「物性なんでもQ&A」(#1-#299)

1.スチール缶が方位磁石になる

satokats>方位磁石の磁針は、弱く磁化した強磁性体が使われます。磁針が触れたことは、スチール缶がすでに磁化していたことを示しています。缶のスチールは残留磁化をもっているので、軟磁性ではないのです。これは、スチールの圧延の際に磁気異方性が誘導され、磁区の向きが完全にはバラバラではないことを示唆します。

**>そこで、本当に方位磁石が反応するのか、実験してみました。
**>①コーヒーに方位磁石が反応するのか実験…缶コーヒーの中身をカップに移し、方位磁石を近付けてみました。⇒結果・コーヒーは方位磁石を反応させる飲み物ではありませんでした。
satokats>これは当たり前です。コーヒーはほとんど水ですから弱い常磁性か反磁性でしょう。

**>②次にコーヒーの「缶」が方位磁石に反応するのか実験…中身を出したカラの缶に方位磁石を近付けてみました。⇒アルミ缶の場合…方位磁石は反応しませんでした。
satokats>アルミニウムは「反磁性体」ですから、磁石にくっつきません。強い磁気を急に近づけると、レンツの法則で、この磁気の変化をうち消そうとアルミの内部に渦電流がながれます。（電気のメータでくるくる回るアルミ板が見えますが、この原理が使われています。）

**>⇒スチール缶の場合…方位磁石は反応を示しました。
**>③そこで、スチールが方位磁石に反応するのか、と考え、スチールウールを方位磁石に近付けてみました。
**>⇒結果・スチールウールに方位磁石は反応しませんでした。
satokats>スチールウールは、非常に細いスチールの繊維が絡み合っています。非常に細いためにその方向が磁化容易軸となっていますが、いろんな方向に向いているので全体としては残留磁化がうち消しています。強い磁石にはくっつくはずですが・・。さびにくくするためクロムなどを添加してあるものは常磁性になっていることがあります。

**>スチール缶に方位磁石が反応したのは…スチール缶を方位磁石に近付けたことにより、磁気誘導によって、スチール缶が一時的に磁化されたためと考えてもよろしいのでしょうか？
satokats>方位磁石は非常に弱い磁束しか出しませんから、これによりスチール缶が磁化したとは考えられません。はじめに述べたように、スチールがすでに磁気を帯びていたのでしょう。

**>④さらに、スチール缶が方位磁石の代用にならないかと思い、中身を出したカラのスチール缶を水をはった洗面器に浮かべて、方位磁石と同じように南北を指すのか実験してみました。
**>⇒すると、なんと、水をはった洗面器に浮かべたスチール缶が方位磁石のように南北を指しました。
satokats>このことはまさに、スチール缶がはじめからある方向に残留磁化を持っていたことをしめします。

**>

●飲み口の方が北を指しました。

●南北の精度は「はぼ」というレベルです。

●タイプの違うスチール缶をいくつか使い実験してみました所…

５．２ｃｍ×１０．４ｃｍの通常のコーヒー缶→飲み口がほぼ北を指す。

６．２ｃｍ×１２．０ｃｍの柔らかいスチール缶→飲み口がほぼ北を指す。

６．２ｃｍ×１２．０ｃｍの固いスチール缶→北を指さなかった。

６．２ｃｍ×９．８ｃｍの固いスチール缶（ミルクティーがよく入っている缶です）→北を指さなかった。

●缶用のスチールは回転するローラーの間に通し、うすくした後、電解処理という方法でクロムという金属を加えたティンフリースチールと言うものを現在では、ブリキの変りに、９割という割合で使われています。>

●スチール缶の製法には、２種類あります。

＊ふた・胴・底の３つに分けて、それぞれ製造し、繋ぎ合わせる方法（３ピース缶）

＊底と胴の繋ぎ目がなく、底と胴を一体としてスチールからくりぬき、それにふたを繋ぐ方法（２ピース缶）

●スチール缶と一口に言っても、フタはアルミニウム製。
ちなみに、実験の際、使用したそれぞれの缶は…

５．２ｃｍ×１０．４ｃｍの通常のコーヒー缶と６．２ｃｍ×１２．０ｃｍの固いスチール缶は３ピース缶

６．２ｃｍ×１２．０ｃｍの柔らかいスチール缶と６．２ｃｍ×９．８ｃｍの固いスチール缶は２ピース缶…でした。

**>佐藤先生が磁性研究等を専門とされていて、強磁性体についても、お詳しいと知りましてメール致しました。
satokats>より詳しくは、東北大学金属材料研究所や東北大学工学部材料物性工学科に専門家がおられると思いますのでおたずね下さい。

2. アルミパイプの中を磁石が回りながら落ちる

『アルミパイプの中に磁石を落とすと、磁石はらせん状にゆっくりと落ちていく。』

1. ＜垂直に落とした時＞
   ●直径３cm×長さ1ｍのアルミパイプの中に直径２．５cm×高さ２．０cmのネオジム 磁石を落としてみました。
   ⇒ネオジム磁石はゆっくりとぐるぐるまわりながら落ちていく。（フワッとした感じでした・落とし方によってはらせん状に…）
   そこで、他の磁石でもできないか？…と思い、フェライト磁石でも実験してみました所,途中磁石が回転するもののストンッと落ちました。つぎに…
   
2. ＜斜めに落とした時＞
   ●同じアルミパイプの中に、直径２．５cm×高さ２．０cmのネオジム磁石を落とした時
   ⇒垂直に落とした時と同じ結果が得られました。
   ●フェライト磁石を落とした時⇒アルミパイプの内壁を転がるように下へ落ちました。
   そこで…直径２．５cm×高さ２．０cmのネオジム磁石と同じ形をしたアルミの塊を同じように垂直の場合と斜めに落とした場合と落としてみたらどうかと思い、実験してみました。
   ●垂直に落としてみた時⇒落とし方により、内壁に引っかかったり…っとありますが、比較的ストンッと下へ落ちました。
   ●斜めに落とした時⇒ぐるぐる回りながら落ちましたが、ネオジム磁石のようなフワッとした感じはありませんでした。まるで、アルミパイプ内の内壁にぶつかっているように見えました。
   
3. ちなみに、アルミパイプ以外のパイプではどうか、と思い…アクリルパイプでも同じように実験してみました。
   ⇒結果は…すべて、どの場合でも、そのままストンっと下へ落ちました。

   ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
   **>これは、『電磁誘導』といわれる現象で説明しても差し障りありませんでしょうか？

   satokats>アルミなどの磁石につかない金属の近くで磁石を動かすと、磁石の磁束が金属を貫通し、さらにその金属を動かすとそれに伴って磁束の束も移動して磁界が変化するため、電磁誘導が起こり、その結果、金属中で、その磁束の変化を打ち消すように渦を描いたような電流が流れ（渦電流）、アルミなどの普段磁石につかない金属も電流が流れているときにだけ磁石になり、その内部を流れる渦電流によって生じる磁界により引き合いや反発が起こります。

4. そこで…
   **>どうして引力が少なくなるの？…という疑問なのですが…
   アルミパイプの中を磁石が落下すると、磁界の変化によって電磁誘導が起こり、アルミパイプ内にその磁石の磁束の変化を打ち消そうと渦電流が流れます。その結果、アルミパイプのような磁石にくっつかない金属であってもアルミパイプ内に磁界ができ、引き合いや反発が起こるため、アルミパイプ内を磁石が移動するのに強い抵抗を受け、磁石の落下の加速度が小さくなり、引力が小さくなって、ゆっくり落下するものと思われます。

   …という説明をしたとしても、差し障りありませんでしょうか？
   

5. ちなみに…
   

   どうして、ネオジム磁石はアルミパイプの中をゆっくりと（フワッと）落ちるのですか？

   どうして、ネオジム磁石はアルミパイプの中をぐるぐる回りながら落ちていくのですか？

   これは、アルミと磁石の組み合わせだからこそ、できることなのでしょうか？

   アルミの塊がぐるぐる回りながら落ちていったのは、摩擦で説明できるのでしょうか？

   お忙しい所、細かい質問ばかりになってしまいまして、大変申し訳ございません。また、この投稿内容も、まだオンエアが決定しているわけではないのですが制作前段階のメカニズム解明を大変急いでおります。

