あべんじゃ(元1+仮面浪人)のブログ

学んだことや科学・教育関係のニュースを見て感じたことのまとめを書いていくと思います

超伝導材料(特にバルク)について(その1)

超伝導を研究対象とする分野には理論から実験、基礎から応用まで色々ありますが、応用超伝導、その中でもバルク材料についてまとめてみようと思います。

バルク材料というのは、薄膜に比べて厚さがあり、線材に比べて短いという、塊状の材料を指します。

応用超伝導分野では、送電線やコイルへの応用目的で線材や、デバイス目的で薄膜が研究対象になることが多いように思います。これらはバルクより色々な応用先がありますからね。

逆に、超伝導バルク材料にはどういう特徴、用途があると思います?

「ただの塊でしょ?浮かせてデモ実験するぐらいしかないんじゃない?」

確かに!

いや、確かに!じゃなくて、ちゃんとバルクならではの特徴と用途があるんです。ただ、その前にそのよく見るデモ実験について考えてみたいと思います。

応用超伝導分野では往々にして第Ⅱ種超伝導体が研究されていますが、この第Ⅱ種超伝導体では、外部から磁場をかけていくと、始めはマイスナー効果を示しますが、ある磁場(下部臨界磁場)で超伝導相と常伝導相が混在する混合状態が現れます。そしてさらに大きな磁場(上部臨界磁場)をかけると超伝導状態が破れます。

この混合状態の時、一部の磁場が超伝導体を貫通していくわけですが、それは超伝導体が、外部磁場を一心に弾き出すより、ちょっとだけ受け入れた方がエネルギー的に得だからです(深くは言及しませんが)。

ただ、超伝導体内に侵入した磁束は、そのままでは超伝導体が動いたときなどに動いて電場が変化し、変に電流を生じたりして不安定です。

ここで、あえて超伝導体ではない物質を混ぜます。そうすることで超伝導バルク材料内に常伝導相ができますね。外部磁場はこの常伝導相目掛けて侵入し、常伝導相の外、つまり超伝導相には侵入しようとしにくくなります。その方がエネルギー的に安定だからです(2度目)。

こうして、超伝導バルク材料の中に磁束を受け入れる不純物を最初から混ぜてやることで、磁束はその常伝導相に侵入し、固定されることになります。

これをピン止め効果と呼ぶのですが、このピン止め効果によって、超伝導体の磁気浮上やフィッシング効果が実現することになります。マイスナー効果だけじゃないんです。マイスナー効果だけだと宙ぶらりんのフィッシング効果は実現しませんよね。

長くなってきたような気がするのでとりあえずここまでにして、超伝導バルク材料の応用についてはその2に書くことにします。

進みたい分野について書いて考えただけのもの

夏休み中に色々な人と会って、身を投じる分野について考えたけど未だ迷いが…というか面白そうなことが多くて困る。

超伝導などの物性物理の理論だって勉強したいし、実験で新しい物質作って物性見たいし、既存の物質を使える材料にするのも面白そう。

ただ、なんとなくだけど理論で研究をやっていくのは向いていないと思う。理論を勉強するのは好きだけど、理論を自ら打ち立てたり切り拓いていく気概はない。アカデミック業界を目指す場合、ポストの取り合いも熾烈そうだ。

そうなると、物性実験か、材料工学だけど、材料工学だとその材料にかかりきりになってあまり多くの物質には触れなさそう。

今のところは物性実験が最有力かなぁ。物理か応用物理・物理工学かは未定だけど。

B4では物性物理をしっかり勉強するために物性理論の研究室に入って、M1では他大学の物性実験の研究室に進んでガツガツ研究、というのが理想的な気がする。

2大学に身を置いて感じたこと

仮面浪人時代に在籍した日大(津田沼)と、その後移った新潟大の雰囲気の違い(理工系)を少し書いてみようと思います。

○キャンパス
・日大
学部ごとにキャンパスが散らばっているので、あまり総合大学という感じはせず、単科大学のような雰囲気だった。平地。ただ、1つの学部であった割には広く、図書館などもちゃんとしていた。しかし、図書館の開館時間が短いため、やはり利用者数は少なめか。隣に東邦大学があり、そちらの図書館を利用することも可能。

