世界的な経済の混乱が続く中、資源小国である我が国が将来を担保するた
めには、科学技術に対する確固たる長期ビジョンを持ち、これまで以上に科学技術立国を標榜することが必要です。大学の理工系附置研究所に対する期
待もこのような状況の中で拡大しつつあり、国際水準を遥かに超えた独創的な科学技術に関する研究を推進することや、既存の学問分野から一歩踏み出したイノベーションに繋がる新しい研究領域を開拓することが強く求められています。北海道大学電子科学研究所においては、その前身となる超短波研究所で医工融合研究が進められたように、歴史的に従来の学問分野の枠組みを超えて融合を図ることが受け継がれ、常に新学術領域を生み出すことを希求してきました。現在では、ナノテクノロジー研究をコアとし、「光」、「分子・物質」、「生命」、「数理」に関する科学の融合を図る「複合領域ナノサイエンス」の研究を推進することによって革新的な科学技術を創出することを目指しており、ここから生み出された成果は、
人類共通の「知」の深化をもたらし、また文明をより高めるものになると確信しています。
当研究所はこのような新学術領域の創成をさらに加速するため、2007年より東北大学多元物質科学研究所、東京工業大学資源化学研究所、大阪大学産業科学研究所と共同で「ポストシリコン物質・デバイス創成基盤技術アライアンス」を発足させ、附置研究所間の異分野の研究者の共同研究を積極的に推進してきました。本アライアンスから生み出された研究成果は、国内外から高く評価され、その結果、2009年 6 月にはこれに九州大学先導物質化学研究所を加えた 5 研究所による「物質・デバイス
領域ネットワーク型共同研究拠点」が、文部科学省より正式に認定されました。本ネットワーク型共同研究拠点は、文部科学省による共同利用・共同研究拠点改革において新規導入されたものであり、独創的な科学技術創出の源泉になるものと大きな期待が寄せられています。さらに、当研究所において培われた先端的ナノテクノロジー研究に関する「知」や、「先端設備・技術」を広く社会に還元するため、2007年より文部科学省の先端研究施設共用イノベーション創出事業ナノテクノロジーネット
ワークプログラムに「北海道イノベーション創出ナノ加工・計測支援ネットワーク（HINTS）」拠点として参画しており、新産業技術の創出においても大きな貢献を果たしています。
経済バブル崩壊以降、中国の急速な台頭と相まって世界における日本の存在感は薄れつつあります
が、当研究所は、我が国が再び“Japan as No.1”と呼ばれるために必要不可欠な革新的科学技術を創出する中核拠点として先導的な役割を果たしていきたいと考えておりますので、皆様のご支援とご鞭撻をお願いいたします。

平成22年 3 月
北海道大学

電子科学研究所長
三

澤

弘

明

組織図
Ⅰ．研究成果・活動
電子材料物性部門
光電子物性研究分野·······························································································
量子情報フォトニクス研究分野 ················································································
有機電子材料研究分野 ····························································································
ナノ光高機能材料研究分野 ······················································································

4
10
16
25

電子機能素子部門
量子機能素子研究分野 ····························································································
細胞機能素子研究分野 ····························································································

34
39

電子計測制御部門
光システム計測研究分野 ·························································································
量子計測研究分野 ·································································································
分子生命数理研究分野 ····························································································
ナノシステム生理学研究分野 ···················································································

46
52
56
67

電子情報処理部門
情報数理研究分野 ·································································································
神経情報研究分野 ·································································································
計算論的生命科学研究分野 ······················································································
スマート分子研究分野 ····························································································

74
79
84
89

ナノテクノロジー研究センター
ナノデバイス研究分野 ···························································································· 94
ナノ理論研究分野 ································································································· 97
バイオ分子ナノデバイス研究分野（「分子認識素子研究分野」から名称変更 H20.10～）··········· 106
極限フォトンプロセス研究分野 ················································································ 114
寄附研究部門ニコンバイオイメージングセンター ··········································································· 122
Ⅱ．予算
Ⅱ－１． 研究成果公表に関する各種の統計表 ·································································
Ⅱ－２． 予算·········································································································
Ⅱ－３． 外国人研究者の受入状況 ···············································································
Ⅱ－４． 修士学位及び博士学位の取得状況 ····································································

127
129
130
131

Ⅲ．研究支援体制
Ⅲ－１． 技術部 ······································································································ 135
Ⅲ－２． 学術情報 ··································································································· 136
Ⅳ．資料
Ⅳ－１． 沿革·········································································································
Ⅳ－２． 建物·········································································································
Ⅳ－３． 現員·········································································································
Ⅳ－４． 教員の異動状況 ··························································································
Ⅳ－５． 構成員 ······································································································

139
142
142
143
144

表紙の説明「結晶成長過程のシミュレーション」

ながら、固体であるにもかかわらずイオン化した原子が電荷キャリアーとして振る舞う材料が存在することが知られ
教

授 太田信廣（東北大院、理博、1998.10～）ており、固体電解質やイオン伝導体と呼ばれている。イオ

准教授 中林孝和（東大院、理博、2002.7～）

ン伝導体は、燃料電池など様々な産業分野における応用が助期待される材料であるが、これらの固体材料に光や外部電教 飯森俊文（京大院、理博、2003.6～）

非常勤研究員院

健（2004.4～2008.12）、Mohan S.

場を加えた場合の応答や緩和ダイナミックスはほとんど分

Mehata （ 2007.11 ～ ）、 伊 藤 寿 之 （ 2007.11 ～牛坂

かっておらず、未開拓の領域であった。そこで我々は、イ

2009.2）、Xiaoming Liu（2008.11～）

オン伝導体の電気伝導度に対する光照射効果を測定するた

生

め、電気化学インピーダンス法と分光測定法を組み合わせ

博士課程

た実験装置を新たに開発し研究を行った。
ヨウ化銀（AgI）は、Ag＋イオンが結晶中を動くことによKamlesh Awasthi、Rahima Khaton、大島瑠利子
修士課程

り電気伝導性を示すイオン伝導体としてよく知られた物質

中畑喬之、酒井實、大下周吾である。この物質は結晶多形を示し、室温において結晶構造の異なったβ―相（ウルツ鉱型）およびγ―相（閃亜鉛鉱型）が共存する。温度を上昇させると147℃においてα―１．研究目標相（bcc型）へ相転移を示すが、それにともないイオン伝導

分子や分子集合体に光を照射した時に起こるダイナミク

度が 4 桁以上増大し、超イオン伝導と呼ばれる非常に高い

スが外部からの電場や磁場の作用に対してどのような変化

イオン伝導性を示す。したがって、光照射を用いたイオンを示すのか、光励起に伴う分子構造や電子構造の変化はど

伝導体の超イオン伝導体への転換、すなわち『光誘起超イ

うか、また光誘起導電性、電界発光の出現など電気、磁気オン伝導』現象の可能性を探索するモデル物質として、ヨ特性と光学特性の関係はどうかを明らかにする。これらのウ化銀は適していると考えられる。そこで本研究では、可結果に基づいて、『光励起ダイナミクス』、『光励起分子の構視・紫外光照射にともなうヨウ化銀の電気伝導度の変化を造』、『光機能物性』がお互いにどのように関係するかを明測定した。実験手法として、ヨウ化銀ペレット（直径13mm）

らかにすると共に、例えば光誘起超伝導といった光に関係の表面にカーボンペーストを用いて電極を作成し、LCR メ

する全く新しい機能物性の発現を探索する。生体内のダイーターを用いてインピーダンススペクトルを測定してバルナミクスと機能についても、生体内の「場」に着目しながク抵抗値を求めた。

ら時間分解発光測定に基づいて調べる。

300nm～700nmの波長範囲において励起光を試料に照射すると、試料のバルク抵抗値は減少した。図 1 は、インピーダンススペクトル測定から求めた、試料の抵抗値変化の２．研究成果

波長依存性（アクションスペクトル）を示している。縦軸(a) 電子・イオン伝導体における電気伝導度の光照射効果の変化量は、
ΔR ＝ (R dark―R ex) ／R dark

外部から摂動を加えることにより固体物性を制御する研(1)

究が、最近非常に注目されている。たとえば、金属酸化物

として定義され、R dark、R exはそれぞれ暗中および光照射下絶縁体における電界効果トランジスタ（FET）構造を用いにおける抵抗値である。ΔR のアクションスペクトルは、た電場誘起超伝導性の発現や、巨大磁気抵抗効果、ならび450nmにピークを示しており、吸収スペクトル（図 1 ）とに光誘起相転移現象を例として挙げることができる。これは形が大きく異なっている。また、試料の色が、励起光波

らの現象は、物性を理解するうえで重要な物理過程をはら長に依存して変化することが分かった。光未照射の試料はんでいる場合が多いことに加え、特異的なスイッチング素

黄色を呈しており、可視光である450nm の励起光を用いて子の開発といった応用へつながることからも注目を集めている。我々はこれまでに、金属―絶縁体相転移を示す有機
導電体の電子輸送物性に着目し、光と外部電場に対する電気伝導度の応答について研究をすすめてきた。その成果として、絶縁状態において、レーザー光パルスを照射するとともに過渡的に金属状態へ光誘起相転移が起きることを明らかにした。また、外部電場存在下レーザー光照射を行う
ことにより、電気伝導度がスイッチング現象を示すことを明らかにしてきた。
ところで、有機導電体も含めた一般的な固体において、電気伝導性を担う電荷キャリアーは電子であり、原子は格

図１．ヨウ化銀の吸収スペクトルと光照射効果、およびバルク抵抗値
変化（ΔＲ ）のアクションスペクトル。

子を形成して結晶中を自由に動き回ることはない。しかし―4―Yellow(a)

308 nm
(b)

Dark
brown

450 nm
308 nm(c)

Yellow

図２．試料のイメージ。（a）光未照射、（b）308nm の励起光照射後、（c）450nm の励起光照射後。

も色の変化はみられなかったが、紫外光である308nm の励
起光を照射すると、試料の色が褐色へと変化した（図 2 ）。
図３．(上)ヨウ化銀のインピーダンススペクトルと光照射効果。
(下)バルク抵抗値に対する光照射効果のプロット。

図2(a) は光を照射する前の状態であり、図2(b) は、308nm の光を 5 分間照射した後で観測したものである。また、308nmの光照射によって褐色へ変化した試料に、さらに450nm の

紫外光を照射することによって、可視光照射のみを行った

光を照射すると元の黄色へと戻り［図2(c)］、可逆的なフォ場合とは異なる電気伝導度へ可逆的なスイッチングを誘起

トクロミズムが見られる。308nm の光を照射した後で測定できることが示されている。したがって、光照射とその波した吸収スペクトルを図 1 に示す。紫外光照射によって測長選択によって、フォトクロミズムと同期したイオン伝導

定範囲全体にわたる吸収強度増大が生じることがわかった。

度の可逆的な制御を達成することができた。

このフォトクロミズムの原因は、紫外光照射によって銀ク(b) 蛍光寿命イメージングを用いた細胞のストレス状態

ラスターが生成するためであると考えられ、可視光照射にのその場計測よって銀クラスターが解離してしまうことが考えられる。
また、この可逆的なフォトクロミズムと同期した電気伝蛍光による細胞のイメージングにおいて、蛍光強度では導度のスイッチング現象をみいだした。図3(上) は、40Hz

なく、時間分解分光法を用いて蛍光寿命をイメージングす～5MHz の範囲で測定したインピーダンススペクトルであることにより、各種外来刺激に対する細胞内の応答機構にり、図3(下) では、インピーダンススペクトルから求めた試ついて検討している。蛍光寿命は、蛍光分子の種類および料のバルク抵抗値の値をプロットしている。450nm の可視蛍光分子の周囲の環境のみで決まり、光退色、励起光強度、光を照射［図3(上)・青色］することによって、光照射を行光学系などの実験条件には依存しない。そのために、蛍光わない場合（黒色）と比べると、インピーダンススペクト

寿命は蛍光強度に比べてはるかに定量性に優れ、蛍光寿命

ルが大きく変化することがわかる。また、450nm の励起光の僅かな変化は、蛍光分子の周囲の環境変化または蛍光分のオン・オフにともない、矢印(1)で示したように、2 つの子からの反応速度の変化に直接対応させることができる。

インピーダンススペクトル間を可逆的に変化することがわ

本年度は、改変型緑色蛍光タンパク質(EGFP)を人のがん細かった。次に、光照射効果の波長依存性について検討を行胞である HeLa 細胞に発現させ、蛍光寿命変化を用いた細うために、光照射を行わない状態から308nm の紫外光を照胞のストレス状態のその場計測および細胞ストレスに伴う射したところ、赤色で示すようなインピーダンススペクト

蛍光寿命の変化の機構について考察した。

ルが得られ、可視光照射にくらべるとインピーダンス変化

細胞ストレスの実験は、EGFP と tudor タンパク質の融合が少ないことがわかった。さらに、紫外光を照射した直後

タンパク質が発現した HeLa 細胞を用いた。図4a に EGFP-に450nm の光を照射すると、緑色のような別のスペクトル

tudor 融合タンパク質が発現したHeLa細胞の蛍光強度画像が得られ、未照射試料とは異なった挙動を示すことが明らを示す。EGFP-tudor 融合タンパク質は、tudor タンパク質かになった。図3(下) は、0 ～40分の時間範囲においては、に由来する高濃度の EGFP を含んだ顆粒を形成し、蛍光強光照射なし－450nm 照射を繰り返したときのバルク抵抗値

度画像では顆粒部分が非常に明るく観測される。対応するをプロットしており、光照射によって、可逆的な電気伝導蛍光寿命画像とその経時変化を図4b–fに示す。試料調整直度のスイッチングが生じていることを示している。また40後では、EGFP の蛍光寿命は顆粒部分に関係なく細胞内で分～80分の時間範囲においては、308nm 照射－450nm 照射ほぼ一様であり、蛍光寿命はおよそ2.5ns であった(図4b)。

を繰り返したときのバルク抵抗値をプロットしているが、しかし栄養分を与えずに空気中に放置すると、時間ととも―5―

図５．GFPuv5 における電場が OFF のときの蛍光減衰曲線 (a)、電場がON のときと OFF のときの蛍光減衰曲線の強度差 (b) および強度比 (c)。各図において、計算値を点線にて示してある。GFPuv5
は PVA 中に分散させている。励起波長、440 nm ; 蛍光波長、515 nm ; 印加電圧、0.7 MVcm-1。

図４．EGFP-tudor融合たんぱく質が発現したHeLa細胞の蛍光強度画像(a)と対応する蛍光寿命画像(b–f)。細胞を栄養分を与えずに空気中に放置させ、0 (b), 30 (c), 60 (d), 120 (e), 170 (f) 分後の蛍光寿命画像を示している。A’およびB’の領域における蛍光寿
命の時間変化および細胞Aの蛍光寿命のヒストグラムの時間変化を (g) および (h) にそれぞれ示す。細胞Aおよび領域 (A’，B’)
は強度画像 (a) に示してある。励起波長、450nm ; 蛍光波長、515–560 nm。

電場によって蛍光寿命は短くなり、0.7MV cm-1の外部電場の印加に対して、蛍光寿命が約0.5％減少することによって、外部電場が存在するときと存在しないときの蛍光減衰曲線の強度差(図5b)と強度比(図5c)の両方を再現することができた。この結果は、細胞ストレスに伴う蛍光寿命の減少が、に蛍光寿命の値が短くなる様子が観測された。特に A とラ

発色団周囲の局所電場が細胞ストレスに伴って増加したこ

ベルされた細胞において、蛍光寿命の減少が著しいことがとに起因することを示唆している。細胞ストレスに伴うタわかる(図4f)。図4g に細胞内のある領域における蛍光寿命

ンパク質の僅かな構造変化が、発色団とアミノ酸残基とのの経時変化を示す。領域(A’，B’)は図4a に示してある。A’

静電的な相互作用を変化させていると考えられる。

において寿命の変化が顕著であり、測定開始から170分後では、1.9ns まで蛍光寿命が短くなっている。細胞 A の蛍光寿

３．今後の研究の展望

命のヒストグラムの時間変化を図4h に示す。ストレスに伴い蛍光寿命が短くなり、約2.5ns から約1.9ns に中心を持つ

電場・磁場変調発光分光法、ナノ秒、ピコ秒時間分解電分布に変化する様子がわかる。これらの結果は、細胞スト

場・磁場発光分光法、さらにはフェムト秒時間分解超高速レスに伴い観測される蛍光寿命の値が短くなることを示し

発光分光法を適用することにより、光誘起電子移動、励起ている。蛍光強度のみでは、ストレスの影響を受けているエネルギー移動、光誘起プロトン移動、励起錯体形成とい細胞を見分けることは難しいが、蛍光寿命によって、そのった諸々の光化学反応への電場、磁場効果を種々の分子系場で見分けることができる。

および生体系を対象として調べ、自然界における光化学反観測された蛍光寿命の変化は、細胞ストレスに伴い、GFP

応と外場との関係をさらに明らかにする。また、光誘起電の発色団の周囲の環境が変化したことに起因する。GFP は子移動反応を示すドナー・アクセプター系を始めとする

ポリペプチド鎖で覆われたバレル構造の内部に発色団を配諸々の光化学反応系を対象に、電気・磁気的光機能物性をした構造を持ち、発色団は周囲を取り囲むアミノ酸残基と調べ、光反応への電場、
磁場効果との関係を明らかにする。

静電的な相互作用をしている。このような静電的な相互作上で述べたように広い温度領域にわたる光電流測定や伝導用の総和を局所電場とした場合、MV cm–1クラスの高電場が度の光照射効果を種々の系で調べ、光化学ダイナミクスとアミノ酸残基によって生じ、バレル構造内の発色団と相互光導電性発現との関係や EL 電界発光発現との関係を調べ作用していると考えることができる。このような高電場は、る。特に、単なる光伝導性ということではなく、究極の光発色団の無輻射緩和過程である分子内電荷移動に大きな影

機能物性というべき光誘起超伝導発現の可能性を探る。固

響を与えている。電荷移動速度は外部電場によって大きな体膜以外に、分子が比較的自由に動くことのできる溶液系

影響を受けることから、細胞ストレスに伴う発色団の周囲や生体試料にも実験を発展させ、光と電場を組み合わせての局所電場の変化が、無輻射緩和速度の変化を誘起していの分子の回転運動のコントロールや配向分子系の構築、おると考えられる。そこで我々は改変型 GFP を PVA 膜中に埋よび蛍光寿命イメージング測定や時間分解発光測定に基づ

め込み、蛍光タンパク質の蛍光減衰曲線の外部電場効果にいて生体系における反応機構および生体内電場や生体内環

ついて、実際に測定を行うことに成功した(図5a–c)。外部

境の解明を行なう。

―6―

化学、63(6) : 62-63 (2008)

４．資料
4.1

学術論文等

4.3

著書

１) T. Nakabayashi, T. Morikawa and N. Ohta : “ Direct

１) 中林孝和、太田信廣：「蛍光寿命イメージングによる細Measurements of the Electric-Field-Induced Change in

胞内環境の計測」、ナノイメージング：245-254 (2008)

Fluorescence Decay Profile of a Methylene-Linked Compound of Pyrene”, J. Photochem. Photobiol. A, 196(2-3) :4.5

227-232 (2008)

ａ．招請講演講演２) T. Nakabayashi, H.-P. Wang, K. Tsujimoto, S. Miyauchi,

１) N. Ohta : “Electric field effects on photoluminescence and

N. Kamo and N. Ohta : “Studies on Effects of External

excitation dynamics”, Dynamics and Spectrowscopy ofElectric Fields on Halobacteria with Fluorescence Inten-

Samll Molecules and Biomolecules, Taipei., Taiwan

sity and Fluorescence Lifetime Imaging Microscopies”,(2008-11)

Chem. Lett., 37(5) : 522-523 (2008)

２) T. Nakabayashi and N. Ohta : “Application of fluorescence３) K. Awasthi, M. Mizoguchi, T. Iimori, T. Nakabayashi andlifetime imaging to the investigation of cellular microenvi-

N. Ohta : “Magnetic field effect on fluorescence in aronments”, Annual Meeting of the Spectroscopical Society

mixture of N-ethylcarbazole and dimethyl terephthalate inof Japan, Sendai (2008-11)

a polymer film in the presence of electric fields”, J. Phys.

３) N. Ohta, T. Nakabayashi, I. Nagao, M. Kinjo, Y. Aoki and

Chem. A, 112(19) : 4432-4436 (2008)

M. Tanaka : “Fluorescence lifetime imaging study of a４) T. Nakabayashi, H.-P. Wang, M. Kinjo and N. Ohta :single cell: Stress-induced environmental change and“Application of fluorescence lifetime imaging of enhanced

electric field effects on fluorescence”, SPIE, San Jose,

green fluorescent protein to intracellular pH measure-

California, USA (2009-01)

ments”, Photochem. Photobiol. Sci., 7(6) : 668-670 (2008)４) 太田信廣：「蛍光寿命イメージング測定から得られる細５) T. Nakabayashi, I. Nagao, M. Kinjo, Y. Aoki, M. Tanaka

胞内情報」、日本化学会第 2 回関東支部大会、群馬大学

and N. Ohta : “Stress-Induced Environmental Changes in(2008-09)

a Single Cell as Revealed by Fluorescence Lifetime Imag-

５) N. Ohta : “Time-Resolved Emission Measurements ining”, Photochem. Photobiol. Sci., 7(6) : 671-674 (2008)

Polymer System and Biological System”, Indian Associa-

６) T. Nakabayashi, M. Kinjo and N. Ohta : “Electric Field

tion for the Cultivation of Science (IACS), Kalkata

Effects on Fluorescence of the Green Fluorescent Pro-

(2009-03)tein”, Chem. Phys. Lett., 457(4-6) : 408-412 (2008)６) N. Ohta : “Application of Time-Resolved Emission Meas-

７) K. Rahima, S. Kashiwagi and T. Iimori, N. Ohta : “Re-urements to Polymer System and Biological System”, Idian

versible photoswitching behavior inbulk resistance and in

Institute of Technology (IIT), Delhi, (2009-03)

color of polycrystalline AgI at room temperature”, Appl.

７) 中林孝和、太田信廣：「ポリマー中における色素分子発Phys. Lett., 93 : 234102-234104 (2008)

光スペクトルへの電場効果と光励起ダイナミクス」、有８) M. S. Mohan and T. Iimori, N. Ohta : “ Elec-

機エレクトロニクスに関する北大-名大合同研究会、札

tric-field-induced changes in fluorescence decay and幌（2008-10）

spectrum of tris(8-hydroxyquinoline)aluminum in a polmer８) 中林孝和：「凝縮相の高速ダイナミクスの解明と細胞内film”, Chem. Phys. Lett., 457(1-3) : 62-65 (2008)

現象への展開」、
日本化学会北海道支部2009年冬季研究

９) K. Awasthi, T. Iimori and N. Ohta : “Fluorescence of

発表会、札幌（2009-02）

electron donor-acceptor pairs of N-ethylcarbazole and９) T. Nakabayashi : “Studies on Microenvironment in a Single

1,3-dicyanobenzene in the presence of electric field andCell Using Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy”,

magnetic field”, Chem. Phys. Lett., 470(4-6) : 219-223

Recent Advances in Fluorescence Spectroscopic Methods(2009)

for Biological and Chemical Systems, Sapporo (2009-02)
ｂ．一般講演4.2

総説・解説・評論等

ⅰ）学会

１) 飯森俊文、アワスティ カムレシュ、太田信廣：「低温１) 中林孝和、金城政孝、太田信廣：「緑色蛍光タンパク質

電場吸収・電場発光スペクトル測定装置の開発と光誘の光励起ダイナミクスの外部電場効果」、
第24回化学反起電子移動反応研究への応用」、分光研究、57(4) :応討論会、札幌 (2008-06)
２) Awasthi Kamlesh、飯森俊文、中林孝和、太田信廣：

198-200 (2008)
２) 飯森俊文、太田信廣：「四次元超高速電子顕微鏡で構造「Magnetic field effect on fluorescence in a mixture of

相転移を探る-究極の時間分解イメージング測定法」、

N-ethylcarbazole and dimethyl terepthalate in a polymer―7―

film in the presence of electric fields」、第24回化学反応討

15) 飯森俊文、内藤俊雄、太田信廣：「有機超伝導体・-論会、札幌 (2008-06)（BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br の Tc 近傍における電気伝３) 飯森俊文、田山純平、Mohan S. Mehata、中林孝和、太導 度 の 光 応 答 」、 第 2 回 分 子 科 学 討 論 会 、 福 岡 市

田信廣：「外部電場を用いた凝縮系における分子の配向(2008-09)

制御：電場変調吸収分光法による電場配向状態の観測」、
第24回化学反応討論会、札幌 (2008-06)

16) 伊藤 寿之、中林孝和、孫 凡、金城 政孝、太田信廣：「蛍光寿命イメージング測定による HeLa 細胞内ダイ

４) N. Ohta, T. Nakabayashi, H.-P. Wang and M. Kinjo：

ナミクスの観測」、第 2 回分子科学討論会、福岡市“Fluorescence Lifetime Imaging Study on Living Cells with

(2008-09)

Particular Regard to Electric Field Effects and pH De-17) 中畑 喬之、飯森俊文、内藤 俊雄、太田信廣：「有機超

pendence”, XXII IUPAC2008, Gothenburg, Sweden

伝導体 ß-(BEDT-TTF)2I3 の電気伝導度における光照
射効果」、第 2 回分子科学討論会、福岡市 (2008-09)(2008-07 ～ 2008-08)
５) 中林孝和、金城 政孝、太田信廣：「緑色蛍光タンパク18) Awasthi Kamlesh、Hamada Tatuo、飯森俊文、太田信廣：質の蛍光スペクトルおよび蛍光寿命の外部電場依存「Electric field effect on fluorence in methylene linked

性」、2008年光化学討論会、堺 (2008-09)

compounds of pyrene and phthalimide:D-A distance dependence and tem-perature dependence」、第 2 回分子科

６) 四辻剛史、中林孝和、小川和也、廣田俊、小夫家芳明、

学討論会、福岡市 (2008-09)

太田信廣：「ポルフィリンおよびフタロシアニン超分子19) N. Ohta, Kamlesh Awasthi, T. Iimori and T. Nakabayashi :の電場吸収スペクトル」、2008年光化学討論会、堺“Synergy Effects of Electric Field and Magnetic Field on(2008-09)
７) Awasthi Kamlesh、飯森俊文、中林孝和、太田信廣：

Field on Fluorescence in Photoinduced Electron Transfer「Synergy effects of electric field and magnetic field on

Systems in a Polymer Film”, The 5th Asian Photochemistry Conference, Beijin, China (2008-11)

excitation dynamics in a mixture of N-ethylcarbazole and20) T. Iimori, T. Naito, and N. Ohta : “Control of Electricalsome acceptor molecules」、2008年光化学討論会、堺Conductivity in Organic Conducor Using Photoexcitation(2008-09)
８) 伊藤寿之、中林孝和、孫 凡、金城政孝、太田信廣：「蛍and Pulsed Electric Fields: a Novel Optoelectronic Func-

光寿命イメージングによるEGFPが発現したHeLa細胞tion”, The 5th Asian Photochemistry Conference, Beijin,のアポトーシス過程の観測」、2008年光化学討論会、堺China (2008-11)21) 飯森俊文、カートン ラヒマ、太田信廣：「Reversible(2008-09)
９) MEHATA Shingh Mohan、太田信廣、HSU Shu Chain、

photoswitching in ionic conductivity of polycrystalline Agl

LEE Perrn Yuan : 「External electric effects on stateat room temperature」、PIPT2008、Osaka、USA (2008-11)

energy and photoexcitation dynamic of polyfluorene :22) N. Ohta, T. Iimori and T. Naito : “Memory effect ofField-induced changes in decay profile」、2008年光化学討

photoinduced conductivity switching controlled by pulsed論会、堺市 (2008-09)

voltages in a molecular conductor”, PIPT2008, Osaka10) 飯森俊文、内藤 俊雄、太田信廣：「有機伝導体の光ス(2008-11)

イッチングにおけるパルス電場制御メモリー効果：光23) T. Nakabayashi and N. Ohta : “Effects of Semitransparent

制御と熱効果の検討」、2008年光化学討論会、堺市

Metal Substrates on Confocal Reflection Interference(2008-09)

Contrast Images of Non-Fluorescent Bio-Systems and11) KHATON Rahima、飯森俊文、太田信廣：「Photoirradiation

Polymers”, Annual Meeting of the Spectroscopical Society

effects on the ionic conduc-tivity of polycrystalline ß-AgI

of Japan, Sendai (2008-11)

at room tem-perature」、2008年光化学討論会、堺市

24) 大下周吾、伊藤寿之、中林孝和、太田信廣、孫 凡、金(2008-09)

城政孝：「蛍光寿命イメージング測定による HeLa 細胞12) 飯森俊文、内藤 俊雄、太田信廣：「有機超伝導体の電の細胞ダイナミクスの観測(1)」、化学系学協会北海道

気伝導度における光照射効果」、2008年光化学討論会、
堺市 (2008-09)

支部2009年冬季研究発表会、札幌 (2009-02)
25) 大下周吾、伊藤寿之、中林孝和、孫 凡、金城政孝、太13) 中林孝和、太田信廣：「赤外吸収スペクトルの外部電場

田信廣：「HeLa 細胞のアポトーシスおよび分裂過程の効果を用いた巨大分子の構造解析」、第2回分子科学討

蛍光寿命イメージング測定」、日本化学会第89春季年会、論会、福岡 (2008-09)

東京 (2009-03)

14) 大島 瑠利子、浜田 辰夫、中林孝和、飯森俊文、太田
信廣：「一光子励起発光を示す金ナノクラスターの蛍光4.6スペクトルへの外部電場効果」、第 2 回分子科学討論会、

１) 太田信廣：「第24回化学反応討論会」、北海道大学学術福岡市 (2008-09)

シンポジウムの開催
交流会館 (札幌市) (2008年6月2日～2008年6月4日)―8―２) T. Nakabayashi : “Recent Advances in Fluorescence

域委員会委員（2007年6月1日～2008年5月31日）

Spectroscopic Methods for Biological and Chemical Sys-ｂ．国内外の学会の役職

tems” 北海道大学 (札幌市) (2009年2月27日)

１) 太田信廣：光化学協会理事
２) 太田信廣：分子科学会幹事

4.7

予算獲得状況

３) 太田信廣：平成19年度日本化学会北海道支部学会賞、ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、学術賞等推薦委員

期間）４) 太田信廣:日本分光学会生細胞分光部会幹事

１) 太田信廣、基盤研究 (A) 光と電場による反応制御と新５) 太田信廣：日本分光学会平成20年度推薦委員会委員

奇外場応答で能物性の発現（2008～2011年度）

６) 中林孝和：日本分光学会編集委員会委員

２) 太田信廣、特定領域研究、金属および半導体ナノ粒子

ｅ．大学院担当講義科目の外部電場硬化による発光制御

１) 環境科学院、環境物質科学実習Ⅰ、太田信廣
２) 環境科学院、環境物質科学実習Ⅱ、太田信廣

３) 太田信廣、特別研究員奨励費、光励起ダイナミクス及び分子運動への外部電場効果（2007～2009年度）

３) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅰ、太田信廣

４) 太田信廣、特別研究員奨励費、新奇ナノ物質・ナノ複４) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅱ、太田信廣

合体におけるフォトルミネッセンスへの外部電場効果

５) 環境科学院、環境物質科学特別研究Ⅰ、太田信廣（2008～2010年度）

６) 環境科学院、環境物質科学特別研究Ⅱ、太田信廣
７) 大学院共通講義、ナノテクノロジー・ナノサイエンス

５) 中林孝和、若手研究Ａ、時間分解顕微吸収イメージン

概論、太田信廣

グシステムによる非蛍光性の生体試料の画像観測

８) 環境科学院、環境物質科学実習Ⅰ、中林孝和（2006～2008年度）

９) 環境科学院、環境物質科学実習Ⅱ、中林孝和

６) 中林孝和、萌芽研究、非線形分子分光技術を用いた細胞イメージングシステムの開発（2008～2009年度）

10) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅰ、中林孝和

ｂ．奨学寄付金（研究担当者、機関名、研究課題、研究期

11) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅱ、中林孝和
12) 環境科学院、環境物質科学特別研究Ⅰ、中林孝和間、総経費、研究内容）

13) 環境科学院、環境物質科学特別研究Ⅱ、中林孝和

１) 中林孝和、分子科学研究奨励森野基金運営委員会、凝14) 大学院共通講義、ナノテクノロジー・ナノサイエンス

縮相分子の微視的構造と高速ダイナミクスに関する実概論、中林孝和

験的・理論的研究、2007年～
２) 中林孝和、北海道大学電子科学研究所、Development of15) 環境科学院、環境物質科学実習Ⅰ、飯森俊文

Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy to the Inves-

16) 環境科学院、環境物質科学実習Ⅱ、飯森俊文

tigation of Cellular Microenvironments、2008年度

17) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅰ、飯森俊文

ｃ．海外機関との共同研究

18) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅱ、飯森俊文

１) 太田信廣、日台共同研究事業（財団法人交流協会）、電19) 環境科学院、環境物質科学特別研究Ⅰ、飯森俊文

場注入発光機構の解明とエレクトロルミネッセンス発20) 環境科学院、環境物質科学特別研究Ⅱ、飯森俊文

光素子の開発、2008年度

21) 環境科学院、光分子化学特論、太田信廣

２) 太田信廣、日印二国間交流事業, 金属ナノクラスター

22) 環境科学院、光分子化学特論、中林孝和の光学特性への電場効果, 2008年～2009年度
ｄ．民間との共同研究
１) 太田信廣、富士フィルム、癌をターゲットとして自家
蛍光寿命イメージング技術の研究（2007年～2008年）
4.8

受賞

１) 太 田 信 廣 ： Bimala Churn Law Memorial Lectureship,
Award, IACS, Kolkata, India, 2009年3月
２) 中林孝和：平成20年度日本化学会北海道支部奨励賞、
日本化学会北海道支部、2009年2月
4.10

社会教育活動

ａ．公的機関の委員
１) 太田信廣、日本学術振興会科学研究費委員会、専門委
員
２) 太田信廣、科学系研究設備有効ネットワーク北海道地―9―ソースとしての必要性が増し続けている量子情報処理分野の発展に貢献することが期待できる。
教授 竹内繁樹（京大院、理博、2007.6～）

実験の結果、2 つの光子が共に横偏光 (HH)、共に縦偏光

准教授 辻見裕史（北大院、理博、2007.6～）(VV) の場合は透過し、一方が、縦偏光で、もう一方が横偏助

教 岡本亮（北大院、工博、2007.8～）

光(HV or VH)の場合、遮断されていることが確認できた（図助

教 藤原正澄（大阪市立大学、理博、2009.1～）1(c)）。これは、構築したフィルタが個々の光子の偏光に対

客員研究員
院

Jeremy L. O'Brein (2009.1～)

してではなく、2 つの光子の偏光の相関に対して作用して生いることを意味する。

博士課程
永田智久
修士課程
浅井健志、上田哲也、谷田真人、中村真一郎、佐藤功亮

１．研究目標本研究分野では、光子 1 粒 1 粒を発生させ、その状態間の量子相関を自在に制御することで、これまでの「光」を超える「新しい光」の実現と応用について実験的な研究を行っている。光子を自在に制御、検出するために、ナノス
ケールの微小光デバイスの研究と、その光量子デバイスや単一光子源の実現について研究している。また、応用としては、光子を操る量子コンピュータ・光量子回路のほか、通常の光の限界を超えた「光計測」、「光リソグラフィー」の研究に主に実験的に取り組んでいる。また、量子コンピ
ュータや量子暗号通信の実現に向けて、量子力学的なもつれ合いをもつ光子対の発生や制御、高効率な光子検出装置

図１．(a) もつれ合いフィルタ実験系概念図：S1, S2から光子を１つづづ入力。 (b) 横/縦偏光を入力し、横/縦偏光で測定した場合の出力の確率分布の理想的な場合。 (c) 横/縦偏光を入力し、横/縦偏光で測定したカウント数。縦軸は、４光子同時計数を 800s 積
算したもの。

の開発、光子情報処理システムのプロトタイプの構築に取(b) Gouy 位相を用いた軌道角運動量量子相関の検出

り組んでいる。

これまで、量子もつれ合いの理論的研究及び、検証実験

また、物質が相転移を起こすときには、その物質に隠れは、光子の偏光といった 2 状態量子系にほぼ限られていた。

ていた特性が顕在化する。この顕在化した特性の動的な原

しかし、近年、よりノイズに強いことや、より安全性の高因を究明することにより、高機能特性を持つ電子材料を創い量子暗号プロトコルを実現可能なことから多次元量子状世する設計指針を得ることも目的としている。

態が注目されている。光子で多次元量子状態を実現する最も有力な候補が、軌道角運動量を用いる方法である。光子は、等位相面を螺旋状にとることで、軌道角運動量を持つ

２．研究成果ことができ、その量子化された運動量を使って、多次元量(a) もつれ合いフィルタの実現

子状態を作ることができる。

近年、もつれ合いは興味深い現象としてだけではなく、

我々は、軌道角運動量の量子もつれ合い状態を生成し、量子情報処理分野における重要なリソースとして認識されその異なる基底間の位相を Gouy 位相という幾何学的位相つつある。例えば、複数粒子のもつれ合い状態を生成し、を用いて制御することに成功した（図 2 ）。

それに対して観測と個々の粒子への操作を行うことで量子計算を実行する方法が示されている。また、量子暗号では光子にのせた量子状態の伝送距離を大幅に延長するためにもつれ合い状態を用いる方法が注目されている。
我々は 2 つの光子がある特定のもつれ合いにある状態のみ抜き出す「フィルタ」を、線形光学素子を用いた量子回路により実現した（図1(a)）。もつれ合いフィルタを用いることで、もつれ合った状態の生成、測定、劣化した状態の純化といったもつれ合い状態の操作が可能になる。この

図２．Gouy 位相を変化させたときの軌道角運動量重ね合わせ状態の変化。(a)→(g) へ Gouy 位相が変化。

ようなもつれ合いフィルタの開発は、もつれ合い状態のリ― 10 ―

(c) 極低温下での微小球共振器とテーパファイバのカッを正確に分離して測定することができると考えられる。

プリング技術の確立
テーパファイバ結合微小球は、ガラス微小球による高いＱ値とテーパファイバからの近接場的な光入出力により、高効率光入出力が可能な微小光共振器デバイスとして注目されている。特に、共振器内に単一発光体を導入して非線形光学効果を格段に高める事が可能であり、これを用いる
ことで量子位相ゲートが実現可能であると期待されている。
現状の大きな問題として、安定した動作が期待される固体
単一発光体ではフォノンの影響により励起状態のコヒーレ
ンス時間が短い事があげられる。これを克服するために、
微小球共振器とテーパファイバを液体ヘリウムクライオス
タットに実装し、極低温下で結合させる必要がある。
我々は、これを実現するために特性のクライオスタット

図４．オーバーカップリング状態における位相シフトスペクトルの計算結果と実験結果。

を導入し、温度 8K でテーパファイバと微小球の結合に成功した（図 3 ）。極低温下でのテーパファイバと微小球の結(e) リラクサー強誘電体 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 の Raman 散乱合が可能なのは、我々の他にカルフォルニア工科大学、マックスプランク量子光学研究所があげられるが、637 nm とPb(Zn1/3Nb2/3)O3 において、強誘電性ソフトモード（FE モ

いう可視光領域で実現したのは我々が初めてである。このード）が存在するという中性子散乱実験の報告がある。一637 nm の波長領域は後述のダイヤモンド窒素欠陥（NV セ

方、FE モードは存在しないという Raman 散乱実験の報告がンター）の励起に不可欠であり、量子位相ゲート実現へのある。そこで、高分解能 Raman 散乱を行なった。図 5 に大きな進展である。

Raman モードの周波数の温度依存性を示した。A、B、E モ
ードは E 対称性の光学モード、F モードは E 対称性のサイ
レント光学モードであり、これまで報告されている結果と良い一致を示している。問題は C、D モードである。これまで、これらのモードは 1 つのモードと考えられていて、その周波数は C、D モードの中間に位置しており、中性子散乱で報告されている FE モードの周波数とは明らかに異なるので、Raman 散乱では FE モードが見つからないとされていた。今回の高分解能実験で、このモードが 2 つの成分
（C、D モード）から成り立っていることを発見し、そしてC モードの周波数が中性子散乱で報告されている FE モー

図３．テーパファイバ結合微小球共振器の透過スペクトルドの周波数に近いこと（中性子散乱の実験精度を考えれば一致していると言える）が判明した。ただ、C モードは明(d) テーパファイバ結合微小球共振器における位相シフ

らかにソフト化していない（周波数がゼロになっていない）。

トスペクトルの測定
テーパファイバ結合微小球共振器を量子位相ゲート等のしたがって、中性子散乱実験で示された実験結果の解釈は

量子情報デバイスへ応用するためには、テーパファイバ結

間違いであり、FE モードとされたモードは FE モードでな

合微小球共振器単体の、共鳴に伴う光位相シフトを十分にいと結論づけた。

理解・制御することが必要である。そこで我々は、その光-1

Frequency shift (cm )位相シフトの周波数依存性の測定を行った。直径600nm～
1µm のテーパファイバに、直径80～200µm の微小球を近接させ、光ファイバの入射偏光角度を斜め45°
直線偏光に固定した状態で、波長を780nm 近傍で掃引し、微小球共鳴モードにおける透過光の偏光状態を測定した。出射光の偏光状態からストークスパラメータのスペクトルを取得し、位相シフト量を導出した。位相シフトスペクトルは、球とファイバの結合状態に依存する。本研究の結果から、アンダー

300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40

F

E

D
C
B
A

0

カップリング状態からオーバーカップリング状態へと結合

100

200

300

Temperature (deg.)状態が転移したことを確認した（図はオーバーカップリン

図５

グ状態に対応する）。これにより、量子力学的な位相の変化― 11 ―

400

4.2

３．今後の研究の展望

総説・解説・評論等

１) 竹内繁樹：「光子の量子状態を自在に操る－光量子ゲー

本研究分野では現在、総務省戦略的情報通信研究開発推トと光量子回路－」、レーザー研究、36(8)：482-486

進制度、科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業のプロ(2008)

ジェクトとして「光子間の高効率固体量子位相ゲートの実

２) 高島秀聡、藤原英樹、笹木敬司、竹内繁樹：「ファイバ

現に関する研究」、「多光子量子演算ゲートの研究」の研究

ー結合微小球共振器を用いた固体量子位相ゲートの実を実施している。また、科学研究費課題として、「群速度エ

現に向けて」、光学、社）応用物理学会分科会日本光学

ンジニアリングによる、時空間単一モード光子源の実現と会、37(12)：686-691 (2008)

応用」の研究を遂行してきた。これらのプロジェクトの展

３) 竹内繁樹：「光量子 IC の出現」
、物理科学雑誌 パリテ開として、(a) 光子を用いた線形量子計算の実現、(b) テー

ィ、㈱丸善、24(1)：11-12 (2009)

パファイバー結合微小球を用いた単一光子制御デバイスの開発、(c) パラメトリック蛍光対を用いた光子数状態の制

4.6

御、(d) 輻射場を制御した単一分子の分光計測、(e) 高量子

１) 竹内繁樹：特願2009-028429、周期構造等を付加したテ

効率光子数検出器の開発と特性解析、(f) もつれ合い光子

特許ーパー光ファイバ、2009年2月10日

を用いた量子リソグラフィー要素技術開発、(g) 単一光子制御デバイスの作製と特性解析等の研究テーマを遂行する

4.7

予定である。また、量子相転移に関連して、量子常誘電体ｉ）学会が示す特異な異常現象と、それをモディファイした物質で

１) S. Takeuchi, D. Kawase, Y. Miyamoto, M. Takeda, and K.

発現する超伝導状態とを、時空間スケーリングの観点から

Sasaki : “Observing quantum correlation of photons in

統一的に解釈して行く。さらに、磁性体で見られる量子臨

Laguerre-Gaussmodes using the Gouy phase”, 17th In-

界現象との関わりを追求する。

ternational Laser Physics Workshop(2008), Norwegian

講演

University of Science and Technology, Norway (2008-06)
２) K. Sasaki, Y. Kawabe, H. Fujiwara, R. Okamoto, and S.

４．資料
4.1

Takeuchi : “SPATIAL INTERFERENCE FRINGE OF

学術論文等

ENTANGLED TWO-PHOTON PROCESS BEATING

１) R. Okamoto, H. F. Hofmann, T. Nagata, J. L. O'Brien, K.

THE DIFFRACTION LIMIT”, XXII IUPAC SYMPOSIUM

Sasaki and S. Takeuchi : “Beating the standard quantum

ON PHOTOCHEMISTRY, Gothenburg Convention Cen-

limit: phase super-sensitivity of N-photon interferome-tre, Sweden (2008-07)

ters”, New Journal of Physics, 10 : 073033-1-073033-9３) H. Fujiwara, T. Chiba, J. Hotta, S. Takeuchi, and K.

(2008)

Sasaki : “DYNAMICAL ANALYSIS OF TRIPLET LIFE-

２) D. Kawase, Y. Miyamoto, M. Takeda, K. Sasaki and S.

TIME OF SINGLE MOLECULES USING PHOTON IN-

Takeuchi : “Observing Quantum Correlation of Photons in

TER-DETECTION TIME RECORDING”, XXII IUPAC

Laguerre-Gauss Modes Using the Gouy Phase”, Phys. Rev.

SYMPOSIUM ON PHOTOCHEMISTRY, Gothenburg

Lett., 101 : 050501/1-050501/4 (2008)

Convention Centre, Sweden (2008-07)

３) R. Okamoto, J. L. O'Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

４) D. Kawase, Y. Miyamoto, M. Takeda, K. Sasaki and S.

Sasaki and S. Takeuchi : “An Entanglement Filter”, Sci-

Takeuchi : “Controling photonic qubits using geometricalence International, 323 : 483-485 (2009)

phase”, SPIE Optics＋Photonics2008, San Diego Con-

４) D. Kawase, Y. Miyamoto, M. Takeda, K. Sasaki and S.

vention Center, USA (2008-08)

Takeuchi : “Effect of high-dimensional entanglement of５) R. Okamoto, J. L. O’Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

Laguerre-Gaussian modes in parametric down conversion”,

Sasaki, and S. Takeuchi : “Demonstration of a non-local

Journal Of Optical Society Of America B, 26(4) : 797-804

quantum filter”, The Ninth International Conference on(2009)QCMC2008, University of Calgary, Canada (2008-08)

５) Y. Tsujimi, H. Uwe, and H. Minami : “Broad Doublet and６) T. Nagata, R. Okamoto, H. F. Hofmann, K. Sasaki, andPlasmon Peak in Perovskite-type Oxides”, Ferroelectrics,

S.Takeuchi : “Analysis of errors in an optical Controlled-

367: 95-101 (2008)

NOT gate”, The Ninth International Conference on６) Y. Tsujimi, H. Uwe, and H. Minami : “Plasmon-LO pho-

QCMC2008, University of Calgary, Canada (2008-08)

non coupled modes in Nb-doped Strontium Titanate”,

７) 上田哲也、石川綾子、高島英聡、藤原英樹、松尾保孝、

Ferroelectrics, 375: 148-155 (2008)

居城邦治、笹木敬司、竹内繁樹：「単一オリゴヌクレオ
チド/銀ハイブリッドナノ粒子の発光特性解析」、2008
中部大学春日井秋季 第69回応用物理学会学術講演会、― 12 ―

キャンパス (2008-09)

International Symposium, Icho Hall Osaka University８) H. Takashima, H. Fujiwara, S. Takeuchi, K. Sasaki, and M.

(2008-09)

Takahashi : “Analysis of input-output characteristic of５) 竹内繁樹：「高効率固体量子位相ゲート素子の実現に向fiber-coupled microsphere laser using rate equations”,

けて」、第 3 回量子 ICT 運営会議、メルパルク東京

EOS Annual Meeting 2008, Villepinte, Parc d'expositions(2008-09)

et Centre de Conventions - Paris, France (2008-09)

６) 岡本亮、笹木敬司、竹内繁樹：「非局所量子フィルタ

９) S. Takeuchi : “Photon juggling for quantum information
processing

andquanttummetrology”,の検証実験」、アライアンス G2International

分科会、東京工業大学すずかけ台キャンパス (2008-10)

Workshop on Fundamentals of Light-Matter Interaction,７) 谷田真人、永田智久、岡本亮、笹木敬司、竹内繁樹：「高Recife-PE Brazil Hotel Atlante Plaza, Brazil (2008-10)

い 2 光子干渉性を持つ伝令付単一光子源の実現」、第1910) 青木俊介、宮本洋子、川瀬大輔、竹内繁樹、Susanne

回量子情報技術研究会 (QIT19)、大阪府立大学中百舌鳥

Zwick、武田光夫、笹木敬司： 「光子の軌道角運動量

キャンパス

学術交流会館 (2008-11)

重ね合わせ状態検出における余分な方位角成文の影響

８) 岡本亮、H.F.Hofmann、永田智久、J. L. O’Brien、笹木Ⅱ」、日本光学会年次学術講演会2008、つくば国際会議

敬司、竹内繁樹：「多光子干渉を用いた位相測定と位相

場 (2008-11)

感度」、第19回量子情報技術研究会 (QIT19)、大阪府立

11) R. Okamoto, and S. Takeuchi : “Quantum metrology using

大学中百舌鳥キャンパス 学術交流会館 (2008-11)

entangled photons”, SPIE Photonics West (2009), San

９) 浅井健志、高島秀聡、藤原英樹、笹木敬司、竹内繁樹：

Jose Convention Center, USA (2009-01)「テーパファイバ結合微小球共振器の共鳴モードにお12) 高島秀聡、浅井健志、藤原英樹、笹木敬司、竹内繁樹：「低温でのテーパーファイバーと微小球共振器とのカ

け る 光 位 相 シ フ ト 」、 第 19 回 量 子 情 報 技 術 研 究 会(QIT19)、大阪府立大学中百舌鳥キャンパス

ップリング」、日本物理学会2009年春季第64回年次大会、学術交流

会館 (2008-11)
10) 中村真一郎、笹木敬司、竹内繁樹：「周期構造を導入し立教大学池袋キャンパス(2009-03)

たテーパ光ファイバ」、第19回量子情報技術研究会

13) 辻見裕史、植寛素：「ペロフスカイト系酸化物における(QIT19)、大阪府立大学中百舌鳥キャンパス

ブロードダブレットとプラズモンⅢ」、日本物理学会第学術交流

会館 (2008-11)

63回年次大会、近畿大学（2008-3）
14) Y. Tsujimi, H. Uwe, H. Mianmi: “Broad Doublet Spectra11) R. Okamoto, J. L. O'Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

and Anomalous Light Scatterings in Quantum Paraelectric

Sasaki, and S. Takeuchi : “Realization of non-local quan-States of SrTiO3 and Nb-doped SrTiO3”, The 6th Asiantum fiter”, International Symposium on Physics of quantum

Meeting on Ferroelectrics, Taipei, Taiwan (2008-8)

information processing, Nara Prefectural Public Hall15) 辻見裕史、植寛素、南英俊: 「ペロフスカイト系酸化(2008-11)

物におけるブロードダブレットとプラズモンⅣ」、日本

12) R. Okamoto, J. L. O’Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

物理学会2008年秋季大会、岩手大学（2008-9）

Sasaki, and S. Takeuchi : “Beating standard quantum limit:ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ

The sensitivity of N photon interferometers”, International

１) S. Takeuchi : “Photon juggling for quantum information

Symposium on Physics of quantum information processing,processing and quanttum metrology”, International Nano-

Nara Prefectural Public Hall (2008-11)

Optoelectoronic Workshop 2008, Lake Saiko and Shonan13) T. Asai, H. Takashima, H. Fujiwara, K. Sasaki and S.

Village,Japan (2008-08)

Takeuchi : “Micro-sphere resonator coupled with a ta-

２) T. Asai, H. Takashima, H. Fujiwara, K. Sasaki, and S.

pered for quantum information processing”, International

Takeuchi : “Optical Phase Shift Observed in a ResonanceSymposium on Physics of quantum information processing,Mode of a Tapered-Fiber Coupled with a Microsphere

Nara Prefectural Public Hall (2008-11)

Resonator”, 4th Handai Nanoscience and Nanotechnology

14) T. Nagata, R. Okamoto, H. F. Holger, K. Sasaki and S.

International Symposium, Icho Hall Osaka University

Takeuchi : “Toward high-fidelity operation of linear-optics(2008-09)

quantum gates”, International Symposium on Physics of３) M. Tanida, T. Nagata, R. Okamoto, K. Sasaki, and S.

quantum information processing, Nara Prefectural Public

Takeuchi: “Hong-Ou-Mandel Dip with IndependenceHall (2008-11)

Heralding Single Photon Sources” 4th Handai Nanoscience15) M. Tanida, T. Nagata, R. Okamoto,K. Sasaki, and S.

and Nanotechnology International Symposium, Icho Hall

Takeuchi : “Highly-pure heralding single-photon sources

Osaka University (2008-09)

for linear optics quantum computation”, International

４) S. Takeuchi : “Quantum information processing using

Symposium on Physics of quantum information processing,photons”, 4th Handai Nanoscience and Nanotechnology

Nara Prefectural Public Hall (2008-11)― 13 ―

16) S. Takeuchi : “Toward large-scale optical quantum cir-

26) R. Okamoto, J. L. O'Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

cuits-Activity of Hokkaido University Group,a sub-group

Sasaki and S. Takeuchi : “Evaluation of an entanglementof Imoto Team-”, International Symposium on Physics offilter”, The 12th SANKEN International Symposium Joint

quantum information processing, Nara Prefectural Public

Meeting of The 7th SANKEN Nanotechnology CenterHall (2008-11)

Symposium The 2nd SANKEN MSTeC Symposium The 1st17) D. Kawase, Y. Miyamoto, M. Takeda, K. Sasaki and S.

SANKEN Alliance Symposium, Convention Center, Osaka

Takeuchi : “Manipulation of optical quNits using geomet-

University (2009-01)

rical phase”, International Symposium on Physics ofⅲ）コロキウム・セミナー等・その他

quantum information processing, Nara Prefectural Public１) 竹内繁樹：「光量子回路の実現と応用－量子もつれ合いHall (2008-11)フィルタの実現－」、第11階ナノ量子情報エレクトロニ18) S. Takeuchi : “Photon juggling for quantum information

クスセミナー、東京大学

processing and quanttum metrology”, Workshop on In-

駒場Ⅱキャンパス(2008-12)

formation,Nano and Photonics Technology 2008, Kobe
University (2008-11)

4.919) S. Takeuchi : “Optical quantum circuits and nano-

共同研究

ａ．海外機関との共同研究

photonic devices for quantum information and quantum１) 英国ブリストル大学 (Prof. Jeremy O'Brien)

metrology”, The 10th RIES-Hokudai International Sym-

２) 独国フンボルト大学 (Prof. Oliver Benson)

posium on “綾” [aya], Hokkaido University Conference３) 米国デューク大学 (Prof. Jungsang Kim)

Hall (2008)-12)

ｂ．所内共同研究

20) R. Okamoto, J. L. O'Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

１) 光システム計測研究分野（笹木敬司教授、藤原英樹准

Sasaki and S. Takeuchi : “Evaluation of an entanglement

教授）と密接に共同研究を実施した

filter”, The 10th RIES-Hokudai International Symposium２) バイオ分子ナノデバイス研究分野（居城邦治 教授、松on “ 綾 ” [aya], Hokkaido University Conference Hall尾保孝 助教）単一オリゴヌクレオチド/銀ハイブリッ(2008)-12)

ドナノ粒子の発光特性解析に関して共同研究を実施し21) 竹内繁樹、
岡本亮：「光子を用いた量子情報通信処理」、

た

ポストシリコン物質・デバイス創製基盤技術アライア

ｃ．民間等との共同研究

ンス：「量子暗号通信技術の
１) 竹内繁樹（三菱電機株式会社）

平成20年度成果報告会、北海道大学 学術交流

盤技術開発とシステム化」、2007年度、4000千円、光フ

会館 (2008-12)22) 藤原英樹、竹内繁樹、笹木敬司：「ポリマーフィルム中ァイバー通信を利用した量子暗号通信システムを開発

単一分子の発光ダイナミクスの時間応答解析」、
ポスト

し、通信の実証実験を行う。また、通信波長帯での高シリコン物質・デバイス創製基盤技術アライアンス

効率の検出器の検討及び作成を行い、長距離通信系へ

平成20年度成果報告会、北海道大学の適用を検討する。

学術交流会館ｄ．受託研究(2008-12)

１) 竹内繁樹、ホフマン F. ホルガ、ソージャエフ アレク23) 竹内繁樹：「Q&A で考える量子暗号とその未来」、2009
年 暗号と情報セキュリティシンポジウム (SCIS 2009)、

サンドレ、岡本亮（科学技術振興機構 戦略的創造研究

大津プリンスホテル (2009-01)推進事業「量子情報処理システムの実現を目指した新24) T. Nagata, R. Okamoto, H. F. Hofmann, K. Sasaki and S.

