放射光材料解析化学 / Synchrotron X-ray Analysis for Materials Chemistry  

  西堀 麻衣子  

  環境  

   

  前期 金曜日 4講時  

物質・材料の物性・特性の理解には、それらの「微視・局所」的構造の知見が欠かせない。放射光を用いた可視化・分析技術は、物質や材料の構造や電子・化学状態を詳らかにする重要なツールである。例えば、X線吸収分光法では、着目する任意の X線吸収原子の電子状態や吸収原子近傍の動径構造などの情報を得ることができる。本授業では、放射光X線を用いた各種材料分析法を習得し、放射光分析を用いた物質化学についての実験的研究の理解を深めることができるよう、物質・材料の電子状態・微細構造解析を行うために必要な基礎知識を学ぶ。

  放射光材料解析化学 / Synchrotron X-ray Analysis for Materials Chemistry  

  西堀 麻衣子  

  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。

物質・材料の物性・特性の理解には、それらの「微視・局所」的構造の知見が欠かせない。放射光を用いた可視化・分析技術は、物質や材料の構造や電子・化学状態を詳らかにする重要なツールである。例えば、X線吸収分光法では、着目する任意の X線吸収原子の電子状態や吸収原子近傍の動径構造などの情報を得ることができる。本授業では、放射光X線を用いた各種材料分析法を習得し、放射光分析を用いた物質化学についての実験的研究の理解を深めることができるよう、物質・材料の電子状態・微細構造解析を行うために必要な基礎知識を学ぶ。

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")

In order to understand the physical properties and characteristics of materials, knowledge of their microscopic and local structures is indispensable.Visualization and analysis techniques using synchrotron radiation are essential tools to elucidate substances and materials' structure and electronic/chemical state. For example, X-ray absorption spectroscopy can provide information on the electronic state of an X-ray absorbing atom of interest and the local structure near the absorbing atom. In this course, we will learn the basic knowledge necessary to analyze materials' electronic state and microstructure to master various material analysis methods using synchrotron radiation and deepen our understanding of experimental research on material chemistry using synchrotron radiation.

  材料分析科学 / Analytical Science for Materials  

  髙橋 幸生  

  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

分析技術を駆使して，材料の物性発現のメカニズム解明や物性低下・劣化等の原因究明を行うことで，新材料の設計指針を得ることができる。本講義では，材料分析の基盤となっているX線を用いた分析技術の基礎を学び，その応用についての知識を修得する。

2.概要

最初に、実験室光源、放射光、自由電子レーザなど種々の光源におけるＸ線の発生原理について解説する。次に，Ｘ線の散乱・回折の基礎ならびに構造解析の原理について解説する。さらに，Ｘ線の屈折や吸収などの光学的現象ならびにそれを利用したＸ線イメージング，Ｘ線吸収分光法の原理について解説する。最後に，放射光を用いた先端的分析技術について具体例を挙げて概説する。

3.達成目標等

・本学科の学習・教育到達目標のA、B、C、Dに関する能力を含めて修得する。

・X線を用いた材料分析法の特徴について、X線の発生原理、光学現象から理解する。

・放射光を用いた先端的材料解析技術についての知識を得る。

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

X-rays are short wavelength electromagnetic waves with high penetrating power and are essential probes for the analysis of materials. In this course, students will learn the principle of X-ray generation, optical phenomena of X-rays, and material analysis methods using X-rays.

2. Outline

First, the principles of X-ray generation in various light sources such as laboratory light sources, synchrotron radiation, and free electron lasers will be explained. Next, the fundamentals of X-ray scattering and diffraction and the principles of structural analysis are explained. In addition, optical phenomena such as refraction and absorption of X-rays and the principles of X-ray imaging and X-ray absorption spectroscopy using these phenomena are explained. Finally, advanced analytical techniques using synchrotron radiation will be outlined with specific examples.

3. Objectives

In this class, students are expected to acquire the following skills:

・Acquire skills related to A, B, C, and D of the learning and educational achievement goals of this department.

・Understand the characteristics of materials analysis methods using X-rays from the viewpoint of the principle of X-ray generation and optical phenomena.

・Gain knowledge of advanced material analysis techniques using synchrotron radiation.

In this class, lecture materials and lecture information will be transmitted via Classroom.

The class code is 4ajpbkb.

Please access Classroom and enter the class code.

  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.

