東北大学大学院理学研究科物理学専攻 東北大学理学部物理学科

現代物理学の基盤。場の量子論や量子計算など多様な最先端分野の中核を担い、量子科学技術の根幹を成す。

現在の宇宙のエネルギーの約25%を占める正体不明の物質。宇宙の銀河や銀河団などの構造形成に重要な役割を果たした。

クォークとレプトン、ゲージ粒子とヒッグスで自然界を統一的に記述する理論。自然界の大半の現象を原理的に説明する基礎理論であり、なお未知への窓を残す。

粒子を点ではなく極小の「ひも」とみなす理論。量子力学と一般相対性理論を統一する量子重力の有力候補。全ての力と物質を統一する最終理論として期待されている。

宇宙の起源・進化・未来を物理法則に基づいて解き明かす学問である。インフレーション、ダークマター、ダークエネルギー、重力波、物質の起源といった宇宙の根本的な謎に挑む。

QCD には低エネルギーにいくほど相互作用が強くなるという性質があり、相互作用を摂動論的に扱う手法が使えなくなります。QCD を非摂動的に計算する方法として考案されたものが、「格子 QCD」と呼ばれる数値的手法です。

物理学において、有限多体系である原子核を３体、４体問題などに基づいてその原子核の構造を研究する研究方法のこと

コライダーと呼ばれる加速器を用い粒子を高エネルギーで衝突させる実験により、物質の基本構造や自然法則を探ります。素粒子標準模型を超える新しい粒子の発見や粒子間相互作用が創発する量子ダイナミクスの研究を通し、宇宙や物質の起源の理解を深めることができます。

標準模型では説明できない暗黒物質や重力の謎を解明するため、超対称性や余剰次元など新理論を探る研究が進められ、物理学の最前線となっています。

ニュートリノは電荷をもたず非常に軽い素粒子で、毎秒何兆個も体を通り抜けています。反応しにくいため観測は難しいですが、太陽や宇宙の現象を通して、星の仕組みや宇宙の歴史、物質の起源を知る手がかりになります。

クォークは物質をつくる基本粒子で、陽子や中性子は3つのクォークからできています。私たちの体や身の回りの物質は主にアップクォークとダウンクォークで構成されますが、中性子星の中心部にはストレンジクォークを含む粒子も存在すると考えられています。

ハドロンはクォークが集まってできた粒子の総称で、陽子や中性子のように原子核をつくり、私たちの体や物質を形づくります。ハドロンには、クォーク3つからなる「バリオン」と、クォークと反クォークからなる「メソン」があります。その構造や相互作用を調べることで、量子色力学の理解が深まります。

原子核は陽子と中性子からできており、原子全体の大きさの1万分の1以下ですが、質量のほとんどを占めます。陽子同士は反発しますが、強い力によって結びつき安定します。原子核の研究は宇宙の起源を理解する手がかりとなります。

不安定原子核は陽子と中性子の数のバランスが崩れ、安定になるために放射線を出して別の原子核に変わります。自然界や加速器で生成され、放射線治療や年代測定に利用されるとともに、物質や宇宙の成り立ちを探る手がかりとなります。

宇宙核物理は、宇宙で原子核がどのように生まれ進化したかを研究する分野です。炭素や酸素、鉄などの元素は、星の核融合や超新星爆発で作られます。加速器実験や理論研究からこれらの反応を調べることで、元素誕生の謎や星・銀河の進化、生命の材料の起源を知る手がかりになります。

加速器は電磁気力で粒子を加速する装置で、光速に近いスピードにすると原子核や素粒子の性質を調べられます。宇宙の起源や物質の最小単位の研究に役立つほか、がん治療や新素材開発など医学や工学にも応用されています。小さな粒子を操る技術が科学と社会を支えています。

電子間のクーロン斥力が非常に強く、電子が自由に動けないため通常のバンド理論が通用しない物質群を指します。このような系では、電子の集団としての性質が顕在化して、磁性や高温超伝導に代表される興味深い現象が現れます。

物質の量子状態がトポロジーと呼ばれる数学的性質に由来する特異な振る舞いを示す現象で、2016年にノーベル物理学賞の対象となった重要な研究分野です。ホール抵抗の量子化や、物質の端を流れる電流(スピン流)を生み出す原因となります。

電子のもつ電荷だけでなくスピンも利用して情報を伝達・記憶する技術で、省エネルギーで高速な次世代デバイスの実現が期待されています。東北大学が特に強みを有する4分野のひとつです。

