとまがありません。

今回の講義ではリズム現象の概略から始まり、モデリングの方法の基礎、位相縮約の基礎と話していただく予定です。特に位相縮約は遅い変数に着目して方程式を簡略化する手法で、振動子系のモデル化でよく使われる方法です。さらにこの講義では位相縮約の方法の応用例として振動子がネットワークを作った場合の話をしていただく予定です。
   縮約は化学反応や流体の方程式でも使われている非常に強力な手法なので、この機会にぜひ一緒に勉強しましょう！

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半導体量子ドットの電子状態制御

講師

藤澤利正 先生

東京工業大学 極低温物性研究センター 教授

概要

半導体微細加工技術の進展により、ナノ構造中での量子電子輸送に関する多くの知見が得られている。微小な半導体領域に電子を閉じこめた半導体量子ドットでは、人工的に制御可能なポテンシャルの中で1個または少数電子の電子状態や多体効果に関する研究がなされてきた。ゲート電極に印加する電圧を制御することによって、ポテンシャル形状や電子の数を操作することができ、マイクロ波や高速電圧パルスを印加することによって電子の量子ダイナミクスを観測・制御できるようになった。このような特徴から、量子ドットは、プログラマブルな量子干渉計である量子コンピュータにおける量子情報素子としても期待されている。

本講演では、二重量子ドットにおける電荷状態や電子スピン状態のダイナミクスについて、国内外の代表的な実験研究を参照しながら、一量子ビット操作や二量子ビット操作に対応する電子状態制御について概観する。電子状態に対する電界制御によって、電子状態の初期化・コヒーレント操作・測定を行うことができる。特に、電荷二量子ビットのコヒーレントトンネル現象を用いることにより、複数の二量子ビット操作をそれぞれ1ステップで実現できることを示す。さらに、半導体材料固有のデコヒーレンスの問題やその回避方法に関する研究の進展や展望についても言及したい。

世話人による講師紹介

量子力学を学び始めるとき、誰もが井戸型ポテンシャルの問題を目にするのではないでしょうか。この閉じ込め問題の発展として量子ドットの世界があります。そして、この量子ドットは電子回路の集積化などで培われたナノテクノロジーの進歩もあって、人為的にデザインできる物理系であり、量子コンピュータの実現への応用も期待されています。

今回お呼びする藤澤先生は、量子ドットを用いて電子一個の動きもとらえる単電子電流計を世界で初めて実現するなど、「電子の状態を、どれだけ正確に制御･観測できるか？」という視点で、半導体ナノ構造における電子のダイナミクスを研究されてきました。このサブゼミでは、量子ドットを用いた電荷状態、スピン状態の制御について話していただきます。人が物理系を電子一個単位で、しかもスピンもデザインする。そんな、一昔前では考えられないような驚くべき世界、その最先端に一緒に触れてみませんか？

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