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| 開講年度 | 2019 年度 | |
|---|---|---|
| 開講区分 | 工学部機械工学科／総合工学科機械工学コース ・専門教育 | |
| 受講対象学生 |
学部(学士課程) : 3年次 |
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| 選択・必修 | 選択 |
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| 授業科目名 | 応用量子論 | |
| おうようりょうしろん | ||
| Applied Quantum Mechanics | ||
| 単位数 | 2 単位 | |
| ナンバリングコード | EN-SYST-3
※最初の2文字は開講主体、続く4文字は分野、最後の数字は開講レベルを表します。 |
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| 開放科目 | 非開放科目 | |
| 開講学期 |
後期 |
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| 開講時間 |
木曜日 8, 9, 10時限 曜日指定の授業です．１０月から，連続して，90分+45分の授業を１０回行って，１月初旬までに授業を終了させます．よって定期試験を早めに行います． |
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| 開講場所 | ||
| 担当教員 | 小竹 茂夫（工学部） | |
| KOTAKE, Shigeo | ||
| 授業の概要 | 工学において、実際の材料がもつ様々な性質や量子力学的な考え方を理解することは、大変重要である。物の性質（物性）がどのように決まっているのか、材料によってどのように違うか，量子情報は従来の情報理論とはどう違うか，を理解することは、機械エンジニアが適切な設計を行う上でも、機械の性能を理解するうえでも必須の知識となる。 本講義では、前期の「応用電子論」に引き続き，様々な物の性質を取り上げ、量子力学を背景とした物性論の講義を通して、それらの概要を講義する。 さらに量子力学を応用した情報理論（量子情報）の基礎的な考え方を紹介し，量子コンピューターの人工知能や現在制御理論への応用についても講義する．基本的には式を追うだけの授業はせず、基本的な性質がどのような仕組みから発現するかの定性的な説明に心がけたい。 |
|---|---|
| 学修の目的 | 物性論，量子力学、電子論，量子情報，電磁気学，統計力学の理解が深まり、固体物理学や制御理論を学ぶ基礎的能力が身に付く。 |
| 学修の到達目標 | ・固体の熱的性質が理解できる。 ・固体の光学的性質が理解できる。 ・レーザーやLED・量子井戸の構造が理解できる。 ・固体の誘電体的性質が理解できる。 ・固体の磁気的性質や磁性体種類が理解できる。 ・超伝導の原理や性質が理解できる。 ・結晶の不完全性を生む格子欠陥、転位を理解できる。 ・量子情報の基礎的な考え方が理解できる。 ・量子コンピューターの仕組みが理解できる． ・量子アルゴリズムの考え方が理解できる。 ・量子情報を応用した制御理論や人工知能の可能性を理解できる。 |
| ディプロマ・ポリシー |
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| 成績評価方法と基準 | レポート：p点（15点）、Moodle小テスト：q点（10点），期末試験：r点（75点）のp+q+rの点を総合的に評価する。60点以上を合格とする。十分な回数の出席は必須である． |
| 授業の方法 | 講義 |
| 授業の特徴 |
Moodleを活用する授業 地域理解・地域交流の要素を加えた授業 キャリア教育の要素を加えた授業 |
| 授業改善の工夫 | Moodelにおいて受講後，小テストをおこなう。 小テストでは正誤問題を解くことで物性論の知識の定着を行う。 レジュメを毎回の授業で配る。 書画カメラを使うことにより，毎回の授業ノートを公開する． |
| 教科書 | オリジナルな授業を行うため，教科書は特に指定しないこととします． 高価なので必ずしも購入を必要としませんが，将来も持っていて役立つ図書として「固体物理学入門（上）および（下）」（キッテル著、丸善）を上げます．後期の「応用量子論」でも使いますので，やる気のある人は購入ください． |
| 参考書 | 数多くの固体物理関連の教科書があるが、入門書としては 「固体物性入門 例題･演習と詳しい解答で理解する」（沼居貴陽著、森北出版）や 「材料科学３」（C.R.バレット他著、培風館、絶版？）がよい。 また高度だが良い参考書として，「熱物理学」キッテル著，丸善がある． また量子情報については， 「量子コンピューター入門」（宮野健次郎，古澤明著，日本評論社）をお勧めする． この他にも， したしむ固体構造論 （したしむ物理工学） 志村史夫著 朝倉書店 （Maruzen eBook Library） したしむ電子物性 （したしむ物理工学） 志村史夫著 朝倉書店 （Maruzen eBook Library） したしむ表面物理 （したしむ物理工学） 志村史夫著 朝倉書店 （Maruzen eBook Library） したしむ磁性 （したしむ物理工学） 小林久理眞 著 朝倉書店 （Maruzen eBook Library） 多体問題 ―電子ガス模型からのアプローチ―（朝倉物理学大系 9） 高田康民著 朝倉書店 （Maruzen eBook Library） 多体問題特論 ―第一原理からの多電子問題―（朝倉物理学大系 15） 高田康民著 朝倉書店 （Maruzen eBook Library） 納得しながら電子物性 （納得しながら学べる物理シリーズ 4） （※） 岸野正剛著 朝倉書店 （Maruzen eBook Library） を挙げる． |
