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本講義では磁性を中心とした固体中の電子相関に関する基本的な事項について、局在・遍歴の両視点から解説する。具体的な物質群としてd電子系、f電子系を取り上げるが、あえてd電子系を局在の立場から、f電子系を遍歴の立場から眺めることで、これら強相関電子系の理解を深める。
This course provides a basic understanding of electron correlation in solids, focusing on magnetism. The lecture explains the subject from both localized and itinerant perspectives. Specific material groups such as d-electron and f-electron systems are discussed, with d-electron systems viewed from a localized perspective and f-electron systems from an itinerant perspective. This approach enhances the understanding of these strongly correlated electron systems.
凝縮系物質の電子状態の基礎を復習し、放射光を用いた光電子分光および赤外分光、それらのその応用研究について学習する．特に，有機半導体、強相関有機導体、強相関f電子系化合物などのトピックスについて講義する。強相関電子系と関係して、ｓ、ｐ、ｄおよびｆ電子系で発現する様々な現象とその背景にある物理現象を理解する。
We revisit the basics of electronic states of condensed matters and learn the experimental techniques such as photoemission spectroscopy and infrared spectroscopy using synchrotron radiation sources. Hot topics for organic transistors, heavy-fermion systems, and organic conductors will be discussed. Various interesting phenomena arising from s, p, d and f electron systems as well as the physics behind them will be introduced.
π電子系として知られる分子性物質は，d電子系，f電子系である無機化合物と並んで固体電子物性の標準的な研究対象として認識されている．その基礎として，しばしば100 個を超える原子が単位胞に存在する結晶構造の複雑さとは裏腹に，出発点となる電子構造が簡単な強束縛近似で表され単純である．一方で，強相関電子系としての強い電子間相互作用や電子－格子相互作用の効果が合わさることで多様な電子物性や磁気的性質が出現する．本授業では，分子が構成要素となった固体である分子性物質，とくに電気伝導性を示す分子性導体を既習の固体電子論のモデル物質として取り上げ，その電子物性と関連する磁性現象について学び，理解を深める．さらにいくつかの研究トピックスを紹介し，その物理的な意味と重要性を学ぶ．
なお2023年度開講の磁気物理学特論－分子性物質の電子的・磁気的物性－と重複する内容を含むため，2023年度磁気物理学特論受講者は履修においては留意すること．
This course covers the electronic and magnetic properties with strongly correlated nature in the molecular materials. A series of molecular conductors is regarded as one of the strongly correlated electrons system. This course provides an overview of the electronic and magnetic properties observed in molecular materials as a model system in the text book of the solid state physics. Based on the general consideration studied in the first half of the course, several research topics on the intriguing electronic and magnetic phenomena which are actively studied at present are explained for understanding the physical meaning and importance in the condensed matter physics.
Note that this course in 2024 includes overlaps with Advanced Magnetic Physics -Electronic and Magnetic Properties of Molecular Materials-, which will be offered in 2023, so students taking Advanced Magnetic Physics in 2023 should be aware of this.
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.
固体電子論(結晶構造、フォノン、自由電子、バンド構造など)の基礎を復習し、金属・半導体・超伝導体における電子論や、光電子分光などの電子状態を観測する実験手法について学習する。さらに、凝縮系物理学における最近のトピックスである、トポロジカル絶縁体、高温超伝導体、原子層物質などにおいて発現する様々な特異物性と、その背後にある電子構造との関連について理解する。
We revisit the basics of condensed-matter physics such as crystal structure, free electrons, and energy band structure, and learn electron dynamics of metals, semiconductors, and superconductors. We also study basic principle of key experimental techniques to prove electronic structure, such as photoelectron spectroscopy. Unusual physical properties of topological insulator, high-temperature superconductor, and atomic-layer materials, and their relationship with underlying electronic states will be introduced.
光と物質の相互作用において、光の強度が十分に弱い場合、物質の光に対する応答は、光強度には依存しない。太陽光や蛍光灯の下での物質の色や光沢は、このような「線形応答」の枠内で理解できる。しかし、レーザー光のようなの高い電場強度をもつ光に対しては、光電場の二次以上に比例する分極の効果が現れる。本講義では、非線形吸収や高調波発生(第二高調波発生、光整流)などの非線形光学効果の基本的な事項について学習する。さらに、近年のアト秒科学（2023年度ノーベル物理学賞）に至る超短パルスレーザー技術の発展は、光のエネルギーによって物質の温度が上昇する（あるいは熱によって物質は損傷する）遥か以前に、物質に強電場を印加することを可能にした。こうした最先端の光技術によって実現した、”非熱意的な”高エネルギー状態は、物質科学の研究を新たなフェーズに移行させつつある。ここでは、量子物質（超伝導体などの電子の量子効果や量子多体効果が支配する物質）の光・テラヘルツ制御（光誘起相転移、高次高調波発生、光強電場効果）についても紹介する。
In light-matter interactions, the response of a material to light is independent of light intensity if the light intensity is weak. The color and gloss of materials under the sun can be understood within the framework of such a 'linear response'. However, for light with a high electric field intensity, such as laser light, light-induced polarizations are proportional to more than the second order of the optical electric field. In this lecture, the basic topics of non-linear optical effects such as non-linear absorption and harmonic generation (second harmonic generation, optical rectification) will be studied. Furthermore, recent developments in ultrashort pulsed laser technology leading to attosecond science (Nobel Prize in Physics 2023) have made it possible to apply a strong electric field to materials before the temperature of the matter is increased by the energy of light (or the materials is damaged by heat). These 'non-thermal' high-energy states, made possible by state-of-the-art light technology, are moving materials science research into a new phase. Here, the optical (or terahertz field) control of quantum matter (photoinduced phase transitions, higher harmonic generation and photo-intense electric field effects) in quantum matter (matter dominated by quantum effects of electrons and quantum many-body effects, such as superconductors) will also be presented.
