Sophia University 2005/9/23 体験授業 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

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1 Sophia University 2005/9/23 体験授業 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

2 Sophia University 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

3 Sophia University 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

4 Sophia University 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

5 Sophia University 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

6 Sophia University 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 ℃）

7 Sophia University 2005/9/23 体験授業 温度 転移温度

8 Sophia University 2005/9/23 体験授業 実際の実験

9 Sophia University 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。

10 Sophia University 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 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 paramagnetism(5K).nb ちょうどその境界 critical.nb critical.nb

11 Sophia University 2005/9/23 体験授業 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

12 Sophia University 2005/9/23 体験授業 金属を冷やしながら抵抗を測定す ると 超伝導転移

13 Sophia University 2005/9/23 体験授業 マイスナー効果 温度が高く超伝導になっていない 温度が低く超伝導になっている

14 Sophia University 2005/9/23 体験授業 余談：超伝導転移温度の “ 進化 ”

15 Sophia University 2005/9/23 体験授業 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

16 Sophia University 2005/9/23 体験授業 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

17 Sophia University 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

18 Sophia University 2005/9/23 体験授業 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？

19 2005/9/23 体験授業 宇宙の始まりと相転移 www.athome.co.jp/academy/space/ www.athome.co.jp/academy/space/ より

20 2005/9/23 体験授業 東京大学 須藤氏提供

21 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

22 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。。。。

23 2005/9/23 体験授業 おしまいに 物理学の手法 – 仮説（方程式）を立ててそれに基づき計算 – 実験で発見，確認 – 実験的に新現象を確認 – 理論的に現象を予言 – 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 ラボツアーがこの後あります。