研 究 会 ・学 会 スケジュール
ムーンシャインと K3 曲面

Moonshine and K3 surfaces（月）～ 11日（金）
開 催 日 ： 2016年 11月 7日
開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館坂田・平田ホール
主催 ：日本学術振興会科学研究費補助金 基盤（S）15H05738（金銅誠之）
問い合わせ ： 金銅誠之 多元数理科学研究科 教授
kondo@math.nagoya-u.ac.jp ／ 052 - 789- 2815
http: //www.math.nagoya-u.ac.jp/ja/research/conference/2016/
moonshine-k3.html

第23回日本時間生物学会学術大会

Japanese Society for Chronobiology International Symposium（JSC国際シンポジウム）（金）～ 13日（日）
開 催 日 ： 2016年 11月 11日
開 催 場 所 ： 名古屋大学豊田講堂、シンポジオン
主催 ：日本時間生物学会
問い合わせ ： 吉村 崇 トランスフォーマティブ生命分子研究所
takashiy@agr.nagoya-u.ac.jp ／ 052- 789 - 4056の会場に並ぶ夜店の前で、5歳になる息子が “買って買って攻撃” を繰り出してきた。もちろん却下ではあるが、近所の百円均一ショップであらかじめ買っておいた
プラスチックチューブをリュックの中からおもむろに取り出し、不満そうに私の顔を見ている息子に渡した。
「折り曲げてごらん」。息子がバキバキとチューブを折り曲げると、蛍光色がチューブ全体にゆっくりと広がって色の光でぼんやりと照らされ、化学に携わる親にとっては格別の情景になる。光には子供から大人まで多くの人をひきつける魅力がある。息子が高校生ぐらいの年

かを改めて考える機会をいただいたと思う。
（荘司長三）

4th International Symposium on Transformative Bio-Molecules (ISTbM-4) ,12th Hirata Award, 2nd Tsuneko & Reiji Okazaki Award

表紙説明
特任准教授

光は、素粒子や宇宙といった自然科
学だけでなく哲学や文学においても考察の対象である。表紙はフェムト秒

第 22回 名古屋メダルセミナー

レーザーパルスのイメージと蛍光分子。

The 22nd Nagoya Medal of Organic Chemistry（金）
開 催 日 ： 2017年 1月 27日
開 催 場 所 ： 名古屋大学野依記念学術交流館
主
催 ： 名古屋メダルセミナー組織委員会
問い合わせ ： 伊丹健一郎 トランスフォーマティブ生命分子研究所 教授
nagoya-medal@itbm.nagoya-u.ac.jp ／ 052- 788 - 6098

リモートセンシングに関する国際シンポジウム

International Symposium on Remote Sensing（ISRS 2017）

化学者にとっても光は魅力的な研究
テーマとなる。

No .31

広報委員

松本邦弘（研究科長）

杉山 直（副研究科長・評議員）（水）～ 19日（金）
開 催 日 ： 2017年 5月 17日
開 催 場 所 ： 名古屋大学シンポジオン、野依記念学術交流館
主催 ： ISRS 2017実行委員会
問い合わせ ： 山口 靖 環境学研究科 教授
yasushi@nagoya-u.jp／ 052- 789 - 3017

阿波賀邦夫（副研究科長）
中島誠（数理学科）福井康雄（物理学科）※委員長
戸本

荘司長三（化学科）
杉山 伸（生命理学科）

理学部・理学研究科・多元数理科学研究科・環境学研究科（地球環境科学専攻）
多元数理科学研究科
多元数理科学専攻
理学研究科

平子善章（生命理学科）

関連施設等

林

附属南半球宇宙観測研究センター

未来材料・システム研究所
素粒子宇宙起源研究機構

化学科

物質理学専攻物質科学国際研究センター

生命理学科

生命理学専攻附属臨海実験所

名古屋大学・エディンバラ大学
国際連携理学専攻

附属構造生物学研究センター

編集発行

環境学研究科
地球環境科学専攻

本誌の原稿執筆や取材などにご協力いただける方を求めています。
広報委員会までご連絡ください。
なお、
ご投稿などの採否については当委員会にお任せください。

遺伝子実験施設

宇宙地球環境研究所
附属地震火山研究センター

事務部

博物館

技術部

減災連携研究センター

名古屋大学理学部・大学院理学研究科広報委員会〒464 - 8602 名古屋市千種区不老町
ご意見、ご感想をお待ちしています。

次号は2017年 4月頃発行の予定です。

生物機能開発利用研究センター
地球惑星科学科

誠司（地球惑星科学科）

齋藤勝行（事務長）

附属タウ・レプトン物理研究センター

素粒子宇宙物理学専攻

物理学科

誠（物理学科）山川洋一（物理学科）

組織図

数理学科

autumn _ winter 20162016年10月30日発行

制作
編集協力
デザイン

株式会社電通株式会社コミニケ
株式会社ティ・エム・シー

・本誌記事、写真等の無断複写、転載を禁じます。

ISSN 1884 _ 8486

実 ／阿 部 文 雄 ／山 川 洋一

（月）
・13日
（火）
開 催 日 ： 2016 年 12月 12日
開 催 場 所 ： 名古屋大学野依記念学術交流館
主
催 ：トランスフォーマティブ生命分子研究所
問い合わせ ： 佐藤綾人 トランスフォーマティブ生命分子研究所
office@itbm.nagoya-u.ac.jp ／ 052- 747- 6856

特集

む私は、多くの人をひきつける魅力ある研究とは何なの

第 4 回 ITbM国際シンポジウム、
第12回 平田アワードおよび第 2回 岡崎令治・恒子賞_分 子 の 光 が 拓 く 未 来 ◇ 山 口茂 弘
_分 子 を 照 ら す フェムト 秒 の 光 ◇ 菱 川 明 栄

特集の編集を通じて、酵素や蛋白の機能改変に取り組_時 を 語 る も の〈 大 沢 文 夫 博 士 〉 ◇ 前 田 雄 一 郎_理 のエッセ イ ◇ 大 路 樹 生の本質に迫る研究」に魅了されたに違いない。今回の18 12 03 02 08 04_理 の 先 端 をいく ◇ 田 中_理 学 部 交 差 点

光物質の開発」と「極短パルスレーザーを用いる物質

光 を あ やつる 化 学齢であったなら、今回の特集の「分子設計に基づく発The 22nd International Congress of Zoology
Symposium “ Sex Determination and Differentiation”（水）
開 催 日 ： 2016 年 11月 16日
開 催 場 所 ： 沖縄科学技術大学院大学
主催 ：日本動物学会
問い合わせ ： 田中 実 理学研究科 教授
mtanaka@bio.nagoya-u.ac.jp ／ 052 - 789 - 2979

大学院研究科（専攻名）

31「お父さん、あの光ってる丸いのほしい」。花火大会

いく。淡い光をうれしそうに見つめる息子の顔は、蛍光教授

第 22回 国際動物学会
シンポジウム「性決定分化」

理学部（学科名）

名古屋大学理学部･ 大学院理学研究科広報誌［理フィロソフィア］
autumun _ winter 2016

編 集だより時を語るもの◎理のエッセイ

自分の専門を振り返る

大沢さんは学生のころ統計力学の理論体系をつくったギブズ＊1

大 路 樹生 博 物 館長の原書と格闘してその不思議な魅力にひかれた。統計力学を適用してまず高分子溶液中に置いた 2つの粒子間に働く引力の理論的理解に成功した（ J.Chem.Phys., 1954）。これは細胞内の蛋白質に働く基 本 的 な力の 発 見であり、1980 年 代 に再 評 価され
Depletion force＊ 2との名称を得る。次にアクチンやDNAなど電荷を多くもつ繊維状の高分子電解質が対イオンを表面に凝集する

大沢文夫博士 ＿生 物 物 理 学 の 礎を築く

現 象の理論化に成功した。さらにアクチンなどの蛋白質の重合現象を統計力学の導入により凝集現象として再発見し蛋白質相互作用に新しい視点を確立した。
大沢さんは理論物理学者として出発し、コロイド、高分子、蛋白質研究と異なる分野に統計力学の考え方を新たにもち込みその有効性を示し国際的に大きな影響を与えた。蛋白質研究では実験