・新潟大
医歯学系の2年生以上以外は1つのキャンパスにまとまっていて、総合大学感は強い。図書館が比較的新しくて綺麗なのが良い。開館時間もそれなり。他学部の講義も履修しやすい。各学部棟もなぜかトイレはきれいだが雨漏りをしばらく放置せざるを得ない棟もある。坂の多いキャンパスなので、ある棟では1階から入ったのにいつのまにか隣の棟の2階にいることがある。

○学生
・日大
内部生、推薦生が多く、大学受験の感覚を知らない人は多い。大学院生は少ない。理科の教員免許取得を目指す学生は真面目に勉強している。与えられた勉強は真面目に取り組む学生もいるが、自発的な勉強をしている人はあまり少ない印象。

・新潟大
第一志望で入学した人、そうでない人はもちろんいるが、第一志望ではなかった人の中でも、現在地に納得している人と納得できず院で上を目指そうとしている人がいる。工学部では約6割が修士課程へ進学。与えられた勉強に真面目に取り組む人は多いが、講義以外など自発的に勉強するモチベーションをもつ学生は少ない。

両大学とも、僕の交友関係の狭さゆえに自発的な勉強のモチベーションをもつ学生と少ししかお知り合いになれなかった可能性は大いにあるので悪しからず。

KEKサマーチャレンジ2018振り返り(その2)

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(www2.kek.jp)

 

KEKサマーチャレンジ2018振り返り(その1)の続きです。

4.発表

 サマチャレ最終日には口頭発表(20分)とポスター発表がありました。各チーム、口頭発表の仕方は

・メンバー全員がセクションごとに交代しながら発表

・メンバーのうち数人が交代しながら発表

の2通りでした。ちなみに僕のいたチームは前者です。僕は研究背景~目的のイントロを担当しました。

 最終日前日から最終日にかけて一睡もしていなかったので、発表会場ではほとんど居眠りをして実はほとんど他のチームの発表を聞いていませんでした(笑

 なんなら自分たちのチームの発表直前まで居眠りをしていたので、寝起きでの口頭発表という事態になってしましたが、意外と大丈夫でしたね。普段大学では月に一回発表の機会があるので全然緊張もしないで済みました。

 自分が前に出た時に場内を見渡してみましたが、やはり居眠りをしている人がちらほら...(笑

 口頭発表後はポスター発表に移り、口頭発表で聞き逃した分はちゃんと説明してもらいました(他チームの人ごめんなさい)。

 

5.期間中の生活

 期間中はKEK内のドミトリーに宿泊していました。驚いたのは初日の夜、さっそくラウンジでサマチャレ参加学生によるゼミが開催されていたことです。いきなり場の量子論の話や複素多様体の話が飛び出し、ついていけませんでした(同級生のはずなのになんて差があるんだろう...)。

 しかし、しだいに実験やデータの解析で忙しくなり、本格的なゼミは行われませんでしたね。もう少し期間が長く、余裕があればよかったんですが。それでもやはり、ドミトリー内ではことあるごとに物理談義に花が咲いていました。皆、物理が趣味だというような人たちで、所属大学でもこんな雰囲気があればいいんだけどなぁと思わずにはいられませんでした。

 食事はKEK内の喫茶店か食堂、または売店、自販機でとりました。中にはドミトリー内のキッチンで自炊していた人もいましたが、この環境で自炊はすごいですよね(笑

 

 以上がKEKサマーチャレンジの体験です。今後もサマチャレOB・OGイベントがあるみたいなので積極的に参加したいと思っています。

KEKサマーチャレンジ2018振り返り(その1)

 

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(www2.kek.jp)

 

約1ヵ月ぶりの投稿となりますね...(笑

 

実は8月16日~8月25日にかけて、高エネルギー加速器研究機(KEK)構主催のサマーチャレンジという研究実習のようなイベントに参加して来ました!