日本テレビ　　伊東家の食卓 リサーチ担当　　****

　 Q>『アルミパイプの中に磁石を落とすと、磁石はらせん状にゆっくりと落ちていく。』
sato>パイプなので、反磁界は周り中のアルミから生じており、その分布が均一ではないので（試料の近くは強く遠くは弱い）くるくる回ります。

Q>（フワッとした感じでした・落とし方によってはらせん状に…）
> sato>運動は反磁界の大きさ、試料の形状、重さ、パイプの太さによって条件が変わるので、いろんな運動が起きます。

Q>そこで、他の磁石でもできないか？…と思い、フェライト磁石でも実験して>みました所途中磁石が回転するもののストンッと落ちました。
sato>ネオジム磁石に比べフェライト磁石は磁力が弱いので、誘起される反磁界も弱いのです。

Q>つぎに…
＜斜めに落とした時＞
**>同じアルミパイプの中に、直径２．５cm×高さ２．０cmのネオジム磁石を>落とした時
⇒垂直に落とした時と同じ結果が得られました。
sato>最初だけ斜めでも一度壁に衝突した後は、運動は垂直の場合とほとんど同じでしょう。

**>フェライト磁石を落とした時⇒アルミパイプの内壁を転がるように下へ落ちました。
sato>反発力が弱かっただけです。

**>そこで…直径２．５cm×高さ２．０cmのネオジム磁石と同じ形をしたアルミ>の塊を同じように垂直の場合と斜めに落とした場合と落としてみたらどうかと思い、実験してみました。
>●垂直に落としてみた時⇒落とし方により、内壁に引っかかったり…っとありますが、比較的ストンッと下へ落ちました。
>●斜めに落とした時⇒ぐるぐる回りながら落ちましたが、ネオジム磁石のようなフワッとした感じはありませんでした。まるで、アルミパイプ内の内壁にぶつかっているように見えました。
sato>アルミ同士なら電磁誘導はおきません。

**>ちなみに、アルミパイプ以外のパイプではどうか、と思い…アクリルパイプでも同じように実験してみました。
**>⇒結果は…すべて、どの場合でも、そのままストンっと下へ落ちました
Q>これは、『電磁誘導』といわれる現象で説明しても差し障りありませんでしょうか？
sato>良いでしょう

Q>アルミなどの磁石につかない金属の近くで磁石を動かすと、磁石の磁束が金属を貫通し、さらにその金属を動かすとそれに伴って磁束の束も移動して磁界が変化するため、電磁誘導が起こり、その結果、金属中で、その磁束の変化を打ち消すように渦を描いたような電流が流れ（渦電流）、アルミなどの普段磁石につかない金属も電流が流れているときにだけ磁石になり、その内部を流れる渦電流によって生じる磁界により引き合いや反発が起こります。
sato>完璧です。説明の言葉はちょっと難しいですから、優しい言葉に言い換える必要がありそうです。

Q>そこで…どうして引力が少なくなるの？…という疑問なのですが…
アルミパイプの中を磁石が落下すると、磁界の変化によって電磁誘導が起こり、アルミパイプ内にその磁石の磁束の変化を打ち消そうと渦電流が流れます。その結果、アルミパイプのような磁石にくっつかない金属であってもアルミパイプ内に磁界ができ、引き合いや反発が起こるため、アルミパイプ内を磁石が移動するのに強い抵抗を受け、磁石の落下の加速度が小さくなり、引力が小さくなって、ゆっくり落下するものと思われます。
…という説明をしたとしても、差し障りありませんでしょうか？
sato>「引力が小さくなり」というのは不正確です。地球の引力は不変ですから、「地球の引力をうち消すように上向きの力が働き」とすべきでしょう。

Q>ちなみに…
Q>①どうして、ネオジム磁石はアルミパイプの中をゆっくりと（フワッと）落ちるのですか？
sato>反磁性による磁化は、磁束の変化によって生じるので、落下速度に比例します。従って、急に減速するのでフワッという感じになるのでしょう。

Q>②どうして、ネオジム磁石はアルミパイプの中をぐるぐる回りながら落ちていくのですか？
sato>もし、磁石が完全に球形でパイプの内径に比べて十分小さく、かつ正確に円筒の中心軸にそって落ちたとすると、その運動はおそらくスピードが落ちるだけで回転はしないでしょう。しかし、中心軸からずれていると、磁石に近い側の内壁は大きな磁束の変化を感じその結果反磁界も強くなりますが、磁石から遠い内壁の反磁界は弱くなります。従って、近寄った壁から強い反発を受け、反対側の壁に向けて運動します。こうやってジグザグに落ちますが、磁石が球形でなければ、力の向きには斜めの成分も生じますから、近くの内壁にぶつかり、くるくる回るのでしょう。

Q>③これは、アルミと磁石の組み合わせだからこそ、できることなのでしょう>か？
sato>電気抵抗が低い反磁性体なら何でも結構です。銅でも亜鉛でも真鍮でも、起きると思います。電気抵抗が高いと電子が円運動をする前に減衰してしまうので渦電流とならず、反磁界は弱いでしょう。また、いうまでもないことですが、鉄、コバルト、ニッケルなど強磁性体ではくっついてしまうので実験になりません。

Q>④アルミの塊がぐるぐる回りながら落ちていったのは、摩擦で説明できるのでしょうか？
sato>内壁にぶつかったとき反跳を受けますが、内壁が円形なので斜めに跳ね返され、内壁の別の場所にぶつかりながら落ちていくので回るように見えるのでしょう。摩擦があると、反発係数が小さくなるので、壁に沿って回っていくように見えるかも知れませんが、摩擦だけではくるくる回りません。

**>お忙しい所、細かい質問ばかりになってしまいまして、大変申し訳ございません。また、この投稿内容も、まだオンエアが決定しているわけではないのですが制作前段階のメカニズム解明を大変急いでおります。

3.「光と磁気」(初版)

M.Y.

　 A: 版元に問い合わせましたところ、もとの版が活字を拾ってつくられたものであるため、既にすり増しができない状態になっているそうです。それで、qualityは落ちるけれど写真版で増刷することを考えているそうです。私としては、応用磁気学会誌の連載講座に書いた新しい部分も加えて、全面改定したいと考えているところです。Ｙ先生のrequestにつきましては、とりあえず急ぐので、どこかの書店で余っているのがあれば、調達して欲しい旨、伝えておきました。

4. 音波

1. 　空気中の光はなぜ横波で進むことができるのですか．
2. 　音場は固体中では縦波と二つの横波になるらしいんですけど、これが固体内で反射をすると、縦波は横波に、横波が縦波にかわるらしいんですが、これはなぜですか。
3. 　空気中の音波は、押す力と押し返す力によって進みますが、押し返す力は、何が押し返すのですか．
4. 　光のスペクトルは１波長では連続ですが、１０波長でも連続ですか．

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A: N君、佐藤勝昭です。

1. 光は、物質の移動をともなう波ではないので基本的に音波と異なります。ご存じのように光の伝搬はマクスウェル方程式に従います。▽D=0なので光は基本的に横波です。 2,3については、質問する前に、音波物性に関する参考書を１冊きちんと読まれることをおすすめします。特に押す力と押し返す力の問題は、圧縮性流体の本質的なことですから、そのような基本的なことは自分で勉強してください。さらに詳しく勉強したいとき、固体中の音波に関することは、Y先生またはＰ科のN先生のほうが専門ですので、両先生に聞いてください。
2. 質問の意味がよくわかりません。１波長しかない光のスペクトルは１本の輝線が出るだけで「連続」であるわけがありません。基本的な知識の不足です。

