固体物理学特論 (O33A)

日本大学理工学部

2022年大学院理工学研究科シラバス - 量子理工学専攻

設置情報

科目名	固体物理学特論
設置学科	量子理工学専攻	学年	1年
担当者	行方　直人	履修期	後期
単位	2	曜日時限	水曜3
校舎	駿河台	時間割CD	O33A
クラス

概要

学修到達目標	量子力学の基礎からはじめて，電子系と外部電磁場との相互作用について学ぶ．特に，物質・電子系と光の結合系に関する基礎，量子エレクトロニクス全般知識を習得する．本講義は物理学科出身者以外の工学系のための量子物理学導入としても役立てられるよう配慮する．
授業形態及び授業方法	【対面授業】板書を中心とした講義形式で解説を行う．講義資料は事前に配布する．
準備学習（予習・復習等）の内容・受講のための予備知識	学部レベルの初等物理を習得していることが望ましいが，その限りではない．物理学科以外の工学系学科出身者にも配慮するが，理工系学部の教養水準の物理学，微積分，線形代数をよく復習しておくこと．事前配布する講義資料を基に予習を行い，理解の困難が予測される点を予め明らかとしておくこと．講義資料にある演習問題等含めた復習を行い，不明点がある場合は質問すること（随時受け付ける）．

授業計画

第1回	講義内容の解説：本講義で扱う内容，目標，および成績評価方法の詳細を理解する. 前記量子論：輻射，散乱に見る古典力学では説明がつかない現象を概観し，量子力学導入の必要性を理解する．【事前学習】理工系の学部初等水準の物理学，微積分，線形代数をよく復習しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．（120分）
第2回	シュレディンガー方程式：ミクロの世界において電子の状態を記述するシュレディンガー方程式ついて理解する．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．（120分）
第3回	自由粒子のエネルギーと波動関数：自由空間における電子のエネルギーと波動関数，さらにその時間発展について理解する．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．
第4回	フーリエ変換：次回以降に多用するフーリエ変換について理解する．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．
第5回	波動関数の座標・運動量表示と不確定性関係：フーリエ変換を使って，波動関数の座標表示および運動量表示について理解する．また，不確定性関係について理解する．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．
第6回	ブロッホの定理と結晶中電子の波動関数：ブロッホの定理を用いて周期対称性ポテンシャルで記述される結晶中電子の波動関数について理解する．結晶中電子の固有エネルギー分布がバンド構造を持つことを見て，導体・半導体・絶縁体との関係を理解する．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．
第7回	マックスウェル方程式と電磁波：物質の電磁気的性質を記述するマックスウェル方程式について理解する． 1回目のレポート課題を発表する．この時，提出期限・返却方法等も伝える．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．第一回目のレポートの作成を行う．
第8回	物質の光吸収と放出：物質（原子）・電子系における輻射電磁場（光）の吸収・放出機構を理解する．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．第1回目のレポートの作成を行う．（120分）
第9回	状態ベクトルと密度行列：光の偏光状態や電子スピン状態の記述方法を学ぶ．それらを基に量子力学的純粋状態と混合状態の違いを理解する．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．（120分）
第10回	2準位系と輻射電磁場の相互作用：光学ブロッホ方程式によって振動電場と相互作用する2準位系状態の厳密な記述とラビ振動に関して学ぶ．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．（120分）
第11回	電磁場の量子化①：正準形式における量子化手順を学び，電磁場の量子化へ先立って調和振動子の量子化とその性質を理解する．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．（120分）
第12回	電磁場の量子化②：調和振動子量子化の類似性より電磁場量子化を解説する．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．（120分）
第13回	量子化された電磁場の性質：量子化された電磁場(光子)の数状態，コヒーレント状態の性質について学ぶ．また，それらの1次，2次の干渉に関して学ぶ．本講義のレポート課題（2回目）を発表する．この時，提出期限・返却方法も伝える．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．2回目のレポート作成を行う．（120分）
第14回	量子化した電磁場と物質・電子系との相互作用：第2量子化による電磁場と物質・電子系との相互作用の取り扱い方法を学ぶ．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，整理しておくこと．2回目のレポート作成を行う．（120分）
第15回	孤立電子系：半導体量子ドットやダイヤモンド中の窒素-空孔色中心などの例を挙げ，孤立電子系の（共鳴）蛍光，散乱などの物理過程を概説する．前回講義に関する不明点・未理解な点等があれば，個別または全体に補足説明を行う．【事前学習】事前配布する講義資料に目を通し，理解の困難が予測される点を予め整理しておくこと．（120分）【事後学習】講義内容をよく復習し，不明点・未理解な点等があれば，まとめること．2回目のレポート課題に加えて不明点等のまとめもレポートにまとめる（レポート返却時に対応する）．（120分）

その他

教科書	特になし．講義資料等は配布を行う．
参考資料コメント及び資料（技術論文等）	講義中に紹介する．
成績評価の方法及び基準	レポート（100％）の提出による．レポートに対するコメント等は個別に行う．
質問への対応	随時．
研究室又は連絡先	駿河台校舎7号館722B namekata.naoto@nihon-u.ac.jp 03-3259-0918
オフィスアワー	月曜駿河台 14:00 ～ 18:00 駿河台校舎7号館722B
学生へのメッセージ	楽しみながら勉強しましょう．

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