お お さ わふみお

大 沢 文 夫（1922 _ ）名古屋大学名誉教授（1986 _ ）第16 回中日文化賞受賞（1963）
紫綬褒章受章（1985）
日本学士院会員（1995 _ ）Illustration: Junichi Kishi

科学としての生物学の面白さにとりつかれていったに違いない。学生

私は古生物学、深海の海洋動物学を専門としている。私のまわりを見ると、には種々の蛋白質の各論的研究に正面から取り組むように励ま

長く同じ専門分野を研究している人が多い。たとえば大学院時代以来、ずっとした。生物学はまず各論的であり、化学的である。生物の論理を正

海洋動物の貝形虫や浮遊生有孔虫を研究していたり、また哺乳動物の研究

確につかんでこそ、各論の先にある統一的な論理、物理的なものを深く把握できると鼓舞した。（前田雄一郎

を続けている、というスタイルである。私も大学院以来、長くウミユリ類の研究

元名古屋大学教授）を行っていた。
あるとき、物理を専門とする私の同級生に10年振りくらいに出会って、「今何をやっているの」と聞かれたので、「ウミユリの研究をしているよ」と答えたところ、ややびっくりした表情で、「へぇ、まだ同じことやっているんだ」と感心された。
このとき、私はかなり衝撃を受けた。今自分がやっていることは確かに自分では面白いと思っていたのだが、本当に古生物学、海洋動物学で最も重要で関心を持たれる研究なのだろうか、このまま同じことを続けていて良いのだろうか、という疑問である。このように他分野の方からの素直な意見はとても大事だ。
＊1 Ｊ. Ｗ. ギブズ（1839 _ 1903）
アメリカの数学者・ 物理学者・ 物理化学者。
統計力学の体系をつくった。
＊2 Depletion force
高分子溶液中に置かれた粒子が凝集する力。
朝倉・大沢理論は、その力が、粒子の間隙

そこで、生命進化の大事件である、大量絶滅とその後の回復現象、そしてカンブリア紀の動物の進化、多様化という、今までとは異なる大きなテーマにチャレンジすることにした。私と共同研究者たちは後発組なので、多くの困難があったし、また今までに明らかにされていない、新たなニッチを開拓しなければならないという重荷も感じていた。我々はフィールド調査にもとづく実証的なから高分子が排除されること（depletion）に古生物学を目指しているので、カナダやアメリカ、中国などで調査を続け、少しよるとした。

ずつ新たな発見が生まれるようになった。さらに幸運なことに、約 6年前の名古◇写真の説明屋大学へ転任後、モンゴルのフィールド調査が始まり、カンブリア紀直前（約

写真は大沢さんの直筆ノート。大学時代に5.5億年前）の生命進化の証拠も集まり始めた。

ギブズの著作 “Elementary Principles in
Statistical Mechanics” の全文を写したもの

１つのことをずっと突き詰めていくことも大事だし、またそれに値する課題

で、美しい筆写に統計力学の基本的概念をも多いのは事実である。しかしときには自らが歩んできた道を振り返り、また理解しようとした若き学徒の情熱を見る。左は、大沢さんの代表的著書である、「高分子
電 解 質の理 論」（Marcel Dekker, 1971）と「蛋白質 重合の 熱 力学」（朝 倉昌との共著、ちょっと異なる方向に目を向けて、新たな研究を進展させるきっかけを探すことも研究者にとって重要なのではないだろうか。

Academic Press, 1975）。後者は国際的にも蛋白質相互作用研究をめざす 博士課 程
大学院生の必読文献となっている。

02

時 を 語 るもの

Tatsuo Oji

1956年生まれ。1983年東京大学理学部助手。1987年理学博士（東京大学）取得。同大学理学系研究科准教授等を経て、2014 年より現職。専門は古生物学、海洋動物学。

No.31 autumun _ winter 2016 03

特集

光をあやつる化学
エネ ルギ ー

分子レベルのものづくりに挑戦する化学者は、自身のつくる新たな化合物によって光の吸収と発 光を制御し、極限まで短くした光をあやつることで、分子の電子レベルでの素性を明らかにする。
最先端の光と物質の相互作用の世界を 2人の研究者が案内する。

図1（2 016年 6月 4日、第 2 6回名古屋大学理学懇話会より）分子の光が拓く未来
山 口 茂 弘 トランスフォーマティブ生命分子研究所教授

Shigehiro Yamaguchi

分子の光励起と蛍光発光

分子は光を吸収すると、基底状態の構造のまま励起状態になり、そこからの構造緩和により、励起状態において安定な構造へと変化する。その構造から光としてエネルギーが放出されるのが蛍光である。

1969年生まれ。1993年京都大学大学院工学研究科修士課程修了。同年京都大学化学研究所助手。1997年工学博士。2003年名古屋大学助教授。2005年名古屋大学教授。2012年より現職。専門は有機化学。特に典型元素化合物の機能開拓をテーマに研究を展開。

ハイな状 態になります（図 1）。たとえばはばたくように構造変化しています。そして、ままなのか、伸びて平面になるのかとい

ネクタイをしたサラリーマンがビールを飲む

光を吸収して生じる励起状態でも同様のう励起状態での構造の違いによって、青色と、ネクタイをした姿は変わりませんが、ハイ変化をします。すなわち、光を吸収して折れの発 光を示すか、緑 色の 発 光を示すかな状態になります。そして、中身がハイになっ

曲がった構造のまま励起 状 態に上がり、が決まってくる、すなわち、分子の構造のたサラリーマンはネクタイを緩めようとします。

そこから平面構造 へと構造変化します。

変化が発光の変化につながる点にあります。

分子もそれと同じです。分子の構造はその平面になるとπ共役が分子全体に広がり、これを応用すると、たとえば、分子に力をまま変わらず、ハイな状態になると、ハイなよりエネルギーの低い、緑色の発光を示す

かけて引っ張って平らにすることで、発光状態の中で楽な構造に変わろうとします。

ようになります。

色を変えることも可能になります。機械的

この構造変化により生じる安定構造から、

ただ、この分子が置かれる状態を、たとエネルギーを放出し、基底状態に戻ります。

えばポリマーの中で分子が動けない状態

その際に、光としてエネルギーが放出されにすると、構造は折れ曲がった構造のままれば、これが蛍光です。蛍光分子のデザイ保持されるので、あたかもアントラセンのようンの鍵は、励起状態での構造変化を考えに青色に光ります。

にも蛍光の色をコントロールできるというわけです。

蛍光イメージングの鍵
このような分子をつくる研究を行いながることにあります。励起状態で分子の構造

一方で、V字型の構造は結晶中で積み上ら、いま我々がめざしているのが、バイオイ

がどれだけ変わるかで発光の色が決まり、がった構造をとりやすく、積み上がった構造

メージングへの応用です。蛍光分子を用い変化した構造の性質によって発光の強さがの中では分子間で相互作用が生じ（エキたバイオイメージングへの応用において、最決まります。この変化はナノ秒の世界であり、シマー生成）、それにより赤色の発光を示すも重要な物質といえば、2008年にノーベル

ここに私は分子づくりのロマンを感じます。

ようになります。

賞を受賞した下村脩先生が発見された緑蛍光分子のデザインには、合成化学だけでこの分子の面白さは、V字型の構造の色発光タンパク質GFP（green fluorescent

なく、理論化学とのインタープレイがきわめて重要であり、このアプローチからつくり出した分子の例を次に紹介します。

π共役分子分子の中には光を吸収し、また光を発し、エンスや社会の発展に貢献したいと考え

では、基本的な分子をつくる合成研究をしています。

ながら、有機エレクトロニクスに展開する、

RGBに光る分子をつくる

あるいは電子の受け渡しをする分子があり

我々の分子デザインの鍵は、どのようにあるいは生物学研究に展開するという両方特徴的な発光を示す分子として我々は、ます。これらの分子の共通点は多重結合

π結合がつなげるかにあります。骨格を伸の方向性をもちながら研究を行っています。

ポリマーに分散させる、溶液にする、結晶（π結合）がつながった構造をもつことで、

ばしてより広がったものをつくると吸収や

ここでは、特に後者の展開について述べにするといった環境の違いで、発光色が青、π共役分子といいます。π共役分子は、自然発光の色も変わってきます。また単に広げたいと思います。

