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応用物理学とは科学と技術のインターフェイス


持続可能な社会を創っていくために、省資源、省エネルギーで環境にやさしい先端技術の必要 性が高まっています。物理学を基礎にしてミクロな原子の世界まで、自然や現象、そしてさまざまな物質を掘り下げることによって、我々がこれまで手にしたこ とのない新しい技術や材料を生み出すことができます。一方で、ナノテクノロジーに代表されるように、今日の高度な技術は新しい科学を生み出す原動力にも なっています。応用物理は、科学と技術の高度な結びつきを実現し、新しい物理学の原理の発見や物質の創製、新しいコンピュータ計算手法の開発といった科学 の進歩を、持続可能な社会を実現する技術に高めていくためのインターフェースの役割を演じます。

何を研究するのか固い物から柔らかい物まで、物質観と学問領域の融合をめざして



応用物理学は、基礎から応用までの広い範囲をカバーしています。それゆえ、研究対象も金 属、半導体、超伝導体といった固い物から、高分子、有機材料、生体物質、流体などのいわゆる柔らかい物まで多岐にわたります(下図参照)。量子物理学の原 理を基礎に、省資源・省エネルギーを実現するメモリー材料、光や電子デバイス材料、磁気材料の開発、そしてそのような機能を生みだす原理を明らかにする研 究をしています。また、タンパク質やゲノム情報の解析やスーパーコンピュータを駆使して大気の流れのシミュレーションを研究しています。21世紀の科学と 技術は、固い物、柔らかい物といった従来の物質観の融合を求めています。



なにを学ぶのか物理学を身につけてあらゆる分野で活躍できる科学者・技術者の養成



物理学は、数学と並び、科学と技術の基礎となっています。応用物理学コースでは、2
〜3年生で数学と力学、電磁気学、量子力学に代表される物理学の基礎をしっかりと学ぶ
ことになっています。基礎体力をつけたら、次は山登りです。いよいよ物理学を駆使して
物質世界や自然情報の世界の冒険が始まります。足腰をしっかり鍛えておけば、高い山に
も挑戦出来ます。4年生では研究室に配属になり、教員から直接指導を受け、卒業研究を
行います。ここでは、知識だけではなく、教員や先輩などとの議論を通してコミュニケーション能力やプレゼンテーション能力も磨きます。さらに高度な研究能 力を身に付けたい人は大学院へ進学します。そして、応用物理の最先端の研究を経験して、自動車から化粧品まで、製造技術の開発から大学での基礎研究まで、 広い分野で卒業生の皆さんは活躍しています。





研究グループの紹介       応用物理学コースには12の研究グループがあります。




マ テリアル理工学専攻応用物理学分野

物 性基礎工学研究グループ
井上順 一郎 教授、 田仲由喜夫 准教授
Keywords   量子現象,ナノスケール磁性体,超伝導,トンネル効果

  固体中の電子は多様な物理現象を作り出します。電子は粒子性と波動性を持ち,量子力学に従います。また電子は,電荷とスピンの自由度を持ち,クーロン力に より相互作用しあっています。そのため多くの電子が集まると,磁性,超伝導といった個別の電子のふるまいからは予想もできない非常に魅力的な物理現象が現 れます。本研究グループでは,ナノスケール磁性体における伝導現象,超伝導におけるトンネル効果,超伝導の発現機構,強く電子が相互作用しあう系における 物理現象に関する理論的研究を行っています。

              
強磁性トンネル 接合:次世代のハードディスク・                     超伝導体と金属の界面ではアンドレーエフ反射
ヘッドやRAMへの応用が期待される。                                 とよばれる特別な伝導過程が存在する。
   

量 子物性工学研究グループ
黒田新 一 教授、 伊東裕 准教授
Keywords   分子エレクトロニクス材料,有機超伝導体,電子スピン共鳴

  現代のエレクトロニクスでは様々な機能を持った物質が材料や素子として使われています。その中で新しい物質として応用の入り口にさしかかっているのが有機 物質です。本研究グループでは、無限のバラエティーに富んだ有機分子が集合した時に現れる性質に注目し、高感度のミクロ計測法である光励起電子スピン共鳴 や伝導測定などを実験手法の中心として、有機固体の物性の探索や解明をすすめています。さらに有機単分子膜の手法による物質開発にも取り組んでいます。


