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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
量子論に基づいた物質の取り扱い方を受講者に習得させることを目的とする．まずは，量子論や古典力学などにおけるミクロ系の理論と，熱力学をはじめとするマクロ系の理論とを仲立ちする，統計力学についての理解を深化させる．その後，量子論と統計力学とを駆使し，物質中での各種の量子論的現象を，実験・観測手法と関連付けながら論じ，各種の分析・分光技術の量子論的基礎の構築へと進む．なお，本講義は，第四セメスターの「応用量子化学」で講じられる程度の量子論に関する知識を受講者が既得であることを前提とする．
２．概要
受講者は，ミクロ系の記述とマクロ系の記述との仲立ちをする統計力学の理解を深め，ミクロ系の理論に基づいて，実際のマクロな物質系の物理量を導出するための方途を習得する．また，物質についての各種分析・分光の基礎となる量子論的概念を把握する．
３．達成目標等
・熱力学的諸量の分子論的理解とその実践的的適用．
・分配関数の自在な運用．
・物性評価手法の理解．
・種々の化学系への量子論の適用．
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, students will study quantum theory of matter. Initially, students will be introduced to statistical mechanics, which bridges the theories of thermodynamics at the macroscopic (classical theory) and microscopic (quantum theory) levels. Subsequently, students will learn about quantum mechanical phenomena of matter in terms of quantum theory and statistical mechanics. Students will investigate the basic quantum theory through analytical and spectroscopic methods in both a practical and theoretical sense.
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.
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1. 目的
統計力学はマクロな熱力学現象を原子・分子のミクロな世界の力学法則から記述することを目的とする。物性物理学や生物物理学の基礎となる学問である。
2. 概要及び達成目標
平衡状態における多数の原子・分子の集団的な振る舞いを確率分布（ミクロカノニカル分布とカノニカル分布）を用いて記述する。ミクロカノニカル分布とカノニカル分布を用いて、理想気体・常磁性体・高分子などを例に熱力学量を計算できるようにする。
授業は対面で行うが、Google Classroomを併用する。クラスコードは講義の最初に示す。
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The aim of statistical mechanics is to describe thermodynamic macroscopic phenomena from the microscopic laws of atoms and molecules. Statistical mechanics is the basis for condensed matter physics and biophysics. The micro-canonical and canonical distributions are introduced to describe collective behaviors of many atoms and molecules in thermodynamic equilibrium. Thermodynamic quantities of the systems such as ideal gas, paramagnet and polymer, can be calculated using the micro-canonical and canonical distributions.
我々が身近に接する固体、液体、気体などの物質は、多数の原子や電子から構成されており、それらは互いに複雑な相互作用を及ぼしながら運動している。これらの系の巨視的な性質は、構成要素が非常に多いことに起因する統計的法則を用いて初めて理解可能である。本講義では、多数個の粒子の集団からなる系の性質を理解することを目的に、統計物理学の基本的な概念とその簡単な系への応用について解説する。
Usual materials are composed of many atoms and molecules, which are interacting each other through complex interactions. These materials show a variety of phases, such as solid, liquid and gas phases. Their macroscopic properties can be understood in terms of statistical considerations based on the large number of degrees of freedom. In this lecture, in order to understand the physical properties of macroscopic systems composed of many constituent particles, we study the basic concepts of statistical physics and its applications to simple examples.
統計物理学I, IIでは、多数の相互作用がない（或いは弱い）粒子系が、平衡状態にある場合の概念やそれを扱う原理的処方を主に学んだ。ここでは、相互作用の導入により起こる相転移（自発的対称性の破れ）や臨界現象、および摂動によって平衡系からずれた系のふるまい（応答）を理解するための基礎的な知識および方法を習得する。また、これらを扱うために必要な場の量子論の基礎を始めに話す。
In this course, I will talk about elementary concepts and methods for studying phase transitions (spontaneous symmetry breaking) and critical phenomena, which arise on account of inter-particle interactions, and non-equilibrium systems (mainly linear response theory). In the beginning, I will introduce non-relativistic quantum field theory to deal with the above subjects.
