DEPARTMENT OF

GRADUATE SCHOOL OF ENGINEERINGTOHOKU UNIVERSITY

東北大学大学院工学研究科

応用物理学専攻

APPLIED PHYSICS

青葉山

川内

至八木山動物公園

地下鉄東西線

国際センター

大町西公園

青葉通一番町

仙台宮城野通

五橋

仙台 仙台

JR仙台駅

片平キャンパス●研究所など

瑞鳳殿

青葉城址

仙台市博物館国際センター

川内キャンパス●1・2年生全学教育●文学部●教育学部●法学部●経済学部

星陵キャンパス●医学部　●歯学部

青葉山北キャンパス

青葉山新キャンパス

青葉山東キャンパス青葉山東キャンパス東北大学

工学部・工学研究科東北大学

工学部・工学研究科

●理学部　●薬学部あおば通

広瀬通

勾当台公園

北四番丁

地下鉄南北線

国見駅

宮城県美術館

N

仙台駅から：地下鉄東西線八木山動物公園行青葉山駅で下車

連　絡　先東北大学大学院工学研究科応用物理学専攻（応用物理学コース）〒980-8579 仙台市青葉区荒巻字青葉6-6-05

電子情報システム・応物系事務室TEL （022）795-7980 E-mail：kyomu@ecei.tohoku.ac.jp

入 試 関 係工学研究科教務課学部入学試験係TEL （022）795-3188 E-mail：eng-nyus@grp.tohoku.ac.jp

工学研究科教務課大学院教務係TEL （022）795-5820 E-mail：eng-in@grp.tohoku.ac.jp

応用物理学専攻（応用物理学コース）の詳しい内容や受験資格・過去の入試問題などに関する情報を得たい場合には、研究指導を受けたい教員または下記に連絡して下さい。

キャンパス案 内

青葉橋

ブーク

中央棟・食堂

1号館（本館）

南講義棟南講義棟

2号館2号館

南実験棟南実験棟

工学部中央工学部中央

工学部西

青葉山駅青葉山駅

仙台市営バス停留所 地下鉄東西線 青葉山駅

青葉山植物園西

グラウンド

至宮城教育大

1号道路

2号道路

至仙台市街

至青葉城址

応用物理学専攻（応用物理学コース）

はじめに（PREFACE）…………………………………………………………………………………… 3

沿革（HISTORY）…………………………………………………………………………………………… 4

研究紹介（RESEARCH…ACTIVITIES）

■応用界面物理学講座（APPLIED…INTERFACE…PHYSICS）

・スピンエレクトロニクス分野（SPIN…ELECTRONICS）………………………………………………………………… 5

■応用物性物理学講座（APPLIED…CONDENSED…MATTER…PHYSICS）

・数理物理学分野（MATHEMATICAL…PHYSICS）…………………………………………………………… 7

・基礎物性物理学分野（SOLID…STATE…PHYSICS）… ……………………………………………………… 9

・光物性学分野（OPTICAL…SCIENCES…AND…MATERIALS）………………………………………………… 11

■応用材料物理学講座（APPLIED…MATERIAL…SCIENCE）

・固体物性物理学分野（CONDENSED…MATTER…PHYSICS）……………………………………………… 13

・機能結晶学分野（APPLIED…X-RAY…AND…NEUTRON…SPECTROSCOPY）… ……………………………… 15

・低温・超伝導物理学分野（LOW…TEMPERATURE…PHYSICS…AND…SUPERCONDUCTIVITY…PHYSICS）…… 17

・生物物理工学分野（BIOPHYSICAL…ENGINEERING）…………………………………………………… 19

目……次

11

■金属材料研究所（INSTITUTE…FOR…MATERIALS…RESEARCH）

・附属強磁場超伝導材料研究センター（HIGH…FIELD…LABORATORY…FOR…SUPERCONDUCTING…MATERIALS）…… 21

・電子材料物性学分野（PHYSICS…OF…ELECTRONIC…MATERIALS）… …………………………………… 22

■多元物質科学研究所（INSTITUTE…OF…MULTIDISCIPLINARY…RESEARCH…FOR…ADVANCED…MATERIALS）

・ナノスケール磁気デバイス研究分野（NANOSCALE…MAGNETISM…AND…DEVICES）………………… 23

・放射光ナノ構造可視化研究分野（SYNCHROTRON…RADIATION…SOFT…X-RAY…MICROSCOPY）… …… 24

・量子電子科学研究分野（QUANTUM…ELECTRON…SCIENCE）… ……………………………………… 25

・量子光エレクトロニクス研究分野（QUANTUM…OPTOELECRONICS）……………………………… 26

■原子分子材料科学高等研究機構（ADVANCED…INSTITUTE…FOR…MATERIALS…RESEARCH）

・スピントロニクス材料研究分野（SPINTRONICS…MATERIALS…RESEARCH）…………………………… 27

カリキュラム（CURRICULUM）

・学部（UNDERGRADUATE）…… ………………………………………………………………………… 28

・大学院（GRADUATE…SCHOOL）………………………………………………………………………… 29

卒業後の進路（CAREER…PROSPECTS）…………………………………………………………… 30

キャンパスライフ（CAMPUS…LIFE）……………………………………………………………… 31

■ CONTENTS

2

現代の科学技術の発展において、理学と工学の融合は不可欠であり、20世紀のエレクトロニクスが量子力学の発見と物質科学の進歩によって築き上げられたことは周知のことです。そして今日、エネルギー、環境、バイオ、情報、医療技術など様々な分野において、さらに画期的な機能デバイスやそれを支える材料の開発が切望されています。それを実現するためにはナノサイエンスとナノテクノロジーの深耕が必須であり、量子力学を中心とする基礎科学と物質工学の両方に軸足を持つ応用物理学の役割がますます重要性を増してきています。私たち応用物理学専攻・応用物理学コースは、これからの社会に対応できる人材の育成と社会が必要とする科学技術の発展を目指して、物理学の基礎から工学応用まで、組織的な教育・研究を行っています。

はじめに

PREFACE

応用（工学）Application（Technology）

基礎（物理）Foundation（Physics）

生体分子モーターMolecular motors

超伝導Superconductivity

熱電材料Thermoelectric Materials

コンピュータシミュレーションComputer Simulation

磁性・スピンエレクトロニクスMagnetism・Spin-Electronics

半導体・光物性Semiconductor・Optical

Spectroscopy

固体物理Solid-State Physics

33

応用物理学科は1963年に、同専攻は1967年に設立され、工学の基礎である物性物理学を柱とし、物質・材料の機能の発現に関する基礎分野から先端的応用分野までを研究対象として教育・研究を行ってきました。1994年には電気系３学科（電気工学科、通信工学科、電子工学科）および情報工学科と共に、工学部に於いて最も早く大学院重点化されました｡ 2004年に工学部の大学科制への移行に伴って応用物理学科は、情報工学科を含めた電気系4学科と共に一つの大学科に編成され、電気情報物理工学科となりました。この大学科は６コースからなり、従来の応用物理学科は応用物理学コースとして引き継がれています。応用物理学コースならびに応用物理学専攻では、物性物理学の一層の高度化、精緻化と物性物理学を基礎とした先端材料工学および境界領域の分野をも中心課題とする教育・研究を行っています。

The…Department…of…Applied…Physics…was…established… in…1963…and… the…Graduate…Course…of…Applied…Physics…was…established… in…1967.…The…main…emphasis…of… the…department… is…education…through…research… in…condensed…matter…physics,…which… is…one…of…the…firm…bases…of…engineering.…Since…then,…we…have…been… carrying…out…wide… varieties…of… research… covering… from…the… fundamental…aspects… to… the…ultramodern…applications…of… functional…properties…of…myriad…materials.… In…1994,…our…department… took… the… lead…among… the…departments… in… the…School…of…Engineering… in…upgrading…and…reorganizing…the…Graduate…Course…in…collaboration…with…the…Departments…of…Electrical,…Communication,…Electronic…and…Information…Engineering.…In…2004,…the…name…of… the…department… in… the…undergraduate…course…was…changed…to… the…Department…of… Electrical,… Information…and…Physics… Engineering…which… is…a…collaboration…between… the…Departments…of…Applied…Physics,…Electrical,…Communication,…Electronic…and…Information…Engineering,…This…new…department…offers…six…different…undergraduate…courses… including…Applied…Physics…Course.… In… the…Undergraduate…and…Graduate…Courses…of…Applied…Physics,…we…have… focused…our…efforts…on…delivering…high-quality…education…and… fostering… advanced… research… in… response… to… rapid…progress… and…enormous…elaboration…of…condensed…matter…physics,…bio-nano…engineering…and…interdisciplinary…sciences.

沿革HISTORY

4

応用界面物理学講座APPLIED INTERFACEPHYSICS

磁性体のミクロおよびマクロな性質、物質の機能性の発現機構の解明とそれを基にしたデバイスの研究開発を行っている。特に物質のスピン（磁気モーメント）と伝導が絡んだ現象を利用した最先端デバイスに開発に力を入れている。このような研究はスピンの電荷の二つの自由度を積極的に利用しようとするものであり、スピンエレクトロニクス（或いはスピントロニクス）と呼ばれ、最近注目されている分野である。特に最新のナノテクノロジーを駆使して、既存の概念を超えた新しい電子デバイスの創製を目指し、研究を展開している。

１.…ナノ構造磁性体の創製とスピン伝導２.…生体用トンネル磁気抵抗センサ素子の開発３.…次世代不揮発性磁気メモリ（STT-MRAM）の開発４.…スピンのダイナミクスとその制御５.…新機能性磁性体材料の探索

http://www.apph.tohoku.ac.jp/spin/

教　授　安藤　康夫Prof.Y.…Ando,…Dr.

