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➤ 講義とは？
第1回物性若手夏の学校より綿々と受け継がれてきたメインイベント！それが講義です。
講義では、それぞれの専門分野で研究・教育の第一線で活躍しておられる先生方を講師に迎え、各分野の基礎的〜やや発展的な内容を話していただきます。
第一人者の先生方の考え方や物理観を学び、また授業やその空き時間、懇談会等を通じてコミュニケーションを取れる貴重な機会であり、講義というイベントの最大の魅力だと言えます。
自分の専門分野に近い先生の講義を受けるのもよいでしょうし、未知の分野に挑戦してみるのもまた面白いかと思います。
このまたとないチャンスを、今後の研究生活のためにぜひ有効活用して下さい！
➤ 講義の形式
2日目〜4日目の午前中、計9時間を使って講義が行われます。初日には講義プレビューの時間枠が設けられており、それを踏まえ、参加者の方々には六つの講義の中から受けたい講義を一つ選んでいただく形になっています。
受講者レベルとしては、研究のスタートラインにある修士課程の学生を想定し、3日間の講義で、各分野の基礎的な知識や最新のトピックを紹介していただく予定です。
講義は座学形式で、当日は長机と椅子が用意されます。途中に休憩を5〜10分程度の休憩を挟む予定です(講師の方次第で回数や時間は異なります)。
| 氏名(敬称略、五十音順) | 所属 | 講義タイトル |
|---|---|---|
| 大貫惇睦 | 阪大理 | 重い電子系の物理 |
| 小形正男 | 東大理 | 相関の強い電子系における超伝導 |
| 奥村剛 | お茶大 人文創成科 | 印象派物理学で描きだす身近に潜むシンプルな物理 ：しずく、あわ、真珠、クモの巣を題材として |
| 小澤正直 | 名大情 | 量子測定理論入門 |
| 張紀久夫 | 阪大 | 物質の電磁応答：ミクロからマクロへ |
| 若林克法 | 物質・材料 研究機構 | グラフェンの電子物性とナノスケール効果 |
➤ 講義内容
重い電子系の物理
大貫惇睦 先生 (大阪大学大学院 理学部研究科 教授)
セリウムやウラン元素等を含む希土類・アクチノイド化合物のｆ電子は主として原子に局在している。
したがって、伝導電子を媒介にして隣り合うｆ電子間に磁気秩序を促すRKKY相互作用がはたらく。一方、伝導電子のスピンによってｆ電子の磁気モーメントが打ち消されるような近藤効果もはたらく。
重い電子系は両者の拮抗の中で発現する強相関電子系である。このような局在ｆ電子は低温で有効質量の極めて大きな伝導電子に変貌して結晶中を遍歴するようになる。
重い電子系の物理の醍醐味は、磁性体を超伝導体に変えることが可能なことである。例えば、反強磁性体のセリウム化合物に圧力を加えると、ネール点TNが圧力Ｐとともに減少し、やがてある臨界圧力PcでTN＝０が実現する（P→PcでTN→０）。この量子臨界点近傍は重い電子状態であり、通常のBCS超伝導とは異なる新しいタイプの超伝導が出現する。
バンド理論、磁性や超伝導の基礎から出発して、重い電子系の物理を解説する。講義内容の骨子は以下の通りである。
（１）バンド理論と金属、超伝導体、半導体の分類
（２）ｆ電子の結晶場効果と磁化率・磁化
（３）RKKY相互作用と近藤効果
（４）希土類・アクチノイド化合物の純良単結晶育成
（５）重い電子系の基本的性質
（６）圧力で磁性体を超伝導に変える
（７）超伝導の基本的性質と新しいタイプの超伝導
世話人山中による紹介文
強相関電子系においては、多数の電子の相互作用により様々な物性が発現することが知られています。
特に局在性の高いf電子間の強い斥力により有効質量が重くなった「重い電子系」は低温で磁気秩序を示したり、超伝導が発現したりと特異なふるまいを見せるため、多くの研究者が魅了されています。
今回講演をしていただく大貫先生は重い電子系物質に関する研究の第一人者であり、絶対零度でも磁気秩序しないCeCu6を発見した方でもあります。