5. 金属の反射スペクトル

6. 黄錫鉱は人工的に作れるか

A: メールありがとうございます。黄錫鉱は、人工的に作製されていると思います。(米国鉱物学会編Sulfide Mineralogy参照)。桜井鉱のように多元素になりますと、ストイキオメトリの制御が難しいと思います。なお、最近はMBE(分子線エピタキシ)法などによって複雑な組成の物質も（薄膜ですが）可能になっています。私の研究室では、MBEによって高温超伝導体Bi2Sr2CaCu27-xを作製しています。龍谷大学の和田隆博先生はstannite構造の複雑な化合物の薄膜成長に成功しておられます。

7. 光速を超音波の速度まで落とせるか？

光の速度は一定ですが、この光速を何かを用いることによって、超音波と同じ速度まで落とすことはできませんか。

A: 物質中の光速c'は、物質の屈折率をnとするとc'=c/nで与えられます。物質のnはせいぜい5程度ですから、音速にまで落とすのは困難です。しかし、全反射光学系における表面付近の近接場は基本的には伝搬しないので、超音波とのカップリングは可能です。実際そのような研究が行われているのではないかと思います。

8. 「光と磁気」

M.Y.
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Q; Y先生、佐藤勝昭です。
　イプシロンεにおいて光の周波数がゼロの極限を考えると、直流での誘電率になります。直流での誘電率は絶縁体では有限ですが、金属では無限大であることは電磁気学の基本です。一方、シグマσにおいて周波数０の極限は直流における普通の導電率ですから、金属では有限の値をもつが、絶縁体では０です。(ε=1+4πiω/σにおいて、ω→0のときσ'→0としますと、誘電率は一定値になります。)
金属において無限大に近づく大きな誘電率を使うよりは、有限の値をもつ導電率を使う方が扱いやすいでしょう。どちらを使った方が都合がよいかは、実用的な問題で、物理的にはどちらを使ってもよいのです。

9. フェライト

A: スピネル構造には、遷移金属イオンのはいるサイトとして八面体サイト(B-site)と、四面体サイト(A-site)があることはご存じの通りです。Aに2価イオンがはいり、Bに3価イオンが入っているとき正スピネル、Aに3価イオンがはいりBの半分を3価イオンが、残りの半分を2価イオンが占めると逆スピネルといいます。フェライトと呼ばれるものの大部分は逆フェライトで、Zn, Mnは例外的です。正スピネルになるか、逆スピネルになるかは、イオン半径、安定な価数、結晶場の大きさなどさまざまな因子があるので、それほど簡単な話ではないと思います。ちなみにCdCr2S4などカルコゲンクロムスピネルではほとんどが正スピネルです。これはCr3+イオンが四面体位置にはいると結晶場的に不安定になるからだと考えられています。これに対しFe3+は四面体位置でも八面体位置でも結晶場的に安定です。あとは２価イオンの方が四面体位置と八面体位置のどちらで安定かどうかということで決まるのではないかと存じます。 　埼玉大学には、平塚信之教授というフェライトの世界的な専門家がいらっしゃいますから、むしろ平塚先生に直接聞かれた方がよいのではないかと存じます。E-mail addressは、hiratuka@fms.saitama-u.ac.jpです。

沢田>質問にお答え頂きありがとうございました。この事については、本などで勉強してみても箸にも棒にもかからない状態だったので、少し前に進めたと思います。しかし、残った疑問はやはり自分の力で解決しなければ意味はないと感じるので、何とか自分で頑張ってみようと思います。それでは、失礼します。

佐藤>さっそくのお礼状有り難うございます。結晶場の話は難しかったかも知れませんね。もし、自分で勉強されてどうしてもわからないことがあれば、私の研究室を訪ねてきてください。あなたの理解度に合わせてやさしく解説します。

10.「光と磁気」

11. 非接触でp,n判定できるか

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A: M様、メールありがとうございました。
Ｑ１.
非接触で半導体の評価をしたいとのご質問ですが、タイプの判定には光を使うとよいかもしれません。たとえばｎ型シリコンにはドナー不純物（Ｐなど）がドープされているので、ドナーによる吸収や発光を検出してやれば可能かと思います。ｐ型ではアクセプタによる吸収や発光を使えると思います。詳細は、田島先生（文部省の宇宙科学研究所教授、 E-mail=tajima@pub.isas.ac.jp）がこのような研究の世界的権威ですからメールされてはいかがでしょうか。

Ｑ２．
非接触で導電率の判定をされるには、キャリア密度が高ければ、赤外の反射スペクトルからDrudeの法則を使って推定できます。ただし、いくつかのパラメータは別の測定から決めておく必要があると思います。

12. 光の波動性と粒子性

A: N君、佐藤勝昭です。
　光に限らず電子も含め量子的粒子はすべて波動性と粒子性の２面性をもって います。これはパラドックスでも何でもなくそれが実体なのです。２つのス リットを使って干渉させる実験をすると、その観測により粒子としての実体が 抑制され、波動という側面が見えてくるのです。一方、フォトンカウンティン グ法を適用すると粒子としての性質が見えてくるのです。

N>　私の質問に対する返事ありがとうございました。しかし、先生の返事の中でちょっと納得いかないところがありました。それは光の２重性の解明方法です。ある授業の中で、物理現象を解明するには、実験結果とそれを理論づける何かが必要だということを聞いたことがあります。しかし、先生の答えによると、ただ、実験結果を言葉にしたに過ぎないと思います。やはりこの現象に対する論証は難しいのでしょうか

satokats>N君、佐藤勝昭です。
　理論というものはすべて、実験事実に基づいて作られています。量子力学は、観測された実験結果をできるだけシンプルに理解する方法として提案され、成功を収めてきました。量子力学では波動関数という概念が導入され、その絶対値の二乗が確率分布を与えると考えられています。このことが正しければ量子力学でははじめから２重性が前提となっているわけです。従って、「２重性を論証せよ」というのは、「量子力学を論証せよ」というのと同じです。量子力学の論証は、観測の問題と深く関わっています。我々は、系を一切乱すことなく系を観測できないからです。例えば光で見るということは光と対象となる量子との相互作用をすることだからです。「スリットを置く」という実験をすることが、すでに系に相互作用を与えているのです。従って、いまだに観測の問題は物理学の根本に関わる問題として残されており、すでに論証されたのか論証されていないかさえ人によって違ったこたえが返ってきます。申し訳ありませんが、この話は、これ以上は私の手に負えません。物理システムの三沢助教授は量子コンピューティングや量子テレポーテーションなどをテーマとしてfsオーダーの超短パルス光を用いた計測技術に取り組んでおられます。三沢先生は、東大理学部物理を出ておられるので、彼なりのしっかりしたお考えを聞かせてもらえると思いますので、彼に尋ねてください。

13. キャリア濃度

さて、今回、メールを書かせて頂きましたのは、ちょっと、勉強を進めているうちに、ある疑問が沸いてきて、どこを探してもその答えはなく、先生ならご存知かと思いまして、突然で本当に失礼だとは思うのですが、お答え願えないでしょうか・・・？

それは、「半導体の、キャリア濃度はn=C*T(3/2)*exp(-E/2kT)で求められます。与えられた温度を代入すると、わかります。が、もし、融点を超えてしまったら、どうなるんですか？実際に測定することはできないですが、キャリアは、どうなってしまうんですか？ 融点ということは、振動と関係ありますか？

と、いうことなんですが、お忙しいとは思いますが、もしも！ちょこっと暇な時間があれば、お返事もらえないでしょうか。お願いします。

大阪府立大学 *;*;
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A: *;*;様、佐藤勝昭です。 　メールありがとう。大阪府立大学の電気系には私の古くからの研究仲間である山本信行先生が半導体の研究をしておられます。優しい先生ですので、一度訪ねてご覧なさい。農工大の佐藤教授の紹介だといえば、温かく迎えてくれますよ。

　さて、ご質問の件ですが、
*;*;> もし、融点を超えてしまったら、どうなるんですか？実際に測定することはできないですが、キャリアは、どうなってしまうんですか？

satokats> 半導体を加熱して融点を超えると融液という液体になります。液体は固体よりやや密度が低く原子と原子の平均距離が離れています。また固体結晶にあったような規則正しい配列がなくなり乱れています。このため、もはや結晶のバンド構造とは異なった電子状態になります。
　バンドギャップは存在せず液体金属(HgやGa)のようになります。

