多くなると何がか変わる

名古屋大学理学部
寺崎一郎

Department of Physics, Nagoya University

1

20 世紀の物理学の進歩

Department of Physics, Nagoya University21905 年 アインシュタインの奇跡
奇跡の年：アインシュタインの３つの発見から 100 年– 特殊相対性理論 時間の概念の変革“古典物理学の完成”– 生物物理学の基礎 ブラウン運動 「物理から生物へ」– 量子力学の基礎 光電効果
「こたつで日焼けしないのはなぜ？」

20 世紀の物理学マクロからミクロへ多様性から普遍性へ
科学から技術へ例として量子力学とコンピュータを見てみよう

Department of Physics, Nagoya University3量子力学
光や電子は，あるときは粒子のように振る舞い，あるときは波のように振舞う（波動と粒子の二重性 )すべての物理現象は，確率的にしか決まらない（不確定性原理）
超伝導現象を含む，物質の中で引き起こされる現象は量子力学で説明される( 実用上の「万物の理論」 )物質の最小単位と考えられているクォークやレプトンにおいても量子力学は成り立っていると考えられている

Department of Physics, Nagoya University4波を粒子としてみる

天気図上の台風は，あたかも粒子のように表現される
しかし，実際は，空気の渦（波動）→ エネルギーが集中している部分を粒子に見立てる
Department of Physics, Nagoya University5真空中の電子

電子は波動のように振舞ったり , 粒子のように振舞ったりする
波を集めて粒子のようなものを作る→「波束」
左図

正弦波

sin(x-t)

右図

波束 →少しだけ波長の違う波を足した波

sin(x-t) + 0.8{sin(1.1(x-t))+sin(0.9(x-t))}+0.4{sin(1.2(x-t))+sin(0.8(x-t))}
Department of Physics, Nagoya University6固体の中の電子
真空中の電子

固体中の電子イオンの周期によって変調された波束→ 変調されていることを除けば，真空中の電子と大変良く似ている！

Department of Physics, Nagoya University

7真空を手のひらにトランジスタ
真空管

ペンティアム４は 3000 万個のトランジスタを内臓

半導体技術
→

電子にとって，固体を真空と同じ環境にすること

真空管をトランジスタ， LSI へ
超高純度，超精密制御，ナノ技術
そして手のひらにスーパーコンピュータを
Department of Physics, Nagoya University

40nm のトランジスタ（富士通 )

8

21 世紀の物理学とは？
物質の物理学を例にDepartment of Physics, Nagoya University

9リンゴかタマネギか
リンゴ → “芯”がある
芯を中心にして周りに果肉と皮ができる
物質を細かく分割していくと，やがて多様な物質も単純な「原子」の組み合わせで表現できる→ 還元主義ギリシャ時代の「原子論」 ( デモクリトス ) と同じ

タマネギ → すべてが皮であって芯はない
世界には階層がある
宇宙，星，生命，物質，原子，原子核・電子，クォーク各階層は，独立の法則にしたがっている（生物を研究するためにクォークの勉強はいらない）

Department of Physics, Nagoya University

10More is different

Department of Physics, Nagoya University11いま、そこにある謎

我々の世界が、 100 に満たない種類の元素が膨大な数集まってできているならば、日常生活の全ての事柄が疑問となって浮上する
空が青く、木々が緑なのはなぜか
水は蒸気になったり凍ったりするのはなぜか
金属はぴかぴかでガラスは透明なのはなぜか
硬い柔らかい、電気を流す流さない、磁石になるならない、は何で決まるのか
Department of Physics, Nagoya University

12多くなると何かが変わる
アンダーソンの言葉

ひとつひとつが理解できても，たくさん集まるとすべてが変わる
水は 1 分子 H2O では凍らない，たくさん集めると凍る
たくさんの原子・電子を集めたときに何が起こるか？
「創発性｣（ emergence) の物理学

物質の性質を決めているのは電子だけなのに・・・
磁性体（ビデオテープ )誘電体( 携帯電話 )( リニアモータカー )

超伝導体
半導体

（コンピュータ )

光学材料

(DVD)

私たちは，物質の機能のすべてを予言できていない。
物質の物理学には至る所に知のフロンティアがある

Department of Physics, Nagoya University13物質の物理学は発見の時代
1985 量子ホール効果

2000 半導体 LSI1986 電子顕微鏡と走査トンネル顕微鏡

2001 原子ガスのボーズーアイ
ンシュタイン凝縮

1987 高温超伝導

2003 超伝導の理論

1989 イオントラップ

2005 量子光学

1991 ソフトマター

2007 巨大磁気抵抗

1994 中性子散乱

2009 光通信

1996 3He の超流動

2010 グラフェン

1997 レーザー冷却1998 分数量子ホール効果

これ以外に化学賞をもらった物理学者もいる

Department of Physics, Nagoya University14私たちの発見例
熱から電気を作る酸化物

Department of Physics, Nagoya University

15

廃熱の量
マテリアルインテグ
レーション 13(7)(2000) 53

潜在的規模
200 万 Tcal/ 年= 30 億人に必要な摂取カロリー

Department of Physics, Nagoya University

16

熱から電気を作る
熱電変換
固体の熱電気現象で熱と電気を相互変換
熱電素子– 長寿命– メンテナンスフリー– 直接変換（老廃物なし )– 廃熱による発電– フロンなしの冷却• エネルギー・環境問題に資する

Department of Physics, Nagoya University

17

熱電発電

Department of Physics, Nagoya University

18

これまでの熱電変換材料の問題点
有毒な元素 Pb ， Te ， Sb を含む
大気中高温で酸化・蒸発しやすく安定でない
Te は資源として埋蔵量が少ない
無害で，安定で，豊富な材料が必要→ 酸化物が最適
これまでは，酸化物は熱電変換にはつかえないというのが常識だった

Department of Physics, Nagoya University19層状コバルト酸化物の発見

NaxCoO2[Sr2O2-x]CoO2[Ca2CoO3-x]CoO2[Bi2Sr2O4-x]CoO2[Sr2(Pb,Co)O3-x]CoO2
Department of Physics, Nagoya University20層状コバルト酸化物の性能

IT, Proc. of ICT2005 (Clemson)
Department of Physics, Nagoya University

21

発見から 3 年 (2000 年 )Department of Physics, Nagoya University22実証実験成功2005 年 8 月 23 日

（２００５年）

東京新聞

Department of Physics, Nagoya University23

２０１０年

酸化物熱電素子、販売開始！
ベンチャー会社
TES ニューエナジー社

http://tes-ne.com/Japanese/01_home.html
Department of Physics, Nagoya University24

環境と共生するエネルギーを目指して

Department of Physics, Nagoya University

25おわりにかえて物質の物理学
面白くて役に立つことが研究できる分野
物理学はまだまだ幼稚、すべてを予言も制御もできない
何げない日常にサイエンスのフロンティアがあるコバルト酸化物の秘密を解くには・・・
熱とは何か？
電気とは何か？
熱を電気に変える仕組みは？
なぜコバルト？（化学も必要）
素子はどうやって作る？（工学も必要）
Department of Physics, Nagoya University

26