准教授　大兼　幹彦Associate…Prof.M.…Oogane,…Dr.

助　教　永沼　　博Assistant…Prof.H.…Naganuma,…Dr.

STT-MRAMテストチップ用超高真空スパッタ装置

UHV…sputtering…system…for…the…fabrication…of…STT-MRAM…chips

磁気抵抗効果測定装置

Measurement…system…for…magneto-resistance（MR）effect

スピンエレクトロニクス分野■SPIN…ELECTRONICS

5

Investigation…on…microscopic…and…macroscopic…properties…of…magnetic…materials,…occurrence…mechanism…of…functionality…in…materials,…and…research…and…development…of…devices…based…on…these…materials…are…in…active…progress.…Strong…emphasis…has…been…made…for…the…development…of…high-technology…devices,…which…are…realized…by…the…phenomena…caused…by…an…interplay…of…spin,…or…magnetic…moment…of…the…materials…and…their…electrical…conduction.…These…research…are…relying…on…a…positive…utilization…of…the…two…degrees…of…freedom…in…electron,…spin…and…charge.…Such… research…directions,…which…are…called…“spin…electronics”…or…“spintronics”…have…been…the…most…active…field…recently.…Taking…advantage…of…current…nano-technology,…we…are…making…various…kinds…of…investigations…in…the…creation…of…alternative…electrical…devices.…

１.…Creation…of…nano-scale…magnetic…materials…and…the…transport２.…Development…of…tunnel…magnetoresistive（TMR）bio-magnetic…sensor３.…Development…of…next-generation…magnetic…random…access…memory（STT-MRAM）.４.…Spin…dynamics…and…their…control５.…Search…for…new…functionalized…magnetic…materials…

単結晶強磁性トンネル接合の断面 TEMとその生体用磁気抵抗センサ素子への応用

Cross…section…of…a…single…crystal…magnetic…tunnel…junctions（MTJs）and…their…application…to…bio-magnetic…sensor…devices……

6

応用物性物理学講座APPLIED CONDENSED MATTER PHYSICS

数理物理学・統計力学的な手法を駆使して、ナノスケールの分子の運動を研究している。大規模計算機シミュレーションや顕微鏡イメージングで得られた分子の運動を、確率過程解析・非平衡統計力学・多変量解析の理論で解析している。これまで統計力学の研究対象は気体・液体・磁性体などの分子運動であったが、本研究室ではナノスケールの分子としてガラスや液晶などのソフトマターからタンパク質などの生体高分子を対象にした新しい統計力学研究を行なっている。

１.…タンパク質分子モーターの動作機構の解明２.…生体分子への非平衡統計力学のゆらぎの理論の応用３.…多変量解析を用いたタンパク質シミュレーションデータの解析４.…ガラス転移の非平衡統計力学の構築

http://www.apph.tohoku.ac.jp/mathphys

教　授　佐々木一夫Prof.K.…Sasaki,…Dr.

助　教　林　久美子Assist.…Prof.K.…Hayashi,…Dr.

助　教　吉留　　崇Assist.…Prof.…T.…Yoshidome,…Dr.

当研究室の研究の概念図。基礎的な物理学（熱力学・統計力学・数理物理学）を、ソフトマター（ガラス（左上）やミセル（左下）など）や生物（タンパク質（右上）やニューロン（右下））の動きの解析に応用している。

Conceptual…diagram…of…studies…performed… in…our… laboratory.…We…apply…basic…physics（thermodynamics,… statistical…mechanics,…and…mathematical…physics）to…analyze…motions…of…soft-materials…such…as…glasses…and…micells…and…bio-materials…such…as…proteins…and…neurons.………

数理物理学分野■MATHEMATICAL…PHYSICS

7

We…study…motion…of…nano-scaled…molecules…based…on…mathematical…physics…and…statistical…mechanics.…Motion…of…molecules… is…obtained… from… large-scale… computer… simulation…or…microscopic…imaging.…Then,…these…data…are…analyzed…by…using…theories…of…stochastic…analysis,…non-equilibrium…statistical…mechanics,…multivariate…statistics,…and…so…on.…So… far,…objects…of…statistical…mechanics…have…been…ensembles…of…molecules…such…as…gas,… liquid…and…magnetic…materials.…In…our…laboratory,…objects…of…our…studies…are…extended…to…soft-matter…materials（e.g.…glass,… liquid…crystal）and…bio-molecules（e.g.…proteins）in…order… to…create…a…new…statistical…mechanical…field.

Example…of…our…themes１.…Elucidation…of…mechanisms…of…protein…motors.２.…Applications…of…fluctuation…theories…of…non-equilibrium…statistical…mechanics…to　……bio-molecules.……３.…Data…analyses…of…protein…simulations…using…multivariate…statistics.４.…Construction…of…non-equilibrium…statistical…mechanics…on…glass…transition.

理論グループでは、コンピュータシミュレーションを用いて、タンパク質の動きを原子レベルで解析している。写真に示すように、結果について頻繁に議論している。

In…a…theoretical…group,…we…analyze…atomic…motions…of…proteins…using…computer…simulation.…As…shown…in…the…photo,…we…frequently…discuss…the…results…with…the…member…of…the…group.

理論グループと共同研究するために、研究室では実験グループを抱えている。ソフトマター実験から高度な生物実験を行なう最先端の機器がそろっている。

In…order…to…collaborate…the…theoretical…group…of…our…laboratory,…we…also…have…an…experimental…group.…Using…advanced…equipments,…we…perform…experiments…on…soft…matter…and…biological…systems.

8

応用物性物理学講座APPLIED CONDENSED MATTER PHYSICS

物質の持つ物理的な特性を有効利用し高機能な新規デバイスを創成することが、ナノサイエンスにおける重要な研究目的である。そのためには、物質中の電子と光の振る舞いをサブナノスケールからセミマクロスケールにわたり幅広く解析することが必要となる。当研究分野では、魅力あるナノサイエンス分野の中でも特に次のようなテーマについて理論的な研究を行っている。

１.…フォトニック結晶とメタマテリアル光の波長程度の微小構造体を周期配列したphotonic 結晶やメタマテリアルを用いて光の伝播を制御する方法を研究する。

２.…強相関電子系の理論遷移金属酸化物や希土類化合物における磁性などの多彩な物性の発現には、電子間クーロン相互作用が重要な寄与をしている。格子模型の電子状態計算に繰り込み群やテンソルネットワークを応用し、その大規模数値計算手法を開発している。

３.…触媒における表面科学の理論第一原理電子状態計算に基づいて、自動車エミッションを浄化する触媒表面で起こる化学反応を調べ、貴金属触媒の機能向上と新規材料開発に向けた知見を得る。

４.…磁性材料希土類系永久磁石の保磁力機構解明を目指し、電子状態計算に基づいたミクロな視点から結晶磁気異方性や磁化ダイナミクスの研究を行う。また、磁気記録媒体に適した材料の探索を行う。

５.…超伝導高温超伝導体やトポロジカル超伝導体等、非従来型超伝導体を中心として新奇な秩序状態や相転移現象の理論的探索及び解明を行う。

http://www.apph.tohoku.ac.jp/kiso

准教授　宮嵜　博司Associate…Prof.H.…Miyazaki,…Dr.

准教授　清水　幸弘Associate…Prof.Y.…Shimizu,…Dr.

准教授　土浦　宏紀Associate…Prof.H.…Tsuchiura,…Dr.

助　教　吉岡　匠哉Assistant…Prof.T.…Yoshioka,…Dr.

助　教　浅岡　　類Assistant…Prof.R.…Asaoka,…Dr.

誘電体円柱（中空白丸）を一様に分布させて作成したミッキーマウス型キャビティでの電場の強度分布

Electric… field… intensity…distribution…of…Mickey-Mouse- l ike… 2D… cavi ty… made… of … uni formly…distributed…dielectric…rods（white…circles）.

微粒子貴金属を担体に担持した触媒の構造と界面における電子密度分布の差分

Crystal…structure…of…catalyst…of…nanocluster…noble…metal…on…the…oxide…support.…The…difference…of…the…charge…density…at…the…interface…is…also…shown.

基礎物性物理学分野■SOLID…STATE…PHYSICS

9

One…of… the…principal…objectives… in… the… field…of…nano-science… is… to…make…a…good…use…of…physical…properties…of…materials…to…develop…new…type…of…devices.…We…need,…for…this…purpose,…to…analyze…the…behavior…of…electrons…and…light…in…matter…from…sub-nano-…to…semi-macroscale.…Such…research… is… in…the…branch…of…theoretical…physics,…known…as…"solid-state…physics".…Within…our…group,…theoretical…studies…are…being…carried…out…to…investigate…the…following…issues.

１.…Photonic…Crystals…and…metamaterialsArbitrary…control…of… light…propagation…by…photonic…crystals…and…metamaterials…made…of…periodic…arrays…of…micriscopic…optical…elemetns.