緑、赤と大きく変わる分子をつくり上げまし界にもたくさん存在し、たとえば人が色をるだけではなく、特徴的な元素を組み込む認識できるのも、植物が光合成するのも、ことによっても性質を変えることができます。

ホタルが光るのもすべてπ共役分子の働き

この分野の面白いところは、秀逸な分子をバイオイメージングへの応用において重連結された分子構造にあります。アントラによるものです。これらは、その分子がなつくると、即、応用につながるところです。そ要なのが、蛍光分子のデザインです。そも

センはそもそも青色の発光を示す骨格です。

いとその生体が機能しないという観点で、して、その応用の方向性も、ディスプレイやそも蛍光はどのように生じるのでしょうか。

折れ曲がった構造では、2つのアントラセン

かけがえのない分子の例ともいえます。我々

照明など有機エレクトロニクスから、生物学

分子には普段の安定な状態である基底状

骨格同士はあまり相互作用せず、あたかもは、かけがいのない分子を自らの手でデザ研究で細胞をみるバイオイメージングまで態が存在します。それが光というエネルギー

孤立したアントラセンのように青色に光り

インし、つくり出すことにより、未来のサイ

多岐にわたります。実際に我々の研究室を吸収すると、励起された状 態、つまり、ます。一方、この分子は溶液の中では鳥が04

特 集 ＿ 光をあやつる化 学た（図 2）。ポイントは、2つのアントラセン

蛍光分子のデザイン

骨格が折れ曲がった 8員環骨格を介して

図 2 アントラセンイミド二量体の分子構造と蛍光特性ポリマー（ポリメタクリル酸メチル）分散フィルム中では青色蛍光を、溶液中（塩化メチレン）では緑色発光を、結晶中では赤色発光を示す。基底状 態ではV字型構造をとるが、励起状態で平面構造へと構造緩和し、π共役が拡張される。

No.31 autumun _ winter 2016 05

特集 _ 光をあやつる化学

図 4 C-Naphox と anti-KDEL 抗 体 修 飾Alexa Fluor ® 488を用いた固定HeLa細胞の繰り返しSTED顕微鏡観察
上図：繰り返しSTED顕微鏡イメージ。観察
条件：白色光励起レーザー（488 nm、80 MHz、
出力 70%、AOTF 80%）および CW-STED
レーザー（592 nm CWレーザー、出力 95%,
AOTF 100%）。下図：相対的細胞内蛍光強度の繰り返し回数に対するプロット。

protein）が挙げられるでしょう。蛍光イメー

題を解決しながら分子をつくることで、蛍を照射 する必要があり、このような観察にするためには、我々が基礎研究としてジング技術は、ちょうど人の細胞から、それ

光イメージングの世界を別次元に昇華させ条 件ではほとんどの有 機 分 子はすぐに生み出したものを、すぐに使えるかたちにキッより小さいものをみるのに適したイメージンていこうというのが我々の研究の目的です。

分解してしまいます。折角の優れた技術でト化し、全世界の研究者が手にすることがグです。最近、より分解能が高い超解像蛍

蛍光イメージングに求められる基本的なありながら、実践的な活用が制限されてしできるようにすることが必要です。そして使光イメージングの技術ができあがってきて物性の中でも、一番の鍵は化合物の安定まっている現状を打破するために必要なのい方の事例を示すことも必要です。それをおり、その技術を使うと 20～200ナノメー性、耐光 性であると考えています。通常、が、耐光性の高い分子をつくる、しかも、実現するために、我々は現在、ITbMの力トル（nm）の領域もカバーできます。その有機分子に光をあてると、有機分子は徐々単なる耐光性ではなくて、超耐光性とよべを結集して研究を進めています。

あたりの領域になると、電子顕微鏡、TEMに分解していきます。この蛍光分子の光褪る特性をもつ分子の開発なのです。

（transmission electron microscope）など

色により、長時間にわたって観測するタイムも使われますが、TEMと違って、蛍光イメー

ラプスイメージングが困難になります。耐光

ジングはリアルタイムで追いかけることが性がより重要になるものに、2014 年ノーできることが特長です。
蛍光イメージングには、GFPのようなタン

我々は蛍光分子が好きで、蛍光分子に魅せられ、蛍光を究めたいという単純な思

超耐光性蛍光分子

ジング技 術の 進 歩には、顕 微 鏡 技 術となるはずです。この技術は、将来的には、いで研究を続けています。この研究の展開

この問題を克服するためにさまざまな分

蛍光色の両方の進歩が必要ですが、前者

基礎的観点からの新しい生命現象の解明や方向性を見きわめ、最大限の価値を分

ベル化学賞の対象にもなった超解像顕微

子骨格のスクリーニングを行い、我々は最近、の方は、2005年に超解像顕微鏡が登場しだけでなく、応用的観点における創薬研究子に付与することにより、化学の域を超え鏡、たとえばSTED（stimulated emission

鍵となる分子をつくりました。C-Naphoxと大きく進歩してきました。一方で、蛍光色素の必須ツールや、さらには、超早期病理診て社会やサイエンスの進歩に貢献できる科®

パク質のほかに蛍光小分子も用いられます。

depletion）顕微 鏡への応用があります。

いう分子で、リンを鍵元素に使い、強固なは、1999年にAlexa Fluor 488が登場し、断技術などにも使えるのではないかと期待学へと発展させられます。2014年にノーベ

これまでいろいろな分子が開発されていま

この技術を使うと、40 nmぐらいまで分解

π共役骨格をもたせることにより、光に対して格段に耐光性があがり、当該分野にブレーできます。たとえば、現在、がん細胞の画像

ル物理学賞を受賞した無機の青色LED

すが、まだまだ改善していかなければいけ

能を高めることができますが、同時に励起抜群に強い分子をつくることができました。

クスルーをもたらしましたが、その後これま診断が可能となるのは、その大きさが 数ミ

は確実に世界を変えました。有機分子のない点が多いのが現状です。一つ一つ課

光とSTED光という2種類の強いレーザー

C-Naphox の安定性の高さを示すためでの間は、いくつか進歩はありましたが、リのサイズになってからですが、実際には、発光においても、耐光性に焦点を当てるに、耐 光 性に優れたATTO 488とAlexa

決定的なものはないという状況でした。こ

がん細胞はそれ以前から長い時間をかけことで大きく世界を変えることができます。

の中で、優れた色素として知られるAlexaて増殖しています。今よりも早い段階で検我々はそこに挑戦しようとしています。

®

Fluor 488の 2つの分子と比較してみます®

®

（図 3）。ATTO 488やAlexa Fluor 488がFluor 488やATTO 488を寄せ つけない出するための技術として超解像 4Dイメージ

すぐに分解していくほどの強い光照射条件

耐光性をもつC-Naphoxを生み出すことにングが使えるのではないかと考えています。

下においても、C-Naphoxはまったく分解し成功したといえます。

我々が行っている研究は、基本的には合成化学の研究であり、新しい分子をつくるません。実際に、C-Naphoxを使うことにより、STEDイメージングを繰り返して行うこ超解像 4Dイメージングの革新に貢献する

Alexa Fluor 488という代表的な色素を用出すことによって、どんな未来を拓くかです。

ことで、quality of life を向上させるためのいた場合には数回スキャンするだけで、ほと我々がめざす究極のイメージングは、超解研究につなげていくことになります。

んど光褪色してしまうのに対し、C-Naphox

像という高い分解能での 4Dイメージング

我々が 所属するITbMは、Institute ofを用いた場合には、同じ場所を5回スキャです。
「複数の目的分子を（マルチ）」「空間Transformative bio-Molecules の 略 で、ンしても、最初と同様の明るい蛍光像が得的位置を考慮し（3D）」「分子サイズに近い「transformative（世界を変容させる）なられ、実際には 50回くり返しても、初期蛍

空間分解能で（超解像）」「速い時間分解生命に関わる分子をつくり出したい」とい

光強度の 83％を保持するという驚異的な能で（高速）」「長期間、捉え続ける（タイム

う思いを乗せたネーミングです。しかし、値を示しました。

ラプス）」ことができれば、生命科学の重要

単に一つの分子を生み出しただけでは世な現象を見逃さないイメージングが可能に界は変わりません。真に transformative®

この結果は、これまでの生物化学、イメー
ホスホールオキシド誘導体C-Naphoxと代表的蛍光色素との光安定性の比較

DMSO/HEPES 緩衝液（pH=7.3、v/v=7/3）中で Xeランプ（300 W）バンドパスフィ
ルタ（460/11 nm）を用いて照射した際の相対的吸光度変化。