講義では磁性や超伝導など固体物理の基礎から、重い電子系の特徴でもある圧力下でのふるまいまで多岐に渡って講演をしていただきますので、幅広い知識を身に付けることができるはずです！
また「趣味が単結晶を育成すること」とおっしゃるほど実験に情熱を注がれてきた先生の経験談を交えてお話いただく予定ですので、現在実験系の研究をされている方には是非受講していただきたいと思っています。
相関の強い電子系における超伝導
小形正男 先生 (東京大学大学院 理学系研究科物理学専攻 教授)
この講義では、電子相関の強い電子系を取り上げ、その基本的な問題、用いられる手法、得られる物理的な結果や描像について述べる。
対象となる物質は、高温超伝導体と、強相関の状態ではないかもしれないが比較の対象としての鉄系超伝導体、有機導体における超伝導体などである。
とくに１次元や２次元などの低次元電子系の特徴、モット絶縁体とそこにおけるスピン自由度・電荷自由度の振舞い。モット絶縁体にキャリアを導入した場合に予想される状態などについて考える。
さらに超伝導状態の一般的な議論とともに、強相関電子系において超伝導となる場合に、どのような特徴があり得るのか、相図上でどのような状態が可能であるか、超伝導発現のメカニズムとしてどのようなものがあり得るかなどについても考える。
いくつかの典型的な式や状態を見ながら、その絵解きを試みる。絶縁体などにおいては実空間描像がよいが、一方、金属や超伝導では波数空間描像がよい。両者の間をどのようにつなげればよいか考える。
したがって波数空間と実空間がよく分かっていること、2次元のフェルミ面や分散関係、エネルギーギャップなどが分かっていることが望ましい。
世話人藤本による紹介文
この講義を機に、超伝導を通して電子相関物性の理解を深めてみませんか？
電子はスピンと電荷とを持ったフェルミ粒子ですが、その各々の自由度が分離できる！と聞いて興味が湧いた人は、本講義を要チェックです。
講義までにテキストを眺めて、ちんぷんかんぷんでモヤモヤした状態のなか講義に挑みましょう。
霧が晴れるようにテキストに書かれている内容が見えはじめ、小形先生が講義し終わる頃には多様な電子相関が引き起こす物性の輪郭がくっきりと分かるようになっているでしょう。
電荷・スピン分離はほんの一部の話題で、弱相関から強相関まで幅広く扱う講義です。高温超伝導・鉄砒素系超伝導・有機超伝導体と金属、モット絶縁体など様々な物質や相を俯瞰的に学べます。
小形先生の講義を聞けば最低限の基礎知識で最大限に電子相関が織り成す物性を学べること請け合いです。
印象派物理学で描きだす身近に潜むシンプルな物理：しずく、あわ、真珠、クモの巣を題材として
奥村剛 先生 (お茶の水女子大学 理学部物理学科 教授)
物理を好むものは美しくてシンプルなものが好きだ。多くのことが一つの式から説明できてしまう。そんなことにわくわくする。
高校でニュートンの運動方程式を知り、そんな体験をはじめてして、大学に入ると、それまでばらばらに習っていた電気や磁気の法則がマクスウェルの式にまとまってしまうことを知る。
さらに、いろいろな意味で極限的な世界へ目を向けると、もはやわれわれの常識の通用しない驚くべき、そして美しくてシンプルな世界が広がっていることを知り、やはりわくわくする。例えば、量子力学では極微の世界、相対論では超高速の世界、統計力学では系を構成する自由度が無数の世界、そして、素粒子論では高エネルギーの世界を学んできたわけだ。
一方で、極限的な世界とは無縁に見える、日常目にする現象やさまざまなテクノロジーの開発現場で立ちはだかる泥臭い問題に対しては、美しくてシンプルなものを目指す物理学は無力なのだろうか？最近の研究を通して、私はそんなことはないのではないかと真剣に思い始めている。
