固体電子構造特論

Advanced course on the electronicstructure of solids

991FD58

15PHCMP507

齋藤　智彦

Saitoh, Tomohiko

2024年度前期

First Semester, 2024

火曜2限

2nd period, Tuesday

理学研究科　応用物理学専攻

Department of Applied Physics, Graduate School of Science

2.0単位

講義

Lecture

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⑤ [対面]ブレンド型授業/ [On-site] Blended format (must include 50%-or-more classes held on-site)

遷移金属化合物で見られる、複雑な磁性・高温超伝導・金属絶縁体転移・巨大磁気抵抗効果といった異常な或いは有用な物性を解明する、或いは応用する上で、固体の電子構造の理解は必要不可欠である。また、遷移金属化合物に限らず、単体金属・合金・半導体等の物質群についても、電子構造の理解と物性の理解或いは応用は直結していることは言うまでもない。そこで本講義は、固体の電子構造について、（１）原子から分子、固体へという考え方と周期性のある結晶中の電子に電子相関を考慮してゆく、という2つの見方でその基礎知識の解説を行った後、（２）電子構造研究の実験手法の解説を行い、（３）最後の3回は強相関電子系の例である遷移金属酸化物の電子構造の系統性を解説する。（３）は各論も議論する。講義全体を通じて、系統性を重視し、固体を扱うすべての大学院生に役立つ知識を提供する予定である。

Understanding the electronic structure of solids is necessity for those who want to elucidate and/or make use of the unusual and useful properties of transition-metal (TM) compounds such as complex magnetism, high-Tc superconductivity, meta-insulator transitions, and colossal magnetoresistance. Not only of TM compounds, understanding the electronic structure and understanding/application of elemental metals, alloys, semiconductors, etc. are closely related to each other. Based on this background, this course deals with the electronic structure of solids in the following way: (1) explaining the electronic structure of an atom, a molecule, and a solid, and then introducing electron correlation into a crystal. (2) explaining experimental methods for electronic-structure studies. (3) explaining the systematics of the electronic structure of TM oxides including individual topics, probably spending the last 3 lectures. The course puts emphasis on various systematics in electronic structure, which will be useful for all the grad students who study solids.

固体の電子構造の基礎知識を理解することで、自分にとって未知の化合物、特に遷移金属酸化物の電子構造を推定し、その電気伝導性・磁性を推定できるようになる。
　なお本科目は、本専攻のディプロマポリシー（修士課程）に記述される(1)の能力を身に付けるためのものである。

With acquiring the basic knowledge of the electronic structure of solids, a student will be able to speculate the electronic structure, conductivity, magnetism of an unknown transition-metal oxides.
   A part of the aim of this course is to let the student have the abilities of (1) in the diploma policies of the master course.

(1) 原子・分子の電子構造を扱う手法の概略を説明できるようになる。
(2) 結晶中の電子構造を扱う手法の概略を説明できるようになる。
(3) 電子相関とは何か、その概略を説明できるようになる。
(4) 電子構造研究のための実験手法を挙げ、その概略を説明できるようになる。
(5) 未知の遷移金属酸化物の電子構造と磁性・電気伝導性を推定できるようになる。

Students who take this course will be able to
(1) summarize the methods to deal with the electronic structure of atoms and molecules.
(2) summarize the methods to deal with the electronic structure in crystals.
(3) summarize what the electron correlation is.
(4) raise experimental methods for electronic-structure studies and summarize them.
(5) speculate the electronic structure, conductivity, and magnetism of an unknown transition-metal oxides.

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

理学部応用物理学科「量子力学2」「固体物理D」（あるいはこれらに相当する科目）の知識は前提とするので、必要に応じて復習しておくこと。

Knowledge and skills in the undergrad courses "Quantum Mechanics 2" and "Solid State Physics D" in Department of Applied Physics (or equivalent lectures) are necessity.

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準備学習：参考書の該当部分について毎回2時間程度。
復習：毎回2時間程度。

Preparation: 2 hours for each lecture, probably using reference books.
Reviewing: 2 hours for each lecture.

学期末の到達度評価レポートによる。

The final term paper.

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

電子構造・電子相関についての院生向けの参考書：
　(1) R. M. マーチン「物質の電子状態　上・下」（シュプリンガージャパン）
　(2) 藤森淳著「強相関物質の基礎」（内田老鶴圃）
　(3) 斯波弘行著「新版　固体の電子論」（和光システム研究所）
　(4) 金森順次郎・米沢富美子・川村清・寺倉清之　著「固体−構造と物性」（岩波書店）
酸化物各論：
　(5) 津田惟雄・那須奎一郎・藤森淳・白鳥紀一　著「電気伝導性酸化物」（裳華房）
電子分光・放射光：
　(6) 小林俊一編「物性測定の進歩II−SQUID, SOR, 電子分光」（丸善）
　(7) 日本表面科学会編「X線光電子分光法」（同）

References for the electronic structure and electron correlation:
   (1) R. M. Martin, "Electronic Structure -Basic Theory and Practical Methods-", Cambridge University Press (2004).
   (2) A. Fujimori, "Basics of Strongly Correlated Materials", Uchida Rokakuho (2005) (in Japanese).
   (3) H. Shiba, "Electron Theory in Solids" (in Japanese).
   (4) J. Kanamori, F. Yunezawa, K. Kawamura, and K. Terakura, "Solids -Structure and Physical Properties", Iwanami Shoten (1994) (in Japanese).
References for transition-metal oxides:
   (5) N. Tsuda, K. Nasu, A. Fujimori, and K. Siratori, "Electronic Conduction in Oxides", Springer (2000).
References for electron spectroscopies and synchrotron radiation
   (6) S. Kobayashi ed., "Advances in measurements of physical properties II -SQUID, SOR, Electron spectroscopies", Maruzen (in Japanese).
   (7) Surface Science Society of Japan ed., "X-ray Photoelectron Spectroscopy", Maruzen (in Japanese).