技術の創出」）：「多光子量子演算ゲートの研究」、2003

Takeuchi : “Toward high-fidelity operation of linear-optics～2008年度、5 光子以上のゲート実現と量子回路、テquantum gates”, The 2nd International Symposium on

レポーテーション的リピーター、制御 NOT の新提案及Global COE Program of Center for Next-Generation In-

び実現、単光子状態発生及びフォトンカウンティング

formation Technology Based on Knowledge Discovery and

技術発展、マルチパーティコンピューテーションへ多光子及びフォトンカウンティング技術

Knowledge Federation(GCOE-NGIT2009), International２) 竹内繁樹、笹木敬司、藤原英樹、ホフマン F ホルガ

Conference Hall,Hokkaido University (2009-01)
25) T. Nagata, R. Okamoto, H. F. Hofmann, K. Sasaki and S.

（戦略的情報通信研究開発制度（SCOPE）特定領域重

Takeuchi : “Toward high-fidelity operation of linear-optics

点型研究開発（情報通信新技術・デバイス技術））：「光

quantum gates”, The 12th SANKEN International Sympo-

子間の高効率固体量子位相ゲート素子の実現に関するsium Joint Meeting of The 7th SANKEN Nanotechnology

研究」、2008年度、光子間の高効率固体量子位相ゲート

Center Symposium The 2nd SANKEN MSTeC Symposium素子の実現に関する研究（課題名）

The 1st SANKEN Alliance Symposium, Convention Center,
Osaka University (2009-01)― 14 ―

4.10

５) 竹内繁樹：時事ドットコム

予算獲得状況

2009年1月23日「夢のコンａ．科学研究費補助金

ピューターへ一歩＝世界最大級の光量子回路実現―北１) 竹内繁樹、栗村直、基盤研究A、群速度エンジニアリ大」６) 竹内繁樹：科学新聞

ングによる、時空間単一モード光子源の実現と応用、

2009年1月30日「特定状態の時だ

け 2 光子を抜き出し」

2008年度～2010年度

７) 竹内繁樹：東京新聞

２) 辻見裕史、基盤研究C 一般、量子常誘電体における動2009年2月3日「世界最大級の光回路」

的スケーリング構造とナノスケール強誘電体領域８) 竹内繁樹：中日新聞（2007～2008年度）

2009年2月3日「世界最大級の光回路」

ｂ．科学技術振興調整費

９) 竹内繁樹：北海道新聞 2009年3月31日「世界初の回路

１) 竹内繁樹：平成18年度科学技術振興調整費先端融合領を開発」

域イノベーション創出拠点「ナノ量子情報エレクトロｆ．外国人研究者の招聘

ニクス連携研究拠点」研究分担者

１) Xia Lixin, CHINA (2008年2月13日～5月12日)
社会教育活動２) Jeremy L. O’Brien, UK (2008年5月27日～6月1日)

ａ．公的機関の委員

３) Holger F.Hofmann, JAPAN (2008年5月28日～29日)

１) 竹内繁樹：総務省 戦略的情報通信研究開発推進制度

４) Holger F.Hofmann, JAPAN (2008年9月25日～26日)

4.12

５) Gunnar Bjoerk, Sweden (2008年11月29日)

専門評価委員（2002年7月11日～現在）
２) 竹内繁樹：独 情報通信研究機構 高度通信・放送研究６) Joerg Wrachtrup, Germany (2008年12月10日)

開発委託研究評価委員会 専門委員（2004年4月1日～

７) Holger F.Hofmann, JAPAN (2008年12月10日)

2010年3月31日）

８) Jeremy L.O’Brien, UK (2009年1月16日～6月15日)
ｇ．北大での担当授業科目

３) 辻見裕史：基盤研究等審査員（2006年12月1日～2008

１) 情報科学研究科、情報エレクトロニクス特別研究第一、

年11月30日）

竹内繁樹、2008年4月1日～2009年3月31日

ｂ．国内外の学会の役職

２) 情報科学研究科、情報エレクトロニクス特別研究第二、

１) 竹内繁樹：電子情報通信学会エレクトロニクスソサイ

竹内繁樹、2008年4月1日～2009年3月31日

エティ第 2 種時限専門委員会 委員（1998年11月1日～

３) 情報科学研究科、情報エレクトロニクス特別演習、竹現在）２) 竹内繁樹：量子情報技術研究会 委員（1998年11月1日

内繁樹、2008年4月1日～2009年3月31日～現在）

４) 情報科学研究科、光情報システム学特論、竹内繁樹、

ｃ．併任・兼業

2008年10月1日～2009年3月31日

１) 竹内繁樹：科学技術振興機構 領域アドバイザー（2003

ｊ．修士学位及び博士学位の取得状況

年7月24日～2009年3月31日）

・修士課程（ 2 名）

２) 竹内繁樹：東京大学 ナノ量子情報エレクトロニクス

浅井健志（情報科学研究科 光システム計測研究分野）、研究機構 委嘱教授（2007年4月1日～現在）

谷田真人（情報科学研究科

３) 竹内繁樹：大阪大学産業科学研究所 招聘教授（2007

光システム計測研究分野）

・修士論文

年10月1日～現在）

１) 浅井健志：テーパファイバ・微小球共振器間の結合状

ｄ．その他

態制御と位相シフトスペクトルに関する研究
２) 谷田真人：伝令付き単一光子源の 2 光子干渉性に関す

１) 竹内繁樹：Nonlinear Optics, Quantum Optics 編集委員

る研究（2003年4月1日～現在）
２) 竹内繁樹：SPIE Photonics+Optics, Quantum communications and Quantum Imaging (Program Committee member)ｅ．新聞・テレビ等の報道
・新聞
１) 竹内繁樹：朝日新聞 2009年1月23日「世界最高 “光量子回路” 開発」
２) 竹内繁樹：日経産業新聞 2009年1月23日「特定の “双子” 光子通過」
３) 竹内繁樹：日本経済新聞 2009年1月23日「光量子回路を開発」
４) 竹内繁樹：日刊工業新聞「“もつれ合い” 光子対抽出」― 15 ―

crown-6) (1) を 作 製 し た 。 同 時 に 、 同 形 結 晶 で あ る(Ani+)(DB[18]crown-6)[Ni(dmit)2] (2)も作製可能であり、両結
教晶の誘電物性を比較する事で強誘電性の検証を可能とした。

授 中村貴義（東大院、理博、1997.4～）

准教授 芥川智行（京大院、理博、2003.5～）
助a)

教 野呂真一郎（京大院、工博、2004.7～）

博士研究員 Qiong Ye (2007.5～)
院

生 遠藤大五郎(DC3)、野田祐樹(DC1)、遠藤格(DC1)、
青沼昌樹(M2)、工藤史人(M2)、福原克郎(M1)

１．研究目標c

単一分子の持つ機能を利用して、既存のコンピュータの処理能力、集積度を遙かに凌駕したシステムの実現を目指ao

した、分子エレクトロニクスに関する研究が活発に行われb)ている。一方、単一分子ではなく、生体における情報処理を模倣し、生体分子を利用して新たなシステムを構築する
バイオコンピューティングの研究も平行して進行している。
本研究分野では、単一分子やバイオ分子を直接用いるのでa)はなく、分子が集合体を作る性質（自己集積化能）を利用して、ナノサイズの機能性ユニットを創製し、それを複合化・集積化することで、分子ナノデバイスの構築を進めて

b

いる。人工の分子集合体における協同現象を積極的に利用し、単分子では達成できない分子集合体デバイスとしての機能を開拓し、次世代のコンピューティングの基盤として

oの、集積型分子エレクトロニクスを目指している。

a

図１．錯体 1 の結晶構造。a) b 軸方向から見たユニットセル。
超分子カチオンと[Ni(dmit)2]-アニオン層が、c 軸方向に交互に配列している。b) ab 面内における超分子カチオン配列。空間充填を示す CPK モデルを用いた表記で、水素原子は省略している。

２．研究成果(a) 超分子ローター構造を含む分子性強誘電体の開発
超分子化学の手法を用いる事で、磁性や伝導性を有する

結晶 1 では、(m-FAni+)(DB[18]crown-6) から成る超分子カ

機能性分子集合体の構造制御や物性の複合化が可能である。

チオン構造がab 面内において配列し、面内におけるフッ素

各種カチオンとクラウンエーテルが非共有結合性の分子間の配向には disorder が観測された（図 1 ）。カチオン層の間相互作用から形成する超分子集合体カチオン構造に着目し、には、S = 1/2 スピンを有する [Ni(dmit)2]- アニオンの二次元

生体分子系で見られる分子モーター構造を模倣した新規な配列があり、磁化率の温度依存性測定では、Curie-Weiss モ

分子ローター構造の設計とその機能開拓を試みた。

デルに従う磁性が観測されている。

こ れ ま で に 、 Cs2([18]crown-6)3[Ni(dmit)2]2 や (Anilinium)

結晶中における m-FAni+ カチオンの180度フリップ－フ([18]crown-6)[Ni(dmit)2] 結晶における、[18]crown-6 分子の回ロップ運動は、結晶のa 軸方向に起こり、単結晶試料（1）+フリップ－フロ転運動や Anilinium（Ani ）カチオンの180°を用いた誘電率の温度依存性では、顕著な異方性が観測さップ運動に関する報告を行った。本研究では、後者のフリれた。m-FAni+ カチオンの分子回転に伴う双極子モーメン

ップ－フロップ運動に着目し、回転ユニットに双極子モートの反転が期待できるa 軸方向の誘電率測定では、346 K にメントを導入する事で、固体中で分極反転場を構築し、新周波数に依存したピークが出現する（図 2 ）。より低周波数

規な強誘電体の開発を目的に研究を行った。結晶中の分子領域の誘電率測定（ f = 1 kHz）でピークが明瞭になり、高回転運動の実現は、最密充填構造の形成と相反するため、周波数領域（ f = 1 MHz）では、ピークは観測されていない。

結晶空間の精密設計が重要である。既に報告した (Anilinium)

また、結晶のb および c 軸方向の誘電率測定では、周波数依([18]crown-6) [Ni(dmit)2] 結晶では、Anilinium カチオンのフリ存性が観測されない。以上の結果は、結晶中で、低い周波

ップ－フロップ運動による分子反転に対して同一の結晶構数に対応する分子運動がa 軸方向に存在する事に対応して造となる事から、強誘誘電性は出現しない。そこで、180いる。結晶 2 においては、この様な誘電挙動が観測され無度フリップ－フロップ運動で双極子モーメントの反転が可い事から、m-FAni+ カチオンの180度フリップ－フロップ運

能な m-fluoroanilinium (m-FAni+) カチオンを含む (m-FAni+)

動に伴う双極子モーメントの反転が、誘電率変化に反映さ(DB[18]crown-6)[Ni(dmit)2] (DB[18]crown-6 = dibenzo[18]れていると結論できる。強誘電体状態にある室温における― 16 ―

結晶 1 のP – E ヒステリシス曲線は、伝導成分による寄与を

O
O

O含む強誘電体に特徴的な挙動を示し、結晶 2 では常誘電体に特徴的な直線的な挙動を示した。さらに、固体19F-NMR、

O

NH3+

ab-initio 計算による分子回転ポテンシャルエネルギーの計

NH3+

O
O

DB[18]crown-6

算、バイアス電圧の印加による結晶構造解析などの結果か

S

ら、結晶 1 が 346 K 以下の温度領域で強誘電体である事が明らかとなった。

R

Ani+

S

S

S

S

S

S

S

O

O
O

S

S

Ni
S

O R

DCH[18]crown-6

AD-NH3+SOO[Ni(dmit)2]図３．超分子カチオンを形成する有機アンモニウム、クラウンエーテル誘導体と[Ni(dmit)2]- の分子構造。

図２．結晶 1 のa 軸方向で測定した誘電率の温度－周波数
依存性。

a)

b)

c)

d)

結晶 1 は、超分子化学の手法から設計された超分子ロー
ター構造を利用した、新規な強誘電体である。水素結合鎖内のプロトン移動と比較し、分子回転に伴う分子座標の大きな変位に加えて強誘電性を担う超分子ローター構造と磁図４．結晶 2 (a), 3 (b), 4 (c), 5 (d) の中で形成した超分子カチオン構造。水素原子は省略している。

性機能を担う金属錯体が共存している事から、今後、マルチフェロイック材料などへの展開が期待できる。

て、Ani+ と AD-NH3+ ではそのコンフォメーションに相違が(b) 超分子ローター構造を含む分子磁性体に関する研究見られた（図4bと図4d）。結晶中の分子回転は、Ani+ および

これまでに、[18]crown-6 分子の回転運動、Anilinium カチオ

AD-NH3+ カチオンの C-NH3 軸方向に生じると予測され、結晶中の分子配列様式の理解が重要である。

ンの180°
フリップ－フロップ運動や両者が共存したデュア
ル分子ローター構造などの開発を報告した。超分子ロータ

同型の結晶構造を有する結晶 2 と 4 では、超分子カチオー構造の回転特性（周波数や対称性）の分子設計と磁性を

ンと磁性を担う [Ni(dmit)2]- 層がc 軸方向に交互に配列した担う[Ni(dmit)2]- アニオンの分子配列の制御は、今後のマル層状構造であった（図5a）。結晶中のカチオンの分子回転は、チフェロイック材料の観点から重要である。そこで、Ani+ お

カチオンに隣接する [Ni(dmit)2]- アニオンとの間の立体反発

よび Adamantylammonium (AD-NH3+) と DB[18]crown-6 およにより支配される。一方、[Ni(dmit)2]- アニオン間には、分

び dicyclohexano[18]crown-6 (DCH[18]crown-6) との組合せ

子末端のパイ電子の重なりと分子間 S-S 相互作用により弱から形成する水素結合性の超分子カチオン構造に着目しく相互作用する事で、二次元的な層状構造を形成していた。

（図 3 ）、[Ni(dmit)2]- アニオンとの複合化を行う事で、結晶

結晶 3 では、結晶 2 と同様なカチオンとアニオンの層状中での分子回転特性および磁性に関する検討を行った。

構造がb軸方向に形成していたが、その分子配列様式は大き拡散法により、(Ani+)(DB[18]crown-6)[Ni(dmit)2] (2)、(Ani+)

く異なっていた。特に、[Ni(dmit)2]- アニオンは、分子の短(DCH[18]crown-6)[Ni(dmit)2] (3)、(AD-NH3+)(DB[18]crown-6)

軸方向の相互作用によりa 軸方向に配列していた。結晶 5 に[Ni(dmit)2] (4) および (AD-NH3+)(DCH[18]crown-6)[Ni(dmit)2]

おいても、カチオン－アニオンの層状構造がc 軸方向に見(5) の単結晶試料を作製し、その結晶構造、磁性および分子られた（図5c）。
結晶中の Ani+ と AD-NH3+ カチオンの分子回転の可能性

回転運動を評価した。
いずれの有機アンモニウムカチオンもクラウンエーテルを検討するために、ab-initio 計算による分子回転ポテンシの 6 個の酸素原子と N-H+ ～ O 水素結合により、超分子カチャルエネルギー曲線の評価を行った。Ani+ および AD-NH3+オン構造を形成していた（図 4 ）。DB[18]crown-6 分子は、カチオンを、分子の C-NH3 軸回りで30度ごと回転させた時

V字形のコンフォメーションを取るのに対し、DCH[18]の系全体のエネルギー変化を回転角（ ）に対してプロッcrown-6 分子はシクロヘキサン環の構造の柔軟性を反映しトした（図 6 ）。結晶 2 および 3 では、Ani+ の分子形状を反― 17 ―

a)

c

o

a

b)
b
図６．結晶 4 および 5 における、Adamantyl 基の回転ポテンシャル
エネルギー曲線。

a

o

c)

a
図７．固体1H-NMR スペクトル。結晶 4 と 5 の線幅（H ）の温度変化と Cs+2([18]crown-6)3[Ni(dmit)2]2 (6) の線幅の温度変化。

子 の 分 子 回 転 の 存 在 を 確 認 し た Cs+2([18]crown-6)3co[Ni(dmit)2]2 (6) 結晶の結果も同時に示した。結晶 6 では、温図５．結晶 2 (a), 3 (b), 5 (c) のユニットセル。2 および 5 のカチオン構造は、van der Waals モデルで記述している。

度の低下に伴う分子回転の凍結に由来するH の急激な増加が観測されるのに対し、結晶 4 と 5 では室温付近でH～映して、 = 0と180°にエネルギー極小値を有する二極小型

20 kHz 程度の線幅が、温度の低下と共に徐々に増加した。

のポテンシャルエネルギー曲線が出現し、そのエネルギー以上の結果は、adamantyl 基が 100 K 程度の低温領域におい-1

障壁（E）は 200 および 300 kJmol 程度となった。これは、ても、1H-NMR の測定タイムスケールの範囲内で回転運動

室温のエネルギーkBT と比較して十分に大きい事から、室を行っている事を示唆している。

+

温付近では Ani の分子回転は起こらないと結論できる。一結 晶 の 磁 気 的 な 性 質 は 、 S = 1/2 ス ピ ン を 有 す る方、等方的な分子形状を有する AD-NH3+ カチオンを含む結[Ni(dmit)2]- 分子の配列様式に依存して変化する。弱く相互

晶 4 と 5 では、Adamantyl 基の対称性を反映して、 = 0, 120,

作用した二次元的な [Ni(dmit)2]- アニオン配列を有する結晶

240°にエネルギー極小を有する三極小型のポテンシャルエ

2 と 4 の磁化率の温度依存性は、Curie-Weiss 則に従い、molT

ネルギー曲線が出現した（図 6 ）。そのエネルギー障壁の大- T プロットから、20 K 以下の低温領域で弱い反強磁性相

きさは、10～16 kJmol-1 程度であり、結晶中での Adamantyl 基

互作用の存在が確認された。一方、結晶 3 では、[Ni(dmit)2]-の回転運動の存在を示唆する結果であった。

アニオン間の横方向に分子間相互作用が存在し、molT - T

1

分子回転の存在が示唆された結晶 4 と 5 について、固体から、低温における強磁性的な磁気相互作用の存在が確認

H-NMR から分子運動の評価を試みた。分子回転に関与すされた。強磁性的な相互作用の出現は、強磁性－強誘電性

る adamantyl 基の他に DB[18]crown-6 と DCH[18]crown-6 にの両者を有するマルチフェロイック材料の開発の観点から由来するプロトンが結晶中に存在するが、これらは分子運重要な結果である。一方、結晶 5 においても分子短軸方向動に関与しないかさ高いクラウンエーテル由来のプロトンの [Ni(dmit)2]- アニオン配列が観測されたが、拡張ヒュケル

1である。 H-NMR スペクトルは、二種類の吸収ピークの足法を用いた分子間重なり積分の評価から、分子短軸方向にし合わせで再現可能な形状を与え、温度依存性を示す線幅

おけるダイマー形成が確認された。そこで、磁化率の温度（H ）の小さな成分が、adamantyl 基に由来する。図 7 は、依存性を Alternate Heisenberg モデル（赤線）およびダイマ

結晶 4 と 5 の adamantyl 基に由来する成分のH を温度に対ーモデル（青線）で再現したところ、後者のモデルで良好してプロットした結果である。先に 220 K で [18]crown-6 分な結果が得られた。

― 18 ―

な強度の弱い有機分子集合体の測定においては、ナノ構造

a)の破壊などの観点から不向きである。そこで、ナノ構造の形状をダイナミックモードで測定し、各点の電流イメージ
を点接触で測定可能な PCI-AFM の手法を用い、単一ナノワ
イヤの伝導物性の測定を試みた。

23
4

マイカ基板上にナノワイヤ構造を累積し、金電極を抵抗加熱法で蒸着する事で、金電極－ナノワイヤ接合構造を作製し、PCI-AFM を用いて各点における電流（I ）－電圧（V ）特性を測定した。電流イメージ像では、金電極に近い部位

b)

で大きな電流が観測され、ナノワイヤの各点における電流－電圧特性の同時測定に成功した（図10）。以上の結果から、単一ナノワイヤの伝導度は～10-2 Scm-1 となり、バルク測定と比べて 2～3 桁ほど良好な伝導性が確認できた。ナノワイ
ヤ間の接合に由来する伝導成分が除かれた為に、単一ナノワイヤが有する伝導特性が正確に測定できた結果である。
ナノスケールでの伝導物性の測定手法は、分子エレクトロニクス構築の鍵を握る重要な手法である。

図８．結晶 2 , 3 , 4 , 5 の磁気的性質。a) 結晶 2 , 3 , 4 のmolT - Tプロット。b) 結晶 5 のmol - T プロット。赤色と青色の実線は、理論的なフィッティング結果。

(c) 点接触電流イメージング原子間力顕微鏡（PCI-AFM）を用いた単一分子ナノワイヤの伝導性評価
低次元電子構造に由来した多彩な電子状態が実現可能な分子性導体は、電子材料への展開の観点から興味深い研究対象である。分子性導体を基盤とした薄膜構造やナノ構造の作製は、次世代ナノデバイス構築のキーテクノロジーの一つである。これまでに、ウエット法の適用が可能な両親媒性マクロサイクリック TTF 分子 (7) の設計から、分子集合体ナノワイヤやナノドット構造などの低次元ナノ構造の作製について報告している（図 9 ）。特に、(7) (F4-TCNQ)2 電荷移動錯体は、マイカ基板上で 2×50×1000 nm3 サイズの半導体ナノワイヤを形成する。これまでに、分子集合体ナノワイヤの伝導性の評価は、500m ギャプの電極構造に
Langmuir-Blodgett（LB）法を用いて、20～40層の LB 膜を累積する事で、バルク状態での測定を行ってきた。しかしながら、この様なバルク測定では、ナノワイヤ間の電子移動に支配された伝導挙動が観測され、真の意味でナノワイ
ヤの伝導性を評価した事にはならない。そこで、単一ナノ

図10．PCI-AFM を用いた単一ナノワイヤの伝導物性評価。
点 i , ii と iii における I - V 特性を下図に示す。

ワイヤの伝導性の評価を、点接触電流イメージング原子間力顕微鏡（PCI-AFM）を用いる事で評価した。
これまでに、AFM 探針を電極としナノ構造の伝導性を測(e) リング状巨大 Polyoxometalate (POM) クラスターの内定する事が可能な導電性 AFM（CAFM）に関する研究例が部空間安定化及び機能化多数報告されている。CAFM の測定では、探針を常時ナノ

直径 4 nm にも達する巨大リング状 POM クラスターは、構造と接触させながら電気物性の測定を行うため、機械的

リング内部に巨大空間を有している。そのため、古くからO

多孔性材料として注目されてきたが、リング構造の極度の

O

F

F

H3CS

S

S

S

S

S

S

SC10H21

NC

CN

H3CS

S

S

S

S

S

S

SC10H21

NC

CN

O

O

F

F

不安定性（内部及び外部空間に取り込まれている水分子を取り除くと骨格構造が崩壊）のため、多孔性機能に関する2

研究例はほとんど無い。そこで、巨大リング構造を化学的

図９．分子集合体ナノワイヤを形成する (7) (F4-TCNQ)2 電荷移動錯体の分子構造。

に安定化する事で、巨大 POM クラスターの次世代多孔性材― 19 ―

料としての可能性について検討した。リング構造の安定化
は、リング状 POM (Na14[Mo154O462H14(H2O)70]·400H2O) を両親媒性分子である dimethyldioctadecylammonium（DODA+）
カチオンで被覆することにより試みた。その結果、リング
内部空間に存在する水分子を完全に取り除いても安定な複合体の合成に世界で初めて成功し、多孔性機能（ガス・蒸気吸着特性、水中固体酸触媒特性）に関する興味深い知見を得ることができた（図11）。

図12．擬ウェルナー型金属錯体[Cu(PF6)2(4-phpy)4] (8) のゲスト分子に依存した多様な集積構造体形成。

うな構造多様性は柔軟な Cu-PF6 弱配位結合に由来して発現していると考えられる。興味深いことに、1 次元錯体β 体
は骨格内のゲスト分子 (CH2Cl2) を完全に取り除いてもその構造を保持することが可能であり、全く同一の組成を持ちながら異なる集積構造をとりえる柔軟性金属錯体を得ることができた。そこで、α 体とβ 体の CO2 吸着特性を調べた
ところ、非多孔体であるα 体と比較して多孔体であるβ 体。
は大量の CO2 を吸着することが明らかとなった（図13）

図11．リング状 POM と DODA+ の複合体形成による安定化と機能化。

Amount Adsorbed / cm3 g-1

120(f) 柔軟性金属錯体を用いた新規多孔性材料の開発
金属イオンと有機架橋配位子を自己集積させることによって得られる金属錯体は、構造の多様性・設計性・柔軟性に富んだ高結晶性の物質である。また、無機部品の金属イ
オンと有機部品の配位子が共存しているため、それぞれの特性を兼ね備えることが可能となる。そのため、様々な機

100
80
60
40
20
0
0

能性物質（磁性、誘電性、光学特性、多孔性）の研究対象

0.2

0.4

0.6

0.8

1

P/P0

として注目されてきた。特に、均一なマイクロ孔を有する

図13．α 体(赤)及びβ 体(青)の195K における
CO2 吸着特性（○：吸着、□：脱着）。

多孔性金属錯体はここ20年の間に急速に発展した分野であり、ゼオライト・活性炭に続く第 3 の多孔性材料として精力的に研究されている。本研究では、金属錯体の柔軟性に

３．今後の研究の展望着目し、従来の多孔性材料では実現困難な機能を有する多

我々は、機能性の分子集合体（分子性導体・磁性体）を

孔性金属錯体の開発を試みた。
[Cu(PF6)2(4-phpy)4] (4-phpy = 4-phenylpyridine) の組成で用いて、分子デバイス構築に不可欠な材料創製を行ってい表される擬ウェルナー型金属錯体 8 は、共存するゲスト分

る。単一分子エレクトロニクス研究が隆盛を極めている状子の種類に応じて多様な集積構造体を形成した（図12）。

況で、これらの研究は特徴的であると言える。しかし、こEtOH/hexane から再結晶化させると、ゲスト分子を全く含

れらの二つのアプローチの区別は、本質的でないと考えらまない単核錯体α 体（α-[Cu(PF6)2(4-phpy)4] (α-8)）が得れ、むしろユニット間のフロンティア軌道の重なりの設計られた。α-8 において、PF6– アニオンは銅イオンのアキシから、ナノスケールでの機能性の発現を理解するべきであャルサイトに弱く配位している。一方で、CH2Cl2/hexane かる。一方、分子集合体を積極的に利用することで様々な利ら再結晶化させると、PF6– アニオンが銅イオンを連結した点が生まれる。最大の利点は、単一分子では達成できない

1 次元錯体β 体 (β-{[Cu(PF6)(4-phpy)4]·PF6·4CH2Cl2}n (β-8))分子間の相互作用や、多数の分子による協同現象に基づくが形成した。更に、acetone/hexane または Clben/hexane

機能を利用できる点である。さらに分子集合体の柔らかさ、(Clben = chlorobenzene) から再結晶化させると、それぞれ

すなわち共有結合で機能ユニットが繋がっていないために、

acetone ゲストが銅のアキシャル位に配位した単核錯体γ

ある程度分子間の相互作用を時空間的に制御できることを–

体 (γ-{[Cu(4-phpy)4(acetone)2]·2PF6} (γ-8)) および PF6 アニ

利用したデバイス動作の道も拓けてくる。これらの研究を

オ ン に よ っ て 連 結 さ れ た 三 核 錯 体 δ 体 (δ-{[Cu3(PF6)4

進捗することで、分子エレクトロニクス科学の確立に寄与(4-phpy)12]·2PF6·7Clben} (δ-8)) が選択的に得られた。このよ

したいと考えている。

― 20 ―

electric anisotropy of a homochiral rare-earth metal com-

４．資料
4.1

plex”, Dalton Trans., 2527-2530 (2008)

学術論文等

１) T. Akutagawa, R. Jin, R. Tsunashima, S. Noro, L. Cronin,

4.4

T. Nakamura : “Nanoscale Assemblies of Gigantic Mo-

著書

１) 芥川智行、中村貴義：「遷移金属錯体の固体物性化学」、

lecular {Mo154}-Rings: (Dimethyldioctadecylammonium)20

錯体化学会選書 3 、三共出版 : 375-390 (2008)[Mo154O462H8(H2O)70]”, Langmuir, 24 : 231-238 (2008)

２) 芥川智行：分子エレクトロニクスの話：斉藤軍治

２) T. Akutagawa, D. Endo, F. Kudo, S. Noro, S. Takeda, L.

著

Cronin, T. Nakamura : “A Solid-State Supramolecular編

5 章 p. 90-102 ケイ・ディー・ネオブック 化学同人(2008)

Rotator Assembled from a Cs-crown Ether Polyoxometalate Hybrid: (Cs+)3([18]crown-6)3(H+)2[PMo12O40]”, Cryst.

4.7

Growth & Des., 8 : 812-816 (2008)

a．招待講演講演３) T. Akutagawa, D. Sato, H. Koshinaka, M. Aonuma, S.

１) 野呂真一郎：「無機－有機複合材料を用いたホスト材料

Noro, S. Takeda, T. Nakamura : “Solid-State Molecularの創製」、第 2 回「機能性材料」分科会、京都大学（京Rotators of Anilinium and Adamantylammonium in都）(2008-04).

[Ni(dmit)2]- Salts with Diverse Magnetic Properties”, Inorg.

Chem., 47 : 5951-5962 (2008)

２) T. Nakamura : “Artificial Molecular Rotators in Single
Crystals toward the Application for Ferroelectrics”, 10th４) S. Noro, N. Yanai, S. Kitagawa, T. Akutagawa, T. Naka-

International Symposium on Biotechnology, Metal Com-

mura : “Binding Properties of Solvatochromic Indicators

plexes and Catalysis, Zhengzhou, China (2008-05).

[Cu(X)(acac)(tmen)] (X = PF6- and BF4-; acac- = Acety-３) T. Nakamura : “Molecular Rotator Structures in Ni(dmit)2

lacetonate, tmen = N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine)

Crystals for Ferroelectrics”, The 21st IUCr Satellite

in Solution and the Solid State”, Inorg. Chem., 47 : 7360-

Meeting (Molecular Crystals Exhibiting Exotic Functions),

7365 (2008)

Osaka (2008-08).

５) S. Noro, T. Takenobu, Y. Iwasa, H.-C. Chang, S. Kita-

４) T. Nakamura, T. Akutagawa : “Ferroelectric Properties ofgawa, T. Akutagawa, T. Nakamura : “Ambipolar, Sin-

Ni(dmit)2 Crystals with Supramolecular Rotator Struc-gle-Component, Metal-Organic Thin-Film Transistorstures”, 18th International Symposium on Fine Chemistrywith High and Balanced, Hole and Electron Mobilities”,

and Functional Polymers (FCFP-XVIII) & 4th IUPAC In-

Adv. Mater., 20 : 3399-3403 (2008)

ternational Symposium on Novel Materials and their Syn-

６) R. Tsunashima, S. Noro, T. Akutagawa, T. Nakamura, H.

thesis (NMS-IV), Zhenjiang, China (2008-10).

Kawakami, K. Toma, “Fullerene Nanowires: Self-Assem-５) 芥川智行：「超分子ローター構造から有機強誘電体へのbled Structures of a Low-Molecular-Weight Organogela-

展開」、有機エレクトロニクスに関する北大－名大合同

tor Fabricated by the Langmuir-Blodgett Method”, Chem.

研究会、北海道大学（札幌）(2008-10).

Eur. J., 14 : 8169-8176 (2008)

６) 芥川智行：「分子性固体を用いたブラウニアンデバイス

７) R. Tsunashima, Y. Noda, Y. Tatewaki, S. Noro, T.

の作製」、九州大学 G-COE「物質・エネルギー変換ユAkutagawa, T. Nakamura, T. Matsumoto, T. Kawai,

ニット」ワークショップ、博多 (2008-11).

“Electrical Resistivity of Individual Molecular-Assembly７) 芥川智行：「分子集合体の秩序変数と分子数から物性化

Nanowires of Amphiphilic bis-Tetrathiafulvalene Macrocycle

学を考える」、有機物性科学の将来展望を語る会、つく/2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyano-p-quinodimethane

ば (2008-12).

Charge Transfer Complex Characterized by PCI-AFM”,

８) 芥川智行：「結晶内の分子運動を利用した分子デバイス

Appl. Phys. Lett., 93 : 173102 (2008)

へのアプローチ」、電気学会

８) T. Akutagawa, T. Nakamura, “Supramolecular approach

有機薄膜および複合膜のナノ界面物性とデバイス・センサ応用調査専門委員会、

for solid state Brownian rotators”, Dalton Trans.,

北海道大学（札幌）(2009-03).

6335-6345 (2008)ｂ．一般講演

９) Z.-R. Qu, Q. Ye, H. Zhao, D.-W. Fu, H.-Y. Ye, R.-G.

ｉ）学会

Xiong, T. Akutagawa, T. Nakamura, “Homochiral Laminar

１) 峯廻洋美、内藤俊雄、稲辺保、芥川智行、中村貴義：「ポ

Europium Metal-Organic Framework with Unprecedented

リカルボン酸の水素結合ネットワークを利用した極性

Giant Dielectric Anisotropy”, Chem. Eur. J., 14 : 3452-

結晶構造の作製」、日本化学会北海道支部2008夏季研究

3456 (2008)

発表会、北見 (2008-07)

10) G.-X. Wang, G.-F. Han, Q. Ye, R.-G. Xiong, T. Akuta-

２) 石川学、内藤俊雄、稲辺保、芥川智行、中村貴義：「軸gawa, T. Nakamura, P. W. H. Chan, S. D. Huang, “Di-

配位金属フタロシアニン一次元伝導体の高電場による― 21 ―

物性変化」、
日本化学会北海道支部2008夏季研究発表会、

based on bis(maleonitriledithiolate) nickelate monoanion”,

北見 (2008-07)

International Conference on Molecule-based Magnets３) 高橋紗未、石川晴美、小林中、坂井賢一、芥川智行、(ICMM2008), Florence, Italy (2008-09)

中村貴義、長嶋雲兵：「励起状態分子内プロトン移動反

15) T. Akutagawa, T. Nakamura : “41 Helical π–stack and

応を示す亜鉛錯体の構造と発光特性」、日本化学会北海

magnetic phase transition in [Ni(dmit)2] salt induced by

道支部2008夏季研究発表会、北見 (2008-07)

supramolecular cations”, International Conference on
Molecule-based Magnets (ICMM2008), Florence, Italy４) 坂井賢一、高橋紗未、石川晴美、小林中、芥川智行、(2008-09)

中村貴義、長嶋雲兵：「励起状態分子内プロトン移動反16) F. Kudo, T. Akutagawa, D. Endo, S. Noro, L. Cronin, T.

応を示す亜鉛錯体の発光特性と軸配位子効果」、第21回配位化合物の光化学討論会、相模原 (2008-08)

Nakamura : “Crystal structures and magnetic properties of５) T. Nakamura, T. Akutagawa, S. Noro : “Ferroelectric

gigantic polyoxomolybdate wheels”, International Con-

Properties of Molecular Magnetic Crystals Arising fromference on Molecule-based Magnets (ICMM2008), Florence, Italy (2008-09)

Rotator Structures”, International Conference on Science17) M. Aonuma, R. Tsunashima, S. Noro, T. Akutagawa, T.

and Technology of Synthetic Metals (ICSM2008), Porto de

Nakamura : “Crystal structures, electrical conductivities

Galinhas, Brazil (2008-08)
６) T. Akutagawa, Y. Noda, Y. Tatewaki, T. Nakamura :and magnetic properties of (o-, m-, p-fluoroanilinium)“Quantum Conducting Behaviour of Gold Nanoparti-(Crown ethers)[Ni(dmit)2]3 salt”, International Conferencecles-Molecular Nanowires Hybrids”, International Con-on Molecule-based Magnets (ICMM2008), Florence, Italy(2008-09)

ference on Science and Technology of Synthetic Metals18) 峯廻洋美、内藤俊雄、稲辺保、芥川智行、中村貴義：「ポ(ICSM2008), Porto de Galinhas, Brazil (2008-08)
７) T. Akutagawa, T. Nakamura : “Design of Crystalline Space

リカルボン酸を利用した極性結晶の構築と強誘電体作

for Constructing Ferroelectric Rotators in [Ni(dmit)2]-

製への応用」、第 2 回分子科学討論会、福岡 (2008-09)

Salts”, The International Union of Crystallography19) 遠藤大五郎、芥川智行、野呂真一郎、Leroy Cronin、(IUCr2008), Osaka (2008-08)

中村貴義：「o-Phenylenediamineを用いた(crown ether)[PMo12O40]錯体の結晶構造と誘電率測定」、第 2 回分子８) 坂井賢一、岡田孟矩、高橋紗未、石川晴美、芥川智行、

科学討論会、福岡 (2008-09)

中村貴義、長嶋雲兵：「複合機能化を目指した新規プロ
トン移動型レーザー色素の開発」、
2008年光化学討論会、

20) M. Aonuma, R. Tsunashima, S. Noro, T. Akutagawa, T.
Nakamura : “Electrical Conducting Salt of (p-fluoroanilinium)

境 (2008-09)([18]crown-6)[Ni(dmit)2]3 with Rotator Structure”, 20th９) 坂井賢一、高橋紗未、石川晴美、小林中、芥川智行、
中村貴義、長嶋雲兵：「配位子内での互変異性化を利用

Korea Japan Joint Forum (KJF2008), Chitose (2008-10)した金属錯体における双安定状態の実現」、第58回錯体21) F. Kudo, H. Imai, D. Endo, S. Noro, T. Akutagawa, L.
Cronin, T. Nakamura : “Crystal Structures and Magnetic

化学討論会、金沢 (2008-09)

Properties of {Mo176} and {Mo57} Wheels”, 20th Korea Japan

10) 野呂真一郎、神玲奈、綱島亮、植村一広、喜多英敏、

Joint Forum (KJF2008), Chitose (2008-10)

芥川智行、中村貴義：「巨大リング状 Mo154核クラスタ

22) T. Akutagawa, S. Noro, S. Takeda, T. Nakamura : “Di-ーの内部空間安定化」、第58回錯体化学討論会、金沢

electric Responses of Molecular Rotators in [Ni(dmit)2](2008-09)

Salts”, 20th Korea Japan Joint Forum (KJF2008), Chitose

11) 遠藤大五郎、芥川智行、野呂真一郎、Leroy Cronin、(2008-10)

中村貴義：「(Nitroaniline)([18]crown-6) 超分子カチオンを用いた [PMo12O40]3- 塩の誘電特性」、第58回錯体化学

23) S. Noro, T. Takenobu, Y. Iwasa, T. Akutagawa, T. Na-

討論会、金沢 (2008-09)

kamura : “Ambipolar Single-Component, Metal-Organic

12) 福原克郎、野田祐樹、帯刀陽子、野呂真一郎、芥川智Thin-Film Transistors”, 20th Korea Japan Joint Forum行、中村貴義、Jan Becher：「有機超薄膜ナノ物性評価」、(KJF2008), Chitose (2008-10)

第 61 回 コ ロ イ ド お よ び 界 面 化 学 討 論 会 、 福 岡24) S. Noro, T. Akutagawa, T. Nakamura, S. Horike, D. Ta-(2008-09)

naka, H. Sakamoto, S. Kitagawa : “Structures and Guest-13) 野呂真一郎、芥川智行、中村貴義：「擬ウェルナー型金Recognition Properties of One-Dimensional Cu(II) Coor-

属錯体のゲスト誘起構造転移及び吸着特性」、第61回コ

dination Polymer”, 1st International Conference on Metal

ロイドおよび界面化学討論会、福岡 (2008-09)

Organic Frameworks and Open Framework Compounds

14) X.-M. Ren, T. Akutagawa, T. Nakamura : “Structural and(MOF2008), Augsburg, Germany (2008-10)

magnetic investigations for the nonmagnetic doping effects

25) S. Noro, T. Akutagawa, T. Nakamura, H.-C. Chang :on Spin-Peierls-like transition in a quasi-1D spin system“Structures and Electronic Properties of Thin Films Con-― 22 ―

structed from Metal Complexes with Redox-Active

4.10

o-Quinone Ligands”, 8th International Conference onａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、

Nano-MolecularElectronics(ICNME2008),

Kobe

予算獲得状況

期間）(2008-12)

１) 中村貴義、基盤研究 A、固相人工分子モーターの構築

26) T. Endo, T. Akutagawa, T. Kajiwara, K. Kakiuchi, Y.

（2007～2010年度）

Tatewaki, S. Noro, T. Nakamura : “Langmuir-Blodgett２) 野呂真一郎、若手研究 B、金属錯体半導体を用いたア

Films of Charge-Transfer Complexes: Ethylenedithio-

ンバイポーラーTFTデバイスの開発（2007～2008年度）

Substituted Amphiphilic Bis-TTF Macrocycle and F4TCNQ

３) 芥川智行、基盤研究B、ナノワイヤ－ナノ粒子連結系

or Br2TCNQ”, 8th International Conference on Na-の量子伝導制御（2008～2010年度）

no-Molecular Electronics (ICNME2008), Kobe (2008-12)

ｅ．ＣＯＥ関係（研究担当者、機関名、研究題目、研究期

27) 青沼昌樹、綱島亮、野呂真一郎、芥川智行、中村貴義：間、研究内容）「超分子カチオン(p-fluoroanilinium)([18]crown-6)を用い

１) 野呂真一郎、グローバル COE プログラム「統合フィー

た[Ni(dmit)2]の電気伝導性錯体の構造と物性」、日本化

ルド環境科学の教育研究拠点形成」若手教員研究支援、学会北海道支部2009冬季研究発表会、札幌 (2009-02)

金属錯体を用いた二酸化炭素分離吸着材料の開発、

28) 工藤史人、今井宏之、芥川智行、遠藤大五郎、野呂真

2008年度、分極ユニットを有する柔軟性金属錯体を利一 郎 、 Lee Cronin 、 中 村 貴 義 ：「 超 分 子 カ チ オ ン

用した CO2 の高効率分離吸着材料を開発する。

(p-fluoroanilinium)([18]crown-6)を用いた[Ni(dmit)2]の電

ｆ．その他（研究担当者、機関名、研究題目、研究期間、

気伝導性錯体の構造と物性」日本化学会北海道支部

総経費、研究内容）

2009冬季研究発表会、札幌 (2009-02)

１) 野呂真一郎（公益信託 ENEOS 水素基金）：「柔軟性金属29) S. Noro, D. Tanaka, H. Sakamoto, S. Shimomura, S. Ki-

錯体を用いた高効率 CO2 分離材料の開発」、2007～

tagawa, T. Akutagawa, T. Nakamura : “Guest-Recognition

2008年度、8500千円、構造柔軟性を持つ銅金属錯体をProperties of Flexible One-Dimensional Cu(II) Coordina-利用した高効率 CO2 分離材料を開発する。
２) 野呂真一郎（北海道大学充填配分経費 若手研究者自tion Polymer”, Japan-Russia Joint Symposium on Coor-

立支援）：「低次元金属錯体から構築される柔軟性空間

dination Chemistry, Kyoto (2009-02)
30) Y. Noda, Y. Tatewaki, T. Akutagawa, T. Nakamura :の機能性に関する研究」、2008年度、1000千円、低次元“Charge Transport Behavior of Hybrid Structures between

金属錯体の柔軟性空間を利用した新機能性分離材料開Gold Nanoparticles and TTF Derivatives”, 5th Interna-

発に関する基礎研究を行う。
３) 芥川智行（財団法人村田学術振興財団）：「超分子ローtional Conference on Molecular Electronics and Bioelec-

ター構造を用いた熱伝材料の開発」、2008年度、1200

tronics, Miyazaki (2009-03)

千円、結晶中の分子回転を利用した熱伝導材料を開発

31) 野呂真一郎、芥川智行、中村貴義：「双安定構造を有すする。

る擬ウェルナー型金属錯体の合成及び吸着特性」、日本

４) 芥川智行（分子科学研究奨励森野基金）：「分子性結晶化学会第89春季年会、船橋 (2009-03)
32) 福原克郎、野田祐樹、帯刀陽子、野呂真一郎、芥川智における動的内部構造の設計と機能化に関する研究」、

行、中村貴義：「マクロサイクリック TTF－金ナノ粒

2008年度、1000千円、結晶中の分子運動に着目した物

子複合 LB 膜の電気伝導性に及ぼす金ナノ粒子のサイ性開拓に関する研究。

ズ効果」、日本化学会第89春季年会、船橋 (2009-03)
4.11
4.9

受賞

１) 野呂真一郎：第 3 回 PCCP Prize “Rational synthesis and

共同研究characterization of porous Cu(II) coordination polymers”

ｂ．所内共同研究（研究担当者、機関名、研究題目、研究2009年3月

期間、研究内容）

２) 芥川智行：2008年度

１) 中村貴義（電子科学研究所 国際共同研究）：「ホモキ分子科学研究森野基金奨励賞、ラル錯体の誘電－磁気マルチフェロイック特性に関す「分子性結晶における動的内部構造の設計と機能化にる研究」、2008年度、キラルポーラス錯体の合成に関す関する研究」2008年8月

る研究で実績のある東南大学を海外における共同研究機関とすることで、電子科学研究所の研究者との研究

4.12

社会教育活動交流の場を提供し、キラルポーラス錯体の誘電－磁気ｇ．北大での担当授業（対象、講義名、担当者、期間）

物性評価および材料化に関する国際共同研究拠点づく

１) 環境科学院、電子材料科学特論、中村貴義、2008年10月1日～2009年3月31日

りを目指す。

２) 環境科学院、環境物質科学研究、中村貴義、2008年4月1日～2009年3月31日― 23 ―

２) 工藤史人：ナノポーラス構造を持つリング状 poly-３) 環境科学院、環境物質科学実習、中村貴義、2008年4

oxomolybdate 結晶の物性

月1日～2009年3月31日
４) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅰ、中村貴義、2008
年4月1日～2009年3月31日
５) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅱ、中村貴義、2008
年4月1日～2009年3月31日
６) 環境科学院、環境物質科学特別研究、中村貴義、2008
年4月1日～2009年3月31日
７) 全学教育科目、「基礎科学Ⅰ」、中村貴義、2008年度4
月1日～2008年9月31日
８) 全学教育科目、「環境と人間」光・バイオ・分子で拓く
ナノテクノロジー、芥川智行、2008年度
９) 全学教育科目、「基礎科学Ⅰ」、芥川智行、2008年度4
月1日～2008年9月31日
10) 環境科学院、電子材料科学特論、芥川智行、2008年10月1日～2009年3月31日
11) 環境科学院、環境物質科学研究、芥川智行、2008年4月1日～2009年3月31日
12) 環境科学院、環境物質科学実習、芥川智行、2008年4月1日～2009年3月31日
13) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅰ、芥川智行、2008
年4月1日～2009年3月31日
14) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅱ、芥川智行、2008
年4月1日～2009年3月31日
15) 環境科学院、環境物質科学特別研究、芥川智行、2008
年4月1日～2009年3月31日
16) 総長主催、Ｘ線取扱者の為の教育訓練、芥川智行、2008
年4月23日17) 環境科学院、環境物質科学研究、野呂真一郎、2008年4月1日～2009年3月31日
18) 環境科学院、環境物質科学実習、野呂真一郎、2008年4月1日～2009年3月31日
19) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅰ、野呂真一郎、
2008年4月1日～2009年3月31日
20) 環境科学院、環境物質科学論文購読Ⅱ、野呂真一郎、
2008年4月1日～2009年3月31日
21) 環境科学院、環境物質科学特別研究、野呂真一郎、2008
年4月1日～2009年3月31日
ｉ．ポスドク・客員研究員など
・ポスドク（1名）
１) Qiong Ye（日本学術振興会外国人特別研究員）
ｊ．修士学位及び博士学位の取得状況
・修士課程（2名）
青沼昌樹、工藤史人
・博士後期課程（3名）
遠藤大五郎、野田祐樹、遠藤格
・修士論文
１) 青沼昌樹：超分子ローター構造を導入した電気伝導性[Ni(dmit)2]錯体の構築― 24 ―

教

授 末宗幾夫（東工大院、工博、1993.4～）

准教授 熊野英和（北大院、工博、1997.4～）
助

教 笹倉弘理（北大院、工博、2007.11～）

博士研究員
定
院

昌史、井筒康洋、林雄二郎、許 載勳
生

佐藤 充、佐藤弘康、高田 真、伊藤早紀、江國晋吾、
倉光周平、宮村壮太、加藤大望

図２．正の荷電励起子 X+ より 1 LO フォノンエネルギーだけ上の状
態を右円偏光光子で仮想励起したときの、励起子状態電子
スピンの反転と、発生する光子の円偏光状態を説明する模式図。

した。右円偏光励起した場合、対応する電子スピンを持つ

１．研究目標励起子の励起を介して同じ右円偏光を持つ光子が強く発光

本研究分野では、(Ⅰ)量子ドットなどナノ構造作製によしているのがわかる。一方反対の左円偏光を持つ光子の生る電子状態ならびに発光波長の制御、(Ⅱ)ナノテク技術を成は大幅に抑えられている。このように正の荷電励起子の用いた単一量子ドット状態の作製と評価、(Ⅲ)超伝導効果

1LO フォノン上のエネルギーを準共鳴励起することで、円による光子生成過程の制御、(Ⅳ)量子ドットと組み合わせ偏光電子スピン円偏光の総合変換効率92％（円偏光度て光子生成過程を制御する光高機能材料の実現と、これを85％）を達成した。これは磁場印加無しの状態での世界最用いた量子情報処理への応用を目指している。

高の変換効率である。この結果を模式的にまとめると図 2のようになる。右円偏光の光子が正の荷電励起子(X+)より
1LO フォノン高いエネルギーを仮想的に励起すると、LO

２．研究成果フォノンを放出してX+状態へ変換される。その際スピン反転しないで変換される確率は確定できないが、レート方程(a) 量子ドットを用いた光子偏光と電子スピン間の状態

式解析によれば92-100％と高い。この励起子状態でのスピ変換
光子を使った量子情報通信系と、電子スピンを使った量

ン反転に関連して、励起子分子—励起子時系列発光に関す子情報処理系をつなぐには量子情報を変換する必要がある。

る偏光相関測定を行い、これから中性励起子ではスピン反その重要なステップの一つに、光子の偏光状態を電子スピ

転時間が3.6ns と、発光寿命の 1ns より3.6倍長いことを確認

ンに変換し、さらに保存した電子スピンを光子の偏光状態した。さらに今議論している正の荷電励起子におけるスピに変換する制御技術の確立が必要である。これまでに外部

ン反転時間はもっと長く、発光寿命の10倍、10ns を超える

磁場を印加した状態ではそのような変換が可能であることことを確認した。これにより励起子状態でのスピンフリッは報告されているが、磁場を印加すると励起子スピン状態

プ確率が低く抑えられ、もとの円偏光状態を保つ光子へ高の縮退が解け、励起子スピンの重ね合わせ状態が維持されい効率で再変換されると考えられる。

なくなる課題があった。そこで、磁場を印加しない状態で(b) InAs 量子ドットの発光プロセスに対する超伝導効果の光子と電子スピン変換の検討を行った。

我々はクーパー対の関与した発光によって量子もつれ合

子スピン状態のエネルギー分裂が生じてしまうが、単一のい光子対を on-demand に発生させることを目指しているが、量子ドットにおける正の荷電励起子(X+)を 1 光学フォノン

そのためには量子ドットにクーパー対をしみ込ませ、発生だけ上のエネルギーで準共鳴励起することにより、図 1 にする光子対の個数状態制御に関する研究を進める必要があ

示す発光線幅20eV の非常に鋭い単一の X+ 発光線を観測る。その点、開放型 InAs 量子ドットは超伝導電極と直接接

PL Intensity (arb. units)

通常の量子ドットでは磁場が印加されていなくても励起(+, +)X+(+, )1.5942

1.5944

Photon Energy (eV)

図１．荷電励起子(X+)を右円偏光(σ+)励起した際の、σ+ 発光(σ+,σ+)と左円偏光(σ)発光
スペクトル(σ+,σ)。X+ 発光
線より１光学フォノンだけ
上のエネルギーを励起する
ことにより、均一広がり線幅20eV と狭くかつ高い確率で励起偏光を保存した発光が得られた。このような高い
偏光保存率を持つ均一広がり発光を単一の量子ドットから観測したのは、今回が初めてである。

合させることができること、光ファイバー通信の1.55m 波
長帯での発光が比較的容易に得られることなどの特徴を持
つが、表面再結合のためにその発光効率が低い課題がある。
この点に関して、ドット形成前の半導体表面を原子レベルで平坦化することにより、開放型 InAs 量子ドットの発光が顕著に増大することを見いだした。さらに、この InAs 量子ドットに Nb 電極を形成することにより、超伝導臨界温度（～8K）以下の低温領域で、温度の低下に伴う発光増強を観測した。図 3 はその測定サンプルの模式図とサンプル表
面の図面であり、Nb 電極に接している一部の InAs 量子ドットにクーパー対が染み込み、その発光に超伝導効果を与― 25 ―

み込ませて、クーパー対の関与した発光プロセスを実現しようと検討を進めている。その際に伝導帯バンド不連続の制御がポイントとなる。今年度 GaAsSb/GaAs 系ヘテロ構造を用い、正孔を量子閉じ込めしながら、電子の分布を制御して実効的に Type-I と Type-II を切り替えることに成功した。図 5 に示すように Sb 組成が8.1％（サンプル A）と3.5％（サンプル B）の GaAsSb/GaAs 単一量子井戸について、発光ピークの光励起強度依存性を測定すると、顕著な変化を示す。サンプル A では励起強度の1/3乗に比例するブルーシ
フトを示し、典型的な Type-II の特性を示す。これは電子が
GaAsSb 外部の GaAs に局在していることを示している。一方サンプル B ではピークシフトは大きく減少しており、こ図３．開放型 InAs 量子ドットに Nb を直接コンタクトさせ、Nb 電極
からInAs量子ドットへクーパー対がしみ込む効果をフォト
ルミネッセンスで観測する模式図。

れと同様の特性は通常 Type-I のヘテロ構造で観測される。
この結果は、電子の波動関数が相当に GaAsSb 領域に浸みだしていることを示しており、Sb 組成の制御で、伝導帯での電子分布を制御できることを示している。
Sb 組成が8.1％と3.5％の場合における GaAs/GaAsSb 境
界での伝導帯エネルギー障壁はそれぞれ38meV と16meVと求まっており、それぞれの場合の伝導帯における電子の波動関数からも泊まる空間的な存在確率を計算した結果を
1.170

1.20

図４．Nb に接していない InAs 量子ドット発光強度の温度依存性（■）とNb に接している InAs 量子ドットの発光強度の温度依
存性（●）。光学評価を行うマイクロ PL 用クライオスタッ
トは、外部からの輻射の影響を受け、Sample Holder 温度の～4.1K が Nb 臨界温度の～8K に対応する。

1.165

1.15

1.160

1.10

∝I

1/3

1.155

えることを期待した。図 4 はその測定結果であり、幅 5m

1.150の Nb 電極の中央にビーム径約 3m に収束させたレーザ光
でサンプルを励起し、Nb 電極近傍の InAs 量子ドットの発PL Peak Energy (eV)PL Peak Energy (eV)GaSb/GaAs Type-II
InAs/GaAs Type-I

1.05

0.4

0.8
1.2
1/3
1/3
Excitation Power (mW)1.00

図５．Sb 組成が8.1％と3.5％の２種類の GaAsSb/GaAs ヘテロ構造と、それぞれの発光ピークの光励起強度によるエネルギーシフト。

光を観測した。Nb の影響を受けない領域で観測したドットの発光は、この狭い温度範囲では特段温度依存性を示さない。一方で、Nb 電極近傍では、Nb 臨界温度以下で発光増

Ue=38 meV
Ue=16 meV

L=6 nm大を示した。これは Nb に接している InAs 量子ドットの割合が少ないことを考えれば、予想外の効果であるが、InGaAs-InP LED で観測された発光増強が、量子ドットでも(ze)再現されることを示唆している。
(c) GaAsSb 系 Type-II 量子ドットと GaAsSb/GaAs 界面制御
GaAsSb/GaAs 系ヘテロ構造は正孔が GaAsSb に局在し、電子が GaAs に局在する Type-II のヘテロ構造となる。電子-50クーパー対を半導体量子ドットで正孔対と再結合させる場
合、クーパー対が量子ドットでエネルギー緩和しないよう0ze (nm)50

図６．Sb 組成が8.1％ (Ue=38meV)と3.5％ (Ue=16meV) の場合に対する波動関数の計算から求まる電子の存在確率。

に、伝導帯での量子閉じこめがない Type-II 構造が最適である。これを使って、正孔を GaAsSb 量子ドット領域に閉じ込め、GaAs 伝導帯から電子クーパー対を GaAsSb 領域にし― 26 ―

図 6 に示す。エネルギー障壁としては小さな差と思われる

Muto, H. Kumano, I. Suemune: “Fourier Spectroscopy ofが、中央の GaAsSb 層における電子の存在確率は大きく異Decoherence of Exciton and Their Complexes in Single

なることがわかる。これは図 5 の測定で求まった Type-I,

InAlAs Quantum Dots” phys. stat. sol. (c), 5 (2008) pp.
351-355.