２.…Theory…of…strongly…correlated…electron…systemsThe…electron…correlation…plays…an…important…role…in…the…physics…of…the…transition…metal…oxisides…and…the…rare-earth…materials.… In…order… to…understand…the…electronic…states…of… the…strongly…correlated…electron…systems,…we…develop… the…numerial…calculation…methods…by…using… the…renomalization…group…and…the…tensor…network.

３.…Theory…of…surface…science…of…catalystIn…order…to…understand…the…catalytic… function…of…noble…metal…and…new…material…catalysts… for…the…purgation…of…exhaust…gas,…we…investigate…the…chemical…reaction…on…the…surface…of…catalysts…by…using…the…first-principle…calculations…base…on…the…density…functional…theory.

４.…Magnetic…material…design.The…crystalline…magnetic…anisotropy…and…coercivity… in… rare-earth…permanent…magnets…such…as…Nd2Fe14B…based…on…first-principles…calculations…and…micromagnetics.…Material…design…for…magnetic…recording…media.

５.…SuperconductivityWe…study…novel…ordered… states…and…pahse…transition…phenomena…appearing… in… unconventional…superconductors,… for… example,…high-Tc… superconductors… and…topological…superconductors.

希土類永久磁石Nd_2Fe_14B の001界面近傍における磁化反転過程

Magnetization…reversal…process…around…a…001… interface…of…a… rare-erth…permanent…magnets…Nd_2Fe_14B.

10

応用物性物理学講座APPLIED CONDENSED MATTER PHYSICS

21世紀は「光（フォトニクス）の時代」である。光を自在に操ることで、我々の生活や社会は、現在の電子が主役であるエレクトロニクスから、光子によるフォトニクスの時代へと大きく変革されるであろう。ある種の物質が持つ非線形光学効果に起因する現象を利用することにより、光の向きや強さ、あるいは色（波長）を自在に変化させることができる。不規則構造を持つガラスの特長を活かして作製された光ファイバは、現代の光情報通信における必須のキーコンポーネントであるが、通常の光ファイバの役割は光信号をできるだけ遠くへ伝達することであり、光の方向変換（スイッチ）や強度変調など、光信号をアクティブに制御する機能を持っていない。本分野においては、ナノスケールの構造規則化を施すことによって、不規則構造物質（ガラス）には本来備わっていない光波制御機能を発現させる試みに挑戦している。電子から光子へ、未来を拓く光科学・材料の研究を推進している。また、将来的なエネルギー問題解決のため、構造規則化や相転移現象に基づく新しい熱マネージメント・デバイスや水素プラント用光触媒の材料開発も進めている。

１.…構造規則性と相転移ダイナミクス２.…革新機能光ファイバ素子とフォトニック集積回路の開発３.…希土類フリー新規蛍光材料の開発４.…微小排熱を集熱する新規熱制御材料の創製と熱流デバイスへの応用５.…低温熱エネルギーを貯蔵可能な熱マネージメント材料の開発６.…ガラスの中距離構造と評価技術への応用７.…水素化社会実現に向けた新規光触媒材料の開発

http://www.apph.tohoku.ac.jp/fujiwara_lab

教　授　藤原　　巧Prof.T.…Fujiwara,…Dr.

准教授　高橋　儀宏Associate…Prof.Y.…Takahashi,…Dr.

助　教　寺門　信明Assistant…Prof.N.…Terakado,…Dr.

レーザー照射により形成された結晶化ガラスファイバ素子の断面。電場を印加することによりコアの透過光強度を制御できる。

Cross… section… of… the… crystallized… glass… fiber… device… for…valuable…optical…attenuator.

半導体ナノ結晶化ガラスの発光（x は酸化マンガン添加量）。緑色発光や蓄光により太陽電池パネルの発電アシストが期待される。

Semiconductive-Zn2GeO4… nanocrystal l ized… glass… for…photovoltaic…device…application.

光物性学分野■OPTICAL…SCIENCES…AND…MATERIALS

11

Our… laboratory… has… been… newly… established… in…April,… 2006.… The…modification… and…manipulation…of…microscopic…structures…on…materials…have…attracted…considerable…interest…for…future… industries… including…several…applications…of…electronics,…photonics,…bioengineering,…and…so…on.…For…typical…examples,…so…many…efforts…and…valuable…challenges…have…been…performed…for…fabrication…of…nanostructured…textures,…patterns,…and…devices,…especially…for…materials…of…Si…semiconductors…and…other…elements.…Although…glasses…such…as…silica…and…others,…exclusively…used…as…an…optical… fiber… for…communication…network,…are…very…key…materials/components…for…photonic…applications,… few…attentions…have…been…paid…until… recently… in… terms…of…nano-…and…micro-scale…structures… in…glass…materials.…Glass… is… the…material… that…has… the… inversion…symmetry,… therefore,…glass…should…not…have… in…principle…second-order…optical…nonlinearity.…This…has…brought…the…glass…materials…only…to…passive…usages…like…fibers…in…optical…transmission…of…photonic…networks,…while…second-order…optical…nonlinearity… is… the…property…absolutely…required…to…active…applications,… i.e.,…electro-optic（EO）switching…and…modulation,…wavelength…conversion…etc,…in…signal…processing…of…photonic…information…technology.…By…taking…account…of…putting…active…functions…like…a…second-order…optical…nonlinearity…to…the…glass,…nanostructuring…of…crystalline…phase…with…the…nonlinearity…in…glass,…so…to…call…nano-structure…ordering…for…photonic…functional…glass,…should…be…one…of…the…best…solutions…for…photonic…active…materials…used…in…the…next…advanced…glass-fiber… realm.…We…also…proceed…to… fabricate…new…thermal-management…device…based…on…the…structure…ordering…and…phase-transition,…and…to…develop…photocatalytic…material…for…hydrogen…plant…in…order…to…solve…the…energy…problem…in…near…future.

１.…Nano-structure…ordering…and…phase-transition…dynamics２.…Advanced…active…fiber-type…components…and…nano-photonic…integrated…circuits３.…Rare-earth…free…phosphor４.…Heat-flow…controlling…material…toward…micro-heat…condensation…device５.…Glass-based…thermal-storage…material…for…utilization…of…low-temperature…thermal…energy６.…Medium-range…order…structure…of…glass…and…its…application…to…quality…evaluation７.…Fabrication…of…new…photocatalytic…material…to…hydrogen…society

高周波スパッタ法で作製した量子スピン系薄膜における異方的熱拡散の可視化。構造規則化との組み合わせによる能動的熱流制御が期待される。

Anisotropic… thermal… diffusion… in… RF-sputtered… film… of…quantum…spin…system…for…active…control…of…heat…flow.…

酸を使った結晶化ガラスのエッチング（①・②）と光触媒活性の変化（③）。表面の凹凸が大きくなることで，光触媒活性が大きく向上する。

Acid-etching…of…crystallized…glass［（1）,…（2）］…and…change…of…photocatalytic…activity［（3）］.…The…activity… is… improved…drastically…by…increasing…of…surface…asperity.

12

応用材料物理学講座APPLIED MATERIAL SCIENCE

物質の電気的、磁気的性質を担うのは電子に備わっている電荷とスピンであり、この二つの自由度を融合的に利用しようというのが近年目覚しい発展を遂げているスピントロニクスの狙いです。私たちは、スピンの動力学と伝導現象の関わりや、スピンが人工格子などエレクトロニクスの舞台で演じる仕掛けについて微視的立場から明らかにすることを目的に研究を行っています。また、これまで構築されてきた磁性理論のさらなる深厚に努めながら、実際の物質の磁気モーメントや磁気秩序、そして磁気異方性の起源を微視的立場から解明し、これらの物理量を定量的に評価する研究も行っています。

１.…スピントロニクス・電流（電荷の流れ）やスピン流（スピン角運動量の流れ）と磁化の動力学の絡みに関する理論研究。・スピントロニクス材料の伝導特性（電気伝導度、スピン分極率、異常ホール伝導度 ,…AMRなど）やギルバート緩和定数の第一原理計算。２.…物質の磁気特性の第一原理計算局所スピン密度汎関数法による電子状態の第一原理計算から、遷移金属合金や希土類金属間化合物の磁気特性（磁化、キュリー温度、磁気異方性定数など）を定量評価し、特性向上や新規磁性体の提案を図る。

http://www.apph.tohoku.ac.jp/sakuma-lab/

教　授　佐久間昭正Prof.A.…Sakuma,…Dr.

助　教　三浦　大介Assistant…Prof.D.…Miura,…Dr.

第一原理計算により得られた表面のNd（ピンク原子）に酸素O（赤原子）が付着したときの電荷密度分布図。付着する前の表面のNd原子の磁気異方性定数は負であるが、Oの付着により電子分布が縦長になることで、そのNdの磁気異方性定数は正に転じる。

Distribution…of… the…charge…density…of…Ne2Fe14B…near… the… surface,… obtained…by… first… principles…calculation.…The…magnetic…anisotropy…constants…of…（001）…surface…Nd… ions…are…negative.…When…oxygen…（O:…red…atom）…attaches…above…the…Nd…ion…（pink…atom）,… the…charge…distribution…of…valence…electrons…of… attached…Nd… ion… stretches… along…c-axis.…As…a…result,…the…sign…of…magnetic…anisotropy…constant…of…the…Nd…ion…changes…to…positive.