| オフィスアワー | 毎週月曜日12：20～14：30に機械棟2階小竹教員室にて対応。電子メールによる質問など歓迎 |
| 受講要件 | |
| 予め履修が望ましい科目 | この授業は「応用電子論」の続きの授業である。 |
| 発展科目 | 大学院では「固体物理特論」，「固体物理演習」，「極限物性特論」，「量子応用特論」，「固体熱力学演習」としてさらに詳しく学ぶ。 |
| その他 |
・講義の連絡はMoodleを通じて連絡しますので，登録を御願いします。 ・レジュメは，Moodel内にpdfの形で置いてあります。なくした人は取って行ってください。 |
| 各回 共通 |
MoodleのコースURL |
https://portal.mie-u.ac.jp/moodle2/course/view.php?id=1537 |
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| 第1回 | 概要 | 不純物半導体 |
|---|---|---|
| 授業時間内の学修内容 | 不純物半導体 | |
| キーワード(Key Word(s)) | 不純物半導体（impurity semiconductor） | |
| 事前学修の内容 | ||
| 事後学修の内容 | 真性半導体,n 型半導体,p 型半導体の違いを述べよ p-n ダイオードに整流作用がある理由を説明せよ． 太陽電池が発電できる理由を説明せよ. |
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| 自由記述欄 | 毎回,15時30分から17時50分まで授業をおこない, 11 回で終了します.日程については掲示を参照ください. |
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| 第2回 | 概要 | 「ダイオードを利用した回路」と「トランジスター」 |
| 授業時間内の学修内容 | 「ダイオードを利用した回路」と「トランジスター」 | |
| キーワード(Key Word(s)) | ダイオード（diode）， トランジスター（transistor） | |
| 事前学修の内容 | Moodleの小テストをして，先週の授業内容を確認しておいてください． 先週の授業ノートを見て，各自のノートを完成させてください． 次週のレジュメを見て，予習をしておいてください． |
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| 事後学修の内容 | バイポーラートランジスターと FET の違いを説明せよ. | |
| 自由記述欄 | エミッタ―接地回路におけるトランジスターの増幅特性を説明せよ. | |
| 第3回 | 概要 | 半導体の光物性，レーザー |
| 授業時間内の学修内容 | 半導体の光物性，レーザー | |
| キーワード(Key Word(s)) | 光物性（Optical Properties）， レーザー（laser） | |
| 事前学修の内容 | Moodleの小テストをして，先週の授業内容を確認しておいてください． 先週の授業ノートを見て，各自のノートを完成させてください． 次週のレジュメを見て，予習をしておいてください． |
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| 事後学修の内容 | 問題 1 レーザー光と普通の光との違いを述べよ 問題 2 レーザー光が生成するメカニズムを述べよ。 問題 3 直接遷移型半導体が光半導体となり、間接遷移型半導体が光半 導体とならない理由を述べよ。 問題 4 電子遷移に選択律がある理由を述べよ. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第4回 | 概要 | 誘電体 |
| 授業時間内の学修内容 | 誘電体 | |
| キーワード(Key Word(s)) | 誘電体（dielectric materials） | |
| 事前学修の内容 | Moodleの小テストをして，先週の授業内容を確認しておいてください． 先週の授業ノートを見て，各自のノートを完成させてください． 次週のレジュメを見て，予習をしておいてください． |
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| 事後学修の内容 | 問題 2 1. コンデンサーの持つマクロな物性(D,P,E,ε0,εr,ε,χ,Q) 間の関係を図示しながら説明せよ. 問題 2 2. キュリー点以上の温度で高電圧を掛けながら次 第に温度を下げてキュリー点以下の温度とすることを分極 処理という.チタン酸バリウムはどう変化するか?高電圧 を掛けない場合と比較して答えよ. 問題 3 3.チタン酸バリウムが圧電や焦電性を持つ理由を 説明せよ. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第5回 | 概要 | 磁性体 |
| 授業時間内の学修内容 | 磁性体 | |
| キーワード(Key Word(s)) | 磁性体（magnetic materials） | |
| 事前学修の内容 | Moodleの小テストをして，先週の授業内容を確認しておいてください． 先週の授業ノートを見て，各自のノートを完成させてください． 次週のレジュメを見て，予習をしておいてください． |
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| 事後学修の内容 | 問題 1 1. 磁性体の持つマクロな物性(B,M,H,μ0,μr,μ,χ , m)間の関係を図示しながら説明せよ. 問題 2 2. 強磁性体の磁化曲線(M-H カーブ)の変化(ヒ ステリシスループ)を内部の磁区構造の変化から説明せよ. 問題 3 3. 軟磁性体,硬磁性体の違いを説明し,それぞ れの応用を数例述べよ. |
