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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
光物理・光ナノサイエンスの基礎（光の本質・特徴、光と物質の相互作用など）を学び、さらに、それらの知識を活かして光学物性の応用に対する理解を深める。
２．概要
電磁波としての光、光と物質の相互作用（古典論、量子論）、レーザーや光ファイバの物理、各種固体材料と光学物性について講義する。また、固体の構造・対称性に由来する非線形光学特性や光波を制御する機能性、光学計測、光学機器、光学デバイスについて解説する。
３．達成目標等
・光の特性、性質を理解する。
・光と物質の相互作用を、電磁気学、量子力学、物性物理学により理解する。
・光学材料、光学計測、光学機器、光学デバイスを理解する。
授業は資料配布により行います。受講希望者は、fujiwara@laser.apph.tohoku.ac.jpまでメールしてください。
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)
The Optical Physics and Photonic Engineering course offers fundamental subjects of optical matters in solids and recent application for photonic engineering. All students expect to understand and consider the related physics, materials, and devices.
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.
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（大学院シラバス・時間割・履修登録）にて確認すること。
★Google Classroom クラスコード：5m22kni
前半を寺門、後半を小野が担当します
1. Maxwell方程式 -波動方程式の導出-
2. 放射場 -古典論，量子化，光子-
3. 光と物質の相互作用 I -古典論：LorentzモデルとDrudeモデル-
4. 電磁場の放射 -電気双極子放射-
5. 光と物質の相互作用 II -量子論：遷移，Fermiの黄金律-
6. 固体中の電子遷移 -断熱近似とFranc-Condonの原理-
7. 光散乱 -古典論と量子論-
8. ものの見え方は何で決まるのか？ - 屈折率、反射、吸収、散乱、スペクトルから見る-
9. 金属・半導体・絶縁体 の見た目 - 光に対してpassiveなもの、activeなものをどう作るのか？
10. 光を使って現象をひも解く I - 線形光学特性 -
11. 光を使って現象をひも解く II - 非線形光学特性、コヒーレント、インコヒーレント、偏光特性 -
12. 光を使って現象をひも解く III - 様々な分光法と物質の応答 -
13. 量子光学 - 波？粒子？ 光子と電子の相違 -
14. 量子光学と物質 - レーザー、非線形光学との関係 -
15 予備
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https://www.eng.tohoku.ac.jp/english/academics/master.html (under "Timetable & Course Description")
★Google Classroom, Class-code: 5m22kni
1. Maxwell's equation -Derivation of wave equation-
2. Radiation field -Classical theory, quantization, photon-
3. Interaction between light and matter I -Classical theory: Lorentz and Drude models-
4. Radiation of electromagnetic fields -Electric dipole radiation-
5. Interaction between light and matter II -Quantum theory: transitions, Fermi's golden rule-
6. Electronic transitions in solids -Adiabatic approximation and Franc-Condon's principle-
7. Light scattering -Classical and quantum theories-
8. What determines how things look - Refractive index, Reflection, Absorption, Scatterings, Spectrum.
9. Appearance of metals, semiconductors, indulators - How to make materials that are passive or active to light-
10. Use light to analyze phenomena I - fundamentals, linear optical propertie-
11. Use light to analyze phenomena II - fundamentals, nonlinear optical properties, coherent and incoherent response-
12. Use light to analyze phenomena III - various approaches using light and how materials act against it -
13. Quantum optics and materials I - wave？ or particles？ Difference between photons and electrons -
14. Quantum optics and materials II - Laser, nonlinear optical materials -
15 If necessary..
分光学は物質の性質を知る上で欠かせない実験手法として様々な分野で利用されている。本講義では、特に光学領域における固体分光学を理解する上で必要な様々な基礎的知見を得ることを目的とする。
The purpose of this program is to familiarize students with the various methods of optical spectroscopy of solids and physical concepts developed through theories and experiments.
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.
光の電磁波としての性質（振幅、周波数、位相、偏光）とその記述法と、光が物質に入射した際の干渉、回折、反射、屈折の原理を理解する。また、“色”の起源である「光と物質（絶縁体、金属、磁性体）の相互作用」の基礎を理解する。その応用として発光ダイオード、レーザー、光周波数コムなどの先端光デバイスについても学ぶ。
Fundamental properties of light (amplitude, frequency, initial phase, polarization) as a electromagnetic wave and the principle of optics (reflection, refraction, interference, diffraction) will be introduced. In the latter part, light-matter (metal, insulator, magnet) interactions will be learned as an origin of color of materials. Moreover, optical devices (Light Emitting Diod, Laser, Optical frequency Comb) wlll be also discussed.