 

サマーチャレンジ(以下サマチャレ)というイベントがどんなものか、実際に参加してどうだったかを少し書いてみたいと思います。

 

1.どんなイベント?

 サマーチャレンジは、大学共同利用機関法人であるKEKが主催する大学3年生及び高専の専攻科生を主な対象として開催される研究体験イベントです。今年の定員は70名で、そのほとんどは理学部(あるいは理工学部)物理学科の3年生でした。しかし、化学科の人や工学部、医学部、また、1年生で参加する人など、色々な人がいて面白かったですね。

 今年のプログラムは10日間で、前半は午前中に講義、午後に演習(後で詳しく書きます)。後半は1日中演習、という日程で、間にKEKとJPARCの実験施設見学ツアーがありました。

 

2.講義

 期間中、初日はノーベル物理学賞を受賞された小林誠先生による講演から始まり、以後、第一線の素粒子・宇宙・加速器などの分野で活躍する研究者の方々による講義がありました。内容は実験の基礎から加速器、宇宙物理、素粒子物理学など(僕にはちょっと難解でしたが)とても魅力的なものばかりでした。

 ちなみに個人的に1番興味津々だったのは加速器に使われる超伝導技術でしたね(工学部並感)。

 

3.演習

 演習では、テーマごとに10チームに分かれて実験を行いました。期間中、KEKの研究者の方々とTAさんにみっちり指導してもらえます!

 僕は超伝導電磁石の作製と評価のチームを選びました。今年のテーマは全体的に素粒子物理中心だった(以前のサマチャレでは生命系や物質系もあった)のですが、ちょうど超伝導関係のテーマがあってラッキーでした。他にもμスピン回転法による物質の磁性解析とか面白そうなテーマはあったんですけどね。この超伝導チームは6人で、北は北海道から南は大分の出身者まで、このチームメイトもまたとても愉快な人たちでした(笑

 使った材料はBi2223という高温超伝導体、超伝導転移温度は110K!なんでも、臨界電流や臨界磁場の特性的に高温超伝導体の中ではこのBi2223とY123が応用面で有望なのだそうです。とはいえ、この材料はいわゆるセラミックス。脆いため加工は難しく、慎重に行わなければなりません。この演習ではあらかじめ、テープ線材になっているものを巻くところからスタートしました。それと同時に、巻く前の材料の臨界温度と臨界電流を測定しました(この測定ではTc=105K, Ic=195A)。

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(nature.com)

 そして装置を使ってひたすら巻いてゆき、2極1対のコイルができあがったところで電磁石を組み立て、通電して磁場を測定~という流れでした。そして最終日に口頭発表とポスター発表をしました。

 また、これは毎年恒例のようなのですが、最終日前日は徹夜でデータの解析と発表のパワーポイントとポスターを作ることになりました(笑

 

 やや長くなってきたので今回はここまでにしておきたいと思います。その2では発表~全体、期間中の日常生活を書きたいと思います~。

材料系という専攻

普通の大学の工学部では、材料系の学科って影が薄い感じがするんです。サークルの友人にもどんなことやっているのかわからないと言われるし、工学部の他の学科の人にも...。って、工学部の君が知らんのは単なる勉強不足では?

 

と、いうことで

 

材料と名のつく学科では、どんなことをやっているのか?

 

1.学部のカリキュラム

 

例として、僕の所属の講義をいくつか挙げてみたいと思います。

 

線形代数微分積分、物理数学、電気回路論、材料組織学、材料力学、無機化学有機化学、物理化学、高分子科学、生化学、分析化学、光化学、電気化学、生物材料工学、生体分子工学、計測工学、力学、解析力学電磁気学量子力学統計力学固体物理学、物性論、半導体工学、磁性、超伝導

 

上の科目を見てもわかる通り、浅く広くという感じですね。内容の比率的には 物理:化学 : その他 = 5 : 3.5: 1.5 ぐらいです。

 

次に、材料科学のメッカ、東北大学の材料系の講義を見てみましょう。

 

→材料組織学、材料強度学、電子化学、物理化学、反応速度論、結晶回折学、伝熱工学、流体工学、金属精錬学、材料分析科学、物性論、表面科学、磁性材料学、セラミックス材料学、腐食・防食学、素形材工学、塑性加工学、接合工学、材料評価学、構造材料学、破壊力学、高分子科学、生体物質化学etc...

