理工学研究科Graduate School of Science and Engineering
PHY500X4（物理学 / Physics 500）量子物性デバイスQuantum Devices
小野 新平Shimpei ONO
授業コードなどClass code etc
| 学部・研究科Faculty/Graduate school | 理工学研究科Graduate School of Science and Engineering |
| 添付ファイル名Attached documents | |
| 年度Year | 2023 |
| 授業コードClass code | YC042 |
| 旧授業コードPrevious Class code | |
| 旧科目名Previous Class title | |
| 開講時期Term | 春学期集中/Intensive(Spring) |
| 曜日・時限Day/Period | 集中・その他/intensive・other courses |
| 科目種別Class Type | |
| キャンパスCampus | 小金井 |
| 教室名称Classroom name | 各学部・研究科等の時間割等で確認 |
| 配当年次Grade | |
| 単位数Credit(s) | 2 |
| 備考（履修条件等）Notes | |
| 実務経験のある教員による授業科目Class taught by instructors with practical experience | |
| カテゴリーCategory | システム理工学専攻 |
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Outline (in English)
The modern electronics industry has developed by creating new functional materials such as metals, semiconductors, insulating and magnetic materials, and by controlling the properties. Devices which take advantage of these changes in physical properties are key technologies in support of today's advanced information society. In this lecture, we aim to explain why quantum mechanics is necessary when considering the latest devices, to unravel the basics of quantum mechanics, and to enable even beginners to understand the actual device applications.
授業で使用する言語Default language used in class
日本語 / Japanese
授業の概要と目的（何を学ぶか）Outline and objectives
現代の電子産業・エレクトロニクス産業は、金属・半導体・絶縁体・磁性体などの新規機能材料の創製と、それぞれの材料の特性を自在に制御することで発展してきた。これら物性変化を利用したデバイスは、現在の高度情報社会を支えるキーテクノロジーとして利用されている。本講義では、最新のデバイスを考える上で何故量子力学が必要なのか、量子力学の基礎から紐を解いて、実際のデバイス応用まで初学者でも理解できることを目的とする。
到達目標Goal
材料物性の基礎として、電子状態の変化によって絶縁体から金属まで変化する様子を、量子力学を利用して理解する。また、これら電子状態を制御することを応用した新規電子デバイスなど、基礎的な量子力学が、実際のデバイスにどのように結びつき、どのような機能を持たすことができるのか、イメージをつかめ、身近なエレクトロニクスの原理の理解ができる。
この授業を履修することで学部等のディプロマポリシーに示されたどの能力を習得することができるか（該当授業科目と学位授与方針に明示された学習成果との関連）Which item of the diploma policy will be obtained by taking this class?
ディプロマポリシーのうち、「DP1」「DP2」「DP3」に関連
授業で使用する言語Default language used in class
日本語 / Japanese
授業の進め方と方法Method(s)（学期の途中で変更になる場合には、別途提示します。 /If the Method(s) is changed, we will announce the details of any changes. ）
パワーポイントおよび板書による集中講義
校外授業
アクティブラーニング（グループディスカッション、ディベート等）の実施Active learning in class (Group discussion, Debate.etc.)
なし / No
フィールドワーク（学外での実習等）の実施Fieldwork in class
あり / Yes
授業計画Schedule
授業形態/methods of teaching：対面/face to face
※各回の授業形態は予定です。教員の指示に従ってください。
1[対面/face to face]：イントロダクション
これから学ぶ量子効果を利用するデバイスに関して、多くの量子現象を概観し、本講義の中心となる半導体についての解説を行う。
2[対面/face to face]：量子力学と半導体デバイスの関係
なぜ量子力学が半導体デバイスの理解に必要なのか説明する。
3[対面/face to face]：量子効果
量子力学の基礎となる粒子と波動の二重性に関しての復習を行う
4[対面/face to face]：シュレディンガー方程式
自由粒子を説明するのに使うシュレディンガー方程式に関して説明を行う。
5[対面/face to face]：井戸型ポテンシャル
自由粒子によく用いられる井戸型ポテンシャルに関して、解説を行うと同時に実際のデバイスに関して紹介を行う。
6[対面/face to face]：バンド構造
シュレデンガー方程式と実際の材料の結びつきについて解説し、金属、半導体、絶縁体など異なる電子状態が生まれる理由について解説する。
7[対面/face to face]：バンド構造と境界条件
固体中における電子の持つバンド構造について解説を行う。
8[対面/face to face]：電界効果による物性制御
化学置換と電界効果による電子状態制御の違いについて学ぶ
9[対面/face to face]：電界効果による量子相転移制御
電界効果による金属—半導体転移とそれを使った電子デバイスに関して学ぶ
10[対面/face to face]：電界効果による量子相転移制御２
電界効果による磁性制御に関して、メカニズムとその応用に関して学ぶ
11[対面/face to face]：発光デバイス
量子状態を利用する発光デバイスに関してのメカニズムを学ぶ
12[対面/face to face]：電界効果の新展開
電解質を利用した電界効果とその応用に関して解説を行う。
13[対面/face to face]：校外授業
最先端の研究の見学を通じて、授業で学んだ知識を利用した実際の電子デバイスについて学ぶ
14[対面/face to face]：校外授業2
最先端の研究の見学を通じて、量子相転移を利用した電子デバイスを駆動させてみる
授業時間外の学習（準備学習・復習・宿題等）Work to be done outside of class (preparation, etc.)
【本授業の準備・復習時間は、各４時間を標準とします。】
量子力学と固体物理学の基本を理解しておくこと。
テキスト（教科書）Textbooks
特になし
参考書References
キッテル「固体物理学入門」（丸善）
成績評価の方法と基準Grading criteria
講義最終回に課すレポートによる。また、平常点も加味する。
学生の意見等からの気づきChanges following student comments
授業内容のパワーポイントは、事前に掲示板にアップし、予習・復習ができるようにします。また、授業で取り扱う数式に関しては、自ら計算をすることで、より理解を深めるように工夫をします。
その他の重要事項Others
5日間の集中講義とする。
4回は土曜日に対面にて行う。（ただし状況に応じてオンラインの可能性あり）
最終回は、校外授業で研究現場の見学会を予定する。