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授業の到達目標及びテーマ
材料科学における熱力学の初歩（熱力学関数の導出）から統計熱力学の基礎（分配関数の計算や自由エネルギー計算）を学び，諸問題が解けるようになることが目標
授業の概要
物理や化学の様々な現象に深い関わりをもつ熱・統計力学の基本的な考え方を説明し，物質科学において果たす役割，適用例について述べる．
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The goal is to learn the rudiments of thermodynamics in materials science (derivation of thermodynamic functions) and the basics of statistical thermodynamics (calculation of distribution functions and free energy), and to be able to solve various problems.
The basic concepts of thermal statistical mechanics, which are deeply related to various phenomena in physics and chemistry, will be explained, and its role and applications in materials science will be described.
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１．目的
統計力学は電磁気学、量子力学と共に物性物理学の基礎となる学問であり、その応用範囲は非常に広い。本演習では様々な問題を自分自身で解き，統計力学の理解を深めると共に応用力を身につけることを目的とする。
２．概要
前半では統計力学Aの演習を、後半では統計力学Bの演習を行う。また、小テストを2度行う。
３．達成目標等
この授業では以下の能力を達成することを目標とする。
ａ）典型的な問題を自分で理解し解き、統計力学の基本的な考え方を学ぶ。
ｂ）要点をおさえた分かり易いレポートを作成する。
4. 授業形態
対面で行う予定である。Classroom（クラスコード：bsdgpqq）を併用する。
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The course provides an opportunity to solve problems of statistical mechanics. In this exercise course, students will understand the basic concept of statistical mechanics through solving the problems themselves. This course will be conducted face-to-face, and Classroom will also be used.
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授業はBCPレベルが許す限り対面で行う。連絡にはGoogle Classroomを利用
１．目的
熱・統計力学は電磁気学、量子力学と並び物性物理学の基礎となるものである。熱・統計力学Bでは電気・情報系の学生が取り扱う物質の性質を理解する理論的基礎を学び、その応用力を身につける。
２．概要
平衡状態の熱力学と統計物理学を講義する。統計物理学の物性物理学における応用等について学ぶ。
３．達成目標等
量子統計力学であるフェルミ統計、ボ－ズ統計を理解してその応用力を身につける。相転移と分子場理論を理解してその応用力を身につける。
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Classes will be conducted face-to-face manner as BCP levels allow. Google Classroom will be used for communication.
1. Object
Thermal/statistical physics is an essential subject, along with electromagnetism and quantum mechanics, to understand solid-state physics. In this course, students will learn from the fundamentals of statistical physics to their application.
2. Summary of class
This course gives an elemental account of thermal physics in equilibrium states. Students will study the application of statistical mechanics to condensed matters.
3. Goal of the study
Students will understand the basics and applications of quantum statistical mechanics based on Fermi and Bose distribution functions and phase transition with a concept of the mean-field approximation.
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1.目的
統計力学Aで学んだ事柄を基に、量子理想気体のボーズアインシュタイン凝縮や磁性体相転移をミクロな原子・分子の協力現象として理解する。
2.概要及び達成目標
グランドカノニカル分布について学び、量子理想気体のフェルミ気体とボーズ気体に応用する。その後、磁性体相転移のモデルであるイジングモデルについて学ぶ。
授業は対面で行うが、Google Classroomを併用する。クラスコードは講義の最初に示す。
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The aim of Statistical mechanics B is to understand Bose-Einstein condensation and phase transition in magnetic materials as cooperative phenomena of many microscopic atoms and molecules. To achieve the aim, grand-canonical distribution is introduced and applied to quantum ideal gas (Fermi gas and Bose gas). Finally, Ising model is introduced to learn phase transition in magnetic materials.
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.