相転移の物理
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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. 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. 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

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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


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


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


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


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


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


磁石の強さ

転移温度

温度

2005/9/23 体験授業


実際の実験

2005/9/23 体験授業


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


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


超伝導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

  • 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


金属を冷やしながら抵抗を測定すると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

超伝導転移

2005/9/23 体験授業


マイスナー効果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

温度が低く超伝導になっている

温度が高く超伝導になっていない

2005/9/23 体験授業


余談:超伝導転移温度の“進化”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

2005/9/23 体験授業


こうした相転移に共通のメカニズム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


その方向はどうやって決まる?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

  • 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


ドッグフードは対称だけど犬はある方向を選ぶ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


自然界の力ドッグフードは対称だけど犬はある方向を選ぶ

  • 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ドッグフードは対称だけど犬はある方向を選ぶ

www.athome.co.jp/academy/space/より

2005/9/23 体験授業


東京大学 須藤氏提供 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


宇宙の始まりに何が起こったかドッグフードは対称だけど犬はある方向を選ぶ

  • 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


相転移の物理ドッグフードは対称だけど犬はある方向を選ぶ

  • 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。ドッグフードは対称だけど犬はある方向を選ぶ

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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