前期 火曜日 ３講時. 単位数/Credit(s): 2. 担当教員/Instructor : 岩井 伸一郎. 学期/Semester: 前期. 開講年度/Year: 2024. 科目ナンバリング/Course code/number: SPH-PHY233J. 使用言語/Language Used in Course: 日本語.
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量子物性物理学講座（超高速分光分野）
原子分子物理学
Atomic and Molecular Physics
物質の電子（電荷、軌道、スピン）と電磁波である光との相互作用について、原子や分子およびその集合体である固体を舞台にして説明します。
前半は、原子や分子の電子状態と光の相互作用について、基本的な熱・統計力学、電磁気学、初等量子力学を用い、
主に下記の問題について概説します。
・なぜ量子論が必要なのか？
・原子や分子の構造
・物質（原子、分子、固体）の色と電子の波動関数の広がりの関係
・光と電子、スピンの相互作用
さらに後半では、
対象を固体（金属、絶縁体、磁性など）に拡げ、
光と物質の相互作用について学びます。また、物質の量子力学的な性質を応用した光デバイスである
発光ダイオードやレーザーの基礎のほか、超短パルスレーザーやテラヘルツ電磁波、光周波数コムなどの先端光技術およびそれを用いた光計測や物質の光制御（超高速光エレクトロニクス、光スピントロニクス）にも触れる予定です。
The basic principles of light-matter interactions not only for atomic/molecular systems but also for solid materials will be discussed.
In the former part, optical properties of atomic/molecular systems in terms of elementary electrodynamics, statistical physics , and quantum mechanics. Main subjects are shown below;
・Why is quantum mechanics necessary ?
・Electronic wavefunction and colors of matter
・Tight-binding theory (in solid state physics) and molecular orbital(in quantum chemistry)
・Electronic many body effect
・Spin-orbit interaction
Then, in the latter part, advanced laser technologies such as extremely ultrashort laser pulse, frequency comb. terahertz wave etc... and their application to material science will be introduced.
基本的な電磁気学、統計力学や初等量子力学の方法を用いて、原子、分子とその集合体である固体の電子状態とその光スペクトルを記述する方法を学びます。
The basic principle of light-matter interactions in solid can be understood.
第1回 講義内容説明
・物質の電子状態（物質中で電子はどのように振る舞うのか？）
: ・物質と光（物質はなぜ光を放出、吸収するのか？）
第2回 黒体輻射
・量子力学の必要性とPlanck の輻射式
第3回 原子の構造1
・光電効果、光の波動性と粒子性、物質波、Zeeman効果、原子の構造
・水素放電管、水素原子の構造（Laguerreの多項式と球面調和関数）
第4回 原子の構造2
・光学遷移（時間に依存する摂動論）と選択則、電気双極子遷移
第5回 原子の構造3
・多電子原子（電子のスピン、Slater行列式、Hartree-Fock近似、Hund則、スピン－軌道相互作用）
第6回 分子の構造1
・Born-Oppenheimer近似
・原子価結合法 （昇位と混成）
第7回 分子の構造2
・分子軌道法（LCAOとSCF-MO、Huckel近似、結合軌道と半結合軌道、ベンゼン
第8回 分子の構造3
・一次元分子鎖と分子の”色”
第9回 固体の電子状態
・ブロッホ状態
・強束縛近似と分子軌道法
・金属と絶縁体(半導体)の電子状態
・不純物半導体とPN接合
第10回
光学測定光：光源と測定方法
・電子スペクトルに対する原子の寄与（フランクコンドン原理、電子遷移、振動遷移）
代表的な光学遷移（可視光領域）の例
・結合－反結合遷移と電荷移動遷移
・配位子場理論
・磁気光学 光とスピン
第11回レーザー1
・反転分布と誘導放出
・共振器と発振現象
第12回 レーザー2
・レーザー動作のレート方程式
・極短パルスレーザー
・周波数コムとキャリアエンベロープ位相
・超短パルス光による物質の制御
1 Introduction What can be learned in this lecture ?
* Electronic structure of matters
*Light -matter interaction
2 Black body radiation,
*Planck's low Whys is the quantum theory necessary？
3 Atomic structure #1
*Photoelectric effect, Wave–particle duality of light, Material wave
*Hydrogen discharge tube、structure of hydrogen atom (Laguerre polynomial and spherical harmonics)
4 Atomic structure #2
*Optical transition （perturbation theory, electric dipole approximation, selection rule
5 Atomic structure #3
*Many-electron atom （Slater determinant, Hatree-Fock approximation, Pauli principle, Hund's rule, Spin-orbit interaction）
6 Molecular structure #1
*Born-Oppenheimer approximation, Valence bond theory（promotion、hybridization）
7 Molecular orbital #2
*Molecular orbital(MO): LCAO and SCF-MO、Huckel approximation, Benzene,1-D solid and HOMO- LUMO gap）
8 Molecular structure #3
*Color of matter; 1-D electronic system
9 Electronic structure of solids
*Nearly free electron approximation and Bloch state
*Tight-binding approximation and molecular orbital
*Metals and Insulators
*Electron-phonon interaction and electron correlation
10 Optical spectroscopy
*Light source and methods
*Frank-Condon principle, electronic transitions and vibrational transitions
*Typical optical transitions； d-d transition, charge transfer transition, bonding to antibonding transition
*Magneto-optics
11 Laser #1
*Population inversion and stimulated emission
*Cavity and oscillation
12 Laser #2
*Rate equation of laser emission
*Ultrashort pulse laser
*Frequency comb and carrier-ebvelope phase(CEP)
*Ultrafast spectroscopy
レポート(課題)
講義中に問題を出します。
Reports
特に指定しないが、参考書として
アトキンス 物理化学
ほか、一般的な電磁気学、量子力学、固体物理、光化学、光物性の教科書
（講義では具体例を挙げます。）
レポート（成績評価方法を参照）
Reports
クラスコード：nuxorpz