金属物理学特論 / Lecture on the electronic and magnetic properties in molecular materials  

  佐々木 孝彦, 井口 敏, 野島 勉  

  理  

  後期  

  後期 水曜日 3講時  

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.

  有機電子材料化学 / Chemistry of Organic Electronics  

  芥川 智行  

  工  

   

   

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。

 π電子系有機分子の特徴を理解させた上で、それらの形成する分子集合体の結晶構造と電子構造から導かれる導電性や磁性機能を説明する。さらに、強誘電性などの発現などを含めて、有機デバイスの分子設計と将来展望について理解させる。

 有機固体の物性に関する基礎知識を習得し、分子設計と固体物性の関係を原理的に理解し、次世代有機デバイスを構築する際に必要な、分子設計から分子集合体設計に至る道筋を、化学構造式から思考し、その機能性を判断できる。次世代デバイスとして期待される分子エレクトロニクスの最先端研究に興味をもつ。

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")

Intrinsic properties of organic p-system are firstly understood, and explain the electrical conducting and magnetic properties based on the crystal structure and electronic structure of molecular-assemblies. Further physical properties including the ferroelectricity will be explained and understand the future organic electronic devices based on the advanced molecular designs.

   Basic physical properties of organic solids will be learned, and a relationship between molecular designs and solid state physical properties will be principally understood. The load map from molecular designs to molecular assembly designs starting from chemical structures will be considered at the functionality of organic system. Future electronic devices such as molecular devices will be one of the interesting principle for device designs.

  強相関電子物理学特論 / Lecture on strongly correlated electron systems  

  池本 夕佳, 藤森 伸一, 理学部非常勤講師  

  理  

  後期集中  

  後期集中 その他 連講  

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.

  原子分子物理学 / Atomic and Molecular Physics  

  岩井 伸一郎  

  理  

  前期  

  前期 火曜日 3講時  

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.

  光物性学特論Ⅰ / Nonlinear and ultrafast material science  

  岩井 伸一郎, 理学部非常勤講師  

  理  

  後期  

  後期 金曜日 2講時  

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.

  物性物理原論Ｂ / Solid State Physics B  

  松枝 宏明  

  工  

   

   

Google Classroomのクラスコードは工学部Webページにて確認すること。

学部シラバス・時間割(https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html)

１．目的

結晶の物性を系統的に理解するためには、周期場中の電子の挙動を学ぶ必要がある。この授業では、Ｂｌｏｃｈの定理を中心に固体内の伝導電子の挙動について、その基礎的な取り扱い方を学ぶ。

２．概要

量子力学と物性物理原論Ａで学んだ事を基にして、自由電子による金属の比熱や伝導現象を扱う。ついで、周期場中の電子に関するＢｌｏｃｈの定理を扱い、Ｂｌｏｃｈ関数の諸性質や電子のエネルギー帯形成についての一般論を学ぶ。種々の金属のバンド構造を概観し、外場による固体内のＢｌｏｃｈ電子の運動を半古典論の範囲で記述する方法を学ぶ。

３．達成目標等

この授業では主に以下のような能力を習得することを目標とする。

・金属結晶内部の電子の古典的な描像を理解する。

・個々の結晶の多様なバンド構造を理解する基礎を習得する。

・半導体・絶縁体の電子状態を記述する強結合近似を習得する。

資料掲載など必要に応じてGoogle Classroomを利用するので、確認するようにしてください。

The class code for Google Classroom can be found on the Web site of

the School of Engineering:

https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html (JP Only)

1. Purpose and Target

 Study the basic knowledge of Bloch theorem to understand the behavior of conduction and valence electrons in periodic potential of metallic and insulating crystals.

2. Outline

 Electric and thermal properties of free electrons in metals will be given based on the knowledge of quantum mechanics and solid state physics A．Bloch theorem in periodic potentials will be proved and applied to understand the basic properties of band structures and band gaps in various kinds of crystals. The course ends up with the brief introduction of response of conduction electrons to external electric and magnetic fields in wave packet form.

  固体相関物理学特論 / Lecture on Strongly Correlated Electron Systems in Condensed Matter Physics  

  木村 憲彰, 水上 雄太  

  理  

  前期  

  前期 月曜日 3講時  

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.

  凝縮系物理学特論 / Lecture on Condensed Matter Physics  

  佐藤 宇史  

  理  

  後期  

  後期 火曜日 2講時  

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.

  固体物性基礎論 / Elementary Solid State Physics  

  清水 幸弘  

  工  

   

   

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。

１．目的

 固体物性論は、物性科学の重要な基本概念の１つである。また、新規材料開発やそれらのデバイスへの応用を行うための基礎となる。この講義では，固体物性論における中心的課題の１つである固体電子論に焦点をあて、その基礎と第一原理手法による電子状態計算について理解することを目的とする。

２．概要

固体の中の多数の電子の電子状態に関する講義を行う。

固体の中の電子は、電子間のクーロン相互作用により多粒子状態となり、磁性や超伝導などの多彩な物性を示す。

本講義では、はじめに多粒子状態を取り扱う手法や近似法について学ぶ。次に強結合模型と第一原理計算手法について学び、それらの計算結果から理解できる固体物性について解説する。

３．達成目標等

・　多電子状態を記述する手法と近似方法を習得する。

・　強結合模型とその物性を理解する。

・　第一原理計算手法の概要とその計算結果から理解できる物性について学ぶ。

講義は対面形式を基本とし、お知らせなどにGoogle Classroom(クラスコード:wh6yiny）を用いる。

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")

1. Purpose

 Solid state physics is one of the most important fundamental concepts in condensed matter science. It is also the basis for the development of new materials and their application to devices. In this lecture, we focus on one of the central issues in solid state physics, the solid state electron theory, and aim to understand its fundamentals and the electronic structure calculations by first-principles methods.

2. Outline

Lectures on the electronic structure of a large number of electrons in solids will be given.

Electrons in solids are in many-particle states due to Coulomb interactions among electrons, and exhibit various physical properties such as magnetism and superconductivity.

In this lecture, we will first learn the methods and approximations to deal with many-particle states. Next, we will learn about the strong coupling model and first-principles calculation methods, and explain the solid-state properties that can be understood from the results of these calculations.

3. Objectives

To master the method of describing and approximating multi-electron states.

To understand the strong coupling model and its physical properties.

Learn about first-principles calculation methods and the physical properties that can be understood from the results of these calculations.

Lectures will be given in a face-to-face format and Google Classroom (class code:wh6yiny) will be used for announcements.

  構造物性学 / Structural Physics of Materials  

  宮﨑 讓, 林 慶  

  工  

   

   

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。

結晶の対称性、対称操作とその表現、点群と空間群の基本概念、結晶構造と物性の関連、磁気空間群、二次元空間群、固体表面と薄膜の基礎、表面構造解析法について学ぶ。

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")

Crystallography of 3D crystals and magnetic crystals / surface physics and analyses of surface structures. Topics: Crystal symmetry and space group; rotation groups and their representation matrixes; basis function in a symmetric potential field; magnetic structures and their symmetry operations;