2024年度 学院等開講科目 物質理工学院 材料系 材料コース
量子光物性特論
- 開講元
- 材料コース
- 担当教員
- 中村 一隆
- 授業形態
- 講義 (ライブ型)
- メディア利用科目
- -
- 曜日・時限
(講義室) - 月1-2 (G1-103 (G114)) / 木1-2 (G1-103 (G114))
- クラス
- -
- 科目コード
- MAT.C402
- 単位数
- 200
- 開講時期
- 2024年度
- 開講クォーター
- 2Q
- シラバス更新日
- 2025年3月14日
- 使用言語
- 英語
シラバス
授業の目的（ねらい）、概要
本授業では、物質および光の量子状態を状態ベクトルで表し、量子状態の時間発展を記述するシュレディンガー表示、ハイゼンベルグ表示、相互作用表示について学びます。そのあと、光と物質の相互作用について線形である光吸収放出過程を学びます。さらに、量子光学などで重要であるコヒーレント状態について学びます。また最新の研究の例として、コヒーレントフォノン計測と光を用いた量子状態のコヒーレント制御について紹介します。
光と物質の相互作用に関する量子力学的な記述と計算方法を修得することを講義のねらいとします。
到達目標
【到達目標】 本講義を履修することによって、量子力学に基づいた物質の状態とその時間発展を記述の仕方を理解し、振動電磁場である光との相互作用による状態変化の量子論的取扱い方を理解することを目標とします。さらに、この取扱い方法を、光を用いた物性評価および制御に応用できるようになることを目標とします。
【テーマ】 本講義では，物質の状態および光との相互作用を量子力学を用いて記述し、光を用いた物性研究をミクロな立場から理解することをテーマとします。特に、量子系の時間発展と振動電場との相互作用に注目します。
キーワード
量子力学、光物性、非線形分光、超高速現象、レーザー
学生が身につける力
- 専門力
- 教養力
- コミュニケーション力
- 展開力 (探究力又は設定力)
- 展開力 (実践力又は解決力)
授業の進め方
各授業項目に対して講義を行ったあとで、随時演習を行います。自分で演習問題を解くことで，講義で学んだことの理解を深めるとともに，理解度を自分で確認できるようにします．
授業形態はzoomでのオンライン。
授業計画・課題
| 授業計画 | 課題 | |
|---|---|---|
| 第1回 | 量子系の時間発展 | 量子力学的系の運動方程式を学ぶ。特に，シュレディンガー描像，ハイゼンベルグ描像，相互作用描像での系の時間発展の記述方法を学ぶ． 量子系は状態ベクトルで表される． |
| 第2回 | 密度演算子 | 密度演算子を用いた系の記述の方法を学ぶ。特に，時間発展の方程式とダイヤグラムの表し方を学ぶ． |
| 第3回 | ２準位系の光相互作用 | ２準位系での光相互作用過程を学ぶ |
| 第4回 | ダブルサイドファインマンダイアグラム | ダブルサイドファインマンダイアグラムを用いた非線形光学過程の表現方法を学ぶ |
| 第5回 | 調和振動子 | 調和振動子を取扱い，上昇下降演算子と数状態について学ぶ． |
| 第6回 | 調和振動子の状態の時間発展 | 調和振動子での重ね合わせ状態の時間発展を学ぶ |
| 第7回 | コヒーレント状態 | コヒーレント状態の定義および性質について学ぶ． |
| 第8回 | スクイーズド状態 | スクイーズド状態の定義および性質について学ぶ． |
| 第9回 | １次元格子振動 | １次元原子鎖の格子振動について学ぶ． |
| 第10回 | 場の量子化とフォノン | １次元原子鎖の格子振動に関する，場の量子化とフォノンについて学ぶ． |
| 第11回 | コヒーレントフォノン：超高速分光実験 | コヒーレントフォノンと超高速分光実験について学ぶ． |
| 第12回 | コヒーレントフォノン：理論 | コヒーレントフォノンの理論的取り扱いについて学ぶ． |
| 第13回 | コヒーレントフォノン振幅の時間発展 | コヒーレントフォノン振幅の時間発展について学ぶ |
| 第14回 | 量子光物性の理解度の確認と解説 | この授業を通して、量子光物性をどの程度理解できたかを確認する。 |
準備学修(事前学修・復習)等についての指示
学修効果を上げるため，教科書や配布資料等の該当箇所を参照し，「毎授業」授業内容に関する予習と復習（課題含む）をそれぞれ概ね100分を目安に行うこと。
教科書
"Quantum Phononics" by K. Nakamura (Springer, 2019)の内容に沿って授業を進める予定である．
ただし，この本でなく以下の参考書を使って学習してもらっても良い．
参考書、講義資料等
"Modern Quantum Mechanics" by J.J. Sakurai and J.J. Napolitano (Pearson Education Limited 2014) ISBN 10:1-292-02410-0
"Introductory Quantum Optics" by C. C. Gerry and P. L. Knight (Cambridge University Press, 2005) ISBN 978-0-521-52735-4
"Quantum Field Theory of Solids" by H. Harken (North-Holland Publishing, 1976)
"Principles of Nonlinear optical spectroscopy" by S. Mukamel (Oxford University Press 1995) ISBN 0-190509278-3
成績評価の方法及び基準
物質の量子状態の時間発展と光との相互作用についての理解度を演習から評価する。また期末テストで成績を合わせて評価する。
関連する科目
- MAT.A203 ： 材料量子力学
- PHY.Q435 ： 量子情報
履修の条件・注意事項
学部授業で「量子力学」または「量子化学」に関連した授業を履修していること。
この科目は、202４年度までになりますので、大学院生限定になります。