「印象派物理学」の目を通してみると、実は、身の回りの世界にもシンプルな法則が転がっていることが分かり始めているからである。そして、ひとたびシンプルな法則が浮かび上がると、その裏には必ずシンプルで直感的な物理的理解が潜んでいることが明らかになる。そんなことも最近の研究で実感してきている。その様子は、臨界現象あるいはくりこみの理論のように現象を記述するパラメータが特定の値に近づくことでスケーリング法則が現れるさまにも似ている。
しかし、これらの法則のひとつひとつは、いままでの物理と違い、普遍的ではない。しかし、印象派物理学は方法論としては普遍的であり、無数の問題に適用できる可能性があり、物理学の無限の可能性を示唆する。しかも、現実の問題を解決するための指導原理を提示できる可能性も秘めている。
最近、私が研究室の学生とともにわくわくしながら体験してきた研究例を交えて、これらのことを示したい。講義内容は、これからさまざまな物性物理を目指す皆さんにとってもきっと役立つと思う。
講義では、基礎科学は芸術であり文化であることを強調したい。また、偉大な研究者たちが、いかに楽しみながら研究を行ってきたかについてもお話ししたい。
世話人多羅間による紹介文
「印象派の物理学」とは、数学的詳細に立ち入ることを意識的に避けることにより背景の物理を際立たせるという手法です。これはフランスのP.G. de Gennes教授を中心とした人々により構築され、その手法は液晶や高分子をはじめとするソフトマターの分野で成果を挙げてきました。
奥村先生は、１０年ほど前から、ソフトマターの分野でノーベル物理学賞を受賞したP.G. de Gennes教授と共同研究をされ、物理学における「印象派」の精神を直々に継承された方です。
本講義では、一見複雑で混沌として見える身近な現象に対して「印象派物理学」という視点からのアプローチについて、実際の研究例も交えてお話しいただく予定です。
量子測定理論入門
小澤正直 先生 (名古屋大学 情報文化学部 教授)
有限次元の状態空間をもつ量子力学系に対する測定で，可能な測定値が有限個の測定の一般論を解説します．
理論の展開は公理的な方法を用い，（射影仮説を含まない）少数の量子力学の基本原理と測定に関する自明な仮説から理論を演繹します．
測定理論に不可欠なPOVM や完全正値インストルメント等の数学的方法は，それらの自明性の高い基本仮説から理論の結論として導かれ，手っ取り早く高度な数学的道具を出発点に理論を展開する方法はとりません．
目標の一つは，それらの数学的方法が概念的に極めて堅固な基礎の上に打ち立てられていることを明らかにすることです．この方法の利点の一つは，物理的に可能な測定の全体を数学的に特徴付けることを可能にすることで，最適測定の特徴付けや測定による擾乱とのトレードオフなど究極的な限界を導くための方法論を提供します．
一つの応用として，ハイゼンベルクがガンマ線顕微鏡を用いて提案したような測定精度と擾乱の間の普遍的な関係を導きます．とりわけ，スピン測定における測定精度と擾乱の関係を詳しく調べ，測定精度と擾乱の反比例関係の破れや新しい関係の普遍性の検証について考察します．時間的余裕があれば，その関係の量子通信における秘匿性への応用についても触れる予定です．
必要な予備知識は，学部レベルの量子力学，線形代数，確率論，情報理論です．また，演繹的な方法に対する習熟を仮定しています．時間的制約のため，測定理論につきものの概念的諸問題に関する議論には講義の時間以外に対応する予定です．
世話人杉浦による紹介文
大学に入って量子力学を学んだ時、測定とは「波束の収縮」であるとか「射影演算子」だと教えられたものの、消化不良なままの人も多いと思います。量子測定理論とは、そんなブラックボックスである測定を、「何が何を見ているのか」明らかにする理論です。
そして今回来ていただく、小澤先生は、ハイゼンベルグの不確定性原理を超え、位置と運動量のゼロ誤差での測定が可能であることを明らかにしました。
量子測定理論が、光学や非平衡に適用され、他の分野に先駆け、物性の世界で実験され始めています。世界の見方を変える３日間にしましょう。
物質の電磁応答：ミクロからマクロへ
張紀久夫 先生 (阪大名誉教授・（元）豊田理研フェロー)