Type-II 的な発光ピークシフトと良く対応している。このとき、正孔はいずれの場合も GaAsSb 層に閉じ込められた状

３) I. Suemune, T. Akazaki, K. Tanaka, M. Jo, K. Uesugi, M.

態のままであり、正孔を価電子帯で量子閉じ込めしたままEndo, H. Kumano, and E. Hanamura: “Role of Cooper

で、発光層である GaAsSb 層へ電子クーパー対を侵入させPairs for the Generation of Entangled Photon Pairs from

ることが Sb 組成の制御で可能であることが示された。

Single Quantum Dots” Microelectronics Journal, 39 (2008)
pp. 344-347.
４) H. Kobayashi, H. Kumano, M. Endo, M. Jo, I. Suemune, H.

３．今後の研究の展望

Sasakura, S. Adachi, and S. Muto: “Highly Circu-

今年度の研究により、単一の半導体量子ドットを用いた

lar-polarized Single Photon Generation from a Single

光子偏光と電子スピン間の量子状態変換が高い効率で実現

Quantum Dot at Zero Magnetic Field” Microelectronics

できることが明らかとなり、光子を使った量子情報伝送とJournal, 39 (2008) pp. 327-330.

スピンを使った量子情報処理系をつなぐ一つのステップは５) H. Kumano, H. Kobayashi, Y. Hayashi, M. Jo, I. Suemune,確立できた。近年量子情報伝送自体は単一光子にとどまら

H. Sasakura, S. Adachi, and S. Muto: “Single Photon

ず、量子もつれ合い光子対を用いた研究が活発化している

Emission with High Degree of Circular Polarization from a

が、まだ必要なときに光子対を発生できるオンデマンドのSingle Quantum Dot Under Zero Magnetic Field” Physica

もつれあい光子対光源は実現できていない。我々は電子がE, 40 (2008) pp. 1824-1827.

（クーパー）
ペアー状態を形成したままで二つの正孔と再結

６) J. Ibanez, R. Cusco, E. Alarcon-Llado, L. Artus, A.

合するプロセスを実証して、これによってそのような光源

Patane, D. Fowler, L. Eaves, K. Uesugi, and I. Suemune:を実現することを目指している。前年度、電子クーパー対“Electron Effective Mass and Mobility in Heavily Dopedを注入して発光させる超伝導 LED によって、超伝導臨界温n-Ga(AsN) Probed by Raman Scattering” Journal of Ap-

度以下で発光増強を観測し、そのような新規な発光プロセ

plied Physics, 103 (2008) pp. 103528-1~5.

スの可能性を示した。量子もつれ合い光子対をオンデマン

７) Y. Hayashi, K. Tanaka, T. Akazaki, M. Jo, H. Kumano,

ドに発生させるには、正孔対を量子ドットの単一量子準位

and I. Suemune: “Luminescence Observed from A Junctionに閉じ込め、パウリの排他律で一度に発生する光子対の数

Field-Effect Transistor with Nb/n-InGaAs/Nb Junction”

を一組に制御する必要がある。今年度、量子ドットにおいphys. stat. sol. (c) 5 (2008) pp. 2816-2818.

て電子クーパー対に関する発光を確認することができた。

８) H. Kumano, H. Kobayashi, S. Ekuni, Y. Hayashi, M. Jo, H.

さらに量子もつれ合い光子対をオンデマンドに発生させる

Sasakura, S. Adachi, S. Muto, and I. Suemune: “Opti-

舞台として最適と考えられる Type-II ヘテロ構造において、

cal-phonon Mediated Exciton Energy Relaxation with

発光プロセスを最適化するために重要な電子波動関数制御

Highly Preserved Spin States in a Single Quantum Dot”の可能性を示すことができた。

Phys. Rev. B 78 (2008) 081306-1-4 (R).

今後は、クーパー対に関与した発光プロセスを理論・実

９) R. Inoue, H. Takayanagi, M. Jo, T. Akazaki, and I. Sue-

験両面から明確化し、量子もつれ合い光子対を発生する新mune: “Differential Resistance Oscillations with Micro-

規発光プロセスの確率と、超伝導LEDへ量子ドットを導入

wave Irradiation in a Superconductor-semiconductor

してオンデマンド動作を実現することを目指していく。こJunction”, J. Phys. Conference Series, 109 (2008) pp.

のためには、上記で議論した光子対の発生プロセスに加え012033-1~4.

て、発生した光子対を効率よく外部に取り出す新機軸も必10) M. Jo, Y. Hayashi, H. Kumano, and I. Suemune: “Exci-

要であり、現在並行して検討を進めている。

ton-phonon Interactions Observed in Blue Emission Bandin Te delta-doped ZnSe” J. Appl. Phys. 104 (2008)
033531-1~4.

４．資料
4.1

11) H. Sasakura, S. Adachi, S. Muto, S. Hirose, H. Z. Song,

学術論文等

and M. Takatsu: “Nuclear and excitonic spin polarizaton

１) Y. Hayashi, K. Tanaka, T. Akazaki, M. Jo, H. Kumano,

formed using cross-linearly polarized pulse pair via

and I. Suemune: “Superconductor-based Light Emitting

half-localized state in a single self-assembled quantum

Diode: Demonstration of Role of Cooper Pairs in Radiativedot” J. Appl. Phys. 103 (2008) 103530-1~5.

Recombination Processes” Appl. Phys. Express 1 (2008)

12) R. Kaji, K. Yamada, H. Sasakura, and S. Adachi: “Optical

011701-1~3.

evaluation of electron and hole g-factors in single quantum２) S. Adachi, H. Sasakura, N. Yatsu, R. Kaji, K. Yamada, S.

dots” phys. stat. sol. (b) 245 (2008) 2662~2666.

― 27 ―

4.4

著書６) 佐藤充、井筒康洋、定昌史、笹倉弘理、熊野英和、末１) 末宗幾夫：「発光・受光の物理と応用」培風館 小林洋

宗幾夫：「Type-II GaAsSb/GaAs へ Se delta-doped GaAs

志監修、2008年 (分担執筆) 423ページ。第 6 章 半導体層を導入した効果」2008年 (平成20年) 秋季第69回応発光デバイス 6.6 量子ドット光デバイス.

用物理学関係連合講演会（平成20年9月2日-5日、中部大学）3aCF13 講演予稿集 p.285.

4.7

講演

７) 井筒康洋、伊藤早紀、佐藤弘康、許載勳、高田真、笹ａ．招待講演

倉弘理、末宗幾夫：「Nb 埋め込み InAs QDs メサ構造の

１) I. Suemune: “Interdisciplinary Research on Supercon-

作製と評価」2008年 (平成20年) 秋季第69回応用物理

ducting Photonics and Development of LEDs based on

学関係連合講演会（平成20年9月2日-5日、中部大学）

New Concept” Japan-Brazil Memorial Symposium on Sci-

2pZQ8 講演予稿集 p.1259.
８) 末宗幾夫、林雄二郎、倉光周平、田中和典、赤碕達志、

ence on Science and Technology, June 23-25 (2008) Sao

笹倉弘理、熊野英和：「Nb 電極を持つ InGaAs/InP LED

Paulo, Brazil, p.28.
２) I. Suemune, Y. Hayashi, K. Tanaka, T. Akazaki, H. Sa-の超伝導発光増強効果と内部量子効率に関する検討」

sakura, and H. Kumano: “Superconducting Photonics and2008年 (平成20年) 秋季第69回応用物理学関係連合講

Development of Light Emitting Diodes based on New

演会（平成20年9月2日-5日、中部大学）3pZQ20 講演

Concept” The 21st Annual Meeting of The IEEE Lasers &予稿集 p.1242.

Electro-Optics Society, Newport Beach, CA, 9-13 No-

９) J.-H.Huh, H. Sato, S. Ito, Y.Idutsu, and I. Suemune,

vember 2008, WS1, pp. 567-568.

“Nanolithography and Patterning for Superconducting３) I. Suemune: “New Directions with Alliance of Photonics

Photonics” GCOE 産学共同シンポジウム、京王プラザ

and Superconductivity” The 12th SANKEN International

ホテル札幌、2008年10月3-4日、P2-14, pp. 125-126.

Symposium “Frontiers of Science for Future Industries”,

10) 許載勲、遠藤礼暁、佐藤弘康、末宗幾夫：「超伝導ニオOsaka, January 22, 2009, pp. 11-12.

ブ電極のナノパターニング」第44回応用物理学会北海ｂ．一般講演道支部合同学術講演会（平成21年1月8日-9日、函館）

ⅰ）学会

C-6.

１) 鍜治怜奈、足立智、武藤俊一、笹倉弘理、熊野英和、

11) 宮村壮太、佐藤充、定昌文、末宗幾夫：「GaAsSb/GaAs

末宗幾夫：「単一 InAlAs 量子ドットにおける中性励起

type-II 量子井戸における離散的な局在準位形成の観子発光の偏光回転」2008年 (平成20年) 秋季第69回応測」第44回応用物理学会北海道支部合同学術講演会（平用物理学関係連合講演会（平成20年9月2日- 5日、中部

成21年1月8日-9日、函館）C-5.
12) 中島秀朗、江国晋吾、熊野英和、笹倉弘理、末宗幾夫：大学）4pZQ8 講演予稿集 p.1248.
２) 江國晋吾、中島秀朗、熊野英和、笹倉弘理、足立智、「単一量子ドット励起子発光における単一光子干渉効

武藤俊一、末宗幾夫：「単一量子ドット発光における果」第44回応用物理学会北海道支部合同学術講演会（平成21年1月8日-9日、函館）A-12.

Which-Path 情報と干渉効果」2008年 (平成20年) 秋季

13) 加藤大望、井田惣太郎、高田真、井筒康洋、伊藤早紀、

第69回応用物理学関係連合講演会（平成20年9月2日-5

熊野英和、末宗幾夫：「有限差分時間領域法を用いた Nb

日、中部大学）4pZQ3 講演予稿集 p.1246.

埋め込み InAs QDs ピラー構造の解析」第44回応用物

３) 倉光周平、笹倉弘理、田中和典、赤崎達志、熊野英和、
末宗幾夫：「超伝導 Nb 電極による n-InGaAs 発光再結合

理学会北海道支部合同学術講演会（平成21年1月8日-9

寿命の短縮」2008年 (平成20年) 秋季第69回応用物理日、函館）A-11.

学関係連合講演会（平成20年9月2日- 5日、中部大学）

14) 和田雅樹、倉光周平、笹倉弘理、熊野英和、末宗幾夫：「超伝導Nb電極を有する LED 構造における発光再結合

3pZQ19 講演予稿集 p.1241.

寿命の短縮」第44回応用物理学会北海道支部合同学術

４) 笹倉弘理、足立智、鍜治怜奈、武藤俊一：「InAlAs 量子

講演会（平成21年1月8日- 9日、函館）A-10.

ドットにおける核磁場の局所性と双安定現象」第24回
講演奨励賞受賞記念講演 2008年(平成15) 笹倉弘理、足立智、鍜治怜奈、武藤俊一、熊野英和、

20年) 秋季第69回応用物理学関係連合講演会（平成20末宗幾夫：「InAlAs 量子ドットにおける核磁場による電応用物理学会年9月2日-5日、中部大学）4pZQ1 講演予稿集 p.1246.

子スピン偏極度の低下」2009年 (平成21年) 春季第56

５) 佐藤弘康、井筒康洋、笹倉弘理、熊野英和、末宗幾夫：

回応用物理学関係連合講演会（平成21年3月30日-4月2「リフトオフプロセスによる開放型 InAs 量子ドットに日、筑波大学）31p-ZB-8, 講演予稿集p.1439.

直接コンタクトする Nb 微細構造の形成と評価」2008

16) 中島秀朗、江国晋吾、熊野英和、笹倉弘理、足立智、

年 (平成20年) 秋季第69回応用物理学関係連合講演会

武藤俊一、末宗幾夫：「単一光子発生における偏光モー（平成20年9月2日-5日、中部大学）2pZQ6 講演予稿集

ド識別と干渉効果」2009年 (平成21年) 春季第56回応p.1258.

用物理学関係連合講演会（平成21年3月30日-4月2日、― 28 ―

筑波大学）31p-ZB-16, 講演予稿集 p.1442.

and Photon Polarization with a Single Quantum Dot17) 和田雅樹、笹倉弘理、定昌史、熊野英和、末宗幾夫：without External Field” International conference on「単一量子リング/ドット発光のコヒーレンス測定」

Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures

2009年 (平成21年) 春季第56回応用物理学関係連合講(PLMCN8), April 7 - 11, 2008, Tokyo, Japan, WeP-9, p.

演会（平成21年3月30日-4月2日、筑波大学）31p-ZB-7,

64.

講演予稿集 p.1439.

２) S. Adachi, R. Kaji, K. Yamada, S. Muto, H. Sasakura, H.

18) 井田惣太郎、高田真、加藤大望、井筒康洋、笹倉弘理、Kumano, I. Suemune: “Nuclear Field-mediated Measure-

末宗幾夫：「Nb 埋め込み InAs 量子ドットの PL 特性お

ment of Effective g factors of Quantum Dots” International

よび有限時間差分領域法を用いた解析」2009年 (平成conference on Physics of Light-Matter Coupling in21年) 春季第56回応用物理学関係連合講演会（平成21Nanostructures (PLMCN8), April 7 - 11, 2008, Tokyo,

年3月30日-4月2日、筑波大学）31p-ZB-6, 講演予稿集

Japan, TuB-3, p. 28.

p.1439.

３) H. Kumano, H. Kobayashi, S. Ekuni, H. Sasakura, I.

19) 井筒康洋、高田真、伊藤早紀、佐藤弘康、許載勳、加Suemune, S. Adachi, and S. Muto: “Spin-flip Quenching

藤大望、井田惣太郎、笹倉弘理、末宗幾夫：「Nb 埋め

during Energy Relaxation Processes Mediated by Opti-

込み InAs 量子ドットピラー構造の作製とその光学特

cal-phonons in a Single Quantum Dot” 5th International

性評価」2009年 (平成21年) 春季第56回応用物理学関Conf. on Semiconductor Quantum Dots, May 11-16, 2008,

係連合講演会（平成21年3月30日-4月2日、筑波大学）

Gyeongju, Korea, Th-P-030.

30a-ZG-8, 講演予稿集 p.1447.

４) M. Takada, Y. Idutsu, Y. Hayashi, T. Akazaki, H. Sasa-20) 倉光周平、和田雅樹、笹倉弘理、田中和典、赤崎達志、

kura, H. Kumano, I. Suemune: “Observation of Enhanced

熊野英和、末宗幾夫：「Nb/n-InGaAs/p-InP 超伝導発光

Luminescence Emitted from InAs Quantum Dots with Di-

ダイオードにおける発光寿命の注入電流依存性」2009

rect Contact to Superconducting Niobium Stripe” 5th In-

年 (平成21年) 春季第56回応用物理学関係連合講演会

ternational Conf. on Semiconductor Quantum Dots, May（平成21年3月30日-4月2日、筑波大学）31p-ZB-5, 講演

11-16, 2008, Gyeongju, Korea, Th1-O-03.

予稿集 p.1438.

５) Y. Idutsu, S. Miyamura, and I. Suemune: “Improved Lu-21) 許載勳、佐藤弘康、伊藤早紀、井筒康洋、末宗幾夫：「Nb

minescence Efficiency of InAs Quantum Dots Grown on

微細パターンエッヂでの特異効果を利用した超伝導電Atomic Terraced GaAs Surfaces Prepared with In-situ

極のナノ加工」2009年 (平成21年) 春季第56回応用物

Chemical Etching” 5th International Conf. on Semicon-

理学関係連合講演会（平成21年3月30日-4月2日、筑波

ductor Quantum Dots, May 11-16, 2008, Gyeongju, Korea,

大学）31p-ZN-12, 講演予稿集 p.1114.

Th-P-056.

22) 加藤大望、井筒康洋、伊藤早紀、佐藤弘康、高田真、

６) M. Jo, Y. Hayashi, H. Sasakura, H. Kumano, I. Suemune, S.

許載勳、井田惣太郎、末宗幾夫：「テーパー型 Nb 埋め

Adachi, S. Muto, S. Suraprapapich, and C. W. Tu: “Re-込み InAs 量子ドットピラー構造の FDTD 解析」2008

duced

年 (平成21年) 春季第56回応用物理学関係連合講演会

Self-assembled InAs/GaAs Quantum Rings” 5th Interna-（平成21年3月30日-4月2日、筑波大学）31p-ZB-4, 講演

tional Conf. on Semiconductor Quantum Dots, May 11-16,

予稿集 p.1438.

2008, Gyeongju, Korea, Th-P-051.

Fine

Structure

Splittingof

Excitonsin23) 佐藤充、宮村壮太、定昌史、井筒康洋、笹倉弘理、熊７）S. Adachi, R. Kaji, K. Yamada, H. Sasakura, and S. Muto:

野英和、末宗幾夫：「GaAsSb/GaAs Type-II バンド構造“Zero effective g-factor of quantum dot electron using

制御と離散的局在準位形成」2009年 (平成21年) 春季

optically induced nuclear field” 5th International Conf. on

第56回応用物理学関係連合講演会（平成21年3月30日-4

Semiconductor

月2日、筑波大学）30p-ZB-13, 講演予稿集 p.1431.

Quantum

Dots, May

11-16, 2008,

Gyeongju, Korea, Th3-O-05.

24) 末宗幾夫、熊野英和、笹倉弘理、田中和典、赤崎達志：８）H. Sasakura, S. adachi, R. Kaji, and S. Muto: “Formation of「半導体ナノ構造における新規発光プロセスの可能

nanoscale magnetic field by nuclear spin polarization in

性：超伝導効果」2009年 (平成21年) 春季第56回応用

individual quantum dots” 5th International Conf. on

物理学関係連合講演会、「14.2 超薄膜量子ナノ構造」分

Semiconductor

科内招待講演（平成21年3月30日-4月2日、筑波大学）

Gyeongju, Korea, Th-L-002.

31p-ZB-1, 講演予稿集 p.1437.

Quantum

Dots, May

11-16, 2008,

９) Y. Hayashi, K. Tanaka, T. Akazaki, M. Jo, H. Kumano,ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップand I. Suemune: “Luminescence of n-InGaAs/p-InP Diode１) H. Kumano, S. Ekuni, H. Kobayashi, H. Sasakura, I.

with Superconducting Nb Electrode” The 20th IEEE

Suemune, S. Adachi, and S. Muto: “Optical-phonon Me-

Conference on Indium Phosphide and Related Materials

diated Efficient Spin-state Transfer Between Electron Spin

(IPRM’08), 25-29 May 2008, Versailles, France, MoB3-1.

― 29 ―

10) H. Sasakura, Y. Hayashi, K. Tanaka, T. Akazaki, S.

18) Jae-Hoon Huh, Michiaki Endo, Hiroyasu Sato, Saki Ito,

Kuramitsu, H. Kumano, I. Suemune: “Superconducting

Yasuhiro Idutsu, and Ikuo Suemune: “Nano-fabrication of

Effect on Radiative Recombinations in Long-wavelength

Superconducting Electrodes for New Type of LEDs” The

Light Emitting Diode” 66th Device Research Conference,

Optical Society of Korea Annual Meeting, Seoul, February

June 23-25, 2008, University of California, Santa Barbara,

12-13, 2009, T1C-III3.

CA, VII.B-3.
11) H. Kumano, S. Ekuni, H. Sasakura, I. Suemune, S. Adachi,

4.9

and S. Muto: “Photon-state Conversion with Well-defined

共同研究

ｄ．受託研究（研究担当者、機関名、研究題目、研究期間、Spin States in a Single Quantum Dot Without Magnetic

研究内容）

Field” 29th International Conference on the Physics of１) 末宗幾夫、熊野英和、植杉克弘、田中和典、菅博文、

Semiconductors, July 27-August 1, 2008, Rio de Janeiro,

山西正道、赤崎達志、高柳英明（科学技術振興機構）：

Brazil, TuP-C1-084.

「超伝導フォトニクスの創成とその応用」、2005～2010

12) Y. Idutsu, M. Takada, Y. Hayashi, T. Akazaki, H. Sasa-

年度、157,500千円、これまで遊離していた超伝導領域

kura, H. Kumano, and I. Suemune: “InAs Quantum Dotsとフォトニクスをつなぐ基幹デバイスを開発する。

with Direct Contact to Niobium Electrode: Enhancementof Luminescence Intensity Below Superconducting Critical

4.10

th

Temperature” The 15 International Conference on Mo-

予算獲得状況

ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、

lecular Beam Epitaxy, August 3-8, 2008, University of

期間）

British Columbia, Vancouver, Canada, THP15, p. 223.

１) 末宗幾夫、基盤研究 S ピラミッド微小光共振器を用い

13) M. Sato, M. Jo, and I. Suemune: “Conversion from Type-IIた量子ドット励起子状態のコヒーレント制御に関するto Type-I Transition due to Sb Composition in

研究、2004～2008年度

GaAsSb/GaAs Single Quantum Wells” The 15th Interna-２) 末宗幾夫、特定領域研究、光ファイバー通信波長帯量

tional Conference on Molecular Beam Epitaxy, August 3-8,子ドットを用いた高次機能光子源の研究、2005～2008

2008, University of British Columbia, Vancouver, Canada,

年度

MP5, p.21.

３) 熊野英和、若手研究 A（2006～2008年度）高効率量子14) Jae-Hoon Huh, Michiaki Endo, and Ikuo Suemune:

ドット量子光源の作製と空間伝送量子暗号通信への応“Nano-patterning of Niobium for Superconducting Light用に関する研究

Emitting Diodes” The 10th RIES Int. Symposium, De-４) 笹倉弘理、若手研究 B（2008～2009年度）フーリエ分

cember 8-9, 2008, Sapporo, Japan, P04, pp. 45-46.

光法に基づく量子ドットで発生する単一光子の偏光状

15) S. Kuramitsu, M. Wada, H. Sasakura, H. Kumano, and I.

態測定装置の開発

Suemune: “Reduction of Radiative Recombination Lifetimeon Long-wavelength Light Emitting Diode Induced by

4.12

Superconducting Nb Electrode” The 10th RIES Int. Sym-ａ．公的機関の委員

社会教育活動posium, December 8-9, 2008, Sapporo, Japan, P05, pp.

１) 末宗幾夫：JJAP 編集委員 (2003年4月1日～現在)

47-48.

２) 末宗幾夫：日本学術振興会ワイドギャップ半導体光・

16) I. Suemune, H. Kumano, H. Sasakura: “Single photon

電子デバイス第162委員会委員 (2001年4月1日～現在)

generation and quantum state transfer for next-generation

３) 末宗幾夫：日本学術振興会光電相互変換第125委員会委
員 (2001年4月1日～現在)

quantum information networks” The 2nd International

４) 熊野英和：日本学術振興会光電相互変換第125委員会委

Symposium on Global COE Program of Center for
Next-Generation
Knowledge

Information

Discovery

andTechnology

based

on

員 (2001年4月1日～現在)

Knowledge

Federationｂ．国内外の学会の主要役職
１) 15th International Conference on Molecular Beam Epitaxy,(GCOE-NGIT 2009), Sapporo, January 20-21, 2009,

August 3-8, 2008, Vancouver, Canada, International

pp.114-120.

Program Committee.

17) Jae-Hoon Huh, Michiaki Endo, Hiroyasu Sato, Yasuhiro
Idutsu, and Ikuo Suemune: “Nano-patterning for Superconducting Photonics” The 2nd International Symposiumｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）

on Global COE Program of Center for Next-Generation

１) 工学研究科、情報エレクトロニクス特別演習、末宗幾夫、熊野英和、2008年4月1日～2009年3月31日

Information Technology based on Knowledge Discovery

２) 工学研究科、光電子物性学特論、末宗幾夫、2008年4and Knowledge Federation (GCOE-NGIT 2009) , Sapporo,

月1日～2008年9月30日

January 20-21, 2009, pp.241-246.

― 30 ―

３) 工学部（情報エレクトロニクス学科）統計力学、熊野英和、2008年10月1日～2009年3月31日
４) 工学部（情報エレクトロニクス学科）電子情報工学実験、熊野英和、笹倉弘理 2008年4月1日～2009年3月31日
５) 全学共通、光・バイオ・分子で拓くナノテクノロジー、
末宗幾夫、2008年4月1日～2008年9月30日
６) 大学院共通講義,ナノテクノロジー・ナノサイエンス概論Ⅰ、末宗幾夫、2008年4月1日～2008年9月30日（集中講義7月25-27日）
ｉ．ポスドク・客員研究員など
定昌史（日本学術振興会）

林

雄二郎（日本学術振興会）

井筒 康洋（JST-CREST 受託研究博士研究員）
ｊ．修士学位及び博士学位の取得状況
・修士学位
１) 伊藤早紀：「光子源からの光子取り出し効率向上を目指した半導体形状制御とその評価」（平成20年2月）
２) 佐藤弘康：「Nb 超伝導微細電極形成技術とInAs量子ドット発光デバイスへの応用に関する研究」
３) 佐藤

充：
「GaAsSb/GaAs Type-II 単一量子井戸構造における伝導帯障壁制御と発光過程の評価」
４) 高田

真：
「Nb 埋め込み InAs 量子ドットからの光子取り出し効率向上に関する研究」― 31 ―

に光電変換を達成し、グリーン I T 用電源として供する可能性も検証する。図 1 に示すように、フォトンの進行方向と教授

石橋晃（東大院、理博、2003. 01～）

フォトキャリアの移動方向を直行させ、かつフォトンの進

講師

近藤憲治（早大院、工修、2003. 04～）

行方向に沿ってバンドギャップの昇降順を配した複数の半助教

海住英生（慶大院、工博、2004. 09～）

導体ストライプを有する新しい光電変換素子を提案してい院生る。 また、非常に高い清浄度を実現可能な CUSP の展開と博士課程してアクリル製デスクトップタイプ、モバイルタイプが可川口敦吉、山形整功

能であることを示した。

修士課程
Susanne White１．研究目標Si ベースの LSI は、その構造が外在的ルールで決まるトップダウン型のシステムの代表格であるが、素子サイズ上、動作パワー上、及び製造設備投資上の限界がいわれて久しい。トップダウン系に対するアンチテーゼとして最近その重要性が認識されてきたもう一つの流れは、自律分散型相

図１

新型光電変換素子構造．

互作用など内在的ルールにより構造が決まっていくボトム
アップ系である。
バイオ系に代表される自律立分散系の他、(a2)

量子十字デバイスの作製とその評価

たとえば半導体量子ドットなど無機物のセルフアセンブル

次世代超高密度メモリや Beyond CMOS スイッチングデ

系を含め、広くボトムアップ系に期待が集まっている。しバイスへの応用、並びに、単一分子系のキャラクタリゼー

かしながら、両系は未だに専ら独立で、トップダウン、ボションを目指し、我々はスパイラルヘテロ構造を用いた量

トムアップ両系の間に橋渡しすること(究極的には統合・融子十字デバイスを提案している。スパイラルヘテロ構造と合すること)は極めて重要にも係らず、未だ実現されていなは金属薄膜/有機膜を渦巻状に巻き取った構造で、ここからい。

2枚の多層膜薄片を切り出し、互いに直交するように貼り合

従来の「ボトムアップとトップダウンの統合」が両者のわせると、金属薄膜のエッジとエッジが互いに対向した新

いいとこ取りでナノ構造を作るというもの(積集合)であっ規な構造のデバイスができる。このデバイスを量子十字デたのと異なり、我々は両者の相互乗り入れを可能とする(和バイスといい、例えば、膜厚 1 ～20 nm の金属薄膜を用いれ集合の)観点から取組んでいる。両者の構成原理が大きく異ば、原理的に 1 ～20 nm サイズの超微細接合が作製可能とななるため、勿論容易ではないが、もしトップダウンーボト

る。これにより単一分子系のキャラクタリゼーションが可

ムアップの両系を繋ぐことができれば、今後ナノテク・ナ

能となる。また、超高密度メモリや Beyond CMOS スイッチ

ノサイエンス分野で得られる新しい効果や機能を既存の Si

ングデバイスへの応用も期待できる。今回、我々はNi薄膜/

ベースの IT インフラ構造と接続し相乗効果を引出しつつポリエチレンナフタレート(PEN)有機膜を用いて量子十字

ナノとマクロを結合することができる。当研究室では、こデバイスを作製し、その構造解析ならびに電気的特性評価のような立場から、局所的かつ個別的にアドレスすることを行った。

の可能なナノ構造体を大局的サイズで得、さらに新しい量

初めに、抵抗加熱式真空蒸着装置を用いて、PEN有機膜

子機能を創出することを目指した基礎研究を進めている。

（帝人デュポン社製 TEONEX Q65、幅 2 mm、膜厚 100 m）
上に Ni 薄膜（膜厚10～20 nm）を成膜した図2(a)。Ni の蒸着
パワーは280W、蒸着時の真空度は～10-3 Pa、蒸着膜厚レー２．研究成果トは0.93 nm/min とした。次に、成膜した Ni 薄膜/PEN 有機(a) トップダウン系とボトムアップの接続の基礎、及びス

膜をポリメタクリル酸メチル(PMMA)で固定し(図2(b))、化

パイラルヘテロ構造応用素子(a1)

極限高清浄環境の展開と新型光電変換素子応用

地球環境保全、石油資源の有効活用上も、太陽エネルギ
ーのユビキタスな利用を可能とすることが急務であることに鑑み、フレキシブル基板を用いた光電変換素子・太陽電池の作製可能性を探っている。特に、熱力学的限界のため高効率を得ることの難しい、温度差の小さい黒体輻射源に
図２．量子十字デバイスの作製方法．

対応するべく、黒体輻射の全スペクトル巾に亘って高効率― 34 ―

とは量子十字素子には好適であるといえる。なぜなら、エッジ面、すなわち、断面 TEM 像に平行な面が接合面となるため、結晶粒が大きいとき、接合面の面方位が一定となるからである。以上より、Ni 薄膜と PEN 有機膜の界面の明瞭性、並びに、Ni の結晶粒サイズの観点から Ni/PEN は量子
十字素子に適していることがわかった。
図 4 に Ni/PEN を用いて作製したNi量子十字素子の電流電圧特性を示す。Ni 膜厚は17 nm としたので、接合面積は17×17 nm2 となる。内挿図は直流4端子法のセットアップである。図 4 からわかるように、オーミック特性を得ることができた。この結果はアンダーソンハミルトニアンを用いた計算結果と定性的に一致した。また、この電流電圧特性

図３．Ni/PEN の(a)断面 TEM 像と(b)電子線回折パターン．

は経時変化がなく非常に安定した特性であった。これらの学機械研磨(CMP)法によりNiエッジ面を研磨した(図2(c))。

結果は、次世代超高密度メモリ、並びに、Beyond CMOS ス

研磨剤には0.1、0.3、1.0 m 粒径の Al2O3 スラリーを用いた。

イッチングデバイス応用に大きな期待がもてることを示唆

研磨回転数は75 rpm、研磨圧力は6.5 psi とした。最後に、する。今後は、Ni 薄膜エッジ間に有機分子を挟んだ量子十クラス ISO マイナス 1 の超高清浄環境内で室温にて Ni エッ

字デバイスの作製に注力し、それらの電気伝導特性、及び、ジ面同士を貼り合わせ、量子十字素子を作製した(図2(d))。

磁気抵抗特性評価を行い、スイッチングデバイス、及び、膜厚測定にはダイオード励起型固体(DPSS)レーザーによ巨大磁気抵抗効果デバイス等の新機能量子十字デバイスのる透過光強度測定法を用いた。表面観察には原子間力顕微創製を目指す。

鏡(AFM）を用いた。構造解析には透過型電子顕微鏡(TEM)、
及び、電子線回折(ED)を用い、断面 TEM 試料の作製には、(b) スピン量子十字構造素子（SQCS device）の輸送特性

Ar イオンミリングを用いた。このとき、電子ビームによるの理論的検討

試料の温度上昇を抑えるため低温ステージを用いた。電流

今年度は量子十字構造素子(QCS device)の電極を強磁性

電圧測定には室温直流 4 端子法を用いた。

体にした場合の輸送特性と磁気抵抗比（MR比）をアンダー

図3(a)に Ni(20nm)/PEN の断面 TEM 像を示す。Ni 原子がソンハミルトニアンを用いて，電極の次元性を考慮して計

PEN有機膜内に拡散せず、明瞭な界面が形成できているこ算した。

とがわかる。また、Ni 表面が平坦であることも確認でき、
これは AFM による観察結果（表面粗さ Ra = 1.1nm）と一致する。回折コントラストより Ni 膜は多結晶状態になってい
ることもわかる。図3(b)に電子線回折パターンを示す。PEN
有機膜上の Ni は fcc 構造であり、バルク Ni と同じ構造であることがわかった。また、電子線のビーム径を50～100 nm
としてもリングパターンは見られなかった。これは結晶粒が大きいことを示す。断面 TEM 像のコントラストから判断(a) SQCS model with 2Delectrodes

すると、結晶粒は20～50 nm 程度であることがわかる。こ(b) Energy diagram for SQCS
device

図５．計算に用いたスピン量子十字構造素子のモデルとエネルギー図こで量子十字素子への適用を考えると、結晶粒が大きいこ

電極に Ni 電極を用いたときの計算の結果、QCS 素子と同様に、分子との結合が室温のエネルギーより小さい weakcoupling の時には、図 6 のように電極が 2 次元であろうが、3 次元であろうが関係なく、シャープなピークを持つ電流・電圧特性が得られ、switching 素子として機能することが判明した。また動作電力も10nW程度で、現在の CMOS を凌駕する。また、分子との結合が室温のエネルギーより十分大きい strong coupling limit の時には、図7(a)のような電流・電圧特性が得られ、オーミックな特性が得られる事が予想された。その後、実験により得られた電流電圧特性は、
図7(b)のようなオーミック特性を示し、定性的に理論と良図４．量子十字デバイスの電流電圧特性．

い一致を示した。

― 35 ―

SQCS devices with (a) 2D electrodes and (b) 3D electrodes
図６．弱結合時の SQCS device の電流電圧特性の理論結果．
図９．清浄度の実測値。△、□、○は HEPA フィルタを用いたときの値、◎は自己発塵のないフィルタを用いたときの値。これにより ISO-1～-2 級の極限高清浄度を得た．

３．今後の研究の展望
次のステップとして、2 次元ボトムアップ構造への局所
アドレシングを可能とすることにより、2 次元ボトムアッ(a) Calculated I-V characteristics
under the strong coupling limit.

(b) Experimental I-V characteristics.

プ系とトップダウン系との接続を実現することを目指している。従来、トップダウン系をなす半導体集積回路などでは一括露光等によるパターニングが用いられ、実質的な配図７．(a) 強結合極限時の SQCS device の電流電圧特性の理論結果．(b) 強結合極限時の実験結果．

線幅は数十nm であったが、本研究ではサブナノメートルの膜厚制御せいをもつ真空蒸着の特性を活かし、且つ成長速

また、理論的にこの SQCS device がもし磁気抵抗効果を度が遅いという弱点を克服することにより、丁度鳴門かま示すならばという仮定のもと、電極の繰り込まれた結合強

ぼこの如く金属と絶縁体が巻き込まれたスパイラル状円盤

度を用いて、MR 比を計算した結果が図8(a)で、図8(b)は、を形成し、そこから一角を切出すことにより得られる金属/

この繰り込まれた結合強度と電極のスピン分極率との関係

絶縁体交互多層膜薄片を金属層がクロスするように重ねたを示す結果である。

構造(ダブルナノバウムクーヘン構造)を創ることを試みる。この構造中には、多重平行金属リボン群によるエッジ
対向した交差構造 (Quantum Cross) が NｘN 個形成されることで、ナノサイズの分解能とバルクサイズの拡がりを両立した x y グリッドが実現する。両薄片に挟まれた 2 次元ボ
トムアップ構造に対し原子層の分解能でボトムアップ構造の各部分へ個別アクセスが可能である。しかも本構造は主要部分がリソグラフィーフリーで形成できる。

(a) The calculated MR ratio.

(b) The relation between the renormalized
transfer matrices and the spin polarization.

図８．SQCS device の MR 比(a)と繰り込まれた結合強度とスピン分極率の関係(b)また、
本研究の目指すダブルナノバウムクーヘン構造は、既存の素子の特性を飛躍的に向上させる可能性も持っている。リボンの厚みと巾を独立制御できることにより、例えば、分子素子では従来の Break Junction 電極 (Reed, 1997) や
40nm 程度の粗大な Cross-bar 構造 (Williams, 2002) と異なり、配線抵抗は小さく抑えながらも、対向 2 電極のクロスセク(c) コンパクトクリーンユニットシステムの開発
トップダウンとボトムアップの融合・統合をプラットフ

ションを極めて小さく押さえ真に少数の分子系を挟む事がォームベースで実現するため、高清浄度を持つクリーンユ

できるのみならず、原子層オーダーで急峻な D2d 対称性もニットシステムプラットフォームのモバイル版の要素技術

つサドルポイント状のナノスケール電極配置の創成と同電を検討した。図 9 に示すように、ISO クラス 2 のハンドキャ

極に挟まれた活性エレメントの物性評価を行うことができ

リー可能な高清浄度環境を実現することができた。本技術

る。 2 次元電子液体において、さらに厳密な解を得るため

は量子十字構造作製のためのコアテクノロジーとなると同に、バーテックス補正を取り入れた GWΓ 法を開発し、適時に、ナノテクノロジー、バイオテクノロジー、次世代植用する。密度汎関数法の基礎に関わる交換・相関カーネル

物作製技術の異種研究分野の融合・統合を可能にするプラについて新しいカーネルの提案を行う。またすでに結果がットフォームベーステクノロジーとしても期待できる。

得られつつあるが、ナノコンタクトにおけるコンタクト物
質の次元性とコンダクタンスについての関係を明らかにす― 36 ―

る。また磁気記録応用でも超高密度化の可能性が期待できbashi : PCT/JP2008/065924, ニッケル薄膜およびその形る。ダブルナノバウムクーヘン構造により得られる多重並成方法ならびに強磁性ナノ接合およびその製造方法なら

列エッジ対向金属リボン交差構造により( 2 次元的な)ナノびに金属細線およびその形成方法 （2008年8月28日）とマクロの世界とをつなぎ、トップダウン－ボトムアップ
両系の統合に端緒をつける可能性が出てくる。またスパイ

4.7

ラルヘテロ構造を用いた新型太陽電池の応用も期待される。

ｂ．一般講演講演ⅰ）学会
１) K. Kondo, H. Kaiju and A. Ishibashi : “Theoretical and

４．資料
4.1

Experimental Results of Electronic Transport of Spin
Quantum Cross Strucuture Devices”, 53rd Annual Con-

学術論文等

１) K. Kondo, H. Kaiju and A. Ishibashi : “Theoretical andference on Magnetism and Magnetic Materials, Austin,Experimental Results of Electronic Transport of Spin

Texas, USA (2008-11)

Quantum Cross Structure Devices”, J. Appl. Phys., 105:２)

07D522-1-07D522-3 (2009)

海住英生、近藤憲治、小野明人、川口敦吉、元鍾漢、平田秋彦、石丸学、弘津禎彦、石橋晃：「Ni 薄膜/ポリエチレ

２) H. Kaiju, A. Ono, N. Kawaguchi, K. Kondo, A. Ishibashi,

ンナフタレート (PEN) 有機膜を用いた量子十字構造の作

J. Won, A. Hirata, M. Ishimaru and Y. Hirotsu : “Ni thin

製とその評価」、第32回日本磁気学会、東北学院大学

films vacuum-evaporated on polyethylene naphthalate(2008-09)

substrates with and without the application of magnetic

３)

field”, Appl. Sur. Sci., 255 : 3706-3712 (2009)

N. Kawaguchi and A. Ishibashi : “Spiral Heterosturucture-Based New Solar Cells with Constant Output Volt-

３) K. Kondo, H. Kaiju and A. Ishibashi : “Theoretical In-age”, International Union Materials Research Societies

vestigation of New Quantum-Cross-Structure Device as apresents International Conference on Electronic Materials

Candidate beyond CMOS”, Mat. Res. Soc. Symp. Proc.,

2008, Sydney, Australia (2008-07 ～ 2008-08)

1067 : B03011-B03016 (2008)ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ

４) H. Kaiju, A. Ono, N. Kawaguchi, K. Kondo and A. Ishi-

１) 近藤憲治、海住英生：「新ナノデバイス（QCS-Device）

bashi : “Study of Gold Thin Films Evaporated on Poly-とグラフェンとの融合」、グラフェン・ミニ研究会、北ethylene Naphthalate Films toward the Fabrication of

海道大学創成科学研究棟ナノテクノロジー研究センタ

Quantum Cross Devices”, Mater. Res. Soc. Symp. Proc.,ー (2008-08)（招待講演）

1025 : B07011-B07016 (2008)

２) 石橋晃：「高清浄環境 CUSP システム」、2009国際ナノ５) M. D. Rahaman, H. Kaiju, N. Kawaguchi and A. Ishibashi :テクノロジー・ナノバイオ展示会、東京ビッグサイト“Ultra-high cleanliness of ISO class minus 1 measured in(2009-02)「スパイラルヘテロ構造
３) 石橋晃、近藤憲治、海住英生：

triply connected clean-unit system platform”, Jpn. J. Appl.

を利用した新型光電デバイスの進展」、ポストシリコン

Phys., 47 : 5712-5716 (2008)

物質・デバイス創製基盤技術アライアンス平成20年度
4.2

成果報告会、北海道大学 (2008-12)

総説・解説・評論等

１) 石橋晃：「クリーンユニットシステムプラットフォーム

４) H. Kaiju, K. Kondo and A. Ishibashi : “Fabrication of（CUSP）による極限高清浄度 ISO クラス－ 1（マイナ

Quantum Cross Devices using Ni Thin Films on Polyeth-ス 1 ）の実現」、クリーンテクノロジー、日本工業出版：

ylene Naphthalate Organic Substrates”, The 10th RIESHokudai International Symposium, Sapporo (2008-12)

343-351 (2008)２) 近藤憲治：「ナノデバイスの現状と低次元電子ガスの理

５) 石橋晃、大橋美久、スザン ホワイト：「極限高清浄環

論的特性」、化学工業、化学工業社、59(No.6) pp1-8

境を提供するクリーンユニットシステム」、ビジネス(2008)

EXPO、アクセスサッポロ (2008-11 ～ 3008-11)

３) 近藤憲治：「ホール効果と異常ホール効果, そしてその

６) 海住英生、近藤憲治、石橋晃：「ニッケル薄膜/ポリエ

先にあるもの」、まてりあ、日本金属学会、2月号

チレンナフタレート有機膜を用いた量子十字デバイスの作製とその評価」、平成20年度アライアンス G 2 分科

pp55-60 (2009).

会シンポジウム、東京工業大学 (2008-10)
特許７) 石橋晃：「クリーンユニットシステムプラットフォーム

・国内特許(CUSP)による高清浄環境」、第 7 回国際バイオフォーラ

１) 石橋晃：2008-2430、展示ユニット、2008年4月16日

ム ＆ 国 際 バ イ オ EXPO2007 、 東 京 ビ ッ グ サ イ ト

・国際特許(2008-07)

4.6１) H. Kaiju, M. Ishimaru, Y. Hirotsu, A. Ono and A. Ishi-― 37 ―

4.9

共同研究

・放送

ｂ．海外機関との共同研究

１) 石橋晃：TV 東京 FINE! 2009年2月19日「連結 Clean Unit

１) H. Kaiju, A. Ishibashi, H. Fujiwara and Y. Rakovich （電System Platform（CUSP）の紹介。S-CUSP、A-CUSP、

子科学研究所）: “The experimental investigation of in-

M-CUSP が放送された。」
・その他

terface of nano-structures and applications”, 2008～2009

２) 石橋晃：日経 BP 先端技術事業化 2009年2月23日「北年度, 450千円, 本研究では、Trinity College Dublin の海道大学発ベンチャーで、小型クリーンルーム製造な研究グループ(Prof. John Donegan)の II-VI 系微粒子測どを行っているシーズテック（札幌市、大橋美久社長）

定技術と本研究室の光電変換素子、及び、量子十字素は、東京ビッグサイト（東京国際展示場、東京・江東）

子作製技術を組み合わせ、新たな光機能デバイスを創で開催された「nano tech 2009（国際ナノテクノロジー

製することを目的とする。これ により、次世代太陽電総合展・技術会議）」（主催：nano tech 実行委員会）で、池、及び、分子エレクトロニクス素子への応用の礎を人が内部で作業できる小型のクリーンルーム「ラング構築する。

カスプ（L-CUSP）」を開発中であることを明らかにしｃ．民間等との共同研究た。シーズテックは、北海道大学電子科学研究所量子１) 石橋晃（北洋銀行）「CUSP 内での有人作業可能化のた

機能素子研究分野の石橋晃教授らの研究グループの技

めの要素技術の研究開発」

術を基に2006年12月 7 日に起業された大学発ベンチャ

２) 石橋晃（シーズテック株式会社）「CUSP 技術の高度化」

ーである。同社は、従来のクリーンルームとは清浄方

３) 石橋晃（ノーステック財団）：「ノーステック財団研究式が異なる「密閉循環」型の「極限高清浄環境」を作

開発助成事業「清浄環境測定器付きモバイル高清浄環る方式を開発している。クリーンルームを完全密閉循境の開発」」、2008年度、モバイルなクリーンシステム

環型にすることで、清浄度を上げることができる。」

プラットフォームの高 性能化を行う。
これまでのクリ３) 石橋晃、大橋美久：J-Net21(中小企業ビジネス支援サーン環境提供法を質・量ともに一変させ、必要な性能

イト) 2008年4月9日「大学発ベンチャーの挑戦：シーを、必要なだけ、必要なときに、必要な場所へ、低コ

ズテック」
４) 石橋晃：DVD「新たなビジネス拠点を是非札幌へ」

ストで提供することが できる。
ｅ．受託研究2008年4月3日「研究室活動紹介並びに極限高清浄環境

１) 石橋晃（独立行政法人科学技術振興機構）：「平成20年度

CUSP の紹介」

産学共同シーズイノベーション化事業顕在化ステージ「引ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）

き伸ばし型一体成型による繊維状光電変換素子（太陽電１) 理学院、半導体物理学、石橋晃、2008年10月01日～2009

池）の可能性の検証」、 2008～2009年度、7930千円、引

年3月31日き伸ばし型一体成型による繊維状光電変換素子（太陽電２) 全学共通、複合科目 環境と人間「現代物理学入門」(分池）のＦ／Ｓと市場調査担）、石橋晃、2008年4月1日～2008年9月30日
３) 工学部、基礎物理学 I、石橋晃、2008年4月1日～2008

4.10

予算獲得状況

年9月30日ｆ．その他（研究担当者、機関名、研究題目、研究期間、

４) 全学共通、現代物理学（分担）、石橋晃、2008年4月1

総経費、研究内容）

日～2008年9月30日
５) 全学共通、複合科目 環境と人間「ナノテクノロジー」

１) 海住英生（新世代研究所研究助成）：「ナノエッジ法による単分子プロセッシングと巨大スイッチング効果」、(分担）、石橋晃、2008年4月1日～2008年9月30日

2008～2009年度、1,400千円、本研究課題では、金属薄

６) 全学共通、基礎物理学 II（電磁気学と熱力学）、近藤憲治、2008年10月1日～2009年3月31日

膜のエッジを利用したナノエッジ法により、少数分子

７) 理学院、
量子デバイス物理学（非平衡グリーン関数論）、のナノプロセッシングに関する研究を行う。また、こ近藤憲治、2008年10月1日～2009年3月31日

れにより巨大スイッチング効果の可能性も探る。
4.12

社会教育活動ｂ．併任・兼業
１) 石橋晃：シーズテック株式会社（北海道大学発ベンチャーカンパニー）技術担当取締役（CTO）
ｅ．新聞・テレビ等の報道
・新聞
１) 石橋晃、大橋美久：日刊工業新聞 2008年04月09日 「大学発ベンチャーの挑戦：シーズテック」― 38 ―

指標とした。周期的な刺激の後、次の刺激のタイミングで、実際には刺激が無いにも関わらず、自発的な運動指標の変
教授 上田哲男（北大院、薬博、1998.2～）化が見られた。また、しばらくした後、再び刺激を一回だ

准教授 中垣俊之（名大院、学博、2000.11～）

け与えると、その後に周期的な指標変化が認められた。以助上より、アカゾウリムシにも、粘菌と同じような時間記憶

教 高木清二（名大院、学博、2003.9～）

博士研究員

三枝 徹（北里大院、医博、2005.4～）

博士研究員

手老篤史（北大院、理博、2006.4～）

温度刺激を光刺激に置き換えたところ、アカゾウリムシ

博士研究員

伊藤賢太郎（北大院、理博、2008.7～）は、やはり同様な時間記憶能を示した。時間記憶能の機構

院

能が存在することが明らかとなった。

生 山口将大（M1）

は、刺激の物理的性状によらないことがわかった。
アカゾウリムシのほかに、オジギソウ、グリーンヒドラ
で同様の研究を開始した。今後様々な生物で調べ、時間記

１．研究目標憶能がどのように進化の系統と関係するかを研究する。

細胞は、生物学的には全ての生物の構成素子であり、物時間記憶能のメカニズムは簡単な力学モデルで説明する

理・化学的には分子という機能素子が高度に自己組織化し事ができる。粘菌の活動性（例えば変形や収縮）を長時間たダイナミカルな体系である。このような認識に基づいにわたり観察すると、速いフーリエ成分から遅いフーリエて、細胞という機能体の構築原理を解明することが、本研成分まで連続的に分布していることがわかる。このような究分野の目標である。特に細胞原形質がしめす高度な情報

時間挙動をもたらすのは複雑な化学反応ネットワークであ処理機能、細胞インテリジェンスの探求およびそのメカニ

ろうが、ここでは簡単化のために各成分を独立な一つの振ズムの解明をめざす。多核のアメーバ様単細胞(図 1 )であ動子と考えることにする。原形質のある微小な塊をとってる真性粘菌変形体の特徴を利用して、変形体の原形質が示

くると、そこには自然振動数の異なるたくさんの振動子がす情報統合や判断という脳的機能を、非線形ダイナミクス（小さいものから大きいものまで）存在するという訳である。

に基づいて解明する。

変形体は、巨大な原形質の塊なので、このような一連の振動数をもった振動子群が複数（例えば100000セット程度の数）存在する。細胞全体の活動性は、これら全ての振動子の総和として捉えられる。ただし、ここでは振動子間の相互作用は一切考えないものとする。さて、このような系に周期的な外力を加え、ある種のオーダーパラメタで系を特徴づけると、実験で観察されたような予想、記憶、想起が再現された。この数理モデルは、現時点では現象論的で比喩的なものであるが、何らかの意味で動力学的本質をとらえているのではないかも期待できる。今後、実験と理論の両面からその検証を進める予定である。

図１．寒天上を這う粘菌変形体。

２．研究成果(a) 細胞の時間記憶
高次の情報処理能力として“時間記憶”をする能力が、粘菌にも存在することを昨年報告した。この発見は、
NATURE 誌のニュース欄に取り上げられたり、Discovery 誌の年間トップ100科学ニュースにランクインするなど、世界的に注目された。このような能力は、粘菌固有のものなのか、あるいは細胞に一般的にみられるものなのだろうか。
今回、別の生物種で粘菌と同様の試験をし、時間記憶能の有無を調べた。手始めに、アカゾウリムシ（Blepharisma 属）
図２．PID 法による原形質流動と変形の測定。300マイクロメート
ルほどの変形体内を流れる細胞内顆粒をトラッキングし、流れの速度場を定量化した。

を用いた。周期的な温度刺激を与えると、アカゾウリムシの遊泳運動が質的に変化した。刺激により、直進的な遊泳が、その場での旋回運動になった。この質的変化を行動の― 39 ―

(b) 原形質流動の時空間測定に基づく粘菌の移動機構与えた場合に観察されるものと同様の現象であり、粘菌で粘菌変形体を用いて、アメーバが力学的にどのように重得られた知見を他の系に応用できることが期待される。例

心移動を実現するかを研究した。アメーバの体全体にわた

えば、心臓で活動電位の回転波が発生すると、頻脈や細動り、原形質流動の時間依存的な速度場を計測した。そのたといった致死の病的状態となり、その状態を治すには外部

めに、particle image velocimetry (PID) の新たなプログラムをから高電圧の刺激を与えるしか方法はない。そこで、患者開発した。原形質流動の速度場のほか、重心の移動、体のに優しい低電圧での治療方法が求められており、粘菌で得変形を同時に測定し(図 2 )、移動の簡単な物理機構を提案られた知見を心臓治療に応用することも期待できる。

した。変形体の蠕動的な運動が、後方から前方に向かって生じることがわかった。体の前後軸に対して、蠕動の向き

３．今後の研究の展望は対称的でないわけである。この非対称性が、往復流動に

生物情報処理機構の解明は、脳科学の華やかな国家プロ

よる物質輸送の対称性を生み出し、重心の移動がもたらさジェクトを見るまでもなく、現在、最もチャレンジングなれる。この機構の一般性について議論した。

テーマの一つである。粘菌変形体は、脳や神経系を持たな
いにもかかわらず予想以上の情報処理能力を持っているこ(c) 光刺激による粘菌に発生した回転波の生成と消滅
寒天ゲル上を這う変形体(図 1 )の管を切断すると、内圧とが我々の研究により明らかとなってきた。粘菌のようなにより原形質が流出する。これをピペットで少量取り (〜比較的単純な生物を用いることは、この分野に対する脳科

0.2μl ）
、寒天ゲル上に置くと10分程度で周期的な収縮弛緩

学とは異なる有力な手法となるであろう

運動を開始し、さらに 1 〜 2 時間ほど経過すると振動パタ

粘菌変形体は複合刺激情報を統合判断し適切な行動をとーンは安定な回転波を示すようになる(図3(a))。このようるという刺激情報の統合演算だけでなく、効率的な流路ネな状態の粘菌原形質に青色光パルスを局所的に与え、振動ットワークをデザインするという空間情報の計算など、多パターンの変化を調べた。すると、主に以下のようなパタ

彩な情報処理能力を持つことを明らかにしてきた。さらに、ーン遷移が見られた。青色光を図3(a) に示すように、回転

これらの能力はリズム場の示すグローバルな動的パターン

波の中心をかすめるように照射した場合、照射領域にある形成と関係しているようだ。われわれが独自に見いだした部分が最大収縮を示すタイミングで光刺激を与えると高い

これらの現象を糸口にして、バイオコンピューティングの確率で回転波が消滅し、一方向への伝播波へと振動パター

原理を解明していく。

ンが変化した。一方、弛緩している時に光刺激を与えても回転波は消滅せず、振動パターンの変化は起きなかった。

４．資料

また、回転波の中心から離れた領域を刺激した場合(図3(c)）
、収縮中期に相当する等位相線（黄色付近）と刺激領

4.1

学術論文等

域の境界線の交点付近に互いに反対回転の回転波が対生成

１) A. Tero, T. Saigusa and T. Nakagaki : “Protoplasmic

された(図3(d)）
。これら現象は、刺激により type0 の位相リ

computing to memorize and recall periodic environmental

セットが起きたとすると、うまく説明することができ、刺events”, Proceedings in Information and Communications

激による位相の変化も type0 リセットを裏付けている。

Technology (PICT 1): Natural Computing, Springer-verlag : 213-221- (2009)

また、この回転波の生成と消滅は興奮媒体に局所刺激を

２) K. Matsumoto, S. Takagi and T. Nakagaki : “Locomotive
Mechanism of Physarum Plasmodia based on Spatiotemporal Analysis of Protoplasmic Streaming”, BiophysicalJournal, 94(7) : 2492-2504 (2008)３) T. Miyaji, I. Onishi, A. Tero and T. Nakagaki : “Failure to
the shortest path decision of an adaptive transport network with double edges in Plasmodium system”, International Journal of Dynamical Systems and Differential
Equations, 1 : 210-219 (2008)
４) A. Tero, K. Yumiki, R. Kobayashi, T. Saigusa and T.
Nakagaki : “Flow-network adaptation in Physarum amoebae”, Theory In Biosciences, 127 : 89-94 (2008)
図３．変形体の示す多様な振動パターン。色は振動の位相を示す。
赤：最大収縮期、水色：最大弛緩期。(a) 刺激直前のパターン。時計回りの回転波。破線は刺激領域を示す。(b) 刺激後のパターン。右方向への伝播波。(c) 刺激直前のパターン。
時計回りの回転波。(d) 刺激後のパターン。右下の領域に一対の回転波が生成された。

― 40 ―

4.2

総説、解説、評論等

１) T. Nakagaki, A. Tero, R. Kobayashi, I. Onishi and T.
Miyaji : “Computational ability of cells based on dynamics

and adaptability”, New Generation Computing, Ohmsha-(Int. Sym. on Engineering Micro-/Nano-Materials BasedSpringer, 27(1) : 57-81 (2009)

on Self-Assembling and Self-Organization), KAGAKUMIRAI-KAN, Tokyo (2008-12)

