最先端の物理学
物質物理学
空孔を含む三次元結晶格子を観察し、線形弾性応答を測定して、微視構造と力学的性質を結び付けます。ひずみと相対弾性率を変えて、比例則 を確かめます。
器具
- ドラッグまたは矢印キーで回転できる三次元結晶格子キャンバス
- 格子定数と欠陥位置のスライダー
- 仮想引張試験：ひずみ ε と相対弾性率 E のスライダー
- 応力–ひずみグラフと σ≈Eε の読み出し
手順
格子を回転し格子定数を変える
セクション1のキャンバスをドラッグして3×3×3の格子を回転し、「格子定数」スライダーでノード間隔を変え、原子密度の変化を観察します。スライダー横の値を読みます。
空孔を格子に配置する
「欠陥位置」スライダーを0–26で動かし、欠けるノードを選びます。点線の円が空孔を示します。空孔ひとつで完全な並進対称性が崩れる点に注目します。これが実材料での電子やフォノンの欠陥散乱の基礎です。
線形弾性応答を測定する
セクション2で「相対弾性率 E」スライダーを固定し、「ひずみ ε」を数段階に上げて、グラフ下の読み出しで相対応力を読みます。直線上の点が を満たすか、ε に E を掛けて σ の読みと比べます。
弾性率を変えて結論を出す
ε を固定し、E を二つの値で切り替えて σ–ε 直線の傾きと読み値を観察します。結論：同じひずみでは、より硬い材料（大きな E）ほど により大きな応力を受けます。このモデルは線形弾性領域でのみ成り立ち、実材料はセクション1で見た欠陥や微細構造にも依存します。
シミュレーション
実験の歴史
1807年トーマス・ヤングは、線形領域で応力とひずみを結ぶ弾性率を導入し、比例則 の基礎を築きました。19世紀半ばにはオーギュスト・ブラヴェが三次元の14種の結晶格子を分類し、結晶対称性を幾何で記述しました。
1912年マックス・フォン・ラウエが結晶によるX線回折を示し、ウィリアム・ヘンリー・ブラッグと息子ローレンス・ブラッグはこれを原子構造の測定法に変え、1915年にノーベル賞を受賞しました。以後、物質物理学は定量分野となり、回折で構造を測り、力学・熱・電気試験で応答を測り、バンド理論や格子振動などの微視モデルで両者を結びました。