固体物性物理学分野■CONDENSED…MATTER…PHYSICS

13

The…electric…and…magnetic…properties…of…solids…originally…arise…from…the…spin…and…charge…of…electrons,…and…the…aim…of…spintronics… is…to…utilize…these…degrees…of… freedom…harmonically…to…develop…new…devices.… …The…purpose…of…our…work… is…to…make…clear…of…the… interplay…between…the…spin…dynamics…and…transport…phenomena,…and…the…role…of…electron…spin…in…the…spintronics…materials…and…artificial…magnetic… lattices.… …Another… important…study…of…our… laboratory… is… to…gain… insight… into…the…physical…origin…of… the…magnetic…properties…such…as…magnetic…moment,…exchange… interaction…and…magnetocrystalline…anisotropy…of…magnetic…materials… for… the…industrial…utilizes,…and…to…evaluate…these…magnetic…properties…by…means…of…the…first…principles…technique.

１.…Spintronics・ Theoretical…study…on…the…interplay…between…the…charge…and…spin…currents…and…the…spin　…dynamics.・ First…principles…calculations…of…the…conductivities（electric…conductivity,…spin…polarization,　anomalous…Hall…conductivity…and…AMR…et…al.）and…Gilbert…damping…constants…of…transition　metal…alloys.２.…Qualitative…analysis…of…magnetic…properties…of…magnetic…materialsFirst…principles…calculations…of…the…magnetic…properties…such…as…magnetic…moment,…exchange…interaction…and…magnetocrystalline…anisotropy…of…magnetic…materials…based…on…the…local…spin…density…functional…theory.

スピン軌道相互作用（SO）がない場合（上）とある場合（下）のギルバート緩和定数（α）の波数（q）依存性。kF はフェルミ波数を意味する。SOの存在により電子のバンド内遷移が可能となり、αは q…=…0で発散することになる。ここで不純物による電子の散乱があると、この発散は有限に抑えられる。

Gilbert…damping…constant （α）as…a… function…of…wave…number（q）in…the…presence…of…the…spin-orbit（SO）interaction（lower…panel）and…in…absence…of…the…SO…interaction（upper…panel）.……kF…indicates…the…Fermi…wave…number.Due…to…the…SO…interaction,…interband…transition…of…electrons…can…take…place,…which…leads…to…a…divergence…of…α…at…q…=…0.……The…divergence…is…suppressed…by…a…presence…of…electron…scattering…by…impurities.

Bcc-Fe の kx-kz 面における異常ホール電導度σxy…[ Ω・cm]-1の等高線図。異常ホール電導度は第一原理計算を実行することで得られた電子状態を用いて、Kubo-Streda の公式に則って計算された。

Contour…map…of…anomalous…Hall…conductivity…σxy…[ Ω・cm]-1…in…the…kx-kz…plane…of…bcc-Fe.It… is… calculated… based… on… the… Kubo-Streda… formula… in…which…the…electronic… states…are…obtained…by…using… the… first…principles…calculation.

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応用材料物理学講座APPLIED MATERIAL SCIENCE

固体の熱電効果を利用した排熱発電材料や、ポストリチウムイオン電池材料、太陽電池材料等のエネルギー変換材料の研究開発を進めている。固体の機能は、その結晶構造に基づく電子構造によって主に決まるので、中性子やＸ線を用いた回折実験を行い、物質の結晶構造を高い精度で決定するとともに、第一原理計算により電子構造を評価し、機能発現に関わる構造要素を抽出して、更に高機能な材料を設計・合成することを目指している。これまでに創出した新物質の数は40を超え、ICDD結晶構造データベースに登録されているものも少なくない。最近では、新たな研究分野として熱電子放出現象を利用した薄膜超格子熱電材料や、有機物系熱電材料等の開拓にも積極的にチャレンジしている。

１.…次世代型熱電変換材料の創製と特性評価２.…有機物薄膜系熱電材料の合成と発電特性３.…遷移金属ケイ化物系太陽電池薄膜の作製４.…第一原理計算に基づく二次電池正極材料の探索５.…室温近傍での使用を目指した電子冷却材料の探索

http://www.apph.tohoku.ac.jp/ymiyazaki-lab

教　授　宮﨑　　讓Prof.Y.…Miyazaki,…Dr.

准教授　林　　　慶Associate…Prof.K.…Hayashi,…Dr.

助　教　髙松　智寿Assistant…Prof.T.…Takamatsu,…Dr.

高温領域の熱伝導率を測定するレーザーフラッシュ型測定装置 Mg2Si の単結晶 X線回折パターン

Crystal…structure…and…single-crystalline…X-ray…diffraction…spots…of…Mg2Si

機能結晶学分野■APPLIED…X-RAY…AND…NEUTRON…SPECTROSCOPY

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We…have…been…exploring…novel… energy-harvesting…materials,… such…as… thermoelectric…materials,…cathode…materials… for…secondary…batteries…and…photovoltaic…materials.… …Functions…of…a…solid…substance…primarily…depend…on…the…electronic…structure,…directly…derived… from…its…crystal…structure.……Through…high-quality…structure…analyses…using…neutron…and…X-ray…diffraction,…combined…with…first-principles…calculations,…we…have…been…fabricating…materials…with…desired…functions.……To…date,…more…than…40…novel…materials…have…been…discovered…based…on…our…guiding…principles.… …For…developing… future…device… technologies,…challenges…on… thin-film… thermionic…multilayers…and…organic…thermoelectric…materials…are…currently…underway.

１.…Synthesis…and…physical…properties…of…next-generation…thermoelectric…materials２.…Preparation…and…thermoelectric…properties…of…organic…thin…films３.…Fabrication…of…transition…metal…silicide…photovoltaic…thin…films４.…Preparation…of…cathode…materials…for…secondary…batteries…based…on…first-principles…　……calculations５.…Development…of…Peltier…cooling…materials…utilized…around…room…temperature

超格子創製用低圧 RFスパッタ装置 ケイ化物熱電材料を用いた積層型多層発電モジュール

Multi-layered…thermoelectric…module…utilizing…silicide-based…materials

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応用材料物理学講座APPLIED MATERIAL SCIENCE

固体中の多数の電子が織りなすエキゾチックな物理現象（超伝導、磁気秩序、電荷秩序等）のメカニズムを実験的に解明し、新しい機能性材料を開拓することをめざしています。具体的には、高温超伝導のメカニズムを解明するために、高温超伝導物質および関連物質の電子トランスポート、磁性、比熱等の基礎物性を研究するとともに、他研究機関とも積極的に協力し、ミュオン・スピン緩和等の実験も進めています。一方､ 室温超伝導物質の発見をめざして、新しい高温超伝導物質の探索的研究も行っています。そのために、電気化学的合成や低温合成等の手法を開発し、通常では合成が困難な物質の合成にもチャレンジしています。さらに、低次元量子スピン系物質におけるスピンが関与した新奇な熱輸送の研究も行っています。

１.…高温超伝導のメカニズムの解明をめざした高温超伝導物質および関連物質の物性の研究

２.…新しい高温超伝導物質（究極的には室温超伝導物質）の探索的研究３.…機能性材料の新しい合成法の開発と大型単結晶の育成法の開発４.…低次元量子スピン系物質におけるスピンによる巨大熱伝導の研究と電気絶縁性高熱伝導材料の開発

５.…キャリアを注入したスピン系物質における電子相転移の研究

http://www.apph.tohoku.ac.jp/low-temp-lab/

教　授　小池　洋二Prof.Y.…Koike,…Dr.

准教授　加藤　雅恒Associate…Prof.M.…Kato,…Dr.

助　教　野地　　尚Assistant…Prof.T.…Noji,…Dr.

助　教　川股　隆行Assistant…Prof.T.…Kawamata,…Dr.

ラザフォード・アップルトン研究所（イギリス）におけるミュオン・スピン緩和の実験。

Measurement… of…muon… spin… relaxation… at… the… Rutherford… Appleton…Laboratory（England）.…

浮遊帯域溶融法による高温超伝導物質の大型単結晶育成。

Growth… of… a… large-sized… single-crystal… of… a… high-temperature… superconductor…by… the… floating-zone…method.

低温・超伝導物理学分野■LOW…TEMPERATURE…PHYSICS…AND…SUPERCONDUCTIVITY…PHYSICS

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In…this… laboratory,…mechanisms…of…exotic…physical…phenomena（superconductivity,…magnetic…order,…charge…order,…and…so…on）due…to…a…lot…of…electrons…in…solids…have…experimentally…been…investigated,…aiming…at…developing…new…advanced-function…materials.… …Concretely…speaking,…in…order…to…elucidate…the…mechanism…of…high-temperature…superconductivity,…basic…physical…properties… such…as…electronic… transport…properties,…magnetism,… specific…heat…have…been…studied…on…high-temperature…superconductors…and…related…materials.… …Muon-spin-relaxation…measurements…and…others…have…also…been…performed…positively… in…collaboration…with…other…research…groups.……On…the…other…hand,…search…for…new…high-temperature…superconductors…has…been…carried…out…aiming…at…the…discovery…of…a…room-temperature…superconductor… in…the…end.……For…this…purpose,…new…synthetic…techniques…such…as…an…electrochemical…technique…and…a…low-temperature…synthesis… technique…have…been…developed.… …Moreover,…heat… transport…due…to…spins…in…low-dimensional…quantum…spin…systems…has…also…been…investigated.