シリコンの融液成長法としてCzhochralski法を知っていますね。融液に浸した種結晶を回転しながら引き上げる方法です。このとき、液面付近での温度変動があるとよい結晶が得られません。この温度変動は対流によって起きるのです。そこで引き上げ装置を強い磁界に中に置くと、あたかも回転する金属円盤に磁界をかけたときのように、レンツの法則で反磁界が発生し、制動がかかります。すなわち磁界をかけたとたんに対流がピタリと納まって液面の温度が一定になります。この方法をMCZといいます。
*;*;> 融点ということは、振動と関係ありますか？
satokats> 格子振動のエネルギーはデバイ温度の程度です。デバイ温度が高いほど熱容量が小さいです。PbとAlのデバイ温度を比べると、前者は80K程度、後者は400K程度です。一方、融解点はPbが600K, Alが933Kですから、デバイ温度が高いほど融点が高くなっているように見えます。たぶん、関係があると思いますが、きちんと両者の関係を論じた書物を見たことがありません。（不勉強で申し訳ありません）

14. 微小磁区の観察

　以上、当社におきましては早急に検討したく、おさしつかえなければぜひご教示賜わりたくお願い申しあげます。ご繁忙のところお手数をおかけしますが、なにとぞよろしくご高配のほどお願い申しあげます。

A: 光スピニクスに関する先端的なご研究に敬意を表します。お尋ねの強磁性細線の有無による磁区構造の変化ですが、マイクロ波の磁界での応答を見る必要があるのでしょうか？それとも静磁界での磁区の変化でよいのでしょうか？マイクロ波の応答を光学的に見るのは、不可能ではないが大変難しいのではないかと拝察します。

　静磁場であれば、ランダム磁区かストライプかは分解能の高い磁気光学顕微鏡で可能かと存じます。また、磁区がストライプになれば裏側で見たときに回折光が得られますから、磁気応答する１次の回折線が見られるかどうかで判断が可能かもしれません。もっとも、磁気薄膜を付けたために生じる効果があるかもしれないので、分離に注意が必要ですね。　私の乏しい知識ではこの程度しかお答えできません。ご質問の趣旨をきちんと理解しているかどうか不安ですが。

この問題に関心を持っていただける他の公的研究機関の研究者としては電総研の安藤功児様、東北大の大谷先生、東工大の阿部先生、名工大の奥田先生あたりでしょうか。 -----------
M>M＠S電機です。早速のご教示、深く御礼申し上げます。前回のメールで言葉足らずの部分がありましたが、先生のご指摘のとおり、我々が期待するところは「静磁界での磁区観察」です。
　さて、下記ご教示を基に、スタッフ一同で今後の研究の進め方について検討いたしました。つきましては、メールにある『高分解能磁気光学顕微鏡』をお持ちで、我々の研究を共同で進めていただける方をご推薦いただけないでしょうか（この分野の権威である佐藤先生にご指導いただくのがベストですが．．．）？大谷さんにつきましては個人的なお付き合いもあるのですが、上記実験装置は保有されていないと思います。
　以上、身勝手なお願いですが、よろしくご検討下さい。

satokats>　本来ならMO-SNOMがよいのですが、反射型はいま私どもで開発中です。透過型はあるのですが、ガーネットが488nmのレーザ光を透過しないので使えないのです。
　通常の金属顕微鏡という光学顕微鏡に冷却型の高感度CCDカメラを付けてクロスニコルでやれば、後の画像処理にもよりますが、波長程度の分解能が得られます。これなら、当研究室でも可能ですし、貴社でも液晶関係の研究室でお使いではないかと思うのですが。　顕微鏡が良くなれば、波長以下まで結構見えます。共焦点型(conforcal)の顕微鏡を使えば、かなりよい画像が得られます。（小倉での応用磁気学会で日本科学エンジニアリングがデモをやっていました。電話は、0426-27-7211です。）キーエンスでも、共焦点型の高分解能顕微鏡を売っています。偏光が可能かは、聞いてみないとなんとも言えません。

15. 透明磁性体

16. 群論を学びたい

17. 太陽電池パネルを設置したい

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A: メール有り難うございました。
　太陽光発電の件ですが、その後もしっかりと発電しております。ホームページのデータは、古くなっていますが、現在は、JQA(日本品質管理機構)が測定装置をとりつけ自動測定しています。
価格は、太陽電池の普及にともない現在シリコンの原材料不足が続いており、値下がりは期待できません。私の家の場合屋根材一体型ですので、瓦を敷く分が安くなっていますが、あまり参考になりません。私の場合、補助金なしでやったので、600万円以上かかりました。それにくらべれば、３００万なら安いと言えます。
　3kW型なら、月平均300kWh発電しますから、給湯や調理にガスをお使いならば、電気代はほとんどタダになります。それでも30年でやっと元がとれる程度でしょうか。でも、地球に投資すると考えてぜひご使用になることをおすすめします。

18. 水分を含んだ物質の分光測定

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A:メール有り難うございました。ホームページを参考にしていただき有り難うございます。いろいろご意見をいただければ幸いです。
　ご質問の件ですが、水の分子振動のモードは結合の仕方によって大きく変わります。水が遊離の形であれば、H-O-Hにおける分子振動が970nm=10309cm-1、1450nm=6896cm-1、1940nm=5155cm-1に出ます。はじめの２つはO-H2の伸縮モード(3500cm-1)の３次および２次の高調波だと言われています。また、5155cm-1の吸収はH-O-Hの変角振動モード(1600cm-1)の３次高調波光です。これらの振動はHをD(重水素)に変えると振動数が低いエネルギーに移ることが知られています。振動数ω0は√(K/M)に比例するのでMが２倍の大きさになると1/√2になります。（Ｋは原子間のバネ定数です）もし無機物質で重い金属と結合していれば振動の波数はグンと低波数に移ります。先ほどの970nm、1450nm、1940nmの吸収は分子振動の高調波ですから、振動数が低下すれば、高調波も低波数になり、長波長に移動します。それで見られなかったのでしょう。
　無機・有機の違いではなく、水が遊離の水のままで存在するか、結合しているかの違いではないでしょうか。（貴方の扱っておられる物質の名前がわかりませんので、一般論でお答えしました。従って、違っているかも知れません。）
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W>詳しい回答をいただきありがとうございました。 あえて結論だけを簡単に言うと、水は遊離の状態では970nm、1450nm、1940nmの３波長を吸収するが、無機物質で重い金属と結合していると、その３波長は、長波長に移動し、確認できなくなる、ということですね。
水分含有率に応じた値が出なかった（水の吸収線が明確にでない）物質の写真を添付しました（すべて同じ物質です）。その物質は私どもの客先から提供された物なので、 詳しいことはわからないのですが、汚泥を処理する時に使われるもので、アルミなどの無機物質が含まれているそうです。
「無機物質で重い金属と結合している」というのが、よくわからないのですが、この試料の場合はどうだと思われますか？写真を見てわかることが何かありましたら、教えてください。
すみません。 前回のメールで間違いがありました。実際に試してみたのは、970nmと1450nmだけで、1940nmは調べていません。(うちの分光計では1600nmまでしか調べられないのです。)
水をセルに入れて水の吸収線を透過法で調べる時に、970nmは1cmセルでよいが、760nmは吸収が弱いので最低10cmセルが必要になります。それと同じように、1450nmでは、吸収が弱いから駄目だが、1940nmなら吸収が強いから確認できるという可能性はありますか？何か気がつくことがありましたら、教えてください。
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satokats>　写真を見ましたが、あれの「透過率」をどのようにして測定されたのか、不思議です。写真5.jpgが測定の様子なのでしょうか。光ガイドで白色光を照射し、試料から散乱されてきた光をもう一つの光ガイドで受け、分光器に入れて光センサで検出しているのですね。これは決して透過スペクトルの測定ではなく、一種の「散漫散乱反射」(diffuse scattering)スペクトルの測定法です。しかし、正式に散漫反射を測定するには、積分反射球というものを使います。これを使って反射率Rを求めると、透過率Tは、T=1-Rで求められます。積分反射球は、日製産業、日本分光などから市販されています。　水の分子振動をモニタにつかおうというアイデアはユニークで、何か別の測定に応用できるのではないかと存じます。 ---------------------------------------
追伸
「無機物質で重い金属と結合している」というのが、よくわからないのですが、この試料の場合はどうだと思われますか？写真を見てわかることが何かありましたら、教えてください。という質問に答えていませんでした。申し訳ありませんが、これを見ただけでは何とも言えません。無機化合物なら、XRD(X線回折)を測定すべきでしょう。