1　固体の電子構造の概観
内容：固体の電子構造の概観的知識を獲得する。

2　多電子を含む1原子の電子構造(1)
内容：水素原子の波動関数を復習し、多電子系の場合に使うHartree-Fock近似を理解する。

3　多電子を含む1原子の電子構造(2)
内容：Hartree-Fock近似で扱えない電子相関を取り入れるための多重項理論の基礎知識を獲得する。

4　分子の電子構造(1)
内容：原子が有限個集まって作る分子の電子構造を、Heitler-London法を用いて理解する。

5　分子の電子構造(2)
内容：原子が有限個集まって作る分子の電子構造を、分子軌道法を用いて理解する。

6　結晶におけるバンド理論
内容：周期性のある系、即ち結晶中での電子のエネルギーバンドについて復習する。

7　電子ガスと電子相関(1)
内容：相互作用する電子の集団における電子相関効果についての基礎知識を獲得する。

8　電子ガスと電子相関(2)
内容：フェルミ流体論の概要を理解する。

9　密度汎関数法と局所密度近似
内容：現代のバンド構造計算で通常用いられる密度汎関数法と局所密度近似についての基礎知識を獲得する。

10　電子相関を取り入れた理論モデル
内容：Anderson (Lattice/Impurity)、Hubbard、t-J、Kondo latticeモデルの概要とモデル間の関係について理解する。

11　電子構造研究のための実験手法(1)
内容：電子構造研究のための実験手法である、光電子分光法についての基礎知識を獲得する。

12　電子構造研究のための実験手法(2)
内容：電子構造研究のための実験手法である、逆光電子分光法・軟X線吸収分光法、光吸収分光法についての基礎知識を獲得する。

13　遷移金属酸化物の電子構造の系統性(1)
内容：遷移金属酸化物の電子構造を系統的に理解するために、クラスターモデルとその電子構造パラメーターについて基礎知識を獲得する。

14　遷移金属酸化物の電子構造の系統性(2)
内容：電子構造パラメーターの系統性とZSA図を理解する。

15　遷移金属酸化物の電子構造の系統性(3)
内容：これまでの講義内容を具体的な遷移金属酸化物に応用し、その基本的電子構造が推測できるようになる。


1 Overview of the electronic structure in solids
Objective: To acquire overview knowlege on the electronic structure in solids.

2 Electronic structure of a single atom with multiple electrons (1)
Objective: To review the wave functions in a hydrogen atom and to understand the Hartree-Fock approximation applied to many-electron systems.

3 Electronic structure of a single atom with multiple electrons (2)
Objective: To acquire basic knowledge of multiplet theory, which can deal with electron correlation beyond Hartree-Fock approximation.

4 Electronic structure of a single molecule (1)
Objective: To understand the electronic structure of a single molecule using Heitler-London method.

5 Electronic structure of a single molecule (1)
Objective: To understand the electronic structure of a single molecule using the molecular orbital method.

6 Band theory in crystals
Objective: To review the electron energy band in crystals

7 Electron gas and electron correlation (1)
Objective: To acquire basic knowledge of electron correlation in an interacting many-electron system.

8 Electron gas and electron correlation (2)
Objective: To acquire basic knowlege of Fermi liquid theory.

9 Density functional theory and local density approximation
Objective: To acquire the density functional theory and the local density approximation, usually used in standard band-structure calculations.

10 Theoretical models including electron correlation
Objective: To acquire basic knowledge of Anderson (Lattice/Impurity), Hubbard, t-J, Kondo lattice models and their relationship.

11 Experimental methods for electronic-structure studies (1)
Objective: To acquire basic knowledge of photoemission spectroscopy, an experimental method for electronic-structure studies.

12 Experimental methods for electronic-structure studies (2)
Objective: To acquire basic knowledge of invserse-photoemission spectroscopy, soft x-ray absorption spectroscopy, and optical absorption spectroscopy, experimental methods for electronic-structure studies.

13 Systematic variation of the electronic structure in transition-metal oxides (1)
Objective: To acquire basic knowledge of the cluster model and its electronic-structure parameters in order to systematically understand the electronic structure of TM oxides.

14 Systematic variation of the electronic structure in transition-metal oxides (2)
Objective: To understand the systematics of the electronic-structure parameters and ZSA diagram.

15 Systematic variation of the electronic structure in TM oxides (3)
Objective: To be able to speculate the basic their electronic structure of several TM oxides by applying the course contents to them.

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