物性物理学Ａ

Condensed Matter Physics A

9962410

62PHCMP301

田村　雅史

Masafumi Tamura

2025年度前期

2025年度

①First semester

月曜5限

Monday 5th Period

創域理工学部　先端物理学科

Department of Physics and Astronomy, Faculty of Science and Technology

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

量子力学に基づいて，固体(結晶)の構造の起源と特徴を理解し，結晶中の電子の状態を学ぶ。
実験で測定される固体の物性が，電子状態からどのように生じているかを理解する。

電子状態（特にバンド構造）に基づいて，固体の示す電気伝導・磁性・比熱などの物理的性質（物性）とその温度変化の特徴を，金属・半導体・絶縁体・超伝導体の各場合に，説明できるようになる。
　これは，ディプロマ・ポリシーの
「1. 物理学は素粒子・原子から環境・宇宙までのあらゆるスケールの現象に法則性を見出すことで成り立っていることを踏まえ、自由に物事を見渡して本質を見通すことができる。
2. 物理法則の確実な理解（基礎学力）と体系的な専門知識を有し、それを応用できる。」
に該当する。

金属・半導体・絶縁体・超伝導体の違いを物理的に理解する。
特に，バンド理論が適用できる場合の，バンドの起源，バンド内電子の挙動とそれによる物性を説明できるようになる。

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/​​​

「電磁気学」「量子力学」「振動と波動」「熱力学」「統計力学入門」の内容を理解していること（数式を覚えていることだけではない）。「化学A・B」の内容も一部参考になる。
この授業は，後期の「物性物理学B・C」「物理学特別講義３−Ａ」の修得の前提になるほか，「物理学実験３A・B」の半導体・超伝導・X線回折・磁気共鳴などにも密接にかかわるので，それらとの関連を意識すること。

小テストの実施　Quiz type test

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授業資料や次回予告に予め目を通し，関連する「量子力学」「振動と波動」「電磁気学」「熱力学」「統計力学」「物理学実験」の題材を見直しておく。（1回の授業につき1時間程度が目安）
授業は，約３回で区切れる内容となっているので，約３回に１回は，全体の関連に留意しながら，内容を整理して頭に入れるよう，じゅうぶん復習すること。（３回の授業につき3〜5時間程度が目安）

授業内オンライン試験と到達度評価試験（およそ50 % ずつ）により評価する。

・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

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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://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/

・一読を薦めたいのは，長谷川修司「トポロジカル物質とは何か」（講談社ブルーバックス，2021年刊）で，三部構成の第I部と第II部では，物性物理学の歩みを踏まえつつ，電子物性の要点がバンド理論まで説かれ，第III部でこの授業の最後に出てくる量子位相の物性現象が語られる。現代的視点で物性物理学を概観する好著といえる。
・古くから知られている固体物理学の教科書として，C.Kittel著「キッテル固体物理学入門」宇野,津屋,新関,森田,山下共訳（丸善）。
・結晶構造や回折結晶学については，「物理学実験３」の「X線回折」のテキストも利用できる。

すべての授業を対面で実施する。以下の番号は内容・順序の整理上の目安で、必ずしも授業回と一致するものではない。
1.　結晶構造の分類（イオン結晶・分子結晶・共有結合結晶ほか，
　　　　　ブラベー格子：面心・体心格子などと空間群，層状構造など具体例）
2.　結晶構造の対称性と回折結晶学（ラウエ条件，エヴァルト球，消滅則，フーリエ合成）
3.　原子の構造と電子状態の復習 （s軌道，p軌道, d軌道...），
　　　　　原子間力の種類(1) （イオン間静電力，双極子間相互作用）
4.　原子間力の種類(2) （共有結合力，配位結合，水素結合など），
　　　　　結合の量子力学的起源と分子軌道，電子対
5.　分子軌道と対称性（回転対称性，周期性）
6.　１次元結晶の周期構造のもつ電子状態（バンド理論），有効質量とホール
7.　バンドギャップの起源，自由電子モデル・結合電子モデルとの対比
8.　３次元結晶のバンドとフェルミ面，逆格子とブリルアンゾーン
9.　格子振動の物性（格子振動＝フォノンの比熱，音速，光吸収など）
10.　金属と半導体のバンド電子による電気伝導
11.　半導体のpn接合
12.　金属絶縁体転移，電子相関とスピン
13.　スピンと磁気秩序（相関・秩序・エントロピー），一重項対形成
14.　量子位相のかかわる物性，超伝導とベリー位相，AB効果
15.　到達度評価　　試験と総括・講評

2000-2008年に理化学研究所（分子物性）で物性化学研究に従事した実績とエックス線作業主任者（2015年4月委嘱）の経験を活かして授業をおこなう。

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