4.3

国際会議議事録等に掲載された論文

５) T. Nakagaki : “Information processing based on bio-

１) H. Yamada and T. Nakagaki : “Flow rate by peristaltic

chemical reactions in an amoeba”, The 10th RIES-HU

movement in plasmodial tube of Physarum polycephalum”,

International Symposium on AYA , Hokkaido University

American Institute of Physics Conference proceeding(2008-12)1028, Collective dynamics : Topics on competition and６) 中垣俊之：「イグノーベル賞受賞記念講演ー中垣俊之准

cooperation in the Biosciences : 210-214 (2008)

教授が語る粘菌の不思議ー」、ビズラボ、札幌ビズカフ
ェ (2008-11)

4.7

講演

７) T. Nakagaki : “Computing with slime molds”, 3rd Inter-ａ．招待講演

national workshop on Natural Computing, Yokohama

１) T. Saigusa, A. Tero, T. Nakagaki and Y. Kuramoto : “An(2008-09)

amoeba can anticipate a periodic event”, Dynamics Days

８) R. Kobayashi, A. Tero and T. Nakagaki : “Patterns andAsia Pacific 5, Nara (2008-09)

Computations in Biological Systems -- True Slime Mold

２) K. Matsumoto, S. Takagi and T. Nakagaki : “Locomotive--”, Czech-Japanese Seminar in Applied Mathematics

mechanism of Physarum plasmodia based on spatiotempo-

2008, Takachiho, Miyazaki (2008-09)

ral analysis of protoplasmic streaming”, The 10th RIES-

９) 中垣俊之：「粘菌のネットワークに見る賢さ」、ネット

HU International Symposium on AYA, Hokkaido Univer-

ワークが創発する知能研究会、東工大 (2008-08)
10) T. Nakagaki : “Information processing in cells based onsity (2008-12)
３) T. Nakagaki, A. Tero, R. Kobayashi, D. Sumpter, M.

nonlinear biochemical dynamics -behavioral smartness in

Beekman and M. Middendorf : “Organic Computing by anslime molds-”, Gordon Research Conference on Dynamic

amoeba: Optimization in natural systems”, The 9th Human

Instabilities And Oscillations In Chemical Systems, Colby

frontier science program awardee meeting, Berlin Bran-

College, Maine, USA (2008-07)
11) 中垣俊之： 「粘菌を通してみる生物型情報機能創発」、

denburg Academy of Sciences and Humanities, Germany

第一回創発機能研究会、東京総評会館 (2008-05)(2008-07)ⅲ）コロキウム・セミナー等・その他

４) 中垣俊之：「単細胞生物の底力」、北大電子科学研究所

１) T. Nakagaki : “Behavioral smartness based on adaptability

新棟落成記念講演会、アスペンホテル、札幌 (2008-12)
ｂ．一般講演in an amoeba-like organism of true slime mold”, Seminar inⅰ）学会

Centre de Recherches sur la Cognition Animale, Univer-

１) T. Nakagaki : “Cells anticipate periodic events”, Americansite Paul Sabatier, Toulouse, France (2009-03)

Physical Society２) 中垣俊之：「単細胞の底力」、北海道大学創成科学サロ

March Meeting, Pittsburgh, USAン、北海道大学 (2009-02)(2009-03)

３) 中垣俊之：「単細胞の底力」、大阪大学生命機能研究科２) 中垣俊之、手老篤史、三枝徹、小林亮：「アメーバの賢セミナー、大阪大学 (2009-02)

さのしくみと制御」、第52回システム制御情報学会研究４) 中垣俊之：「粘菌の賢さを探る」、理化学研究所研究員

発表会、京都情報大学院大学京都駅前校 (2008-05)

会議総会講演会、理化学研究所 (2009-01)

３) T. Nakagaki, A. Tero, T. Saigusa and R. Kobayashi :“Information processing at cell level -smart behaviors in５) 中垣俊之：「真正粘菌の不思議」、現象数理学：冬の学

an amoeba of Physarum-”, Korean Physical Society

校「数理の目で世界を見る」、明治大学 (2009-01)
６) 中垣俊之：「アメーバの行動に見る賢さ」、京都大学医

Meeting, Dejeon, Korea (2008-04)

学部生体構造学セミナー、京都大学 (2008-11)ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ
１) 中垣俊之：「単細胞の底力」、九州大学フロントリサー

７) T. Nakagaki : “Information processing in cells -Behavioral

チャー院生企画シンポジウムーロマンチックサイエン

smartness of slime moulds-”, Complex system seminar,
RIKEN, Wako (2008-11)

スー、九州大学 (2009-03)

８) 小林亮、手老篤史、中垣俊之：「真正粘菌変形体とその２) 中垣俊之：「アメーバの計算能力」、TOP Winter School

数理モデル」、イグ・ノーベル賞記念講演会（第15回計2009、札幌 (2009-03)

算科学セミナー）、電気通信大学 (2008-10)３) 中垣俊之：「あるアメーバの問題解決能力」、リズム現

９) 中垣俊之：「粘菌を通してみた生命の知」、豊橋技術科

象研究会、お茶の水大学 (2009-01)

学大学

４) T. Nakagaki : “Information processing in a living cell based(2008-10)

on nonlinear biochemical dynamics”, ISEM2008 Returns― 41 ―

情報生命学セミナー、豊橋技術科学大学

10) 中垣俊之：「アメーバに学ぶネットワーク最適化手法」、

１) 小林亮、中垣俊之、石黒 章夫（JST クレスト「数学第26回北大シミュレーションサロン、北大 (2008-06)と諸分野の協働によるブレークスルーの探索」）：「生物11) 中垣俊之：「生物の情報処理から学ぶ最適化手法」、防ロコモーションに学ぶ大自由度システムの新展開」、

衛大学校 課外講演、防衛大学校 (2008-05)

2008～2013年度、227200千円、現実の複雑な環境の中

12) T. Nakagaki, A. Tero, T. Saigusa and R. Kobayashi :を、あたかも生物のごとく、柔らかくしなやか に動き“Behavioral smartness in an amoeba -Experimental

まわることのできるロボットを創り出すためには、ロevaluation of smartness and dynamical mechanism-”,

ボットの身体に生物同様の大きな自由度を持たせ、かSeminar in Mathematics department, University of Upp-

つそれを巧みに制御する必要があります。本研 究では、

sala, University of Uppsala, Sweden (2008-04)

アメーバ運動から歩行運動にいたるさまざまなロコモ

13) T. Nakagaki : “Smart behaviors in an amoeba of Physa-ーション様式に通底する、しなやかな動きを生み出すrum”, Korea University, Department of Physics, Collo-

制御のからくりを数理的に解明することによ り、大自quium, Korea University, Seoul, Korea (2008-04)

由度ロボットの自律分散的制御法の創出を目指します。

14) S. Takagi : “Annihilation and creation of rotating waves inprotoplasmic droplet of the Physarum plasmodium”Spatio-

4.12

temporal order & Life Physics seminar, Kyoto University,ｂ．国内外の学会の役職

Kyoto (2009-3)

１) 上田哲男：生物物理学会・運営委員 (2001年4月1日～

シンポジウムの開催

ｃ．併任・兼業

社会教育活動現在)
4.8１) 中垣俊之：大阪大学

ａ．国際シンポジウム

生命機能研究科客員助教授(2002年4月1日～現在)

１) Y. Yamaguchi, Y. Nishiura, T. Nakagaki, Y. Sato, K.
Sasaki, T. Ueda, K. Ijiro, A. Ishibashi and I. Tsuda : “Theｄ．その他

10th RIES-Hokudai International Symposium on “綾””,

１) 中垣俊之：日本ゆらぎ現象研究会

運営委員 (2002年

11月28日～現在)

100人, Hokkaido University (Sapporo) (2008年12月8日～

２) 中垣俊之：editor, International Journal of Unconventional

2008年12月9日)

Computing （2008年05月01日～現在）

２) K. Ito, T. Takada, A. Satake and T. Nakagaki : “Interna-

ｅ．新聞・テレビ等の報道

tional workshop on Biological group behaviors andnonlinear dynamics”, Hokkaido University (Sapporo) (2008・新聞

年9月3日)

１) 中垣俊之：札幌学生新聞 学ストリート 2009年02月01
日「北海道読売新聞社発行の学生新聞の「研究室訪問」

３) M. Hauser, I. Tsuda and T. Ueda : “International Academic Exchange Symposium on “Functional Dynamics in欄にて「「考える粘菌」ロボットに」として紹介された」

Biology, Chemistry and Physics”, Hokkaido University２) 中垣俊之：朝日小学生新聞 2009年1月1日 「おもしろ版ノーベル賞「イグノーベル賞」、迷路の最短経路を解(Sapporo) (2009年3月11日)

く粘菌、単細胞でも賢い、などと紹介される」
4.10

３) 手老篤史、小林亮、中垣俊之：毎日新聞 2008年11月23

予算獲得状況

日「単細胞生物なのに迷路が得意な粘菌－同質集まり

ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、

賢さ実現－」

期間）

４) 手老篤史、小林亮、中垣俊之：読売新聞 2008年11月10１) 中垣俊之、基盤研究 B 一般 (2)、時間記憶能の系統進日「考える粘菌、迷路で最短ルート、光さける工夫も」化に対する実験的評価と非線形動力学構造、2008～

５) 手老篤史、小林亮、中垣俊之：熊本日日新聞 2008年102012年度

月25日「「パズルを解く粘菌の研究」に対するイグノー２) 高木清二、若手研究 B、動的パターンの遍歴による単ベル賞認知科学賞受賞の報道」

細胞生物の脳機能発現メカニズム、2008～2019年度

６) 中垣俊之：高知新聞 2008年10月23日「「パズルを解く

ｅ．ＣＯＥ関係（研究担当者、機関名、研究題目、研究期
間、研究内容）粘菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞

１) 中垣俊之（文部科学省21COE プログラム「トポロジーの報道」

理工学の創成（代表 丹田聡）」）：「生物トポロジーの研７) 中垣俊之：北海道新聞 2008年10月21日「ひと欄にて「イ究」、2004～2008年度、21COE プログラム「トポロジグノーベル賞の北大電子科学研究所准教授」として紹ー理工学の創成（代表 丹田聡）」のサブリーダーとし

介」

て参加

８) 中垣俊之：西日本新聞 2008年10月16日「「パズルを解
く粘菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受

ｆ．その他（研究担当者、機関名、研究題目、研究期間、賞の報道」

総経費、研究内容）― 42 ―

９) 中垣俊之：山形新聞 2008年10月15日「「パズルを解く

26) 中垣俊之：宮崎新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘粘菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞

菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の

の報道」

報道」

10) 中垣俊之：朝日新聞 2008年10月13日「「ひと」欄にノ27) 中垣俊之：山陽新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘ーベル賞のパロディ「イグノーベル賞」を受けたとし菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の報道」て紹介記事掲載」
11) 中垣俊之：信濃毎日新聞 2008年10月13日「「パズルを28) 中垣俊之：四国新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘解く粘菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞

菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の報道」

受賞の報道」
12) 手老篤史、小林亮、中垣俊之：京都新聞 2008年10月1329) 中垣俊之：新潟新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘日「「パズルを解く粘菌の研究」に対するイグノーベル菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の賞認知科学賞受賞の報道」

報道」

13) 手老篤史、小林亮、中垣俊之：東京新聞 2008年10月1230) 中垣俊之：静岡新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘日「「パズルを解く粘菌の研究」に対するイグノーベル菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の報道」

賞認知科学賞受賞の報道」
14) 中垣俊之：秋田新聞 2008年10月12日「「パズルを解く31) 中垣俊之：福井新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘粘菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞

菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の

の報道」

報道」

15) 中垣俊之：秋田さきがけ新聞 2008年10月12日「「パズ32) 中垣俊之：埼玉新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘

ルを解く粘菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の報道」

学賞受賞の報道」
16) 中垣俊之：北海道新聞 2008年10月10日「「栄えある？

33) 中垣俊之：山梨新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘「イグノーベル賞」受賞 「迷路を解く粘菌」って!?」」菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の報道」

17) 中垣俊之：岩手新聞 2008年10月9日「「パズルを解く粘菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の34) 中垣俊之：山陰中央新聞 2008年10月7日「「パズルを解
く粘菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受

報道」

賞の報道」

18) 中垣俊之：中日新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘35) Toth Agota、山田裕康、石黒章夫、手老篤史、中垣俊

菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の之、小林亮：中国新聞 2008年10月4日「広島大の小林

報道」

教授、イグ・ノーベル賞 単細胞が迷路解く」

19) 中垣俊之：東奥新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘36) T. Nakagaki：Dagens Nyheters 2008年8月30日 “スエー菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞のデン最大の大衆紙で見開き 2 頁の記事として、粘菌の報道」

知性に関する研究が「Svampar ar smartare an du tror」

20) 中垣俊之：徳島新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘として紹介された｡”菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の37) T. Nakagaki : DiePresse 2008年7月25日 “オーストリア

報道」の新聞にて、細胞の賢さに関する研究が「Einzeller sind21) 中垣俊之：沖縄新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘

so smart!」として紹介された。”菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の38) 中垣俊之：産經新聞 2008年5月17日「産經新聞夕刊に、報道」

科学作家である竹内薫氏が我々の粘菌研究を紹介する

22) 中垣俊之：琉球新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘コラムを書いた。」

菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の

・雑誌

報道」
23) 中垣俊之：日本海新聞 2008年10月7日「「パズルを解く

１) A. Tero, R. Kobayashi and T. Nakagaki : DISCOVER

粘菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞-Science, Technology and The Future- 2009年1月1日 “ 1の報道」

月号にて 100 TOP science stories of 2008 という特集が組まれ、我々の粘菌研究が「Slime molds show primitive24) 中垣俊之：愛媛新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘

smarts」として71位にランクイン”菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の２) 中垣俊之：JST News 2009年1月1日「「ようこそ研究室

報道」

へ」欄にて「単細胞生物「粘菌」から生物の賢さを学

25) 中垣俊之：神戸新聞 2008年10月7日「「パズルを解く粘ぶ」として紹介された」

菌の研究」に対するイグノーベル賞認知科学賞受賞の３) 中垣俊之：クオリティ 2009年1月1日「各界リーダー10

報道」― 43 ―

人に一問一答コーナーで「単細胞生物の能力を応用し24日「教育科学番組であるサイエンスゼロで粘菌特集てカーナビやロボットを作りたい」として紹介された」が組まれた。そのなかの中心テーマとして我々の粘菌研究が紹介された。」

４) 中垣俊之：北方ジャーナル 2009年1月1日「クローズア
ップ欄にて「迷路を解く粘菌の研究でイグノーベル賞

ｆ．外国人研究者の招聘（氏名、国名、期間）

受賞」」

１) Kai Ramsch、Germany（2009年3月16日～2009年4月10日）

５) 中垣俊之：YOZEMI JOURNAL 2008年12月10日「予備２) Martin Middendorf、Germany（2009年3月3日～2009年3

校代ゼミの発行する雑誌の研究室探訪欄で「数理生物月31日）学」として我々の研究室が紹介された」
６) 中垣俊之：現代科学 2008年12月1日「12月号に「迷路３) Vladimir Vanag、USA（2009年2月8日～2009年2月15日）

を解く粘菌がイグノーベル賞に」という紹介記事」

４) Serge Bielawski、France（2008年12月18日～2008年12月21日）

７) T. Nakagaki : New Scentist 2008年10月29日 “｢Smart

５) Christophe Szwaj、France（2008年12月18日～2008年12amoebas reveal origins of primitive intelligence」（By Collin月21日）

Barras）という記事の中で、粘菌の時間記憶能につい

６) Madeleine Beekman、Australia（2008年8月26日～2008て、memristor 素子を用いた電子回路による実装の可能

年9月6日）

性について紹介された。”

７) David Sumpter、Sweden（2008年8月23日～2008年9月6８) T. Nakagaki : NATURE 2008年10月9日 “NEWS 欄にて日）

イグノーベル賞記事のなかで紹介された”

８) Anders Johanson、Sweden（2008年8月23日～2008年9月

９) 中垣俊之：諸君！（文芸春秋社）2008年9月1日「科学作家竹内薫による連載「サイエンティスト異能者列伝」

6日）
９) Boris Granovskiy、Sweden（2008年8月23日～2008年9月の第二回として「粘菌にも知性がある」にて208−2156日）

頁にわたり紹介された。2008年9月号。」
10) T. Nakagaki : New Scientist 2008 年 04 月 11 日 “Ten

10) Stam Nicolis、Sweden（2008年8月23日～2008年9月6日）

Weirdest computersという特集記事で、light computer,11) Martin Middendorf、Germany（2008年8月21日～2008年9quantum computer, DNA computer などとならんで我々月7日）の粘菌計算の研究が mouldy computer としてランクイ

12) Tanya Latty、Australia（2008年8月19日～2008年9月6日）

ンした｡”

ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）・テレビ・ラジオ１) 理学部、生体高分子物性論 1 、中垣俊之、2008年10月1１) 三枝徹、手老篤史、中垣俊之：NHK 教育 TV「サイエ日～2009年3月31日

ンスゼロ」2008年12月28日「教育科学番組であるサイ

２) 全学共通、ナノテクノロジー・ナノサイエンス概論 1 、

エンスゼロでの2008年年間ランキング特集にて、「ゼロ

中垣俊之、2008年7月1日～2008年7月3日のツボ」コーナーで粘菌研究がイグノーベル賞受賞と３) 全学共通、トポロジー理工学特別講義 1 、中垣俊之、
2008年6月27日

ともに紹介された。」

４) 理学院、細胞情報学特論、中垣俊之、2008年6月3日～

２) 中垣俊之：テレビ局NHK北海道 2008年11月13日「夕2008年7月22日

方のニュース「まるごとニュース北海道」にて「イグ５) 理学院、生命理学概論、中垣俊之、2008年5月21日

ノーベル賞と粘菌研究について」報道された。
」

６) 理学院、生命解析科学研究 1 、中垣俊之、2008年4月1３) 中垣俊之：テレビ局 UHB 2008年10月21日「夕方のニ

日～2009年3月31日

ュースにて「イグノーベル賞と粘菌研究について」報７) 理学院、生命解析科学実験、中垣俊之、2008年4月1日

道された。
」
４) 中垣俊之：NHK ラジオ 2008年10月3日「番組「ラジオ～2009年3月31日
８) 理学院、生命解析科学論文購読 1 、中垣俊之、2008年4

朝一番」にて文化の日にちなんだ話題として「迷路を月1日～2009年3月31日

解く粘菌の研究」として15分ほどインタビュー形式でｉ．ポスドク・客員研究員など紹介された。
」
５) 手老篤史、
小林亮、中垣俊之：フジテレビ「特ダネ」2008

・ポスドク（2名）

年10月1日「「パズルを解く粘菌の研究」に対するイグ

手老篤史、三枝ノーベル賞認知科学賞受賞の報道」
６) 中垣俊之：FM ラジオ局 J-WAVE の番組「竹内薫の Jam
the world」2008年6月25日「上記 FM ラジオ局（東京六本木ヒルズ）の番組に出演しインタビューを受けた。
20分間ほどの番組。」
７) 中垣俊之：NHK 教育 TV「サイエンスゼロ」2008年5月― 44 ―徹

解能で同時観察することに成功した（図 1 ）。
教

授 笹木敬司（阪大院、工博、1997.11～）

准教授 藤原英樹（北大院、工博、2008.6～）
助教 藤原英樹（北大院、工博、2005.7～2008.5）

ポスドク 高島秀聡 （北大院、情科博、2007.4～）
田中嘉人
院（阪大院、工博、2008.10～）

生

博士課程
永田智久、シャハルル・カドリ・アヨプ
修士課程
浅井健志、市橋和明、上田哲也、谷田真人、
中村真一郎
図１．金ナノ粒子の(a)形状像と(b, c)近接場像。矢印は入射レーザ
ー光の偏光方向。

１．研究目標(b) テーパファイバ結合微小球共振器における位相シフ

本研究分野では、光テクノロジーの究極を目指して、光トスペクトルの測定の量子性・波動性をフルに活用した新しい概念に基づく光テーパファイバ結合微小球共振器を量子位相ゲート等の情報処理、光計測制御など、新しい世代の光科学の研究に

量子情報デバイスへ応用するためには、テーパファイバ結取り組んでいる。具体的には、単一光子制御デバイスや高合微小球共振器単体の、共鳴に伴う光位相シフトを十分に効率レーザーの開発を目指して、微小球やトロイド、ラン

理解･制御することが必要である。そこで我々は、その光位

ダム構造等の微細構造体における光子閉じ込めの解析や発相シフトの周波数依存性の測定を行った。直径600nm～1µm

光ダイナミクス制御の研究を進めている。また、量子リソのテーパファイバに、直径80～200µm の微小球を近接させ、グラフィ技術の実現に向け、量子力学的なもつれ合いをも光ファイバの入射偏光角度を斜め45°
直線偏光に固定したつ光子対の発生や制御、もつれ合い光子を用いた光反応の状態で、波長を780nm 近傍で掃引し、微小球共鳴モードに観測に取り組んでいる。さらに、ナノ空間の光計測技術やおける透過光の偏光状態を測定した。出射光の偏光状態か

レーザーマニピュレーションを利用した極微弱な力の解らストークスパラメータのスペクトルを取得し、位相シフ

析、単一光子源の開発に向けた単一分子・単一ナノ微粒子

ト量を導出した。位相シフトスペクトルは、球とファイバの分光計測システムの開発を行っている。

の結合状態に依存する。本研究の結果から、アンダーカッ
プリング状態からオーバーカップリング 状態へと結合状態が転移したことを確認した(図はオーバーカップリング

２．研究成果状態に対応する)。これにより、量子力学的な位相の変化を(a) 金属ナノ構造中に誘起される光局在場の散乱型近接

正確に分離して測定することができると考えられる。

場イメージング
金属ナノ構造の局在プラズモン共鳴により、光と物質の相互作用を増強する研究(例えば、表面増強ラマン散乱や 2光子光重合等の非線形現象の増強効果等)が盛んに報告されている。金属ナノ構造では、ナノメートルオーダーの微小空間に高強度の光局在場が発生し、その特性はナノ構造のサイズや形状、材質に強く依存することが知られている。
この光局在場の特性を明らかにするため、これまでに数値解析的な手法を用いた研究は数多く報告されているものの、実験的にナノメートルオーダーの高い空間分解能で局在場を直接観察・評価する方法は十分に確立されているとは言
図２．オーバーカップリング状態における位相シフトスペクトルの計算結果と実験結果。

い難い。本研究では、高空間分解能で金属ナノ構造の形状
像と光局在場の同時イメージングを行うための散乱型の近接場顕微鏡を構築し、近接した金ナノ微粒子間のナノメー(c) トロイド共振器の作製

トルオーダーのギャップ部に誘起される光局在場の測定を

近年、新規ナノフォトニックデバイスを実現するため微試みた。その結果、微粒子間のナノギャップの形状像とそ小共振器が注目されている。様々な微小共振器の中でも、こで生じる光局在場をナノメートルスケールの高い空間分

トロイド共振器は高い Q 値と小さいモード体積、さらに、― 46 ―

高効率光入出力が可能な優れた微小共振器のひとつとして(e) 光子検出時間間隔法を用いた金薄膜表面上における動作する。我々は、トロイド共振器を用いたナノフォトニ

単一量子ドットのトラップ準位寿命解析

ックデバイスの実現を目指し、トロイド共振器の作製を行

量子ドットは蛍光標識や単一光子源、太陽電池等の光・いテーパファイバとのカップリング実験を行った。図 3 に

電子デバイスを構成する新規ナノ材料として広く注目され

直径116µm のトロイド共振器の透過スペクトルを示す。周ているが、特に発光デバイスへの応用の場合、単一量子系

期的なディップが観測され、このピーク間隔 (1.1nm) がトロ特有の発光明滅現象による発光効率の減少が問題となってイドの直径から推測されるモード間隔 (1.14nm) と一致しており、この現象の機構解明や抑制が課題となっている。こいることから、トロイド共振器のモードを観測しているとの発光明滅は、光励起キャリアの基板表面等のトラップ準考えられる。

位への捕捉によって起きるため、量子ドットの置かれた基板状態に強く依存する。本研究では、基板表面のトラップ
準位の発光ダイナミクスへの影響を明らかにするため、光子検出時間間隔法を用いて、各基板上における単一量子ドットの発光ダイナミクスやトラップ準位寿命の解析を試みた。図 5 は、(a) ガラス、(b) 金薄膜 (50nm)、(c) 金薄膜上に SiO2
層 (20nm) を堆積させた基板上における単一 CdSe/ZnS 量子ドットからの発光の光子検出時間差ヒストグラムを示している。結果から、ガラス基板上では現れているトラップ準位に対応する遅い減衰成分が金薄膜上では観えなくなって

図３．テーパファイバにカップルした直径116µmのトロイド共振器の透過スペクトル。

いる事から、基板の変化によりトラップ準位も変化している事を確認した。また、消光効果を抑制する為の SiO2 スペ(d)2 光子干渉縞対する量子もつれ合い光子の入力状態

ーサー層を導入した場合には、ガラス基板上とは異なる遅の影響解析

い減衰成分が現れており、異なるトラップ準位が現れていレーザー光を用いた従来のリソグラフィー技術では、用ることを示唆している。以上の結果から、量子ドットの蛍いる光の回折限界によって、加工の細線化に原理的な限界

光ダイナミクスへのトラップ準位の影響が基板によって変が存在する。しかし近年、量子もつれ合い光を用いること化する事を明らかにした。

で、回折限界を超えた干渉縞パターンの作製についての研究が盛んに行われている。本研究室でもこれまでに、高精度な 2 光子もつれ合い状態を干渉させることで、初めて実際に回折限界を超える干渉縞の直接観察に成功している。
本年度の研究では、この形成される 2 光子干渉縞パターンの入力状態依存性について数値解析的に解析を行う為の手法を開発し、様々な入力状態が形成される干渉縞パターンに及ぼす影響について検討を行った。図 4 は、実験的に測定した入力状態（偏光もつれ合い状態）の状態密度行列（(a)
実部と(b)虚部）と、この入力状態を用いて計算を行った 2 光子干渉縞を示している。

図５．光子検出時間間隔ヒストグラムの基板依存性．基板：(a) ガ
ラス基板、(b) 金薄膜（厚み50nm）、(c) 金薄膜上の SiO2 層(厚み20nm)。

(f) 欠陥領域を用いたランダムレーザー発振制御
ランダム構造は簡便かつ安価な微小共振器構造として注目されているが、構造内にランダムに現れる局在モード制
御の困難さが応用上の問題となっている。これに対し我々は、構造内に設けた欠陥領域を利用した局在モードの制御方法について提案を行っている。本年度の研究では、レー
ト方程式を導入した 2 次元 FDTD 法を用いてランダム構造

図４．実験的に測定した偏光もつれ合い状態の状態密度行列の (a)
実部と (b) 虚部。入力状態の状態密度行列から計算された 2光子干渉縞。

内の欠陥領域に誘起されるレーザー発振現象の数値解析を行った。図 6 は、利得スペクトルとランダム構造の周波数― 47 ―

特性が一致している場合（上図）と一致しない場合（下図）のレーザー発振強度分布の計算結果を示している。構造の４．資料

周波数特性と利得スペクトルが一致している場合には、導

4.1

学術論文等

波路を介してレーザー発振光が出力されているのに対し、

ａ．学術論文一致しない場合には、導波路と結合したモードではなく、

１) K. Ueno, S. Juodkazis, T. Shibuya, Y. Yokota, V. Mizeikis,

構造全体から発振光がランダムに出力している様子が確認

K. Sasaki and H. Misawa : “Nanoparticle Plasmon-Asistedできる。これらの結果から、構造パラメータの最適化によTwo-Photon Polymerization Induced by Incoherent Exci-って、本来ランダムに誘起されるレーザー発振モードの特tation Source”, Journal of the American Chemical Society,130(22) : 6928-6929 (2008)

性を構造内の欠陥領域によって制御できる事を示した。

２) R. Okamoto, H. F. Hofmann, T. Nagata, J. O'Brien, K.
Sasaki and S. Takeuchi : “Beating the standard quantum
limit: phase super-sensitivity of N-photon interferometers”, New Journal of Physics, 10 : 073033-1-073033-9(2008)
３) D. Kawase, Y. Miyamoto, M. Takeda, K. Sasaki and S.
Takeuchi : “Observing Quantum Correlation of Photons in
Laguerre-Gauss Modes Using the Gouy Phase”, Phys. Rev.
Lett., 101 : 050501/1-050501/4 (2008)４) R. Okamoto, J. L. O'Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

図６．利得スペクトルとランダム構造の周波数特性が一致している場合（上図）と一致しない場合（下図）のレーザー発振
強度分布。

Sasaki and S. Takeuchi : “An Entanglement Filter”, Science, 323 : 483-485 (2009)５) Y. Nishijima, K. Ueno, S. Juodkazis, V. Mizeikis, H. Fujiwara, K. Sasaki and H. Misawa : “Lasing with

３．今後の研究の展望

well-defined cavity modes in dye-infiltrated silica inverse

本研究分野では現在、科学研究費課題として「放射圧をopals”, Opt. Exp., 17(4) : 2976-2983 (2009)

利用した非破壊光子検出法の開発」、「超狭帯域レーザー顕６) H. Fujiwara, Y. Hamabata and K. Sasaki : “Numerical

微分光イメージングを用いた高次機能性構造の光局在反応

analysis of resonant and lasing properties at a defect re-解析」の研究を遂行中である。また、総務省戦略的情報通gion within a random structure”, Opt. Exp., 17(5) :信研究開発推進制度のプロジェクトとして「光子間の高効

3970-3977 (2009)率固体量子位相ゲートの実現に関する研究」の研究を量子

７) D. Kawase, Y. Miyamoto, M. Takeda, K. Sasaki and S.

情報フォトニクス研究分野との共同研究として実施していTakeuchi : “Effect of high-dimensional entanglement ofる。さらに、科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業のLaguerre-Gaussian modes in parametric down conversion”,

プロジェクトとして「ランダム構造内の欠陥領域を利用しJournal Of Optical Society Of America B, 26(4) : 797-804

た光局在モード制御」の研究を遂行中である。これらのプ(2009)

ロジェクトの展開として、(a) テーパファイバー結合微小球・トロイド構造を用いた光子制御デバイスの開発、(b) パ

4.2

ラメトリック蛍光対を用いた光子数状態の制御、(c) 輻射

１) 高島秀聡、藤原英樹、笹木敬司、竹内繁樹：「ファイバ

場を制御した単一分子の分光計測、（d）もつれ合い光子をー結合微小球共振器を用いた固体量子位相ゲートの実用いた量子リソグラフィー要素技術開発、(e) 高空間分解

現に向けて」、光学、社）応用物理学会分科会日本光学

分光イメージングシステムの構築、(f) 単一光子制御デバ

会、37(12)：686-691 (2008)

総説・解説・評論等

イスの作製と特性解析、(g) ナノ構造体による光制御技術の開発、(h) 光ナノ計測を用いた微粒子間相互作用力測定、4.7等の研究テーマを遂行する予定である。

ａ．国際会議招待講演

講演１) S. Takeuchi, D. Kawase, Y. miyamoto, M. Takeda and K.
Sasaki : “Observing quantum correlation of photons in
Laguerre-Gaussmodes using the Gouy phase”, 17th International Laser Physics Workshop(2008), Norwegian
University of Science and Technology, Norway (2008-06～2008-07)
２) S. Takeuchi, D. Kawase, Y. miyamoto and K. Sasaki :― 48 ―

“Controling photonic qubits using geometrical phase”,(2008-09～2008-10)

SPIE Optics ＋ Photonics2008, San Diego Convention８) M. Tanida, T. Nagata, R. Okamoto, K. Sasaki and S.

Center, USA (2008-08)

Takeuchi : “Hong-Ou-Mandel Dip with Independence３) K. Sasaki : “Temporal and Spatial Interference of En-

Heraldingtan-gled Photon Process”, Japan-Taiwan Joint Symposium

SinglePhotonSources”,

4th

Handai

Nanoscience and Nanotechnology International Symposium,on Organized Nanomaterials and Nanostructures Related

Osaka University, Japan (2008-09～2008-10)

to Photoscience , kyoto,Japan (2008-11)

９) R. Okamoto, J. L. O'Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

ｂ．国内会議招待講演

Sasaki and S. Takeuchi : “Realization of non-local quan-

１) 笹木敬司：「フォトンの制御・操作技術とその展望」、

tum fiter”, International Symposium on Physics of quantum

光科学技術研究会、北海道大学大学電子科学研究所

information processing, Nara, Japan (2008-11)(2009-03)

10) R. Okamoto, J. L. O'Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

２) 笹木敬司：「微小共振器構造体における光局在場解析」、

Sasaki and S. Takeuchi : “Beating standard quantum limit:

2009春季第56回応用物理学関係連合講演会、筑波大学

The sensitivity of N photon interferometers”, International

筑波キャンパス (2009-03～2009-04)

Symposium on Physics of quantum information processing,ｃ．国際会議一般講演

Nara, Japan (2008-11)１) K. Sasaki, Y. Kawabe, H. Fujiwara, R. Okamoto and S.

11) S. Takeuchi, T. Asai, H. Takashima, H. Fujiwara and K.

Takeuchi : “Patial Interference Fringe of Entangled Two-

Sasaki : “Micro-sphere resonator coupled with a tapered

Photon Process Beating The Diffraction Limit”, XXII

for quantum information processing”, International Sym-

IUPAC SYMPOSIUM ON PHO-TOCHEMISTRY, Goth-posium on Physics of quantum information processing,enburg Convention Centre, Sweden (2008-07～2008-08)

Nara, Japan (2008-11)２) H. Fujiwara, T. Chiba, J. Hotta, S. Takeuchi and K. Sa-

12) T. Nagata, R. Okamoto, H. F. Hofmann, K. Sasaki and S.

saki : “Dynamical Analysis of Triplet Lifetime of Single

Takeuchi: “Toward high-fidelity operation of linear-optics

Molecules Using Photon Inter-Detection Time Recording”,

quantum gates”, International Symposium on Physics of

XXII IUPAC SYMPOSIUM ON PHOTOCHEMISTRY,

quantum information processing, Nara, Japan (2008-11)

Gothenburg Convention Centre, Sweden (2008-07 ～13) M. Tanida, T. Nagata, R. Okamoto, K. Sasaki and S.

2008-08)

Takeuchi: “Highly-pure heralding single-photon sources

３) T. Nagata, R. Okamoto, H. F. Hofmann, K. Sasaki, and S.

for linear optics quantum computation”, International

Takeuchi : “Demonstration of a non-local quantum filter”,

Symposium on Physics of quantum information processing,

The Ninth International Conference on QCMC2008,

Nara, Japan (2008-11)

University of Calgary, Canada (2008-08)

14)

D. Kawase, Y. miyamoto, M. Takeda, K. Sasaki and S.

４) R. Okamoto, J. L. O’Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

Takeuchi : “Manipulation of optical quNits using geomet-

Sasaki, and S. Takeuchi: “Analysis of errors in an opticalrical phase”, International Symposium on Physics ofControlled-NOT gate”, The Ninth International Confer-

quantum information processing, Nara, Japan (2008-11)

ence on QCMC2008, University of Calgary, Canada

15) R. Okamoto, J. L. O'Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

(2008-08)

Sasaki, and S. Takeuchi : “Evaluation of an entanglement５) H. Fujiwara and K. Sasaki : “Numerical Analysis of Lo-

filter”, The 10th RIES-Hokudai International Symposium

calized Modes within a Waveguide Structure Surroundedon “綾” [aya], Hokkaido University Conference Hall, Ja-

by a Random Structure”, 6th International Conference onpan (2008-12)

Photo-Excited Processes and Applications, Sapporo, Ja-

16)

pan (2008-09)

T. Nagata, R. Okamoto, H. F. Hofmann , K. Sasaki and S.
Takeuchi : “Toward high-fidelity operation of linear-optics

６) H. Takashima, H. Fujiwara, S. Takeuchi, K. Sasaki and M.

quantum gates”, The 12th SANKEN International Sympo-

Takahashi : “Analysis of input-output characteristic ofsium Joint Meeting of The 7th SANKEN Nanotechnology

fiber-coupled microsphere laser using rate equations”,

Center Symposium The 2nd SANKEN MSTeC Symposium

EOS Annual Meeting 2008, Paris, France (2008-09～

The 1st SANKEN Alliance Symposium, Convention Center,2008-10)

Osaka University, Japan (2009-01)

７) T. Asai, H. Takashima, H. Fujiwara, K. Sasaki and S.

17) R. Okamoto, J. L. O'Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K.

Takeuchi : “Optical Phase Shift Observed in a Resonance

Sasaki and S. Takeuchi :“Evaluation of an entanglement

Mode of a Tapered-Fiber Coupled with a Microspherefilter”, The 12th SANKEN International Symposium Joint

Resonator”, 4th Handai Nanoscience and Nanotechnology

Meeting of The 7th SANKEN Nanotechnology Center

International

Symposium The 2nd SANKEN MSTeC Symposium The 1st

Symposium,

Osaka

University,

Japan― 49 ―SANKEN Alliance Symposium, Convention Center, Osaka(QIT19)、大阪府立大学中百舌鳥キャンパス (2008-11)

University, Japan (2009-01)

10) 中村真一郎、笹木敬司、竹内繁樹：「周期構造を導入し

18) T. Nagata, R. Okamoto, H. F. Hofmann, K. Sasaki and S.

たテーパ光ファイバ」、第19回量子情報技術研究会

Takeuchi: “Toward high-fidelity operation of linear-optics（OIT19)、大阪府立大学中百舌鳥キャンパス (2008-11)

quantum gates”, The 2nd International Symposium on11) 藤原英樹、竹内繁樹、笹木敬司：「ポリマーフィルム中Global COE Program of Center for Next-Generation In-

単一分子の発光ダイナミクスの時間応答解析」、「ポス

formation Technology Based on Knowledge Discovery andトシリコン物質・デバイス創製基盤技術アライアンス」

Knowledge , International Conference Hall,Hokkaido

平成20年度成果報告会、北海道大学学術交流会館

University, Japan (2009-01)(2008-12)

19) H. Fujiwara and K. Sasaki : “Structural parameter de-12) 高島秀聡、浅井健志、藤原英樹、笹木敬司、竹内繁樹：

pendence of localized modes induced in a waveguide「低温でのテーパーファイバーと微小球共振器とのカ

structure surrounded by a random medium”, SPIE

ップリング」、日本物理学会2009年春季第64回年次大会、

Photonics Ｗest 2009, San Jose Convention center, USA

立教大学池袋キャンパス (2009-03)(2009-01)

13) 藤原英樹、池田匠、笹木敬司：「ランダム構造内導波路ｄ．国内会議口頭発表におけるランダムレーザー発振特性の解析」、2009春季

１) 藤原英樹：「ランダム構造内の欠陥領域を利用した光局

第56回応用物理学関係連合講演会、筑波大学 筑波キャ在モード制御」、さきがけ「物質と光作用」第 4 回領域

ンパス (2009-03 ～2009-04)
14) 市橋和明、藤原英樹、笹木敬司：「 3 次元フォトンフォ

会議、東京ガーデンパレス (2008-06)
２) 藤原英樹、笹木敬司：「超狭帯域レーザー顕微分光イメ

ース計測システムを用いた 2 粒子間相互作用解析」、ージングを用いた高次機能性構造の光局在反応解析」、

2009春季第56回応用物理学関係連合講演会、筑波大学「光－分子強結合反応場の創成」第 3 回シンポジウム

筑波キャンパス (2009-03～2009-04)（特定領域）、北海道大学大学院理学研究科 (2008-06)
4.9３) 藤原英樹、笹木敬司：「ランダム構造内導波路中に誘起

共同研究

される局在モード特性の構造パラメータ依存性」、
2008

ａ．海外機関との共同研究

秋季 第69回応用物理学会学術講演会、
中部大学春日井１) Dr. Daniel Day and Prof. Keiji Sasaki: “Nanometric opticalsensing for characterisation of microbioreactors”

キャンパス (2008-09)

Thefunding are from the Australian Research Council (ARC).

４) 市橋和明、藤原英樹、笹木敬司：「フォトンフォース計

ARC Linkage International Award, (2008-2010)

測を用いた 2 粒子間相互作用の研究」、2008秋季 第69２) H. Kaiju, A. Ishibashi, H. Fujiwara and Y. Rakovich (北海回応用物理学会学術講演会、中部大学春日井キャンパ

道大学電子科学研究所）: “The experimental investiga-

ス (2008-09)

tion of interface of nano-structures and applications”,

５) 上田哲也、石川綾子、高島秀聡、藤原英樹、松尾保孝、(2008～2009)

居城邦治、笹木敬司、竹内繁樹：「単一オリゴヌクレオ
チド/銀ハイブリッドナノ粒子の発光特性解析」、2008

ｄ．受託研究秋季 第69回応用物理学会学術講演会、
中部大学春日井１) 藤原英樹（科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業（さきがけタイプ））：「ランダム構造内の欠陥領域を利キャンパス (2008-09)

用した光局在モード制御」(2007～2010)６) 岡本亮、笹木敬司、竹内繁樹：「非局所量子フィルタの２) 竹内繁樹、笹木敬司、藤原英樹、ホフマン F ホルガ

検証実験」、アライアンスG 2 分科会、東京工業大学す（戦略的情報通信研究開発制度 (SCOPE) 特定領域重点

ずかけ台キャンパス (2008-10)７) 谷田真人、永田智久、岡本亮、笹木敬司、竹内繁樹：「高型研究開発（情報通信新技術・デバイス技術））：「光子

い 2 光子干渉性を持つ伝令付単一光子源の実現」、第19間の高効率固体量子位相ゲート素子の実現に関する研回量子情報技術研究会 (QIT19)、大阪府立大学中百舌鳥

究」(2008)

キャンパス (2008-11)

ｆ．その他

８) 岡本亮、ホフマン F. ホルガ、永田智久、オブライエ

１) 藤原英樹（科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業

ン L. ジェレミー、笹木敬司、竹内繁樹：「多光子干渉（さきがけタイプ））：「ランダム構造内の欠陥領域を利を用いた位相測定と位相感度」、
第19回量子情報技術研

用した光局在モード制御」（2007～2010）

究 会 (QIT19) 、 大 阪 府 立 大 学 中 百 舌 鳥 キ ャ ン パ ス(2008-11)

4.10

９) 浅井健志、高島秀聡、藤原英樹、笹木敬司、竹内繁樹：「テーパファイバ結合微小球共振器の共鳴モードにお予算獲得状況

ａ．科学研究費補助金
１) 笹木敬司：基盤研究 A「放射圧を利用した非破壊光子

け る 光 位 相 シ フ ト 」、 第 19 回 量 子 情 報 技 術 研 究 会

検出法の開発」（2006～2009）― 50 ―

２) 笹木敬司：特定領域研究「超狭帯域レーザー顕微分光３) 浅井健志：「テーパファイバ・微小球共振器間の結合状

イメージングを用いた高次機能性構造の光局在反応解態制御と位相シフトスペクトルに関する研究」

析」（2007～2010）４) 上田哲也：「光子統計解析による単一発光体の発光メカ
ニズムの研究」

4.12

社会教育活動５) 谷田真人：「伝令付き単一光子源の2光子干渉性に関す

ａ．公的機関の委員

る研究」

１) 笹木敬司：ノーステック財団「研究開発助成事業」審
査委員会 専門委員（2008.08.19～2009.03.31）
２) 笹木敬司：OPJ 2008 顧問（2008.07.24～2009.03.31）
３) 笹木敬司：科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業（CREST）領域アドバイザー（2008.05.26～2010.03.31）
４) 笹木敬司：科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業（ さ き が け ） 領 域 ア ド バ イ ザ ー （ 2005.06.09 ～2009.06.08）
ｃ．併任・兼業
１) 笹木敬司：電気通信大学 レーザー次世代研究センター
共同研究員（2008.04.01～2010.03.31）
２) 藤原英樹：科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業
個人研究型（さきがけ）委嘱研究者（2007.10.01～
2011.03.31）
ｆ．外国人研究者の招聘
１) Daniel Day、Australia（2008年4月17日～2008年4月24日）
２) Peter Dedecker、Belgium（2008年11月6日～2008年11月9日）
３) 堀田純一、Belgium（2009年1月8日～2008年1月18日）
ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）
１) 工学部、光エレクトロニクス、笹木敬司、2008年4月1日～2008年9月30日
２) 工学部、電磁気学、藤原英樹、2008年10月1日～2009
年3月31日３) 工学部、電子情報工学実験、藤原 英樹、2008年4月1日～2009年3月31日
４) 情報科学研究科、情報エレクトロニクス特別演習、笹木敬司、2008年4月1日～2009年3月31日
５) 情報科学研究科、情報エレクトロニクス特別研究第一、
笹木敬司、2008年4月1日～2009年3月31日
６) 情報科学研究科、情報エレクトロニクス特別研究第二、
笹木敬司、2008年4月1日～2009年3月31日
７) 情報科学研究科、光情報システム学特論、笹木敬司、
藤原英樹、2008年10月1日～2009年3月31日
ｉ．ポスドク・客員研究員など
・ポスドク (2名)
１) 高島秀聡（電子科学研究所非常勤研究員）
２) 田中嘉人（電子科学研究所博士研究員）
ｊ．修士学位及び博士学位の取得状況
・修士課程 (5名)
１) 市橋和明：「フォトンフォース計測を用いた 2 粒子間相互作用解析法」
２) 中村真一郎：「非線形光量子デバイスの実現に向けた研究」― 51 ―

活動に注目し、異なる終止型が脳活動に与える影響を調べた。
教

授 栗城眞也（北大院、工博、1991.8～）

和音進行列が音楽的に終止しなかった場合、無音期間の准教授 小山幸子（阪大院、博士(人間科学)、2004.3～)

両側頭葉付近の脳磁界信号に明確なピークが観察された。

博士研究員

大塚 明香（サザプトン大学、2007.4～）

無音期間の活動の最大活動部位は聴覚野に推定された。信

技術補助員

在原百合子（苫・高専、2008.5～)

号源における活動の時系列変化から、2 つの成分が観察さ

院

生

田中

れた。第一成分のピーク潜時は無音期間開始後約 80ms、第光、河本隆史、向舘 健、青山岳人、大内健一

下條暁司、李二成分は約 150ms または 200ms だった。第二成分の潜時は

昕

和音進行列の終止型に依存して異なった。これらの聴覚野における皮質活動、特に第二成分は、被験者の内的な音のイメージ生成に関連がある事が示唆される。音楽の終わり

１．研究目標方に依存して、音の提示のタイミング、または、タイミン

量子計測研究分野は、北海道大学・電子科学研究所の電グと更にその音の高さに対する期待を反映すると提案され子計測制御部門に所属し、量子効果に基づいた高感度電磁る。

気計測の基礎と応用に関して研究を行っている。また、情報科学研究科・生命人間情報科学専攻の協力講座の研究室として大学院教育に関わっており、修士・博士課程の大学院生を主体とした研究教育を行っている。
本研究分野では高感度な磁気センサであり、ジョセフソン効果によりその機能を発現する SQUID（Superconducting
Quan-tum Interference Device）を中心とし、・SQUID を用いた生体磁気計測法の研究
・MEG (脳磁界) 計測と解析によるニューロイメージング
・高次機能を支える脳活動の解明
・言語環境が聴覚野の発達に及ぼす影響
・聴覚フィードバック効果と学習への応用
・自発成分の抽出と位相解析・wavelet 解析
・内因性の要因による脳活動の変調
・音楽の構造認知に関わる脳磁界活動の計測を主要な研究としている。

２．研究成果「ＭＥＧ による自発的脳活動の解析：和音進行列により誘起される聴覚野の活動」
音楽聴取では、各音の音響特性の分析を基に、連続や非連続、抑揚や終止等の内因性の感覚が生じる.これらの効果
は、音楽構造理論では音の提示順列、即ち、音の周波数の序列的変化に伴う次音への期待に起因すると考えられてい図 代表的な被験者 1 名の左半球側頭葉付近の16チャンネルから計測した、PC4, HC4, MC4 に対する脳磁界信号。各和音により誘発された P1m, N1m, P2m 反応が明確に観察された。
2500ms における休止符は、その後に続く625ms の無音期間(灰色掛) の開始を示す。PC4 以外の HC4, MC4 の無音期間に反応ピークが観察された。
(b) I- IV-V-I 進行の PC4 の音波形例。各和音の長さは625ms であり、ピアノ音の特徴であるアタックと線形の減衰から成る。
(c) 脳磁界計測と刺激提示のデザイン。

る。殆どの西洋音楽作品は I-IV-V-I 等の特定の和音構造
パターンに集約される。終止部の V (e.g., ソシレ) → I (e.g.,ドミソ) という進行は完全終止 (PC: Perfect Cadence) と呼ばれる。半終止 (HC: Half Cadence) は V で係留し、次音 I による終止を強く想起させる。偽終止 (MC: Minor Cadence)
は V→VI の様に親近調で微妙に終止する。即ち、終止・非終止 (または更なる連続への期待) という心理効果は、導音 V の後には I が想起される事を前提として、その期待の実現の度合いに基いて決定されると考えられる。
本実験では、これらの終止型を持つ和音進行列を提示した時の脳磁界活動を計測した。終止音提示後の無音期間の― 52 ―

tive Neuroscience Society Meeting (San Francisco,

４．資料
4.1

2008-4).

学術論文等

４) Y.Inoue, A. Ogawa, K. Arai, H. Matsumoto, A. Toyomaki,

１) A. Otsuka, S. Kuriki, N. Murata, T. Hasegawa: Neuro-

H. Takeichi, T. Omori, S. Koyama, T. Morotomi, M. Ki-

magnetic responses to chords are modified by precedingtazaki: Feature Analysis of Event-related Brain Potentials

musical scale. Neuroscience Research, 60(1): 50-55

by Statistical Classification: Application of Naive Bayes(2008).

Method and Principal Component Analysis to Predicting
Auditory Stimuli, 14th Annual Meeting of the Organization

２) K. Takeda, H. Mori, A. Yamaguchi, H. Ishimoto, T. Na-

for Human Brain Mapping (Melbourne, 2008-06)

kamura, S. Kuriki, T. Hozumi, S. Ohkoshi: High temperature superconductor micro-superconducting- quan-５) 大塚明香、玉城祐二、栗城眞也：音楽的な和音進行列

tuminterference-device magnetometer for magnetizationの聴取に伴う終止音の想起について：脳磁界活動の計

measurement of a microscale magnet. Review of Scientific測. 第10回日本ヒト脳機能マッピング学会 (山形,

Instrument, 79: 033909-1-7 (2008).

2008-6).

３) 鷲尾大輔、栗城眞也：複合音の時間特性による聴覚誘６) 河本隆史、桑野晃希、栗城眞也：色相の異なる視覚画

発 MEG 応 答 の 変 化 . 生 体 医 工 学 , 46(1) ： 103-108

像による自発性リズムの変調. 第23回日本生体磁気学(2008).

会 (東京, 2008-6) .

４) 竹市博臣、寺尾敦、竹内文也、豊澤悠子、小山幸子：

７) 小山幸子、豊巻敦人、豊澤悠子、竹内文也、竹市博臣、

Ｍ系列変調法を用いた談話理解評価に関係する脳領野

栗城眞也：純音に挿入された無音部に対する誘発脳磁の fMRI による同定. 認知神経科学, 10(1)：99-108(2008).

場. 第23回日本生体磁気学会 (東京, 2008-6) .

５) 竹市博臣、小山幸子、松本秀彦、諸冨隆：ランダムプ

８) 田中光、横澤宏一、大塚明香、栗城眞也：自発脳磁波

ローブ法と談話理解の脳内機構. 臨床脳波 , 50(9)：における聴覚性注意効果の検討. 第23回日本生体磁気

524-530 (2008).

学会 (東京, 2008-6).

６) 軍司敦子、小山幸子、豊村 暁、小川昭利、千住淳、

９) 大塚明香、関大輔、横澤宏一、栗城眞也：刺激音の音

東條吉邦、加我牧子：小児の発話と聴覚フィードバッ

圧と周波数成分の増加に対する聴覚性脳磁界反応：第ク効果. 信学技報, 108：SP2008-39, 109-113 (2008).

23回日本生体磁気学会 (東京, 2008-6).
10) 軍司敦子、小山幸子、豊村暁、小川昭利、千住淳、東4.2

総説・解説・評論等

條吉邦、加我牧子：小児の発話と聴覚フィードバック
効果. 日本音響学会音声研究会 (札幌2008-6).

１) 栗城眞也：“低温・超電導技術の現状と将来展望「エレクトロニクス応用」” ,低温ジャーナル, 2：10-13 (2008).

11) 荒井宏太、松本秀彦、諸冨隆、小山幸子、竹市博臣、
豊巻敦人:純音刺激の ONSET と OFFSET 刺激持続時間

4.4の種類数の減少が AEP へ及ぼす影響. 第26回日本生理著書

心理学会大会 (沖縄, 2008-07)

１) Kakigi R, K. Yokosawa, Kuriki S, eds.: “BIOMAGNEISM:Interdisciplinary Research and Exploration”, Proceedings

12) S. Koyama, F. Takeuchi, H. Takeichi. A. Cichocki: MEG

of the 16th International Conference on Biomagnetism, pp.

responses to speech sounds with m-sequence modulation.

1-284 (Hokkaido University Press, 2008).

第31回日本神経科学大会 (東京, 2008-07)
13) H. Takeichi, S. Koyama: Volterra Series Analysis of Scalp

4.7

EEG Responses to Spoken Sentences Modulated by

講演

M-Sequence. 第31回日本神経科学大会 (東京, 2008-07）ｉ）学会
１) S. Koyama, A. Toyomura, T. Miyamoto, A. Terao, T.

14) T. Tamura, A. Gunji, M. Kitazaki, H. Shigemasu, N. M

Omori, H. Murohashi, S. Kuriki: Neural activation to one's

atsuzaki, K. Arai, H. Takeichi. S. Koyama: EEG rhythm

own, friend' and stranger's voice: an fMRI study. The 15th

changes associated with speech-related movements. 第31

Annual Cognitive Neuroscience Society Meeting (San回日本神経科学大会 (東京, 2008-07)

Francisco, 2008-4).

15) H. Tanaka, K. Yokosawa, A. Otsuka, S. Kuriki: Effects of２) H. Takeichi, S. Koyama, B. Foster, D. Liley: Coherence

auditory attention on oscillatory activities around 10 Hz.

analysis of EEG response to speech modulated byInternational Conference on Biomagnetism 2008 (Biomag

m-sequence. The 15th Annual Cognitive Neuroscience2008) (Sapporo, 2008-8).

Society Meeting (San Francisco, 2008-4)

16) A. Otsuka, Y. Tamaki, K. Yokosawa, S. Kuriki: Atten-

３) A. Toyomaki, S. Koyama, Y. Toyosawa, F. Takeuchi, H.

tional modulation of auditory neuromagnetic responses to

Takeichi, S. Kuriki: Hemispheric difference in MEG re-musical chord sequences: an MEG study. The 16th In-

sponses to short temporal gaps. The 15th Annual Cogni-

ternational Conference on Biomagnetism. (Biomag 2008)― 53 ―

展開「脳科学と社会」領域シンポジウム 脳科学と教(Sapporo, 2008-8).

育：平成16年度採択課題研究終了報告（東京, 2008.08）

17) S. Koyama, Y. Inoue, A. Toyomaki, Y.Toyosawa, A.Ogawa,F.Takeuchi, H.Takeichi, T. Omori, M. Kitazaki, S. Kuriki:
4.8

Evoked magnetic responses to short temporal gaps be-

国際会議の開催（組織者名、会議名、参加人数、開催

tween sounds. The 16th International Conference on Bio-

場所、開催期間）

magnetism (Biomag 2008). (Sapporo, 2008-8).

１) S. Kuriki, T. Yoshimine, S. Ueno, 16th International18) F. Takeuchi, H.Takeichi, S. Koyama, A.Cichocli: A new

Conference on Biomagnetism, 600, Royton Sapporo, Au-

technique for accessing verbal comprehension using mag-gust 25-29, 2008.

netoencephalography. The 16th International Conference

on Biomagnetism (Biomag 2008) (Sapporo, 2008-8).

4.10

19) S. Koyama: A new method for assessing verbal compre-

予算獲得状況

ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、

hension using amplitude modulated spoken sentences. The

期間）

16th International Conference on Biomagnetism Satellite１) 栗城眞也、基盤研究 B、認知的脳情報の検出と読み出Symposium (Sapporo, 2008-8).

