理論系物理
時間・空間・物質の
統一的理解を目指して
物理学の進展は、人間のスケールを中心に据え、小さいスケールでは素粒子まで、大きいスケールでは広大な宇宙の果てまで、その研究対象を広げてきました。さらに、これらの両極端の理論の間には実は密接な繋がりが存在し、しばしばウロボロス*に例えられます。
*古代の象徴で、自らの尾を噛んで円を形づくる蛇（または竜）
文理学部物理学科では、主に素粒子物理学、物性物理学、宇宙物理学の3つの柱を専門とする理論系の教員が集結し、それぞれの専門知識を持ち寄って、時間・空間・物質の統一的理解を追求する理論研究を精力的に展開しています。
最新の量子情報理論が謎を解く鍵となる
物理の統一理解における最も重要な課題の一つは、一般相対論と量子論の統合です。近年、その鍵とされているのが「時空は『量子の情報』から構成される」という考え方です。この概念に基づき、異なる分野の教員が量子情報理論を共通言語に知識を統合し、万物の理解に向けた取り組みを進めています。
量子情報の基本単位は「0と1の重ね合わせ」で表現される量子ビットです。この量子ビットを利用した”量子コンピュータ”の開発競争が近年、世界的に盛んです。究極の理論を探求する物理学研究は、人類の「知」の領域を拡大すると同時に、未来の革新的なテクノロジーにも繋がっているのです。
研究
実験系物理
物質の特性を与える
原理の解明を目指して
物性物理学における実験的研究は、原子や分子から結晶、そして微粒子からマクロな素材まで、幅広いスケールの物質を対象としています。これらの物質の特性を決めるその電子の状態は、構成する原子の種類や数、そして隣接する原子間の距離と配置によって、様相とエネルギーの値が変わります。研究においては、この電子状態などを手掛かりとして、物質にその特性を与える原理を調べることになります。
温度、圧力、電磁場などを変える様々な実験環境
物質の状態は、それが置かれる環境で変化します。例えば分子の化学反応や固体の相転移における構造変化では、その電子状態が大きく変化します。ナノ～マイクロサイズの微粒子では、大きさや配位原子の種類によっても、その電子状態や動力学が変化します。
実験的研究では、真空から超高圧までの圧力変化、極低温から超高温までの温度変化、電場や磁場の印加、光励起などで物質の環境を様々に変え、それによる物質の状態変化を探ります。文理学部物理学科には、このような様々な環境変化を通じた物性実験の研究が行える研究室がそろっています。
研究
CHS物理学科
研究セミナー
※聴講を希望する学内の方（学生含む）は自由にご参加ください（登録不要、指定時間に指定場所に直接おいでください）
※聴講を希望する学外の方は入構手続き等が必要な場合がありますので事前にyamamoto.daisuke21[at]nihon-u.ac.jp（山本：[at]は@に置き換えてください）までメール等でご連絡ください（もしくは学内者に何らかの形で連絡してください）
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【研究セミナー】3/14(金)に第17回CHS物理学科研究セミナーが開催されます。
3/14(金)に第17回CHS物理学科研究セミナーが開催されますので、下記内容にご興味ある方は是非ご聴講ください。
学内の方は申し込み不要ですので、時間になりましたら直接指定場所にお越しください。学外からいらっしゃる方は、学内者に連絡をとるか、yamamoto.daisuke21[ｱｯﾄﾏｰｸ]nihon-u.ac.jpまでメールしていただいた上でご参加ください。
講演者：髙橋 一史氏（京都大学基礎物理学研究所 特定研究員 (特任助教)）
第17回CHS物理学科研究セミナー
日時：2025年3月14日 (金)
16:00～18:00
場所：日本大学文理学部 8号館 A-104, A-105 （物理学科セミナー室）
言語：日本語タイトル：ブラックホール摂動の有効理論
概要： 2015年のLIGOによる連星ブラックホール由来の重力波の初観測以来、多数の重力波イベントが発見されており、強重力における物理の探査が劇的に進むことが期待されている。現在までの観測は一般相対論におけるブラックホール解と整合的であるものの、今後ますます多くの重力波イベントが観測され詳細なデータが得られることを考えると、一般相対論では説明できない現象の発見も見込まれる。従って、一般相対論の拡張理論においてブラックホール由来の重力波の予言を行い、観測結果に基づき重力理論を検証するための定式化が必要となる。
拡張された重力理論の予言を観測と比較するにあたり、従来は様々な模型を個別に議論することが主流であった。しかしながら、膨大な数の理論模型が存在する現状を鑑みると、そのような方策は非現実的であるため、模型の詳細に依存しない予言が可能な定式化が必要とされる。宇宙論の文脈では「インフレーションの有効理論」と呼ばれる枠組みにより、初期宇宙のインフレーションによって生成される揺らぎを、模型の詳細によらず包括的に記述できることが知られている。本講演では、この枠組みをブラックホールの場合へと拡張した新たな包括的アプローチである「ブラックホール摂動の有効理論」を紹介する。またこの枠組みを用いて、振動するブラックホールからの重力波などについて議論する。参考文献：
[1] Shinji Mukohyama, Kazufumi Takahashi, Vicharit Yingcharoenrat, JCAP 10, 050 (2022)
[2] Shinji Mukohyama, Kazufumi Takahashi, Keitaro Tomikawa, Vicharit Yingcharoenrat, JCAP 07, 050 (2023) -
【研究セミナー】3/5(水)に第16回CHS物理学科研究セミナーが開催されます。
3/5(水)に第16回CHS物理学科研究セミナーが開催されますので、下記内容にご興味ある方は是非ご聴講ください。
学内の方は申し込み不要ですので、時間になりましたら直接指定場所にお越しください。学外からいらっしゃる方は、学内者に連絡をとるか、yamamoto.daisuke21[ｱｯﾄﾏｰｸ]nihon-u.ac.jpまでメールしていただいた上でご参加ください。
講演者：岡松 郁弥氏（佐賀大学）
第16回CHS物理学科研究セミナー
日時：2025年3月5日（水）
16:00～18:00
場所：日本大学文理学部 8号館 A-104, A-105 （物理学科セミナー室）
