物性物理学演習Ⅰ / Exercises in Solid State Physics I  

  張 超亮, 大兼 幹彦  

  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

物性物理原論Ａ・Ｂの講義内容の理解を深め、応用力を養う。

２．概要

物性物理原論Ａ・Ｂで講義する内容（結晶構造、結晶による回折と逆格子、結晶結合、フォノン、絶縁体の熱的性質、金属のドルーデ理論、自由電子の比熱、自由電子近似や強結合近似でのバンド構造）にそって、基礎的問題を解く。

３．達成目標等

・物性物理原論Ａ・Ｂの講義内容が理解できる。

・物性物理原論Ａ・Ｂの講義内容に関連する基礎的問題を解くことができる。

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

the School of Engineering:

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

The purpose of this course is to understand the content of "Solid State Physics A・B" deeply by taking fundamental exercises.

  物性物理原論Ａ / Solid State Physics A  

  大兼 幹彦  

  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

 物性物理とは物の性質を物理的に理解する学問である。この授業では、物性物理の基礎となる事項を学ぶ。

２．概要

 物性物理の基礎となるいくつかの事項、結晶構造、結晶による回折と逆格子、結晶結合、フォノン、絶縁体の熱的性質について学ぶ。

３．達成目標等

 ・典型的な結晶構造および逆格子を理解し、X線回折によって結晶構造を解析できる。

 ・典型的な結晶結合を物理的に理解できる。

 ・典型的なフォノンの分散関係を計算でき、絶縁体の比熱、熱膨張、熱伝導を物理的に理解できる。

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

the School of Engineering:

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

The purpose of this course is to learn fundamentals of solid state physics.

  物性物理学演習Ⅱ / Exercises in Solid State Physics II  

  正木 祐輔  

  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

 物性物理原論Ａ・Ｂの講義内容の理解を深め、応用力を養う。

２．概要

 物性物理原論Ａ・Ｂで講義する内容（結晶構造、結晶による回折と逆格子、結晶結合、フォノン、絶縁体の熱的性質、金属のドルーデ理論、自由電子の比熱、自由電子近似や強結合近似でのバンド構造，光学的性質，輸送現象の半古典的扱い）にそって、高度な問題を解く。授業中に解法を発表してもらう．また小テストやレポートで理解を深める．

３．達成目標等

 問題を解く力、人前で発表する要領、読みやすいレポートを書く力を養う。

４．受講方法

 Google Classroomを利用する場合がある

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

the School of Engineering:

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

1. Purpose

The purpose of this course is to understand the content of "Solid State Physics A・B" deeply by taking advanced exercises.

2. Outline

Contents are what are studied in "Solid State Physics A・B" (Crystal structure, diffraction and reciprocal lattice, crystal binding, phonon, thermal properties of insulator, Drude theory of metal, specific heat for free electrons, band structure based on nearly free electron approximation and tight binding approximation, optical properties, semiclassical treatment of transport phenomena).

Students present solutions for some problems in class. Short tests and/or reports are also given to check and deepen their understanding.

3. Goals and objectives

Students develop abilities of calculation, presentation, and writing report.

4. Format

Google Classroom is used if necessary.

  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.

  電子物性Ａ / Solid State Physics  

  佐藤 茂雄  

  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

情報電子デバイスやナノ電子デバイスの元になる金属，半導体，絶縁体などの物質（無機固体）の基礎的性質を理解する。

２．概要

物質の素材としての原子の構造から始めて，原子が集まって固体となるしくみ，原子の規則的配列構造である固体結晶の性質，固体結晶中での電子の振る舞い，金属と半導体や絶縁体との違いなどについて講義する。

３．達成目標等

電子物性の基礎となるバンド理論を習得して，それを土台に固体の電気伝導，磁性，光学的性質についての理解を深めることを目標とする。

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

the School of Engineering:

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

1. Objective

Students will learn basic properties of materials (Inorganic solid) such as metals, semiconductors, insulators, and so on, which are used to make information electronic and nanoelectronic devices.

2. Outline

The lecture explains structures of atoms as components of substances, mechanism in which atoms assemble and form a solid, properties of solid crystals having regular atomic arrangements, behavior of electrons in solid crystals, differences between metals, semiconductors, and insulators, and so on.

