上田 正仁

物理学科

2010年度駒場進学ガイダンス

特別理論演習・物性理論・実験・一般物理

工学とは何か？

人間との対話（人にとって役立つものが価値がある）

理学とは何か？

自然との対話（自然現象・法則の発見に意義）

人に役立つ（画期的）応用も生まれる

（レーザー、半導体、超伝導、インターネット、

GPS、…）

理学と工学の違い

物理法則の応用もするが、根本原理の検証・探求に重心

対象は自然、発想の自由さが重要

学習においても、基礎科目（力学、電磁気学、量子力学、統計力学、相対論）の着実な習得が肝要（2、3年生）

厳しい学問修行、優秀な学生→ 就職に強いのは当然！

理学部の中での物理学科

教科書・論文の輪講、研究もやる研究における議論、コミュニケーションの訓練

（英語で行う研究室もある）

A氏“Quantum Tunnelling in a Dissipative System”, A. O. Caldeira and A. J. Leggett, Annals

of Physics 149, 374 (1983). 摩擦のある状況下での量子トンネリング

B氏“Quasi-Particles and Gauge Invariance in the Theory of Superconductivity”,

Yoichiro Nambu, Phys. Rev. 117, 648 (1960). BCS理論とゲージ不変性 → ヒグス粒子

C氏超流動のBCS－BECクロスオーバーの研究

D氏非平衡統計力学の理論

特別理論演習（4年生）

研究内容のフラッシュ（一部）

物性理論・実験・一般物理

© H Aoki

鉄系新高温超伝導体(2008) 有機新超伝導体(2010)

青木教授

小形教授

超伝導 ＝（ゲージ）対称性の自発的破れ

LaOFeAs東工大(2008)

物質構造の理論的解明と物質設計

つくば(2003)

常行教授

「対称性の破れ」の帰結： 「硬さ」 電気抵抗ゼロ

マイスナー効果

（磁気浮上）

“位相固体”

∆N・∆θ ~ 1「超伝導：∆θ = 0」

超伝導実験

ゲージ対称性の破れ

高温超伝導の謎： 「黒い金属」軟らかい位相固体

硬い位相固体の通常の金属に比べ、何故Tcが高いのか？

内田教授

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ja/a/a3/JR-Maglev-MLX01.JPG�

エネルギー(eV) 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011

放射光（電磁波）を利用した物性物理学

超硬

線

線

Ⅹ

線軟Ⅹ

線

極紫外線

紫外線

可視光

赤外線

遠赤外線

ミリ波

マイクロ波

結晶

分子

高分子・ＤＮＡ

クラスター

生体物質

超格子

スペクトロスコピー

（エネルギー

スペクトル，

励起状態の研究）

SPring-8

Photon Factory

波長(cm) 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15

回折実験

（物質構造の研究）

放射光

クォーク

素粒子

原子核

スピントロ

ニクス材料

超格子

クラスター

磁性

超伝導

藤森教授

大型加速器

磁場中ランダウ量子化したグラファイト表面の２次元電子系を、

不純物が作る静電ポテンシャルに捕獲して、その波動関数の

可視化に成功。

1/r ポテンシャル

調和ポテンシャル

Y. Niimi et al., PRL 102, 026803 (2009)

T = 30 mK, B = 6 T

走査トンネル分光法による量子ホール状態の観測

福山教授

原子１個１個を観る顕微鏡 走査トンネル顕微鏡

動き回っている２次元気体

シリコン結晶表面上のセシウム原子

動きが少ない

２次元結晶

規則的に並んで静止

２次元液体

液体と固体の中間

長谷川教授

VS.

ミクロ：可逆な世界 マクロ：不可逆な世界

非平衡系の統計力学

+

量子測定・情報の理論

可逆と不可逆のインターフェスの理解

＝

熱力学・統計力学のパラダイムシフト

パラダイムシフト

「マクロは可逆（力学）、ミクロは非可逆（熱）」

から

「アクセスできる自由度は可逆、できない自由度は非可逆」へ

可逆 / 不可逆 ⇔ アクセス可能 / 不可能散逸・・・アクセス可能から不可能への変化

測定で得た情報を使ってフィードバックすることで、

覆水を盆に返せる！ → 熱力学と情報・制御理論の統合

散逸

測定と

フィードバック

“マクスウェルのデーモ

ン”

情報と熱力学：覆水は盆に返る？

上田

© ERATO-JST

一原子・一光子レベルでの、量子測定・フィードバックが可能になりつつある

単一原子スピン

の量子測定

Guerlin et al., Nature (2007)

波束の収束過程の観測

量子情報・量子力学との関係

村尾

准教授

原子気体のボース・アインシュタイン凝縮の魅力

－物理学の様々な基礎的問題へチャレンジ－

ボース・アインシュタイン凝縮：純粋な量子相転移

M. H. Anderson, et al. Science 269, 198 (1995)

世界で初めて観測された凝縮体の画像処理データ

引力無しの凝縮 （アインシュタイン）

量子渦生成のダイナミックス

トポロジカル励起と自発的対称性の破れ

M. Greiner, et al., Nature 415, 39 (2002)

超流動と絶縁体を制御

1次元系

0次元系

光で固体を作る

原子間に働く力を斥力から引力へ突然変化させると？

横から見た断面図

磁場（Ｇ）

原子

間に

働く

反発

力

BECでは原子間に働く力の強さと符号（斥力か引力）を制御できる

0.7ｍｓ

0.2ｍｓ

2.3ｍｓ

4.3ｍｓ

4.8ｍｓ

1.8ｍｓ

時間

崩壊開始

それから・・・

多数の原子がBECの外へ飛び散っている

“ボース・ノヴァ”（超新星大爆発）

崩壊 それに続く爆発 爆発後に残ったBEC（中性子星）

０．１ｍｍ

BEC崩壊のダイナミックスの実時間観測

テーブルの上でできる宇宙物理学

B

Experiment (Stuttgart)

Theory (Tokyo)

磁石の超流動の崩壊実験： 52Cr

芸術家にもインスピレーション

■20桁のエネルギースケール

クオーク・グルーオンプラズマ

高温超伝導

冷却原子系

■多くの共通点（異なった階層が共通の普遍的な法則に従う）

• 強相関系の物理

• 閉じ込め(BEC)・非閉じ込め(BCS)転移

crossover: BEC ⇔ BCS, hadron ⇔ QGP, 超伝導 ⇔ モット絶縁体

• スピン不均衡超流動: FFLO状態, カラー超伝導

• ユニタリーフェルミ気体

12100MeV 10 KT 100KT

810 KT −

ミクロコスモス・マクロコスモス： 冷却原子系、高温超伝導、QGP

物理は一つ！

スライド番号 1理学と工学の違いスライド番号 3スライド番号 4スライド番号 5スライド番号 6スライド番号 7スライド番号 8スライド番号 9走査トンネル分光法による量子ホール状態の観測原子１個１個を観る顕微鏡　走査トンネル顕微鏡スライド番号 12スライド番号 13スライド番号 14スライド番号 15スライド番号 16スライド番号 17スライド番号 18スライド番号 19スライド番号 20スライド番号 21スライド番号 22スライド番号 23スライド番号 24