言語：日本語タイトル：暗黒時代の21cm線宇宙論
概要：暗黒時代の21cm線は、周波数が非常に低く、地球の電離層などの影響により、地上からの観測は困難である。そのため、現在までそのような観測は行われていない。しかし、地球の電離層などの影響の少ない、月面や月の衛星軌道上などが、暗黒時代の21cm線を観測するユニークな場所として注目されており、世界中で様々な観測計画が議論されている。中性水素の21cm線を観測する方法は主に二つである。一つ目は、当時の中性水素ガスの平均輝度温度グローバルシグナルを測定する方法である。もう一つの方法は、輝度温度の空間的な揺らぎを測定する方法である。本講演では、暗黒時代の21cm線グローバルシグナルに着目し、新しい観測量「the dark age consistency ratio」を提案する。さらに、新しい観測量「the dark age consistency ratio」が、標準的な宇宙論モデルであるΛCDMモデルの検証に役に立つを示す。
参考文献: Fumiya Okamatsu, Teppei Minoda, Tomo Takahashi, Daisuke Yamauchi, and Shintaro Yoshiura, Dark Age Consistency in the 21 cm Global Signal, Phys.Rev.Lett 133, 131001 (2024)
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【研究セミナー】2/26(水)に第15回CHS物理学科研究セミナーが開催されます。
2/26(水)に第15回CHS物理学科研究セミナーが開催されますので、下記内容にご興味ある方は是非ご聴講ください。
学内の方は申し込み不要ですので、時間になりましたら直接指定場所にお越しください。学外からいらっしゃる方は、学内者に連絡をとるか、yamamoto.daisuke21[ｱｯﾄﾏｰｸ]nihon-u.ac.jpまでメールしていただいた上でご参加ください。
講演者：折戸 隆寛氏（東大物性研 博士研究員）
第15回CHS物理学科研究セミナー
日時：2025年2月26日（水）
16:00～17:30
場所：日本大学文理学部 8号館 A-104, A-105 （物理学科セミナー室）
言語：日本語タイトル：混合状態における相転移 – 強い対称性の自発的破れ
概要：近年の量子技術の発展に伴い、これまで実現が困難だと考えられていた量子相の観測が報告されています。しかし、非常に高い制御性・精度を持つ実験系であっても、注目している量子系と外場(熱浴や測定器等)の結合を避けることは困難です。外場との結合は、注目している量子状態(純粋状態)を混合状態へと、しばしば変化させます(量子デコヒーレンス)。それゆえ、外場との結合に対して、純粋状態の相状態の性質がどの程度保たれるのか、あるいは、外場との結合によって生じる混合状態では、どのような新奇相があるのか、そして相転移が生じるのかについて、明らかにすることが求められています。
混合状態と純粋状態の違いの一つとして対称性の定義が挙げられます。混合状態における対称性の興味深い点は、強い・弱い対称性という2つの対称性が定義出来ることです。本セミナーでは、スタビライザー形式と呼ばれる量子回路の表現方法を用いて、確率的に揺らぐ量子デコヒーレンスにより、強い対称性をもつ量子状態から弱い対称性をもつ量子状態への相転移(強い対称性から弱い対称性への自発的対称性の破れ)が生じることを紹介します。
参考文献: Yoshihito Kuno, Takahiro Orito, Ikuo Ichinose, Strong-to-weak symmetry breaking states in stochastic dephasing stabilizer circuits, PRB 110, 094106 (2024), arXiv:2405.02592
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【研究セミナー】10/18(金)に第14回CHS物理学科研究セミナーが開催されます。
10/18(金)に第14回CHS物理学科研究セミナーが開催されますので、下記内容にご興味ある方は是非ご聴講ください。
学内の方は申し込み不要ですので、時間になりましたら直接指定場所にお越しください。学外からいらっしゃる方は、学内者に連絡をとるか、yamamoto.daisuke21[ｱｯﾄﾏｰｸ]nihon-u.ac.jpまでメールしていただいた上でご参加ください。
講演者 松本匡貴 氏
（上海交通大学・博士研究員）
第14回CHS物理学科研究セミナー
日時：2024年10月18日（金）
16:30～18:00
場所：日本大学文理学部 8号館 A-104, A-105 （物理学科セミナー室）
言語：日本語タイトル：プローブブレーンモデルによるワイル半金属における非線形電気伝導
概要：この講演では、プローブブレーンモデル（D3/D7モデル）によりホログラフィックに実現されたワイル半金属における非線形な電流-電場特性と臨界現象の解析について紹介する。ゼロ温度では、質量や軸性ゲージポテンシャルを変化させることで、電流-電場特性において特徴的な転移を示すことが分かった。この転移は、ワイル半金属的な電気伝導の振る舞いと絶縁体的な電気伝導の振る舞いの相互作用によって生じる特徴的な再接続現象と考えられる。さらに有限温度では、非線形な電流-電場特性に由来する電流駆動の相転移が生じることも確認した。この相転移において平衡系の類推から秩序変数を定義し、臨界点における臨界現象を調べた。
参考文献：M. Matsumoto, M. Mirjalali, A. Vahedi, Non-Linear Dynamics and Critical Phenomena in the Holographic Landscape of Weyl Semimetals, JHEP 08 (2024) 104, arXiv:2405.06484 [hep-th]
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【研究セミナー】6/13(木)に第13回CHS物理学科研究セミナーが開催されます。
6/13(木)に第13回CHS物理学科研究セミナーが開催されますので、下記内容にご興味ある方は是非ご聴講ください。*普段より開始が１時間早いのでご注意ください。