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| 自由記述欄 | ||
| 第6回 | 概要 | 超伝導，超流動 |
| 授業時間内の学修内容 | 超伝導，超流動 | |
| キーワード(Key Word(s)) | 超伝導（Superconductivity）， 超流動（Superfluid） | |
| 事前学修の内容 | Moodleの小テストをして，先週の授業内容を確認しておいてください． 先週の授業ノートを見て，各自のノートを完成させてください． 次週のレジュメを見て，予習をしておいてください． |
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| 事後学修の内容 | 問題 1 液体4Heのボーズアインシュタイン凝集温度(TBE) を求めよ.ただし液体4Heのモル体積は,Vmol = 27.6cm3/mol である． 問題 2 マイスナー効果を説明せよ 問題 3 超伝導量子干渉素子(SQUID)を説明せよ |
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| 自由記述欄 | ||
| 第7回 | 概要 | 「トンネル効果」と「全反射」，「無線電力転送」 |
| 授業時間内の学修内容 | 「トンネル効果」と「全反射」，「無線電力転送」 | |
| キーワード(Key Word(s)) | トンネル効果（quantum tunneling effect） | |
| 事前学修の内容 | Moodleの小テストをして，先週の授業内容を確認しておいてください． 先週の授業ノートを見て，各自のノートを完成させてください． 次週のレジュメを見て，予習をしておいてください． |
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| 事後学修の内容 | 問題 1 3eV の障壁に 2eV の運動エネルギーを持つ電子が 衝突した。この障壁の厚さが、(a) 1 ̊A, (b) 10 ̊A, (c)100 ̊A として、この電子の透過確率を求めよ。 問題 2 STM(走査型トンネル電子顕微鏡)は、表面の原 子の凹凸を測ることができる。トンネル電流を使うことで、 原子の凹凸が評価できる理由を示せ。 問題 3 トンネル現象の例を挙げて説明せよ。 |
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| 自由記述欄 | ||
| 第8回 | 概要 | 「量子アルゴリズムと量子コンピューター」 |
| 授業時間内の学修内容 | 「量子アルゴリズムと量子コンピューター」 | |
| キーワード(Key Word(s)) | 量子アルゴリズム（Quantum algorithm）， 量子コンピューター（Quantum computer） | |
| 事前学修の内容 | Moodleの小テストをして，先週の授業内容を確認しておいてください． 先週の授業ノートを見て，各自のノートを完成させてください． 次週のレジュメを見て，予習をしておいてください． |
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| 事後学修の内容 | ||
| 自由記述欄 | ||
| 第9回 | 概要 | 「量子アルゴリズムと量子コンピューター」（その２） |
| 授業時間内の学修内容 | 「量子アルゴリズムと量子コンピューター」（その２） | |
| キーワード(Key Word(s)) | 量子アルゴリズム（Quantum algorithm）， 量子コンピューター（Quantum computer） | |
| 事前学修の内容 | Moodleの小テストをして，先週の授業内容を確認しておいてください． 先週の授業ノートを見て，各自のノートを完成させてください． 次週のレジュメを見て，予習をしておいてください． |
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| 事後学修の内容 | Deutche-Josza のアルゴリズムの計算例と Grover のアルゴリズムの計算例を自ら計算してみよう. | |
| 自由記述欄 | ||
| 第10回 | 概要 | 「量子アルゴリズムと量子コンピューター」（その3） |
| 授業時間内の学修内容 | 「量子アルゴリズムと量子コンピューター」（その3） | |
| キーワード(Key Word(s)) | 量子アルゴリズム（Quantum algorithm）， 量子コンピューター（Quantum computer） | |
| 事前学修の内容 | Moodleの小テストをして，先週の授業内容を確認しておいてください． 先週の授業ノートを見て，各自のノートを完成させてください． 次週のレジュメを見て，予習をしておいてください． |
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| 事後学修の内容 | 授業ノート全体の復習をお願いします． 試験勉強をお願いします． |
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| 自由記述欄 | ||
| 第11回 | 概要 | まとめ・全体の質問 |
| 授業時間内の学修内容 | まとめ・全体の質問 | |
| キーワード(Key Word(s)) | 復習（review） | |
| 事前学修の内容 | Moodleの小テストをして，先週の授業内容を確認しておいてください． 先週の授業ノートを見て，各自のノートを完成させてください． 次週のレジュメを見て，予習をしておいてください． |
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| 事後学修の内容 | 試験勉強をお願いします． | |
| 自由記述欄 |