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非弾性散乱と重イオン散乱を用いた原子核におけるクラスター状態探索や、クラスター状態を経由する宇宙における元素合成過程についての研究事例を紹介する。また、これらの研究において開発された検出器についても紹介する。
Introduce experimental researches on the exploration of cluster states in nuclei using inelastic scattering and heavy-ion scattering, as well as the cosmic nucleosynthesis processes via cluster states. Additionally, introduce the detectors developed for these studies.
非弾性散乱と重イオン散乱を用いた原子核におけるクラスター状態探索や、クラスター状態を経由する宇宙における元素合成過程についての研究事例を紹介する。また、これらの研究において開発された検出器についても紹介する。
Introduce experimental researches on the exploration of cluster states in nuclei using inelastic scattering and heavy-ion scattering, as well as the cosmic nucleosynthesis processes via cluster states. Additionally, introduce the detectors developed for these studies.
原子核を構成する陽子・中性子は、クォークという素粒子から作られた複合粒子であることが分かっている。クォークは単体として陽子・中性子（ハドロン）から取り出すことは出来ないが、ビックバンにより宇宙が開闢した直後には、宇宙はクォークが自由に飛びまわるクォークのガス状態だったと考えられる。宇宙の膨張により温度が下がると、クォークは陽子・中性子の中に閉じ込められ、軽い原子核を作り、電子をまとい原子を形成した。さらに重力によって原子が集まり星が形成されると、星の中でより重い原子核（すなわち重い元素）が合成された。最終的には超新星爆発や中性子星合体によってさらに重い原子核が合成され宇宙にばらまかれ、我々の世界の物質を構成する様々な元素が作られていったと考えられている。これら全ての過程を統一的に理解することは、物質科学の出発点ともいうべき壮大なテーマであり、それこそが、現代の原子核物理学＝ハドロンや原子核など強い相互作用に支配されたクォーク多体系の物理学、の使命である。
本講義では、こうした物質進化の歴史に沿って、クォークからスタートして原子核物理学を概観する。また、どういう実験事実からそれが分かってきたのか、最先端の研究の状況はどうか（例えば、中性子星内部の未知物質を加速器実験で解明しようとする実験など）、といった点にも触れながら講義を行う。
It is known that the protons and neutrons that compose atomic nuclei are composite particles made of elementary particles called quarks. Although quarks cannot be extracted from protons and neutrons (hadrons) as single particles, it is believed that immediately after the creation of the universe by the Big Bang, the universe was in a quark gas state with quarks flying around freely. As the temperature dropped due to the expansion of the universe, quarks were confined in protons and neutrons, which formed light nuclei and then created atoms by clothing electrons. After that, gravity brought the atoms together to form stars, and heavier nuclei (i.e., heavier elements) were synthesized within the stars. Finally, supernova explosions and neutron star mergers produced even heavier nuclei and dispersed them throughout the universe to create the variety of elements that make up the matter in our present world. Understanding all these processes in a unified manner is a grand theme as the starting point of material science, and this is the mission of modern nuclear physics, i.e., the physics of quark many-body systems such as hadrons and nuclei governed by strong interaction.
In this lecture, I will give an overview of nuclear physics starting from quarks along the history of matter evolution. The lecture will also touch on what kind of experimental facts have led to this understanding, and the state of the art of research (e.g., accelerator experiments to elucidate unknown matter in neutron stars).