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W: 回答ありがとうございました。

> 写真5.jpgが測定の様子なのでしょうか。

写真の通りに実験しております。ですから、あれは、「中途半端な」散漫散乱反射光の測定ですね。どうやら間違って理解していたようです。

それに関連する質問ですが、「一般に、試料に光があたった場合、その照射された光は、透過光、反射光、吸収される光、にわけられる。」と私は理解していましたが、それで良いのでしょうか？たとえば、「試料に水分が含まれていれば、970nm前後の光が多く吸収され、糖分が含まれていれば、910nmの光が多く吸収され、そして照射光の中で、吸収されなかった分が、透過と反射にある割合でわけられる」ものだと、理解していました。

しかし、その考え方では、佐藤先生の> これを使って反射率Rを求めると、透過率Tは、T=1-Rで求められます。という説明とは矛盾してしまいます。透過率と反射率が、（増減に関して）ほぼ同じものだと思っていたので、前のメールで「透過率」と書いてしまったのだと思います。私はどのあたりで誤解しているのでしょうか？わかることがあれば、教えてください。
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satokats>説明不足で、誤解を与える表現をしてすみません。
　おっしゃるとおり「一般に、試料に光があたった場合、その照射された光は、透過光、反射光、吸収される光、にわけられる。」の通りです。従って吸光度をA、透過率をT、反射率をRとすると、A＋T＋R = 1と表されます。
　もし、すべて吸収されてしまって透過光がないような場合はT=0なので、A=1-Rです。一方、もし、吸収が非常に少ない物質の場合はA=0なのでT=1-Rです。試料の透過率が試料と空気との屈折率の違いのみから生じているばあいがこれに相当します。
　W様の場合は、吸収が非常に強い場合なので、おっしゃるようにA=1-Rとしてよいと思います。ただし、上の式は散乱されて出てきた光がすべて積分球で集められたと仮定していますので、あのような方式で吸光率が正確に求められるかどうかは不明です。でも目安にはなりますね。

19. LSIの発展のきっかけになった発明

質問:半導体分野の発展、特に大規模集積回路（ＬＳＩ）の発展をもたらすきっかけになった発明とＬＳＩ作製における基本技術を三つ上げ、これについて詳しく説明してください。というものなのです。期待してます！

A:　私は、LSIの専門家ではありません。知っている範囲でお答えします。大規模集積回路（ＬＳＩ）の発展をもたらすきっかけは、キルビー特許です。米テキサスインスツルメンツ(TI)のJack Kilbyによるもので、この発明は「半導体の上に電気回路を作る」というアイデアで、その後の集積回路の基礎となりました。

20. アナログ通信とディジタル通信

A: 前回の質問に対する回答はあれでよかったのですか？忙しい時間を割いてお答えしているのですから、あなたはつぎの質問をする前に、一言、分かったとか、ありがとうとか言えないのですか？メールでのエチケットですよ。
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アナログ通信方式とデジタル通信方式との違いですが、私は、材料物性系の専門家であって、通信工学の専門家ではありませんから、一般的なことしか答えられませんが、アナログ通信というのは現在の中波ラジオや現行TV映像のAM(=amplitude modulation)方式, 超短波ラジオやＴＶ音声に用いられるFM(=frequency modulation)のように信号に応じて振幅や周波数を連続的に変化させておこなう通信方式をいい、１つの通信のために一定の周波数領域（バンド幅）を占有します。中波ラジオでは１つの放送局あたり9kHz、ＦＭラジオでは15kHz、通常のＴＶ放送では6MHz、ハイビジョンでは8MHzです。これに対して、ディジタル通信方式では、信号をディジタル化して２進数に変えて、0,1のパルス列として送ります。これはCDで音楽を楽しんだりDVDで映像を楽しんだりするのと同じです。パルスはクロックに従ってタイミングをとって送られていますから、タイミングをずらせて送れば、同じチャンネルを使って同時にたくさんのパルス信号列を送ることができます。携帯電話の大部分はそのようにして送っているのです。映像は大変情報量が多いので、適当な圧縮をして、情報量を少なくして送ります。これが、MPEG方式というディジタル通信方式です。また、ディジタルでは、映像、音声、データ、プログラムなど何でも送れますからアナログ方式よりはるかに融通の利く通信方式だといえましょう。もっと詳しく知りたい方は、ＮＨＫのホームページに１２月から始まるＢＳディジタル放送の方式のことがわかりやすく書かれていますよ。

23. 塗料の分光特性

　なぜ、一様に反射したり、吸収したりするのか？

　その一様な反射や吸収の特性は、赤外のどの領域まで持っているのか？

satokats>　酸化チタンは、可視光線に対して無色透明で屈折率が、赤(650nm)で2.86、黄(560nm)で2.94、青(480nm)で3.08と、ほぼ一定の値(n=3)を持っています。従って、反射率もR=(n-1)^2/(n+1)^2=4/16=1/4=0.25=25%と一定です。顔料は多結晶体をバインダで練り上げたものですが、いろんな粒子を透過しいろんな粒子で反射されても、選択反射や選択吸収が起きないので「白い」のです。一般に無色透明の結晶体が粉末や微粒子になると白く見えます。塩は結晶化すると無色透明ですが、粉になると白いですね。吸収に波長依存性がないのは、酸化チタンの光学吸収端(band gap)が3.5eV(紫外線354nm)付近にあり可視領域の光は透過するからです。一方、屈折率のピークは吸収端付近で最大値4を取り反射率も36%に増加しますが、紫外線の領域なので人間の目には色が付いては見えないのです。

satokars>カーボンブラックは炭素の微粒子の集合体で、（おそらくフラーレンやナノチューブも含まれているのでしょうが）基本的にはグラファイトでしょう。この物質の光学定数はc軸に垂直の面と平行な面とで大きく異なります。（これは、グラファイトの蜂の巣構造の面内は共有結合であるのに対し、面間はファンデアワールス結合であるためです。ｃ面に垂直入射した光について示すと、赤の光に対してはn=2.86, k=1.3, 黄色ではn=2.68, k=1.36, 青ではn=2.64, k=1.3とほぼ一定です。吸収係数α=4πk/λは2.5×10^5cm^-1(赤)、3.0×10^5(黄)、3.5×10^5(青)とほぼ一定で、反射率については、n=2.7, k=1.3とするとR={(n-1)^2+k^2}/{(n+1)^2+k^2}=(1.64^2+1.3^2)/(3.64^2+1.3^2)=0.293となり反射率は可視域で30%一定です。従って、グラファイトの単結晶は「黒光り」の状態にあります。
このように可視光領域に大きな吸収があるのは、この物質が半金属だからです。すなわち、バンド構造は価電子帯の頂と伝導帯の底との電子波数が異なっており、しかもエネルギー的には重なりがあるのです。このため、光学遷移が連続的におきます。一方、ｃ面に垂直な方向から見るとこの物質はバンドギャップが0.12eV付近にある半導体です。このため、キャリア数がすくなく、通常の金属に見られるような自由電子の集団運動によるDrudeの反射が見られません。従って、グラファイトの微粒子の集合体では、粒子中に入った光は10^5cm^-1におよぶ強い吸収のためほぼ吸収されるのです。たとえ、通り抜けても、散乱された光は別の微粒子に吸収され、光は戻ってこなくなります。

satokats>上のような説明でご理解いただけたでしょうか。なお、TiO2の光学定数はPalik:Handbook of Optical Constants of Solid I (Academic Press 1985)p799,　Graphiteの光学定数はPalik:Handbook of Optical Constants of Solid II (Academic Press 1991)p455から引用しました。