磁性は、何千年も前に発見され人類の発展を支えてきましたが、量子力学がその理解を大きく進展させました。電子のスピンが主な起源であり、身近な磁石から量子情報技術まで幅広い分野に影響を与えます。強力永久磁石の発明を発端として、東北大学は磁性研究をリードしています。

超伝導は電気抵抗がある臨界温度で突然ゼロになる量子現象です。超伝導状態になった時、そのような物理機構が働き、その結果どのような電子状態が現れるのか、電気抵抗ゼロに止まらず、どのような量子現象が起こるのかに興味が持たれています。

新しい物理は、新しい物質から生まれます。あなたが固体化学的手法を駆使して発見する新超伝導体・新トポロジカル磁性体が、物性物理学に広く適用可能な新概念の創出に繋がることは決して夢物語ではありません。

光や電場を加えたときに物質の反応が入力に比例せず、思いがけない効果が現れる現象です。例えば、強い光で新しい色の光が生まれたり、大きな電流が流れたりします。電子が複雑に動くことで起こり、レーザーや光通信、太陽電池などに役立っています。

熱平衡状態であってもミクロには平均からのズレがあり，それは時間的，空間的に揺らいでいます。非平衡状態の理解のためには，揺らぎの重要性はさらに大きくなります。現実の物質の理解に，揺らぎの理解は避けて通れません。

量子重ね合わせや量子もつれを駆使して、新たな情報処理の方法を探求する学問です。従来のコンピューターでは解くのが難しい計算問題を解いたり、より安全な情報通信を実現することが期待されています。

物質から生命が誕生した謎を非平衡物理学・ソフトマター物理学を基盤に明らかにする学問領域で数理情報・合成生物学・アストロバイオロジーなどの関連分野と協力して「生命とは何か」を研究します。

レーザーは高い指向性やパワーを持つ電磁波です。物質を調べるプローブとして用いるだけでなく、物質の形状の加工、内部状態の操作、加熱や冷却もできる重要な実験装置、実験手法です。様々な実験や技術を実現すべく、レーザー自体の研究開発も活発に進められています。

原子や分子の動き、化学反応、物質の相転移など、ピコ秒（10-12秒）からアト秒（10-18秒）という極めて短い時間スケールで起こるダイナミクスを、レーザーや放射光を用いて直接観測・解明します。新物質や超高速電子デバイス開発への応用が期待されています。

結晶学は、結晶だけでなく、ガラスや液体など不規則な原子や分子の多体系も研究対象とします。X線・電子線・中性子を用いた観測法や、対称性・群論に基づく体系的な解析法を駆使して、物質中に潜む「秩序と無秩序」を解き明かすためのツールであり、学問です。

量子ビームは、原子や電子などと相互作用して性質を探るツールです。代表例は電子線・X線・放射光・中性子線・ミュオン線などで、いずれも波と粒子の二重性をもちます。波動性からは干渉を通して相対位置や運動量を、粒子性からはエネルギー交換を通して内部自由度を明らかにし、両者が組み合わさることでスピン波やフォノンなどの集団励起を捉えることができます。

相転移とは、温度や圧力などの変化によって秩序や対称性が劇的に変わる現象で、超伝導や磁性に加え、未解明の「隠れた秩序」も含まれます。相変態は主に固体の結晶構造の変化を指し、その進行過程や速度論、すなわち相転移のダイナミクスにも着目します。いずれも固体物理学における劇的な相変化を探る重要なテーマです。

欠陥や転位などの結晶の不均一性は、エントロピー効果を通じて体系の自由エネルギーを下げるため、結晶成長の過程で不可避的に取り込まれ、半導体をはじめ物質の機能に直結します。すなわち、平衡と非平衡の間で進む「結晶成長の物理」を解くことは、新しい物質の創成に結びつく重要な課題です。

極限環境とは、超高圧・極低温・強磁場や強電場といった強い示強変数場を指します。その下では、新しい秩序や相転移が現れ、物質の潜在的な性質が引き出されます。極限環境を作り出すこと自体がフロンティアであり、未知の物理現象を解き明かす挑戦です。

私たちのいる世界は3次元ですが、物性物理学では、物質をうまく制御することで0次元、1次元、そして2次元の系を作ることが可能です。これにより、自然界では実現しない粒子や特殊な量子状態に由来する物理現象を研究することができるのが大きな魅力です。

準粒子とは、物質中で電子などが集団的に動き、粒子のように見えるものです。半導体のホールが代表例で、物質が特殊な量子状態をもつと、自然界で通常の素粒子としては存在しない「エニオン」や、素粒子として存在するか議論下にある「マヨラナ粒子」までもが準粒子として実現します。