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理学部 物理学科
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原子の并び方や组み合わせを変える「现代の錬金术」
新しい机能を持つ物质の创出
原子の并び方や组み合わせを人為的に変えると、物质の性质は剧的に変わります。试行错误しながらこれを繰り返すことで、私たちの生活に役立つよう开発されてきた高性能な物质は、さまざまな场面で现代社会を支えています。ハイブリッドカーのモーターに使われるネオジム磁石、リニアモーターカーに不可欠な超伝导体、滨罢机器に内蔵される半导体など、多种多様です。
今までになかった性质を持つ物质を创り出すという点で、このような研究は「现代の錬金术」と呼べるでしょう。
原子の「ガラガラ」
こうした研究の一つに、かご状构造を持つ物质に着目したものがあります。
多数の原子が并んでかご构造を形成し、そのかごの中に希土类イオンなどの原子が入った结晶构造をこの物质は持っています。かごは大きいので、中の原子は动くことができます。ちょうど赤ちゃんをあやすガラガラのおもちゃのような状态なので、この特徴はラトリング（英语でガラガラのこと）と呼ばれます。
このようなラトリング构造を持つ物质の本格的な研究はまだ始まったばかりですが、原子の组み合わせを変えることで磁石や超伝导になることが発见され注目を浴びています。果たして、この物质を私たちの生活に役立たせることができるでしょうか？
物质が热を电気に変える
この物质は、面白いことに、热を电気に変换する能力も持っているのです。温度差のある二つの场所をこのような物质で桥渡しすると、物质の両端に比较的大きな电圧が発生するので、热を电気に変换できるのです（热电変换）。自动车や火力発电所の排ガスなど、さまざまな场所で热のエネルギーが捨てられています。これを电気に変えて回収できれば、エネルギー问题の解决に役立つ革新的技术になります。ラトリング物质は、この热电変换の有力な候补物质です。狈础厂础も、太阳の光が届かない宇宙空间を飞行する人工卫星の电源に利用すべく研究しています。研究が进めば、将来私たちの身の回りのさまざまな场所にガラガラ物质が使われるかもしれません。
ある时は磁性体、またある时は超伝导体、変幻自在のかご状物质
かご状物质の性质は変幻自在
超伝导研究の最先端では、多数の原子が形作ったかご构造の中に别の原子（希土类イオンなど）が入った、新しいタイプの物质が注目を浴びています。
超伝导とは、电子と电子がペアになって、物质内をスルスルと摩擦なく流れる现象ですが、上记のかご状物质では、かご内の原子の振动が电子のペアの形成に役立つことが明らかになってきました。一方、希土类イオンは磁石の源になる「蹿电子」と呼ばれる电子を持っているので、原子の组み合わせを変えることにより磁性体になったり超伝导体になったりします。かご状物质は変幻自在のユニークな性质を备えているのです。
新しい物质を合成する方法
フラックス法と呼ばれる物质合成方法があります。まず、原材料と一绪に、スズのような低い温度で液体になる金属を石英管内に闭じ込めます。これを电気炉の中に入れて高温にすると、液体になった金属中に原材料が溶け込みます。その后、1カ月かけて温度を徐々に下げていくと、塩水中に塩の结晶がゆっくりと成长するように、目的物质の结晶が液体金属中に成长してきます。最后に、余计な液体金属を远心分离により取り除きます。
指先ほどの小さな电気炉に原材料を入れ、巨大なピストンでこれを加圧しながら结晶を育成する手法も使います。地球内部そっくりの高温高圧の环境では、かごの中に入り难い原子を强制的にかご内に入れることができるからです。
新しい物质は新しい性质を持つ
このように、自然界には存在しない原子の并び方や组み合わせを持った物质を人工的に作り出し、その性质を调べ明らかにする研究分野が「物性物理学」です。新物质の合成では、どのような原子をどのような割合で组み合わせるか、温度を何度にして合成するかなど、経験や知识を頼りに试行错误を繰りかえす地道な作业が必要となります。しかし、多くの场合、新しく合成された物质は新しい性质を备えているものです。さらに时折、これまでの常识を覆す新现象が突然现れるのです。物性物理学は、わくわくする研究分野なのです。
高校生?受験生の皆さんへのメッセージ
大学の物理学コースに入学すると、3年生までは主にインプットの段阶で、すでに确立された科目を学びます。しかし、4年生になり卒业研究がスタートすれば、いよいよアウトプットの段阶。最先端の研究に触れながら、答えのない问题にチャレンジします。だから、学会で発表できるような新発见のチャンスが4年生でもあるのです。実际に私たちの研究室からもそんな発见が出ています。4年后、さらには大学院でわくわくする研究生活を送りながら思う存分プレーできるように、理数系のさまざまな基础力を今から着実に身につけましょう。
梦ナビ编集部监修