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分子物理化学の広範な内容のうち，分子の光物性に焦点を絞った講義を行う．まず，巨視的理論にパラメータとして現れ，光物性実験における測定対象ともなる種々の光学量を古典的な理論で扱う手法を述べる．次に，光を古典的電磁波とし，受け手の分子を量子論的に記述する半古典論による議論を経た後，光の本性を解き明かすべく，量子化を通して光子の概念を導入する．さらに，電子励起を量子論に基づいて議論する方法を講じ，光学遷移の本質的理解を図る．この講義を通じ，分子と光との相互作用の探究において，実測対象となる光学過程に係るスペクトルや考慮すべきダイナミクスを，適切な理論体系の適用で記述・把握する能力を受講者に会得していただくことを目指す．
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Optical spectroscopy is one of the most important methods to characterize the electronic properties of molecules and the states of matter. In this course, light–matter interaction will be treated within the framework of classical electromagnetics and mechanics. Subsequently, electrons in matter, and finally, light, will be treated with quantum mechanics, and optical transitions will be quantitatively discussed. Furthermore, several models will be introduced to describe actual optical transitions. The objective of this course is to give students the ability to describe the excited states of molecules in a modern theoretical framework based on experimentally-obtained spectra and dynamics.
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本講義では量子力学的な視点での光と物質の相互作用に主題をおく．
前半（八坂担当）では、光と物質の量子論の発展の経緯を概観し、光波と物質波の類似現象につきいくつかの代表的な例を示す．次いで、光と物質の相互作用について半古典的な描像を示し、レーザーおよび半導体レーザー動作特性の基礎論に拡張する.
後半（松田担当）では、粒子と波動の両面をもつ光の量子論的描像について解説した後、従来の古典的電磁場の概念では捉えきれない量子的性質をもつ輻射場（非古典光）の発生と、それを用いた量子情報通信技術などの先端的研究例について紹介する．
※ 2024年度は前期開講．
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Lectures describe the properties of light and light-matter interaction from the quantum mechanical point of view.
In the first part, basic semi-classical pictures are given for lasers and semiconductor lasers.
In the second part, the generation and application of non-classical quantum states of light are described.
This lecture will be held in the semester from Apr. 2024.
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※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
スマートフォンをはじめとして、IoT(モノのインターネット)やAI（人工知能）などが急速に普及・発展することで、私たちの社会は今後大きな変革を迎えようとしている。その基盤を担う電子デバイスの原理や材料的特徴を理解することが本講義の目的である。
２． 概要
「量子・統計力学」、「固体物性学」で学んだことを基礎にして、現代社会を支える半導体をはじめとする電子材料のバンド構造や伝導特性、電子デバイスや光学デバイスへの応用について理解することで、利用される材料の特性を深く理解し、その根底にある電子物性を軸とした材料的特徴を掴むことの重要性について学ぶ。
３． 達成目標等
以下のような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、Ｃに関する能力を含めて修得する。
・ 結晶の周期性が生み出すバンドの概念や、半導体や金属の電気伝導、磁場中での電子運動などを理解する
・ 半導体をベースとした電子・光デバイスの基礎を学び私たちの社会のどのように役に立つのかを理解する
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The class code in Google Classroom for this course is "bqq53pw".
*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
With the rapid spread and development of smart phones, the Internet of Things (IoT), and artificial intelligence (AI), our society is about to undergo a major transformation. The purpose of this lecture is to understand the principles and material characteristics of the electronic devices that play a role in the foundation of our society.
2. Outline
Based on what we have learned in "Quantum and Statistical Mechanics" and "Solid State Physics", we will understand the band structure and conduction properties of electronic materials such as semiconductors, which support modern society, and their applications to electronic and optical devices. We will learn the importance of grasping the characteristics of materials based on their electronic properties.
3. Objectives
This course aims to provide students with the following abilities.
In this course, students are expected to acquire the following abilities.
To understand the concept of bands created by the periodicity of crystals, electrical conduction in semiconductors and metals, and electron motion in magnetic fields.
To learn the basics of electronic and optical devices based on semiconductors and to understand how they are useful in our society.
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.