しに関する研究、2007～2010年度

20) 竹市博臣、小山幸子、寺尾敦、竹内文也、豊澤悠子、

２) 小山幸子、基盤研究 B、脳波、脳磁場を指標とした談

室橋春光：変調劣化音声を用いた談話理解の神経機能

話理解の可視化：解析の高度化と発達研究への応用のニューロイメージング. 日本音響学会2008年秋季研３) 小山幸子、萌芽研究、成人アスペルガー患者の音声・究発表会 (福岡, 2008-9)

聴覚フィードバック機能とその神経基盤の検討

21) 荒井宏太、松本秀彦、諸冨隆、小山幸子、竹市博臣：

４) 小山幸子、萌芽研究（分担金）、聴覚の時計と視覚の時

ONSET, OFFSET刺激によって惹起される AEPs の発達

計の相互交渉場面を探る的変化. 日本心理学会第72回大会 (札幌, 2008-9)22) 竹市博臣、寺尾敦、竹内文也、小山幸子、室橋春光：

4.12

社会教育活動劣化（m 系列変調）音声に対する fMRI 応答. 日本心理ａ．公的機関の委員

学会第72回大会 (札幌, 2008-9)１) 栗城眞也：日本学術振興会 産学協力研究会 第146委員

23) 河本隆史、桑野晃希、栗城眞也：異なる色相の視覚画

長（2005年4月1日～2008年6月15日）

像による自発脳リズムの変調. 生体医工学シンポジウ

ｂ．国内外の学会の役職

ム2008 (大阪, 2008-9)１) 栗城眞也：日本エムイー（生体医工）学会教育技術委

24) 田中光、横澤宏一、大塚明香、栗城眞也：10Hz 近傍の員会委員 (2003年4月1日～現在)

自発性脳磁波における聴覚性注意効果. 第46回日本生

２) 栗城眞也：日本エムイー（生体医工）学会評議委員

体医工学北海道支部大会 (札幌, 2008-10).

(2003年4月1日～現在)
３) 小山幸子：日本臨床神経生理学会評議員 (2003年7月1025) 竹市博臣、小山幸子、寺尾敦、竹内文也、豊澤悠子、

日～現在)

室橋春光：変調劣化音声を用いた談話理解の神経機能のニューロイメージング. 日本音響学会2008年秋季研４) 栗城眞也：日本生体磁気学会、理事 (2005年6月1日～

究発表会 (福岡, 2008-9/10)

現在)

26) S. Koyama, T.Hiroshige, A.Gunji, M.Kaga, A.Cichocki,５) 小山幸子：日本生体磁気学会評議員 (2005年4月1日～

H.Okada, T Omori: EEG responses associated with verbal

現在)

comprehension in school age children: A new techniqueｃ．併任・兼業

using m-sequence modulation. The 38th annual meeting of１) 栗城眞也：ニューロイメージング PF 委員会委員 (2006the Society for Neuroscience (Washington DC, USA,年4月1日～現在)

2008-11).

ｅ．新聞・テレビ等の報道

27) T. Tamura, A. Gunji, S. Koyama, M. Kitazaki, H. Shige-・新聞

masu, N. Matsuzaki, H.Takeichi: Speech-related rhythmic

１) 栗城眞也：朝日新聞 2008年12月24日「無い音記憶で作

activities in the motor cortex. The 38th annual meeting ofる：知に挑む脳研究、磁場で探る脳波」

the Society for Neuroscience (Washington DC, USA,ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）

2008-11).

１) 工学部、応用物性工学、栗城眞也 2008年4月1日～2008ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ

年9月30日１) S. Koyama: Sound of silence: neural responses to short

２) 情報科学研究科、脳機能工学特論、栗城眞也、小山幸

temporal gaps. Fechner Day 2008 (Toronto, 2008-8) (In-子、2008年4月1日～2008年9月30日

vited)

３) 工学部、電気回路、栗城眞也、2008年10月1日～2009２) 小山幸子：音声言語知覚機構の解明と英語教育法への年3月31日― 54 ―

４) 工学部、生体医工学基礎・生体工学概論、栗城眞也、
2008年10月1日～2009年3月31日
ｉ．ポスドク・客員研究員など
・博士研究員大塚明香
ｊ．修士学位および博士学位の取得状況
・論文博士（1名）
大塚明香
・修士課程（3名）
田中光、河本隆史、向舘 健― 55 ―

～1400nm の近赤外波長領域の光計測技術を用いた非侵襲計測により、生きたままの生体組織の単一分子レベルから教

授 小松崎民樹（総研大、理博、2007.10～）

准教授

定量的な生体計測技術を目指している。

Chun Biu Li（テキサス大、PhD、2008.3～）

助

教 寺本 央（東大院、学術博、2008.6～）

助

教 西村吾朗（阪大院、理博、2007.10～）

博士研究員

２．研究成果(a) 熱的にゆらぐ環境下での化学反応の決定性とランダ

馬場昭典（2007.10～）

ム性

日本学術振興会特別研究員 河合信之輔（2008.4～）
院

化学反応は化学工学・生命・環境など幅広い領域におい生

博士課程後期て中心的な役割を持つ自然現象の一つである。物理学的に

清

見れば化学反応は原子の配置の変化であり、核間距離など

一人（特別研究学生、神戸大学大学院理学研究科）、

Johannes G. Hagmann（日仏博士課程コンソーシアムの適切な変数を用いて原子配置を記述すれば反応の過程は留学生、リヨン高等師範学校）

これらの変数を座標軸とする空間（配位空間）の中の運動

博士課程前期として捉える事ができる。反応の過程において系は配位空

永幡間内のある安定な（＝ポテンシャルの低い）領域「反応物」

裕（理学院数学専攻)

から別の安定領域「生成物」へと移動する。両者の間には
多くの場合、「鞍部点（サドル点）」と呼ばれる不安定点が１．研究目標存在し、化学反応の分野では、反応物領域と生成物領域と生体分子、細胞、組織、そして個体に至る生命システム

いった、反応の「前」と「後」を分割する遷移状態としては常に外界に晒（さら）されながら、ミクロレベルでの“刺考えられている。しかしながら、サドル点は“分子のひと激”がマクロレベルまで伝達し頑健な機能を作り出していつの構造”に対応するので、系の相空間を反応の「前」とる。生体系の反応現象の多くは、複雑ななかに特異性、す「後」を分割する空間を構成することは原理的に不可能であ

なわち、選択性・機能性を保有していて、その特異性が生る。遷移状態は、本来、系の空間の次元から 1 差し引いた命現象の豊かさの源泉となっている。生体機能とは「外界次元をもつ“空間”を指す（例えば、3 次元空間を二分すからの刺激に対する応答として始まる一連の構造変化とそる空間は 2 次元空間(＝面）、2 次元空間を二分する空間は 1

れに伴う化学反応」であり、階層を越えた「状態変化」の次元空間(線)）。遷移状態が、特段、化学反応において重要

つながりの産物といえる。そのような生命システムを理解視される所以は、反応物領域から生成物領域へ系が遷移状するためのアプローチには、大別して、背後に存在する数

態を通過(交差)すると、その後、生成物領域に“捕獲され理構造を提唱するトップダウン的構成論的手法と微視的なずに”反応物領域に戻る(再交差する)ことはないと近似的立場からマクロな現象の再現を試みるボトムアップ的還元に考えられているためである。換言すると、この仮定は化論的手法が存在する。前者は大胆な仮定や粗視化のために学反応において「状態が変わる(った)」という表現を成立

自然と乖離したモデルに陥る可能性が存在する一方で、後させるための暗黙裡な条件となっている。
これまでの我々の研究（小松崎、Berry、Proc. Natl. Acad.

者は個々の微視的事象を枚挙するだけでシステム全体を捉Sci. USA 98, 7666 (2001); Adv. Chem. Phys. 123, 79 (2002) なえることは困難である。
自然科学研究において革命的な発展をもたらすものは、

ど）において、系を構成するすべての自由度とそれらの相多くの場合、新しい実験技術とその新しい実験事実に基づ互作用が既知であるハミルトン力学系では、分子内の多数いた理論・概念の転回である。近年、1分子計測技術等の飛の自由度が複雑に非線形相互作用し、強いカオスを呈する

躍的な進展により、「観測」の在り方が大きな変貌を遂げ、場合でも Normal Form 理論と呼ばれる手法を用いると、解サブミリ秒程度の時間分解能で、１分子レベルの大規模構

析的に適切な座標を選ぶことができ、系が反応する／しな

造変形や細胞の分化の計時変化を直接観測することが可能

いを分(わ)かつ遷移状態が抽出し得ることが解明されていになってきた。

る。しかし、系がアヴォガドロ数程度の溶媒分子に囲まれ

当該研究分野では、化学反応や生体分子の構造転移などている凝縮相の反応においては、系が周囲の環境から受けの状態変化における「偶然と必然」、「統計性と選択性」、「部

る力は熱ゆらぎに起因する“ランダム”な性格を持つ。こ

分と全体」の基礎原理を解明するとともに、“トップダウン”のような系で反応の帰趨(きすう)を決定しているものが何と“ボトムアップ”の両アプローチを橋渡しする概念や方か、あるいはそもそも決定性が残っているのかも未だ解決

法論を確立し、できるだけ自然現象に照らし合わせながらすべき大きな問題である。

生命システムの階層性の論理を構成し、生命の中に積木細我々は熱的に揺らぐ環境下における状態変化の決定性の工をこえる新しい概念を創出することを目指している。

存在を調べるために、熱雑音存在下の化学反応を多次元ラ

この他、単一分子分光を用いた生体計測を通して、階層をンジュバン方程式で表現し、これまでの我々の理論をラン越えた構造と機能の相関を探っている。具体的には、700ダムな外力を受ける系に拡張し、系の反応性を決定する力― 56 ―

学構造を抽出することに成功した。その結果、系の持つ複ら Phys. Rev. Lett. 97, 129901 (2006)）、遷移状態がどのよ

数の自由度間の非線形相互作用、およびランダムな外力のうに高次元相空間のなかで分岐してゆくのか、換言すると存在下においても、それらに応じた適切な座標を構成して分岐を支配しているパラメータがなにかは明らかにされてその座標に射影して見ることによって運動が単純な形にないない。仮にそのパラメータが分かれば、分岐パラメータ

ることを見出し、またその座標変換を得るための具体的なが張る空間で、相空間を二分する遷移状態が相空間のどこ手法を構築することに成功した。この特別な座標で見るこに“移動”するのかを予め同定することが可能となる。

とにより、ランダム力の存在下にあっても少なくとも鞍部

我々は全自由度ハミルトン系から反応自由度以外を点近くの領域においては反応するものとしないものとを分

Normalize する部分 Normal Form 理論を鞍部点領域の遷移ダかつ境界が存在し、反応の帰趨は系が鞍部点近傍に入った

イナミックスに援用し、全エネルギーのほかに非反応自由時点でこの境界面のどちら側にあるかのみで決まっている度の作用変数（よい量子数）が、カオスが存在しない状況ことを数値的に実証した（図 1 ）。この境界面は本研究で導の下では、“よい分岐パラメータ”として機能することを見入した新しい座標がゼロになる場所として解析的に与える出した。

ことができる。新しい座標は元の座標およびランダム力の非線形な(汎)関数であるが、その解析的な形を見ることに
より系の反応性に影響を及ぼす因子を環境の熱ゆらぎの効
果、非線形性の効果、およびそれらが複合的に組合わされた効果に分類して理解することができる。
本研究は、熱的に揺らぐ環境下における化学反応の選択性と統計性、偶然と必然の原理を理解する上で重要な見方を提供するものと考えられる。

図２．３自由度 H2+H →H+ H2 の分岐ダイアグラムと対応する相空間構造。

図2a に全角運動量ゼロの 3 自由度 H2+H →H+ H2 の交換反応におけるサドル近傍の 4 つの異なる相空間構造を示す。
図中、反応自由度が張る (p'1, q'1) 空間における不安定／安
定固定点、セパラトリックス、遷移状態を、それぞれ、

図１．化学反応における鞍部点近傍の運動の概念図。凝縮相にある系は環境からのランダムな力と非線形性の効果を受ける
ので、通常の座標の取り方では非常に複雑な軌道を描く（左下図）。しかし本研究で導入した特別な座標に射影すると運動は単純な形になり、反応する軌道(緑)と反応しない軌道(赤)との間に明確な境界が存在する。

dark/gray 点、点線、太い線で表し、各相空間構造に対応す
る一次元の有効ポテンシャルを描いている。図2b 、2c は、異なる全エネルギーにおける、非反応自由度のひとつの作
用変数を分岐パラメータとする分岐ダイアグラムを示している。非反応自由度の作用変数が運動の近似的不変量とみなせる限り、相空間のどこに遷移状態が位置するかを解析(2) 遷移状態の分岐現象
これまでの我々の研究により余次元 1 の（再交差挙動を的に同定・予測できることを意味している。この遷移状態与えない）真の遷移状態がサドル点領域で比較的広いエネの分岐現象を解析的に予測することができるという事実はルギー領域に渡って頑健に存在し得ることが解明されてい化学反応を制御・予測するうえで極めて重要な知見を与える。これは局所的には“カオスの海”にあっても化学反応るものである。

の選択性が生き残っていることを意味している。しかしな(3) タンパク質周りの水の動態場の力学構造

がら、活性化障壁近傍よりも遥かに高いエネルギー領域で遷移状態概念が生き続けるのか否かはほとんどわかっていタンパク質が機能を発揮する上では周辺にある水分子のない。我々はこれまでに遷移状態が如何に崩壊し、反応が存在が欠かせない。タンパク質と周りの水とが動的に相互予測不可能になるためのメカニズムを考察してきたが（Li作用していることを示唆する実験結果としては、溶媒分子― 57 ―

端的に言えば、流れが二つに“泣き別れる面”をつなぎ合の周りの水分子は、普遍的にバルク水とは違い早いピコ秒
スケールの緩和と遅いナノ秒スケールという二段階緩和をわせたものに対応する。Lekien ら (J. Math. Phys. 48, 065404

示すことが知られている(Nandiら、J. Phys. Chem. B 101,

(2007)) により、その構造の理論的基礎付けが与えられ、10954 (1997))。また、鈴木誠らの誘電緩和測定においては、

LCS 面の法線方向にその面から引き離そうとする力が働く。

電荷密度が高い溶質周辺に高い並進易動度をもつハイパー

従って、LCS は溶質分子の動力学、および溶質分子周りのモーバイル水と呼ばれる水の存在が示唆されてきたが、こ水分子の動力学を理解する上で重要な役割を果たすことがれまでの計算機実験の範疇では対応する“新しい動的な相”期待される。

の存在が見出されていない。一方で、水を低温にするとDNA との動力学的な関係をみるために LCS のスナップ

220K をさかいに水の緩和挙動が質的に遅くなり(Angell らショットを 1 ps 間隔で DNA 分子を含む面で輪切りにした

Nature 398, 492 (1999))、ちょうどその温度を境にして水中ものを図 5 に示す。図 5 の赤い線で表した LCS が DNA 分子のタンパク質の活性も失われてしまうことが知られているに食い込み、再び離れるのに対応して、白丸で囲んだ DNA（Baguchi ら Chem. Rev. 105, 3197 (2005)）。以上の実験結果

部位の構造変化が起こっている。これは生体分子の構造変は水とタンパク質が動力学的に相互作用していること、お化が水の集団的な動態場の「幾何構造」によって決定され

よび水の動力学がタンパク質の機能発現に重要な役割を担る可能性があることを示唆している。我々が開発した解析っていることを示唆している。しかし、分子論的にタンパ

手法は、生体分子の構造変化と生体分子「近傍」の水の動

ク質と周りの水が動力学的にどのように相互作用している

態場との動的相互作用を解明するものと期待される。

のかということに関しては、ほとんど解明されていない。
本研究に於いては、その点を明らかにするため、我々は、
タンパク質などの溶質周りの水の集団的な動きを抽出するための粗視化の方法論、ならびに、生体分子の構造変化と生体分子「近傍」の水の動態場との動的相互作用をラグラ
ンジェ協同構造と呼ばれる概念を通して解析する手法を新規に開発した。
手始めに、室温環境下における11対の A-T ペアからなる

図４．
（左）ラグランジェ協同構造の概略図。ラグランジェ協同構
造は、３ 元空間上のベクトル場の分離面に相当する。
（右）DNA分子の周りの水が集団的に作り出す LCS のスナッ
プショット。（赤（青）：時間発展させると分かれ（接近し）ていく流れの境界面）

DNA 分子まわりの水分子の動態構造について解析を行った。粗視化スケールを細かいものから粗いものへと変化させたときの密度場を図 3 に示す。粗視化のスケールが粗くなるにつれて個々の水分子は見えなくなり、水の作り出す大域的な密度場が浮かび上がる。粗視化に当たって重要なことは、もともと系が持っている対称性、ならびに保存則を保つように粗視化をすることである。
たとえば、密度場、およびその流れは連続の式と呼ばれる物質量保存則を満たしている必要があるが、ここでは保存則と整合するような

図５．LCS と DNA 分子の残基との相互関係

粗視化の方法論を構築した。粗視化された密度場（図 3 ）とその流れもまた連続の式を満たす。

(4) 量子ドットの間欠的なプリンキング現象の時系列解析
一分子データ解析は、通常、同じ分子種であっても、分子個々に応じて異なる振舞いを呈する。これは分子のもつ内部自由度の状態が異なることに由来し、タンパク質などのように、内部自由度が多ければ多いほど顕著となる。量

図３．水分子の密度場を粗視化したもの（右から粗視化スケール
1.0/0.625, 1.0/1.25, 1.0/2.5 (nm-1)）。水分子に隠れて見えないが、中央にDNAが存在している（システムサイズ100A3, 総
原子数90386、圧力1atm, 温度300K）。

子ドット（Quantum Dot, QD）のような単純な色素分子系においても顕著に観測される。この事実はなんらかの多数の“内部自由度”に相当するものが QD においても存在す

次に、水が集団的に作り出す場が溶質分子の運動にどのることを明示している。

ような影響を与えるのかを調べるため、ラグランジェ協同

QD の蛍光トレース（強度時系列）として、特筆すべき構造（Lagrangian Coherent Structure、LCS）とDNA分子の特徴のひとつにその間欠的なブリンキング現象がある（図動力学との関係を解析した（図 4 ）。LCS とは Haller (G.

6 ）。ブリンキング現象は QD に限らず、多くの蛍光色素分

Haller ら、Chaos, 10, 99 (2000); Physica D, 149, 248 (2001);

子において普遍的に存在し、1 分子時系列からタンパク質

Physics of Fluids, 13, 3365 (2001); 14, 1851 (2002)) により提の構造変化などを正しく同定するうえで大きな弊害のひと案され、Shadden によりその名が与えられたものであり、つになっている。QD のブリンキングは、定性的には、“暗”― 58 ―

状態と“明”状態のあいだのランダムジャンプと考えられ

我々は現象論的にモデルを構成するのではなく、1 分子ている（最近では 2 つ以上の状態が観測されている）。しか

時系列情報からもっとも予測性能が高く、かつ最適なモデしながら、それらのジャンプは強い相関を示し、“暗”“明”

ルを自動的に抽出するアプローチをとる。当該年度は、そ状態の各滞在確率分布は 4 桁から 9 桁に渡って、べき分布のための予備的な統計解析を行った。

をもつ（べき指数は1.1から2.2の間に殆どの場合、帰属さその結果、異なる同種 QD の強度揺らぎが広く分布してれる）ことが知られている。

いる (30～1200counts/100ms) こと；ほとんどの QD の強度
は100～400counts/100ms であること；図7b、7c に示すように、寿命分布の形と強度揺らぎの大きさのあいだには明確な関係がないことが分かった。一方、明、暗状態のパター
ンは QD 毎に変化する。ある QD は明状態に長く滞在し、暗状態に早く遷移するのに対し、ほかの QD は、逆に、ほとんどの時間、暗状態に滞在し、短い明状態へ速やかに遷移する。ほとんどの強度トレースはこれらの中間のパターンに属するものと考えることができるが、そのうちの幾つかは全く異なる揺らぎパターン間の遷移を包含することも分かった。
最 尤 推 定 法 に よ り 決 定 さ れ た 寿 命 時 系 列 は 10-40(unit=342ns/256) の間を大きく揺らいでいる（図7d）。特筆すべき点は、この寿命時系列は強度揺らぎの時系列と強い

図６．(a) (b) 単一量子ドットの蛍光トレースの代表例(c) (d)“明”“暗”状態の滞在確率のべき分布相関を示唆している点である（図7c, d）。最尤推定された寿命時系列では、強度時系列に含まれている幾つかの実験誤現在、存在する（現象論的）モデルのほとんどはブリン

差、たとえば、測定に由来する（であろう）線形減衰してキングの成因をナノ粒子内部の電荷分離と捉えている。マ

いく成分、正弦波成分など、を除去することができるため、イナス電荷をもつ電子が光照射によってコアから飛び出し、

実験誤差に対してある程度の安定な解析を行えることが期

空間的に拡がった高励起状態に遷移する。その結果、量子待できる。今後、寿命時系列に対して、背後に存在する状

ドットのコア部分がプラスに帯電し、電荷が分離した状態

態空間のネットワークを抽出し、QD のブリンキング現象と捉えることができる。一旦、QD が電荷分離を起こすと、のメカニズムを考察する計画である。

蛍光はオージェ過程に依ってクエンチされて暗状態になる。
提案されているモデルは群雄割拠しており、基本的にはそ(5)

れらは電荷分離状態をどのように構成するかが異なってい1 分子生物学における多次元自由エネルギー地形の理論る。

蛍光共鳴エネルギー移動 (FRET) などの 1 分子実験で得られるのは、蛍光分子間距離に対応するような 1 次元の情報のみであり、ここから生体分子の各瞬間の多次元の立体構造をどのように推定すべきか、そして、それぞれの立体
構造ごとの安定性や立体構造間の反応障壁の高さを表す多次元的な自由エネルギー地形をいかに読み取るかは自明ではない。近年、我々は「局所平衡状態」と呼ぶべき状態の組を 1 次元の 1 分子時系列から抽出し、それらの状態間の多次元的な自由エネルギー地形を構成する新しい方法論を開発した (Baba ら Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 19297(2007))。方法論を端的に説明すると、1 次元の観測値の、ある短い時間幅τでの分布(ばらつき)に注目し、時系列の各時刻の周囲の局所的な観測値の分布を、分布間の類似性についての指標である Kantorovich 測度に基づいたクラス
ター分析を行うものである。
系が頻繁に長時間滞在し、内部を十分経巡る局所平衡状
態は、時間幅τの範囲で互いに頻繁に行き来する立体構造

図７．QD ブリンキング時系列の統計解析。(a) 最大エントロピー法
で求めた蛍光寿命分布と対応する寿命スペクトル(b)。
(a) の挿入図：実験データをフィットしたときの残差。(c) QDの強度トレース (d) 最尤推定により決定された寿命時系列。

― 59 ―の集まりに対応すると考えることができる。ある系の配置
空間を細かい領域に分割し、これらの間の遷移ネットワー
クを構成したとき、このようなネットワークを、互いに頻繁に行き来する領域ごとに分ける方法として、最も遷移のここで 2 次元かどうか、すなわち平面グラフであるかど

頻度の少ないボトルネックとなる断面を探し、そこで分割

うかは Kuratowski の定理(Fund. Math. 15, 271 (1930))を用するという方法が知られている。近年、計算機シミュレー

いて判別できる。この方法は残念ながら、3 次元以下の次ションの領域で広く使われてきている、自由エネルギー元性の評価に制限されるが、例えば、イオンチャンネルのDisconnectivity Graph の方法は、これを階層的に用いること開閉や、モーター蛋白質の並進運動などについて、1 次元

で、立体構造間の遷移ネットワークから、反応障壁につい的な反応経路として取り扱うことが適切であるかどうかをての木構造を抽出する(Krivov & Karplus, J. Chem. Phys. 117,

判定するために利用できると期待される。

10894 (2002))。以下(図 8 )にこのようなネットワークの、
遷移のボトルネックでの分割例を示す。

(6) 情報理論的ノイズ・フィルタリング手法の開発
実際に得られる 1 分子時系列データはノイズのない「理想的な」力学系から構成されるものではなく、常に観測装置による測定誤差、光子統計に由来するショットノイズ、
ブリンキングなどの光化学に由来する強度揺らぎ、色素分子の配向ダイナミックスなど、様々な実験誤差が含まれている。
我々は、プリンストン大学の Haw Yang 博士が開発した、フィッシャー情報基準および Cramer-Rao 不等式の情報理

図８．遷移ネットワークの、遷移頻度のボトルネックによる分割。
(a) 状態 A-F 間の遷移ネットワーク。矢印が遷移経路を、数字が頻度を表す。点線がボトルネックとなる断面。(b) A-C,
D-Fのグループをまとめ、粗視化したネットワーク。灰色の矢印はAから異なるグループへの遷移の経路を表す。

論などに立脚し、実験により得られる 1 分子時系列情報から観測ノイズに埋もれた状態間遷移のシンボル列を抽出す
る Changing Point 解析法に基づいて、観測ノイズが相関をもたないガウス過程と見なせる場合には観測ノイズを情報

図8a の分割された 2 つのグループの間の遷移には、複数

理論的に除去できるデータ処理方法を開発した。

の経路を含むために、一般に複数の遷移の時間スケールが現れる。しかし、もし一つのグループの内部での遷移が非Intensity

常に早く、内部で平衡分布に至る局所平衡時間τeq が、もう一つのグループへ遷移する脱出時間τesc より十分に速い
場合は、図8b のように単純な 2 つの状態間の、単一の時間スケールでの遷移とみなせる。局所平衡状態は、このような粗視化が許されるような立体構造のグループに対応し、観測の時間幅τが、τeq«τ«τesc の条件を満たす場合に、そのような状態が観測できると期待される。時系列から得Time [step]

られた局所平衡状態の間の実効的な自由エネルギー地形について次元性を評価することで、系が経験する地形の複雑

Intensity

さを評価できる可能性がある。これは、局所平衡状態の間の遷移ネットワークが、遷移経路が交差しないように何次元で表せるかによって、系全体のエネルギー地形の大域的な反応座標の数の下限を見積もる方法(図 9 )で実現できる。

Dwell time [step]
図10：(左) （蛍光）強度 0 および 1 を中心に分散 1 のガウスノイズが存在する時系列 (赤色) に対する Change Point 解析例。検出された Change Point (緑色) によって、時系列は「区間 (interval)」に分割される。各区間の平均値が、青色で示されている。(右)Change Point によって分割された各区間はその区間におけるIntensity の平均値 ( Iˆi ) と、区間の長さ ( Ti ) によって、特徴付ける。ここでは、すべての ( Iˆi , Ti ) をプロットしている。

Change Point 解析は、一般に、「時系列の性質が有意に変化する時点 (Change Point)」を、検出するための方法である
図９．遷移ネットワークの次元性の評価。(a-c) 1 - 3 次元のネットワーク。 (c) で示されるネットワークはどのように変形しても 2 次元では遷移経路の交差を回避できない。

（図10）。Change Point を検出するための方法は、各時刻において、「その時刻以前の時系列」と「その時刻以後の時系― 60 ―

列」が、等しいパラメータ(平均と分散)を持つガウシアン

ことを意味する。従って、閾値はノイズに対応する波高の分布で尤もらしく記述できるかを、尤度比検定によって決低い所のみを除去するのが良いと考えられる。一方、S/N定する。このプロットによって、ノイズの性質（蛍光ビーを向上させるためには、素子温度を下げダークカウント自ズなどの対照実験などで事前に確認することができる）が身を下げる必要があることもわかった。

近似的にガウス過程である場合には、ノイズに埋もれていこの素子を用い、レーザーの時間応答および、生体組織

る蛍光強度レベルの個数や Dwell time（図10の Ti ）の広がを模擬した散乱体溶液、イントラリピッド溶液、の時間応りなどを検出することができる。たとえば、ショットノイ

答計測を行った(図12)。ゲートタイミングは、ゲート幅のズが顕著な場合にはポアソン統計分布を仮定することで除

ほぼ中央にレーザー光が検出されるように設定した。挿入去することができる。我々は Change Point によって分割さ図は、計測された生データを示す。ダークの上に実際の試れた各区間における蛍光強度の平均値だけでなく、高次モ料からの信号が少し重畳していることがわかる。この差をーメントも考慮に入れた新しい方法論も、開発している。

取り、見たい信号の時間特性を得る。レーザーのみの時間

スカラー量である時系列情報に埋もれている背後に存在す応答特性と、光がイントラリピッド水溶液中を透過したのる高次元性を部分的に評価できることが期待される。

ちの時間応答特性を図に示している。レーザーの応答特性

具体的な系として、名古屋大学と共同で機械受容イオンから、検出器の時間応答は約200ps であったことがわかる。

チャネル MscL のパッチクランプ電流時系列データを解析

それに対し、イントラリピッド試料を透過することによりし、膜に与える張力の大きさに依存して、キネテッィクス

光路分布が広がったことによる時間広がりが検出された。

が多様な変化（指数緩和からべき緩和へ）を示すこと、な

現時点では、ダークカウントが経時的に変化するなどする

らびにそれらの背後に存在する状態に依存して滞在時間分ことにより、安定な時間応答測定が難しいこともわかった。

布が多様に変化する状態遷移ネットワークが存在すること

生体などへの計測への応用には、素子温度をより低くしまが分かった。

た安定化することが必須であると考えられる。素子の時間応答については、電気的な信号の反射などによる波形歪み(7) 近赤外波長域の光計測技術の開発と生体組織の非侵の改善が必要であると考えられる。これらのことを踏まえ、

襲計測

生体組織の時間分解計測に応用出来る検出器の開発を行っ生体組織透過性の良い近赤外波長域のうち、1μm を越えている。

る波長域は、へモグロビンの吸収が少なくなり水の吸収が主体的になる領域である。そのため、組織内の水を指標とした生体組織の評価とその医学的応用が可能となると考えられる。一方、水の吸収を定量的に評価するためには、組織の光散乱を考慮した解析が必要であり、その中でも光の組織透過にかかる飛行時間の計測(時間分解計測法)は有用である。この方法は、組織を透過する光の飛行時間分布を計測し、それに散乱を考慮した適当なモデルにより合わせ定量する方法である。これまでも、1μm 域より短い波長域
では、時間分解計測法を用いた生体組織計測法の研究が行われてきた。しかし、それより長い波長域では、組織を時間分解計測するのに適した検出器がほとんどない。今回は、

図11．InGaAs APD 検出器のパルス波高特性。挿入図は、パルス形状。

InGaAs アバランシェフォトダイオード (APD) を単一光子検出モードで動作させその特性を評価し、組織計測への応用可能性を検討した。
InGaAs APD は市販のものを-30℃程度に冷却し、ガイガ
ーモードで使用し、単一光子検出を行った。素子に光が検出されるであろうタイミングにのみ APD のブレークダウ
ン電圧を越える電圧を印加し、検出器のゲートとして機能させた。
ゲート機能により、ダークカウントを軽減させた。
試料からの透過光の時間応答は、通常の時間相関単一光子計数法を用いた。
最初にこの素子の波高特性を計測した(図11)。InGaAs
APD の場合、波高特性は光量にほとんどよらないことがわ
図12．InGaAs APD 検出器の時間応答特性と、10％イントラリピッ
ド溶液の散乱時間応答特性。挿入図は、ダークカウントを差し引く前のデータ。

かった。このことは、通常の光電子増倍管などと異なり、弁別器の閾値を変化させても S/N はほとんど変化しない― 61 ―

５) 小松崎民樹：「 1 分子時系列情報から読み解く生体分子

３．今後の研究の展望の状態遷移ネットワーク」、生物物理、日本生物物理学
会、48(5)：282-283 (2008)

生体機能を司る分子は、多くの場合、アボガドロ数個ではなく、少数個が参画し、有限時間内に生体機能は生起す

６) 小松崎民樹：「 1 分子時系列情報からわれわれは何を学る。そこでは平衡統計の枠組みが必ずしも成立している保び取ることができるか？」、物性研究、(91)：121-130(2008)

証はなく、一分子観察を通して、長時間の分子記憶などの動態現象として具現化されているものと思われる。しかし

７) C.-B. Li, M. Toda and T. Komatsuzaki: “Bifurcation of

ながら、「入出力レベルも熱エネルギー程度である生体機能

no-return transition states in many-body chemical reac-

が、熱揺らぎに晒されながら、なぜ効率的かつ選択的に生

tions”, Journal of Chemical Physics, 130(12): 124116-

起するのか」
に関する指導原理は未だに解明されていない。

124122 (2009)

それゆえ、統計性を予め仮定しない基礎理論から化学反応や構造転移の根本原理を追求するとともに、あらかじめ系

4.7

講演

についての性質（統計性、次元性など）を前提としないで、

ａ．招待講演（実際に観測される）一分子時系列情報から背後に存在するⅰ）

動態構造について読み解く方法論を確立することは熱揺ら

１) T. Komatsuzaki : “ Construction of an Effective Freeぎ存在下における生体機能の指導原理を考察するうえで本Energy Landscape from Single-Molecule Time Series”, 1st

質的に重要である。

Annual Protein and Peptide Conference, BIT's 4th Life

学会

今後、開発した解析手法や理論を、化学反応の量子制御、Spring Forum on protein folding and diseases -celebrating

記憶を持つ一般化ランジュバン方程式へ拡張・深化させる

60 years of Prof. Scheraga's science (1948-2008),

とともに、より多くの具体例に展開していき、1 分子生物

Shenzhen, China (2008-04)

学における自由エネルギー地形概念そのものの再考、生体

２) 小松崎民樹：「 1 分子時系列情報から読み解く生体機能

分子系ダイナミックスと熱揺らぎの拮抗関係、時空間スケの階層構造」、第64回日本物理学会、盛岡市 (2008-09)

ールの異なる階層間の情報伝達、環境に適応しながら時々

３) 清一人、馬場昭典、李振風、小松崎民樹：「 1 分子計測

刻々変化する階層ネットワーク構造の遍歴現象などを考察

から読み解く状態遷移ネットワーク～機械受容型イオ

していく予定である。

ン チャネル MscL を例に」、日本生物物理学会シンポ

一方、近赤外波長域の生体計測における検出システムのジウム「イオンチャネルゲーティングのダイナミクス

開発により、生体組織レベルでの定量的計測法の確立とそをイメージする（老木成稔氏 (福井大学)、曽我部正博
氏 (名古屋大学) 主催、福岡市 (2008-12)の医学生物学応用を進めていく予定である。

４) 李 振 風 ：「 Understanding the Multiscale Dynamics ofComplex Biological Systems from Single Molecule Ex-

４．資料
4.1

periments」、日本生物物理学会シンポジウム「レア・イベントから創薬へ（岐阜大学桑田一夫氏、東京大学

学術論文等

１) H. Teramoto and T. Komatsuzaki: “Probing Remnants of

分子細胞生物学研究所北尾彰朗氏主催）」、福岡市

Invariants to Mediate Energy Exchange in Highly-Chaotic(2008-12)

Many-dimensional Systems ” , Physical Review E, 78:

５) T. Komatsuzaki : “Multiscale Complex Network and Ef-

017202 [4 pages] (2008)

fective Free Energy Landscape Extracted from Sin-

２) A. Shojiguchi, C.-B. Li, T. Komatsuzaki and M. Toda:

gle-Molecule Time Series”, Symposium on Linking single“Erratum: Fractional Behavior in Multi-Dimensional

molecule spectroscopy and energy landscape perspectives,

Hamiltonian Systems Describing Reactions”, Physical Re-

at 46th Annual Meeting of the Biophysical Society of Ja-view E, 77: 019902 (2008)

pan , Fukuoka (2008-12)３) H. Teramoto and T. Komatsuzaki: “Exploring Remnant of６) T. Komatsuzaki : “Exploring remnants of invariants buried

Invariants Buried in a Deep Potential Well in Chemical

in a deep potential well in chemical reactions”, Focus

Reactions”, Journal of Chemical Physics, 129: 094302 [9Session: The Transition State in Physics, Chemistry, andpages] (2008)

Astrophysics,４) C.-B. Li, H. Yang and T. Komatsuzaki: “ 'Multiscale

APS

Meeting,

Pittsburgh,

PA,

USA

(2009-03)

Complex Network of Protein Conformational Fluctuationⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ

Buried in Single Molecule Time Series”, Proceedings of１) 小松崎民樹：「 1 分子時系列情報から生体分子機能の複National Academy of Sciences USA, 105: 536-541 (2008)

雑さを解読する」、分子研シンポジウム 6月13－14日、岡崎市 (2008-06)― 62 ―

２) T. Komatsuzaki : “Extracting Multiscale Complex Network

for Protein Research Seminar on New Approaches toof Protein Fluctuation from Single-Molecule Time Series”,

Complexity of Protein Dynamics by Single Molecule

Telluride Summer Workshop “Characterizing Landscapes:

Measurements:

From Biomolecules to Cellular Networks,” Telluride, USA

Experiments

andTheories,

Osaka(2008-12)(2008-07)14) 小松崎民樹：「局所平衡や分子摩擦を越えた新しい化学

３) 寺本央、小松崎民樹：「生体分子系における化学反応の反応動力学理論を目指して」、特定領域「実在系の分子理論」シンポジウム、札幌市 (2008-12)

選択性と統計性の原理的理解」、特定領域研究「高次系15) 小松崎民樹：「 1 分子時系列情報から読み解く状態遷移

分 子科学」 第 2 回 ミニ公開シ ンポジウ ム、 神戸市

ネットワークを俯瞰する」、ポストシリコン物質・デバ(2008-07)

イス創製基盤技術アライアンス平成20年度成果報告会、

４) 小松崎民樹「時系列情報から読み取る数理モデル－生

札幌市 (2008-12)体分子の構造揺らぎを例に」特定領域研究「移動知」ⅲ）コロキウム・セミナー等・その他

A 班＋ D 班の合同班会議、札幌市 (2008-07)
５) 小松崎民樹「化学反応や生体高分子の構造転移におけ

１) 小松崎民樹：「 1 分子生物学：時系列情報から読み解く

る「偶然と必然」の数理を探る」Dynamics of complex

生体分子機能の複雑さ」、
生命科学院研究交流会セミナ
ー、北海道大学 (2008-05)

systems 2008 -- 数学的予測方式の可能性と諸分野か

２) T. Komatsuzaki : “Construction of an Effective Free

らのニーズ --、札幌市 (2008-09)
６) 李振風：「An Information-theoretic Approach to unveil theEnergy Landscape from Single-Molecule”, Seminar at

Multiscale Dynamics of Biophysical Systems: Information

Department of Chemistry, Boston University, USA(2008-06)

Flows among Different Scales」、Dynamics of complex

３) T. Komatsuzaki : “ Construction of an Effective Freesystems 2008 -- 数学的予測方式の可能性と諸分野かEnergy Landscape from Single-Molecule Time Series”,

らのニーズ -- 、札幌市 (2008-09)

Seminar at Lab. of Chem. Phys., NIDDK,NIH, USA

７) 小松崎民樹：「 1 分子計測から読み解く状態遷移ネット(2008-07)

ワーク－機械受容チャネルを例に」、生理研研究会「膜４) C.-B. Li : “Data-driven Modeling of Single Molecule

機能分子ダイナミクスの分子機構解明に向けて」、岡崎Experiments from Time Series Analysis”, Seminar at

市 (2008-09)
８) 小松崎民樹：「 1 分子時系列情報から我々は何を読み解Laboratory for Photochemistry & Spectroscopy, Depart-

くことができるのか？」、ポストシリコン物質・デバイ

ment of Chemistry, Katholieke Universiteit Leuven, Belgium (2009-02)

ス創製基盤技術アライアンス－G 3 「ナノ分子メカニ

５) T. Komatsuzaki : “Chance and Necessity in Changes of

クス・バイオメカニクス」グループ分科会、大阪市

States”, Department of Physics seminar, ENS de Lyon,(2008-10)

Lyon, France (2009-02)

９) C.-B. Li : “On the search of new mathematical frameworks to unveil the multiscale dynamics of complex sys-６) T. Komatsuzaki : “Construction of an Effective Freetems”, Workshop on Interfacial dynamics on the bounda-

Energy Landscape from Single-Molecule Time Series”,

ries of physics, chemistry, biology and mathematics,

Seminar at Dep. of Chem. and Biochem., UCLA, Los

Sapporo (2008-11)

Angeles, USA (2009-03)

10) H. Teramoto : “Folding patterns of stable/unstable７) C.-B. Li : “Data-driven modeling of Biological Systems:An

manifolds in multi-dimensional systems”, Workshop on

information-theoretic approach”, the 4th Bioinformatics

Interfacial dynamics on the boundaries of physics, chem-

colloquium at Hokkaido, Frontier Research Center for

istry, biology and mathematics , Sapporo (2008-11)

Post genomic Science and Technology, Hokkaido University, Sapporo (2009-03)

11) 寺本央：「分子の動力学と力学系理論との接点」、特定領域研究「実在系の分子理論」若手研究者勉強会、伊ｂ．一般講演

豆の国市 (2008-11)

ⅰ）学会

12) T. Komatsuzaki : “What can we learn about the mecha-

１) C.-B. Li and T. Komatsuzaki: “Capturing the Multi-

nism of complexity in kinetics and dynamics from scalar

ple-Time-Scale Dynamical State-Space-Network in thetime series?”, Institute for Protein Research Seminar on

Time Series of Single Molecule Experiment”, 1st Annual

New Approaches to Complexity of Protein Dynamics byProtein and Peptide Conference, Shenzhen, China

Single Molecule Measurements: Experiments and Theories,(2008-04)
２) 李振風、戸田幹人、小松崎民樹：「Uncovering the Phase

Osaka (2008-12)

Space Geometry of Reaction Dynamics」、化学反応討論会、

13) C.-B. Li : “Data-driven Modeling of Single Mechanosen-

札幌市 (2008-06)

sitive Ion Channels from Time Series Analysis”, Institute― 63 ―

３) 河合信之輔、Chun-Biu Li、小松崎民樹、山下雄史、藤entanglement and intersection between stable and unsta-

1

村陽、戸田幹人:「反応O( D)+N2O→NO+NO の相空間構

ble manifold emanating from normally hyperbolic invariant

造の解析」、第24回化学反応討論会、北海道大学、札幌

manifold”, Kyoto Dynamics Days 7 (KDD7), Kyoto

市 (2008-06)(2008-06)

４) 寺本央、小松崎民樹：「符号化可能力学系の時系列から

２) H. Teramoto and T. Komatsuzaki: “Toward Understand-Markov 分割を構成する方法論および異なる Markov 分

ing of Dynamical Origin of Mode-Selectivity in Complex

割から構成される Markov 確率過程間の関係に関する

Systems”, The 2nd International Symposium on Molecular研究」、第64回日本物理学会、盛岡市 (2008-09)

Theory for Real Systems, Aug 4 -6, 2008, Okazaki５) 河合信之輔、小松崎民樹：「液相反応の動力学―熱浴下(2008-08)

における反応の決定性―」、第 2 回分子科学討論会、福３) A. Baba and T. Komatsuzaki: “Multidimensional energy

岡市 (2008-09)

landscape from single molecule time series”, Institute for６) S. Kawai and T. Komatsuzaki: “Reaction dynamics inProtein Research Seminar on New Approaches to Com-

condensed phase - Determinacy of the reaction in a noisy

plexity of Protein Dynamics by Single Molecule Measure-environment-”, STEREODYNAMICS 2008, Dalian, Chinaments: Experiments and Theories, Osaka (2008-12)(2008-10)

４) K. Fujimoto, M. Kinoshita, K. Kamagata, Y. Goto, Y.

７) S. Kawai and T. Komatsuzaki: “Dimension reduction for

Sambongi, A. Baba, T. Komatsuzaki and S. Takahashi:

1

the analyses of reaction dynamics of O( D)+N2O ->“Denatured state dynamics of cytochrome c551 observed

NO+NO”, STEREODYNAMICS 2008, Bayshore Hotelby single molecule fluorescence intensity measurements”,

Dalian, China (2008-10)

Institute for Protein Research Seminar on New Approaches８) 西村 吾朗：
「 1μm波長域の生体組織評価のための検出

to Complexity of Protein Dynamics by Single Molecule

器開発」、日本光学会 (Optics and Photonics Japan 2008)、

Measurements:

つくば国際会議場、つくば市 (2008-11)(2008-12)９) 寺本央、小松崎民樹：「生体分子のモード選択性の解明」、

Experiments

andTheories,

Osaka５) K. Sei, C.-B. Li and T. Komatsuzaki: “Toward the un-

日本生物物理学会、福岡市 (2008-12)

derstanding of the gating dynamics for the mechanosensi-

10) 清一人、馬場 昭典、李振風、小松崎民樹：「機械受容tive ion channel”, Institute for Protein Research Seminar型イオンチャネルのゲーティングダイナミクスの解明

on New Approaches to Complexity of Protein Dynamics byに向けて」、日本生物物理学会、福岡市 (2008-12)

Single Molecule Measurements: Experiments and Theories,11) 馬場昭典、小松崎民樹：「局所平衡状態解析：一分子観

Osaka (2008-12)

測時系列から自由エネルギー地形を読み取る 」、日本

６) H. Teramoto and T. Komatsuzaki: “Elucidation of

生物物理学会、福岡市 (2008-12)

mode-selectivity of biomolecule”, Institute for Protein12) 藤本和也、木下雅仁、鎌形清人、三本木至宏、馬場昭

Research Seminar on New Approaches to Complexity of

典、小松崎民樹、高橋聡：「一分子測定法を用いた緑濃

Protein Dynamics by Single Molecule Measurements: Ex-

菌由来シトクロム c の変性状態内の運動観察」、日本生

periments and Theories, Osaka (2008-12)

物物理学会、福岡市 (2008-12)

７) S. Kawai and T. Komatsuzaki: “Determinism and Fluc-13) K. Sei, C.-B. Li, T. Nomura, H. Tatsumi and T. Koma-

tuation of Chemical Reactions under Noisy Environment”,

tsuzaki : “ Data-driven time series analysis of Mech-

The 10th RIES-HOKUDAI International Symposium on

anosensitive ion channel gating dynamics ” , 6th Asian“綾”, Sapporo (2008-12)

Biophysics Association (ABA) Symposium & 27th Hong８) C.-B. Li : “Multiscale Networks of Interacting Biological

Kong Society of Neuroscience Annual Meeting, Hong

Systems: From network constructions to causality among

Kong, China (2009-01)

them”, Sapporo Winter School, Hokkaido University,14) C.-B. Li : “ Complex multi-scale networks of protein

Sapporo (2009-02)

flucation dynamics from single-molecule time series”, 6th９) H. Teramoto : “Folding patterns of stable/unstable

Asian Biophysics Association (ABA) Symposium & 27th

manifolds in high dimensional dynamical systems”, Sapporo

Hong Kong Society of Neuroscience Annual Meeting ,Winter School, Hokkaido University, Sapporo (2009-02)

Hong Kong, China (2009-01)
15) 河合信之輔、小松崎民樹：「熱揺らぎ環境下における化

4.8

学反応の偶然と必然」、日本化学会第89春季年会、船橋

シンポジウムの開催

１) T. Komatsuzaki : “1st Annual Protein and Peptide Con-市 (2009-03)

ference”, Shenzhen (Shenzhen China) (2008年4月22日～

ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ

2008年4月28日)
２) 小松崎民樹：「第24回化学反応討論会」、北海道大学 (札１) H. Teramoto and T. Komatsuzaki: “Several properties of― 64 ―

幌市) (2008年6月2日～2008年6月4日)

ｄ．受託研究（研究担当者、機関名、研究題目、研究期間、

３) 小松崎民樹：「日本生物物理学会「Linking single molecule

研究内容）

spectroscopy and energy landscape perspectives」シンポ

１) 高橋聡、小松崎民樹、三本木至宏、鈴木誠（大阪大学・ジウム」、福岡国際会議場 (福岡市) (2008年12月3日～

電子科学研究所・広島大学・東北大学）：「JST/CREST

2008年12月5日)「蛋白質の折り畳み運動解明を目指した一分子観測法

４) 小松崎民樹：「蛋白研セミナー「A New Perspective onの確立（一分子観察実験のための新しいデータ解析手

the Dynamics of Single Protein: Experiments and Theories

法の開発）」」、2004～2009年度、遷移過程の直接観測実（一分子観察による蛋白質の新しい動的描像：実験と理験を通して、遷移の非統計性、遷移状態概念の再考、論）」」、大阪大学 (吹田市) (2008年12月8日～2008年12

熱揺らぎと蛋白質ダイナミックスのあいだの競合・協

月9日)

同性などを解明するため、生体分子時系列情報からその背後に潜む系の動的構造（＝状態空間構造）を抽出・4.9

解析する新しい1分子時系列解析手法を開発する。新し共同研究

ａ．海外機関との共同研究

い一分子観察法から得られる時系列情報を解析し、「ダ１) T. Komatsuzaki, D. M. Leitner, R. S. Berry, J. E. Straub,

イナミックスから見た」蛋白質の折れ畳み運動の新しい構築原理を考察する。

M. Toda, A. Kidera and S. Takada（シカゴ大学・ボストン大学・ネバダ大学レノ校・電子科学研究所・横浜市

２) 西村吾朗（独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合

立大学・京都大学・奈良女子大学）: “JSPS-NSF/NSF-開発機構）：「分子イメージング機器研究開発プロジェ

JSPS International Project “Dynamical Foundation ofクト/新規悪性腫瘍分子プローブの基盤技術開発/分子

Functions in Protein Systems””、2004年度～2008年度、プローブ評価システムの開発」、2008～2009年度、時間

基質結合に伴う立体構造変化の応答・伝達のダイナミ

分解蛍光分光法を用い、組織中に含まれる蛍光性分子ックスの原理を解明し、「ダイナミックス＝機能」とし

プローブの位置や濃度を定量的に計測するシステムをてみた分子機能の多様性とその頑健性についての動的開発する。

構築原理を創出する。日米合同で特集号 “Kinetics andNonlinear Dynamics of Complex Many-Body Systems”

4.10

Advances in Chemical Physics, John-Wiley & Sons, Inc.

ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、(2010) を出版する予定。

予算獲得状況

期間）

２) T. Komatsuzaki, A. Baba, C.-B. Li and H. Yang（電子科１) 小松崎民樹、基盤研究 B、生体分子機能および化学反学研究所・カリフォルニア大学バークレー校）：“生体

応網における選択性と統計性のダイナミックス基盤の分子機能および化学反応網における選択性と統計性の創生、2006～2008年度

ダイナミックス基盤の創生”、2006～2008年度、1 分子

２) 小松崎民樹、特定領域研究、複雑反応系におけるダイ

観察データから各準安定状態を規定し背後に潜む状態

ナミックス理論の基礎構築、2008～2009年度

空間上の遷移ネットワーク構造を抽出する解析手法をｆ．その他（研究担当者、機関名、研究題目、研究期間、確立し分子記憶と構造多型性・経路多重性の関係を解

総経費、研究内容）

明することを目的とする。

１) 李振風（北海道大学）：「Development of Data-Driven

３) T. Komatsuzaki and M. Peyrard（リヨン高等師範学校・

Modeling for Multiscale Biological Systems」、2008年度、電子科学研究所）:“たんぱく質フォールディングダイ

1000千円、公募型プロジェクト研究支援事業 若手研

ナミックスにおける統計性”、2007年度～2008年度、日究仏博士課程コンソーシアム制度により、リヨン高等師
範学校から10か月間博士課程学生の派遣を受け入れた。
ｂ．所内共同研究（研究担当者、機関名、研究題目、研究

4.12

社会教育活動

ａ．公的機関の委員

機関、研究内容）

１) 小松崎民樹：日本学術振興会特別研究員等審査会専門

１) 小松崎民樹（電子科学研究所）：「プロジェクト研究 A 」、
2008～2009年度、電子研-リヨン高等師範学校との共同委員及び国際事業委員会書面審査員（化学領域）（2008
年8月1日～2009年7月31日）

研究

ｂ．国内外の学会の役職

ｃ．民間等との共同研究（研究担当者、機関名、研究題目、

１) 小松崎民樹：Board of directors of the Telluride science
research institute CO USA（2006年3月1日～2008年12月

研究期間、研究内容）

31日）

１) 西村吾朗、牧 敦、木口雅史、船根司（日立製作所基礎

２) 小松崎民樹：生物物理学会誌編集委員（2007年1月1日

研究所）：「近赤外 1-1.5ミクロン帯応用を目指した基礎～2008年12月31日）

的研究」、2008年度、近赤外 1-1.5マイクロメータ波長ｃ．併任・兼業

域の生体組織の特性の解析。

― 65 ―

１) 小松崎民樹：北海道大学数学連携研究センター 兼任教
授 （2008年4月1日～現在）
ｄ．その他
１) 小松崎民樹：JST/CREST「蛋白質の折り畳み運動解明を目指した一分子観測法の確立（生命現象の解明と応用に資する新しい計測分析基盤技術）」研究分担者（2004年10月1日～2010年3月31日）
ｆ．外国人研究者の招聘（氏名、国名、期間）
１) Prof. Michel Peyrard、France（2008年5月7日～2008年5月9日）
２) Prof. Kopin Liu、Taiwan（2008年6月4日）
３) Prof. Dong Hui Zhang、China（2008年6月4日）
４) Dr. Thomas Gregor、USA（2008年8月22日～2008年8月27日）
５) Prof. Cris Wiggins、USA（2008年8月22日～2008年8月26日）
６) Dr. Tomio Petrosky、USA（2008年8月25日～2008年8月30日）
７) Prof. Haw Yang、USA（2008年11月29日～2008年12月2日）
８) Dr. Ophir Flomenbom、USA（2008年11月29日～2008年
12月2日）
９) Prof. Jianshu Cao、USA（2008年12月10日～2008年12月
14日）
10) Dr. Irina V. Gopich、USA（2008年12月10日～2008年12月14日）
11) Prof. R. Stephen Berry、USA（2009年1月28日）
ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）
１) 全学共通、環境と人間：光・バイオ・分子で拓くナノテクノロジー、小松崎民樹、2008年4月1日～2008年9月30日
２) 生命科学院、生命分子科学概論、小松崎民樹、2008年4月1日～2008年9月30日
３) 生命科学院、分子情報解析学特論、小松崎民樹、2008
年4月1日～2008年9月30日
４) 理学院、生化学特別講義、小松崎民樹、2008年4月1日～2008年9月30日
５) 生命科学院、生命科学論文購読、小松崎民樹、2008年4月1日～2008年9月30日
６) 生命科学院、生命科学実習、小松崎民樹、2008年4月1日～2008年9月30日
７) 生命科学院、生命科学研究、小松崎民樹、2008年4月1日～2008年9月30日
８) 生命科学院、生命科学特別研究、小松崎民樹、2008年
10月1日～2009年3月31日
ｉ．ポスドク・客員研究員など
・ポスドク
2 名（馬場 昭典、河合信之輔（日本学術振興会））― 66 ―

Sirius の驚くべき特徴は、光褪色に非常に強い耐性（EBFPの60倍）を持つことと（図2a）、プロトンに対する感受性（pH教

授 永井健治（東大院、医博、2005.1～）

准教授 谷
助

感受性）が全く無く、極めて安定な蛍光を発することであ知己（東大院、理博、2005.3～）る（図2b）。

a

教 松田知己（阪大院、理博、2008.4～）b

さきがけ研究員 小寺一平
博士研究員

竹本 研

学振外国人特別研究員 Sang-Yeob Kim
DC2

野村真未

MC2 岩崎卓也
MC2 友杉図１．Aequorea GFP 変異体の Sirius の精製タンパク質とSirius を核に発現させ、4 重染色した HeLa 細胞。

亘

MC1 植松利亮

そ こで、Sirius を発現す るバク テリアを DictyosteliumMC1 永井大輔
BC4

discoideum（細胞性粘菌）に餌として与えたところ、酸性木村太郎

条件下で起こるファゴサイトーシスの一連の過程を、二光子励起顕微鏡を用いて、長時間にわたり観察することに成１．研究目標

功した。これらの特性に加え、Sirius の蛍光スペクトルはひとつの受精卵が分裂と分化を経て、多様な細胞が機能

CFP の吸収スペクトルと完全にオーバーラップすること

的につながりあう多細胞個体を形成する。 1 個体を構成すから、Sirius は CFP をアクセプターとする理想的な FRET ドる様々な細胞が相互に連絡をとりあうことによって、個体ナーであることが判明した。また、UV 領域で励起可能でとしての刺激応答をおこなう。分子間、そして細胞間を相あり、緑色の蛍光を発する Sapphire と呼ばれる GFP 変異体

互に結びつけるつながりの仕組みを明らかにすることが、と、Sirius は、同じ波長で同時に励起することが可能である

このような生命のしくみを解き明かす鍵であろう。ナノシ

ことが分かった。こうした知見を踏まえて、Sirius と CFP の

ステム生理学分野では、生体分子、細胞レベルの生命現象

FRET ペアーに加え、Sapphire と DsRed の FRET ペアーを併を研究対象として、遺伝子工学技術に基づく生体分子可視用することで、1 波長励起 4 波長測光による Dual FRET を試化技術を駆使して、個体の発生や刺激受容と応答に関わるみた。その結果、HeLa 細胞のアポトーシス過程における分子間・細胞間相互作用を明らかにすることを大きな研究

Ca2+ の上昇とカスパーゼ-3 の活性化を同時に可視化する

目標に掲げている。

ことに成功した。今後、このような Dual FRET の手法を用いることにより、生細胞内の同箇所で起こる複数の生理現象をリアルタイムで観察することが可能となるであろう。

２．研究成果a(a) 光安定性とプロトン非感受性を兼ね備えた、群青色蛍b光タンパク質の開発

Aequorea （オワンクラゲ）由来の緑色蛍光タンパク質（GFP）及び、その波長変異体を細胞内の目的タンパク質と融合させ、可視化する技術は細胞生物学において必要不可
欠な技術になっている。現在、長波長の蛍光をもつ蛍光タ
図２．Sirius と既存の蛍光タンパク質の光安定性及び、プロトン感受性の比較。

ンパク質の種類は豊富である一方で、短波長の蛍光を発す
る変異体の種類は少ない。そこで、発色団を形成するトリペプチドのうち、66番目のチロシンをフェニルアラニンに(b) 光スイッチング蛍光タンパク質を用いた細胞内での置換した Aequrea GFP の変異体を作製し、さらに、部位特

分子拡散係数を測定する方法の開発

異的変位導入と遺伝子全長に渡るランダム変異導入を行っ

当研究分野では CFP(水色蛍光タンパク質)と PA-GFP

たところ、群青色蛍光を発する蛍光タンパク質を得ること（光活性化型緑色蛍光タンパク質）を FRET 効率が最大になに成功した。本タンパク質を37℃で培養した大腸菌内で発るように連結することで、新規の色変換蛍光蛋白質

現させると EBFP 比で 2 倍明るい蛍光を放つことから、夜Phamret を開発した。Phamret は UV 光照射により、不可逆

空で最も明るい青色の恒星にちなみ、Sirius と命名した（図的にその蛍光色を水色から黄緑色に変化させる。

１a, b）。Sirius の吸収および蛍光極大はそれぞれ355nm およ

このような光刺激によって蛍光特性を変化させる光ス

び424nm で、EBFP の380nm および448nm よりもさらに短波

イッチング蛍光タンパク質を用いたイメージング技術は長であり、今までに報告された蛍光タンパク質変異体の中標識した目的タンパク質のイメージを取得し、生細胞内でで最も短波長の吸収・蛍光極大を有する。

の分布の経時変化を観察することを主流に発展してきた。

― 67 ―

その一方で、細胞内のタンパク質動態の変化を定量的に解体の構造変化を、標識した蛍光タンパク質発色団分子方向

析する方法論の開発の努力もなされている。現在、限られの経時変化から計測している。発色団分子の方向を計測す

た領域の蛍光タンパク質のみを消光させた後分子の流入るために、蛍光 1 分子像のデフォーカス像を高い時間分解による蛍光の回復を測定する fluorescence recovery after能で取得することが必要となる。しかしながら神経成長因

photobleaching (FRAP) や微小領域の蛍光強度の揺らぎを検子受容体を含め、細胞内で機能するタンパク質は多くの場出する fluorescence correlation spectroscopy (FCS) がタンパ

合ブラウン運動をおこなっており、デフォーカス像を高い

ク質拡散係数の決定に主に用いられている。FRAP は速い

Ｓ／Ｎ比で取得することは困難である。そこで、通常細胞

拡散、FCS は遅い拡散の測定に不向きであるためそれらは膜でブラウン運動しながら機能する受容体を固定すること相補的に用いられている。本研究では、FRAP 測定法をベにより、受容体の構造変化を観察した（図 4 ）。

ースに光スイッチング蛍光タンパク質をタグとして用い受容体の固定は、この受容体と結合する神経成長因子をる拡散測定法 fluorescent decay after photoactivation (FDAP)

ガラス基板上に固定することによっておこなった。この神を開発した。FRAP では蛍光の回復カーブが描かれるのに

経成長因子は、この 2 量体のＣ末端をビオチン化したのち、対して FDAP の測定では刺激光の照射により現れた蛍光のストレプトアビジン修飾したカバーガラス上に固定化した。

減衰のカーブが描かれる（図 3 ）。そして、この方法では短固定化した神経時間の刺激、速いスキャンスピードで測定を行うため、成長因子と結合しFRAP において速い拡散を示す分子の測定に影響を及ぼすた受容体を 1 分子単光刺激中の分子の拡散の影響を無視することができる。従位で観察すると、通って FRAP 法が得意とする遅い拡散に加えて速い拡散の測常 0.3m2/s 程 度 の定にも適用できるようになり、FRAP では解析困難であっ拡散係数で運動すた溶液中の50m2/sec 程度の速い拡散を計測することに成る受容体がある一功した。蛍光タンパク質分子の HeLa 細胞内での拡散速度

点で止まって見えを解析して FRAP、FCS、FDAP で比較したところ FDAP でる。この受容体の細の解析結果は速い拡散の解析を得意とする FCS の測定結胞質ドメインにつ果とよく一致した。このように FDAP は幅広い速度領域のなげた蛍光タンパ

タンパク質拡散を計測することができる方法であり、細胞

ク質発色団の方向

内分子動態解析を用いた病態評価への応用が期待される。

変化をデフォーカ

さらに、測定系には FCS で用いるような特別な装置を必要

ス像によって経時

5 m

図４．ガラス基板上に固定された神経成長因子と結合する細胞膜上の受容体 Trk-GFP（PC12細胞に発現）の蛍光１分子像としないので FDAP 法は通常の細胞観察の顕微鏡システムを的に計測した。
（図 5 ）現在受容体の活性を変化させる様々用いて FCS レベルの速い拡散を調べることができる新しいツな実験条件で、この方向変化を計測中である。

ールとしてタンパク質動態解析の研究に貢献することが期待
270

される。

Rotation (degree)

180

90

0

-90

-180

0

2

4

6

8

10

12

Time (s)図５．受容体 Trk-GFP のデフォーカス像から計測した受容体細胞質ドメインの角度変化
図３．拡散による Phamret 蛍光減衰曲線の FDAP 解析(d) 全自動 DNA 組換え方法の開発
昨年度までに開発した DNA 解読反応を応用することで、(c) 生きた細胞内で機能するタンパク質 1 分子の構造変DNA の試験管内組み換えを迅速に行う方法（FASTR; Fully

化を実時間で観察する技術開発
生細胞内で機能するタンパク質の構造変化を 1 分子単位、Automated Single Tube Recombination）を開発した。この技

リアルタイムで観察する計測技術を開発している。このモ術は、電気泳動やアガロースゲルからの DNA 断片精製などデルとして、蛍光タンパク質で標識した神経成長因子受容を一切必要とせず、PCR 産物を酵素カクテルと混ぜて、15― 68 ―

分程度反応させるだけで全ての操作を終えることが出来るる。当研究室では、新しい技術を用いた解析による新しい

迅速で簡便な方法である。

現象の発見を目指して、機能指示薬開発、生理機能操作技

ClassIIS 制限酵素の認識部位を組み込んだプライマーを術開発、顕微鏡技術開発、生理現象解析の 4 位 1 体型研究

用い、本方法で使用する DNA 断片を増幅させる。この PCRを今後も展開していくことで、生命の謎に迫りたい。

産物に DNA 連結酵素と ClassIIS 制限酵素を同時に加えると、
図 6 の赤線で示した箇所において、DNA の切断と再結合を

４．資料

繰り返す平衡反応が起こる。平衡反応の中で、組み換えパートナーの中間体どうしが出会うと DNA 連結酵素による

4.1

共有結合が起こるが、この産物には図 6 の水色のボックス

１) K. Saito, K. Kobayashi, T. Tani and T. Nagai : “A mercury

で示した ClassIIS 制限酵素の認識部位が存在しないため、

arc lamp-based multi-color confocal real time imaging

学術論文等

これ以上の反応が起こらず最終産物が集積する。この反応

system for cellular structure and function.”, Cell Structに基づく FASTR 技術の完成により、PCR 産物を「混ぜるだFunct. 33: 133-141 (2008)

け」で DNA 組み換えを行うことが可能となった。多断片の

２) I. Kotera and T. Nagai : “A high-throughput and sin-

組み換えによるハイスループットな用途も実現している。

gle-tube recombination of crude PCR products using a

また、通常の方法と同様なコンストラクション設計が可能

DNA polymerase inhibitor and type IIS restriction en-

なことから、従来の方法を完全に置き換えることの出来る

zyme.” J. Biotechnol. 137: 1-7,(2008)３) T. Sunabori, A. Tokunaga, T. Nagai, K. Sawamoto, M.

技術であると期待される。

Okabe, A. Miyawaki, Y. Matsuzaki, T. Miyata and H.
Okano : “Cell-cycle-specific nestin expression coordinates with MORPHOLOGICAL changes in embryoniccortical neural progenitors.”, J. Cell Sci. 121 : 1204-1212(2008)
４) T. Matsuda, A. Miyawaki and T. Nagai : “Direct measurement of protein dynamics inside cells using a rationallydesigned photoconvertible protein.”, Nature Methods 5 :339-345 (2008)
4.2

図６．全自動 DNA 組換え反応の原理

総説、解説、評論等

１) 松田知己、永井健治：「新規の光変換蛍光蛋白質プロー
ブを用いた生体イメージングと動態解析」、蛋白質 核酸 酵素、共立出版、53(14)：1858-1864 (2008)

３．今後の研究の展開

２) 永井健治、松田知己：「光変換タンパク質を用いた生体ヒューマンゲノムの全貌が明らかになった現在、タンパ

分子の動態解析法」、実験医学、羊土社、26(17)：ク質間相互作用を網羅的に解析するプロテオーム解析が生2830-2836 (2008)

物学研究の主流の 1 つになっている。その結果、細胞内分３) 松田知己、永井健治：「光活性化・光変換蛍光タンパク子反応に関わる分子群とそれらの相互作用に関する莫大な質を用いたタンパク質動態解析」、バイオインダストリ

量の情報が蓄積してきた。しかしながら、個々の生理現象

ー、25：21-26 (2008)に潜む一般原理の理解には至っていない。それはひとえに細胞内の様々な事象に関与する分子と分子を矢印で結んだ

4.5“静的”理解に留まっているからである。そのようなデータ

ａ．招待講演のほとんどが百万個以上の細胞をすりつぶして調製した試ⅰ）学会

料を生化学的に調べるという方法から得られるものである

１) 永井健治：「蛍光・化学発光タンパク質を巧妙に用いたが、このような方法は生理現象の時空間的スケールを全く分子機能・動態の可視化」、日本薬学会関東支部第33

無視している。より包括的・根源的な理解のためには個々

講演

回学術講演会、東京 (2008-11)の生理反応がいつ、どこで、どの程度起こるのか、つまり

２) T. Nagai : “Imagaing biological functions by using

時空間的な“動的”情報を得る必要があるであろう。また、

FRET-based sensor proteins”, ICCB2008, ソウル, Korea

細胞レベルだけでなく、個体レベルでの情報も得なければ(2008-10)ならない。その為には生理機能を可視化する技術、個体レ

３) T. Nagai : “Engineering fluorescent and bioluminescent

ベルのイメージング技術、そしてリアルタイムに観察しな

proteins to visualize biological functions”, NEWro-

がら生理機能を“いじくる”技術の開発が必要不可欠であscience2008, サンパウロ, ブラジル (2008-09)― 69 ―

９) 永井健治：「FRET の基礎」、第11回細胞生物学ワーク

４) 松田知己、宮脇敦史、永井健治：「合理的に設計した光ショップ、神戸 (2008-08)

変換蛍光タンパク質による生きた細胞内でのタンパク

10) 永井健治：「改変蛍光タンパク質によるタンパク質機

質動態測定」、日本動物学会第79回大会、福岡大学

能・動態のリアルタイム可視化」、岩手医科大学先端医(2008-09)
５) 松田知己、宮脇敦史、永井健治：「合理的に設計した光療研究センター公開シンポジウム「バイオイメージン

変換タンパク質による生きた細胞のタンパク質動態解

グと分子生物学による脳・血管解明-健康増進に向けた

析」、第 8 回 日本蛋白質科学会年会、タワーホール船最先端研究」）、盛岡 (2008-07)
11) T. Nagai : “Functional imaging of biological events by

橋、東京都 (2008-06)

using genetically-encoded FRET(Fluorescence Resonance６) T. Nagai：“ビジュアルバイオロジーって？”, 第41回日Energy Transfer)-based indicators”, Singapore Bioimaging

本発生生物学会, 徳島 (2008-05)

Consortium-Nikon Imaging Centre Workshop 2008, シン

７) T. Nagai, W. Tomosugi, T. Matsuda, I. Kotera and K.

ガポール, シンガポール (2008-07)

Saito : “Development of a fluorescent protein with deep
8)

blue color”, Focus On Microscopy 2008, 淡路 (2008-04)

12) T. Nagai : “Engineering fluorescent and bioluminescent

T. Matsuda, A. Miyawaki and T. Nagai : “Direct meas-

proteins”, Institute of Neuroscience,Chinese Academy of
Sciences, 上海, 中国 (2008-05)

urement of protein dynamics in single living cells using arationally designed photo-convertible fluorescent protein”,

13) T. Nagai : “Direct measurement of protein dynamics inliving cells using a rationally designed photoconvertible

Focus On Microscopy 2008, 淡路 (2008-04)

fluorescent protein”, NIPS-JST国際ワークショップ, 岡ⅱ）研究会

崎 (2008-04)

１) T. Matsuda : “Direct measurement of protein dynamics insingle living cells using a rationally designed pho-ⅲ）コロキウム･セミナー･その他

to-convertible fluorescent protein”, 平成20年度北海道

１) T. Nagai : “Deciphering enigma of biological function by

大学電子科学研究所プロジェクト研究(B)：若手国際共

genetically-encoded molecular spies”, ENS Joliot Curie
Lab, リヨン, France (2009-02)

同研究 “Recent Advances in Fluorescence Spectroscopic
Methods for Biological and Chemical Systems", Research２) 永井健治：「改変蛍光タンパク質を利用した生理機能のInstitute for Electronic Science, Hokkaido University

可視化」、未踏・ナノテクノロジー第151委員会(2009-02)

回、つくば (2009-01)

第86３) 永井健治：「GFP を巧妙に用いた分子機能・動態の可２) T. Nagai : “Deciphering enigma of biological function by
genetically-encoded molecular spies.”, Current Advances

視化」、京都府立医科大学研究開発センター「第 8 回学in Live Cell Imaging Workshop, ソウル, Korea (2009-02)

術講演会」、京都 (2009-01)

３) 谷知己：「情報伝達する分子同士の向きを見る－蛍光偏４) 永井健治：「GFP は何故光る？‐機能指示薬作成法と生光からのアプローチ」、2 分子計測ワークショップ、東理機能の可視化-」、第4回ライブセルイメージング講習会、つくば (2008-10)

京 (2008-12)
４) T. Nagai : “Engineering fluorescent proteins to visualize５) 永井健治：「GFP は何故光る？ ‐機能指示薬作成法とand manipulate biological functions”, 第11回日米先端科

生理機能の可視化‐」、第17回メディカル・ホトニクス

学（JAFoS）シンポジウム, アーバイン, USA (2008-12)

コース、浜松 (2008-07)

５) T. Nagai : “Engineering fluorescent proteins to visualize

６) 松田知己、永井健治：「蛍光タンパク質を利用した生理biological functions ”, 第8回日米先端工学シンポジウム,

機能・分子動態イメージング」、顕微鏡イメージング先

神戸 (2008-11)

端技術セミナー（九州大学大学院医学研究院 教育・研究支援センター、グローバル COE 共催）、九州大学医６) T. Matsuda and T. Nagai : “Direct measurement of protein

学部 (2008-07)

dynamics in single living cells using a rationally designed
photo-convertible fluorescent protein”, The 11th Hok-

７) 谷知己：「ひとつひとつの生体分子を生きたまま観察しkaido University-Seoul National University Joint Sympo-てわかること」、富士フイルム研究所セミナー、神奈川

sium 分科会 6「発光蛍光法による生体イメージング」,(2008-06)

北海道大学 創成科学研究棟 (2008-11)

ｂ．一般講演７) 永井健治：「合理的な蛍光タンパク質エンジニアリングⅰ）学会による生細胞内タンパク質の機能・動態可視化プロー

１) 齊藤健太、小林健太郎、谷知己、永井健治：
「大口径フ

ブの開発」
、CREST たんぱく質の構造・機能と発現メ

ァイバー白色光源を用いた高速共焦点顕微鏡の開発とカニズム、東京 (2008-10)

評価」、平成20年度日本顕微鏡学会北海道支部学術講演８) 永井健治：「蛍光プロープの利用」、第11回細胞生物学会、北海道札幌市 北海道大学 歯学部講堂 (2008-12)

ワークショップ、神戸 (2008-08)２) 永井健治：「生命システムの階層間をまたぐイメージン― 70 ―

グ 技 術 」、 第 31 回 日 本 分 子 生 物 学 会 年 会 、 神 戸

4.7(2008-12)

ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、

３) K. Saito and T. Nagai : “Single live cell and plant Ca2+

予算獲得状況
期間）

imaging with BRET-based probes”, 日本生物物理学会第１) 永井健治、若手研究Ａ、少数分子による自己組織化過46回年会, 福岡県福岡市 (2008-12)程の生体機能シグナル可視化による解析、06～08年度

４) 谷知己、齊藤健太、永井健治：「Trapping single molecules２) 永井健治、特定領域研究「革新的ナノバイオ」公募班、

of GFP-tagged nerve growth factor receptor via ligands

完全定量 1 分子共鳴エネルギー移動測定によるタンパ

immobilized on a solid surface」、日本生物物理学会年会、

ク質構造動態解析法の確立、07～08年度

福岡 (2008-12)３) 永井健治、特定領域研究「ライフサーベイヤ」公募班、

５) 谷知己、永井健治、原田慶恵、野村真未：「Nerve growth

ホモ FRET による複数機能の可視化技術開発、07～08

factor-induced translocation of TrkA-GFP expressed on

年度

PC12 cells」、日本生物物理学会年大会、福岡 (2008-12)４) 永井健治、特定領域研究「バイオ操作」公募班、光操６) 松田知己、宮脇敦史、永井健治：「合理的に設計した新作によるマルチスケール機能イメージング法の開発、

規光変換タンパク質を利用した生細胞内分子拡散解析

08～09年度

法」、第60回日本細胞生物学会大会、横浜 (2008-06 ～５）永井健治、挑戦的萌芽研究、光スイッチングバイオセ
ンサーの開発、08～09年度

2008-07)
７) 齋藤健太、永井健治：「シロイヌナズナにおける重力情６) 谷知己、特定領域研究「生体ナノシステム」公募班、

報伝達のリアルタイム可視化解析」、第43回日本生物物

構造変化感受性蛍光タンパク質を用いた Trk 受容体リン酸化のライブイメージング、07～08年度

理学会、札幌コンベンションセンター、札幌 (2005-11)

７) 谷知己、基盤研究B、シナプス伝達の調節に関わる神ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ

経栄養因子受容体トラフィッキングの 1 分子イメ

１) 松田知己、堀川一樹、永井健治：「生体組織内の 1 細胞
レベルでの機能イメージングを可能にする光活性化型ージング、07～08年度

生理機能プローブ」、平成20年度 北大細胞生物研究集

ｃ．大型プロジェクト・受託研究会、北海道大学理学部 7 号館 (2009-03)

１) 谷知己、科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業
さきがけ研究、タンパク質 1 分子モーションキャプチ２) 永井健治、松田知己：「光活性化型バイオセンサータン

ャー技術の開発、2006～2009年度

パク質の開発」、「特定領域研究」マルチスケール操作

２) 永井健治、厚生労働省、萌芽的先端医療技術推進事業、によるシステム細胞工学（バイオ操作）第 7 回公開シ

ナノレベルイメージングによる分子の機能および構造

ンポジウム、仙台 (2009-03)

解析、2007～2009年度

３) 松田知己：「光変換蛍光タンパク質による生きた細胞内のタンパク質動態測定」、
2008年度 電子科学研究所 研

３) 小寺一平、科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事

究交流会、北海道大学電子科学研究所 (2009-01)

業さきがけ研究、超迅速なゲノム配列決定法の開発、

４) K. Saito and T. Nagai : “Single live cell and plant Ca2+

2005～2008年度

imaging with bioluminescence resonance energy transfer４) 永井健治、科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事(BRET)”, The 10th RIES-Hokudai International Sympo-

業さきがけ研究、ナノサイズ高輝度発光光源の創生とsium on 綾 [aya], 北海道札幌市 北海道大学 学術交流

生命機能計測への応用、2008～2013年度

会館 (2008-12)５) K. Saito, K. Kobayashi, T. Tani and T. Nagai : “A mercury

4.8

共同研究

arc lamp-based multi-color confocal real time imaging forｂ．民間との共同研究

cellular structure and function”, Hokkaido Univer-１) 永井健治（ニコン・インストルメンツカンパニー）：「機sity-Seoul National University Joint Symposium 分科会

能指示タンパク質を効率よく観察するための顕微鏡開「発光蛍光法による生体イメージング」, 北海道札幌市

発」、2007～2008

北海道大学 創成科学研究機構 (2008-11)６) 永井健治：「蛍光タンパク質を利用した生理学研究の新4.12

社会教育活動たな展開」、特定領域「バイオ操作」若手研究者第3回

ａ．公的機関の委員

ワークショップ、那覇 (2008-07)

１) 谷知己：科学技術振興機構

７) 永井健治：「ビジュアルバイオロジーに基づく新たな生研究開発戦略センター

計測技術常設委員会委員（2008年06月01日～現在）

命像の構築を目指して」、理化学研究所・北海道大学ジｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）ョイントシンポジウム、和光 (2008-04)

１) 全学共通、ナノテクノロジー・ナノサイエンス概論Ⅱ、
永井健治、2009年1月30日
２) 全学共通、ナノテクノロジー・ナノサイエンス概論Ⅰ、― 71 ―

永井健治、2008年7月2日
３) 理学院、発生進化学特論、永井健治、2008年10月1日～
2008年12月31日
４) 理学部、実験生物科学、
永井健治、
2008年10月1日～2009
年１月31日５) 理学部、生物高分子科学、永井健治・谷知己、2008年6月25日
６) 理学院、生命理学概論、永井健治・谷知己、2008年6月18日
７) 工学部、基礎生物学Ⅰ、永井健治、2008年4月1日～2008
年7月31日ｈ．北大以外での非常勤講師
１) 永井健治、大阪大学理学研究科、生物科学特別講義Ⅰ/
生物科学特別講義E、2008年6月19日～2008年6月20日
２) 永井健治、京都大学薬学、生命薬科学特論Ⅲ/創薬リード探索理論、2008年6月10日
ｉ．ポスドク・客員研究員など
・ポスドク（3名）
１) Sang-Yeob Kim（日本学術振興会外国人特別研究員）
２) 竹本研（博士研究員）
３) 小寺一平（科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事
業「構造機能と計測分析」研究領域・研究者
ｊ．修士学位及び博士学位の取得状況
・修士課程（２名）
１) 友杉亘：光安定性とプロトン非感受性を兼ね備えた群
青色蛍光タンパク質の開発（2008年3月）
２) 岩崎卓也：GFP の多量体化と FRET 効率の関係及び
GFP 変異体の温度感受性に関する研究（2008年3月）― 72 ―

に左右の無限遠にある均一系を想定し、スポットのダイナ
ミクスの変化をそれら無限遠にある分水嶺解による仕分け教

授 西浦廉政（京大理院、理博、1995.4～）と見ることにより、全体像が把握することができることが助

教 柳田達雄（総研大、学術博、1995.6～）

判明した。

飯間 信（京大理院、理博、1999.4～）
事務補佐員
酒井真理(2007.8～2009.8)、辻田由香(2009.4～)
電子科学研究所研究員
トーニヤス ラルフ、一宮尚志
VBL 研究員 小林康明、袁暁輝、齋藤宗孝、山本美希
院

生

・博士課程

西 慧、伊藤賢太郎

・修士課程 大賀淳史、及川智絵、鈴木勝也、鈴木悠介、
鳥谷部和孝、畠中耕平

１．研究目標図１．ジャンプの存在する直線を挟んで、左右の無限遠にある均一系ダイナミクスの分水嶺によりスポットの動きが仕分けられる様子を模式的に示した。左無限大から出発し、右向きに進むスポットがジャンプを越えた後、白丸の分水嶺解により通過(PEN)か、左に向きを変えるかを仕分けられ、さらに左無限遠にある別の白丸の分水嶺解により、反射(REB)
か分裂(SPL)かに仕分けられる。

人間を含めた自然の営みを理解する方法は様々であるが、本研究分野は計算機の中に小自然を作り、その数理的構造を明らかにすることにより、その本質を解明することを目指す。いわば数理の実験工房とでもいうべきものである。対象は一般に複雑かつ大自由度であるが、具体的な実体に基づきつつも、それにとらわれない普遍的構造を取り出すことを試みる。平成20年度はパルスの整流作用と不均(b) 昆虫飛翔の解析的理論

一場における 2 次元スポットダイナミクス、昆虫飛翔の解

昆虫の飛翔では、翼の運動により渦を作り、運動に必要

析的理論、マルコフ連鎖モンテカルロ法による力学方程式

な力を得る場合が多い。しかし渦を用いた飛行の流体力学のレアイベントの探求等を主目標においた。

の基礎方程式に基づく理論はまだ提案されていなかった。
その理由は、定常翼の理論とは異なり、はばたき運動に伴う非定常な渦運動が生成する力の特性を理論的に見積もる

２．研究成果ことは難しいとされてきたからである。ここでは今井(a) パルスの整流作用と不均一場における 2 次元スポッ(1974)の導出した 2 次元空間における拡張された Blasius

トダイナミクスの公式を用いて外力下でのはばたき飛行を解析し以下の結不均一場におけるシグナル伝達の問題は生物系、化学系

果を得た。まず、はばたきを開始してから有限時間だけ経において重要な意味をもつ。自然界には常に非一様性が存った場合の状態を解析し、渦度場の双極子成分の時間変化在するということのみならず、逆に不均一性を積極的に利が力の生成に大きな寄与をしていることを明らかにした。

用して、様々な情報処理を行うということも行われている

次に申請者が開発、研究を続けている数値モデルにおいて、からである。昨年度の展望にも述べたが、例えば 1 次元パ

渦パターンを単純化した理論モデルを作り、発生する力をルスの一方向の整流作用については大きな進展があった。

渦パターンの時間変化と結びつける式を導いた。更に空中

実際、向きをランダムに指定した初期値から出発して、最停止飛行がもつ理論的特異性をあるパラドックスの形で表

終的にはすべて同一方向に進行させることに成功した。こ現した。これは外力下で定常飛行を行う昆虫に働く力が、れは空間周期的に配列したバンプ型の不均一性において、定常飛行の速度がゼロの場合にははばたき運動および発生

各バンプの左右のジャンプ点での勾配を変えることにより、する渦構造の詳細にかかわらずゼロになるというものであ

通過または反射を制御することが可能となることを用いたる。この結果は、定常飛行がゼロになる極限でも、最初かものである。また 2 次元自己駆動粒子解（以下スポットとらゼロである場合でも同様に成り立つ。ただし、定常飛行よぶ）の不均一場での運動についても進展があった。とく速度を U とすると、U がゼロになる極限で昆虫に働く力のに直線上に沿ってジャンプ型の不均一性が存在する場合を時間平均 F のゼロへの収束は非常に遅い。この結果はこれ

グレイ・スコット 3 種系とよばれる反応拡散系を用いて研までに数値モデルで得られている特徴的な分岐構造（安定究を実施した。この系の場合、ジャンプ付近にディフェク

飛行を表す分岐枝が定常飛行速度がゼロに近い値での端点ト解は現れないので、ダイナミクスの変化をスポットとデとなる）の理解につながる結果と考えられる。

ィフェクト解の衝突現象とみなすことはできない。代わり― 74 ―

(c) マルコフ連鎖モンテカルロ法による力学方程式のレな部分であり、それ以外の部分は追随しているフォロアー

アイベントの探求と考えれば 1 次元チャネルにおいては、実質的に自己駆動

マルコフ連鎖モンテカルロ法(MCMC)は、物理学ではカ粒子と見なせる。一様な寒天培地において、部分的に毒性

ノニカル分布のサンプリングに、統計学では事後分布から物質あるいは光を用いて、粘菌にとって好ましくない環境のサンプリングに、それぞれ広く用いられているが、確率を非一様に作ることができる。嫌いな環境の強さの程度を分布で定式化できる任意の現象について適用できる手法で変える時に、粘菌がそれに応じてどのように行動を変えるある。なかでも、初期値や確率的状態変化のパターンを変かを実験することができる。一方、粘菌の数理モデルを構数としてサンプルすることで、与えられたシステムを特徴成することは可能であり、本年度の結果はその基盤となる。

づけるような「珍しい現象」(rare event)を実現することが今後それらを比較検討することにより、環境変化に伴う適「第 3 の用途」として注目されている。本年度は決定論的力

応行動の変化に関わる数理的理解が大いに進展することが学系の初期値をサンプリングし直接的数値計算では得るこ期待される。

とが難しい「珍しい現象」を求めた。ここで、珍しい現象とは、不安定な極限集合に収斂する軌道や平均値とは遠い

２．流体中に置かれた物体に働く力を理論的に求める問題

統計的性質を示す軌道である。さらに、サンプリングを初は古くからある基礎的な問題である。定義上はストレステ

期値空間とパラメータ空間の直積空間へ拡張することによ

ンソルを物体表面上で積分すればよいが、そのためには物り、大域分岐構造の解明に向けての応用を試みた。これら

体表面での速度勾配と圧力が必要となり、結局流れ場全体

はシステムの数理的な理解に役立ち、また、システムが正の情報が必要であった。一方ポテンシャル流の場合は物体しく同定されているという条件のもとでは、少ない確率での形状から流れの情報が決定され、特に遠方での流れの漸おこる異常な出来事を予測するのにも役立つ可能性がある。

近挙動で物体に働く力が求められる。本年の結果は同様な解析がより一般的な渦ありの非定常流でも可能であることをしめしたという意味で意義は大きいと考えられる。今後3次元への拡張およびより現実的な問題へ適用を行うことで、ここで得られた理論の応用が期待される。
３．マルコフ連鎖モンテカルロ法（MCMC）により力学系の初期値探索を行い「珍しい現象」のサンプリングが可能である事を示した。この手法は初期値探索のみならず、原理的には任意の変数のサンプリングを可能とさせる。この

図２．(a)Lorenz 方程式で現れるカオス軌道の中に埋め込まれている不安定周期軌道をマルコフ連鎖モンテカルロ法により抽出した。(b)Logistic 方程式の大域分岐構造をパラメータと初期値の直積空間をマルコフ連鎖モンテカルロ法によりサン
プルする事により求めた。

特性を活かす事により MCMC により機能的力学の設計をする事ができる。特に、要素力学系を仮定し、それらがネットワーク結合したモデル群は結合パラメータが離散的であるため有効である。例えば、位相振動子や興奮性素子のネットワーク結合系が考えられる。これらは神経網や遺伝３．今後の研究の展望

子発現網の単純モデルと考える事ができ、結合ネットワー

時間的、空間的な階層構造、異なるスケールの共存は複ク構造に依存して多様な振る舞いを示す。今後は力学系が雑な系を取り扱うときには常に考慮せねばならない重要な与えられた特徴をもつようにネットワーク結合を系統的に要素である。具体的には、異なる階層あるいは異なるダイ

MCMC よりサンプリングし力学系の設計を行い、機能力学

ナミクスの領域へ転移するきっかけは何であろうか？ ま系が持つ普遍的ネットワーク構造を解明が期待される。

たどのような数理的機構がそれを駆動しているのであろう
か？

などが直ちに自然な疑問として出てくる。これらに統一的に答える枠組みはまだできていないが、不安定な解の集合から成るネットワークの構造の解明はひとつの鍵を与えていると思われる。単純化された、しかし本質を捉えたいくつかの数理モデルにおいて具体的に検証を積み重ね、大きな枠組みの基盤作りが今後の重要な課題となる。
１．環境という立場からは非一様性は普遍的に存在する。
スポット解を移動する生物群と解釈すれば、これは環境の変化に対応して、どのように生物が適応行動をとるのかという問題と同値である。実際、真正粘菌はその頭部が active― 75 ―

４) 飯間信、田坂裕司、伊藤賢太郎：「回転流れにおける表

４．資料
4.1

面大変形の遷移および分岐」、数理解析研究所講究録、学術論文等

1601：80-85 (2008)

１) M. Iima and A. S. Mikhailov : “Propulsion hydrodynamics

５) 飯間信：「はばたき飛翔の流体力学」、日本物理学会誌、

of a butterfly micro-swimmer”, Europhys. Lett., 85 :

63：629-633 (2008)

44001-p1-44001-p6 (2009)６) 飯間信、田坂裕司、佐藤讓、眞山博幸：「自由表面大変

２) T. Ichinomiya, U. P. Blas, S. E. Kurt, Y. Nishiura, I.

形を伴う円筒容器内の回転流れの実験および数理的解

Mitsuhiro, C. Ying, K. Yasunori and K. Motoyasu :析」、日本流体力学会年会2008講演論文集 (2008)“Temperature accelerated dynamics study on migration

７) 鳥谷部和孝、飯間信、西浦廉政：「 2 種混合流体におけ

process of oxygen defects in UO2”, Journal of Nuclear

る局在対流セルダイナミクスの 2 次元直接数値計算」、

Materials, ELSEVIER, 384(3) : 315-321 (2009)

日本流体力学会年会2008講演論文集 (2008)３) T. Yanagita and Y. Iba : “Exploration of Order in Chaos

８) 飯間信：「 2 次元流体中で周期運動する翼に働く力の表

with Replica Exchange Monte Carlo”, Journal of Statistical

式とその昆虫飛翔への応用」、日本流体力学会年会2008

Mechanics, 78 : 02043-02018 (2009)

講演論文集 (2008)４) M. Iima and Y. Nishiura : “Unstable periodic solution
controlling collision of localized convection cells in binary

4.3

fluid mixture”, Physica D, 238 : 449-460 (2009)１) T. Teramoto, K. Ueda, X. Yuan and Y. Nishiura : “Infor-５) M. Yadome, K. Ueda, T. Teramoto, M. Nagayama and Y.

国際会議議事録等に掲載された論文
mation exchange between moving particles and defects”,

Nishiura : “A Nested Sequence of Transitions for Collision

Proceedings or Information and Communications Tech-

Dynamics in Dissipative Systems”, Bulletin of the Institutenology : 238-249 (2009)of Mathematics, Academia Sinica (New Series), 3(4) :２) M. Iima : “Robustness of an insect's hovering: a transitionof flapping free-flight”, Proceedings of ICTAM 2008

585-601 (2008)(2008)

６) T. Yanagita, H. Suetani and K. Aihara : “Bifurcation
analysis of solitary pulse, synchronized pulses and reentrant waves in laterally coupled excitable fibers”, Phys.

4.5

Rev. E, 78 : 056208-056219 (2008)

１) 西浦廉政：「非平衡ダイナミクスの数理」、岩波書店

７) T. Teramoto, M. Gameiro and Y. Nishiura : “Applications

著書(2009)of computational homology to 3D morphology transitions”,

２) 飯間信：「羽ばたき飛翔の数理」、昆虫ミメティクス －数理解析研究所講究録, 1614 : 166-171 (2008)

昆虫の設計に学ぶ－、エヌ・ティー・エス、下澤楯夫、

８) M. Iima : “A paradox of hovering insect in two-dimensional

針山孝彦編、分担執筆：672--677- (2008)

space”, J. Fluid Mech., 617 : 207-229 (2008)９) H. Suetani, T. Yanagita and K. Aihara : “Pulse Dynamics

4.7

講演

in Coupled Excitable Fibers: Soliton-like Collision, Re-ⅰ）学会

combination, and Overtaking”, International Journal of１) M. Iima and Y. Nishiura : “Collision Dynamics of Localized

Bifurcations and Chaos, 18(8) : 2289-2308 (2008)

Waves in a Model Equation of Binary Fluid Convection”,

10) T. Yanagita and T. Onozaki : “A Model of Market Structure

Dynamics

withBoundedly

Rational

2008 SIAM Conference on Nonlinear Waves and Coherent

Agents”,

Structures, Rome, Italy (2008-07)

Agend-Based Approaches in Economics and Social Com-ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ

plex System V, Springer-Verlag, V : 255-266 (2008)１) 飯間信：「昆虫のはばたき飛行における漸近渦構造の役

11) Y. Tasaka, K. Ito and M. Iima : “Visualization of a rotating

割」、非線形現象の数値シミュレーションと解析2009、

flow under large-deformed free surface using anisotropic

札幌 (2009-03)

flakes”, Journal of Visualization, 11(2) : 163-172 (2008)２) M. Iima : “Theory of flapping flight using vortices”, Sapporo Winter School Part II. Nonequilibrium Pattern For-

4.2

総説・解説・評論等

mation in Chemical and Biological Systems, Sapporo

１) 飯間信：「Analysis of hovering insect in two-dimensional(2009-02)

space」、数理解析研究所講究録、1631：98-106 (2009)

３) Y. Nishiura, T. Teramoto, K. Ueda, X. Yuan and K. Su-２) 飯間信：「蝶の飛翔に潜む数理構造」、日本応用数理学

zuki : “Oblique collisions in dissipative systems”, Sapporo

会誌、18(4)：39-51 (2008)

Winter School, Conference Hall, Hokkaido University

３) 西浦廉政：「非線形科学は新たな世界観を与えうるか」、
科学、岩波書店、78(11)：1209-1213 (2008)(2009-02)
４) 西浦廉政：「不安定からの発想」、生命数理セミナー、― 76 ―

ホテル甘露の森会議室（北海道虻田郡ニセコ町）(2008-05)(2009-01)ⅲ）コロキウム・セミナー等・その他

５) Y. Nishiura, T. Teramoto, X. Yuan and K. Ueda : “A Role

１) 西 浦 廉 政 、 寺 本 敬 、 上 田 肇 一 、 袁 暁 輝 、 鈴 木 勝 也 ：of Network of Unstable Patterns in Dissipative Systems”,「Collision dynamics in dissipative systems」、2nd Mathe-

Dynamics of Patterns, Mathematishes Forschunginstitut

matical Sciences Colloquium、（独）理化学研究所、埼玉県

Oberwolfach, Germany (2008-12)

和光市 (2009-03)

６) M. Iima : “Numerical and theoretical analysis of freely２) 柳田達雄：「マルコフ連鎖モンテカルロ法による力学系のflying insects – stability, vortex patterns, and far-field

解析とデザイン」、研究会『非線形の科学』 第 2 回、鹿児

structure –”, The 10th RIES-Hokudai International Sym-

島大学 (2009-03)
３) Y. Nishiura : “Oblique collisions in dissipative systems”,

posium on AYA, 札幌 (2008-12)岐阜非線形セミナー, 岐阜大学 地域科学部棟

７) Y. Nishiura : “A role of network of unstable patterns in(2009-03)

dissipative systems”, Nonlinear dynamics and patternformation 〜Advanced Mathematical Sciences 1〜明治大

４) 飯間信：「姿勢制御による大摂動からの安定性回復につ学グローバル COE プログラム【現象数理学の形成と発いて」、第 3 回蝶の移動知セミナー、大阪 (2008-12)５) 飯間信：「Numerical models of freely flying insects and展】, 川崎市・明治大学生田校舎 (2008-11)

their universal structure 」 、 複 雑 系 セ ミ ナ ー 、 和 光８) T. Yanagita : “Design of Functional Oscillatory Networks(2008-08)

with Replica Exchange Monte Carlo”, “Interfacial dynam-６) 柳田達雄、小野崎保：「市場構造のダイナミクス 〜 独占・

ics on the boundaries of physics, chemistry, biology and

寡占の数理モデル」、JST ERATO 合原複雑数理モデル

mathematics”, Hokkaido Univ. (2008-11)

プロジェクトセミナー、東京大学生産技術研究所

９) 飯間信：「渦構造からみた昆虫飛翔とその安定性 －近(2008-06)

接場と遠方場からみた飛行力学－」、非線形解析セミナ７) 飯間信：「分岐解析による昆虫飛翔制御機構解明の試ー、横浜 (2008-11)

み」、第 2 回蝶の移動知セミナー、大阪 (2008-06)

10) 飯間信：「昆虫飛翔の数値モデルと理論モデル」、「偏微８) Y. Nishiura: “Particle Patterns in Dissipative Systems”,

分方程式と現象：PDEs and Phenomena in Miyazaki 20082007/2008 IAM-PIMS-MITACS Distinguished Colloquim(略称：PPM2008)」、宮崎 (2008-11)
11) Y. Nishiura: “A role of network of unstable patterns in

Series, University of British Columbia, Canada (2008-04)

dissipative systems”, The Japan-France International９) 飯間信：「 2 次元はばたき飛行の理論」、NSC セミナー、
札幌 (2008-12)

Laboratory (LIA-197) ReaDiLab, Mathematical Understanding od Complex Systems arising in Biology and
4.8

Medicine, Meiji University (2008-10)

シンポジウムの開催（組織者名、シンポジウム名、参加人数、開催場所、開催期間）

12) 西浦廉政：「数学は新たな世界観を与えうるか」、理化学研究所理事長ファンドワークショップ「数学・数理

１) M. Iima, M. Sano, T. Ohta, I. Tsuda, A. S. Mikhailov, D.

科学の推進と国際研究拠点の形成に向けて」、エピナー

Helbing, D. Armbruster and Y. Nishiura : “Sapporo Winterル那須（那須高原）(2008-09)

School Part 1 Networks of Interacting Machines Part 213) T. Yanagita and A. Mikhailov : “Evolutionary Design ofNonequilibrium Pattern Formation in Chemical and Bio-

Robust Oscillatory Networks”, Pattern Formation in Bio-logical Systems”, 104人, Conference Hall, Hokkaido Uni-

logicalversity (Sapporo) (2009年2月10日〜2009年2月14日)

Networks,

Max-Planck

Institute,

Germany

２) Y. Yamaguchi, Y. Nishiura, T. Nakagaki, Y. Sato, K.

(2008-09)

Sasaki, T. Ueda, K. Ijiro, A. Ishibashi and I. Tsuda : “The

14) Y. Nishiura : “A role of network of unstable patterns in
Pacific

10th RIES-Hokudai International Symposium on “綾””,

5(DDAP5), The 5th International Conference on Nonlinear

100人, Hokkaido University (Sapporo) (2008年12月8日〜

dissipative

systems”,

Dynamics

Days

Asia

2008年12月9日)

Science, 奈良市 (2008-09)

３) 遠藤徳孝、水口毅、小西哲郎、西森拓、岡村誠、柳田達

15) M. Iima : “Analysis of hovering insect in two-dimensional
space”, 流体と気体の数学解析, 京都 (2008-07)

雄：「地形のダイナミクスとパターン」、20人、九州大学応用

16) M. Iima : “A stability of free-flight using vortex: a uni-

力学研究所 (福岡) (2008年11月15日〜2008年11月16日)

versal mathematical structure”, Analytical and Computa4.10

tional Fluid Dynamics 2008, Seoul, Korea (2008-06)

予算獲得状況

ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、

17) Y. Nishiura : “Sensitivity of localized waves to the ge-

期間）

ometry of heterogeneity”, Fifth International Symposium１) 柳田達雄、基盤研究 C 一般、結合興奮素子系の自己

Engineering of Chemical Complexity, Berlin, Germany― 77 ―

年4月1日〜現在）

組織的 スパイクパターン形成と機能、2007〜2008年度

ｅ．新聞・テレビ等の報道

２) 西浦廉政、萌芽研究、計算論ホモロジーの応用による

・新聞

材料科学の展開、2007〜2009年度

１) 菊池誠、西森拓、柳田達雄：読売新聞 2008年4月21日

３) 飯間信、若手研究 B、渦を用いたはばたき飛行の流体「サイエンス：現象予測 数式で手軽に」力学に基づく理論的・数値的手法による解明、2007〜

ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）2008年度１) 理学部、数理科学A、飯間信、2008年10月1日〜2009年

４) 西浦廉政、基盤研究 S、非線形非平衡反応拡散系理論

3月31日の確立、2006〜2010年度

２) 理学部、数理科学演習、
柳田達雄、2008年10月1日〜2009

ｆ．その他（研究担当者、機関名、研究題目、研究期間、年3月31日総経費、研究内容）

３) 理学部、計算数学４、西浦廉政、2008年4月1日〜2008

１) 柳田達雄、西森拓、小西哲郎、水口毅、遠藤徳孝、岡年9月30日村誠（九州大学応用力学研究所）：「地形のダイナミク

４) 理学院、数学基礎研究I、西浦廉政、2008年4月1日〜2008

スとパターン」、2007〜2008年度、本研究集会では、こ

年9月30日れらの現象を流れとそれに伴う物質移動による境界の

５) 理学院、数学基礎研究II、西浦廉政、2008年10月1日〜

自発的運動として捉え、異分野での理論、数値計算、

2009年3月31日

実験・観測など異なる方法論の研究者が最新の知識を

６) 理学院、数学基礎研究III、西浦廉政、2008年4月1日〜

共有することにより、新たな知見を見いだすことを目

2008年9月30日

的とする。

７) 理学院、数学基礎研究IV、西浦廉政、2008年10月1日〜

２) 柳田達雄、伊庭幸人（統計数理研究所）：「マルコフ連

2009年3月31日

鎖モンテカルロ法による力学系の解析」、2006〜2008

８) 理学院、数学研究、西浦廉政、2008年4月1日〜2009年3

年度、本共同研究では決定論的力学系の初期値をサン

月31日

プリングし直接的数値計算では得ることが難しい「珍９) 理学部、数学講読、柳田達雄、2008年4月1日〜2009年3

しい現象」を求める。

月31日

３) 西浦廉政（独立行政法人日本原子力研究開発機構）：「原10) 理学院、数学研究、柳田達雄、2008年4月1日〜2009年3

子燃料細粒化プロセスの縮約的な解析理論に関する研

月31日

究」
、2006〜2008年度、原子燃料ペレットの長期燃料で11) 理学院、数学基礎研究I、柳田達雄、2008年4月1日〜2009

生じるリム組織（カリフラワー構造）等の形態形成プ

年3月31日

ロセスモデルに関し、格子モンテカルロ計算により、

ｉ．ポスドク・客員研究員など

面状欠陥形成・発達の再現を計る。

・ポスドク（6名）
社会教育活動

山本美希（工学部 VBL）、トーニヤス ラルフ、小林康明

ａ．公的機関の委員（工学部 VBL）、袁暁輝（工学部 VBL）、齋藤宗孝（工学１) 西浦廉政：日本学術会議連携委員（2006年8月20日〜現

部 VBL）、一宮尚志（電子科学研究所）

4.12

ｊ．修士学位及び博士学位の取得状況

在）・修士課程（6名）

２) 柳田達雄：科学技術政策研究所 科学技術動向センター
専門調査員（2004年4月1日〜現在）

大賀淳史、及川智絵、鈴木勝也、鈴木悠介、鳥谷部和孝、

３) 飯間信：雑誌「物性研究」編集委員（2001年4月1日〜

畠中耕平

2009年3月31日）

・博士後期課程（2名）

ｂ．国内外の学会の役職

西１) 西浦廉政：Chaos, Associate Editor（2009年1月1日〜現慧、伊藤賢太郎

・修士論文

在）１) 鈴木勝也：3 種反応拡散系におけるスポット解の斜め

２) 西浦廉政：日本応用数理学会評議員（2006年4月1日〜

衝突について現在）２) 鳥谷部和孝：2 種混合流体の局在対流セルの衝突ダイ

３) 西浦廉政：日本数学会評議員（2006年3月1日〜現在）

ナミクス -衝突軌道の成すネットワーク構造-４) 西浦廉政：European Journal of Applied Mathematics,

３) 畠中耕平：離散格子上におけるパルス解の伝搬不全現

Associate Editor （2005年1月1日〜現在）

象の解析

５) 西浦廉政：Physica D, Editor（2002年4月1日〜現在）
６) 西浦廉政：Japan Journal of Industrial and Applied Mathematics, Associate Editor（1997年4月1日〜現在）
７) 西浦廉政：Hokkaido Mathematical Journal, Editor（1995― 78 ―

社会適応のメカニズム解明に挑んでいる。そこで、「社会適応」を、個体が他個体との相互作用（経験）により発現
准教授 青沼仁志（北大院、理博、2001.1～）

行動を柔軟に切り替えることのできる適応機構として、そ助の神経機構の解明をめざしている。

教 西野浩史（岡山大院、学博、2000.10～）

博士研究員

佐倉 緑（北大院、工博、2005.10～）
高嶋

技術補助員
院

動物は、他の個体と相互に作用しあいながら集団という

聡（北大院、理博、208.4.～2008.11）

環境の中でも適応的に行動できる機能を有している。すな

加味根あかり（2009.1～）

わち、動物は、程度の差こそあれ他個体との相互作用によ村田祐亮（2009.1～）

り社会を形成し、協調・競合しながら生存している。この生 菊地美香(D1)

ような社会への適応機能を生み出すメカニズムを解明するため、動物の個体認識・個体間相互作用・コミュニケーシ
ョン・社会性形成などの高次行動の発現にかかわる神経生

１．研究目標理機構をについて研究した。

動物は、無限定環境下で状況に応じて行動し適応してい昆虫のフェロモン行動は、一般的に定型的なものが多いる。脳神経系は外界からの情報を処理し適応行動を創り出が、経験により修飾されることも知られている。この様なすひとつの器官である。神経細胞が相互に信号をやり取り

フェロモン行動をモデル系とし、動物の状況に応じた行動する神経回路網は、どの様にして感覚信号の中から情報を切り替えや発現にかかわる神経機構、学習や記憶、可塑性

抽出し、記憶と照合し、運動系を制御する信号を生成するの神経機構を解明する事を目指している。

のであろうか？本研究分野では、神経細胞から脳を組み立

クロコオロギを実験材料に、個体間の相互作用と、そのてる設計原理を明らかにするため、神経細胞の数が少なく社会的な経験により、引き続く行動がいかに選択され適応

構造も簡単な昆虫の神経系について、神経生物学及びロボ的な行動が発現するのか、その神経基盤を解明しようとしット工学の手法を用いて神経細胞レベルにおける信号の流ている。クロコオロギのオスは他のオス個体に遭遇するとれと神経系の動作を調べている。

互いに威嚇し喧嘩を始める (図 1 )。この喧嘩行動は、相手の体表物質を受容すると解発される行動である。ところが、喧嘩に負けた個体はその後一定時間の間、他のオス個体に２．研究成果遭遇しても喧嘩をせずに忌避行動を示すことが知られてい生物に見られる多様で適応的な行動は、生物が長い時間る。このような昆虫のフェロモン行動をモデルに、行動履をかけて進化させた。神経系は生物が進化させたひとつの歴に伴う行動の修飾や行動切り替えの神経機構について研器官であり、この神経系の働きで、生物は複雑に変化する究を進めた。

予測不可能な環境下でもすばやく状況に合った適応的な行動をとることができる。行動発現にかかわる環境要因には様々なものがある。たとえば、個体が複数集まると個体間の相互作用が生じ、その状況に応じた行動を発現する。すなわち、社会はひとつの環境要因として捉えることができる。我々は、生物の社会的な適応行動の発現メカニズムの解明を目指し、昆虫をモデル動物として研究を進めている。
昆虫の身体は脊椎動物などに比べると遙かに小さく、微小な脳神経系はわずか106個程の細胞からなるが、優れた感覚受容機構、情報処理機構、運動発現機構をもち環境に適応している。我々は、昆虫の神経系を対象とし、行動の実時間で選択され決定する際の神経機構を明らかにすることを

図１．オスのクロコオロギ同士の闘争行動。
体表物質を検出すると相手を威嚇し、次第に激しい攻撃行動へとかわる。

目指している。すなわち、動物がいかにして環境の変化に

行動学的実験から、闘争に敗れた経験は短期的な記憶と対して適応的な行動を発現するのかを理解することで、神なり、次の行動選択に関与することが示せた。これまでの経系の設計や動作を解明しようとしている。

研究から、コオロギの匂い学習や記憶の成立過程には一酸動物の学習・記憶・知能をはじめ、動機づけによる行動化窒素(NO)シグナルが関与すること、脳内では NO が合成の修飾、階層的ルールに基づく行動選択や決定など、高次され、標的細胞の可溶性グアニル酸シクラーゼ(sGC)を活

行動制御の神経生理学的機序を解明するためには、従来の性化し cGMP 量を増加させることを示してきた。 NO が如行動観察や細胞レベルでの生理学的な解析に加え、構成論

何にして経験による行動の切替えに関与するのかを解明す

的・システム論的アプローチを取り入れることが有効であるため、薬理学的に予め脳内の NO 合成酵素あるいは sGCる。我々は、実時間での適応行動の発現メカニズムを理解を阻害し、喧嘩に負けた雄の行動パターンの変化を評価しするうえで、特に、社会をひとつの環境要因として捉え、たところ、NO/cGMP カスケードがフェロモン行動の発現― 79 ―

や修飾において機能的な役割を担うことが示唆された。

理する受容細胞の軸索は一次嗅覚中枢（触角葉）の中の特コオロギの闘争行動の発現機構には体液中の生体アミン、特にオクトパミン(OA)が関与することが知られている。一定の糸球体に収束する。たとえば、オスのゴキブリの触角にはメスの性フェロモンに特異的に応じる感覚子が多数存

方、我々は、喧嘩経験の記憶や順位形成には脳内の在する（図 2 左）。それらの受容細胞の軸索は触角葉中で最NO/cGMP シグナル伝達系が関与することを明らかにして大の糸球体（大糸球体）に収束する（図 2 右）。本研究では、きた。コオロギの脳には、NO 合成酵素(NOS)ニューロン

触角神経への色素注入により、性フェロモン受容細胞の軸や、OA ニューロンが存在する。喧嘩行動の発現機構にお索が触角内での 3 次元的な位置に応じて、大糸球体の異ないて、NO/cGMP シグナル伝達系と OA による調節系が独立る領域に投射することを発見した（図 3 ）。このことは、匂に働くのか、それとも修飾作用を修飾する関係になるのか

いが触角のどこにヒットしたのかを高解像度で表現しうるを確かめるため、薬理学実験を行った。特に、最初の対戦

地図が中枢中に存在することを意味する。類似の地図はミでは NO/cGMP シグナル系を阻害しても通常と同様に逃走

ツバチにおいても確認されたため、匂いの位置検出システ

行動を示すが、その対戦に於いて、敗者の個体は、2 度目

ムが昆虫間で普遍的に保存されていることが示唆される。

の対戦でも有意に攻撃行動を示すことがわかっている。一

現在は電気生理学的手法を用いて、触角の特定領域に受容方、触角を除去した個体でも、NO/cGMP シグナル系を薬野を持つ介在ニューロンの同定を進め、匂いの位置や方向

理学的に阻害したときと同様に、敗者は 2 度目の対戦でもがどのように符号化されているのかを明らかにしようとし攻撃行動を発現する割合が高くなった。このことから、触ている。

角を介して攻撃行動を発現する経路に NO/cGMP シグナル系が関わっている可能性が示唆された。そこで、NO シグ
ナル系が、闘争行動のどの段階で機能的に働くのかを調べるために、NO 合成酵素阻害剤である L-NAME を最初の対戦前、もしくは、対戦後に投与し、NO 産生のタイミングと闘争により敗退したあとの行動選択の関係を調べた。
NO は、脳内で10-100nM 程度の濃度で放出され、およそ100
μm/sec の速さで拡散する神経修飾物質である。NOS 阻害
剤 L-NAME は、投与後、80分後に効果が表れることを確か

図２．ゴキブリ触角上の性フェロモン受容感覚子（左）と触角葉中の大糸球体（右）めた。NOS を阻害すると、2 度目の対戦時に、敗者の個体が攻撃行動を発現する割合が増えることから、NO が、どのタイミングで働く必要があるのか確かめるため、最初の対戦直後に NOS の活性を阻害したところ、敗者個体は攻撃行動を示さなかった。このことから、NO は、最初の対戦時に働くことで、敗者は、闘争における敗退経験を記憶し、他個体に対する忌避行動を示すようになることが示唆された。オスコオロギでは、オスの体表物質による刺激で脳の図３．ゴキブリ触角内でのフェロモン受容細胞の位置と糸球体中の軸索終末の位置との３次元的対応関係

触角葉から NO が放出されることから、触角で他個体を感知して威嚇や攻撃行動を始める時に放出される NO が、敗者では敗退経験によるオスに対する忌避行動を持続的に発このような生物学実験により得られた個々の知見は詳細現することにかかわると考えられる。

ではあるが、時空間的には断片化している。我々は、これ

また、化学感覚情報の識別や情報処理に関わる神経機構

らの生物学的な知見を基に、昆虫の適応行動の発現機構にを解明する研究にも取り組んだ。

ついて行動モデルの構築と、神経生理モデルの構築に取り

我々が普段嗅いでいる「匂い」の物質は分子量50〜500

組んできた。行動モデルでは、行動実験で得られた知見か程度の揮発性の化学物質の単体、もしくはその複合物であらボトムアップ的に動的システムモデルを構築し、計算機る。
匂い物質は空気中に均一に存在しているわけではなく、シミュレーションでその動作を検証した。神経生理モデル「プルーム」と呼ばれる匂い物質の塊としてパッチ状に存在

では、神経生理学や薬理学実験などで得られた知見をもとし、その大きさや空間分布は時々刻々と変化していることに拡散方程式と微分方程式からなる動的モデルを構築し、が知られている。このように絶え間なく変化する匂いの位

シミュレーション実験を行った。これらのモデルから、神置を検出する神経基盤を動物が持つのかどうかについては、

経系と環境との相互作用による多重フィードバック構造がこれまでほとんど検討されていない。夜行性の昆虫は視覚

適応行動の創発に重要であることが、新たな仮説として得的な手がかりが存在しない状況下で、遠方の匂い源に定位られ、現在、構築したモデルの妥当性について生物学実験できる。匂いは触角全域に分布する数万個の嗅覚感覚子中により検証を進めている。

にある匂い受容細胞によって受容される。特定の匂いを処― 80 ―

７) T. Funato, D. Kurabayashi, M. Nara and H. Aonuma :３．今後の研究の展望“ Switching Mechanism of Sensor-Motor Coordination
through Oscillator Network Model”, IEEE Trans. Systems,

適応行動の発現を司る神経生理機構を解明するため、昆虫のフェロモンを介したコミュニケーション行動の発現機

Man and Cybernetics - Part B, 38(3) : 764-770 (2008)

構についてさらに研究を進めている。従来の生物学研究は、

８) O. Yono and H. Aonuma : “Cholinergic neurotransmission

研究で得られた細胞・ネットワーク・個体の各階層におけfrom mechanosensory afferents to giant interneurons in the

る知見は詳細ではあるが断片的で、階層間のギャップが埋

terminal abdominal ganglion of the cricket, Gryllus bi-

まらないまま研究が進められているのが現状である。我々

maculatus”, Zool. Sci., 25 : 517-525 (2008)９) H. Watanabe, H. Nishino and M. Mizunami : “The salivary

は、各階層における詳細な生物学の知見をシステム工学やロボット工学の方法論で繋ぎ合わせ、動的システムモデル

conditioning

withantennal

gustatory

unconditionedを構築し、さらにシミュレーションと生物学実験による検stimulus in an insect”, Neurobiol Lern Mem, 90 : 245-254

証を行うことで、階層間のギャップを埋め、社会構築の設(2008)
10) Y. Ishikawa, H. Aonuma and T. Miura : “Soldier-specific

計原理、社会適応の神経機能の設計原理解明をめざしていmodification of the mandibular motor neurons in termites”,

る。

PLoS ONE, 3(7) : e26171-e26178 (2008)

得られた生物学の知見をもとに、動的な行動モデルや神経生理モデルを構築し、そのモデルの動作と実際の動物の

11) R. Okada, H. Ikeno, H. Aonuma and E. Ito : “Biological

行動発現や神経回路の動作を比較しながら、繰り返し検証

Insights into Robotics: Honeybee Foraging Behavior by

することで、適応行動の発現に関わる神経系の設計原理がWaggle Dance”, Advanced Robotics, 22(15) : 1665-1681

理解できる。将来的には、動物の個体認識や個体認識など(2008)

個体間相互作用、コミュニケーションや社会適応にかかわる神経系の設計原理を理解することができ、新しい情報処

4.2

理システムの構築につながることが期待できる。

１) 西野浩史：「昆虫が「死んだふり」をするわけ－コオロ

総説、解説、評論等
ギに学ぶ擬死行動の機能としくみ」、Biophilia、アドス
リー、4(3)：16-21 (2008)

４．資料
4.1

２) 青沼仁志、佐倉緑、足利昌俊、藤木智久、藤井喬、川学術論文等

端邦明、太田順、淺間一：「昆虫の社会的経験にもとづ

１) H. Aonuma, Y. Kitamura, K. Niwa, H. Ogawa and K. Oka :く行動選択のモデル化 Modeling of social experience“Nitric oxide-cGMP signaling in the local circuit of thedependent behavior selection in insect」、第18回インテリ

cricket abdominal nervous system”, Neuroscience, 157 :ジェント・システム．シンポジウム講演論文集、SICE、

749-761 (2008)

08 SY 0010：305-310 (2008)２) M. Sakura, T. Hiraguchi, K. Ohkawara and H. Aonuma :“The compartment stuctures of the antennal lobe in the

4.3

ant Aphaenogaster smythiesi japonica”, Acta Biol Hunga-

１) H. Ikeno, R. Kanzaki, H. Aonuma, M. Takahata, M. Mi-

rica, (59) : 183-187 (2008)

国際会議議事録等に掲載された論文
zunami, K. Yasuyama, N. Matsui, F. Yokohari and S.