24. 光伝導の測定法

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A: MJ様、佐藤勝昭です。
　メールありがとうございます。私のＨＰが人気との由、嬉しく存じます。これからもっと充実し ていきたいと思っています。
　さて、積分反射球を用いる場合の吸収の求め方ですが、この前にご紹介した干渉のキャンセル法 は、基本的にはspecular reflection(鏡のような反射)を前提としています。なぜなら散乱された 光は、干渉に寄与しないからです。従って、たとえば、日立のU-3410に反射のアタッチメントをつ けるとかの方法により、積分球を用いない普通の反射測定をされた方がよいと思うのですが・・。
　積分球を用いて吸光度を測るのは、粉末試料のときは有効ですが、薄膜についてはお薦めできま せん。(hνα)^2 vs hνなどのプロットでバンド端をきめる場合には、吸収係数測定のlinearity が保証されていなければなりませんが、一般には、拡散反射から測定された吸光度のlinearityは 余りよいとは言えないのです。

27. 裏面反射を拾わない反射率測定

28. 圧電セラミクスとPb

29. 液晶ディスプレイについて

30. ブラウン管の振動について

31. 「光と磁気」への質問：プラズマエンハンスメント

1. 自然旋光性の起源は、結晶のもつ対称性にあります。この結果誘電テンソ ルの非対角成分が生じれば、旋光性が現れます。
   例えば、小川智哉「結晶物理工学」（裳華房,1976）p.205, §6.3 ランダウリフシッツ「電磁気学」(井上他訳：東京図書）第２巻§83「自然旋光性」にもあります。
   
2. 磁気光学効果の大きさは、誘電率の非対角成分ばかりでなく誘電率の対角 成分に依存します。複素カー回転角ΦK=εxy/(1-εxx)√εxxなのでプラズマ周 波数付近では分母が小さくなって磁気光学効果は大きな値になります。これを プラズマエンハンスといいます。
   
3. 自由電子による本来のプラズマ周波数は紫外域にありますが、バンド間遷 移との混成の影響で低い周波数領域に見かけのプラズマ端がきます。これをパ インズはハイブリッドプラズモンと命名しています。(Pines:Elementary Excitation in Solids)
   貴金属の色は、このハイブリッドプラズモンが可視域 に来たことによります。PtMnSbの1.8eVにおけるカー回転のピークはプラズマ効 果であるとわかっています。詳しくは、丸善　実験物理学講座６「磁気測定I」 p.223(拙著部分)をお読み下さい。
   

プラズマエンハンスメントのことなのですが，複素回転角の分母が小さくなるため カー回転角が大きくなりうるということはよくわかりました．
絶縁体のカー回転を考えた時は，右回り円偏光と左回り円偏光に対する応答の違い を考えればカー効果の生じる理由が分かったのですが,プラズマエンハンスメントを 物理的に理解するにはどのように考えるとよろしいのでしょうか？

プラズマの状態では、誘電率が負になるのですが、この原因は別として、ここ では、現象論的に説明しておきます。
見かけの誘電率がぴったり１(実数部のみ)だとする と、屈折率は１ですから、空気から入ったとき反射も屈折も起きません。従って誘電 率が１になる波長では、反射は全くありません。従って、この波長の光は物質 中に閉じこもってしまいます。何回も磁気光学効果を受け、無限大になりま す。このように、反射率を犠牲にすれば、いくらでも磁気光学効果をエンハン スできます。実際には誘電率は複素数なのでぴったり１になることはありませ んから、反射率は０ではなく有限の値になり、増強された磁気光学効果が観測 されます。

32. ショアーの硬さについて

33. 有機ＥＬについて

疑問点

1. 有機ＥＬディスプレイは電圧をかければかけるほど明るく発光するのか？
2. 有機ＥＬのカラー表示方式にはRGBの蛍光材料を順に配置するのとカラー フィルタを利用している方法の２つを聞くが違いはなになのか

1. 　有機ＥＬは無機ＥＬと異なり電流動作です。電流とともに輝度が増大し、 　ある臨界値を越えると切れてしまいます。
2. 理想的にはRGBのＥＬ材料を配置する方が明るいはずですが、有機ＥＬのRの発光効率が低いの で、G、Bとのバランスが悪いようです。（出光ではBを励起光源に使って色素変換でRを出してい るとのことですが・・・）フイルタ方式では白色ＥＬを用いているので、液晶と同様のカラー表 示になります。

34. 斜め入射の金属反射率について

RP＝tan^2(φ1－φ2)／tan^2(φ1＋φ2)

RS＝sin^2(φ1－φ2)／sin^2(φ1＋φ2)

TP＝sin(2・φ1)・sin(2・φ2)／{sin^2(φ1＋φ2)・cos^2・(φ1－φ2)}

TS＝sin(2・φ1)・sin(2・φ2)／sin^2(φ1＋φ2)

35. 液晶ディスプレイについて(2)

偏光(polarized light)について

36. 熱膨張係数について

1. 固体の熱膨張特性は，何によって決定されるのでしょうか？
   　　⇒私の認識では，以下のように理解してましたが正しいでしょうか？
   　　　「各結晶の，格子振動に対する温度依存性により個々の物性が決定する．」
   
2. 上記の認識が正しい場合，格子振動の温度依存性に何らかの傾向はありますか？
   　　⇒例えば，酸化物の方が窒化物よりも格子振動の温度依存感度が高い　とか．．．
   
3. 格子振動の温度依存性に傾向が無い場合は，熱膨張特性の推定は困難で，測定してみなければ解らないのでしょうか？
   　　⇒ここで言う推定とは，あるベースの材料（例えばアルミナ）の熱膨張率を下げたい場合， 「何を添加したら良いか？」等の狙いを絞ることは困難なのか？　という意味です．
   

37. 低周波における金属の誘電率について

Ａｇの光学定数の出典は、Springerから出ているLandolt-Boernsteinのハンドブック のシリーズがありますが、そのNew SeriesのIII-15bという巻のp210から、Optical properties of pure metals and binary alloysという節が始まっており、その中に Agも載っています。このシリーズは大抵の大学図書館にはあると思います。

38. ミリ波帯の誘電損失

　

TiO2(rutile)：I-p795 0.103μｍ－36.4μｍ 　

NaCl(rocksalt)：I-p775 0.04-30590μｍ 　

BaTiO3(barium titanate)：II-p789 0.03-100μｍ

39. 朝日と夕日の色

40. 反強磁性体の磁気光学効果

1. 反強磁性体では、磁気光学効果は現われるのでしょうか。
   反強磁性体でも外部磁場をかければ、磁化が生じるので 磁気光学効果が現われるような気がするのですが。 反強磁性体の磁気光学効果の報告例はあるのでしょうか。
2. また、反強磁性体の磁気光学効果はどのような取り扱いをされているのでしょうか。
   巨大な磁場をかけると、反平行スピンを平行になると思うので、 フェロ磁性体と同様に取り扱うことができるのでしょうか。
   

1. ご質問の件、反強磁性において、ゼロ磁界では磁気光学効果 はありませんが、有限温度で磁界をかけた場合、磁化率相当分の磁気光学効果 が見られます。例えば，電総研（現、産総研）の安藤さんはMnTe(ZB)のMCDを 測定して、それより、反強磁性ネール温度を決める仕事をしておられます。 ando-koji@aist.go.jpにお尋ねください。
2. また、超強磁場で反強磁性体にスピンフリップを起こして磁気光学効果を測定す ることもできます。たしか、ウラニウムの化合物でSchoenesがやっていたと思いま す。旅先なので、手元に資料がありません。お許しください。
3. 非線形磁気光学効果を使うと、多くの情報が得られますが，これは、Fiebigらの 論文を参照してください。非線形磁気光学効果については、菅野、対馬、佐藤、 小島編「新しい磁気と光の科学」（講談社2001.5)をご参照ください。