学内の方は申し込み不要ですので、時間になりましたら直接指定場所にお越しください。学外からいらっしゃる方は、学内者に連絡をとるか、yamamoto.daisuke21[ｱｯﾄﾏｰｸ]nihon-u.ac.jpまでメールしていただいた上でご参加ください。
講演者 Sidharth Rammohan 氏
（近畿大学・博士研究員）
第13回CHS物理学科研究セミナー
日時：2024年6月13日（木）
15:00～16:30
場所：日本大学文理学部 8号館 A-104, A-105 （物理学科セミナー室）
言語：英語タイトル：Tailoring the Phonon Environment of Embedded Rydberg Aggregates
概要：
State-of-the-art experiments can controllably create Rydberg atoms inside a Bose- Einstein condensate (BEC) [1]. The large Rydberg electron orbital volume contains many neutral atoms, resulting in electron-atom scattering events. The number of atoms within the orbit, and hence the Rydberg-BEC interaction, can be tuned by choice of principal quantum number or condensate density [1]. This makes the hybrid system a fascinating platform for quantum simulation. We studied the physics of the interaction and corresponding dynamics of single or multiple Rydberg atoms in two internal electronic states embedded inside a BEC, to assess their utility for controlled studies of decoherence and quantum simulations of excitation transport similar to photosynthetic light-harvesting.
We initially developed a theoretical framework to calculate the open quantum system input parameters like the bath correlation function and the spectral density, initially for a single Rydberg atom, possibly in two internal states with angular momentum quantum numbers l = 0 (|s⟩) and l = 1 (|p⟩) [2], in BEC and then for a chain of Rydberg atoms, forming an aggregate. The electron-atom contact interactions lead to Rydberg-BEC coupling, which creates Bogoliubov excitations (phonons) in the BEC.
Using this spin-boson model with the calculated parameters, we examine the decoherence dynamics of a Rydberg atom in a superposition of |s⟩ and |p⟩ states, resulting from the interaction with its condensate environment. Further, we investigated the emergence of the non-Markovian features in the system in the presence of a microwave external drive of the Rydberg atom using a stochastic computational technique for non-Markovian open quantum systems [3].
Finally, we extend this to the aggregate case, where one of the atoms in the aggregate is in the state |p⟩, while the rest are in the state |s⟩, resulting in excitation transport via dipole-dipole interaction [4]. We investigate the effects of non-Markovinity and decoherence on the excitation transport based on an effective model described by a Holstein Hamiltonian, allowing us to set up the dynamics similar to those found in light- harvesting complexes, but at a different time and energy scales.
References:
1. J. B. Balewski, et. al., ; Nature 502 664 (2013).
2. S. Rammohan, et. al.,; Phys. Rev. A 103, 063307 (2021).
3. S. Rammohan, et. al.,; Phys. Rev. A 104, L060202 (2021).
4. D. W. Schönleber, et. al.,; Phys. Rev. Lett. 114 123005 (2015).