３) R. Okada, H. Ikeno, N. Sasayama, H. Aonuma, D. Kura-

Usui : “ Development of Invertebrate Brain Platform:bayashi and E. Ito : “The dance of the honeybee: how doManagement of Research Resources for Invertebratehoneybees dance to transfer food information effectively?”,

Neuroscience and Neuroethology ” , ICONIP, Springer-

Acta Biol Hungarica, 59 : 157-162 (2008)

Verlag Berlin Heidelberg, 2007(Part II) : 905-914 (2008)４) 佐倉緑、頼経篤史、青沼仁志：「クロコオロギの喧嘩行
動における触角の役割」、第20回自律分散システム・シ

4.7

ンポジウム資料、SICE、08 SY 0002：153-156 (2008)

ⅰ）学会

講演

５) 足利昌俊、菊地美香、平口 鉄太郎、佐倉緑、千葉 龍

１) 青沼仁志：「Modelling of experience dependent behavior -介、青沼仁志、太田順：「クロコオロギにおける他者識Fighting among male crickets」、International Conference

別能力の解析」、第20回自律分散システム・シンポジウ

for Nonlinear Sciences SAPPORO WINTER SCHOOL,

ム資料、SICE、08 SY 0002：325-330 (2008)

Sapporo (2009-02)

６) 矢野史朗、池本有助、青沼仁志、淺間一、千葉龍介：「コ２) 青沼仁志：「闘蟋から神経行動学へ」、日本動物学会第オロギの成長過程における環境条件と闘争性の関係の54回北海道支部大会、札幌 (2008-08)

モデル」、
第20回自律分散システム・シンポジウム資料、
SICE、08 SY 0002：331-336 (2008)３) 高梨琢磨、中牟田潔、Skals Neils、西野浩史：「マツノ
マダラカミキリの振動反応性とその受容器としての腿― 81 ―

節内弦音器官」、第53回応用動物昆虫学会、北海道大学(2008-07)（札幌市）(2009-03)

17) 舩戸徹郎、奈良維仁、倉林大輔、青沼仁志、足利昌俊：

４) 山崎まどか、佐倉緑、青沼仁志、松山茂、秋野順治、「振動子網を用いた昆虫規範ロボット群の挙動分化」、

山岡亮平：「クロコオロギ雄の喧嘩行動誘起フェロモ

日本機械学会 ロボティクス・メカトロニクス講演会、ン 」、 第 53 回 日 本 応 用 動 物 昆 虫 学 会 大 会 、 札 幌

長野県上田市 (2008-06)(2009-03)

18) 藤井喬、川端邦明、青沼仁志、鈴木剛、足利昌俊、太５) 藤井喬、川端邦明、青沼仁志、鈴木剛、足利昌俊、太田順、淺間一：「コオロギの適応的行動選択モデルに関田順、淺間一：「クロコオロギの行動選択機構のモデリする研究」、日本機械学会 ロボティクス・メカトロニ

ングに関する研究」、第14回ロボティクスシンポジア、
登別 (2009-03)

クス講演会、長野県上田市 (2008-06)ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ

６) H. Watanabe, H. Nishino, M. Nishikawa and F. Yokohari :１) H. Aonuma : “Modelling of social interaction dependent“Analysis of the neural processings of thermo and hy-

behavior selection in the cricket”, Workshop on Dynami-

grosensory signal in the insect brain”, Australlian Neuro-

cal Circuits in the Brain, Sapporo (2008-09)

science Society 29th Annual Meeting, Canberra, Australia

２) J. Ota, H. Aonuma, H. Asama, K. Kawabata and M.

(2009-01)

Ashikaga : “Multidisciplinary contributions from neuro-７) 佐倉緑、頼経篤史、青沼仁志：「クロコオロギの攻撃行

ethology and engineering-Understanding experience de-動発現における一酸化窒素シグナル系の関与」、
日本動

pendent behavior selection in crickets ” , IROS2008:

物学会第79回大会、福岡大学 (2008-09)

IEEE/RSJ Int'l Conf. on Intelligent Robots and Systems,８) 岡田龍一、池野英利、木村敏文、大橋瑞江、青沼仁志、Acropolis Convention Center, Nice, France (2008-09)

伊藤悦朗：「巣内での追随バチの行動パターン」、日本

３) 青沼仁志：「Experience dependent behavior selection in

動物学会第79回大会、福岡大学 (2008-09)

the cricket」、International Seminar: Evolutionary Studies９) 西野浩史、岩崎正純：「ゴキブリ嗅覚投射ニューロンのin Behavioral Neuroscience 、 総 合 研 究 大 学 院 大 学

形態学的解析」、日本動物学会第79回大会、福岡大学(2008-07)(2008-09)

４) H. Aonuma : “Multidisciplinary contributions from neu-

10) 渡邉英博、西野浩史、横張文男：「ワモンゴキブリ前大roethology and engineering-Understanding experience

脳における湿度情報処理の神経生理学的解析」、
日本動

dependent behavior selection in crickets”, 4th Interna-物学会第79回大会、福岡大学 (2008-09)

tional Symposium on Adaptive Motion of Animals and11) 山崎まどか、佐倉緑、青沼仁志、秋野順治、山岡亮平：Machines (AMAM 2008), Cleveland, USA (2008-06)「オスクロコオロギの体表物質に含まれる攻撃行動誘

５) 青沼仁志：「コオロギの闘争経験に基づく行動選択

起成分」、日本比較生理生化学会第30回大会、北海道大Fighting experience dependent behavior selection in the

学 (2008-07)

cricket」、Seminar on Ecological and Physiological Studies12) 西野浩史、西川道子、横張文男：「ミツバチ触角葉糸球

about Sociality of Insects、兵庫県立大学 (2009-01)

体の機能マッピング」、日本比較生理生化学会第30回大６) 青沼仁志：「コオロギの振る舞いから学ぶ人間社会」、会、北海道大学 (2008-07)

環境・自然を考える会、札幌 (2008-08)13) 山崎まどか、佐倉緑、青沼仁志、秋野順治、山岡亮平：

７) H. Nishino : “Topographic organization of olfactory af-「オスクロコオロギの体表物質に含まれる攻撃行動誘

ferents: insights into evolution of olfactory sensory system

起成分」、日本比較生理生化学会第30回大会、札幌

in insects”, International seminar: Evolutionary Studies in(2008-07)

Behavioral Neuroscience, 湘 南 国 際 村 セ ン タ ー14) K. Kawabata, T. Fujiki, T. Fujii, H. Aonuma, Y. Ikemoto,(2008-06)

M. Ashikaga, J. Ota, T. Suzuki and H. Asama : “Towards８) 水野達也、佐倉緑、足利昌俊、青沼仁志、太田順：「ハ

synthetic understanding of neural system of adaptive be-

ンディキャップコオロギを用いたコオロギの攻撃行動

havior selection in the fighting behavior of male crickets”,

発現機構のモデル化」、第21回自律分散システムシンポ

FENS2008, Geneva, Switzerland (2008-07)

ジウム、鳥取 (2009-01)

15) M. Ashikaga, M. Sakura, M. Kikuchi, T. Hiraguchi, R.

９) 足利昌俊、佐倉緑、菊地美香、平口鉄太郎、青沼仁志、Chiba, H. Aonuma and J. Ota : “Modeling of adaptive

太田順：「コオロギ群における社会的順位形成過程のモ

behavior of crickets in crowd ” , FENS2008, Geneva,

デル化」、第21回自律分散システムシンポジウム、鳥取

Switzerland (2008-07)(2009-01)

16) H. Aonuma, J. Murakami and T. Nagao : “Nitric oxide10) 青沼仁志、佐倉緑、足利昌俊、藤木智久、藤井喬、川mediated biogenic amine system underlying agonistic be-

端邦明、太田順、淺間一：「昆虫の社会的経験にもとづ

havior in the crickets”, FENS2008, Geneva, Switzerland

く行動選択のモデル化」、第18回インテリジェント・シ

― 82 ―

ステム・シンポジウム、広島 (2008-10)

4.1211) 水野達也、佐倉緑、足利昌俊、青沼仁志、太田順：「ハ

社会教育活動ｂ．国内外の学会の役職

ンディキャップコオロギを用いたコオロギの内部メカ

１) 青沼仁志：日本動物学会北海道支部 役員 （2009年1

ニズムの解明」、無脊椎動物神経生物学研究会、旭川市

月1日～2011年12月31日）

蔵囲夢デザインギャラリー (2008-09)２) 青沼仁志：Advanced Robotics, Special Issue on Mobili-12) 青沼仁志、太田順：「コオロギの社会的経験による行動

gence, Guest Co-Editor（2007年9月13日～2008年12月の発現と切り替え －行動のモデル化－」、無脊椎動物

31日）

神経生物学研究会、旭川市蔵囲夢デザインギャラリー３) 青沼仁志：計測自動制御学会自立分散システム部会運(2008-09)

営委員（2007年1月1日～2008年12月31日）

13) 岡田龍一、池野英利、木村敏文、大橋瑞江、青沼仁志、

４) 青 沼 仁 志 ： The Neuroinformatics Japan Center ・伊藤 悦朗：「ミツバチの 8 の字ダンスにおける巣内でInvertebrate Brain Platform委員（2006年4月1日～2010のダンスバチと追従バチの行動パターン」、無脊椎動物

年3月31日）５) 青沼仁志：移 動知教科書出版ワークグループ委員

神経生物学研究会、旭川市蔵囲夢デザインギャラリー（2008年4月1日～2010年3月31日）(2008-09)

ｃ．併任・兼業
4.8１) 青沼仁志：理化学研究所 客員研究員（2006年11月1日

シンポジウムの開催（組織者名、シンポジウム名、参～2010年3月31日）

加人数、開催場所、開催期間）
・一般のシンポジウム

ｆ．外国人研究者の招聘（氏名、国名、期間）

１) 青沼仁志：「無脊椎動物神経生物学研究会」、30人、旭１) Ken Lukowiak、Canada（2009年2月13日～2009年2月19日）

川市蔵囲夢デザインギャラリー (旭川市) (2008年9月

ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）15日～2008年9月17日)

１) 全学共通、ナノテクノロジー・ナノサイエンス概論Ⅰ
4.9～ナノバイオシステム論の展開：“知”の探求～、青沼共同研究

仁志、2008年7月1日～2008年7月3日

ｄ．受託研究（研究担当者、機関名、研究題目、研究期間、

２) 全学科共通 「複合科目．健康と社会．脳科学：分子か

総経費、研究内容）

ら高次機能発現まで」青沼仁志 2006年11月17日

１) 支朗臼井, 英利池野, R. Kanzaki, M. H. Aonuma and M.

３) 生命科学院、行動システム制御科学特論、西野浩史、Takahata（理化学研究所）：“無脊椎動物脳プラットホ

2008年4月1日～2008年9月30日

ームの開発と運用”, 2005～2009年度, 無脊椎動物を対４) 生命科学院、生命システム科学基礎論、青沼仁志、2008

象とする神経生理、化学、行動学に関連する情報を共年4月1日～2008年9月30日

有するシステムの開発、構築を進めるもので、NIJC に

５) 生命科学院、生命科学実習、青沼仁志、2008年4月1日

おけるプラットホームの一貫として運用を進めていく～2009年3月31日

計画である。

６) 生命科学院、生命科学論文講読、青沼仁志、2008年44.10

月1日～2009年3月31日

予算獲得状況

７) 生命科学院、行動システム制御科学特論、青沼仁志、

ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、2008年4月1日～2008年9月30日

期間）８) 生命科学院、生体制御科学概論、青沼仁志、2008年4１) 西野浩史、基盤研究 C、匂い位置検出ニューロンの活

月1日～2008年9月30日

動動態の解明、2008～2010年度
２) 青沼仁志、特定領域研究、環境に適応するための高次ｉ．ポスドク・客員研究員など

行動を制御する神経生理機構のシステム的理解、2005

・ポスドク（2名）～2009年度

佐倉 緑（神経情報）高嶋 聡（神経情報）

4.11

受賞

ｊ．修士学位及び博士学位の取得状況

１) M. Nishikawa, F. Yokohari, H. Aonuma and E. Tsujii :・大学院生・学位取得

Zoological Science Award “ Serotonin-immunoreactive

博士課程（1名）

Neurons in the Antennal Sensory System of the Brain in

菊池美香

the Carpenter Ant, Camponotus japonicas” (The Zoological Science of Japan) 2008年9月― 83 ―

つかった。結果はNature Neuroscience 誌に掲載された。さらに次の段階の実験を進めている。（津田）教

授 津田一郎（京都大学、理博、2005.10～）

准教授 佐藤 譲（東京大学、博士(学術)、2006.4.～）(b) 人や動物にみられるエピソード記憶の形成過程を数

助

理的、神経生理学的に研究した。まず神経回路網レベルで、

教 山口 裕（北海道大学、博士(理学)、2008.4～）

博士研究員

空間パタンの時系列入力の情報表現について理論的、計算Kang Hunseok（ペンシルバニア州立大学、論的に行い、理論的予測を行い、実験によって検証した。

理学(数学)、2008.4～）

実際、海馬のニューラルネットをモデル化し、海馬の役割

学術研究員
田所

智（北海道大学、理博、2003.9～）に関する計算論的な研究を行った。海馬 CA 3 と CA 1 のネ黒田茂（北海道大学、修士(理学)、2005.4～）

ットワーク構造を調べ数学的な取り扱いが簡単な離散時研究生 安岡卓男（愛媛大学医、MD、2001.4～）間・連続状態モデルをつくりそのダイナミックスを調べた。
その結果、モデル CA 3 では事象記憶の列が生成され、各事

玉井信也（東京大学、修士(学術)、2006.4～）
事務補佐員
院

象記憶間を連結する軌道はカオス軌道であり、いわゆるカ平 厚子（2003.9～）

オス的遍歴が生じることが分かった。また、モデル CA 1 で

生 伊藤孝男(D3)、前田真秀(D3)、渡部大志(D3)、黒田 拓(D2)、塚田啓道(D2)、太田康亮(M2)、はモデル CA 3 で生成された時系列情報がモデル CA 1 のニ

奈良貴仁(M1)

ューロンの膜電位に生じるカントル集合にコードされ得ることが分かった。これが生物学的に意味のあるコーディン
グかどうかを調べる目的で、CA 1 ニューロンを神経生理学

１．研究目標的な Pinsky-Rinzel の 2－コンパートメントモデルでモデル

計算論的生命科学は、電子科学研究所と理学院数学専攻

化し、ランダム時系列入力に対する CA 1 ニューロンネットとの共同事業の一環として構築された。分子、細胞、シスワークの活動度を調べた。その結果、時系列の履歴が膜電テムにまでわたる生命現象の複雑さを数理的に解明すると

位空間やスパイク時系列の空間にカントル集合として表現

ともに、新しい生命システム論の構築をめざしている。複されることがわかった。これをスパイキングニューロンと雑系としての生命システムの機構を解明することを目指

バースティングニューロンの場合について、それぞれし、新しい複雑システム論を構築する。特に、記憶、思考・

NMDA チャンネルと AMPA チャンネルの効果とともに調推論の脳神経機構および認知機構の解明のための数理的ア

べた。AMPAチャンネルだけを活性化させた場合は、スパ

プローチを確立するとともに、非線形大自由度力学系の理

イキングニューロンでは10msec 近傍で、バースティングニ論の構築を目標とする。今年度は、具体的には次の研究をューロンでは50msec―200msec の入力パタン間隔において、行なう。ニホンザルの思考・推論実験を玉川大学脳科学研

カントルコーディングが成立し、AMPA チャンネルととも究所にて行なう (a)。海馬 CA 1 の生理学的モデルの詳細なに NMDA チャンネルを活性化させた時には、スパイキング

検討、および実験データの解析を行い、カントルコーディ

ニューロンにおいては10-30msec 近傍の間隔において、バングの理論を精密化する (b)。カオス的遍歴の数学的機構

ースティングニューロンにおいては、50-200msec 間隔でカに関する研究 (c)。ヤハマ発動機制のエンジン出力に見らントルコーディングが成立することを確定した。さらに、れるカオスの解析と制御 (d)。ランダム力学系に関する研入力時系列がある特定のパターンを示すときに膜電位の一究 (e)。

次元写像を構成すると、入力時系列の要素であるパタンの種類に応じて、その数だけ縮小アフィン変換が構築されていることがわかった。さらに、玉川大学工学部塚田稔研究

２．研究成果室との共同研究として、ラット海馬スライスでのカントル(a) サルは三段論法を理解するだろうか。
1997年に玉川大

コーディングの有無を調べる実験を引き続き行なった。さ

学工学部塚田実教授とともにこの疑問に答える実験研究を

まざまな入力時系列に対して、CA 1 の膜電位に入力時系列行えるように北海道大学、玉川大学双方で準備してきた。

を表現する階層的なパターンが現れ、この階層パターンの実際にスタッフをそろえ実験を開始したのは2000年からで生成規則は、理論モデルが予測する複数のアフィン変換がある。ニホンザルを使った思考・推論実験を玉川大学脳科得られた。これらの実験結果は、ラット海馬が時系列入力

学研究所、同工学部と共同で行ってきた。現在のサルに対をカントルコーディングを行なっている可能性を強く示唆して 3 年間実験を繰り返し、最初の結果が 3 年前に得られする結果である。さらに、実験精度を上げるために、２光た。タスクは 2 回の連続する連想にもとづくカテゴリー形

子レーザー顕微鏡を使ったグルタメートのアンケージング

成とそのメンバーの推論を行うように工夫された。行動実による同時多点刺激法の準備を行った。
（山口、黒田、津田）験においてサルは推移、反射を駆使した推論を行えるという結果を得た。さらに、対応するニューロン活動が前頭前(c) カオス的遍歴の機構に関する数学的な理論を作った。

野外側部から得られ、少なくとも 3 種類のニューロンが見複数のシナリオを考えた。

― 84 ―

１．三つ組（カオス的不変集合、ミルナーアトラクター、
リドルドベイシン）。
２．不動点型ミルナーアトラクターの相互作用。
３．Heterodimensional cycle の存在。
４．法双曲型不変多様体の存在。
５．フラクタルベイシン境界にともなったミルナーアトラ
クターの存在。この場合はノイズ付きでカオス的遍歴になる。
（津田）(d) ヤマハ発動機制のエンジン出力に見られる不規則変化の原因の究明とハーネシングを目的として、エンジン出
力のカオス解析を行なった。決定論的カオスの存在を以前に発見したので、今回は制御可能性を調べた。エンジンの内部構造は複雑を極めるため、何が本質的なパラメータかの判別は難しい。そこで、カオス軌道を与えられた周期を持つ内在する周期軌道への引き込みが容易なピラガス法を採用し、これをデータに津田－田原－岩永の方法を使って直接適用した。その結果、カオス軌道は消滅し、与えられた周期をもつ周期軌道が得られた。さらに、実機のヤマハ
エンジンに直接この制御方式を適用し、制御可能性を実証をヤマハで行った。松本がヤマハに就職し、研究は第一段階が終了した。アメリカの国際会議や国内会議での発表を行い、いくつかの論文を発表した。（松本、津田）(e) 回転流体系の乱流—層流転移という無限次元の複雑な現象からノイズ付きの一次元写像が抽出された。このモデルにより、実験時系列と、乱れの強さのヒステリシスが再
現された。
（佐藤）

― 85 ―

２) K. Matsumoto, H. Diebner, I. Tsuda and Y. Hosoi, Ap-

３．今後の研究の展望

plication of chaos theory to engine systems, In Proc. of

脳神経系の高次機能である連続連想記憶、エピソード記

Small Engine Technology Conference, Society of Auto-

憶、思考・推論に関する数理モデルによる研究は、理論のmotive Engineers, 2008-32-0010(SAE) /20084710 (JSAE),

予測と実験による検証の段階に入り、予測の一部が実証さ2008.

れた。さらに、モデルと実験系を共に海馬全体、さらには

３) I. Tsuda, Number Created by the Interaction Between

海馬と新皮質相互作用系へと発展させ、将来的にはラット

Consciousness and Memory: A Mathematical Basis forの行動実験に伴う in vivo 計測によって、理論の予測するエPreafference, Integrative Psychological and Behavioral

ピソード記憶に対するカオス的遍歴とカントルコーディン

Science 42(2), 153-156(2008). published online 25 May

グの実証を行っていきたい。サルを使った思考推論実験に2008; doi:10.1007/s12124-008-9062-y.

関しては、将来的には、さらに高度な推論実験、思考の実

４) I. Tsuda, Y. Yamaguti, S. Kuroda, Y. Fukushima and M.

験タスクを考えたい。サルの実験はリスクが大きいので、Tsukada, A Mathematical Model for the Hippocampus:

ラットの行動実験も視野に入れている。さらに、将来的にTowards the Understanding of Episodic Memory andはコミュニケーションの脳内機構の解明を目指す。脳のダ

Imagination. Prog. Theor. Phys. Suppl. 173 (2008)

イナミックス、生命活動に対する正しい解釈を与えるため

99-108.

の枠組みとして大自由度力学系、ゲーム理論、進化ダイナ

５) I. Tsuda, Hypotheses on the functional roles of chaotic

ミックスに関する理論を提供したい。特に、遍歴の機構のtransitory dynamics, CHAOS 19, 015113-1 - 015113-10

解明と抽象化された雛形モデルの構築を目指す。また、進(2009).

化・発生におけるダイナミックスの機構の解明のための数

６) Yuzuru Sato, Makoto Iima, and Yuji Tasaka, Random

理的な方法論の確立を目指す。さらには、相空間の次元がDynamics from Time Serieses of Rotating Fluid, Proceed-

変化するような新しい力学系―発展型力学系―の基礎理論

ings of JSIAM08, p317-318, (2008).

の構築を目指したい。
4.2

４．資料
4.1

総説・解説・評論等

１) 津田一郎、エピソード記憶：海馬のカオスモデル、応用数理, Vol.18, No.3, SEP. (2008) 2-19.

学術論文等２) 津田一郎、エピソード記憶の数学的構造、BRAIN and

１) X. Pan, K. Sawa, I. Tsuda, M. Tsukada and M. Sakagami,

NERVE, 第60巻、第7号 (2008) 771-782.

Reward prediction based on stimulus categorization inprimate lateral prefrontal cortex. Nature Neuroscience 11,4.7

703-712 (2008). published online 25 May 2008; doi:ⅰ）学会

10.1038/nn.2128.

１) 松本和宏、津田一郎、細井幸治、エンジンシステムに― 86 ―

講演

おけるカオス性とその制御、自動車技術会2008年春季

Rotating Fluid, invited talk, Dynamics of Complex systems,

大会、パシフィコ横浜、横浜、5月21日－23日、2008

Hokkaido Univeristy, Sapporo, Japan, (2008).

年.

10) Yuzuru Sato, Re-visiting Noise-induced Order, invited２) 福島康弘、塚田稔、津田一郎、山口裕、黒田茂、海馬

talk, Artificial Life: Half-way through, University of Tokyo,

CA 1 野錐体細胞の閾値上応答 におけるカントール性、
第31回神経科学大会、東京国際フォーラム、東京、7Tokyo, Japan, (2008).
11) Yuzuru Sato, Noise-induced Phenomena in one-dimensional

月9日－11日、2008年.

maps, invited talk, ASI,RIKEN, Saitama, Japan, (2008).

３) 津田一郎、時間のメタモルフォーシス、特別講演、日12) Y. Yamaguti, S. Kuroda, I. Tsuda, Y. Fukushima and M.

本金属学会・鉄鋼協会北海道支部夏季講演大会、北海

Tsukada, Cantor Coding in a Model of Hippocampus, 11th

道大学、7月24日、2008年.

Tamagawa Dynamic Brain Forum, Atami (2009-03).

４) Yuzuru Sato, “Random Dynamics from Time Serieses of13) S. Tadokoro, Y. Yamaguti, H. Fujii and I. Tsuda, Transi-

Rotating Fluid,” contributed talk, JSIAM Conference,

tory behaviors in diffusively coupled neural oscillators,

Univerisity of Tokyo, Tokyo, Japan, (2008).

11th Tamagawa Dynamic Brain Forum, Atami (2009-03)

５) 山口裕、乗法ノイズをもつ離散時間－連続値型連想記

14) 山口裕、エピソード記憶形成の数理モデル、2008年度

憶回路について、日本物理学会第64回年次大会、立教

電子研研究交流会、北海道大学電子科学研究所

大学池袋キャンパス (2009-03).

(2009-1).

６) 福島康弘、塚田稔、津田一郎、山口裕、黒田茂、海馬15) 山口裕、黒田茂、津田一郎、福島康弘、塚田稔、エピCA 1 野錐体細胞の閾値上応答におけるカントール性、

ソード記憶形成の数理モデル、数学教室談話会、北海第31回神経科学大会、東京国際フォーラム (2008-07).

道大学 (2008-5).

ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップⅲ）コロキウム・セミナー等・その他

１) Kazuhiro Matsumoto, Hans H. Diebner, Ichiro Tsuda, and

１) I.Tsuda, Hippocampus follows transitory dynamics in an

Yukiharu Hosoi, Application of Chaos Theory to Engine

episodic context, The 120th complex systems seminar,

Systems, Small Engine Technology Conference, Midwest

July 2, 2008, RIKEN.

Airlines Center, Milwaukee,September 9-11, 2008.

２) 津田一郎、脳における時間のメタモルフォーシス、数２) 津田一郎、脳神経系における測定の理論、招待講演、学教室大談話会、北海道大学数学教室、7月17日、2008

Dynamics of Complex Systems, organized by M. Yuri, 北年.

海道大学、9月1日-3日、2008年.

３) Yuzuru Sato, Program Organizer, Workshop “Chaos and３) Ichiro Tsuda, Temporal metamorphosis as a dynamical

Its Applications II” , ASI, RIKEN, Saitama, Japan.

mechanism of episodic memory, Invited talk, DDAP5,

４) Yuzuru Sato, Organizer, Mathematical Sciences Collo-

Nara Public Hall, Sept. 9-12, 2008.

quium Series, RIKEN, Saitama, Japan.

４) 津田一郎、海馬の数学モデル：エピソード記憶の理解

５) Yuzuru Sato, Organizer, Mathematical Sciences Tutorialに向けて、招待講演、Motor Controlの会、日本ベーリ

Series, RIKEN, Saitama, Japan.

ンガーインゲルハイム主催、千里ライフサイエンスセ
ンター、11月28日、2008年.

4.8

シンポジウムの開催（組織者名、シンポジウム名、参５) 津田一郎、Chaotic itinerancy in the hippocampal CA3 and加人数、開催場所、開催期間）

contractive affine transformations in CA1 provide a dy-

１) 津田一郎、笹木敬司、西浦廉政、上田哲男、石橋晃、

namical interpretation of complex memory、招待講演、ニ居城邦治、佐藤譲、山口裕“The 10th RIES-Hokudaiューロコンピューティング研究会（NC）、北海道大学International Symposium on 綾[aya]”（100名、札幌（北百年記念会館、1月19日-20日、2009年.

海道大学）、2008年12月8日～9日）

６) I. Tsuda, Hypotheses on the functional roles of chaotic
予算獲得状況

transitory dynamics, International Conference for Nonlin-

4.10

ear Sciences - SAPPORO WINTER SCHOOL, Conferenceａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、期間）Hall, Hokkaido University, February 10-14, 2009.

１) 津田一郎、基盤研究 B 一般、カオス的遍歴のシナリ

７) I. Tsuda, Hypotheses on the functional roles of chaotic

オに関する研究、2006～2009年度

transitory dynamics, Invited talk, Dynamic Brain Forum'09 (DBF'09), Atami, Japan, March 2-4, 2009.

２) 津田一郎、特定領域研究、エピソード記憶形成に関す

８) Yuzuru Sato, Random Dynamics from Time Serieses of

る海馬の数理モデルと実験的検証、2008～2009年度
３) 津田一郎、特定領域研究、動的素子のネットワークに

Rotating Fluid, invited talk, Dynamics Days Asia-Pacific,

於ける環境に対する適用メカニズムの研究、2008～

Nara, Japan, (2008).

2009年度

９) Yuzuru Sato, Random Dynamics from Time Serieses of― 87 ―

４) 津田一郎、萌芽研究、カオスネットワークの進化、200818) 佐藤譲、独立行政法人理化学研究所

脳科学総合研究センター、客員研究員（2008年5月1日～2009年3月31日）～2010年度

19) 山口裕、北海道大学数学連携研究センター兼務教員

ｆ．その他（研究担当者、機関名、研究題目、研究期間、（2008年4月1日～2009年3月31日）

総経費、研究内容）

ｄ．その他

１) 津田一郎、北海道大学、平成20年度、新設組織基盤整

１) 津田一郎、ダイナミックブレインプラットフォーム委

備経費、数学連携研究センター員会委員 （2008年4月1日～2009年3月31日）
4.12

２) 山口裕 、
ダイナミックブレインプラットフォーム委員

社会教育活動会委員 （2008年4月1日～2009年3月31日）

ｃ．併任・兼業

ｆ．外国人研究者の招聘（氏名、国名、期間）

１) 津田一郎、独立行政法人科学技術振興機構、「戦略的創造研究推進事業」領域アドバイザー（2008年6月6日～

１) Leslie Kay、USA（2008年9月20日～2008年9月27日）

2009年3月31日）

２) Peter Erdi、Hungary（2008年11月1日～2008年11月22日）
３) Marko Robnik、Slovenia（2008年11月19日～2008年11月

２) 津田一郎、独立行政法人理化学研究所 分子情報生命21日）

科学特別研究ユニット、客員主管研究員（2008年5月1

４) Johan Lauwereyns、New Zealand（2009年1月15日～2009

日～2009年3月31日）

年1月17日）３) 津田一郎、独立行政法人理化学研究所 脳科学総合研究センター、客員主管研究員（2008年5月1日～2009年3ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）

月31日）

１) 津田一郎、全学共通、一般教育演習、2008年10月1日～
2009年3月31日

４) 津田一郎、文部科学省、「科学技術国際協力の総合的推

２) 津田一郎、全学共通、微分積分学１、2008年10月1日～

進」専門家（2008年10月4日～8日）

2009年3月31日

５) 津田一郎、科学技術動向研究センター、専門調査員

３) 津田一郎、理学部、数理科学基礎、2008年4月1日～2008（2008年4月1日～2009年3月31日）

年9月30日６) 津田一郎、北陸先端科学技術大学院大学、アカデミッ
クアドバイザー（2008年11月27日～2009年3月31日）

４) 津田一郎、理学部、計算数学特論３、2008年4月1日～

７) 津田一郎、北陸先端科学技術大学院大学、評価・審査

2008年9月30日

委員会委員（2008年11月23日～2009年3月31日）

５) 津田一郎、理学部、現代数学への招待、2008年4月1日

８) 津田一郎、玉川大学術研究所、非常勤特別研究員客員～2008年9月30日

教授（2008年4月1日～2009年3月31日）

６) 津田一郎、理学部、計算数学講究３、2008年4月1日～

９) 津田一郎、財団法人 国際高等研究所、特別委員（20082008年9月30日

年4月1日～2009年3月31日）

７) 津田一郎、医学研究科、脳科学研究の展開Ⅳ「脳科学10) 津田一郎、財団法人 国際高等研究所、「生物進化の持研究パラダイム」カオス理論、2008年4月1日～2009年3

続性と転移」研究プロジェクト研究代表者（2008年4

月31日

月1日～2009年3月31日）

８) 理学部、コンピュータ、山口裕、2008年10月1日～200911) 津田一郎、財団法人 国際高等研究所、「認識と運動に

年3月31日おける主体性の数理脳科学」研究プロジェクトメンバ

ｈ．北大以外での非常勤講師（担当者、教育機関、講義名､ー（2008年4月1日～2009年3月31日）

期間）

12) 津田一郎、大阪大学工学研究科知能・機能創成工学専

１) 津田一郎、大阪大学工学部、知能・機能創成工学に関攻、招へい教員（招へい教授）（2008年4月1日～2009

する研究と教育について、2008年4月1日～2009年3月

年3月31日）31日２) 津田一郎、九州大学システム情報科学府、情報工学特13) 津田一郎、九州大学大学院システム情報科学府、非常

別講義、2008年4月1日～2009年3月31日

勤講師（2008年4月1日～2009年3月31日）

ｉ．ポスドク・客員研究員など

14) 津田一郎、広島大学、外部評価委員（2008年7月22日～

・ポスドク

2008年9月30日）
15) 津田一郎、
日本ベーリンガーインゲルハイム株式会社、

Kang Hunseok（電子科学研究所）
・学術研究員

講師（2008年10月28日）

田所 智（電子科学研究所）

16) 津田一郎、北海道大学数学連携研究センター兼務教員

黒田 茂（電子科学研究所）（2008年4月1日～2009年3月31日）

・研究生

17) 佐藤譲、独立行政法人理化学研究所 分子情報生命科学特別研究ユニット、客員研究員（2008年5月1日～2009

安岡卓男（電子科学研究所）

年3月31日）玉井信也（電子科学研究所）― 88 ―

性キラル添加剤としての特性を評価した。
ビシクロ型面不斉アゾベンゼンの構造を図 1 左に示す。
教

授 玉置信之（千葉大院、工博、2008.10～）

本化合物は、光異性化反応を示す部位が二箇所あるため、

助

教 亀井 敬（東北大院、工博、2008.10～）単環型でアゾベンゼン部位を一つ有する化合物よりも光に

深港 豪（九州大院、工博、2008.12～）

よる構造変化が大きいと予想される。本化合物は、アゾベ

博士研究員 Meethale Chelaveettil Basheer（2008.10～）

ンゼン部位の幾何異性としてトランス－トランス体(EE )、事務補助員

トランス－シス体(EZ )、シス－シス体(ZZ )の 3 つが存在し、平出ありさ

そのそれぞれに一対の鏡像異性体(R と S)が存在する。アゾ
ベンゼン部位のシス－トランス異性化の間にラセミ化反応

１．研究目標を起こすことはない（図 1 右)。一方の鏡像異性体のトラン

生体内では、DNA、タンパク質、糖、脂質などが、生体ス体を単離し、市販のネマティック液晶に添加したところ、内外の刺激を受け、分子構造、集合状態、他の分子との相十分に高い相溶性を示した。光異性化反応に伴うねじり力

互作用を変化させることで結果的に情報を処理して、何らの変化を測定したところ、興味深いことに、4-ペンチルシ

かの最終的な化学的または物理的変化として出力を行う、

アノビフェニル(5CB)や ZLI-1132 のようなビフェニル（もいわゆる「スマート分子」として働いている。われわれは、

しくはシクロヘキシルフェニル）型のネマティック液晶中

スマート分子を合成によって創成することを目的として、では、光反応前後においてねじり力の向きが逆転する現象

光等の刺激によって構造変化を示す分子の合成、分子構造が観察された(表 1 )。この結果は、光信号の入力に対する変化によって誘起される分子集合状態や他の分子との相互出力として、単に反射波長のシフトだけでなく、旋光度の作用の変化の解析を行っている。具体的には、光エネルギ

符号の逆転を用いることができ、出力信号としての S/N をーを利用した分子内の回転運動の制御、光エネルギーを使より大きくすることが可能と考えられる。

って位置を変化させる光駆動分子機械の創成、光応答性分子による液晶分子配列の制御、物理的キラル場による分子キラリティーの誘起を目指している。

２．研究成果(a) 新規光応答性キラル液晶の開発と光学的性質
液晶とは、流動性がありかつ分子配列に一定の規則性がある状態、いわゆる液晶相を示す物質で、現代のディスプ
レーにはなくてはならない物質である。一方で、スマート
分子の素材としても興味が持たれる。すなわち、様々な刺激で誘起される分子構造変化の情報を、分子間相互作用を介して伝播し、結果的に増幅された光学特性を出力できる。
本研究では、光の刺激を受けて分子配列を変化させ、最終的に反射波長や旋光性の変化という形で出力する液晶素子
Fig. 1 Chemical structure of bicyclic azobenzene 1 and photoand thermal isomerization scheme of each enantiomer.

を開発する目的で高効率の「光応答性キラル添加剤」の開発を目指した。キラル添加剤は、一軸の光学異方性のみを有する棒状液晶であるネマティック液晶に添加すると分子配列にねじれを誘起し、キラルネマティック液晶相を発現する。その性能は、単位濃度あたりの液晶に誘起できるね
じりの大きさ（ねじり力）や液晶に対する溶解性で評価される。キラル添加剤が光反応によって可逆的に分子構造をTable 1. Helical twisting power (/m-1) of dopants in different NLC
hosts as determined by Cano’s wedge method and the observedchange in values by irradiationa.
Dopant変化させ、結果的にねじり力が変化する場合は、光応答性
キラル添加剤と呼ばれ、液晶に添加すると光刺激のみで液晶の分子配列のねじりを可逆的に変化させ、選択反射波長(R)E,E-1や旋光性を非接触で変化させることが可能となる。これまでに面不斉を示すアゾベンゼン誘導体を新規に合成し、そ(S)E,E-1の中でアゾベンゼンとナフタレンを環状に結合した単環化合物が優れた光応答性キラル添加剤となることを示してきた。今回は、ビシクロ型面不斉アゾベンゼンの光応答

 (m-1)

 [%]b

Host
NLC

InitialPSSuv

PSSvis5CB
ZLI-1132
DON-103
5CB
ZLI-1132
DON-103

–6
–7
+5
+6
+7
–5

+ 32
+ 28
+ 37
– 32
– 28
– 37

+ 26
+ 23
+ 28
– 26
– 23
– 28

633
500
640
633
500
640

a
Positive and negative values represent right-and left-handed helicaltwists, respectively. b Percent change in observed from initial to PSSUV.

― 89 ―

(b) 新規光応答性キラル液晶の開発と機械的性質

い。したがって、面不斉に基づく一対の鏡像異性体が安定

近年、Feringa らは、光応答性キラルネマティック液晶上に存在する。本化合物をネマティック液晶に添加するとキでミクロンサイズのガラスロッドを光反応のみで回転させラルネマティック相が誘起され、436nm 光と >500nm 光の照ることに成功している。1 ナノメーター程度しかない添加

射によるアゾベンゼン部位のトランス－シス異性化反応に剤分子の光反応による構造変化が、液晶分子によるミクロ

伴いそのねじり力は変化した。この液晶上にミクロンサイ

ンサイズの分子配列構造を回転させ、結果的に液晶上のミズのガラスロッドを添加し、436nm 光と >500nm 光を交互にクロンサイズのガラスロッドを回転させるのである。すな

照射するとそれぞれ逆方向にガラスロッドが回転すること

わち、キラルネマティック液晶は、光エネルギーを回転運がわかった(図 3 )。この結果は、本現象がキラル添加剤の動に変換する分子機械のメディアにもなりえる。しかし、構造によらずかなり一般的なものであること、および、左本系はヘリカル不斉や軸不斉を有する限定された化合物を

右両方向のガラスロッドの回転を波長の異なる光を使う光

光応答性キラル添加剤として用いた場合に示されているの反応のみで実現できることを示したものである。

みで、現象の一般性などわかっていない点が多い。そこで我々が新規に合成した面不斉型の光応答性キラル添加剤を

３．今後の研究の展望

用いて同様の分子機械が実現できるのか、また、光のみに

今年度の研究により、環状化合物内のアゾベンゼン部位

よる左右両方向のガラスロッドの回転運動が可能であるかのシス－トランス異性化反応により、媒体である液晶の分を調べた。
合成した化合物は、環内に 2,5-ジメトキシベンゼンを有子配列の右巻き、左巻きをスイッチできること、さらに、する環状アゾベンゼンである(図 2 )。本化合物中の2,5－ジ

ねじりの強さを変えて結果的にミクロンサイズのガラスロ

メトキシベンゼンは立体障害のために自由回転が起こらな

ッドを光の作用のみで左右に自由に回転できることを示した。しかし、これまでの成果では光エネルギーは単にスイッチに使われているのみである。一方で、生体内の分子機
械は、ATP の化学エネルギーを繰り返し利用して細胞内の物質移動などの仕事を行なっている。われわれ以外の研究も含めて、スイッチではなく真に仕事を行う人工分子機械
は未だ合成されてはいない。今後は、光異性化反応による構造変化の繰り返しを真に仕事に変える分子システムを構築したい。そのための第一段階として、分子の構造変化で別の分子、または、分子内の別の分子ユニットの運動を正確に ON-OFF で制御する仕組みを構築する。また、生体のモータータンパクの仕組みを一部利用した半合成光駆動分

Fig. 2 Chemical structure of compound 2

子機械の構築を試みる。

Fig. 3 Optical microscope images (X 20) of a rotating glass rod on a chiral liquid crystal containing
1.1 wt% of 2 with lines due to helical molecularorder upon 436 nm (first 10 picrures) and >500 nm(second 10 pictures) irradiation.

― 90 ―

ⅲ）コロキウム・セミナー等・その他

４．資料
4.1

１) N. Tamaoki : “ Photochromic compounds with planar

学術論文等

chirality and their chiro-optical property”, JSPS-CNRS

１) Y. Norikane, D. Riju and N. Tamaoki : “Photochromism of

Seminar New Horizons of Photochromism-From Design ofa spiroperimidine compound in polymer matrices”, New

Molecules to Applications-, Hotel du Golf(Arras), France

Journal of Chemistry, (33) : 1327-1331 (2009)(2008-10)

２) T. Kamei, H. Akiyama, H. Morii, N. Tamaoki and T. Q.
Uyeda : “Visible-Light Photocontrol of (E)/(Z) Isomeri-

4.9

zation of the 4-(Dimethylamino)azobenzene Pseudo-ｄ．受託研究（研究担当者、機関名、研究題目、研究機関、

Nucleotide Unit Incorporated into an Oligonucleotide and

共同研究
総経費、研究内容）

DNA Hybridization in Aqueous Media”, Nucleosides, Nu-

１) 深港豪（科学技術振興機構(JST)）：「単一分子蛍光計測

cleotides and Nucleic Acids, Taylor & Francis, 28(1) :で探るキラリティーの本質」、2008～2011年度、37800

12-28 (2009)

千円、分子のキラリティー(不斉)は生命現象に密接に

３) N. S. Kumar, S. Abraham, K. V. Ratheesh, N. Tamaoki, S.

関わる重要な性質です。通常の分子集団系では、分子

Furumi and S. Das : “Indane-1,3-dione and cholesterol

それぞれに不斉が存在しても、ラセミ混合物では不斉

containing butadiene derivatives:Photoresponsive liquidを議論できません。もし、分子一つ一つの不斉を測定

crystalline glasses for imaging applications”, Journal of

できれば、たとえラセミ混合物においても不斉の議論

Photochemistry and Photobiology A:Chemistry (2008)

が可能となります。本研究では、単一分子蛍光計測を

４) F. Zhang, M. Funahashi and N. Tamaoki : “Thin-film

応用し、円偏光励起および円偏光蛍光により分子一つ

transistors based on liquid-crystalline tetrafluorophenylter

一つのキラリティーを直接測定することを目指します。

thiophene derivatives:thin-film structure and carrierｇ．委任経理金（奨学寄付金）

transport”, Organic Electronics , ELSEVIER, 10 : 73-84

１) 深港豪（徳山科学技術振興財団）：「不可視型ジアリー(2008)

ルエテンを用いた 2 光子フォトクロミック分子材料の開発」、2008年度、2000千円、本申請では、申請者が開

4.2

総説、解説、評論等発した「不可視型フォトクロミックジアリールエテン」

１) 舟橋正浩、
玉置信之：「螺旋構造を持つ液晶性半導体」、を用いた、大きな 2 光子吸収断面積を有し、効率良い光技術コンタクト、社団法人日本オプトメカトロニク

２光子フォトクロミズムを示すジアリールエテン分子ス協会、(47)：17-22 (2009)の開発を目的としている。

4.7

4.10

講演

予算獲得状況

ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、ｂ．一般講演期間）ⅰ）学会１) 玉置信之、特定領域研究、光駆動の分子機械を創成す

１) 園田与理子、後藤みどり、都築誠二、秋山陽久、玉置るための基盤研究、2007～2010年度

信之：「フッ素置換ジフェニルポリエンの結晶相[2+2]２) 深港豪、若手研究 B 一般 (1)、非破壊的に情報読み出

光重合」、日本化学会第89春季年会2009、日本大学理工し可能な単一分子光スイッチの開発、2006～2008年度

学部船橋キャンパス (2009-03)
２) 本橋壮志、木原秀元、玉置信之、松村一成、秋山陽久：「アセトラセンの光二量化により得られるポリマーの

4.12

アモルファスー結晶相移転を利用した階調パターニン

ｃ．併任・兼業

社会教育活動グの形成」、高分子学会茨城地区若手の会、レイクサイ

１) 深港豪：さきがけ「光の利用と物質材料・生命機能」
領域研究者 （2008年10月1日～2012年3月31日）

ドつくば (2008-10)２) 玉置信之：東京大学ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ

大学院工学系研究科教授（2008年10月1日～現在）

１) 玉置信之、秋山陽久：「光駆動の分子機械を創成するための基盤研究」、特定領域研究「フォトクロミズムの攻ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）

究とメカニカル機能の創出」第 3 回公開シンポジウム、

１) 理学院、分子組織科学特論、玉置信之、2008年10月1日～2008年11月30日

京都テルサ (2009-01)

ｉ．ポスドク・客員研究員など

２) 深港豪：「反応点に共役的にペリレンイミド色素を導入

・ポスドク（1名）

したジアリールエテンのフォトクロミズム」、特定領域
研究「フォトクロミズムの攻究とメカニカル機能の創出」第 3 回公開シンポジウム、京都テルサ (2009-01)― 91 ―

化への障害になっている。
助

教 眞山博幸（北大院、博(工)、2003.5～）

１．研究目標ボトムアップ・ナノテクノロジーの手法を用い、エレク
トロニクス、フォトニクス、バイオニクス等のデバイス開発を行う。その際、自己組織化、メゾスコピック、フラク
タル、超分子等の概念を、開発の指導原理として活用する。

図１．超撥水フラクタル表面上の水滴。材料はアルキルケテンダ
イマーで、接触角は174°

本年度はフラクタル・ナノテクノロジーの開拓に集中して研究を行った。
数学の概念であるフラクタルを、機能性材料開発の指導原理として利用する。ナノサイズのフラクタル構造を現実の物質に実現し、それを特徴的な物性の発現に結びつける。
更に、発現した特徴的物性を応用する開発研究まで展開する。フラクタル表面は、純数学的には無限大の表面積を有する。現実の物理世界において、無限大の表面積はあり得
ないが、フラクタル表面は大変大きな実表面積を持つことを意味する。この大きな実表面積が、例えば濡れの現象に応用された時、超撥水／超撥油表面を実現する。この様に、

図２．フラクタル表面の電子顕微鏡像。凹凸の入れ子構造が見て取れる

ナノサイズのフラクタル構造を現実の物質に実現し、様々な機能性デバイスを開拓する。

(b) ワックス表面における自己組織的フラクタル構造形
成のメカニズム解明

２．研究成果先のアルキルケテンダイマー・ワックスは、自己組織的

１）フラクタル・ナノテクノロジーの開拓（自発的）にフラクタル表面を形成する。この自発的フラク(a) フラクタル構造による超撥水／超撥油表面の開発と

タル表面形成のメカニズムを解明することは、フラクタル

応用

構造を自在に作製して利用したり、フラクタル次元の制御

フラクタル表面は、大きな凹凸の中に小さな凹凸があり、等に有効であると考えられる。そこで、各種のワックスの

小さな凹凸の中に更に小さな凹凸があるといった、入れ子

融液を固化することによって表面を作製し、その撥水性、（自己相似）構造を有している。従って、その実表面積は見

表面構造、相挙動を研究した。その結果、ワックスが融液掛けの表面積に比べて著しく大きくなる。一方、固体表面から固化する際に、一度準安定な結晶相になり、その後熱の濡れは、実表面積の増大によって強調される。濡れる（接力学的に最も安定な結晶相に転移する過程（多形転移）が、触角が90より小さな）表面はより濡れる様になり、はじく

フラクタル表面形成に必須であることが判明した。その様（90より大きな）表面はよりはじく様になる。濡れのこのな準安定相を有するワックスがフラクタル表面を形成し、性質により、フラクタル表面は完全に濡れる超親水表面や、直接安定相に固化するワックスは平滑な表面となり、超撥

完全にはじく超撥水表面になる。更に、フッ素系の化合物

水性も示さないことが、少なくとも研究に用いた15種のワを表面に配列させることにより、油をもはじく超撥油表面ックスに関しては、例外なく確かめられた。

を得ることが出来る。

さらに結晶構造の変化（多形転移）の過程でフラクタル

図 1 に、アルキルケテンダイマーというある種のワック

表面構造、特にリン片構造が形成されることから、結晶構

スの、フラクタル表面上の水滴の写真を示す。接触角は174

造変化の際に生じる変形エネルギーと新たに形成されるリである。この表面の電子顕微鏡写真を図 2 に示す。大きな

ン片の表面エネルギーのバランスに注目すると実際に観察

アジサイの花様の凹凸の中に、鱗片状の結晶がぎっしりつされるリン片のサイズを記述できることを見出した（同じ

まっており、フラクタル的な入れ子構造であることが分かような表面リン片構造の形成はチョコレートの表面客家現る。この表面が、0.2－34 mの範囲でフラクタル（自己相象でも見られることが知られている）。図 3 はフラクタル表似）構造であること、そのフラクタル次元が2.29であるこ面を形成する油脂の一つであるトリステアリンの多形転移と等が、解析の結果分かった。

の模式図である。図 4 は結晶構造の変化とリン片形成の関

アルキルケテンダイマーは、接触角が174の超撥水表面

係の模式図である。結晶構造転移に伴ってまず縦方向に圧を形成するが、残念ながらその性能に耐久性がなく、実用

縮が生じ、新しい表面（亀裂）が形成され、その後、横方― 94 ―

向に膨張してリン片が立ち上がる。このメカニズム解明に

カのフラクタル立体を、図 5 に示す。この立体のフラクタより、リン片サイズのデザイン、油脂の分子構造のデザイ

ル次元、空隙率等の測定結果は、Menger sponge と呼ばれるンが可能となり、最終的には現象をデザインすることがで

数学モデルとよく一致することが分かった。また、内部に50 nmから30 mまで連続的に大きさの異なる孔が存在する

きるようになった。

ことも確認された。この新規な材料の特徴的な性質の開拓を、現在研究中である。

図５．シリカのフラクタル立体（右）と、その合成に鋳型として利用された、アルキルケテンダイマーのフラクタル微粒子の電子顕微鏡写真（左）。

３．今後の研究の展望
図３．トリステアリンの分子構造(a)と多形転移(b)フラクタル・ナノテクノロジーの研究では、先ず超撥水／超撥油表面の実用化を目指す。そのために必要なことは、
超撥水／超撥油性能の耐久性向上と表面構造メカニズムの解明である。フラクタル立体については、現在合成に成功した段階で、今後は特異な物性／機能を見出すことが重要である。現在その研究が進行中である。また、フラクタル
立体と関連して、フラクタル次元での相転移臨界現象の研究も進行中である。例えば、フラクタル磁性体の臨界点に関する理論および実験的研究を行っており、フラクタル次元と臨界点近傍の物性との間に密接な関係があることを見出している。

図４．結晶構造変化とリン片形成の模式図。仮想的なリン片サイズを考え、変形エネルギーと新たに生じる表面エネルギーのつりあいを考える。

(c) フラクタル立体の創製
フラクタル表面の実現と応用だけではなく、フラクタル
立体の創製にも取り組んできた。フラクタル立体は、純数
学的には体積が 0 で、表面積が無限大の物体である。実世
界でフラクタル立体を実現すれば、大変体積が小さく表面積の大きな物体が出来るはずである。当研究室では、上記の自己組織的にフラクタル構造を形成するアルキルケテン
ダイマー・ワックスを利用し、表面にフラクタル構造を有する微粒子を鋳型として用いることによって、その合成に成功した。具体的には、アルキルケテンダイマーの微粒子を噴霧法で作製し、その表面がフラクタル構造になってから寄せ集め、その集積微粒子間をテトラメチルオルトシリ
ケート溶液で満たし、ゾル／ゲル法で固化してから、鋳型の微粒子を焼成することによって除去した。得られたシリ― 95 ―

６) 南貴之、眞山博幸、辻井薫：「混合ワックス系における

４．資料
4.1

超撥水フラクタル表面の形成」、
第61回コロイドおよび学術論文等

界面化学討論会、九州大学（六本松キャンパス）１) H. Mayama : “Blooming theory of tristearin”, Soft Matter,(2008-09)

Royal Society of Chemistry, 5(4) : 856-859 (2009)７) 飯間信、田坂裕司、佐藤讓、眞山博幸：「自由表面大変

２) H. Mayama, T. Minami and K. Tsujii : “Spontaneous

形を伴う円筒容器内の回転流れの実験および数理的解

Formation of Super Water-Repellent Fractal Surfaces in

析」、日本流体力学会年会2008、神戸 (2008-09)

Mixed Wax systems ” , J. Phys. Chem. B, 112(46) :ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ

14620-14627 (2008)１) 南貴之、眞山博幸、辻井薫：「超撥水フラクタル表面の

３) D. Yamaguchi, H. Mayama, S. Koizumi, K. Tsujii and T.