磁性及び超伝導は、物質中の電子が織りなす集団的な量子現象であり、いずれもその本質は電子の相互作用にある。この授業では、磁性と超伝導の基礎について微視的、巨視的な観点から解説し、物質中の電子の振舞いがいかにして物性を決定づけているかを学ぶ。
Magnetism and superconductivity are collective quantum phenomena of electrons in materials, and their essence lies in the interaction of electrons. In this course, basic concepts of magnetism and superconductivity will be explained from both microscopic and macroscopic perspectives, and students will learn how the behavior of electrons in matter determines their physical properties.
古典的電磁気学によると、磁束の変化によって電場が生じるファラデーの法則や電場の変化によって磁場が生じるアンペールマクスウェルの法則といった形で電気と磁気の相関が生じる。しかしながら、物質中では電気の源は電子が持つ電荷で磁性は電子のスピンによって担われており両者はより強く結びついている。特に、磁性体中での電子は対称性の破れやトポロジーの効果などが働くと、電気と磁気が相関した非自明な応答がしばしば発現する。この授業では、磁性誘電体における電気磁気相関や遍歴磁性体におけるトポロジカルホール効果、電流誘起磁気トルク、弾性波伝搬におけるトポロジーや対称性の破れの効果などを学び、磁性体における電気磁気相関の現代的理解を習得することを目指す。
According to classical electromagnetism, an electric field is induced by the change of magnetic flux (Faraday law), and a magnetic field emerges owing to a change of electric fields (Maxwell-Ampere law). In materials, electricity and magnetism are dominated by, respectively, the charge and spin of electrons, which are therefore closely coupled to each other. In particular, in magnets, nontrivial electromagnetic responses are frequently emergent due to the effect of topology and/or symmetry breakdown. In this class, we study magnetoelectric correlation in magnetic dielectrics, and topological Hall effect and spin-transfer torque in itinerant magnets, effects of topology/symmetry-breaking on elastic wave, and so on in order to acquire the contemporary understanding of magnetoelectric correlation in magnets.
Google Classroomのクラスコードは工学研究科Webページ
https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-g.html
（大学院シラバス・時間割・履修登録）にて確認すること。
前半は、磁性物理学とスピントロニクスの基礎に関する講義をする。特に種々の磁気に係わる物性に関して、実験的な観点から概説するとともに、その現象論的な取扱いに関して講義する。また、本講義後半では、強磁性体/非磁性体/強磁性体または強磁性体/絶縁体/強磁性体トンネル接合素子における磁気伝導特性、および、その特性と界面状態との関係について講義する。
授業は Google Classroomを使います。利用するときに「クラスコード」が必要です。後日お伝えします。
The class code for Google Classroom can be found on the Web site of the School of Engineering:
https://www.eng.tohoku.ac.jp/english/academics/master.html (under "Timetable & Course Description")
In the first half of the lecture, we will give a lecture on the basics of magnetism and spintronics. In particular, we will outline various physical properties related to magnetism from experimental points of view, and give a lecture on their phenomenological treatment. In the latter half of the lecture, we will give a lecture on the spin-dependent tranport in ferromagnet/non-magnet/ferromagnet devices or ferromagnet/insulator/ferromagnet tunnel junctions and the relationship between their physical properties and the interface state.You need "Class code" for Google Classroom. We will tell you the code later.
量子化学は現代化学の基礎となる重要な分野である。本講義では，前学期に学んだ量子化学Iの知識をもとに，まずシュレーディンガー方程式の近似解法(変分法と摂動法)を学ぶ。続いてハートリー・フォック法を多電子原子系に適用し，スレーター行列式，電子スピン，原子の多重項構造などを理解する。その後，分子軌道法を二原子分子，さらに多原子分子に適用して，化学結合の本質や分子構造がどのように定まるのかなどを学ぶ。この一連の講義を通して，量子化学を化学の諸問題に適用する上での基本的な力を養う。
Quantum chemistry is an important subject as a basis of all fields of modern chemistry. In this lecture series the students learn firstly the approximation methods for solving Schrodinger equations, variational method and perturbation theory, based on the knowledge of the lectures on "Quantum Chemistry I" last semester. Next they applied Hartree-Fock approximation to multi-electron atoms and understand Slater determinant, electron spin, multiplet electron structures of atoms, and so on. Finally, they learn the nature of the chemical bonds and how the molecular structures are determined, by applying molecular orbital theory to diatomic and polyatomic molecules. Through the series of lectures students develop the fundamental knowledge for applying quantum chemistry to various problems in chemistry.