放射線、原子核の発見とそれに伴う量子力学の構築・発展により、化学の基礎となる原子の構造が明らかになり、化学結合、化学反応の微視的な理解ができるようになった。原子核と原子・分子にはエネルギーや粒子サイズのスケールは違うが、同じ量子力学的有限多体系として記述され、共通の概念で理解できる事が多い。
講義では、原子核の構造、壊変現象、壊変現象や放射線が原子分子へ及ぼす影響、元素の起源を、歴史的背景や最近の話題を織り交ぜ、分かり易く解説する。また、12月に行われる非密封放射性物質を用いた放射化学実験の解説も行う。
Due to the discovery of radiation and nuclei and the development of quantum mechanics accompanying it, the structure of the atom which becomes the basis of chemistry became clear, and microscopic understanding of chemical bonding and chemical reaction became possible. Although the scale of energy and particle size is different for nucleus and atom/molecule, both of them are written in the same quantum mechanical finite multi-body system, and can often be understood with common concepts. In the lecture, the structure of nuclei, disintegration phenomenon, disintegration phenomenon, the influence of radiation on atomic molecules, the origins of elements intertwined with the historical background and recent topics will be explained clearly. The radiochemical experiments using non-sealed radioactive materials to be held in December will be explained
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。
本講義の目的は、原子・分子の電子状態および光や荷電粒子との相互作用を取扱う量子論的手法を紹介することにある。多数の荷電粒子からなる系の取り扱いについて解説した後、光と物質との相互作用や散乱理論について論じる。基礎理論を理解するとともに、分析で用いられる様々な分光学的実験手法との関係に留意しながら学習する。原子・分子および光と物質との相互作用を記述する基本手法の習得が達成目標である。
授業方法等はGoogle Classroom（クラスコード: mh7c55t）で通知。
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")
The purpose of this course is to introduce quantum-mechanical methods to describe many-electron systems and their interaction with light. Based on the methods, we discuss the electronic structures of atoms and molecules, and learn photo absorption, emission, and scattering phenomena, together with various spectroscopic methods. Students are expected to obtain the principles of methods to describe atoms, molecules, and their interaction with photons.
The Class format will be announced in Google Classroom (class code: mh7c55t).
量子化学計算に基づくポテンシャルエネルギー曲面の解析は、分子の安定構造、分子の熱力学的および速度論的な安定性、化学反応の遷移状態における分子構造とその安定性、反応途中における分子構造の変化の様子など、様々な知見を与える。近年では、これらの解析を組み合わせて、未知の化学反応を予測することも可能である。本講義では、これらの解析を実施する際に用いられる理論および計算法について学習する。具体的には、ポテンシャルエネルギー曲面の計算に関するレビューから始めて、関数極小化の数値アルゴリズム、ポテンシャルエネルギー曲面のテーラー展開と2次までの微係数の取り扱い、安定構造と遷移状態構造の最適化アルゴリズム、固有反応座標（いわゆる反応経路）とその計算アルゴリズム、安定構造と遷移状態構造の自由エネルギー変化に基づく速度論解析、反応経路の自動探索アルゴリズムと化学反応予測、異なる電子状態間の無輻射失活経路の計算法、複数の電子励起状態が関与する反応機構の解析法、原子核の運動量効果とその反応機構への影響について、それぞれ学習する。これらの学習を通して、量子化学計算に基づく反応機構解析と反応予測について、最先端アルゴリズムまで含めて全容を把握する。
The analysis of potential energy surfaces based on quantum chemical calculations provides various insights into the stable structure of molecules, the thermodynamic and kinetic stability of molecules, the molecular structure and its stability in the transition state of a chemical reaction, and how the molecular structure changes during a reaction. In recent years, these analyses can be combined to predict unknown chemical reactions. In this lecture, students will learn the theory and computational methods used to perform these analyses. Specifically, we will begin with a review of the calculation of potential energy surfaces, followed by explanations of a numerical algorithm for function minimization, Taylor expansion of potential energy surfaces and treatment of differential coefficients up to second order, optimization algorithms for stable and transition state structures, intrinsic reaction coordinates (so-called reaction pathways) and their calculation algorithm, kinetic analysis based on free energy changes of stable and transition state structures, automated reaction pathway search algorithms and chemical reaction prediction, calculation methods for non-radiative deactivation pathways between different electronic states, analysis methods for reaction mechanisms involving multiple electronic states, and nuclear momentum effects and their impact on reaction mechanisms. Through these studies, students will gain a comprehensive understanding of reaction mechanism analysis and reaction prediction based on quantum chemical calculations, including state-of-the-art algorithms.
物理学は自然現象を単純な基本法則をベースに統一的に理解しようとする学問分野です。現代社会ではこの物理学的なアプローチは自然科学のみならず人文科学・社会科学の分野でも有効な方法として展開されています。本講義では様々な自然現象に対するこの物理学研究の最先端をオムニバス形式で伝えます。
/Physics is a field of research that attempts to understand natural phenomena in a unified manner based on simple fundamental laws. In modern society, this physics approach has been developed as an effective method not only in the natural sciences but also in the humanities and social sciences. In this lecture, the cutting edge of physics research on various natural phenomena will be introduced in an omnibus style.
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.