１.…Investigation…of…physical…properties…of…high-temperature…superconductors…and…related…　……materials…for…the…elucidation…of…the…mechanism…of…high-temperature…superconductivity.２.…Search…for…new…high-temperature…superconductors（a…room-temperature…superconductor…　……in…the…end）.３.…Development…of…new…synthetic…techniques…and…growth…techniques…of…large-sized…　……single-crystals…for…advanced-function…materials.４.…Investigation…of…the…giant…thermal-conductivity…due…to…spins…in…low-dimensional…quantum…　……spin…systems…and…development…of…electrically…insulating…highly…thermal-conducting…materials.５.…Study…of…electronic…phase…transitions…in…carrier-doped…spin…systems.

超高純度雰囲気グローブボックス内での新物質合成。　

Synthesis…of…a…new…material…in…an…ultra-clean…gas-filled…glove-box.…

本分野で発見した超伝導転移温度Tc…=…45…K の超伝導体 Lix(C2H8N2)yFe1-zSe の結晶構造と磁化率の温度依存性。

Crystal…structure…of…the…new…superconductor…Lix(C2H8N2)yFe1-zSe…with…the…superconducting…transition…temperature…Tc…=…45…K…which…we…discovered,…and…its…temperature…dependence…of…magnetic…susceptibility.

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応用材料物理学講座APPLIED MATERIAL SCIENCE

本分野では、「機械」と「情報」というキーワードを核に、物理学を駆使して複雑な生命現象を紐解き、また、豊かな生命現象の奥に潜む新しい物理学を発見しようと挑戦している。さらに、生命現象や生体分子を応用した革新的なナノデバイスの開発を進めている。細胞中では、熱揺らぎが支配的な激しい微小環境にも関わらず、「分子機械」と呼ばれる多様なたんぱく質複合体がしなやかに動き様々な機能を実現している。分子機械の動作原理は、物理学としての面白さだけでなく、革新的なナノデバイス開発の指針となる可能性を持っている。たとえば、べん毛モーターは１秒間に200回転以上してバクテリアの高速遊泳を実現し、さらに、環境に応じて逆回転したりトルクを動的に調整できる超高性能ナノマシンである。一方で、生命は情報処理装置としての一面も持っている。細胞膜上のセンサーで環境を感知し、得た情報を内部で処理し、生存競争で有利になるよう活動している。また、自身の設計図を載せた遺伝情報を驚異的な正確さで複製し子孫へと伝えている。昨今、情報処理の物理学が急速に発展している。我々は、細胞の情報処理過程をそのような最先端の物理学を検証する場として期待し、研究を進めている。

１.…べん毛モーターの回転メカニズムの解明２.…バクテリアの走化性と情報処理の物理学３.…自律的なナノマシンの開発４.…非平衡統計力学の基礎に関する実験５.…遺伝情報の起源の解明

http://www.apph.tohoku.ac.jp/bio/

准教授　鳥谷部祥一Associate…Prof.S.…Toyabe,…Dr.

助　教　中村　修一Assistant…Prof.S.…Nakamura,…Dr.

（上）遊泳中のサルモネラ菌の暗視野顕微鏡像（下）キャピラリーを用いた走化性実験。誘引物質を含むキャピラリー付近にサルモネラ菌が集まる。

（Upper）Swimming…Salmonella…cells…observed…using…a…dark-field…microscope.…（Lower）Capillary…assay… to… investigate…chemotaxis.…Salmonella…cells…gather…near…the…capillary…containing…attractant.

べん毛モーターの回転観察と制御。【テザードセル法】べん毛１本をガラス表面に付着させ、細胞の回転を計測する。【回転電場法】高周波の交流電場を用いて高周波で回転する電場を作り、細胞に一定のトルクを印可し、１モーターのトルク特性を測定する。【レーザー暗視野顕微鏡】らせん形のべん毛繊維をレーザーで斜光照明し、回転に伴う輝点列の移動速度を解析する。

Observation…and…control…of… the… rotational…motion…of…a…single… flagella…motor.…【Tethered-cell…assay】A…single…flagellum…is…adhered…on…a…glass,…and…rotation…of…a…cell…body…is…measured.…【Electrorotation】…Controlled…external…torque… is…applied… to…a…cell…body…by…using…high-frequency… rotational…electric… field… for…measuring… the… torque…characterstics…of…a…single…flagellar…motor.…【Laser-dark-field…microscopy】One-sided…illumination…under…a…dark-field…microscope…allows…visualization…of…helical…filaments…as…a…series…of…bright…spots.…The…rotation…rate…of…flagellum…is…obtained…from…the…speeds…of…the…spots…moving…with…flagellar…rotation.

生物物理工学分野■BIOPHYSICAL…ENGINEERING

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In…this…field,…with…the…keywords…"machine"…and…"information"…at…the…core,…we…aim…to…explore…complex… life…phenomena…by…physics…and…discover…new…physics…behind…rich… life…phenomena.…Furthermore,…we…are…developing…innovative…nanodevices…based…on…biological…phenomena…and…biomolecules.…Diverse…molecular…machines…made…of…proteins…are…engaged…in…various…cellular…functions… in…a…nanometer…scale…where… thermal… fluctuations…are…dominant.…The…operating…principles…of…such…molecular…machines…are… intriguing…as…physics…and…also…have…the…possibility…of…being…a…promising…guide…that… leads…to… the…development…of… innovative…nanodevices.…For…instance,…a… flagellar…motor… is…an…ultra-high…performance…nanomachine…and…achieves…high…speed…swimming…of…bacteria…by…rotations…at…more…than…200…revolutions…per…second,…reverses…rotation,…and…adjusts… torque…dynamically…according… to… the…environment.…Life,…on…the…other…hand,…also…has…an…aspect…of…an…information…processing…device.…Cells…gather…information…about…the…environment…using…the…sensors…on…their…membrane,…process…the…information,…and…conduct…survival…activities.…Cells…copy…genetic…information…coding…its…own…design…with…amazing…precision…to…their…descendants.…The…physics…of…information…processing…has…been…developing…rapidly.…We…are…expecting…that…the…life…phenomena…provide…an…optimal…test…ground…of…such…state-of-the-art…physics.

１.…Elucidation…of…rotational…mechanism…of…bacterial…flagellar…motor２.…Physics…of…information…processing…and…tactic…behaviour…of…bacteria.３.…Development…of…autonomous…nano-sized…machines.４.…Experimental…test…of…nonequilibrium…statistical…mechanics５.…Research…on…the…origin…of…genetic…information

情報を仕事に変換する「マックスウェルの悪魔」の実現。

Experimental… realization…of…Maxwell’s…demon… that…converts…information…to…work…by…extracting…free…energy…from…thermal…fluctuations.

多様な機能的マイクロ粒子をレゴブロックのように組み合わせ、マイクロロボットを組み立てる。

Micron-sized…robot…by…assembling…various…functional…micro…particles.

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金属材料研究所INSTITUTE FORMATERIALS RESEARCH

本センターは、世界中で６ヶ所しかない30T 以上の強磁場を一定時間発生できる定常強磁場施設の一つです。センターでは、特に超伝導技術を駆使した強磁場マグネットの開発を行っています。最近では、世界唯一の28T 省エネ型無冷媒ハイブリットマグネットや、高温超伝導マグネットを内包した25T 無冷媒超伝導マグネットの開発に成功しました。他にも多くのマグネットが設置され、多くの研究者が世界中から実験に訪れます。研究室では、これらの強磁場環境を用いて、次世代超伝導材料の研究開発、強磁場発生技術開発、…強磁場物性実験、強磁場中での材料開発研究を推進しています。

Our… center… is…well… known… as… one…of… the… six… largest… steady… high… field…laboratories… in… the…world.… In…particular,…we… focus…on… the… superconducting…technology… on… development… of… high… field…magnets.… Recently,…we… have…succeeded… in…developments…of…a…unique…28T…cryogen-free…hybrid…magnet…and…a…25T…cryogen-free…superconducting…magnet…including…high-Tc…superconducting…insert.…Many…researchers…visit…us…for…various…kinds…of…researches…using…high…field…magnets…up…to…30…T.…Developments…of…high… field…superconducting…materials,…advanced…magnet… technology,… physics… in… high…magnetic… field,…material…processing…in…high…magnetic…field…and…so…on…are…performed…in…our…laboratory.

http://www.hflsm.imr.tohoku.ac.jp/

教　授　淡路　　智Prof.S.…Awaji,…Dr.

准教授　木村尚次郎Associate…Prof.…S.…Kimura,…Dr.

助　教　高橋　弘紀Assistant…Prof.K.…Takahashi,…Dr.

助　教　岡田　達典Assistant…Prof.T.…Okada,…Dr.

世界唯一の28T無冷媒ハイブリッドマグネットと極低温測定用希釈冷凍機

Unique… 28T… cryogen-free… hybrid…magnet…with… a…dilution…refrigerator.

25T 無冷媒超伝導マグネット。挿入写真はマグネットに用いられている超伝導線材の断面写真。

25T…cryogen-free…superconducting…magnet（25T-CSM）.…Pictures… in… the… figure…are… cross-sectional… views…of…superconducting…wires/tapes…for…25T-CSM.

