上智大学 理工学部 機能創造理工学科 教員紹介｜黒江晴彦准教授の固体物理学・多重極限環境の研究

こんにちは！KOSSUN教育ラボ教務担当（上智大学推薦入試サポート）です。

今回のテーマは、

「上智大学 理工学部 機能創造理工学科の黒江晴彦准教授と、極限環境から物質の性質を探る研究」です。

「物質を極端に冷やしたら、どんな変化が起こるのだろう？」「非常に大きな圧力や強い磁場を加えたら、普段とは違う性質が現れるのだろうか？」。黒江准教授が専門とする固体物理学では、このような身近な環境では確かめにくい条件を実験室につくり出し、物質の性質を探究します。高校で学ぶ物理が、大学ではどのような研究につながっていくのかという視点から見ていきましょう。

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黒江晴彦准教授の専門は固体物理学

上智大学の公式情報によると、黒江晴彦准教授は上智大学 理工学部 機能創造理工学科に所属し、量子スピン系や強相関系の実験的研究を専門としています。上智大学理工学部物理学科を卒業後、上智大学大学院理工学研究科の博士前期・後期課程を修了し、博士（理学）を取得されています。

固体物理学とは、金属や半導体、磁性体などの固体がなぜ特定の性質を示すのかを、電子や原子などの振る舞いから考える物理学の分野です。

私たちは日常生活の中で、「この物質は電気を通す」「この材料は磁石につく」といった性質を当たり前のように利用しています。しかし、「なぜ電気を通すのか」「温度や圧力を変えたら性質はどう変わるのか」と問い直すと、その背後には量子力学に関わる複雑な世界が広がっています。

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マイナス270度、10万気圧という「多重極限環境」

黒江准教授の研究を理解するうえで重要なキーワードが「多重極限環境」です。

上智大学の教員紹介では、マイナス270度という低温、10万気圧という高圧、さらに非常に強い磁場など、私たちの日常から大きく離れた条件のもとで物質の性質を調べる研究が紹介されています。

なぜ、そこまで極端な環境をつくるのでしょうか。

物質は温度や圧力、磁場などの条件によって性質を変えることがあります。普段の環境では隠れている物質の特徴が、温度を下げたり圧力を高めたりすることで初めて明確になる場合もあります。複数の条件を組み合わせながら変化を観測することで、「物質の性質を決めているものは何なのか」という根本的な問いに迫ることができるのです。

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量子スピン系とは何だろう？

黒江准教授の研究分野として公式サイトに掲載されている「量子スピン系」も、高校生には少し難しく感じる言葉かもしれません。

電子には「スピン」と呼ばれる量子力学的な性質があります。簡単にいえば、物質の磁気的な性質を理解するうえで重要な要素の一つです。多数のスピンが互いに影響し合うと、一つの電子だけを見ていては説明できない集団的な現象が現れることがあります。

高校物理で磁場や磁気について学んだときには、公式を使って磁場の大きさなどを計算することが中心だったかもしれません。大学ではさらにミクロな世界へ進み、「そもそも物質の磁気的な性質はどこから生まれるのか」といった問いを量子力学を使って考えていきます。

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光を使って物質内部の変化を調べる

黒江准教授は、光散乱を利用した物性研究にも取り組んできました。上智大学の教育研究情報では、強磁場下で光散乱測定を行うシステムの開発や、物質の光散乱測定などの研究実績が確認できます。

物質に光を当てると、その光の一部は散乱します。散乱した光を詳しく調べることで、物質内部の状態について情報を得ることができます。

これは、単に「物質に光を当てて観察する」ということではありません。どのような条件をつくり、何を測定し、そのデータからどのような物理現象が起きていると考えられるのか。実験、測定、データ解析、理論との比較を重ねながら研究を進めていきます。

高校の物理実験で予想と違う結果が出た経験がある人もいるでしょう。そのときに「実験が失敗した」で終わらせず、測定方法なのか、条件設定なのか、それとも予想そのものを見直す必要があるのかを考える姿勢は、大学の実験研究にもつながっています。