41. PEMによる磁気光学効果測定のフィードバック回路

42. 光子と電波のちがい

1. ディラックの量子力学の冒頭あたりに，光子は，自分自身としか干渉しないとあります。
   もし，そうでなかったらエネルギー保存則が成り立たない。しかし電磁気では， 重ね合わせの原理が成り立つはずで，空間内のある位置の電場も磁場もあらゆる 電場，磁場の寄与の和になるはずです。光の場合は，コヒーレントの問題がある ので何となく納得してしまいそうですが，電波の場合は，全然別の発信器からの 電波であっても位相を合わすことができると思うので干渉させることが出きると 思うのですが。こう考えるのは，何か思い違いや基本的な知識の欠落が有るため でしょうか？
2. 基本的に光子に関してマクスウェルの方程式で記述される場と量子力学の波動関数の関係がよく理解できません。
   マクスウェルを元に，有る程度近似を加えた波動光学とその波長を小さいと近似 した幾何光学の関係は，理解しているつもりですが，これと同じように波動光学 と量子光学の関係を説明するとどのようになるでしょうか？
4. 偏光に関しての質問です。偏光は，演算子であり，その固有関数が直交する直線偏光であったり， 左右の円偏光であると理解しているのですが，これは正しいでしょうか？
5. そう考えれば直線偏光をある時は，そのまま直線偏光として扱い， ある時は左右の円偏光の重ね合わせと考える方法も有る程度納得できる気がして います。
   ただ，そうだとしてもその時々で考え方をかえるのは，トリッキーな気がしてしまいます。例えば直線偏光を左右の円偏光の重ね合わせと考えると都合がいい場合でも，直 線偏光をそのまま直線偏光と考えて同じ現象を（手間は掛かるとしても）説明出 きる物なのでしょうか？

1. ２本の光ビームを干渉させるとき、１個の光子がどちらかのビームに沿って飛んでいると考えると、すべてを誤解してしまいます。光も電磁波なので、重ね合わせの原理が成り立つのは変わらない。ただし、光が電磁波として波の性質を顕著に表すには、多数個の光子を集めてこなければならず、１個の光子の干渉とは状況が違うことになります。
   光子の干渉は光子の存在確率の重ね合わせであり、これは電磁波の重ね合わせとは直接対応がつきません。
2. 量子力学には、２段階あります。
   第１量子化は、質量を持っている物質に波動の性質を取り入れて、波動方程式としてのシュレディンガー方程式を解く問題。第２量子化は、質量のあるなしに関わらず、波動場を粒子の集合として記述する問題。単純に波動関数といっているのは、第１量子化の範囲だと思われますが、光子に関する電磁場と量子光学の関係は第２量子化の範疇です。そこで、問題を区別しなければなりません。
   波動光学は、単純に波動方程式に沿って波の伝搬を議論します。量子光学は、波動方程式に現れる単振動の部分を調和振動子と扱って、調和振動子のエネルギーを生成消滅演算子で書き換え、形式的に独立した光量子の集まりとして考えます。この場合、光子が飛んでいく様子を直接波が伝播していく様子と対応させることはできません。対応させるには、「波束」という概念が必要です。
3. 直線偏光二つと円偏光二つを使い分けるのは、２次元平面を直交座標で考えるか極座標で考えるかの違いと同じで、座標（基底）の取り方の問題です。場合によって都合のよい方で考えればよいと思います。

43.光電変換材料

44. 材料の硬さと延性について

45.オシロスコープと磁界

46. 金属の誘電率

47. 光学定数の抽出法

そこで先生にご質問なのですが、
（１）使った展開式というのは誘電体薄膜のみならず、ポリイミドのような有機物、プ ラスチックに対しても成立する式なのでしょうか？
（２）また、そもそも誘電体薄膜においても、屈折率nと同様に、消衰係数kもその式によってフィッティングできる物性値なのでしょうか？

以上の質問に対して御教授頂ければ幸いかと存じ上げます。
Thu, 5 Jul 2001 17:36:21
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A1: MT様、佐藤勝昭です。
　メールありがとうございます。ホームページをご訪問いただき感謝します。
ご質問の件ですが、私は、不勉強のため、その展開式がどんなものか全く存じ上げ ません。
　一般論としていえば、透過率のスペクトルだけから、n、kを正確に決めるのは、 不可能とまではいわないまでも、難しいものです。おそらく、いろんな条件の 制限のもとに行われているのではないでしょうか？LCDは複屈折がありますから もっと複雑です。基本に立ち返って、透過率、反射率のスペクトル、分光エリプソ などを総合して、検討する必要があるのではないでしょうか？

Thu, 5 Jul 2001 19:16:10
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Q2: 佐藤勝昭殿
非常に迅速な御回答、誠に有難うございます。
用いた展開式は、「光工学入門」小川力、若木守明、実教出版株式会社に載っている式です。
私の推測では、誘電率の波長分散と密接な関係があると思うのですが、式そのものを 導出しているような文献は私も見たことは無く、ただ天下り的にぽんと式がそのまま 乗っていることが多いです。単なる経験式なのでしょうか？
ご指摘のように分光エリプソで光学定数を測定する方法も以前試みたことがありますが、分光エリプソで測定したデータ、特にｋ(消衰係数)は、測定手段に依存しない物質固有の普遍的なデータなのなどうかいつも疑問に思います。
　kについては、丁寧に解説している書籍が少ないこともあって、その物理的な意味についての理解がいまいち不足しています。
物質の中で生じる光の吸収の物理的メカニズムは、SiO2のような無機化合物の場合と、配向膜、フォトレジストのような有機物の場合とでは、同一なのでしょうか？
なお、先生にお尋ねした内容とその御回答が研究室のホームページに掲載されるとの旨が記載されておりましたが、誠に勝手ながら、n,k抽出の具体的手順について書いてある部分は、内容がよく判らないように若干ぼやかして頂くようお願い申し上げます。
Fri, 6 Jul 2001 09:37:30
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A2:NT様、佐藤勝昭です。 　多忙のため、お返事が遅くなりました。図書館で光工学入門を探したのですが、貸し出し中で参照できませんでした。しかし、おたずねの式（希望により具体的な式はHPには書きませんが・・）は、誘電率の分散という観点からは何の根拠もない式です。
　消光係数kについてkについて、「丁寧に解説している書籍が少ないこともあって、その物理的な意味についての理解がいまいち不足しています。」ということですが、kと吸収係数αとの間には、α=4πk/λ=2ωk/cという関係が成立します。（たとえば、山田・佐藤ほか著「機能材料のための量子工学」第４章p148参照）ここにωは光の角振動数、cは光速です。一般に透明な誘電体のkはほとんどゼロです。

「物質の中で生じる光の吸収の物理的メカニズムは、無機化合物の場合と有機物の場合とでは、同一なのでしょうか？」との質問ですが、
　無機物質の光吸収は、基本的にはバンド間の電子遷移(価電子帯→伝導帯の光による電気双極子遷移）によって決まります。これに対して有機物では、分子におけるHOMO(highest occupied molecular orbital: 電子に占有された最も高い分子軌道）→LUMO(lowest unoccupied molecular orbital：電子に占有されない最低の分子軌道）の遷移です。両者は基本的には同じようなものですが、後者では局所的に光学遷移がおきるという特徴があります。
無機物のバンド間遷移の場合は物質全体に広がった電子状態が関与するので周期性からの乱れや、ドナー、アクセプタなどの不純物準位による遷移が吸収を作ります。(SiO2はアモルファスなので周期性がないので吸収端はシャープではなく広がったスペクトルとなります。)液晶の配向膜には複屈折がありますので、分子の方向と偏光の向きとの関係で見かけの屈折率は、大きく変わります。これは、電気双極子の形成のされ方に異方性があるからです。一般に異方性のある場合には、通常のエリプソメトリは無力です。従って、何らかのモデルをたてて、光学的シミュレーションによって膜の光学定数を推定するしか方法がないと思います。ただ、世界にはいろんな研究者がいますので、配向膜やレジストの光学定数を測っているかもしれません。
Mon, 9 Jul 2001 21:36:17
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Q3: 佐藤勝昭　教授殿
懇切丁寧なご解説、誠に有難うございます。非常に参考になりました。