附属強磁場超伝導材料研究センター■HIGH…FIELD…LABORATORY…FOR…SUPERCONDUCTING…MATERIALS

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金属材料研究所INSTITUTE FORMATERIALS RESEARCH

ユビキタス通信などの高度情報化社会を支えるエレクトロニクスの発展において、電子材料はキーとなっています。新しい電子材料の出現が、エレクトロニクスに革命的な発展をもたらします。本研究室では、デバイス開発を念頭におき、新しい電子材料の研究開発に取り組んでいます。現在取り上げている材料は、青色発光ダイオードで知られている窒化物半導体です。1987年の InGaAlNの提案以来、エピタキシャル成長法、混和領域の予測、結晶成長や物性の結晶極性との関わりなどの研究を行ってきました。InNの薄膜成長に成功し、そのバンドギャップ・エネルギEgが従来言われていた可視域ではなく赤外域にあることを明らかにしました。この研究は、窒化物半導体研究の世界でトレンドとなっております。この InNも含めて窒化物半導体のEgの温度変化が小さいことも明らかにしてきました。この特性を利用して、光ファイバ通信における高密度は超多重通信用光源において切望されている温度安定に優れた光源への適用の可能性を探っています。さらに、Egが大きいことを利用して、高周波・高出力・高耐圧のトランジスタの開発が進められています。本研究室では、窒化物半導体の結晶構造を活かして、結晶の極性を制御して有機金属気相成長（MOVPE）法によるエピタキシャル成長することによって、特性の優れたトランジスタの開発も進めています。この極性を活かし、塩化物を用いる気相成長（HVPE）法を用い、高出力・高耐圧のトランジスタに必須のGaN基板を作成する研究も行っております。

In…the…development…of…electronics…such…as… the…ubiquitous…communication… that…supports…the…highly-networked… information… society,… the…electronic…materials…become… the…key.…The…appearance…of…a…new…electronic…material…brings…revolutionary…development…to…the…electronics.…In… this… laboratory,…we… take…device…development… into…consideration…and…wrestle…with… the…research…and…development…of…new…electronic…materials.…The…materials…being…taken…up…now…are…nitride…semiconductors…known…for…the…blue…light…emitting…diode.…Since…our…proposal…of…InGaAlN…in…1987,…epitaxial…growth…method,…a…prediction…of… the…miscible…composition…areas,…and…the…relation…of…crystal…growth…and…properties…with…the…crystal…polarity…etc.…have…been…investigated.…We…succeeded…in…film…growth…of…InN…and…clarified…that…its…band-gap…energy…is…not…in…the…visible…region,…which…used…to…be…believed,…but…in…the…infrared…region.…This…becomes…a…trend…in…the…area…of…the…nitride…semiconductor…research.…We…push…forward…the…study…of…InN…and…investigate…the…possibility…of… the…application…to…the… light…source…with…excellent…stability…against… temperature…variation…desired…earnestly…for…the…optical…fiber…communication.…Recently,…the…development…of…transistors…with…high… frequency,…high…power,…and…high…breakdown…voltage…have…been…progressed.…By… controlling… the… crystalline…p o l a r i t y , … w e … h a v e … b e e n…developing… high… performance…transistors.…We… also… develop…the…growth…method…of…hydride…vapor…phase…epitaxy（HVPE）for…fabricating… free-standing…GaN…substrates.…

http://www.matsuoka-lab.imr.tohoku.ac.jp

教　授　松岡　隆志Prof.T.…Matsuoka,…Dr.

講　師　谷川　智之Lecturer.…T.…Tanikawa,…Dr.

助　教　花田　　貴Assistant…Prof.T.…Hanada,…Dr.

助　教　窪谷　茂幸Assistant…Prof.S.…Kuboya,…Dr.

窒化物半導体のバンドギャップ ･エネルギと格子定数

Band-gap…Energy…and…Lattice-constant…of…Nitride…Semiconductors

電子材料物性学部門■PHYSICS…OF…ELECTRONIC…MATERIALS

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多元物質科学研究所INSTITUTE OF MULTIDISCIPLINARY RESEARCH FOR ADVANCED MATERIALS

磁気ディスクをはじめとする磁気メモリは、不揮発、高密度、低コスト、高速などの特長を有し、急速に情報化が進む現代社会において益々その重要性を増しています。現在、それらのデバイスを構成する磁性体のサイズは10…nm程度に微細化され、表界面効果、量子効果、熱揺らぎなどナノサイズ特有の様々な現象が顕在化しつつあります。例えば、具体的な問題として、どのような原子配列がナノサイズ領域において安定なのか、サイズ効果によりバルクとは異なる物性が現れるのか、さらには外場や熱に対して静的・動的にどのように振舞うのか、等々があります。これら基本的な問題を解決することは、基礎的興味だけでなく将来のデバイス開発を進めていく上で非常に重要です。そうした背景を踏まえ、私達の研究グループでは、ナノサイズ粒子の結晶相安定性、単一ナノ粒子の物性・スピンダイナミクス、微細加工技術の改善、新規な高密度メモリー技術の提案、という研究課題に取り組んでいます。

Rapid…progress… in… information… society… has… aroused…much… attention… to…magnetic…memory…devices…because…of…their…nonvolatility,…high…data…density,…low…cost,…high-speed…accessibility.…With…reducing…their…constituent…grain…size…down…to…10…nm,…various…effects,…such…as…surface…and…quantum…size…effects…and…thermal…agitation…of…spins,…appear…and…hamper…further…advance…in…device…performance.…It…is…indispensable…to…elucidate…various…physical…properties…of…nanosized…magnets.…Under… this…circumstance,…our… intensive…effort… is… focused…on（1）size…effect…on…crystal…phase…of…magnets,（2）development…of…ultrahigh…sensitive…magnetic…detection… technique,（3）magnetization…dynamics… in…single…nanomagnets,（4）new…technology…for…ultrahigh…density…recording,…and（5）magnetization…reversal…process…in…permanent…magnets.…

http://nanomagnet.tagen.tohoku.ac.jp/

教　授　北上　　修Prof.O.…Kitakami,…Dr.

准教授　岡本　　聡Associate…Prof.S.…Okamoto,…Dr.

助　教　菊池　伸明Assistant…Prof.N.…Kikuchi,…Dr.

L10…FePt 粒子の長距離規則度の粒子サイズ依存性と1粒子からの回折パターン（挿入図）

Size…effect…on… the… long-range…order…parameter…of…L10…FePt…particles.…The…inset…shows…the…diffraction…from…one…FePt…particle（d…=…3.2…nm）

（a）L10…FeP（001）単結晶ドットと異常Hall 効果測定電極、（b）温度…T…=…10,…300…K における（a）の FePt 単一ドットの磁化曲線。

（a）Single…L10…FePt…dot…covered…with…cross-shaped…electrode…for…anomalous…Hall…effect…measurements,（b）…Hall…voltage…curves…at…T…=…10,…300…K…for…single…FePt…dot…in（a）

ナノスケール磁気デバイス分野■NANOSCALE…MAGNETISM…AND…DEVICES

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多元物質科学研究所INSTITUTE OF MULTIDISCIPLINARY RESEARCH FOR ADVANCED MATERIALS

SPring-8、SACLAは、高エネルギー光科学分野でのＸ線可視化技術に革新をもたらし、海外では、3GeVクラスの低エミッタンス放射光施設が次々と建設され軟Ⅹ線を利用した研究の国際競争が激化している。東北放射光計画「SLiT-J」（図1）は、この最先端に躍り出るための軟Ｘ線光源としてデザインされている。当研究分野は、これまで開発してきた、高性能軟Ｘ線顕微鏡や光学技術、マキシマムエントロピー法などの画像再構成の解析技術を基に、SLiT-J 計画が代表する光源性能を活用し、ナノ構造を可視化する科学を構築する。そして、原子や分子の化学状態、エネルギー状態、構造などの情報を可視化するナノ・インフォ・グラフィーという、可視化技術の新しいマスター概念を創成する事を目標とする。研究開発の応用は、生命科学から、物質・材料科学、デバイス科学まで広い分野にわたり、軽元素戦略など新産業創成などへの展開も期待されている。１.…東北放射光計画の立案および設計２.…軟Ｘ線光学素子の開発と応用３.…生物試料などの軽元素試料可視化技術の開発と応用４.…広視野・高分解能軟Ｘ線結像技術の開発と応用

Synchrotron…radiation（SR）light…sources…with…a…low…emittance…electron…beam…higher…than…6…GeV…such…as…SPring-8…and…SACLA…have…brought…an…innovation…in…visualization…technology…of…hard…X-ray…physics.…Recently…constructed…SR…light…sources…of…3…GeV…class…are…being…expected…to…bring…a…similar…innovation…in…soft…X-ray（SX）physics,…and…the…international…competition…of…scientific…research…using…the…SX…light… is… intensifying.…A…new…3…GeV…SR…facility…project,…“Synchrotron…Light… in…Tohoku,…Japan（SLiT-J）"（Fig.…1）is…aimed…at…a…progress…in…SX…imaging…to…investigate…the…nano-…and…bio-materials.Our…laboratory…has…been…striving…to…build…a…new…range…of…the…states…of…the…art…in…SX…optics.…Our…

latest…success… is…a…development…of… the…SX…microscope…with…diffraction-limited…resolution…of…30…nm.…The…obtained… full-field… images…of…a… living…tissue…and…next-generation… lithography…masks…are…demonstrating…great…potential…for…our…X-ray…visualization…technique…combined…with…SLiT-J.…Our…final…goal… is… to…create…a…master…concept,…Nano… info-graphy,… for…nano-visualization…of… three…elemental…information;…spatial…structure,…energy…state,…and…chemical…state,…and…to…achieve… innovation… in…the…science…and…technology…as…well…as…industry.１.…Plan…and…Design…of…SLiT-J…project.２.…Development…of…soft…X-ray…optical…elements.３.…Development…of…visualization…techniques…in…bio-materials.４.…Development…of…advanced…SX…imaging…technology.

