物性論２Ｃ

Solid State Physics 2C

9912215

12PHCMP305

徳永　英司

Tokunaga Eiji

2025年度後期

2025年度

②Second semester

火曜2限

Tuesday  2nd period (10:30-12:00)

理学部第一部　物理学科

Department of Physics, Faculty of Science Division Ⅰ

1.0単位

講義

Lecture

-

① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

光と物質の相互作用は多彩な現象を引き起こし、現代社会に必須の光電子工学の基礎となっている。例えば、光のエネルギーは物質を電子励起するエネルギーと等しいことから、可視光で観測できる世界は物質の電子的性質を反映している。光と物質の相互作用を学習することで、これらのことを実感として理解してもらうことが講義の目標である。話は必ずしも固体に限定せず、できるだけ具体例を挙げながら、物質の光学的性質について重要な概念を中心に講義する。
物性論２Ｃで　光と物質の相互作用　物性論３Ｃで　物質の電子状態と光学遷移 　を扱う。

2025年度は山下恭平先生が嘱託特別講師になり物性論3Cを担当するため、従来の2Cと3Cの内容を四半期で行う。
盛り沢山だが、コロナ対応による遠隔授業で板書内容をすべて電子化し、動画も記録しているため予習・復習に困難のない授業になると思う。

本授業は物理学科のディプロマ・ポリシー項目2に定める「物理学の高度な専門知識」を
身に付けるための科目である。 また、物理学科ルーブリックの評価軸2の「専門学力」の項目
に該当する科目である。

2C
光と物質の相互作用の物理学を理解する。

3C
物性論2Cで学んだ光と物質の相互作用の物理学を踏まえて、具体的な物質の電子状態と光学遷移の物理学を理解する。

物性論2C　光と物質の相互作用の物理学を理解する。
・光学定数（屈折率や吸収係数）の物理的起源（光と物質の相互作用）を理解し、光学定数を使って物質の光学的性質を記述できる。　
・誘電率に周波数依存性（分散）があるのはなぜか、Ｋ−Ｋの関係式がなぜ成り立つかを理解する。
・光と物質の相互作用を力学振動子モデルに基づいて記述し、誘電関数を計算できる。
・光を古典的な電磁波、物質を量子力学的波動関数で扱い、光と物質の相互作用を量子論的に理解し、振動子強度、光学遷移の選択則の物理的意味を理解する。

物性論3C   物性論2Cで学んだ光と物質の相互作用の物理学を踏まえて、具体的な物質の電子状態と光学遷移の物理学を理解する。
・簡単な分子から結晶まで、分子軌道法（強束縛近似）による扱いで物質の電子状態（波動関数）を導くことができ、　その光学特性（遷移エネルギー、吸収強度）を波動関数を使って計算できる。
・絶縁体・半導体の価電子帯、伝導帯の波動関数の対称性の起源を理解し、光学遷移が可能（許容）であることを理解する。
・電子励起に伴って格子構造が変化する電子格子相互作用を理解する。

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/​​​

物性論1A, 1Bを履修していることが望ましいが、できるだけそれらを前提としないで講義する。

学科Webサイトにある物理学科カリキュラム
https://www.tus.ac.jp/academics/subject_system/files/ri1_phy_fac_system_2024.pdf
を見て、物性論２Cがどのように他のコア科目と関連しているか？を把握すること）

-

-

公開する授業内容の電子ファイル、説明動画による予習・復習を推奨する。

複数回の提出課題で評価する。

・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

N

-

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://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

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

櫛田孝司　光物性物理学　朝倉書店（推奨）
工藤恵栄　光物性基礎　　オーム社
Yu&Cardona, Fundamentals of Semiconductors, Springer

物性論2C

授業計画   光と物質の相互作用
第１回　　ガイダンス　光物性とは何か
光物性を学ぶ意義を考える。

第２回　　分光スペクトルの単位、複素屈折率と吸収・反射、誘電率の分散の古典論
複素屈折率・複素誘電率と吸収・反射の関係がわかる。光と物質の相互作用を表す力学振動子モデルに基づく誘電関数を導ける。

第３回　 分極と感受率、振動子強度、屈折率の起源(分極によってなぜ光速は遅くなる？)
物質中への入射電磁波が分極を起こし、その分極が2次電磁波を放出し、入射電磁波とコヒーレントに重ね合わされて屈折率や吸収・誘導放出の原因となることを理解する。

第４回　静的・光学的誘電率(LSTの関係)、金属のドルーデモデル 　
複数の共鳴周波数がある実際の物質の誘電関数の広い周波数範囲にわたる特徴を理解する。
金属反射の原因について理解する。

第５回　ポラリトン
群速度と位相速度の違いを理解する。
電磁波と分極波の連成波としてのポラリトンから、誘電関数を理解する。

第６回　応答関数と分散、Kramers-Kronigの関係式
誘電率に周波数依存性(分散)があるのはなぜかを時間領域の応答関数から理解する。
因果律からＫ−Ｋの関係式が成り立つことを理解する。

第７回　誘電率の分散の量子論（半古典論）
光を古典的な電磁波、物質を量子力学的波動関数で扱い、光と物質の相互作用の量子論的理解を得る。振動子強度、光学遷移の選択則の物理的意味を理解する。

第８回　誘導吸収・放出、自然放出、レーザー
レーザーの基礎を理解する。

（コロナ対応による遠隔授業で板書内容をすべて電子化したため、上記の内容だけだと時間が余るので、適宜学んだ内容と関連のある徳永研における研究についても紹介する。）
2025年度は、徳永研研究例は興味のある人に動画を視聴してもらう予定。

物性論3C

授業計画　　物質の電子状態と光学遷移
第１回　　簡単な分子の電子状態と光学遷移 　分子の自由電子モデル
多原子分子を井戸型ポテンシャルの自由電子モデルで記述し、その光学特性（遷移エネルギー、吸収強度）が電子波動関数を使ってどのように計算できるかを理解する。

第２回　　分子軌道法(強束縛近似)、線状多原子分子(1準位同種分子)
結晶の電子構造を強束縛近似で解いて光学特性を予言するために、結晶を構成する原子・分子の電子波動関数が結晶の電子状態の対称性を決めることが理解しやすい分子軌道法を導入。ヒュッケル法で1準位同種分子の電子状態を解ける。

第３回　　環状多原子分子(1準位同種原子)　固体の電子状態と光学遷移
周期的境界条件の簡単な例として環状４原子分子の電子状態を導ける。
固体結晶の電子状態、特にバンド間遷移の特徴を理解する。

第４回　２準位異種２原子分子 　その周期配列(1次元結晶)
化合物半導体 の電子構造を2準位異種2原子分子の周期配列の1次元結晶から理解する。価電子帯、伝導帯の波動関数の対称性の起源を理解し、光学遷移が可能（許容）であることを導く。

第５回　バンド間遷移の選択則、吸収係数
絶縁体・半導体のバンド間遷移による吸収スペクトルが振動子強度と状態密度によって決まっていることを理解する。

第６回　分子構造と吸収スペクトル
同じ電子状態でも、分子構造（骨格）が異なると、吸収スペクトルも変化することをシスピークの例で理解する。

第７回　電子格子相互作用
電子基底状態から電子励起状態へ光励起して電子状態が変化することで分子構造が変化する、電子格子相互作用の一般論を理解する。

第８回　蛍光と燐光　非線形光学入門
蛍光と燐光の違いを理解する。光と物質の線形相互作用の非線形光学へのつながりを理解する。

-

-

-

N

N