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高校の物理から大学の物性研究へ

上智大学 理工学部 機能創造理工学科では、物理学や数学などの理学と、材料、デバイス、電子機器、エネルギー、機械システムなどの工学を融合的に学ぶことが示されています。現在のカリキュラムでは、物理学・機械工学・電気電子工学を軸に専門性を深める仕組みも設けられています。

黒江准教授の研究は、その中でも物理学の基礎的な問いを実験から追究する研究の一つです。

高校で学ぶ力学、波、電気、磁気、熱といった内容は、それぞれ独立した単元のように見えるかもしれません。しかし大学では、それらの知識に数学や量子力学などを加えながら、実際の物質で起きる複雑な現象を説明するために使っていきます。

そのため、「物理の計算が得意だから向いている」と単純に考える必要はありません。「なぜこの現象が起こるのだろう」「条件を変えたら結果はどうなるのだろう」と疑問を持ち、仮説を立てて確かめようとすることも、物理学を学ぶ大切な入り口です。

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身近な疑問を研究への問いに変えてみる

高校生の段階で、量子スピン系や強相関系について詳しく理解している必要はありません。まずは、自分が授業や日常生活で感じた疑問から考えてみましょう。

たとえば、「なぜ物質によって磁石につくものとつかないものがあるのか」「温度を下げ続けると物質はどうなるのか」「圧力を加えるだけで物質の性質が変わるのはなぜか」といった疑問も出発点になります。

そこから本や大学の研究紹介などを調べると、高校で学んでいる内容と大学の研究との間に思いがけないつながりが見えてくることがあります。

科学部や大規模な研究活動を経験しているかどうかだけが重要なのではありません。授業や実験で気になったことについて、自分なりに調べ、さらに新しい疑問を持つ。その繰り返しによって、自分が大学で学びたいことも少しずつ具体的になっていきます。

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推薦入試に向けて教員の研究をどう調べる？

上智大学 理工学部 機能創造理工学科の推薦入試を考えている人にとって、教員の研究を調べることは、学科で何を学べるのかを具体的に理解する方法の一つです。

ただし、「黒江先生の研究に興味があります」だけで終わらせるのではなく、なぜ興味を持ったのかを考えてみてください。

「高校物理で磁気について学んだことをきっかけに、物質の磁性がどのように生まれるのかに興味を持った」「低温や高圧という条件によって物質の性質が変化することを知り、その仕組みをさらに学びたいと思った」など、自分自身の経験や疑問と大学の研究をつなげていくことができます。

研究テーマを高校生の段階で完全に決める必要はありません。むしろ、「何に疑問を感じているのか」「調べた結果、次に何を知りたくなったのか」を整理していくことで、出願書類や面接で問われる志望理由についても、自分の言葉で考えやすくなります。

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黒江准教授の研究から物理学の広がりを知ろう

黒江晴彦准教授の研究を見ると、高校で学ぶ物理の先には、私たちが普段経験できない環境を実験室につくり、物質の未知の性質を探る世界が広がっていることが分かります。

「極端に温度を下げたら何が起こる？」「圧力を高くすると、なぜ物質の性質が変わる？」「電子の小さな世界と、目に見える物質の性質はどうつながっている？」。こうした疑問の中に、自分の興味を深めるヒントがあるかもしれません。

上智大学 理工学部 機能創造理工学科を目指している人は、学科名や入試情報だけを見るのではなく、ぜひ教員の研究にも目を向けてみてください。高校で学んでいる数学や物理が、大学ではどんな問いにつながるのかを考えると、学科で学びたいことがより具体的に見えてくるはずです。

もし一人で整理するのが難しいと感じたら、KOSSUN教育ラボの無料個別相談も活用してみてください。

※本記事は、記事作成時点で上智大学公式サイト等に掲載されている情報を確認したうえで作成しています。入試制度、出願資格、試験内容、日程、カリキュラム、教員の所属・研究分野などは変更される場合があります。受験を検討している方は、必ず上智大学公式サイトおよび対象年度の最新の入学試験要項をご自身で確認してください。

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※この記事は専門家による監修のもと執筆されています。