物性物理学では、巨視的な自由度からなる系の性質を微視的な原理から理解する ことを目的にしている。
微視的な原理というのは、量子力学、統計力学を中心と して、電磁気学、光学、古典力学などを物質間の基礎的な相互作用を支配する物 理法則である。
相対性理論は素粒子や宇宙を記述するときよく現れるが、固体の 電子構造や物性に電子を取り扱う場合にも重要な役割をする。
多くの自由度が織りなす協力現象は、様々な対称性の変化を伴う相転移はじめ自然を理解する上で極めて重要である。
巨視的な物理系を扱う物性物理学の対象は、固体に限らず、超流体という量子液体も含む液体や、最近ではレーザー冷却された原子におけるボース・アインシュタイン凝縮も守備範囲になるなど、扱う領域は広い。
実際、Powers of Tenという本(P. Morrison, Scientific American Books) を見ると、この世界を、超銀河団から始まり、どんどん十倍づつ拡大して見てゆき、 クォークに至る非常にスケールが異なる現象を紹介しているが、その中核をなす十数ページを舞台としているのが物性物理学である。

最近の物性物理学の目標は、新しいタイプの物性現象の発見、予言、解明である。
そこ では、既存や新合成された物質の性質を説明するだけでなく、このようにすれば 新物性が出るのでないかといった積極的な提案もされ「物質設計」と呼ばれている。
また、複雑な集団運動を記述する非線形方程式の解明や、量子力学の特徴 を活かしたミクロな量子ダイナミックスについても研究が進められている。

本物理学教室の物性理論分野には、

• 有田研究室
• 常行研究室
• 藤堂研究室
• 桂研究室
• 樺島研究室
• 辻研究室
• 蘆田研究室

という7研究室があり、上で述べた物性物理学の様々な分野をカバーして精力的な研究が行われている。
その特徴は、 (a) 非常に基本的な物性基礎論から、現実の物質に即した物質科学に亘る幅広いスペクトルをもった理論グループであること、 (b) 多くの科学研究費や21世紀COEなどを通じて、理論家と実験家が密接に交流していることであろう。
以下に、研究内容を簡単に紹介する。

【常行研究室】

原子論・電子論にもとづくコンピュータシミュレーション手法、 分子動力学法や第一原理電子状態計算を使って、できる限り具体的な物質の物性を探ることにより、 物性物理学の新たな展開を目指している。とくに固体表面や超高圧下など，実験だけでは十分な情報が得られない極限条件での物質の振る舞いを明らかにすること，またそのための新しいシミュレーション手法開発が，常行研究室の主要なテーマである。

(1) 表面科学
半導体や金属表面への分子吸着，表面化学反応，触媒反応，これらは応用にも直結する重要な現象であるが，現在の実験観測手法では空間分解能，時間分解能の両面で情報不足である。そこで実験結果に依存しない非経験的な計算機シミュレーション（第一原理計算）を使って，表面吸着分子の安定構造，その電子状態，化学反応経路の理論探査などを行っている。

複数の分子間でプロトンを「リレー」しながらシリコン表面に水分子が
解離吸着（H2O+2Si→H-Si + HO-Si）する様子。（始状態と終状態）

Si表面に吸着したシクロヘキサジエンの構造（理論予測）

(2) 高圧物性
固体水素の構造相転移と金属化，YH3（金属水素化物）の絶縁体金属転移など，実物実験が困難だったり，たとえ出来たとしても情報量の極めて少ない超高圧下で，物質がどのような結晶構造をとるか，またどのような電子相転移があり得るかを，第一原理計算や拡張アンサンブル法を使って探っている。

固体水素の相図と経路積分法（第一原理）で見た分子性固体水素の構造。

(3) 水素を含む固体
実験的観測が困難な固体中の水素原子分布や電子状態を，第一原理的手法（第一原理分子動力学法，経路積分法）を用いて調べている。とくに原子核が軽いことによる量子効果に着目した研究を行い，量子効果がむしろ原子の局在化をもたらす可能性（量子局在化現象）を指摘している。

(4) 新しい電子状態計算手法の開発
オーソドックスな密度汎関数理論に基づく第一原理電子状態計算手法の開発に加え，波動関数理論の立場で電子相関を取り入れた固体の電子状態計算を行う新しい手法「トランスコリレイティッド法」や，拡張アンサンブルを用いた構造探査法の開発を行っている。

トランスコリレイティッド（TC)法により計算された様々な半導体の
バンドギャップとその実測値。同じ波動関数理論である
ハートリーフォック（HF）法から大幅な改善が見られる。