  構造化学  

  中林 孝和, 田原 進也  

  薬  

  4セメスター  

  後期 金曜日 2講時 薬学部大講義室  

生体分子の構造形成において重要な役割を果たす分子間相互作用について学ぶ。さらに、生体分子の構造、細胞の状態解析のための主要な手法である電子吸収・蛍光・赤外吸収・ラマン散乱・円偏光二色性・ESR・NMR・X線回折について、それらの原理を学び、生体分子の構造および細胞内状態の解析などへの応用を理解する。本科目は１年次に開講される「物理化学１」および全学教育科目「化学A」の内容を踏まえて行われる。

This course provides students with basic knowledge of intermolecular interactions forming structures of biomolecules and the principles and concepts of a variety of spectroscopic methods for measuring biomolecular structures. The spectroscopic methods treated are X-ray diffraction, UV-Vis absorption, fluorescence, circular dichroism, IR, Raman, NMR, and ESR. Students are recommended to have finished "Physical Chemistry 1" and "Chemistry-A" before taking this course.

  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.

  放射光科学 / Synchrotron Radiation Science  

  江島 丈雄  

  工  

   

   

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赤外からX線までの広い波長範囲の光源として利用されている放射光について、特に軟Ｘ線領域を中心に、光源の特性、光利用技術、分光研究への応用、顕微法などについて概観する。

講義は、放射光の発生原理、光利用技術一般を、古典電磁気学的に理解することを目標とする。

放射光の主な応用先である固体の分光研究については、基礎的な量子力学、物性物理の知識を持っていることを前提として、放射光利用により得られる情報について概観する。

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Synchrotron light sources cover the wavelength region from infrared to X-ray, therefore it apply to many fields from basic science study to industrial development. In this lecture, generation pricipal of, optics of, and some measurement methods of Synchrotron light will be shown, and the purpose of the lecture is to understand on the basis of classical electromagnetism.

  回折・分光学特論 / Introduction to Diffractometry and Spectroscopy on Physics  

  虻川 匡司, 寺内 正己, 那波 和宏  

  理  

  後期  

  後期 木曜日 3講時  

結晶およびその表面の持つ対称性と構造と物性の関係を理解し，回折・分光実験からどのようにこれらの情報が得られるかを学んでもらう.特にX 線・中性子・電子線を用いた回折・分光実験について詳細に講義し，物質の静的構造と相転移現象がどのように観測できるかを理解して もらう.この分野に関するトピックスも紹介し，広く構造・物性に関して興味を持ってもらう.

Purpose of this lecture is to learn about the relation between crystal symmetry, structure, and physical properties of materials and surfaces. To understand how to observe static as well as dynamic properties (especially phase transisions) of materials, the details about Diffractometry and Spectroscopy using x-ray, neutron, and electron will be explained in detail. Topics related to these fields will also be introduced.

  量子物理学 / Quantum Physics  

  渡邉 昇  

  工  

   

   

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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:

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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).

  材料構造評価学 / Structural Characterization of Materials  

  杉山 和正, 津田 健治  

  工  

   

   

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 本授業は，金属材料研究所　杉山によって開講される．授業は，大きく4つのパーツに分かれ，それぞれのキーワードは，対称性，回折強度，結晶構造解析の詳細，先端量子ビーム利用である．

第１部：結晶構造の対称性をキーワードに，結晶のヒエラルキーを学習する．

第２部：周期的な原子配列からのＸ線の干渉現象を理解し，ブラベ格子，単位胞中の原子配列，散乱体の大きさという要因が回折パターンに及ぼす効果を，逆格子，構造因子，形状因子という観点から学習する．

第３部：単結晶構造解析から得られたデータの議論に関するトピックスを，第１部あるいは第２部で学習した項目に沿って学習する．

第４部:物質科学領域では，シンクロトロン放射光源を用いた解析が汎用されている．本専攻の授業にはこれに該当するものがいくつかあるが，放射光X線を用いた単結晶構造解析にターゲットをしぼってその最先端を学習する．

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

https://www.eng.tohoku.ac.jp/english/academics/master.html (under "Timetable & Course Description")

 This course will be given by Prof. Sugiyama of Institute for Materials Research. The course is divided into four major parts, each with the following keywords: symmetry, diffraction intensity, details of crystal structure analysis, and advanced quantum beam applications.

Part 1: The hierarchy of crystals is studied, with symmetry of crystal structures as the key word.

Part 2: Understanding the phenomenon of X-ray interference from periodic atomic arrangements, the effects of factors such as the Bravais lattice, atomic arrangement in the unit cell, and the size of the scatterer on the diffraction pattern are studied in terms of reciprocal lattice, structure factor, and shape factor.

Part 3: Topics related to the discussion of data obtained from single crystal structure analysis, following the topics studied in Parts 1 or 2.

Part 4: In the field of materials science, analysis using synchrotron radiation sources is widely used. There are several courses in this department, but we will focus on diffraction method using synchrotron radiation and study the state-of-the-art of this field.