Transcript 相転移の物理 磁性，超伝導，宇宙

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
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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
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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
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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
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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
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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℃）
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磁
石
の
強
さ
転移温度
温度
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実際の実験
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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。
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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
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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
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金属を冷やしながら抵抗を測定すると
超伝導転移
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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
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余談：超伝導転移温度の“進化”
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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
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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
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ドッグフードは対称だけど犬はある方向を選ぶ
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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？
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宇宙の始まりと相転移
www.athome.co.jp/academy/space/より
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東京大学 須藤氏提供
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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
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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。。。。
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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
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