 

これぞ材料系専攻!という感じがします。東北大学工学部材料科学総合学科のHPに載っていた「代表的な」講義、なので、この他にも色々あるのでしょうね、うらやましい。

 

2.研究室の分野

 

例によって、まずは僕の所属大学、専攻から

 

→磁性、超伝導、低温物性、太陽電池半導体、水素関連材料、光触媒、人工光合成、ソフトマテリアル、機能性食品素材、タンパク質材料、金属コーティング材料...

 

正直に言うと物足りなさがあります。大学にもっと教員を雇えと言おうかな(意見箱には投書した)。

 

では、東北大の材料系はどうでしょう。

 

→製鉄プロセス、合金鋳造シミュレーション、相変態・組織制御、圧延・塑性・粉体加工、高温融体、金属・合金ナノ粒子、電極材料、アモルファス材料、燃料電池スピントロニクス材料、磁性材料、極限材料、耐熱材料、半導体、溶接・接合、粉体材料、非破壊分析、生体材料、医用材料、リサイクルプロセス、環境循環材料etc...

 

実に豊富なラインナップ!うちの大学の専攻にもこんなにあったらいいのに!

 

でもまぁ、地方国立大と旧帝大を比較するのはおこがましいですね(笑)

 

 

材料系って何してるの?という問いに対する回答は↑のような内容です。材料科学は色々な分野、業界とつながりがあって面白いですよ~。

 

 

フーリエ解析の参考書(副読本)

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涌井良幸,涌井貞美 著 『道具としてのフーリエ解析日本実業出版社 (2014)

目次

序章 そもそもフーリエ解析とは何か?
第1章 フーリエ級数
第2章 フーリエ変換
第3章 ラプラス変換
第4章 離散フーリエ変換(DFT)と離散コサイン変換(DCT)
第5章 高速フーリエ変換(FFT)
第6章 フーリエ解析微分方程式
第7章 フーリエ解析線形応答理論
付録 フーリエ解析に必須の数学的知識

 

フーリエ解析といえば、理工系の多くの人にとっては避けては通れない大事な数学のツールですよね。僕は独学で微分方程式ラプラス変換フーリエ解析という変な入り方をしましたが、普通は多変数の微分積分の後にそのまま取り掛かるのがいいと思います(笑)

 

この『道具としてのフーリエ解析』ですが、表紙にも書いてある通り、無理なく学べる入門書です。とても易しいかつ優しい本ですね。

 

各章の始めでは、先生と生徒の問答があり、各章のポイントと概観を教えてくれます。

 

また、とても図説が多いです。図がないページ(見開き)はほぼ無い、というぐらい図が豊富です。ページ数は237Pと、それなりにあるように感じますが、すらすらと読み進めることができるはずです。僕は2年次の夏休みに1週間程度で読めました。数学の本なのにあまり紙とペンを使って頑張って式を追う、ということはありませんでしたね。

 

ということで、フーリエ解析とは?からフーリエ級数フーリエ変換ラプラス変換、さらにはそれらを使って何ができるかという応用までを手軽に概観することができます。一般的なフーリエ解析の教科書は定理の証明などを丁寧にやる分、応用の話題なんかはあまり扱っていないことが多いので参考になると思います。

 

ただし、諸定理の証明はほぼほぼカットされていますし、この本1冊で計算に習熟できるわけではないので、もう1冊、適当な教科書を使って勉強することをお勧めします。僕は計算練習に↓の『フーリエ級数ラプラス変換の基礎・基本 (理工系数学の基礎・基本)』を使いました。計算問題の例題が多くて良い練習になります。

 

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僕のフーリエ解析の勉強はこれらと講義、でひとまず終わりでした。余裕があれば↓の『物理現象のフーリエ解析 』も読みたいと思ってます。

 

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