06

特 集 ＿ 光をあやつる化 学

研究ですが、生物学の研究の基本となる

重要なのは、このC-Naphox を世に送りとが 可能なこともわかりました（図 4）。

図3

どんな未来を拓くか

ジングの分野の発展の歴史を考えても、大きなインパクトを与える結果です。蛍光イメー機 能 有 機 化 学 研 究 室 ウェブ ページ

http://orgreact.chem.nagoya-u.ac.jp/Home.html
No.31 autumun _ winter 2016 07

特集 _ 光をあやつる化学

図 2 フェムト秒レーザーパルスによる強レーザー場の発生
中空ファイバーを用いたサブ 10フェムト秒強レーザーパルスの発生の様子。パル
ス当たりのエネルギーが 1mJ程度のレーザー光が得られる（左）。このパルスを集光すると集光点で 20×1015 W/cm 2もの強いレーザー場ができる。電場に換算すると4×10 9 V/cmで、これは水素原
子内の電子が原子核から感じるクーロン場に匹敵する（右）。

分子を照らすフェムト秒の光
菱 川 明 栄 物質科学国際研究センター教授をとらえることができますが、それでも10 -15

組んでいる、強いレーザーパルスを使ったれない新しい現 象がこれまでにたくさん

秒の世界には届きません。これはカメラに方法を紹介します。

見出されています。

強いレーザー場中の分子

分子のかたちを追うはシャッターが必要なためです。シャッターの機械的、電気的な応答にかかる時間が見える世界の限界を決めています。
速い運動をとらえるための別の手法に

Akiyoshi Hishikawa

1966年生まれ。1994年京都大学大学院工学研究科博士課程修了。東京大学大学院総合文化研究科助手、同理学系研究科助手、講師、助教授、自然科学研究機構分子科学研究所准教授
を経て、2010年名古屋大学理学研究科教授。2015年より現職。研究テーマは強いレーザー場におかれた原子や分子のふるまいの理解と、超高速分光、分子制御への応用。

化学反応を見る
現在、周期表には 100を超える種類の元素がありますが、我々の身のまわりにあるレーザーは 1960年に誕生し、現在単位
15

時間当たりの最大出力は 10 Wを超えてい
3

反応している分子の姿を見るために、私たちのグループでは強いレーザー場で起こ

ストロボ撮影があります。先ほどはカメラのます。レーザー誕生時の強度は 10 W程度

るクーロン爆発という現象に着目しました。

シャッターの開閉が問題になりましたが、でしたので、人がつくり出す光の強さはわ

分子はプラスの電荷をもつ原子核、マイナ

12

今度はシャッターを開けたままにしてそのずか 50年間程度で10 倍も強くなったこと

スの電荷をもつ電子からなり、両者のバラ代わり被写体を真っ暗なところに置いてになります。こうしたレーザー技術の発展

ンスで分子の姿が保たれています。これにおきます。そして、見たいタイミングで被写のおかげで、大きなレーザー施設だけで対してレーザーパルスを照射すると、軽い体を短い光のパルスで照らすと、そこからなく研究室でも非常に強いレーザー光が電子がゆさぶられて、外に飛び出していき

反射して出た光がカメラに届きます。この使えるようになりました（図 2）。

ます。この光が十分に強いと1個だけでな

光パルスが十分に短ければ、光が当たった

レーザーを集光して得られるきわめて強く複数の電子が剥ぎ取られるという現象がなポイントは 2つあります（図１）。1つは対1フェムト秒は 10 -15 秒 で、0 が 15 個 並び、瞬間の被写体の様子をとらえることができいレーザー「場」における物質の応 答は起きます。これは多重イオン化とよばれる象となる空間のスケールです。分子のサイ

1000兆分の1秒となります。ピコ秒はこのます。100フェムト秒程度の時間スケールで1980年代頃から精力的に調べられるよう現象です。

1000倍の時間です。

動く分子の動きをつかまえるためには、フェになり、たとえば原子やクラスターからの-9

ズはおおよそ10 m、つまり1ナノメートル

分子の多くは、そのうち10種類くらいから（nm）程度です。つまりナノメートルスケー

速い運動をとらえる手段の1つはカメラ

できています。言い換えれば、限られた種ルで起きている現象を可視化する手段がです。通常のカメラのシャッタースピードは類の原子をどのように組み合わせるかで、必要になります。もう1つは時間スケールで1000分の1秒くらいですので、これを使え-3-18電子が飛び出して原子イオンだけが残る

ムト秒領域のきわめて短い光のパルスでアト秒（10 秒）パルスの発生、核融合によと、イオンの正電荷の間で働くクーロン力

照らせば良さそうです。

る中性子の生成などが報告されています。

により分子はバラバラに壊れます。これをもう1 つのポイントは空間スケールでした。

また、気体分 子は普通、さまざまな方向「クーロン爆 発」とよんでいます（図 3）。

きわめて多彩な性質をもつ物質がつくられす。反応の途中で分子が姿を変えていく変

ば 1ミリ秒（＝10 秒）くらいの速さの運動

どのようにしてナノメートル領域での運動に回転していますが、強レーザーパルスに

分子解離過程の 1 つですが、クーロン反発ていることになります。

化にかかる時間は、おおよそ100フェムト秒をつかまえることができます。さらに科学を調べればよいでしょうか。おおよそ 1ミク

よって分子軸の向きを揃えることもできます。

によって素早く、高いエネルギーをもってロンくらいのものであれば、普通の光学顕

この他にも、弱い光を使った場合には見ら壊れるので、少し大げさですが「爆発」とどのような順番でどの原子をつなげるの（fs）からピコ秒程度だといわれています。

-9

計測用カメラを使えば、10 秒程度の現象かを決めているのが化学反応です。分子レベルで考えると、化学反応は分子同士の衝突によって始まります。たとえば分子ABが原子Cに衝突し、最終的にAとCがつながった分子ACとして出てきた場合を考えてみま

微鏡を使えば見ることができます。それよ
図1

分子反応ダイナミクスの時間スケールと空間スケール

分子の大きさはナノ（10 -9）メートル、反応の途中で分子が姿を変えていく変化にかかる時間は、おおよそ100フェムト秒からピコ秒程度である（1フェムト秒は 10 -15 秒で、ピコ秒はこの1000倍の時間）。小さい空間スケールで高速に変化する分子をとらえるには新しい顕微鏡「反応マイクロスコープ」が必要。

りもさらに小さいものを見たい場合には電子顕微鏡や走査型プローブ顕微鏡が使われます。これだとナノメートルサイズのものを調べることができます。これはきわめてす。この場合、この途中のどこかでAとBの強力な手法ですが、像を得るのに長い時間結合を切り、AとCをつなげる結合の「組みがかかってしまい、フェムト秒の現象は見替え」が起きていると考えるのが自然です

ることができません。反応している分子をが、実際にどんなふうにそれが起きている見るための新しい顕微鏡＝「反応マイクロかを「見る」ことは可能でしょうか。

スコープ」をつくるには、何か別の新しいア
イデアが必要です。現在、世界中の研究者

反応マイクロスコープ
反応する分子をとらえるに当たって重要
08

特 集 ＿ 光をあやつる化 学

によってさまざまなアプローチが試されています。ここでは私たちのグループで取り

図 3 クーロン爆 発による分子イメージング
クーロン爆発によって生成したフラグメントイオンの運動量を計測することで、レー
ザーパルスを照射した瞬間の分子のかたちがわかる。

No.31 autumun _ winter 2016 09

特集 _ 光をあやつる化学

図4

クーロン爆発イメージングによる水素移動反応の追跡

重 水素化アセチレン 2価イオンにおけるアセチレン−ビニリ
デン異性化反応。反応開始直後には０度にピークが見られ、アセチレンはまだ直線構造を保ったままである。一方、90フェ
ムト秒後には 120度のところにピークが現れており、水素が他方の炭素に移動してビニリデンができたことがわかる。さらに 200フェムト秒程度の時間が経つとアセチレンに戻り、水素が分子の中を「回遊」している様子が見て取れる。