一つの階層構造に属する諸形式としてミクロからマクロに至る電磁応答理論を議論する．
まず量子電磁気学と古典電磁気学の間を埋める「微視的非局所応答理論」の導出と応用を述べ，それを長波長近似して本来あるべき「巨視的マクスウェル方程式と巨視的構成方程式」を導く．後者は一つの感受率テンソルで電気・磁気応答およびキラル対称効果を記述する一般的形式で，従来の巨視的理論の不備を補うものである．
序論
[ 電磁応答理論の階層構造，電磁場・物質・相互作用の Hamiltonian，微視的 vs 巨視的記述, 量子光学 vs 光物性 ]；
微視的非局所応答理論
[ 定式化，励起子ポラリトンの ABC 問題，ナノ物質の微視的応答，線形・非線形現象]；
巨視的局所応答理論
[ 問題提起，定式化，新しい巨視的マクスウェル方程式，分散方程式，巨視的境界条件，従来形式との比較，キラル感受率・磁気感受率の定義 ]
世話人挟間による紹介文
青い海、新緑の若葉など、私たちが日ごろ目にする物質の色や姿は、すべて、反射、散乱、吸収、発光といった物質と光の相互作用の結果によるものです。
物理学の世界では、このような物質の電磁応答を統一的に記述する枠組みとして、「マクロなMaxwell方程式」が伝統的に用いられてきました。しかし、この理論にはミクロな意味づけが不足しており、実用上も、一般的に用いられる境界条件だけでは、物質中を伝播する電磁波の性質がある条件下で決定できなくなってしまう（ABC問題）といった問題が生じています。
今回ご講演していただく大阪大学名誉教授の張紀久夫先生は、光物性理論の世界的権威として、物質と電磁場の相互作用のミクロな理論からその巨視的な振る舞いを説明する理論を長年にわたり研究されています。
講義では、マクロな電磁応答の理論の導出を進めると同時に、応答の局所性と非局所性に着目して先ほどのABC問題や最近も大変研究が盛んなナノ構造の電磁応答などの話題も扱っていただく予定です。
量子光学・光物性などの光物理が専門の方はもちろん、その他のすべての分野の方も、物理学が普遍的に持つ「ミクロとマクロ」という階層構造の一端を、未だに進化しつづける“電磁気学”を通して楽しむことができると思いますので、多くの方々の参加と活発な議論を心待ちにしています！
グラフェンの電子物性とナノスケール効果
若林克法 先生 ((独)物質・材料研究機構(NIMS) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(MANA))
グラフェンは、一原子層の炭素原子からなる蜂の巣格子シートである。
グラフェンの低エネルギー電子状態は、その結晶格子構造に由来して、質量ゼロ形式のディラック方程式で記述される。このため、半整数量子ホール効果、クライントンネリング現象、後方散乱の消失、強い反磁性効果など、半導体2次元電子系には見られない特異な物理特性が現れる。
また高い電子移動度や高い光透過率を有することから、電子デバイス応用への期待も集めている。
本セミナーでは、グラフェンの電子物性と最近の進展、さらに特異なナノスケール効果について、チュートリアルな講義を行う。また、可能であれば、最近のディラック電子系関連物質についての紹介も行う。
世話人江口による紹介文
物質中の電子の状態が相対論的な量子力学のデイラック方程式で表されるものをデイラック電子系とよびます。このような電子状態を持つ物質の代表例として、炭素原子が２次元の蜂の巣構造をしたグラフェンが挙げられます。このグラフェンは、その作り方が２０１０年度のノーベル賞を受賞する等、その軽さ・高い強度・伝導性に注目して近年理論・応用の両面から非常に研究が盛んな魅力的な物質でもあります。
今回はそんなグラフェンの理論に関して最前線で研究をされている若林先生に、基礎的な理論から応用に至る話題までを講義して頂きます。基礎理論に興味がある方も、応用面に興味がある方も、少しでも興味のある方は専攻にかかわらず是非受講してみてください。