物性物理

1 円玉は、純粋なアルミニウムでできていて、重さは 1 g です。この中に、アルミニウムの原子はいくつあるでしょうか。計算すると約 2.2 × 10²² 個、220 垓(がい)個にもなります。

物性物理学は、このように膨大な数の原子や電子が集まったときの性質を調べる分野です。1 個ずつの動きを全部追うことはできないので、統計力学と量子力学を使って、集団としてのふるまいを考えます。

同じ炭素の原子でも、並び方が違うダイヤモンドと黒鉛では、電気の通しやすさがまったく違います。原子の並び方と電子のふるまいの関係が分かると、ほしい性質をもつ物質を設計できるようになります。

磁石の力のもとは、電子がもつ小さな磁石の性質(スピン)です。鉄のように、たくさんの電子のスピンが同じ向きにそろう物質が、強い磁石になります。

1982 年、佐川眞人さんは、ネオジム・鉄・ホウ素を組み合わせた磁石の組成を発見し、使える材料に仕上げました。それまでの最強の磁石の約 2 倍の性能をもつネオジム磁石です。日本国際賞の解説によると、エアコンや冷蔵庫、洗濯機のモーターに広く使われています。ハイブリッド車や電気自動車のモーター、風力発電機、携帯電話のスピーカーにも欠かせません。小さく効率のよいモーターを作れるので、省エネルギーにも大きく役立っています。

磁石の性質は、データの記録にも欠かせません。ハードディスクは、小さな磁石の向きでデータを記録しています。その小さな磁気を読み取る技術のもとになった「巨大磁気抵抗効果」を見つけた 2 人は、2007 年のノーベル物理学賞を受けました。

多くの大学では、3 年で量子力学と統計力学を学んだあと、物性物理学や固体物理学の授業に進みます。結晶の中の電子のふるまいや、半導体・磁性・超伝導のしくみを学びます。実験の授業では、物質を冷やして電気抵抗を測ったり、X 線で原子の並び方を調べたりします。科目の名前や順番は大学によって異なります。

研究室のテーマはさまざまです。物質を極低温まで冷やす実験、強い磁場をかける実験、新しい物質を作る実験、性質をコンピュータで予言する理論などがあります。千葉県柏市の東京大学物性研究所のように、全国の研究者が装置を共同で使う拠点もあります。

物性物理は、企業の研究開発につながりやすい分野です。半導体・電池・センサー・磁石・ディスプレイなど、電機・素材・自動車のメーカーで、新しい材料や部品の開発に携わる道があります。