よばれています。分子が爆発してできた粉々

実際に水素の動きを分子のかたちの変化いることになります。これは分子内の水素方向によって変化するからです。分子からするかを調べてみました。その結果、電子ることでさまざまな分子の反応過程へのの破片＝「フラグメントイオン」がもっていとしてとらえることはできていませんでした。

原子の複雑な運動を初めてとらえた研究

みて遠くまで電子が分布している方向にレー分布は、光 照射前はクローバー型、照射応用が可能です。近い将来、反応途中の分る運動量は、レーザーを照射した瞬間の分

そこで私たちは、先ほどのクーロン爆 発

成果です。

ザー電場をかけると、簡単にイオン化が後は楕円型であることがわかりました（図6）。

子において分子がどのようにかたちを変え子のかたちで決まります。逆に、この運動量

イメージングによってこれをとらえようと起こります。これは少しグラスを傾ければこれは光を吸収する前の状態（基底状態）

るか、また電子がどのように動いているを計測することで、レーザーが当たった瞬考えました。

水がこぼれるのと似ています。一方、あまりと吸収後の状態（励起状態）の分子軌道かをリアルタイムで撮影できるようになり、

電子の動きをとらえる

間の分子のかたちを調べることができます。

ここではアセチレン分子に着目して研究

電子が原子の間で共有されることで化電子が見出されない方向に束縛ポテンシャに基づく理論計算からの予想と良い一致

これを通じて化学反応の理解とその高精

これがクーロン爆発イメージングの原理です。

を行いました（図 4）。アセチレンは炭素原学結合ができることからもわかるように、ルを歪ませても効率よくイオン化が起こらを示し、光吸収による電子分布形状の変化

度なコントロールに向けた新たな指針が

これは夜空に輝く花火にたとえることが子を2つもち、その両側に1個ずつ水素が実は化学反応を決定付けているのは電子ないと予想されます。つまり、イオン化の起が可視化できたことを示しています。
レーザー

得られ るものと期 待して います。また、できます。夜空に輝く花火のかたちは尺玉ついた直線構造をしています。アセチレンの動きです。分子内を動きまわる電子の「動こりやすさがレーザー電場をかける方向にトンネルイオン化イメージングが化学反応

こうした研究は光と分子の相互作用についの中に星（火薬玉）がどのように配置されが水素移動反応を起こすと、片側に水素が画」を撮影し、その詳細を実時間でとらえ

よってどのように変化するかを調べれば、過程における電子の動画を撮影する手法とての深い理 解の上に成り立っています。

ていたかによって決まります。裏を返せば、2個集まったビニリデンになります。レーザー

ることは、化学反応の深い理解を目指す上

分子内で電子がどのように分布している

して有力であることを示す成果です。

これからも純 粋に「見 たい」「 知りたい」花火のかたちを見れば尺玉がどのようにつを当てた瞬間、アセチレンが直線構造ので重要なステップの 1 つです。強いレーザーかがわかることになります。

くられていたか、がわかるということです。

ままならば、水素イオン（プロトン）と炭素イ場で起こる現象のうち、ここでは「レーザー花火のかたちを見て尺玉の構造を知るようオンがクーロン爆発で飛んでいく方向のトンネルイオン化」という過程を利用して、に、「分子の花火」＝クーロン爆発で生じた分子内で変化する電子の様子をとらえる試

フラグメントイオンの運動量を測って爆発みを行いました（図 5）。

する前の分子のかたちを調べることができ

レーザートンネルイオン化を理解するたるという仕掛けです。もう 1 つ、大事なポイ

めに、まず原子について考えます。電子はントは大きさです。夜空に輝く花火は、大き原子核による束縛ポテンシャルによって閉さが 200mとも 300mともいわれ、一瞬でじ込められて原子をつくっています。この様消えてしまうとはいえきわめて巨大な展示

子はグラスの中の水にたとえることができ物ですが、その元になっているのは 1m程ます。水が電子だとすると、グラスが束縛拡大して見せていることになります。同じよ間の角度は0度に近いはずです。一方、ビニ

強いレーザーを照射すると、電場の方向

うに、ナノメートルサイズの分子でも、爆発リデンに強いレーザーパルスを照射すると、に束縛ポテンシャルが変形し電子が外にさせれば 我々のカメラでもとらえられる

プロトンと炭素イオンの間の角度は 120度

飛び出します。これがイオン化です。これは大きさになります。

くらいになることが簡単な計 算からわか

グラスが傾くと中に入っている水がふちかります。

らこぼれる様子に似ています。実際のイオ

実際に実験をしてみると反応を開始してン化がこの単純なたとえと違うところは、

水素移動反応は分子内で水素が動きま

90フェムト秒程度のきわめて短い時間ス

電子は束縛ポテンシャルが変形してできたわることで分子のかたちが変わる、いわゆ

ケールで、片方の水素原子が他方の炭素原

山（障壁）を通り抜けるようにして外に飛る異性化反応の 1 つです。水素原子は非常子に移動することがわかりました。面白いび出すことができるところです。これはトンに軽くて動きやすいため、その移動反応はことに、そのままもう少し待っていると分子ネル過程とよばれる現象で、量子効果の分子の反応を決める大事な過程です。一方、はまた元の直線構造に戻ることもわかりま

1 つです。

水素は非常に小さいためX線や電子線ではした。つまり、水素原子はこの分子の中を原子だとこれだけですが、分子では少し見づらく、またきわめて速く動くために、

いったりきたり回遊するような動きをして様子が異なります。分子内の電子分布が10

特 集 ＿ 光をあやつる化 学

気持ちを大事にして研究を進めていきたい

実際に一酸化窒素分 子を対 象として、向けて今回紹介した 2つのアプローチは、と思います。本日はご清聴いただきまして、

光吸収の前後でどのように電子分布が変化

反応を開始させる光の波長や強度を変えありがとうございました。

ポテンシャルというわけです。

度の尺玉です。つまり花火は尺玉の構造をアセチレンとビニリデン

新しい「反応マイクロスコープ」の実現に

図 5 レーザートンネルイオン化を用いた電子分布可視化
トンネルイオン化の概念図（上）と分子内の電子分布とイオン化の起こりやすさの関係（下）。
強いレーザーを照射すると、電場の方向に束縛ポテンシャルが変形しポテンシャル障壁ができる。
これを電子がトンネル透過することでイオン化が起こる。レーザー電場の方向によってトンネル
イオン化の起こりやすさがどのように変化するかを調べれば、分子内の電子分布がわかる。

光 物 理 化 学 研 究 室ウェブページ

図 6 光吸収による一酸化窒素分子の電子分布形状の変化とレー
ザートンネルイオン化を用いた可視化
右に示した実験結果は光を吸収する前の状態（基底状態）と吸収後の状態（励起状態）についての理論予想とよく一致しており、トンネル
イオン化を用いて光吸収による変化を可視化できていることがわかる。

http://photon.chem.nagoya-u.ac.jp/Home.html
No.31 autumun _ winter 2016 11

理 の 先 端を いく Ⅰ
性のコアメカニズム

雄化
（精巣）

生殖
細胞

図1

体細胞

雌化
（卵巣）
生殖
細胞

体細胞

オス化

体細胞

生殖細胞

性の決まり方雄の場合は DMY が 働くことで体細胞が雄化して生殖細胞の数が抑えられる。一方卵巣を形成している
ときの生殖細胞の数は多い。おそらく体細胞由来の何らかの因子が生殖細胞の数を調節することで性のシーソーがどちらかに傾き、性が決まってくるのであろう。メダカではこの生殖細胞と体細胞との関係がくずれると性転換してしまう。

メス化

持っていく。このような保障された仕組み

体細胞＝雄化」という図式が成り立ち、性

メダカは卵巣を発達させるが、その中の生「コアメカニズム」が性をつくり出す根底での根底には性決定遺伝子が関与しなくて殖細胞のみは雄となり、完全なる精子をつあることがメダカを用いた研究で明らかとも生殖細胞と体細胞のバランスでどちらかくり続ける（図 3）。脊椎動物で生殖細胞のなってきた（図 1）。