               
                電子スピン共鳴装置
電子スピン核ス ピン同時共鳴により求められた、電界発光性高分子
におけるナノスケールに広がるポーラロンの空間形状



光 物理工学研究グループ

中村新 男 教授、 岸田英夫 准教授
Keywords    レーザー,光子の制御,量子構造半導体

  光や電場・磁場に対して新しい機能を示す“もの”を創ったり、その性質を調べる研究を行っています。例えば、結晶の大きさをナノメートル(千分の一ミクロ ン)まで小さくすると、電子の波としての性質が現れて光や電場に対する機能が変わります。また、銅やマンガンからなる酸化物はスピンと電子との相互作用に よって超伝導や強磁性などさまざまな“物性”を示します。最先端のフェムト秒レーザーシステムを使って、光が30ミクロンしか進まないような時間で、固体 の中の電子や原子の動きをとらえる研究もしています。

                               
   半導体がつくるナノスケールのピラミッド(STM像)             最先端のフェムト秒レーザー


構 造物性工学研究グループ

澤 博 教授、西堀英治 准教授
Keywords    構造物性,放射光,X線・中性子回折,フラーレン化合物,新解析手法開発

  物質の性質と密接に関係した、物質中の原子、及び電子の分布を、放射光あるいはX線や中性子線を用いて、解明する研究を行っています。対象とする物質は、 超伝導体、誘電体等の無機材料から、フラーレン化合物、有機伝導体、タンパク質まで多岐に渡っています。機能と関連した詳細な原子、電子の分布を明らかに するため、世界最高の放射光を用いた実験、並列計算などのハイパフォーマンスコンピューティング技術を用い、これまでの限界を超えた新しい解析手法の開発 も行っています。

         
金属内包フラーレンLa2@C80       世界最大の放射光施設Spring-8


生 体物性工学研究グループ

笹井理生 教授、寺田智樹 講師
Keywords    蛋白質ダイナミクス,遺伝子ネットワーク

  生命は蛋白質、DNAなど生体分子を部品とするシステムです。これらの生体分子は精巧な構造を持っているため、人工の精密機械のアナロジーが多用されてき ました。しかし固い機械のパーツとは異なり、生体分子は熱ゆらぎによって柔らかく動くソフトマ テリアルです。ゆらぎながら高機能を発揮する物質と、その相互作用ネットワークの法則を物理学の方法を用いて考えることが本質的であることがわかってきま した。統計力学と計算機シミュレーションの方法を用いて生命システムのなぞに迫ります。

                

計算機によって分子モーターの 動作を探る            遺伝子 スイッチとそのネットワーク



結 晶材料工学専攻

機 能物性工学研究グループ

生田博志 教授、竹中康司 准教授、竹内恒博 准教授(エコトピア科学研究所)
Keywords    高温超伝導体,遷移金属窒化物,非周期系物 質,低温物性,電子構造

 材料の示す性質(物性)を理 解し、その機能を最大限まで引き出すためには、物質中に存在する電子の性質を調べることが重要です。当研究グループでは、固体内における電子のエネル ギー・運動量の分布の観測、電子物性の測定、結晶構造解析など様々な実験的手法を通して、機能性材料が示す特異な物性の発現機構を解明する基礎研究を行っ ています。また、強力な磁場を発生できる高温超伝導材料や、熱を電力に変換する熱電変換材料の開発などの応用研究も行っています。


磁 石の上に浮上している        角度分解光電子分光により解明            Sm 系溶融バルク超伝導体の
高温超伝導体                    したBi系酸化物高温超伝導体の            77Kにおける捕捉磁束密度分布
                                    電子構造


界面物性工学研究グルー プ
財満鎭明 教授、中塚理 講師
Keywords    次世代ULSI,半導体,表面・界面物性

  パソコンや携帯電話など半導体情報処理装置の性能向上は、超々大規模集積回路(ULSI)の極微細化、高集積化により達成されています。ULSIの高性能 化には、新しい材料からなる複雑な構造を原子スケールで制御し、ナノ領域で現れる量子力学的効果も含めた素子の動作原理を理解する必要があります。本研究 室では、表面・界面物理や半導体量子物理の研究を基礎に、新しい世代のシリコン系ULSIに向けた薄膜材料・プロセスの研究開発を進めています。