申し訳ありませんが、あともう数点の質問について御教授お願い申し上げます。
物理的根拠が特に無い経験式であるならば、nのみならずkの波長分散も同じ式でフィッティング可能と考えてもよろしいのでしょうか？
無機物と有機物では、事情が異なるかもしれませんが・・・・・。

ところで、αとkとの間に成り立つ関係式は、何らかの物理的な関係(電子遷移等)から導出されたものでしょうか？それとも、これは定義なのでしょうか？
先生が執筆された著書で解説されているのなら、是非参照させていただきますが・・・。

有機物の場合には、「局所的に光学遷移がおきる」ということは、可視光領域(380～780nm)の範囲内で、且つシャープな吸収スペクトルが観測される場合があるということでしょうか？有機物の光学的性質について解説がされている教科書等をご存知であれば、ご推薦ください。
Wed, 11 Jul 2001 09:08:43 +0900
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A3: MT様、佐藤勝昭です。
>nのみならずkの波長分散も同じ式でフィッティング可能と考えてもよろしいのでしょうか？
　光学的に透明な配向膜にkの波長分散があるとは考えにくいのですが、k(λ)は吸収スペクトルに対応しますが、もし何か不純物や欠陥による吸収があるとすれば、ローレンツ型またはガウス型の曲線になるし、吸収端の裾であればアーバック則に従うでしょうから、展開式にフィットすることは無理があると思います。もう少し、具体的な事例について図をお送りいただくとかがないと、これ以上議論しても無駄ではないかと存じます。

> 無機物と有機物では、事情が異なるかもしれませんが・・・・・。
無機物でも有機物でも基本的には同じことです。

> ところで、αとkとの間に成り立つ関係式は、何らかの物理的な関係(電子遷移等)から導出されたものでしょうか？ それとも、これは定義なのでしょうか？ 先生が執筆された著書で解説されているのなら、是非参照させていただきますが・・・。
そもそも吸収係数は光強度が距離とともに指数関数的に減衰するときの減衰の様子を表すパラメータで、x=0での強度をI(0)、距離xにおける光強度をI(x)としますと、
　I(x)=I(0)exp(-αx) (1)
と表されます。
一方、複素屈折率N=n+ikを使って、物質中の光(電磁波)の伝搬を考えますと、位置xにおける電界E(x)は
　E(x)=E(0)exp(iωNx/c)=E(0)exp{iω(n+ik)x/c}=E(0)exp(-ωkx/c)exp(iωnx/c) (2)
と書けます。exp(-ωkx/c)は距離xとともに電界が減少していく様を表し、exp(iωnx/c)は距離とともに振動していく様を表します。
　ところで光強度I(x)は電界E(x)の絶対値の二乗に比例しますから
　I(x)=E*(x)・E(x)=|E(0)|^2・exp(-2ωkx/c)=I(0)exp(-2ωkx/c) (3)
となります。(1)と(3)を等しいとすると
　α=2ωk/c=4πk/λ　　(4)
が導かれます。山田・佐藤ほか著「機能材料のための量子工学」（講談社）第４章p147-148、式(4.1)-(4.5)を参照してください。同じことを書いてあります。

> 有機物の場合には、「局所的に光学遷移がおきる」ということは、可視光領域(380～780nm)の範囲内で、且つシャープな吸収スペクトルが観測される場合があるということでしょうか？
　実際、たとえば、CD-Rに使われている有機色素は、半導体レーザの780nm付近にピークを持つようなものが使われています。DVD-R用の色素は650nmにあわせてあります。（たとえば、浜田恵美子：CD-Rの発展とDVD-Rへの展開；日本応用磁気学会第９８回研究会資料H9.1.30-31, p37)
　また、J-会合体などを使ってPHB(photochemical hole burning)の研究が行われていますが、非常に鋭い吸収なので、波長多重して高密度記録できるとして盛んに研究されています。

> 有機物の光学的性質について解説がされている教科書等をご存知であれば、ご推薦ください。
　日本語で書かれたよい教科書は知りません。

48. 炭素の性質

49.誘電率の周波数分散

50. CDの虹色

51. 磁性半導体について

52. 暗所での色彩の見え方

53. 岩石と木材

54. 硬さと表面張力

1. 硬さについて
   　まずはじめに議論を円滑に進める意味で「硬さ」について、私の見解を 記述しておきます。「硬さ」は、質量、温度、密度などの物理量と異なっ て、測定対象の種類や定量化にあたっての測定法の種類によって測定値が 大きく影響を受けるという点をまず指摘しておきたいと思います。他にも、 引っ張り強さ、疲労強度などを例示すればお分かりいただけると思います が、機械工学に関連する諸量にはこの類の「物理量」が多く存在します。
   　確かに「硬さ」は材料の一つの固有の性質を表してはいますが、それを 実際に定量化するには、現状では、何らかの方法で対象である材料の変形 を試みて、その過程の経時変化を調べるか、最終的に変形過程が終了して 残留した形状変化によって、「硬さ」を量的に表示する以外にはないので す。恐らく、超音波を当てるなどしてその反射状況を調べて非破壊（非変 形）による「硬さ」測定も将来開発される可能性もありますが、現状では、 材料を塑性変形させて、その結果残留する形状変化と負荷荷重との関係か ら「硬さ」が量的に表示されているのです。
   　IJ様は材料の専門家とお見受けしましたので、すでに硬さの測定法は ご存じと思いますので、詳細は省きますが、ダイヤモンドや硬質金属製の ピラミッド型の角錐や球を材料に押しつけることによって生じる圧痕の面 積と負荷荷重の関係（負荷荷重／圧痕の面積）で硬さを表示する方法が一 般的です。HV、HB、HRc、などの「単位」は塑性変形現象を利用した硬さ 測定法によるもので、また、材料の弾性的な反発の程度によって硬さを量 的表示するHSもあります。
   　これは、たとえの話しですから、適当に聞いていていただいて結構です が、蒲鉾の硬さ測定法というのもあるのです。蒲鉾はご承知の通り、歯ご たえが問題になりますが、いわゆる弾性に富んでいるため、金属材料のよ うに塑性的な変形はしませんので、反発の程度によって量的に表示するよ うです。
   　さらに、モースの硬さ試験のように標準試料をあらかじめ準備しており、 測定対象に試料をこすってどちらに傷がつくかどうかということで相対比 較によって、硬さを表示する方法もあります。
   
   　要するに「硬さ」は材料の固有の物性値として扱え ない、一義的に決定できない性質をもっており、対象と測定方法によって 表示が異なってしまうという点に留意する必要があります。 従って材料に本来備わっている物性値とは異なる特性をもっている点にも 留意していただきたいと思います。
   誤解を恐れずに言えば、「硬さ」の物理的な意味は不明といってよいので はないでしょうか。
   

2. 濡れ性との関係について
   　上の記述でおおよそご理解いただけたのではないかと思いますが、私の 見解では材料の「濡れ性」は、測定法、特に圧子との接触状態に影響を与 えという観点から「硬さ」の表示値に影響が表れるということは理解できます。表面エネルギーのしかりです。しかし、「濡れ性」が塑性変形に影 響を与えるかどうかは、「濡れ性」が直接影響を与えるのではなく、硬さ に影響を与える他の物性の指標として（濡れ性は表面物性の中でも測定が 比較的容易です）取り上げられているではないかと推定しています。つま り変形過程での回復現象（材料によって、除荷過程で変形が戻ることは十 分にあり得ます。また、ソ連の研究成果（真偽のほどが現在も議論されて います）に、レビンダー効果というのがあります。単結晶を引っ張った時 に、表面活性の程度によって、塑性変形が変化を受けるという指摘です。 これについては、最近ではあまり触れる研究者はいなくなりました。
   
   

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