Sophia University 相転移の物理 磁性，超伝導，宇宙 理工学部物理学科 大槻東巳，黒江晴彦，大沢明 http://www.ph.sophia.ac.jp 2005/9/23 体験授業 Sophia University 物理学とは？ • 自然界の様々な現象をなるべく少ない仮定で説明し ようと試みるもの • 時間，空間を越えて成り立つ • 説明するだけでなく予言能力 • 高校までで主に習うもの 力学：質点せいぜい2個までの運動 電磁気学：電界の計算のしかた，電界と磁界の中の 粒子の運動 その他，波，熱力学 2005/9/23 体験授業 Sophia University 大学からは？ • 量子力学：ミクロな系を記述する物理 • 熱力学：ミクロな粒子の振る舞いから実際の 物質の振る舞いを明らかにする • ハイテクはいかにうまく微細加工（ナノメート ルのスケール）するかにかかっている。こうし たミクロな粒子の振る舞い，およびそれらが 非常に多数集まったときに何が起こるかを理 解することが不可欠 2005/9/23 体験授業 Sophia University 今日の授業 • 粒子がたくさん集まると，意外な振る舞いを 示す現象 相転移 磁性，超伝導，宇宙 実験やシミュレーションを見ながら解説 2005/9/23 体験授業 Sophia University 相転移の例 • 温度，圧力などを変化させていったとき，ある ところで物質の性質が不連続に変化する現 象 • 身近な例： • 水-氷，水は0℃以下では氷になる • 水-水蒸気，水蒸気は100℃以下で水に戻る • 冷えた缶ジュースの周りに水滴がつくのもその一種 2005/9/23 体験授業 Sophia University 磁性 • 小さい頃から慣れ親しんでいる永久磁石 • 実は永久磁石がなぜ存在するかは1925年に なって初めて解明された（量子力学というミク ロな世界を記述する理論が見つかったため） • 永久磁石は温度を上げていくと永久磁石でな くなる （Feで700℃，Gdで0℃） 2005/9/23 体験授業 Sophia University 磁 石 の 強 さ 転移温度 温度 2005/9/23 体験授業 Sophia University 実際の実験 2005/9/23 体験授業 Sophia University 磁石の起源 • Gd,Feなどを作っている原子はミクロな磁石 になっている。 • 問題はこれがそろうか，平均して0になってし まうかである。 • 温度が高いとバラバラ，温度が低いときれい にそろう。 2005/9/23 体験授業 Sophia University 実際のスピンの振る舞いをコンピュー タシミュレーションで解析 磁石になっている温度ferromagnetism(1K).nb 磁性が破壊されている温度paramagnetism(5K).nb ちょうどその境界critical.nb 2005/9/23 体験授業 Sophia University 超伝導 • 金属はイオン化した原子が格子を組んでおり，その 中を電子が泳いでいると考えられる。 • 格子は激しく振動している • 温度を下げるとこの振動が弱まり，抵抗が減る • 徐々に抵抗が減るのではなく，ある温度で急に抵抗 が消失する。 超伝導 2005/9/23 体験授業 Sophia University 金属を冷やしながら抵抗を測定すると 超伝導転移 2005/9/23 体験授業 Sophia University マイスナー効果 2 2 1 1 0 0 -1 -1 -2 -2 -2 -1 0 1 2 温度が高く超伝導になっていない -2 -1 0 1 2 温度が低く超伝導になっている 2005/9/23 体験授業 Sophia University 余談：超伝導転移温度の“進化” 2005/9/23 体験授業 Sophia University こうした相転移に共通のメカニズム • 磁石はミクロな磁石（鉄原子）の集合体 • これらのミクロな磁石は隣どうしが同じ向きを 向きたがる • 温度が高いとバラバラの向き • 温度が下がると隣同士が同じ方向を指し，そ れらの両隣がまた同じ向きを指すようになる 2005/9/23 体験授業 Sophia University その方向はどうやって決まる？ • ミクロな磁石は等方的 • 磁石はどの方向を向いていてもいいはず • でも磁石はある方向を向く？？？？ 自発的対称性の破れ 2005/9/23 体験授業 Sophia University ドッグフードは対称だけど犬はある方向を選ぶ 2005/9/23 体験授業 Sophia University 自然界の力 • 重力，電磁気力，強い力，弱い力の４つ – 強い力：陽子と中性子に働く強い引力で原子核を 形成 – 弱い力：ベータ崩壊など，原子核の変化を引き起 こす 電気と磁気は電磁気力として統一的に捉えられている さらにこの４つは統一的に考えられないか？ 2005/9/23 体験授業 宇宙の始まりと相転移 www.athome.co.jp/academy/space/より 2005/9/23 体験授業 東京大学 須藤氏提供 2005/9/23 体験授業 宇宙の始まりに何が起こったか • 力：空間の性質で決まる • 空間：相転移を起こす熱がたまる ビッグバン 2005/9/23 体験授業 相転移の物理 • 相転移を理解するには – ミクロな粒子の振る舞いの知識 – それらがたくさん集まるとどうなるかという新しい 考え（実はたった一つの仮定：同じエネルギーの 現象は等確率で起こる） • 身近な磁石の物理が全く違うように見える超 伝導や宇宙の進化の理解にも役立つ • この先，何に役立つかは予言出来ない。。。。 2005/9/23 体験授業 ラボツアーがこの後あります。 おしまいに • 物理学の手法 – 実験で発見，確認 – 理論的に現象を予言 – 仮説（方程式）を立ててそれに基づき計算 – 実験的に新現象を確認 – 計算機シミュレーション 様々な手法を体験することになるので，卒業 生は社会に出てからも多方面で活躍している 2005/9/23 体験授業
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