            
   X線回折逆格子マップによるGe、SiGe薄膜内部の結晶            クリーンルーム内に設置された薄膜作製用
   歪構造評価                                                      超高 真空分子線蒸着 装置


ナノマテリアル科学研究部門・微 細構造制御先端材料研究グループ
田中信夫 教授、齋藤晃 准教授
Keywords    ナノ結晶,超薄膜,高分子のダイナミックスの研究

  現在、超薄膜やナノワイヤ、超微粒子を用いたナノテクノロジーが話題となっており、その基礎研究は大変注目されています。当研究グループでは電子顕微鏡や 各種高感度物性測定装置を使って、金属、半導体、セラミックスからなるナノ材料の構造と物性を原子のレベルから調べ、かつその材料のもつダイナミックな性 質の研究も行っています。

                
            磁気メモリーへの応用が期待さ れるFePtクラスター          ナノ材料観察用電子顕微鏡


量 子工学専攻

極 限物性工学研究グループ
齋藤弥八 教授、秋本晃一 准教授
Keywords    カーボンナノチューブ,表面・界面

  ナノスケール材料,半導体・金属の表面や界面は,量子効果などの新しい物理現象の発現する舞台であり,また応用上も将来の電子デバイスの微細化・高集積化 の鍵を握る重要な役割を持ちます。本研究室では,カーボンナノチューブなどのナノテク材料の創製と応用に関する研究,また表面・界面の構造を原子レベルで 明らかにするための研究や半導体表面におけるナノ構造の形成と制御に関する研究を,電子顕微鏡,X線回折(シンクロトロン放射光),電子回折,走査トンネ ル顕微鏡などにより行っています。

    
       カーボンナノチューブからの電子放出パターン                     Si表面原子の走査トンネル顕微鏡像


計 算理工学専攻

数理工学 研究グループ

張紹良 教授、今堀慎治 講師
Keywords    数値計算アルゴリズム,ハイ・パフォーマン ス・コンピューティング

  計算機の凄まじい普及・高速化により、科学技術計算に現れる問題はますます大規模になっている。優れた計算機資源があるから、大規模計算は心配無用と思わ れるが、実際は計算機が速くなればなるほど、アルゴリズムの速さがますます重要になる。本研究室では「より速く、より高い精度で」を合言葉に、数値解析 学、応用数学の基礎理論に基づいて高速アルゴリズムの開発に関する研究を行う。また、それらのアルゴリズムを用いて、計算数理諸分野に現れる様々な問題を 計算機上で数値的に解明する。

  
             オプション価格計算のためのDE-FGT法                     ワー クステーション クラスタ


ソ フトマテリアル工学研究グループ
美宅成樹 教授
Keywords    ナノマシンであるタンパク質の構造・物性をゲノムスケールで考える

 ゲノムの情報から作られるタ ンパク質の立体構造や、タンパク質が行う反応の分子的機構の解明を目指しています。
具体的には、タンパク質(特 に膜タンパク質)の変性測定、再生実験などを行うと同時に、ゲノム情報から得られる大量のアミノ酸配列のコンピュータ解析を行っています。作成されたシス テムはインターネット上で公開されています。

タンパク質の階層構造の解析・予測



流 体シュミレーション工学研究グループ

金田行雄 教授、石井克哉 教授(情報連携基盤センター)
石原卓 准教授(附属計算科学連携教育研究センター)

Keywords    流体現象,乱流,シミュレーション,グラフィックス

  大気の運動からインクジェットの液滴の運動まで、自然や工学の様々な分野で流体現象は重要な役割を果たしています。本研究グループでは、数理的、情報物理 学的方法を使って、こうした流体現象の基本的な性質の解明を目指しています。また、このための数値計算法やコンピュータグラフィックスの開発も行っていま す。特に、乱流、渦運動、音波、流れの中の物体を対象に、パターン形成や統計的法則性、流体と物体との相互作用など、流体の非線形現象のもつ多様な側面の 研究を進めています。


           
     様 々な流れの可視化


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