の性に決まる仕組みがあることになる。

性決定機構が初めて明らかになった。と同

このシーソーの片方に作用するのが将来卵や精子になる生殖細胞であり、もう片方

Minoru Tanaka

1984年名古屋大学理学部卒業、同大学大学院理学研究科（遺伝子実験施設：葉緑体ゲノム解
析と転写研究）で学位取得後、基礎生物学研究所助手（魚類内分泌研究）、米国ノースウェスタン大学客員研究員（マウス概日性リズム研究）、北海道大学理学研究科助教授（性決定分化研
究）、基礎生物学研究所准教授を経て 2016 年より現職。

雌 雄はどのようにして決まるのか
田中

時に、体細胞と生殖細胞の性が食い違う

明らかになった性決定機構とどうなるのかも明らかになった。精子ははそのまわりに存在する生殖腺の体細胞

生殖細胞はまわりの体細胞を雌にする（たいさいぼう）である。すなわち、胚の時能力があると書いた。しかし生殖細胞は精性とは、身体の性が決まってしまえば期に生殖細胞を過剰にすると、DMY 遺伝

巣内では精子になる。能力と自分自身の性

それで役割は終わりと思われてきたが、その子があってもメダカは完全なる雌となり卵（卵になるか、精子になるか）とはどうも別後でも性を維持するコアメカニズムが存在をつくる。一方、生殖細胞が少ない状態だらしい。それでは生殖細胞自身の性はどうし、生まれてからも働き続けることが明らと、DMY 遺伝子が存在しなくても完全な決まるのか。我々は精子で満たされているかになってきた。この現象からは、なぜ性る雄がつくられる（図 2）。以上のことは、雌

成熟精巣のみならず、成熟卵巣にも性の決決定にはいろいろあるのか、思春期と精子になるには生殖細胞の作用が必須であり、まっていない生殖細胞の幹細胞を見出し形成開始がどのように連動するかなど、今同時に、体細胞は性決定遺伝子が存在した。そしてその生殖幹細胞で働く性決定遺まで不明であった問題解決の糸口も見えなくても、雄になるように仕組まれている伝子foxl 3 を発見した。この遺伝子を破壊始めつつある。そこには未知の曠野があり、ことになる。ここでは「生殖 細胞＝雌化、するとDMY 遺伝子がない通常の雌（XX）

まだまだ見知らぬ問題がころがっている。

卵巣の中でもできるのである。

実 生命理学専攻教授
Y染色体（DMY ）

ゆらぎ続ける性決定

スイッチの役割を果たしている。もっといえ全身の性はこの生殖腺の性の影響を受け多くの人々は幼少期に、自分は女性でば、性はスイッチ遺伝子で決まる必要もて決まる。生殖 腺には多くの異なる種類

ある、あるいは男性であるということに気ないというのが、生き物の本音のようだ。

の細胞が存在しており、これら細胞ひとつづく。そして幸か不幸か、その後身体の性一部の爬虫類や魚では環境に合わせて自ひとつの性が決まって全体の性が決まるはが変わることはない。そのためか性は一度在に性が決まる。性が決まり、子孫づくりにずである。我々はこれらの細胞でどのよう決まったらそれで終わりと考える研究者も励んだ後でも、もともとの性とは反対の性にして性が決まるのかを調べてきた。

多い。人の場合、Y染色体上にある性決定に転換してしまう動物すらいる。

決まる。Y染色体をもつ胎児は SRY の存在
によって男性化し、Y染色体のない胎児はSRY がないために女性化する。

性をつくり出すコアメカニズム

その結果、性のコアメカニズムともよぶるものではなく、雌雄どちらかにはなれる

上にあるDMYという性決定遺伝子で雄化ように細胞や組織の中にあらかじめ「保障」

性決定は子孫をつなぐために重要であが引き起こされる。性決定遺伝子は一般に、されているらしい。それは「雌にならなけ

るにもかかわらず、このSRY という性決定

卵巣あるいは精巣になることが決まってれば雄になる、雄にならなければ雌になる」

遺伝子は人を含めた哺乳類にしかない。

いない胎児や胚の「生殖腺」という器官でシーソーみたいなもので、性決定 遺伝子

ニワトリでは DMRT1 という遺伝子が性の働き、精巣になるか卵巣になるかを決める。

は仕組まれたシーソーのバランスを一方に

12

理 の 先 端 をいく Ⅰ

通常雌
（ XX）

foxl 3foxl 3 が
働かない雌
（ XX）

定遺伝子から順番にその違いが積み上が日本人になじみのあるメダカはY染色体

ffoxl
fo
oxl 3

精巣
精子

卵巣
卵

べきものが明らかになった。性とは、性決遺伝子SRY の有無によって胎児期に性が

通常雄
（ XY）

図2

図3

メダカで性転換が生じる仕組み

性が決まる時期に生殖腺にあるべき生殖細胞の数を遺伝学的手法で少なくすると、X Xのメダカ（Y染 色体がなく本来雌になる）が完 全な雄になる（上：ヒレなどの外見は普通の雄）。一方、Y染色体をもっていて本来は雄であるはずのメダカも、胚の時期に生殖細胞数が多いと巨大な卵巣をもつ雌となる（下：お腹が大きいのは生殖細胞で満ちあふれた生殖腺をもつため）。

形態統御学講座生殖生物学グループウェブページ

foxl 3卵巣

精子

卵と精子をつくり分ける仕組み

通常の雄では体細胞（青色）で働く性決定遺伝子（DMY ）の作用を受けて生殖腺は精巣へと分化し、その中にある生殖細胞（赤色）で働くfoxl 3 の働きが抑えられて生殖細胞は精子となる。雌では DMY が働かず、foxl 3 が発現し続けて卵ができる。
foxl3 を働かないようにした雌では生殖細胞が精子になるが、体細胞では DMYが働かないために卵巣に分化する。この結果、卵巣中で精子がつくられてしまう。

http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/laboratory/rb.html
No.31 autumun _ winter 2016 13

理 の 先 端を いくⅡ

重力波 源の探索

図1

阿 部 文 雄 宇宙地球環境研究所准教授

重力波の直接検出

たのは、約 30太陽質量のブラックホール連
500mm

2015年 9月、LIGOグループによって初め的なものだった。これでは、近傍の銀河を予言が実証された。この重力波を発したの観測した我々が見つけられなかったわけでは地球から13億光年のかなたで起きた、ある。しかも、ブラックホール連星の場合、ブラックホール連星の合体だったとされて光やガンマ線などの電磁波はほとんど放いる。合体の直後、もしこの天体が明るく出されないはずである。

輝いていれば、望遠鏡で観測して状況を

LIGOによる感度を上げた観測は、今秋より詳しく知ることができる。そのために、再開される。今回は 10個くらいの事象が検重力波とその追観測

図2

観測に使用したカメラ

1.8m望遠鏡の大型主焦点カメラ（左）と61cm望遠鏡のTRIPOL5カメラ（右）。いずれも、名古屋大学のものつくり研究開発の成果。主焦点カメラは、12cm×15cmで満月10個分程度の広視野が得られる。TRIPOL5カメラは 3色（緑、黄、赤）同時に観測できる。

今後VIRGOやKAGRAが動き始めれば、名古屋大学が設置した 1.8m望遠鏡と、同は、条件の良い南側を観測できる好位置にと対応天体が検出されるようになる。大きる重力波検出器を建設した。アメリカ合衆

天文台の 61cm望遠鏡である（図 1）。1.8m

いた。このアラートには半信半疑だったが、な誤差がついている距離なども正確な値

国のLIGO、ヨーロッパのVIRGO、日本の望遠鏡は、2.2平方度という広視野で、位置練習のため、61cm望遠鏡による追観測をが得られるようになるはずだ。金などの重KAGRAの建設が始まった。LIGOグルー

決定精度の悪い重力波源の特定が期待さ実施した（図３）。

元 素は中性子星連 星合体で生 成したとプは最も進んでいて、2015年 9月から2016

れる。61cm望遠鏡の方は、2014年に新し61cm望遠鏡の視野は、狭すぎてスカイ

年 1月に予定されていた観測期間（O1とよいカメラ TRIPOL 5を取りつけた（図 2）。

マップ全体をカバーすることはできない。

ばれる）では、だいたい2億 6000万光年以

このカメラは、佐藤修二名古屋大学名誉教

そこで、近傍の銀河で起きた中性子星連星内の距離で起きる中性子星連星の合体に授が開発したもので、望遠鏡からの光を波の合体を仮定し、3億 3000万光年以下のよる重力波が検出可能とされ、1つくらい