3. Goal

This course is intended to allow students to learn band theory as fundamental knowledge, and then to understand electrical conduction, magnetism, and optical properties of solids.

  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.

  物性物理原論Ｃ / Fundamentals of Nano-Science C  

  山下 太郎  

  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

様々な物質で発現する物性物理現象について、理解を深めることを目的とする。

２．概要

金属や誘電体、磁性体、超伝導体等において発現する多彩な物理現象や

秩序状態、電場・磁場に対する応答、その微視的機構について解説する。

３．達成目標等

種々の物質の具体的な物性物理現象を理解すること。

連絡や資料掲載など必要に応じ、Google Classroomを利用する。

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

the School of Engineering:

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

1. Objective

To understand physical phenomena emerged in various materials.

2. Outline

We will study the various physical phenomena, ordered states, electric/magnetic responses, and their microscopic mechanisms in metals, dielectrics, magnets, and superconductors.

3. Learning objective

To understand the physical properties of many kinds of materials.

Check also google classroom.

  固体物性論 / Solid State Physics for Materials Science  

  好田 誠  

  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)

※この科目では、必要に応じて、Classroomを使用して講義資料の提供やレポート提出を行います。

※また、状況に応じて、ZoomかGoogle Meetを利用したオンライン講義とする場合もあります。オンライン講義などの詳細についてはClassroomのお知らせに記載します。

１．目的

電子の関係する先端材料の理解と開発には電子論的な知識が必須である。この分野の高学年における高度の専門分野の授業が理解できるための固体物性の基礎知識を修学する。

２．概要

固体中の電子の性質を理解するため，電子の自由電子的振舞い，金属および半導体のバンド構造や電子状態に基づく電気的・光学的性質を解説する。

３．達成目標等

この授業では、主に以下の能力を修得することを目標とする。

・本学科の学習・教育目標のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに関する能力を含めて修得する。

・物性と深い関連を有する電子の基礎的量子現象，物質の電気的性質を理解する。

・専門科目である磁性材料学，界面物性学，電子材料学，セラミックス材料学の理解の助けになる基礎知識を体得する。

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

the School of Engineering:

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

*In this course, Classroom will be used to provide lecture materials and submit reports as needed.

*Online lectures may also be given via Zoom or Google Meet, depending on the situation. Details on online lectures and other details will be provided in the Classroom announcement.

1. Objective

Electron's property in solid state is essential for understanding and developing advanced materials involving electrons. This course is designed to provide basic knowledge of solid state physics to enable students to understand advanced specialized courses in this field in their senior year.

2. Outline

In order to understand the properties of electrons in solids, the free electron behavior of electrons and the electrical and optical properties of metals and semiconductors based on their band structures and electronic states will be explained.

3. Objectives

In this class, the main objectives are to acquire the following abilities.

To acquire abilities related to A, B, C, and D of the learning and educational objectives of the department.

To understand basic quantum phenomena of electrons and electrical properties of materials, which are closely related to physical properties.

To acquire basic knowledge that will help in understanding the specialized subjects of magnetic materials, interface materials science, electronic materials science, and ceramic materials science.

  物質物理学基礎 / Basic Solid-State Physics  

  松井 広志  

  理  

  前期  

  前期 木曜日 2講時  

固体物理学は、熱・統計力学、量子力学をベースに築き上げられ、材料科学、電子材料などの応用分野における研究開発にとっても、基本となる学問である。新規な現象・物性を有する物質の研究が日々進められている。実際に研究活動に携わり、議論を行い、そして、学会等で発表するには、基礎的な固体物理学の知識や、考え方を身に付けておく必要がある。一般的なテキストの内容に従って講義を行い、研究活動する上で必須となる基礎事項の習得と定着を目指す。

Solid-state physics that has been established on the basis of thermodynamics, statistical and quantum mechanics is fundamental to research and development in application fields such as material science, electronic devices. This course aims to deepen understanding the basic knowledge and concepts of solid-state physics, and helps to improve your research activity. This class will be held for Japanese students.

  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.