電子物性特論１

Advanced Lectures on Solid State Physics 1

998B216

81ELPRS501

常盤　和靖

Kazuyasu Tokiwa

2026年度前期

2026年度

②Second semester

月曜1限

Monday/1st Period

先進工学研究科　電子システム工学専攻

Department of Applied Electronics, Graduate School of Advanced Engineering

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

本講義では、固体における代表的な電子物性として、①光学的性質、②磁性、③超伝導を体系的に学ぶ。電磁気学および電子論を基礎として、微視的電子状態と巨視的物性との関係を理解する。

This course provides a systematic understanding of three major electronic properties of solids: (1) optical properties, (2) magnetism, and (3) superconductivity. Based on electromagnetism and electronic theory, the relationship between microscopic electronic states and macroscopic properties is examined.

この科目の目的はエレクトロニクスの基礎及び専門の知識を基盤として、高度な研究を行うために必要となる深い知識を身に付け、専門的な研究を行うための能力を身に付ける事である。

The purpose of this subject is to acquire the deep knowledge necessary for advanced research and the ability to perform specialized research based on the fundamentals and specialized knowledge of electronics.

固体における光学的性質、磁性、超伝導を理解するために必要不可欠な電磁気学および電子論の基礎を修得し、電磁場に対する物質の巨視的応答と微視的電子状態との関係を体系的に理解することを目標とする。

The aim is to acquire the fundamentals of electromagnetism and electronic theory that are essential for understanding optical properties, magnetism, and superconductivity in solids, and to systematically understand the relationship between microscopic electronic states and the macroscopic response of matter to electromagnetic fields.

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事前に、参考書等を使って関連する内容を調べ、要点をまとめておくこと。また、復習として、板書や参考書を利用して、講義の内容をまとめておくこと。
　
Investigate the relevant contents using a reference book etc. and summarize the main points in advance .Also, surmalrize the contents of the lecture using a board book or reference book as a review.

試験(60%)およびレポート(40%)

Exam (60%) and Report (40%)

・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/​​​

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青木昌治著｢電子物性工学｣ｺﾛﾅ社
ｷｯﾃﾙ著｢固体物理学入門上｣丸善
矢口裕之著「初歩から学ぶ固体物理学」講談社
小池洋二著「超伝導　直感的に理解する基礎から物質まで」内田老鶴圃

第1回　ガイダンスと講義全体の構成

講義の全体構成と評価方法を説明し、光学・磁性・超伝導が「電磁場に対する物質の応答」という共通視点で結ばれていることを示す。

第2回　真空中および物質中の電磁波

マクスウェル方程式から真空中の電磁波を導出し、物質中の電磁波へ拡張する。誘電率と透磁率の意味を理解する。

第3回　複素誘電率と光学定数

複素誘電率と複素屈折率を導入し、吸収係数や反射率との関係を整理する。

第4回　絶縁体および導体の光学応答

ローレンツモデルとド・ルーデモデルを用いて、絶縁体と金属の光学応答を理解する。

第5回　バンド間遷移による光吸収

バンド構造に基づく光吸収を議論し、直接遷移・間接遷移やバンドギャップとの関係を理解する。

第6回　固体の磁性に関する基礎事項

磁気モーメント、磁化、磁化率の定義を整理し、磁性の量子力学的起源を概観する。

第7回　原子およびイオンの常磁性

ブリルアン関数とキュリー則を導出し、温度依存性を理解する。

第8回　ラーモア反磁性およびパウリ常磁性

軌道由来の反磁性とフェルミ統計に基づく常磁性を議論する。

第9回　ランダウ反磁性

ランダウ準位を導入し、金属の磁化率が複数の寄与から成ることを示す。

第10回　強磁性および反強磁性

交換相互作用とハイゼンベルク模型を導入し、分子場近似によりキュリー温度・ネール温度を議論する。

第11回　超伝導の基本現象

永久電流、マイスナー効果、磁束量子化を扱い、超伝導を巨視的量子状態として理解する。

第12回　ロンドン理論と磁場侵入長

ロンドン理論により磁場の指数減衰を導出し、侵入長を導入する。

第13回　GL理論と秩序パラメータ

GL自由エネルギーとGL方程式を導入し、コヒーレンス長を理解する。

第14回　第一種超伝導体と第二種超伝導体

磁場応答の違いに基づき、第一種と第二種超伝導体を分類する。

第15回　到達度評価と総括
到達度評価を実施し、講義内容の理解度および応用力を確認する。 

1. Guidance and Course Structure
 The course structure and grading policy are introduced. The connection among optics, magnetism, and superconductivity is clarified within the common framework of electromagnetic response.

2. Electromagnetic Waves in Vacuum and Matter
 Electromagnetic waves are derived from Maxwell’s equations and extended to matter. The roles of permittivity and permeability are examined.

3. Complex Dielectric Function and Optical Constants
 The complex dielectric function and complex refractive index are introduced, and their relationships to absorption and reflectivity are discussed.

4. Optical Response of Insulators and Conductors
 The Lorentz oscillator model and the Drude model are introduced to explain optical responses of insulators and metals.

5. Interband Optical Transitions
 Optical absorption based on electronic band structure is discussed, including band gaps and direct/indirect transitions.

6. Fundamental Concepts of Magnetism
 Magnetic moment, magnetization, and susceptibility are defined, and the quantum mechanical origin of magnetism is introduced.

7. Paramagnetism of Atoms and Ions
 The Brillouin function and Curie’s law are derived to describe temperature dependence of magnetic susceptibility.

8. Larmor Diamagnetism and Pauli Paramagnetism
 Orbital diamagnetism and Pauli paramagnetism based on Fermi statistics are discussed.

9. Landau Diamagnetism
 Landau quantization is introduced to analyze spin and orbital contributions to magnetic susceptibility in metals.

10. Ferromagnetism and Antiferromagnetism
 Exchange interaction and the Heisenberg model are introduced. Curie and Néel temperatures are discussed within the molecular field approximation.

11. Fundamental Phenomena of Superconductivity
 Persistent current, the Meissner effect, and flux quantization are introduced, presenting superconductivity as a macroscopic quantum state.

12. London Theory and Magnetic Penetration Depth
 London theory is developed to explain the exponential decay of magnetic fields and introduce the penetration depth.

13. Ginzburg–Landau Theory and Order Parameter
 The GL free energy and GL equations are introduced, along with the concept of coherence length.

14. Type I and Type II Superconductors
 Superconductors are classified into Type I and Type II based on their magnetic-field responses.

15. Final Assessment and Review
A final assessment is conducted to evaluate students’ understanding and ability to apply the course content.

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