長ごとに 3分割し、緑、黄、赤の３波長を同距離の銀河 18個を選び出して観測を行っは本物が見つかるかもしれないという期待時に観測できる。

た。既知の星と比較した結果、残念ながら

リアルタイム解析から方向が求められる。

最初の重力波検出 GW150914

しかし、方向の決定精度は悪く、光学的対

2015年 9月16日、O1開始を待つ我々に、応天体を見つけるには広大な領域を探索す

驚くべき知らせが入った。重力波らしい信る必要がある。この領域が、スカイマップと号を、14日に検出したというものだった。

して関係者限定で公開される。

「話 が 違う」と我々は 思った。O1開始は

国の望遠鏡でも同様の追観測が行われた。
しかし、これまでのところ、候補天体を発見したという報告はない。

ブラックホール連星の合体

日本 で は 複 数 の 大 学 等 が 連 携して18日の 予 定 だった。誤 報 の 割 合（False

その後のLIGOによる解析でFARは大J- GEMという組織をつくり、LIGOグループ

Alarm Rate, FAR）は、１月に１回くらいと幅に小さくなり、最終的に 20万 3000年にと学術協定を結んだ。ニュージーランド南

されており、信頼性は低いと思われた。ス

1回となって最初の重力波直接検出が確定

島のマウントジョン天文台で、重力マイクロ

カイマップを見ると、北側は太陽に近すぎした。LIGOの解 析結果は、2016 年 2月にレンズ観測を行っている我々MOA共同て観測が困難だった。我々MOAグループ

公表された。その内容は、重力波を放出し追観測も行うことになった。使用するのは、されているが、それも明らかになるだろう。

候補天体なしという結論になった。世界各

研究は、J- GEMのメンバーとして重力波の理 の 先 端 をいく Ⅱ

も1つくらいはあるかもしれない。さらに、して各国が競って大型レーザー干渉計によが 高まった。重 力波が 観測された場 合、

14

出される予定である。中性子星連星の合体

数平方度程度まで位置が絞り込まれ、次々今世紀に入って、重力波直接検出をめざ

19 5 4 年 生まれ 。19 8 3 年筑 波 大 学 理 学 研 究 科 修了。理 学 博士。
筑 波 大 学 準 研 究 員、高 エネルギー 物 理 学 研 究 所 助 手 を 経て、1995年名古屋大学助教授。2015年、改組により現職。

星の合体で、距離は 13億光年という衝撃て重力波がとらえられ、アインシュタインの

我々は光学的に対応天体を探した。

Fumio Abe

観測に使用した望遠鏡

ニュージーランド・マウントジョ
ン 天 文 台 の 1.8m 望 遠 鏡（左、MOA共同研究）と61cm望遠鏡（右）。通常は、重力マイクロレン
ズ効果を利用した太陽系外惑星の探索などに利用されている。

宇宙地球環境研究所宇宙線 研究室ウェブページ

図3

MOAによる 61cm望遠鏡を使った追観測

点は観測した銀河で、ブルーの領域がLIGOグループによる最終的なスカイマップ。位置がずれているのは、LIGOグ
ループがスカイマップを修正したため。RAとDecは赤道座標系における赤経と赤緯を表す（単位は度）。

http://www.isee.nagoya-u.ac.jp/CR/
No.31 autumun _ winter 2016 15

理 の 先 端を いく

Ⅲ
（b）

（a）

高温 超 伝導体で起きる電 子の液 晶 状 態

Fe原子山 川 洋 一 物質理学専攻助教

dxz 軌道

図2

π/a

y

x
ky 0

-π/a

a

-π/a

π/a

0

kx

要であり、相関効果を無視する平均場近似表す。もともと独自の自由度だった電荷・スはしばしば破綻する。そこで我々は、平均ピン・軌道は、多体相関により結合し、新し場近似を超えて多数の電子間の相関を考い量子状態を生み出している。

Yoichi Yamakawa

電子の液晶状態とは状態）とよばれている。図 1は、鉄系超伝導電子の液晶状態の正体

ボーズ凝縮を起こして低エネルギー状態にさまざまな物質での電子の液晶状態

落ち込む現象であり、電子対をつくる引力

真空中の電子は電荷−eとスピン1/2を

電子ネマティック状態は、鉄系超伝導体が重要である。単純金属で現れる従来型有する点状素粒子に過ぎないが、物質中でに限らない。近年、銅酸化物高温超伝導体

超伝導では格子振 動が引力を与えるが、は新たに軌道という自由度を獲得した新でも電荷秩 序を伴った電子ネマティック

転移温度は低い。そこで鉄系超伝導体に種の素粒子へと生まれ変わる。我々は鉄系状態が発見され、長年の謎である擬ギャッ

おいては、電子ネマティックゆらぎによる＊2超伝導体において、伝導を担う鉄のd xz 軌

プ現象 解明の鍵として注目を集めている。

引力機構が、新しい高温超伝導発現機構

道とdyz 軌道が非等価となる、軌道秩序が

我々は、開発したSC -VC理論や汎関数くりとして期待されている。我々は最近、超伝生じることを見出した（図 2（a））
。この回転こみ群といった多体電子理論を駆使し、導の理論研究を推進した結果、多体相関

対称性の自発的破れにより、金属電子の運

電子ネマティック状 態の正体が酸素間でにより電子ネマティックゆらぎによる超伝動を決めるフェルミ面が k x 方向とky方向で電荷が移動するp x -p y 軌道秩序であること

導有効相互作用が一桁近く増強され、高非等価になり（図 2（b））、電子ネマティック

を明らかにした（図 4）。ほかにも重い電子

温超伝導状態が実現しうることを見出した。

状態が実現する。

系において隠れた秩序とよばれる正体不固体電子論において、平均場近似を超えた

我々が見出した「軌道秩序による電子ネ

明の相 転 移 の本 性 が、一種の電子ネマ

多体理論の発展が、今後ますます重要にマティック状態」の起源は、多体相関に起ティック状態ではないかと期待されている。

なると考えられる。

因した軌道・スピン間のモード結合である。

このように、軌 道とスピンの結合による体の模式的な相図である。電子ネマティッ

ここで多くの理論家たちは重大な困難

図 3に、そのファインマン図形を示す。これ

電子ネマティック状態が、実は金属におけ中では、超伝導や強磁性をはじめとして少ク相は元素置換や圧力等により抑制され、に直面した。回転対称性が破れた電子ネマ

は、1つの軌道波が 2つのスピン波に分かる普遍的現象の1つであることが明らかに数電子系では起きえないさまざまな現象がその近傍で高温超伝導相が現れる。電子

ティック状態は、簡単な平均場近似レベル

れ、再び軌道波に戻るという仮想過程をなりつつある。

実現する。1972年、アンダーソン はこの

ネマティック状 態は高 温 超 伝 導 状 態との計算（第一原理計算を含む）では、まっ多粒子 系の 多様 性を More is different.

密接な関係が期待され、その起源に対したく説明できないのである。高温超伝導体（多は異なり）と表現した。

さまざまな理論的可能性が提唱された。

では電子が互いに避け合う相関効果が重

Cu原子

スピン波

近年、固体電子論において注目を集めている現 象が「電子ネマティック状 態」である。ネマティックとは本来液晶に使われ

温度

軌道波

液晶分子

いう不思議な現象が報告され、液晶との類
推から電子ネマティック状態（電子の液晶
16

理 の 先 端 をいく Ⅲ

y

O原子

x

軌道波

px

スピン波

子自身は点状の素粒子であり、液晶のように回転対称性を破って異方性を獲得すると＊2 擬ギャップ現象
超伝導転移温度より高温にも関わらず、超伝導のようなエネルギーギャップが開く現象。

py

ネマティック液晶

分子の方向が揃った状態を指す。一方、電超伝導体等において、伝導電子が自発的＊1 P.W. アンダーソン（1823 _ ）アメリカの物理学者。ノーベル物理学賞（1977年）受賞。

dx 2-y 2

る言葉で、図 1の挿入図に示すように液晶な方向性をもたない。ところが最近、鉄系

最後に、超伝導について簡単に議論しVC）理論を開発し、この困難に挑戦した。

1023個にも及ぶ多数の電子を有する固体＊1

超伝導との関係たい。端的にいえば、超伝導とは電子対が慮した自己無撞着バーテックス補正（SC-1981年生まれ。2010年新潟大学大学院自然科学研究科博士後期課程修了。同年日本学術振興会
特別研究員。2011年名古屋大学大学院理学研究科研究員、特任助教を経て、2016年より現職。
専門は物性理論。強相関電子系における多様な相転移や超伝導などを理論面から研究している。