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/modules/laboratory/index.php?laboid=43

教　授　高田　昌樹Prof.M.…Takata,…Dr.

准教授　江島　丈雄Associate…Prof.T.…Ejima,…Dr.

助　教　羽多野　忠Assistant…Prof.T.…Hatano,…Dr.

助　教　豊田　光紀Assistant…Prof.M.…Toyoda,…Dr.

東北放射光計画における3GeV…高輝度放射光光源リングDesign…of…3…GeV…class…Synchrotron…light…source…in…SLiT-J…project.

東北放射光計画における３GeV電子蓄積リングの設計パラメータと概略。放射光は光速に近い電子の軌道が磁石によって曲げられるときに発生しリングの接線方向に光が進む。そのため放射光を利用するビームラインは接線方向に配置される。Designed…parameters…of…3…GeV…electron…storage…ring…in…SLiT-J…project.…SR…light… is…generated…when…an…electron…beam…with…the…light…speed…is…bent…by…the…magnet,…and…the…generated…light…travels…in…the…tangential…direction…of… the…electron…orbit.…Therefore,…beamlines…utilizing…SR…are…arranged…tangentially…in…the…storage…ring.

放射光ナノ構造可視化研究分野■SYNCHROTRON…RADIATION…SOFT…X-RAY…MICROSCOPY

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多元物質科学研究所INSTITUTE OF MULTIDISCIPLINARY RESEARCH FOR ADVANCED MATERIALS

物質の中ではいろいろな種類の電子が様々に運動しており、それが物質の性質を決めている。本研究室は、高速電子線を励起源とするコンプトン散乱を用いて物質内電子の運動を可視化する新しい分光計測法等を開発することにより、反応性や機能性の起源に直接的に迫ることを目的として、下記の研究を主として進めている。

１.…複合的時間分解電子散乱分光の開発による化学反応中途の電子と原子核の運動のスナップショット撮影

２.…電子運動量分光による分子軌道の運動量空間イメージング３.…多次元同時計測法の開発による電子・分子衝突立体ダイナミクス

Properties…of…matter,… such…as… reactivity…and… functionality,…are…determined…by…the…motion…of…electrons…bound… in…matter.…For…this…reason…we…develop…and…employ…new…spectroscopic…methods…using…high-energy…electron…scattering… in…order…to…visualize…the…electron…motion… in…stable…species…and…more… importantly…the…change…of…electron…motion… in…transient…species,…which… is… the…driving… force…behind…any…chemical…reactions.　The…project…involves:

１.…Development…of…a…real-time…spectroscopic…complex…for…visualizing…　……electron…and…nuclear…motions…during…chemical…reaction.２.…Molecular…orbital…imaging…by…electron…momentum…spectroscopy３.…Development…of…multidimensional…coincidence…techniques…for…　……studies…of…stereo-dynamics…in…electron-molecule…collisions

http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/takahashi-m/

教　授　髙橋　正彦Prof.M.…Takahashi,…Dr

准教授　渡邉　　昇Assoc.…Prof.N.…Watanabe,…Dr.

助　教　山﨑　優一Assist.…Prof.M.…Yamazaki,…Dr.

時間分解電子運動量分光装置の模式図

A…schematic…of…a…time-resolved…electron-momentum-spectroscopy…（TREMS）apparatus.

アセトン分子の三体光解離反応における分子軌道の実時間撮影の例

An … examp le … o f … TREMS … da t a … measu r ed … f o r … t he…photodissociation…dynamics…of…acetone.

量子電子科学研究分野■QUANTUM…ELECTRON…SCIENCE

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多元物質科学研究所INSTITUTE OF MULTIDISCIPLINARY RESEARCH FOR ADVANCED MATERIALS

光と励起子の物理機能を融合する半導体光・電子デバイスの研究を行っています。研究対象には、波長200nm…台の深紫外線から近赤外線まで広い波長範囲に対応する禁制帯幅を持つAlN，GaN，InN…等のⅢ族窒化物半導体やZnO，MgO…等のⅡ族酸化物半導体などの環境に優しい半導体を取り上げ、有機金属化学気相エピタキシー法、分子線エピタキシー法に加え、当分野独自のヘリコン波励起プラズマスパッタエピタキシー法により、原子層レベルで平坦な表面・界面を持つ超薄膜や量子構造を形成します。また、フェムト秒パルス集束電子線励起による時間・空間同時分解分光計測を行い、微細領域における励起子効果・量子効果（キャリアダイナミクスや点欠陥との相関など）の物理に迫り、それらの構造を用いた光・電子デバイス（紫外線・純青・純緑色半導体レーザーや光と励起子の連成波デバイス、電界効果トランジスタ等）の形成を行います。

We…work… on… the… design… and… fabrication… of… compound-semiconductor…optoelectronic… devices…merging… the… functions… of… the… light… and… excitons.…Atomically…smooth…ultrathin… films…and…quantum…structures…of（Al,In,Ga）N…and…（Mg,Zn）O…planet-conscious…semiconductors…are…fabricated…using…metalorganic…vapor-phase… epitaxy,…molecular-beam…epitaxy,… and… the… unique… helicon-wave-excited-plasma…sputtering…epitaxy…methods.…Ultrafast… recombination…dynamics…of…excited…particles…in…nanostructures…are…studied…using…time-resolved…spectroscopy…using…a…femtosecond…laser,…and…various…local…carrier…dynamics…are…probed…by…a… focused…pulsed…photoelectron…beam…using… the… in-house…spatio-time-resolved…cathodoluminescence…system.

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/labo/chichibu/index-j.html

教　授　秩父　重英Prof.S.…Chichibu,…Dr.

准教授　小島　一信Associate…Prof.K.…Kojima,…Dr.

量子井戸半導体レーザポンチ絵と、フェムト秒パルス光電子銃を用いた時間・空間同時分解分光計測の概念図

Schematic…drawings…of…a…quantum-well… semiconductor…laser… diode… and… the… concept…of… spatio-time-resolved…cathodoluminescence…spectroscopy…using…a… femtosecond…focused…photoelectron…beam

量子光エレクトロニクス研究分野■QUANTUM…OPTOELECRONICS

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原子分子材料科学高等研究機構デバイス・システムグループADVANCED INSTITUTEFOR MATERIALS RESEARCH

物質を構成する電子は「電荷」と「スピン」という二つの性質を持っています。「エレクトロニクス（電子工学）」が電荷を利用するのに対し、「スピントロニクス（スピン工学）」は「スピン」を利用することで新しい技術を創成する工学であると同時に、「スピン」の関わる現象を探求する科学でもあります。当研究室では、スピン・光・電子が密接にかかわる交差相関現象と新材料の基礎研究を行うと同時に、人工知能やノ―マリーオフコンピュータに用いられる論理・記憶デバイス、また、未開拓の電波資源であるテラヘルツ波帯の技術・デバイスの創成を目指した応用研究を行っています。◦フェムト秒（10-15秒）パルス光を用いた超高速スピン動力学とテラヘルツ波輻射素子の研究◦パルス光を用いた磁気スピン波の制御と論理デバイスへの応用◦マンガン系新材料を用いた磁気トンネル接合の十ギガビット級メモリへの応用◦磁気抵抗素子を用いたテラヘルツ波デバイスの研究

Electrons…have… two…different…properties,…Charge…and…Spin.…Charge…plays…a…central… role… in…Electronics.…On…the…other…hand,…Spintronics… is…a… research… field…to…create…new…Spin-based… technology…and… to…explore…Spin-related…physical…phenomena.…In…this…laboratory,…we…research…on…the…cross-correlated…phenomena…among…Charge,…Photon,…and…Spin…in…spintronic…materials.…Furthermore,…we…study…on… the… logic/memory…devices… for…Normally-off-computer…and… future…artificial…intelligence（AI）and…also…explore…the…terahertz（THz）devices/technology…based…on…spintronics.◦ Ultrafast…spin…dynamics…and…THz-wave…emitter…using…fs（10-15…sec）light…pulse◦Optical…manipulation…of…magnetic…spin-wave…for…spintronic…logic…application◦ New…Mn-based…materials…and…magnetic…tunnel…junctions…for…ten…gigabit…class…………non-volatile…memory◦ New…spintronic…materials-based…magneto-resistive…devices…for…THz-wave…………applications

http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/mizukami_lab/

教　授　水上　成美Prof.S.…Mizukami,…Dr.

助　教　鈴木　和也Assistant…Prof.K.…Suzuki,…Dr.

（a）超高真空複合スパッタリング装置と作製されたマンガン系ナノ薄膜の原子像（b）フェムト秒超短パルスレーザー装置とパルスレーザーを用いた時空間分解磁気光学カー顕微鏡の模式図。

（a）Photograph…of… the…ultrahigh…vacuum…sputtering…system…and…the…atomic… imaging…of… the…Mn-based…nano-layer.（b）Photograph…of… the… femto-second…ultra-short…pulse… laser…system…and…a…cartoon…of… the…space-and-time…resolved…all-optical…magneto-optical…microscope…for…magnetic…spin-waves.