鉄系超伝導体における軌道秩序（a）我々が 提案 する、鉄 系 超 伝 導 体 における
軌道秩序起源の電子ネマティック状態の模式図。
d yz 軌道の電子数
鉄のd xz 軌道の電子数が増加し、が減少することで、x方向とy方向が非等価になる。
（b）軌道秩序状態下でのd xz 軌道の分極の波数 k依存性。緑の実線は軌道分極により変形したフェルミ面。軌道分極が途中で符号を変える、非自明な軌道秩序が生じている（平均場近似では秩序パラメータに波数依存性はない）。この符号反転する軌 道 分 極とフェルミ面の 変 形 は、東 大のARPESグループと我々の共同研究により、実験的にも観測されている。

図3

電子
ネマティック
状態

図1

高温超伝導
元素置換、圧力等

鉄系超伝導体の模式的相図

鉄系超伝導体の母物質（左端）では、温度を下げると電子系の回転対称性が破れた電子ネマティック状態に相転移する。元素置換や圧力を加える事でこの相は抑制され、その近傍で高温超伝導状態が実現する。
右上の挿入図は、ネマティック液晶の模式図。個々の液晶分子は異方性をもつが、それらが１方向を向いている状態の液晶をネマティック液晶とよぶ。

Aslamazov - Larkin 型バーテックス補正のファインマン図形

1つの軌道波が 2つのスピン波に分かれ、再び軌道波に戻るという仮想過程を通して、軌道波が大きく増強される。矢印つき実線は電子の運動を表す。このプロセスの重要性は、高次のファイマン図形の系統的計算が可能な汎関数くりこみ群理論
により実証されている。このファインマン図形が表す軌道・スピン間のモード結合は、さまざまな多軌道系において重要な役割を果たしていると考えられる。

物 性 理 論 研 究 室 ウェブ ページ

図 4 銅酸化物高温超伝導体における電子ネマティック状態
p x -p y 軌道秩序の模式図。x方向とy方向が非等価になっている。この電子ネマティック状態の主な起源もまた、図 3のファインマン図形に表す軌道・スピン間のモード結合である。

http://www.s.phys.nagoya-u.ac.jp/
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理学部交差点
書籍紹介

同窓生から

キャンパス通信『南海トラフ地震』

名古屋から地球の裏側へ
国立天文台チリ観測所准教授

多元数理科学専攻准教授

浅山信一郎（ Shin’ichiro Asayama）

中島

技術部の新たな挑戦
全学技術センター（理学）技術専門員

誠（ Makoto Nakashima ）鳥 居 龍 晴（ Tatsuharu Torii ）A研の修士 1年の学生として初めて南米チリを訪れ

南海トラフ地震の危険性が叫ばれ始めてから久し理学部の装置開発室は、全国の大学のなかでも飛てから、早いもので 20年近くが経とうとしている。私はい。その間に東北地方太平洋沖地震や熊本地震などび抜けた開発力をもつ組織として知られる。ここ数

現在国立天文台准教授としてチリに赴任し、国際共同

日本 各地で大きな地震が起き、世間の南海トラフ

年、定年に伴って定員12人の半数にあたる新人 6人

プロジェクトであるアルマ電波望遠鏡の運用と性能

地震に対する関心が一層増しているように感じる。

が加わった。ほとんどが大学院の機械・物理の修了向上のための新規研究開発に携わっている。高校生

その中でも世間の関心は「いつ起きるのか」、「どの者である。新たな工作機械も導入され、次の時代を

当時の私は、まさか自分が日本と地球の反対側で研究ような被害が起こるのか」といったものだろう。

見据えた課題に挑戦している。

活動を行っているとはまったく想像すらできなかった。

本書では、内閣府南海トラフ沿いの大規模地震の理学部装置開発室の特長は、研究現場でしかつく

私は子供のころから理学に興味があり、漠然と理系

予測可能性に関する調査部会の座長も務めた地震

れない独創的な機器の開発である。当然、市販品もの研究者になりたいと思っていた。しかし地元では私

予測の専門家が、南海トラフ地震の発生のメカニズム、ない。各研究室の研究開発と技術相談に応じるためのまわりには理学が面白いという人は皆無で、理学部発生したときにどのような災害が起こると考えられるに、広範囲な基礎技術を結集した複合技術が不可欠である。

進学希望の私は変わり者であった（今でもそうだが）。

晴れて入学することができた。今思えば、単に新しいのか、予測可能性の現状をわかりやすく解説している。

大学受験時の高校 3年生のセンター試験後に当時の環境に身を置きたかっただけなのかもしれない。とは巨大地震予測の研究の難しさが統計に必要な新しい「軸」の1つは、有限要素法（FEM）の導入

希望大学への出願書類作成のため資料を探す際、たまいえ名古屋大学理学部では、理学を面白いと思う友人

過去の地震のサンプルの少なさにあることは容易にである。製品をいくつかの要素に分けて、機械的なたま本棚にあった名古屋大学理学部紹介パンフレット

や先輩、また素晴らしい先生方に出会い有意義な時間

想像がつく。研究者らによる過去の地震に関するふるまいをコンピューターで解析する。一方、製作さが目に留まった。何気なく目を通したその内容を読んだを過ごすことができた。大学院はA研に進み、南米チリ

文献からの解析、GNSSによる地殻変動の観測とれた実機を万能試験機によって引張・圧縮試験した

際に私はここに進学したいという衝動に駆られ、それに設置された電波望遠鏡「なんてん」を用いて天体いった最新技術による分析等、予測可能性を高める

実測結果と比較し、信頼性の向上を図る。この課題

まで一度も検討していなかった名古屋大学受験を決め

物理学の研究を始めた。

努力と進歩が 語られた一方で直前予測の社会的は工学部装置開発系の職員と協同で行われている。

たのであった。当然、両親、高校の担任および友人た

私は元気と積極性だけが取り柄で、ゼミ等でもつい影響の深刻さについても語られており研究者らの「３Dプリンター」によるモデルの試作もさかんに

ちには猛反対されたが自分を貫き通した。当然のごと

つい大きな声を出して、「君にはボリュームはついてな

苦悩が読み取れる。また国が行った被害想定をその利用されており、デザインの検討や機能検証など、

く周囲の予想通り私は不合格になったが、1年後にいのかい」と、福井康雄先生にユーモアを交えながら原因内 訳から地 域の特 性を読み解くことで地 域「ものづくり教育のツール」として生きている。また、ご指導いただいたことは今でも思い出される。A研でにあった防災準備を行うことの重要性が説かれて新鋭の「5軸加工機」による複雑で高精度な加工のは装置の開発および望遠鏡の運用に大学院生が積極いる。東日本大震災以上の被災者が出るという想定

取り組みも始まっており、重量制限の厳しい衛星搭

的に関わっており、研究室の皆で協力し合い研究開発

から、援助が十分に行き届かない可能性が述べられ

載機器や高精度のミラーの製作に利用されている。

を進めて行くという経験ができたのは非常に貴重な「自助」という防災対策の重要さを改めて教えてく

全学技術センターの組織改革も進みつつあるが、経験だった。

れる一冊である。

理学部の装置開発室の伝統を発展させて「この組織

こうして私が理学の世界で研究を続けていられるがなくなると困る」といわれる存在でありつづけたい。

のも、名古屋大学で理学の面白さに改めて気づかせてくれた友人や先輩たちのおかげである。また大学院の研究室の仲間で行った、昼夜を問わない実験や議論、また実際に「なんてん」を使った観測経験など多くのことが私の財産になっている。
南米チリの標高5000m地点で運用中のアルマ電波望遠鏡と『南海トラフ地震』
山岡耕春（Koshun Yamaoka）
著
岩波書店 ／ 2016年 1月発行
（税別）
780円

右が筆者、後ろに見えるのは万能試験機

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