スピントロニクス材料研究分野■SPINTRONICS…MATERIALS…RESEARCH

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全学教育科目語学、数学、物理、情報…

工学基礎科目応用数学、量子力学、電磁気学、統計力学、情報処理演習…

専門基礎科目物性物理原論、応用物理計測学、コンピュータ

シミュレーション科学、結晶解析学、応用物理学実験…

専門科目物性材料学、光物性工学、低温物理工学、生体分子機械、セミナー、卒業研修…

応用物理学コースの講義は､ 物理の基礎から実際の工学への応用に至る幅広い領域にわたっています｡ しかも､ それらの内容が体系的に理解されるように､ 整然と積み上げられていることが特徴です｡ 応用物理学コースの学生は１年生から４年生の間に（1）全学教育科目、（2）工学基礎科目、（3）専門基礎科目、（4）専門科目を順次受講します｡

（2）､（3）の多くの科目には講義に加えて演習の時間が設けられており､ これらの科目の実質的な修得がなされるように配慮されています｡ 応用物理学コースの特徴的講義科目である ｢量子力学｣､ ｢統計力学｣､ ｢物性物理原論｣ では､ 固体物理学の基礎となる量子力学と統計力学に加えて､ 機能性材料の基盤となる金属､ 半導体および絶縁体の基本的な物性についての講義と演習が､ また ｢コンピュータシミュレーション科学｣では計算物理学の基礎についての講義と実習が行われます｡

応用物理学コースの講義のもう一つの大きな特徴は､ ｢卒業研修｣ に大きな重点を置いていることです｡ 学生は４年より応用物理学専攻の各研究室に所属し､ 指導教員のもとで一線の研究活動に携わります｡ そこでは､ それまでに修得した知識を実際の研究の場でどのように応用するかが問われます｡ そして､それらの研究活動を通して、自ら考え､ 自らの手で物を造り､ あるいは､ 未知の現象に相対した場合に､ その本質を明らかにしていく研究の姿勢を学びます｡ また､ ４年生の最後にはその研究成果をまとめて､ ｢卒業研修｣として教員と学生の前で発表します｡

このように応用物理学コースでは､ 基礎物理科目の十分な理解の上に立って､ 応用物理科目の講義がなされることが特徴です｡ そして､ それらが実際の研究の場で活かされ､ 検証され､ 身につけられるように工夫されています｡

カリキュラム学…部CURRICULUM

UNDERGRADUATE

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大学院博士課程前期 ･後期課程では､ 応用物理学専攻教員の専門分野の先端的研究に基づいたさまざまな講義やセミナーを受けながら､ 各人が具体的テーマを持って研究活動に没頭する日々が続きます｡ そして､ 現代物理学に基礎をおく幅広い物理現象の理解と､ それを実用に生かす工学の知識を身に付け､ 将来各界でリーダーシップをとれる技術者 ･研究者に成長することを目指しています｡

カリキュラム大学院

CURRICULUMGRADUATE SCHOOL

統計物理学（Statistical…Physics）固体物性基礎論（Elementary…Solid…State…Physics）構造物性学（Structural…Physics…of…Materials）低温 ･ 超伝導物理学（Low…Temperature…Physics…and…Superconductivity…Physics）磁性物理学（Physics…of…Magnetism）光物理工学（Optical…Physics…and…Photonic…Materials）半導体工学（Introduction…to…Semiconductor…Device…Physics…and…Technology）生物物理工学（Biophysics…and…Bioengineering）応用物理工学原論（Advanced…Course…in…Applied…Engineering）

専門基盤科目（Core Course）

専門科目（Selected Topics）強相関系物理学（Physics…of…Strongly-correlated…Systems）量子物理学（Quantum…Physics）磁性材料物理学（Physics…of…Magnetic…Materials）低温磁性物理学（Physics…of…Low…Temperature…and…Magnetism）応用材料物理学（Applied…Materials…Science）強磁場超伝導材料学（High…Field…Superconducting…Materials）電子材料物性学（Science…and…Technology…of…Electronic…Materials）応用磁気物性学（Introduction…to…Advanced…Magnetics）半導体光物性学（Semiconductor…Optoelectronics）放射光ナノ構造可視化学（Synchrotron…Radiation…Soft…X-ray…Microscopy）放射光科学（Synchrotron…Radiation…Science）原子分子光物理学（Atomic,…Molecular…and…Optical…Physics）工学と生命の倫理（Ethics…of…Engineering…and…Life）修士研修（Thesis…Research）博士研修（Thesis…Research）…

2929

シャープ（6）、三菱電機（5）、東芝（4）、アンリツ電気（2）、NEC（2）、沖データ（2）、コニカミノルタ（2）、サンディスク（2）、セイコーエプソン（2）、東京エレクトロン（2）、日立製作所（2）、富士通（2）、アズビル、アルプス電気、ウシオ電機、キヤノン、ジェイデバイス、新コスモス電機、新電元工業、チノー、東京エレクトロン宮城、日放電子、日本 TI、日本マイクロニクス、日立アプライアンス、富士電機、横河電機

古河電気工業（5）、旭化成（3）、住友電気工業（3）、千住金属（3）、ニコン（3）、フジクラ（3）、山形スリーエム（3）、JFE スチール（2）、TDK（2）、日本ガイシ（2）、日立金属（2）、ブリヂストン（2）、NECトーキン、岡本硝子、花王、キヤノンアイテック、JXエンジニアリング、昭和電工、新日鐵住金、セントラル硝子、大日本印刷、東海理化、東レ、DOWAホールディングス、凸版印刷、日陽エンジニアリング、日本精機、日本電気硝子、ニプロ、パイオラックス、富士フィルム、三井金属、ミツミ電機、横浜ゴム、リコー

トヨタ自動車（7）、スズキ（2）、三菱重工（2）、アンリツ産機システム、高松機械工業、デンソー、トプコン、日本モレックス、熱源設備、日立工機、日立造船、不二越、三菱自動車、三菱電機特機システム、ヤマハ発動機、ユニプレス

アイヴィス（2）、日本ウィルテックソリューション（2）、アイ・エヌ・ジー、NTTドコモ、カナエ、東杜シーテック、BookLive

アルプス技研（2）、JR東日本（2）、北陸電力（2）、青木環境事業、ウィットスタジオ、タイムズサービス、東陽テクニカ、ナガセ、日本製粉、ボストンコンサルティング、三井物産、メイテック、リクルートスタッフィング、りそな銀行

東北大（17）、産業技術総合研究所（3）、仙台市役所（2）、気象庁、都庁、日本原子力研究開発機構、日本年金機構、東日本高速道路、物質・材料研究機構、宮城高専

卒業後の進…路CAREER

PROSPECTS■過去6年間（卒業・修了生213人）平成23 ～ 28年

電気・電子関連（48人）

材料・化学関連（56人）

機械関連（24人）

情報・通信ソフトサービス関連（9人）

そ　の　他（17人）

大学教員・官公庁（29人）

30

キャンパスライフ

CAMPUS LIFE

合宿（Get-together）

テニス大会（Tennis…match）

駅伝（Ekiden）

ソフトボール大会（Softball…game）

運動会（Athletic…meet）

打ち上げパーティ（Party）

ソフトボール大会（Softballソフトボール大会（Softballソフトボール大会（Softballソフトボール大会（Softballソフトボール大会（Softballソフトボール大会（Softballソフトボール大会（Softballソフトボール大会（Softball game）game）game）

3131

CAMPUSLOCATION

Department of Applied Physics, Graduate School of Engineering, Tohoku University6-6-05, Aoba, Aramaki, Aoba-ku, Sendai 980-8579

Electric Information Systems and Applied Physics OfficeTel +81-22-795-7980 E-mail : kyomu@ecei.tohoku.ac.jp http://www.apph.tohoku.ac.jp

Entrance examinations for the master and doctor programs are given in February and August forthe entrance in October and April. Please contact the office for further information:

Undergraduate…Admission…Section……Tel…:…+81-22-795-3188……E-mail…:…eng-nyus@grp.tohoku.ac.jpGraduate…Academic…Affairs…Section……Tel…:…+81-22-795-5820……E-mail…:…eng-in@grp.tohoku.ac.jp

五橋

N

From Sendai StationTake the Subway Tozai Linefor Yagiyama Zoo.Get off at Aobayama.

Aobayama

Kawauchi

Subway Tozai LineInternationalCenter

OmachiNishi-koen

Aoba-doriIchibancho

Miyagino-dori

Sendai

Sendai

JRSendai Sta.

KatahiraCampus

Zuihoden

Aoba Castle

City MuseumInternational Center

KawauchiCampus

Seiryo Campus

Aobayama Campus, North

Aobayama Campus,New

Aobayama Campus,East

Aobayama Campus,East

School ofEngineeringSchool ofEngineering

Hirose-dori

Kotodai-koen

Kita-Yobancho

Subway Namboku Line

Kunimi

Art Museum

To Yagiyama Zoo

BOOOK

to Aoba castle

1

st

road

2

nd

road

to city

Center hall, Restaurant

1st (main) building

2nd building2nd building

Kogakubu-nishiKogakubu-nishi

Aobayama-ekiAobayama-eki Kogakubu-chuoKogakubu-chuo

City bus stop

AobayamaShokubutsuen-nishiAobayamaShokubutsuen-nishi

ground

to

Miyagi Univ.

of Education

Department of Applied Physics

Subway Tozai Line, Aobayama Station