形成機構」、第53回高分子夏季大学、洞爺湖万世閣（2007-07）

Hashimoto : “Investigation of the self-assembled fractal
porous-silica over an extremely wide length scale via２) 眞山博幸、山口大輔、小泉智、橋本竹治、辻井薫：「中

combined small-angle scattering method”, The European

性子散乱実験によるフラクタル立体の次元性」、
日本化

Physical Journal B, 63 : 153-163 (2008)

学会北海道支部2007年夏季研究発表会、旭川工業高等

４) N. Izumi, T. Minami, H. Mayama, A. Tanaka, S. Nakamura,

専門学校（旭川）(2007-07)

S. Yokojima, K. Tsujii and K. Uchida : “Super Water-３) 小野祐輔、眞山博幸、辻井薫：「フラクタル構造を有す

Repellent Fractal Surfaces of a Photochromic Diarylethene

るポーラスシリカの表面積・細孔分布」、日本化学会北Induced by UV Light”, J. J. Appl. Phys., 47 : 7298-7302

海道支部2007年夏季研究発表会、旭川工業高等専門学(2008)

校（旭川）(2007-07)
４) 南貴之、眞山博幸、辻井薫：「ワックスによる超撥水フ

4.2

総説、解説、評論等

ラクタル表面の形成機構」、日本化学会・北海道支部・

１) 飯間信、田坂裕司、佐藤讓、眞山博幸：「自由表面大変

2007年夏季研究発表会、旭川工業高等専門学校（旭川）形を伴う円筒容器内の回転流れの実験および数理的解(2007-07)

析」、日本流体力学会年会2008講演論文集 (2008)

５) T. Minami, H. Mayama and K. Tsujii : “Formation
mechanism of super water-repellent fractal structures on

4.7

講演

wax surfaces”, The 9th RIES-Hokudai Internationalａ．招待講演

Symposium on 「 創 」 , Hokkaido University (Sapporo)

１) 眞山博幸：「非整数次元を有する多孔質体：フラクタル(2008-01)

立体の創製」、第10回フォトニックフラクタル研究会、
大阪大学接合科学研究所（大阪）(2007-07)

６) H. Mayama and K. Tsujii : “Fractal dimension of fractal
porous silica in real and reciprocal spaces”, The 9thｂ．一般講演RIES-Hokudai International Symposium on 創 [Sou],ⅰ）学会

Creatuve Research Initative “Sousei”, Hokkaido Univer-１) 眞山博幸：「油脂表面の白化現象：ファットブルーミン

sity (2008-01)

グのメカニズム」、日本物理学会第64回年次大会、立教

７) 南貴之、眞山博幸、辻井薫：「ワックス表面における超大学、立教池袋中学・高校 (2009-03)

撥水フラクタル構造の形成メカニズム」、
第42回高分子２) 眞山博幸、澤田石 哲郎、辻井薫、下村政嗣：「コロイ学会北海道支部研究発表会、北海道大学（札幌）

ド分散液の気液界面における結晶成長のリミットサイ(2008-01)

クル」、日本物理学会2008年秋季大会、岩手大学上田キャンパス (2008-09)
３) 眞山博幸、小野祐輔、辻井薫：「マルチスケールにおけるフラクタル立体の階層構造」、
日本物理学会2008年秋
季大会、岩手大学上田キャンパス (2008-09)
４) 眞山博幸、澤田石哲郎、辻井薫、下村政嗣：「コロイド
分散液の気液界面におけるパターンの形成メカニズム」、第61回コロイドおよび界面化学討論会、九州大学（六本松キャンパス）(2008-09)
５) 眞山博幸、小野祐輔、辻井薫：「細孔容積と比表面積測定によるフラクタル・ポーラスシリカの幾何学」、第61回コロイドおよび界面化学討論会、九州大学（六本松キャンパス）(2008-09)― 96 ―

の研究成果を下に、ナノテクノロジー新領域（複合領域ナ
ノサイエンス）創製に向け分野横断的・融合的な研究課題
教授 徳本洋志（阪大院、理博、2002.11～）

助教 畔原宏明（東工大院、工博、2004.2～）

学術研究員
院

の探索を行う。

浮田桂子（弘前大学、2006.6～）

２．研究成果生 藤枝 正（2006.4～）

共同研究岡嶋孝治准教授（情報科学研究科）（a） 原子間力顕微鏡による細胞レオロジー関する研究
本研究は情報科学研究科・生命人間情報科学専攻

清水哲夫、安藤 淳、菅 洋志、田中深幸

システム工学講座（産業技術総合研究所）

生体細胞情報工学研究室の河原剛一教授、(株)寿産業岡嶋准教授（2007.3までナノ理論研究分野助教授）、学生（平(株)札幌エレクトロプレイティング

塚伸一郎、水谷祐輔）との共同研究で進めたものである(a-1)

AFM による生細胞の複素弾性率計測

細胞のレオロジーは、運動性や分裂、蛋白質の合成など

１．研究目標の細胞機能と密接に関係している。AFM を用いて外場振動

ナノ理論研究分野では、ボトムアップナノテクノロジー（0.5～200Hz、振幅10nm）に対する力学応答を測定するこの基幹技術の 1 つである走査プローブ顕微鏡(SPM)技術ととにより、生細胞のミリ秒領域の複素弾性率を精密に測定優れたナノ材料であるナノカーボン材料（カーボンナノチできる。これまでの研究では数個の細胞の測定から議論さューブやグラフェン）の高度化を目指す。この両者を組みれてきたが、より定量的な解析のためには充分な量の細胞合わせた新規バイオナノ計測・診断（単一分子、単一細胞について計測することが必要である。そこで、本研究ではの構造と機能の相関解明）技術の開発に力を入れている。

これまでに構築してきた AFM とマイクロアレイ技術を組

特に、生細胞の機能解明に繋がる静的・動的・化学的情報
を力学的手法（AFM）を用いて、細胞内の混沌とした中でNon-Specific な相互作用（ポリマー物理的）や細胞膜表面でSpecific な相互作用（分子生物学的）をその場観察・計測する技術の確立を目指す（図 1 、図 2 参照）。さらに、これら

図３．マイクロアレイ細胞培養技術とフォースモジュレーション法の測定概念図。

図１．生細胞における細胞内部および細胞膜の概念図。

図４．フォースモジュレーションで測定した繊維芽細胞 NIH3T3（約130個)の5Hz(a)、100Hz(b)、200Hz(c)における複素弾性率G＊の）実部(左)と虚部(右)の頻度分布。実線は Log-Normal
Distribution 関数にフィットさせたものである。

図２．本課題の具体的内容。

― 97 ―

み合わせた測定法を用いて、多数細胞（130個、マウス由来の様々な外的刺激に対する力学的特性を介した応答変化をの繊維芽細胞 NIH3T3）の複素弾性率を測定した。図 3 に本評価できる可能性を示した。

研究で開発し計測に用いたフォースモジュレーション法の概略を示す。参照周波数におけるカンチレバーの変位振幅と位相をロックイン検出して、細胞の複素弾性率を算出するものである。こうして得られたいくつかの周波数で得られた130個の細胞の複素弾性率（実部と虚部）の頻度分布を
図 4 に示した。これらの図に表れている最大頻度における値の周波数依存性を求めると、図 5 のようになり、周波数に対してべき関数である structural damping model でよくフィットできることがわかった。

図６．独自に開発したマイクロアレイ技術と AFM・光学顕微鏡を組み合わせた装置

図７．マイクロアレイにマウス由来の繊維芽細胞（NIH3T3）を播種し12時間培養した際の核の染色画像(a)、3時間(b)および12時間(c)培養した後のF-actinの染色ラベリング像。

図５．フォースモジュレーションで測定した複素弾性率 G＊の実部（●）と虚部（○）の周波数依存性。

(a-2)

AFM による多数細胞の接着過程の細胞弾性率計測

既に記述したように AFM による単一細胞の力学計測は
これまで 1 個もしくは数個の細胞の力学計測によって細胞の評価を行ってきた。しかし、同一環境下で同一細胞を用いた場合でも形態・機能において極めてばらつきが大きく、数個の細胞の測定結果から力学特性を定量化することは容易ではない。従って、多数の細胞を測定し統計的な分布を明らかにすることが望まれる。そこで、本研究では独自に開発したマイクロアレイ技術と AFM・光学顕微鏡を組み合わせた装置（図 6 ）を用いて、AFM により多数の細胞の力学特性を高速に計測すること昨年に引き続き行った。細胞接着初期過程では、細胞骨格がダイナミックに変化している。そこで、ハニカム状に加工された microarray に細胞を播種し配列させることで定量的に細胞の初期接着過程の平均的な力学的特性の測定を可能にし、接着時間に伴った細胞の力学的特性の比較・検討を昨年に引き続き行った。
実験にはコロイドプローブカンチレバーを用いた。図 7
図８．上から培養 3, 6, 9 時間後の細胞のヤング率の度数分布

はマイクロアレイに細胞（マウス由来の繊維芽細胞
NIH3T3）を播種し12時間培養した際の核の染色画像(a)であり、配列が確認できた。(b)と(c)は、3 時間および12時(b) バイオ分析用 CNT-AFM テクノロジーに関する研究間培養した後の F-actin の染色ラベリングの結果である。図カーボンナノチューブ（CNT）を用いバイオ・生体関連

8 は培養 6 時間後の細胞のヤング率の度数分布である。培

材料の極微小領域の構造を解析・分析する AFM 新技術を開

養 3 , 6 , 9 時間と培養時間に伴って、細胞のヤング率は有意発することを目的に、脂質二分子膜（細胞模擬膜）への探に増加することを示した。接着開始より伸展する際、細胞針挿入技術、CNT 探針先端の化学修飾技術および CNT 探針

骨格の重合が促進することから、定量的に細胞の力学的特を用いた化学力 AFM プローブ作製技術等の要素技術の研性を計測することが可能であることが分かり、今後細胞へ究を昨年度に引き続き行った。

― 98 ―

(b-1) 微小孔保持マイクロ人工膜の作成と力学応答
リポソームや脂質二分子膜といった人工膜はバイオセン
シング、ドラッグデリバリーシステム、薬物吸収評価シス
テムの膜材料として注目されている。本研究では集束イオ
ンビーム加工観察装置を用い、シリコン薄板に穿孔加工を行い（図 9 ）、その微小孔において自立する人工膜を形成する技術の確立を目指した。Dimyristoyl phosphatidyl choline
からなる人工膜を作成し、AFM を用いて形状を確認することができた（図10）。また、フォースカーブの測定結果より、
この膜の見かけの剛性はカンチレバーと同程度（およそ0.05N/m）であることが判った。
図11．多層 CNT 探針先端の化学修飾反応スキーム

Deflection / nm

図９．FIB によるシリコン薄板への穿孔加工例

100
50
0
-50
-100

図12．CNT 探針を用いた吸着力測定結果とヒストグラム

400
800
1200
Piezo movement /nm

[nm]

500
400
300
0

2

4
[um]

6

8

図10．微小孔保持マイクロ人工膜の地形像(8.5nN)、断面図
およびフォースカーブ測定結果(b-2)

多層 CNT 探針を用いた水素結合相互作用測定法の開発
分子間相互作用解析を 1 分子レベルで行なうことを目指し、多層 CNT 探針に生体関連分子を修飾する技術および液中でのフォースカーブ測定に使用する技術の開発とともに、
CNT先端の官能基数の解析を試みた。
これまでに開発してきた -COOH 基で終端した多層 CNT

図13．CNT 探針を用いた吸着力ヒストグラムを二項分布で解析した結果。ここには、Si 探針をシトシン修飾した結果も示す。

探針先端に-SH基の導入、引き続き -S-S- 結合を会して化学修飾によりシトシン分子を付加するスキームを図11に示す。一方、グアニン修飾基板はいわゆるチオールを介して（探針上の分子数を n 、試料表面上の分子数を x とする）が金基板上に自己組織化により作製した。こうして作製した異なることを反映しているものと思われる。そこで、この探針および試料を用いてデカン中での CNT 探針とグアニン修飾基板との間に働く吸着力測定を4000回以上繰り返した結果と、そのヒストグラムを図12示す。測定を繰り返すで記述できるとして解析すると、図13に示すようになる。

ことによる吸着力の変化は認められず、CNT 探針の十分なSi 探針を修飾したときには平均として20個のシトシン分子

耐久性があるとともに、結合破断力に分布があることが分（確率は0.61、0.292nN/bond）が、CNT 探針の場合には 1 個る。これは、各回の破断実験において関与している分子数の分子（確率は0.59、0.289nN/bond）が結合していること― 99 ―

が分った。同様の計測を-COOH（探針）vs –COOH（試料）、を見出した。その後、主に電子顕微鏡観察・ラマン散乱測CNT 探針と Si 探針について行い、解析を行った結果を図14

定・X 線回折(XRD)・XPS 測定を中心として評価を行い、にまとめた。以上の結果、単一分子修飾CNT探針が可能でグラフェンシートであることを確実なものとし製造特許のあること、二項分布のあてはめによる単一結合力の見積も申請行った。と同時に、成長制御とナノスケール評価とのりは -COOH vs. -COOH で85pN、GC 対で290pN と約 3 倍と相関を行った。その結果、メッキ作業に先立って炭化物をなり、合理的な結果であることが分った。

ボールミルによりいわゆるストラクチャー構造を小さくすると同時に十分に水分散することにより、通常は20～50nm程度であったグラフェンシートの大きさを10倍程度まで大きくすることができた（図15）。

~260 nm

図14．二項分布により解析した結果のまとめ~400 nm(c) ナノカーボン材料の応用創製に関する研究
本研究は、(株)寿産業の國奥秀雄氏・徳井博樹氏・矢野雅己氏、(株)札幌エレクトロプレイティングの嶋村清隆
氏・相馬道明氏、産業技術総合研究所の清水哲夫氏・安藤
淳氏・菅洋志氏・田中深幸氏との共同研究で進めたものである。特に、（株）寿産業には研究費の援助に対して感謝いたします。
(c-1) グラフェンシート創製の研究
グランフェンシートは炭素原子が sp2 軌道で結合した炭図15．メッキ N i粒子上に成長した各種サイズのグラフェンシート
のSEM 写真。260nm（左）と400nm（右）まで成長したグラ
フェンシートの SEM 写真。

素原子一個の厚さのシートで、特異な物理現象（ディラック・フェルミオン、ドーピングにより n 型・p 型伝導にも(c-2) 無電解 Ni メッキ成長グラフェンの電子線構造解析

なりえる、など）を有している。2004年以降に、グラファ

無成長したグラフェンシートの SEM 写真を図15に示す。

イトから一層のグラフェンシートを剥がす、1,400℃の高温

これらの試料は、メッキ液の温度を高めにセットしいわゆ

加熱により SiC 表面に成長する、などによりグラフェンシ

る異常無電解 Ni メッキを施した後、真空吸引濾過・エタノートを作製できるようになり、重要な研究材料となった。

ール水で洗浄・乾燥し、さらにエタノール液中で数十分超

更に、グラフェンシートは、カーボンナノチューブ（CNT）

音波照射により大きな塊を小さく砕き STEM 用のメッシュに匹敵する電気・機械・化学特性を有している。このように滴下・乾燥し、日立製 HD2000－STEM 装置（200kV）でな特長に注目が集まり、米国やヨーロッパでは研究開発が観察したものである。SEM 像からグラフェンシートがカー勢力的に行われている。
日本では物性研究に中心がおかれ、テン様に成長していること、STEM 像からその中心は球状

CNT に比べて応用研究は非常に少なく、電子源としての応に近い Ni 粒子（STEM 像の黒い部分）、周辺に電子透過性の用が試みられている程度で研究の緒についたところである。

よい部分（グラフェンシート）が存在していること分る。

低温で高品質のグラフェンシートを多量に成長することがまた、実際に STEM 像の黒い中心部分と周辺部についてできれば、基礎から応用にいたる研究を革新的に展開でき

EDAX 計測をするとこれらのことが確認できる。

ると期待できる。

SEM 像（図15）において、コントラストの強い白く輝い

本研究では、寿産業株式会社・札幌エレクトロプレイテている部分が多く見られる。この部分はグラフェンシート

ィング株式会社と共同研究体制を組み、リサイクルの一つが写真面に対して垂直方向にそそり立っている（メクレあとして廃タイヤ由来炭化物の高機能化の研究を行ってきた。

がっている）ため二次電子イールドが大きいためである。

この研究中に、無電解 Ni メッキを比較的高温（50～90℃）

そこで、この部分に注目し原子オーダーの STEM 観察を行で行うと Ni 粒子表面にグラフェンシートが成長すること

うと、図16に示すように左上方の SEM 像の丸で囲った白く― 100 ―

光った部分では右上方から左下方へ揃った層状の構造（層間隔は約4.53Å、約20層）が明瞭に見られている。この値
は、メッキ中に層間にいろいろの物質が挿入されグラファ
イトの層間隔（3.354Å）に比べて充分に大きな値となっている。一方、電子線に対して垂直な面を見つけることもできる。この部分について日立製 HD2000-STEM システムの装置の最適化を行った上でナノ電子線回折を行うと図17に示すように 6 回対称のスポットパターンが観察でき、しっ図18．Ni グリッド上に成長したグラフェンシートのAFM 像（左：凹凸像、中：微分像；1μ角）。

かりとしたグラフェンとなっていることが分かる。しかし、グラファイトシートのサイズが小さいため複数のシートからの信号が重なっていることや電子線が試料に対して垂直に入射していないことなどを反映して、グラフェンシート
による明瞭な 6 回対称のパターンが得られない場合が多い。

図19．AFMによるいろいろの場所での電流・電圧測定。

d=4.53Å、～20層(c-3) ナノグラフェンシートの低電界電気測定
図16．SEM 像（左上方）の白く光った部分の超高分解能
STEM 写真（右）。

昨年度、無電解 Ni メッキで作製したナノグラフェンの低電界電気測定には 2 種の方法で行った。その一つは、ナノグラフェン Ni 粒子一個をナノギャップ電極上に固定し、DC 電流を 2 端子で測定するものである。その結果、ナノグ
ラフェンが半導体であること、電極とナノグラフェン・Ni
粒子の接触がトンネル的な接合になっていること、(dI/dV)/(I/V) を計算し電圧に対してプロットすると V 字型になり+グラフェンの典型的な状態密度関数と類似していることを見出した。
その二つ目は、Ni 粒子からグラフェンを剥し取り、エタ
ノール分散液として採取したものを SiO2 基板に滴下しナノグラフェンシート作製し電流・電圧特性を計測した結果を示す。本測定では、背面ゲートを有するナノギャップ電極デバイスに滴下し、いわゆる FET 的な動作特性を測定した（図20）。結果は第21図に示すようになり、ゲート電圧に

図17．数10nm に成長したグラフェンシートの SEM 写真と＋印の点で測定した電子線回折像（挿入図）。

大きく依存するソース･ドレイン電流が得られた。電流値自体は nA 領域で非常に小さく（考えられる原因は、電極との接触抵抗、酸化グラフェンによる高抵抗、などが考えられ(c-2) 無電解 Ni メッキ成長グラフェンの AFM 構造解析
表面構造をナノスケールで観察するために、STEM 用の
Ni グリッド上に成長したグラフェンシートを特別の処理る）、応用を考える上では問題であるが、ゲートによって電流値が増大することは希望が持てるところである。

をしないままで AFM 観察した(図18）。基板 Ni の作成過程

この測定では、グラフェンシートが SiO2 に直接接触してで形成した割れ目構造が AFM 像と SEM 像に現れている

いるか、それとも電極間を差し渡しの構造になっているのが、それ以上のナノスケールの構造は観察できなかった。

か不明である。そこで、まず、SiO2 基板にグラフェン分散

そこで、いろいろの場所での電流特性を測定したところ、液を滴下・乾燥し（シート厚は、約350nm）、その上から電図19のようになった。すなわち、凸では +3V 以上、-1.5V 以

極を配置することを試みた（図22）。この構造の作製は、収下で電流が流れ、エッジ部では凸部より流れにくく、凹部

束イオンビーム（FIB）を用いてまずグラフェンシートのでは殆ど流れなかった。これらの結果を踏まえ、電気計測

内で電流を流す部分（チャンネル部）を残してそれ以外のをナノギャップ電極デバイスを用いて測定することとした。

部分は全て取り除き SiO2 を表面に出し、その後、FIB によ― 101 ―

図22．SiO2 上に直接グラフェンシートを滴下し、その上に電極を配置したデバイスと FIB で作製したデバイスの SEM 写真。

図20．背面ゲート電極を有するナノギャップデバイス（上）とその上のグラフェンシートのSEM写真（下、挿入図は高分解能のSEM写真）。

よる還元を行うと、例えば10Vでの電流値を見ると還元前には 2μA（5x106 Ω）であったものが還元後には10μA（1x106Ω）まで増加した。この試料についても背面ゲート
電極に電圧を印加し電流・電圧特性を計測したところゲー
ト電圧効果が見られた（7V で0.1mA の電流が流れることもあった）が、その振る舞いに再現性に乏しかった。デバイ
スの寸法を考慮しグラフェンシートの比抵抗を求めると、
210Ω･cm（還元前）と41Ω･cm（還元後）となった。ここに用いているグラフェンシートはナノサイズのグラフェンが多数の界面で集合した構造になっており、高抵抗になっているものと思われる。しかし、比較的純度の高いシリコ
ン半導体の値（1～103Ω･cm）に近いものではあるため、このシートにドーピングがうまくできれば抵抗を下げることができ、シリコン類似した応用が期待できる。

図21．ナノギャップ電極デバイス上に滴下したナノグラフェンシートのFET 動作。チャンネルを構成しているグラフェンがナノサイズであるために接合型FETが構成されているためか、電流特性が飽和型ではなくスーパーリニヤーな振る舞いをしている。

３．今後の研究の展望
電子科学研究所では、物理・化学・生物学から電子工学・情報科学・システム工学・生命科学までを広く融合した「複合領域ナノサイエンス」分野の研究をスローガンに掲げ、りカーボンを堆積し 4 つの電極（①～④）を作製した（図附属ナノテクノロジー研究センターを設置し、新研究領域

22）。長方形のパッドに電流・電圧測定プローバーの電極をの開拓を目指している。これまでの光・生命・分子に関す

接触させるものである。4 端子測定を目的としたが、①とる研究の蓄積ポテンシャルに加え、CNT-SPM を用いたナ③にしかプローバー探針が接触できなかったため 2 端子測ノテクノロジーに関する研究を融合すると、オリジナル研定になってしまった。その結果は、ほぼ上述の結果を再現

究領域を開拓でき、今後は、情報科学研究科生命人間情報できた。既に記述したように、ここに作製したグラフェン

科学専攻の岡嶋孝治准教授と緊密な連携をとりながら研究

シートは酸化されているものと考え、ヒドラジン水和液にを進める。

― 102 ―

Tokumoto and T. Okajima : “Elasticity of Cardiac Cells

４．資料
4.1

on a Microarray under Oxidative Stress Measured by

学術論文等

Atomic Force Microscopy”, ISPM2008, Seatle, USA, USA

１) T. Fujieda, M. Okai and H. Tokumoto : “Energy Spread of(2008-06)

Field Emission Electrons from Single Pentagons in Indi-

７) H. Azehara, K. Ide and H. Tokumoto : “A Facile Method

vidual Multi-Walled Carbon Nanotubes”, JJAP, 応用物理

for Conversion of the Terminal Functional Group of Mul-

学会, 47(4) : 2021-2023 (2008).

tiwalled Carbon Nanotube Probe Tips for Atomic Force

２) H. Azehara : “Distinct Chemical Contrast in Adhesion

Microscopy ” , The 2008 International Conference on

Force Images of Hydrophobic-Hydrophilic Patterned Sur-

Nanoscience + Technology, Keystone, USA (2008-07)

faces Using Multiwalled Carbon Nanotube Probe Tips”,

８) K. Ukita, M. Katsumata, H. Tokumoto, H. Kunioku, H.

Jpn. J. Appl. Phys., 47(5) : 3594-3599 (2008).

Tokui, M. Sohma, K. Shimamura, T. Shimizu, H. Suga and３) T. Fujieda, M. Okai, K. Hidaka, H. Matsumoto and H.

S. Akita : “Low Temperature Growth of Graphene Sheets

Tokumoto : “Behavior of Catalytic Particle at Tip ofand their Characterization”, 2008 International Confer-

Carbon Nanotube during Field Emission”, APEX, 応用物

ence on Nanoscience + Technology (ICN+T 2008), Key-理学会, 1(1) : 014002-1-014002-3 (2008).

stone, Colorado, USA, USA (2008-07)

４) Y.Mizutani, M. Tsuchiya, S. Hiratsuka, K.Kawahara, H.

９) T. Okajima, Y. Mizutani, S. Hiratsuka, M. Tsuchiya, H.

Tokumoto, and T.Okajima: Elasticity of Living Cells on a

Tokumoto and K. Kawahara : “Statistical Diagnostics ofMicroarray during the Early Stages of Adhesion measured

Single Live Cells by Atomic Force Microscopy”, 2008 In-

by Atomic Force Microscopy, Jpn. J. Appl. Phys., 47

ternational Conference on Nanoscience + Technology(2008) 6177.

(ICN+T 2008), Keystone, Colorado, USA, USA (2008-07)
10) T. Okajima, Y. Mizutani, S. Hiratsuka, M. Tsuchiya, H.

4.2

総説、解説、評論等

Tokumoto and K. Kawahara : “Statistics of cellular me-１) 徳本洋志他「ナノグラフェンの低温成長と物性解析」

chanics investigated by AFM”, AFM BioMed Conference,

単行本「グラフェンの昨日と応用展望」（監修：徳本洋志、斉木幸一朗）第15章、（株）CMC (2009).

Monterey, USA, USA (2008-10)11) H. Azehara and H. Tokumoto : “Bond Rupture Force
Measurement Using Carbon Nanotube Probe Tips”, The

4.7

講演

4th Vacuum and Surface Sciences Conference of Asia andｂ．一般講演

Australia, Matsue (2008-10)ⅰ）学会

12) H. Tokumoto, K. Ukita, M. Katsumata, H. Kunioku, H.

１) 平塚伸一郎、水谷祐輔、土屋雅博、河原剛一、徳本洋

Tokui, M. Sohma, K. Shimamura, M. Tanaka, H. Suga and志、岡嶋孝治：「多数細胞の AFM レオロジー計測：生T. Shimizu : “Unique Preparation of Graphene Sheets and細胞の複素弾性率の統計解析」、
2007年秋季 第68回応their Characterization”, VASSCAA-4, Matsue, Shimane

用物理学会学術講演会、中部大学 (2008-09)(2008-10)

２) 水谷祐輔、平塚伸一郎、土屋雅博、河原剛一、徳本洋

13) 安藤淳、浮田桂子、徳本洋志、田中深幸、清水哲夫、志、岡嶋孝治：「AFM による心筋細胞の収縮挙動の計

菅洋志；「Nanocharacterization of graphene sheets and測」、2007年秋季 第68回応用物理学会学術講演会、中部大学 (2008-09)

thin graphite films」ICSPM16 (20.12.12)ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ

３) 浮田桂子、勝股宗弘、徳本洋志、國奥秀雄、徳井博樹、

・国際シンポジウム

相馬道明、嶋村清隆、秋田成司：「ニッケルナノ粒子表

１) H. Azehara and H. Tokumoto : “Statistical Analysis of a

面上のグラフェンフォレスト」、ナノ学会第 6 回大会、Single Hydrogen Bond Rupture Force Based on Repetitive

九州大学医学部百年記念講堂 (2008-05)

Pull-off Force Measurements”, The 16th International４) 徳本洋志、浮田桂子、國奥秀雄、徳井博樹、嶋村清隆、Colloquium on Scanning Probe Microscopy, Shizuoka

田中深幸、菅洋志、清水哲夫：「無電解メッキ成長グラ
フェンシートの構造と物性」、2007年秋季 第68回応用(2008-12)２) H. Azehara and H. Tokumoto : “Analysis of the Number

物理学会学術講演会、中部大学 (2008-09)

of Functional Groups of a Multiwalled Carbon Nanotube

５）S. Hiratsuka, Y. Mizutani, K. Kawahara, H. Tokumoto andProbe Tip for Chemical Force Microscopy”, The 10th

T. Okajima : “The number distribution of complex shear

RIES-Hokudai International Symposium on "aya", Sapporo

modulus of living cells by AF”, ISPM2008, Seatle, USA,

(2008-12)

USA (2008-06)

３) H. Azehara, K. Ide and H. Tokumoto : “Chemical Modi-

６) Y. Mizutani, M. Tsuchiya, S. Hiratsuka, K. Kawahara, H.

― 103 ―

fication of Carbon Nanotubes and Their Use in AdhesiveInteraction Force Measurements Using an Atomic Force

ングシステム開発を行う。これにより、原子レベルでMicroscope”, International Symposium on "Nanotoxicol-の分解能を有し、無機材料の表面微細構造解析ツール

ogy Assessment and Biomedical, Environmental Applica-

として定評ある走査型プローブ顕微鏡技術をバイオ分

tion of Fine Particles and Nanotubes", Sapporo (2008-06)

野へ展開し、バイオチップ等の評価技術確立を目指す。

・一般シンポジウム
１) 徳本洋志「グラフェン」学振167委員会第53回研究会（21.1.8）

4.12

社会教育活動

ａ．公的機関の委員

２) 畔原宏明、浮田桂子、徳本洋志：「ナノカーボン材料に

１) 徳本洋志：「ナノリスクに関するネットパネル」専門家

よる機能素子の開発」、阪大産研・東北大多元研・北大

パネリスト（2007年12月28日～2009年4月30日）

電子研・東工大資源研「ポストシリコン物質・デバイ

２) 徳本洋志：シーズ発掘試験査読評価委員（2007年4月1

ス創製基盤技術アライアンス」平成20年度（2008年度）
成果報告会、北海道大学 学術交流会館 (2008-12)

日～2009年3月31日）
３) 徳本洋志：ATI バイオ SPM 研究会委員（2006年4月1日

３) 畔原宏明、徳本洋志：「一分子力学計測に向けたカーボ
ンナノチューブ探針の開発」、第一回北大若手研究者交～2009年3月31日）
４) 畔原宏明：新世代研究所ナノカーボン研究会委員

流会、北海道大学 学術交流会館 (2008-11)（2006年4月1日～2009年3月31日）
５) 徳本洋志：日本学術会議 産学協力研究委員会 未踏・

4.9

ナノデバイステクノロジー第151委員会 企画委員

共同研究

（2004年1月1日～現在）

ｃ．民間等との共同研究（研究担当者、機関名、研究題目、

６) 徳本洋志：文部科学省 科学技術政策研究所 科学技術

研究期間、研究内容）
１) 徳本洋志、寿産業、札幌エレクトロプレイティング、

動向研究センター 専門委員 （2002年11月1日～現在）

タイヤ由来炭化物の高機能化、2005年度～2008年度、

７) 徳本洋志：日本学術会議 産学協力研究委員会 マイク
ロビームアナリシス第141委員会 委員（2000年4月1日

タイヤ由来の炭化物からグラフェンシートを製造する。

～現在）２) 徳本洋志、産業技術総合研究所、ナノグラフェンシー
トの電気的評価、2007年～2008年度、北大で作製した

８) 徳本洋志：日本学術会議 産学協力研究委員会 ナノプ

ナノグラフェンシートの電気的評価を産業技術総合研

ローブテクノロジー第167委員会 委員（2000年4月1日

究所で行う。

～現在）
ｂ．国内外の学会の役職

4.10１) 徳本洋志：日本真空協会

予算獲得状況

個人理事 (2005年4月1日～

現在)

ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、

２) 徳本洋志：応用物理学会 薄膜・表面物理分科会

期間）相とする1分子レベル分析クロマトグラフィー装置の幹

事 (2004年4月1日～2010年3月31日)

１) 畔原 宏明、萌芽研究、ナノサイズ脂質二分子膜を固定

３) 徳本洋志：STM05国際会議組織委員長 (2003年7月1日～現在)

創製、2007～2008年度
ｄ．奨学寄付金（研究担当者、機関名、研究課題、研究期

４) 徳 本 洋 志 ： IUVSTA (International Union for Vacuum
Science, Technique and Applications) のナノ分科の日本

間、総経費、研究内容）

代表委員 (2003年4月1日～現在)

１) 徳本洋志、寿産業、廃タイヤ由来ゴムの高機能化に関する研究、100万円、2005年度～2008年度、タイヤ由来

５) 徳本洋志：STM 国際会議国際評議員、国際プログラム
委員 (2002年4月1日～現在)の炭化物からグラフェンシートを製造とナノスケール
評価

ｃ．併任・兼業

ｆ．その他（研究担当者、機関名、研究題目、研究期間、

１) 徳本洋志：ナノテクノロジー影響の多領域専門家パネ

総経費、研究内容）

ル会議委員 (2006年9月1日～現在)

１) 荻野千秋、畔原宏明、梅津光央、折笠広典（産業技術研究助成事業、NEDO）：高分解能生体分子プローブカ

ｄ．その他
１) 徳本洋志：財団法人新世代研究所

評議員（2003年4月1日～現在）ンチレバーの創製による生体認識イメージング技術の開発、2006～2010年度、6,000千円、核酸、タンパク質

ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）等の分子間相互作用解析による固定化分子の高精度分

１) 情報科学研究科、バイオナノ工学特論、徳本洋志、2007
年10月1日～2009年3月31日

析のため、原子間力顕微鏡の触診デバイスであるカン
チレバー先端へのカーボンナノチューブ(CNT)修飾、

２) 情報科学研究科、ナノ工学概論、徳本洋志、2007年10月1日～2009年3月31日

更に、CNT 先端への生体分子修飾を行い、新規な“分子認識能とイメージング機能”を備えたバイオセンシ

３) 全学共通、光･バイオ･分子で拓くナノテクノロジー、― 104 ―

徳本洋志、2008年7月14日
４) 情報科学研究科、生命人間情報科学専攻特別演習、畔原宏明、2007年4月1日～2009年3月31日
ｊ．修士学位及び博士学位の取得状況
・博士課程（１名）
藤枝 正
・博士論文
１) 藤枝正：『カーボンナノチューブ電子源の電界放出特性に関する研究』（2008）― 105 ―

いて複雑なナノ構造を作製する場合、ナノ粒子表面に DNAの分子数を制御して提示する技術は必須であるものの、数教

授 居城邦治（東工大院、工博、2004.3～）

を正確に制御して DNA を固定することは困難であった。そ

准教授 新倉謙一（東工大院、工博、2005.1～）

こで、オリゴヌクレオチド(ODN)を結合させた金ナノ粒子

助

をゲル電気泳動することで、ODN の数を制御した金ナノ粒

教 松尾保孝（北大院、工博、2004.8～）

博士研究員
院

塚本里加子（2008.3～2008.11）

子を分離し、DNA polymerase を用いて金ナノ粒子に結合し生

た ODN の伸長反応を行い、任意の長さの単一 DNA 結合金

博士課程

ナノ粒子を得ることに成功した（図 1 ）。このようにして得田中あや、神谷亮介、門間太志、福平由佳子、られた単一長鎖 DNA 結合金ナノ粒子からクーロン島を基大竹範子、西尾 崇本とする単一電子デバイスを作製できると期待される。

修士課程
永川桂大、栃木 隆、関口翔太、石川綾子
学部生
南原克行、渡辺雪江
図１．金ナノ粒子に固定化したオリゴヌクレオチドの酵素による伸長反応

１．研究の目的
生物は高度な分子認識と自己集合・自己組織化によって(b) 薬剤放出機構を備えたウイルスナノカプセルの創製

組織化された分子集合体システムを駆使して、効率の良い薬剤輸送において、細胞への導入効率が高く、細胞内でエネルギー変換や物質生産、情報変換を達成している。本

薬剤を選択的に放出する材料開発は重要な課題である。

研究分野ではこのような生物の持つ機能とナノテクノロジ

我々はそこでウイルスカプセルというナノキャリアーに注ーとを融合することで、電子デバイスからバイオに至る幅

目し、薬剤を目的の場所で放出するための材料の構築を目

広い分野をターゲットとした分子素子や機能性材料の構築

指した(図 2 )。ウイルスカプセルは遺伝子導入のキャリアを目指して研究を行っている。タンパク質、核酸、脂質、ーとして古くから使われているが、低分子薬剤やタンパク糖といった生物の主役分子を駆使することで高度な機能を製剤のキャリアーとしての応用例はほとんど無い。これは持った素子を作製できると期待される。例えば、分析手法

ウイルスの内部に自由に分子を格納したり、あるいは細胞や分子素子の開発のために、生命活動の中心にある DNA 分

内の目的のオルガネラで薬剤を放出する機構を組み込む技子に着目している。DNA の持つ分子メモリー機能、分子認術が確立していなかったためである。細胞内で選択的に薬識、自己会合性を利用することで分子配列を塩基配列情報剤を放出するために、細胞内の各オルガネラで pH が異なで制御し、一分子の DNA の塩基配列を位置情報に変換するることに着目した。特にエンドソームやリソソーム中ではシステム構築や DNA 分子の情報を転写した分子ナノ組織

pH が 5 程度にまで低下するため、それらの pH に応答して体の構築を目指している。また、細胞内に核酸を高効率で薬剤放出が可能な仕組みをウイルスカプセル内部に施した。

導入するウイルスのタンパク質だけを使った再構築ウイル

具体的にはウイルスカプセルの自己集合の際に内部に特異スカプセルによる薬剤の細胞内への効率よい導入法の開発

的にヒスチジンタグが取り込まれるように設計し、ヒスチや生体分子を提示したナノ粒子の細胞内動態の観察によるジンタグを介して金属キレートによって薬剤をウイルスカ

細胞内の新しい認識の発見を目指している。これらの研究

プセル内部に格納することに成功した。薬剤としてローダを通じてバイオ・ナノサイエンス研究の新展開を目指す。

ミンを内包したウイルスカプセルを細胞に添加すると、細胞内でウイルスカプセルからローダミンが放出されることが確認できた(図 3 )。

２．研究成果(a) 単電子デバイスの作製を目指した金ナノ粒子結合単一 DNA の合成
近年、自己組織化や自己集合を利用したボトムアップ型
ナノテクノロジーに注目が集まっている。DNA はその高い
分子認識性や構造の多様性を持つため、ナノ構造体を作製するためのビルディングブロックとして注目されている。
これまで我々は長鎖二本鎖 DNA を鋳型とした選択的無電解メッキにより金属ナノワイヤーを作製してきた。ナノワ
イヤーに金属ナノ粒子を組み合わせることで単電子デバイスを作製することが可能になる。DNA と金属ナノ粒子を用― 106 ―

図２．ウイルスカプセル(VLP)の STEM 像及び AFM 像

(d) 薬剤の細胞内導入を促進させる脂質様分子の開発
細胞膜は細胞外環境との相互作用を担い、細胞接着やシグナル伝達を調節する重要な器官である。一方、細胞膜は薬剤の細胞内送達の最初のバリアーとして機能する。薬剤の細胞膜の透過性を上げることは薬剤開発にとって非常に重要な課題であるが、細胞膜を透過しやすい分子の開発は十分に行われてこなかった。我々は細胞膜への結合ではな
く、細胞膜透過を目指し、様々な疎水性の分子(脂質様分子)を化学合成し、それらの細胞内動態を共焦点蛍光顕微鏡およびフローサイトメーターで詳細に検討した。細胞への取り込み効率が異なる代表的な２つの脂質様分子の例を図 5に示した。図 5 の緑色の丸は蛍光色素を表している。興味深いことに直線状の飽和アルキル鎖を有する脂質様分子(左)では細胞膜への集積が見られたが、アルキル鎖から枝上にメチル基を結合させると細胞内への急速な取り込みが

図３．ウイルスカプセルからの pH 依存的な細胞内薬剤(ローダミン)放出

観察された。細胞膜の基本構造は脂質 2 分子膜であるが、細胞膜にトラップされることなく細胞内へ侵入できるこれ(c) 金属ナノ粒子の規則的配列を原理とした新規ウイル
ス検出法の開発

らの分子の発見は薬剤送達において広い応用につながると期待できる。

インフルエンザをはじめウイルスを高感度に検出する技
術・手法は常に求められている。遺伝子を増幅する PCR 法などは一般的に広く認められた手法ではあるが、ある濃度のウイルスが必要である点、また時間やコストの面でも改良が求められている。我々はウイルスのもつシアル酸認識能に着目し、ウイルス表面で金微粒子を配列化させることを狙った。これにより金微粒子の大きなプラズモン吸収波長のシフトを誘起させることを原理とした新しいウイルス検出を試みた。シアル酸で被覆された金微粒子とウイルスカプセルを混合すると、金微粒子はウイルスカプセル上に結合していることがわかった。さらに配列化した金微粒子のプラズモン吸収が長波長シフトし、色の変化としてウイ

図５．HeLa 細胞への脂質様分子の取り込みの様子(共焦点顕微鏡画像)。

ルスを検出できることがわかった。

３．今後の研究の展望・将来計画
近年バイオ分子のもつ高い自己組織化能を駆使することにより、ナノスケールで構築されている複雑な構造体を、より簡便に作り出す技術が注目されている。我々は生物あ
るいは生体分子を鋳型とすることで、電子デバイス・光学
素子・医療素子などへと展開してきた。今後は我々の構築したナノ材料の機能をさらに検証し、バイオ分子の有用性を示していく。
図４．ウイルスのシアル酸認識を利用した金属微粒子
を規則配列化。

― 107 ―

藪浩：特願2008-230159、未分化の間葉系幹細胞を培養

４．資料
4.1

するための培養基材、2008年9月8日

学術論文等

３) 原島秀吉、秋田英万、増田智也、小暮健太朗、西尾崇、

１) T. Nishio, K. Niikura, Y. Matsuo and K. Ijiro : “Enhanced

新倉謙一、居城邦治：特願2008-115388、オリゴアルキ

Accumulation of Carbohydrate-Displaying CdTe Quantum

レングリコールで修飾された脂質膜構造体、2008年4Dots in Cells Responding to Cellular Chemical Stresses”,

月25日

international journal of nanoscience, 8 : 219-222 (2009)２) R. Kamitani, K. Niikura, T. Okajima and K. Ijiro : “Design

4.7

講演

of cell surface-retained polymers for artificial ligand dis-ⅰ）学会play”, ChemBioChem, 10 : 230-233 (2009)１) 平井悠司、藪 浩、松尾保孝、居城邦治、下村政嗣：「銀３) H. Yabu, R. Jia, Y. Matsuo, K. Ijiro, S. Yamamoto, F.

−高分子ハイブリッドピラー構造を用いた表面増強ラ

Nishino, T. Takaki, M. Kuwahara and M. Shimomura :マン散乱測定」、2009年春季第56回応用物理学関係連合“Preparation of Highly Oriented Nano-Pit Arrays by
Thermal Shrinking of Honeycomb-Patterned Polymer

講演会、筑波大学 (2009-03 ～ 2009-04)
２) 渡辺雪江、田中あや、松尾保孝、居城邦治：「DNA を

Films”, Advanced Materials, 20(21) : 4200-4204 (2008)

鋳型とした金属の析出における塩基選択性」、日本化学

４) K. Niikura, S. Sekiguchi, T. Nishio, T. Masuda, H. Akita,

会第89春季年会、日本大学 (2009-03)

Y. Matsuo, K. Kogure, H. Harashima and K. Ijiro : “Oli-「特定の細３) 南原克行、新倉謙一、神谷亮介、居城邦治：

gosaccharide-mediated Nuclear Transport of Nanoparti-

胞周期に取り込まれる脂質誘導体の探索」、日本化学会

cles”, ChemBioChem, 9 : 2623-2627 (2008)

第89春季年会、日本大学 (2009-03)

５) 山本貞明、田中賢、藪 浩、伊藤絵美子、前田悠、森田

４) 石川綾子、松尾保孝、居城邦治：「核酸塩基と金の選択

由香、居城邦治、下村政嗣：「自己組織化マイクロパタ

的な吸着を利用したサブナノサイズ金ナノ粒子の作ーン高分子表面が創り出すバイオ界面」、表面、46(8)：製」、日本化学会第89春季年会、日本大学 (2009-03)

393-409 (2008)

５) 大竹(石塚)範子、新倉謙一、鈴木忠樹、永川桂大、澤６) A. Tanaka, Y. Matsuo, K. Niikura and K. Ijiro : “Stabili-

洋文、居城邦治：「アンカー分子を用いたウイルス様ナ

zation of Multiassembly by Addition of a Phosphate Groupノカプセルへのタンパク質内包」、日本化学会第89春季

at the 5'-Sticky End ”, Chemistry Letters, 37(7) :年会、日本大学 (2009-03)

758-759 (2008)６) 森田有香、山本貞明、藪 浩、居城邦治、本望修、下村７) H. Yabu, Y. Hirai, Y. Matsuo, K. Ijiro and M. Shimomura :政嗣：「マイクロパターン化表面によるラット骨髄由来“Double-layered Metal Mesh Film Having a Limited

間葉系幹細胞の増殖促進」、日本化学会第89春季年会、

Viewing Angle Property Prepared by Electroless Plating of
Self-rganization

Honeycomb

Film”,

Macromolecular

日本大学 (2009-03)
７) 永川桂大、新倉謙一、大竹(石塚)範子、鈴木忠樹、松Symposia, 267 : 100-104 (2008)

尾保孝、澤洋文、居城邦治：「ウイルス様ナノカプセル

８) A. Tanaka, Y. Matsuo, Y. Hashimoto and K. Ijiro : “Se-を鋳型とした金ナノ粒子の 3 次元配列化」、日本化学会

quence-specifically platinum metal deposition on enzymatically synthesized DNA block copolymer”, Chem.

第89春季年会、日本大学 (2009-03)
８) 関口翔太、新倉謙一、西尾崇、松尾保孝、居城邦治：「オ

Commun., 36 : 4270-4272 (2008)

リゴ糖の高密度提示によって促進される微粒子の核移行」、日本化学会第89春季年会、日本大学 (2009-03)

4.4

著書

９) Y. Hirai, H. Yabu, Y. Matsuo, K. Ijiro and M. Shimomura :１) 松尾保孝、居城邦治：「DNA-金属デバイス」、バイオ

“Silver-Polystyrene Hybrid Pincushion Films for Surface

ナノプロセス、シーエムシー出版、第26章、257-265

Enhanced Raman Scattering substrates prepared by(2008).

self-organization and vapor depositionFirst International２) 新倉謙一：「糖鎖で被覆した金属および半導体ナノ粒子

Conference on Multifunctional”, Hybrid Materials 2009,の合成と応用」、複合糖質の化学と最新応用技術、シー
エムシー出版、228-234 (2009).

Tours, France (2009-03)
10) K. Ijiro, Y. Matsuo and A. Tanaka ： “DNA Sequence-Selective Fabrication of Platinum Nanowires”,

4.6

特許（発明者、特許番号、特許名、出願年月日）

AsiaNANO2008, Biopolis, Singapore (2008-11)

１) 増田智也、秋田英万、小暮健太朗、西尾崇、新倉謙一、

11) T. Nishio, K. Niikura, Y. Matsuo, H. Akita, H. Harashima

居城邦治、原島秀吉：特願2009-069438、核輸送性脂質

and K. Ijiro : “Water soluble carbohydrate-displaying

膜構造体、2009年3月23日

quantum dots for glycoprotein mimics in cells.”, Asi-

２) 山本貞明、森田有香、居城邦治、下村政嗣、田中賢、― 108 ―aNANO2008, Biopolis, Singapore (2008-11)12) A. Ishikawa, Y. Matsuo, K. Niikura and K. Ijiro : “Controlの結合能を持つ高分子による細胞表層改変技術の開of Au Nanoparticle Preparation by Selective Adsorption of発」、第57回高分子討論会、大阪市立大学 (2008-09)

Nucleic Acids onto Au”, AsiaNANO2008, Biopolis, Sin-

26) 山本貞明、田中賢、森田有香、藪 浩、居城邦治、下村gapore (2008-11)

政嗣：「ハニカムフィルム上での多能性未分化細胞の増13) R. Kamitani, K. Niikura, T. Okajima and K. Ijiro : “Control

殖」、第57回高分子討論会、大阪市立大学 (2008-09)

of cell adhesion by cell-surface modification with poly-27) 栃木隆、田中賢、浜田淳一、前田悠、山本貞明、居城

mer-appended ligands”, AsiaNANO2008, Biopolis, Sin-

邦治、下村政嗣：「自己組織化ハニカム構造高分子薄膜

gapore (2008-11)によるヒト癌細胞の増殖の抑制」、第57回高分子討論会、

14) K. Nagakawa, K. Niikura, N. Ohtake(Ishizuka), T. Suzuki,

大阪市立大学 (2008-09)

Y. Matsuo and K. Ijiro : “Metal nanoparticle array on a28) K. Ijiro, Y. Matsuo and A. Tanaka : “DNA Sequence

viral surface through the sugar-recognition”, Asi-

Selective Fabrication of Platinum Nanowires on DNA BlockaNANO2008, Biopolis, Singapore (2008-11)

Copolymer”, The 4th IUPAC Sponsored International

15) F. Monma, Y. Matsuo, K. Niikura and K. Ijiro : “Fabrica-

Symposium on Macro- and Supramolecular Architectures

tion of Langmuir-Blodgett monolayres of single-stranded

and Materials (MAM-08), Dusseldorf, Germany (2008-09)

DNA wrapped SWNT”, AsiaNANO2008, Biopolis, Singa-29) 門間太志、松尾保孝、居城邦治：「Langmuir-Blodgett 法

pore (2008-11)による水溶化 CNT の薄膜作」、秋季第69回応用物理学

16) N. Ohtake(Ishizuka), K. Niikura, T. Suzuki, K. Nagakawa,

会学術講演会、中部大学 (2008-09)

H. Sawa and K. Ijiro : “Protein-enclosed nano capsules30) 永川桂大、新倉謙一、大竹(石塚)範子、鈴木忠樹、松based on the self-assembly of viral proteins”, Asi-

尾保孝、澤洋文、居城邦治：「光局在場を目指したウイ

aNANO2008, Biopolis, Singapore (2008-11)

ルスカプセル表面における金ナノ粒子の規則配列化」、

17) S. Sekiguchi, K. Niikura, T. Nishio, Y. Matsuo and K.

秋 季 第 69 回 応 用 物 理 学 会 学 術 講 演 会 、 中 部 大 学

Ijiro : “Importance of Multiple Display of Oligosaccharides
on Nanoparticles for Their Effi cient Nuclear Imports”,(2008-09)
31) 石川綾子、松尾保孝、居城邦治：「核酸塩基と金の選択的な吸着を利用した金ナノ粒子の分散制御」、秋季第69

AsiaNANO2008, Biopolis, Singapore (2008-11)

回応用物理学会学術講演会、中部大学 (2008-09)

18) Y. Watanabe, M. Tanaka, Y. Matsuo, K. Niikura and K.
Ijiro : “Nucleobase-Selective Metallization of Homose-

32) 上田哲也、石川綾子、高島秀聡、藤原英樹、松尾保孝、

quence DNA Synthesized by DNA Polymerase ”, Asi-

居城邦治、笹木敬司、竹内繁樹：「単一オリゴヌクレオ

aNANO2008, Biopolis, Singapore (2008-11)

チド/銀ハイブリッドナノ粒子の発光特性解析」、2008
秋季 第69回応用物理学会学術講演会、
中部大学春日井19) K. Nambara, K. Niikura, R. Kamitani and K. Ijiro : “Cellキャンパス (2008-09)

cycle-dependent uptake of lipid-like compounds in HeLa

33) 平井悠司、藪 浩、松尾保孝、居城邦治、下村政嗣：「銀cells”, AsiaNANO2008, Biopolis, Singapore (2008-11)20) K. Ijiro : “DNA Sequence Specific Fabrication of Metal

蒸着自己組織化ピラー構造の表面増強ラマン散乱基板

Nanostructures”, Korea-Japan Joint Forum (KJF) 2008,

への応用」、秋季第69回応用物理学会学術講演会、中部
大学 (2008-09)

Chitose (2008-10)21) F. Monma, Y. Matsuo and K. Ijiro : “Fabrication of SWNT34) K. Ijiro : “2-D organic and inorganic nanofabrication

thin films by Langmuir-Blodgett method”, Korea-Japanthrough molecular recognition of DNA at the air-water

Joint Forum (KJF) 2008, Chitose (2008-10)

interface”, SPIE Optics + Photonics 2008, San Diego,
California, USA (2008-08)

22) K. Nagakawa, K. Niikura, N. Ohtake(Ishizuka), T. Suzuki,
Y. Matsuo, H. Sawa and K. Ijiro : “Gold nanoparticle Array35) 永川桂大、新倉謙一、大竹(石塚)範子、鈴木忠樹、松based on viral structure”, Korea-Japan Joint Forum (KJF)

尾保孝、澤洋文、居城邦治：「ウイルスの糖鎖認識能を2008, Chitose (2008-10)

利用した金ナノ粒子の規則配列化」、生体機能関連化学
若手の会サマースクール、小原温泉 かつら屋，宮城県

23) A. Ishikawa, Y. Matsuo and K. Ijiro : “CONTROL OF Au
NANOPARTICLE

PREPARATION

BY(2008-08)

BASEDE-PENDENT ADSORPTION OF NUCLEIC ACIDS ONTO

36) Y. Hirai, H. Yabu, Y. Matsuo, K. Ijiro and M. Shimomura :Au”, Korea-Japan Joint Forum (KJF) 2008, Chitose“Wettability of various inorganic nano-structures pre-(2008-10)

pared based on honeycomb-patterned polymer masks

24) 居城邦治、田中あや、石川綾子、新倉謙一、松尾保孝：

prepared by Self-organization process”, 6th International「DNA を鋳型とした金属ナノ構造の形成制御」、第57回

Symposium on Contact Angle, Wettability and Adhesion,
Maine, USA (2008-07)

高分子討論会、大阪市立大学 (2008-09)
25) 新倉謙一、神谷亮介、岡嶋孝治、居城邦治：「細胞膜へ37) 平井悠司、藪 浩、松尾保孝、居城邦治、下村政嗣：「自― 109 ―

己組織化高分子構造を用いた表面増強ラマン錯乱測定への応用」、第57回高分子学会年次大会、パシフィコ横(2008-12)８) K. Nagakawa, K. Niikura, N. Ohtake(Ishizuka), T. Suzuki,

浜 (2008-05)

Y. Matsuo, H. Sawa and K. Ijiro : “Gold Nanoparticle38) 田中あや、松尾保孝、居城邦治：「機能性分子の一次元

Array using Virus Like Particles as a Scaffold”, The 10th

配列を目指した鋳型 DNA の酵素合成」、第57回高分子RIES-Hokudai International Symposium on “綾” [aya],

学会年次大会、パシフィコ横浜 (2008-05)

Sapporo (2008-12)39) 大竹(石塚)範子、新倉謙一、鈴木忠樹、永川桂大、澤９) S. Sekiguchi, K. Niikura, T. Nishio, Y. Matsuo and K.

洋文、居城邦治：「シアル酸提示基盤への固定化によるIjiro : “The Surface Modification of Quantum Dots for the

ウイルス様微粒子の細胞内取り込み促進」、第57回高分

Transportation into Cellular Nucleus”, The 10th RIES-

子学会年次大会、パシフィコ横浜 (2008-05)

Hokudai International Symposium on “綾” [aya], Sapporo40) 西尾崇、新倉謙一、秋田英万、松尾保孝、原島秀吉、(2008-12)

居城邦治：「糖鎖量子ドットプローブを用いた細胞スト

10) Y. Hirai, H. Yabu, Y. Matsuo, K. Ijiro and M. Shimomura :レス可視化法の開発」、第57回高分子学会年次大会、パ“Application of Metal-Polymer Hybrid Pincushion Films

シフィコ横浜 (2008-05)

Prepared by Self-Organization and Vapor Deposition”,

41) 石川綾子、松尾保孝、居城邦治：「DNA/銀複合ナノ粒子の作製と発光メカニズムの解明」、第57回高分子学会

ISEM2008 Returns, Tokyo (2008-12)11) 居城邦治：「AFM で測る DNA の分子認識」、バイオ SPM

年次大会、パシフィコ横浜 (2008-05)

研究会、東京 (2008-11)42) Y. Fukuhira, H. Kaneko, K. Ijiro, H. Yabu and M. Shi-

12) K. Ijiro : “Fabrication of Nanowires by Base-Selective

momura : “Surfactant Dependence on Fabrication of Or-

Metallization of DNA”, Japan-Korea-China Mini-sympo-

dered Microporous Film of Poly(lactide)”, World Bioma-

sium on Nanotechnology, Biotechnology and Catalysis

terials Congress 2008, Amsterdam, Netherland (2008-05～ 2008-06)-Satellite Session-, Sapporo (2008-11)
13) Y. Hirai, H. Yabu, Y. Matsuo, K. Ijiro and M. Shimomura :ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ“Simple fabrication for the surface enhanced Raman scat-

１) K. Niikura : “Sugar-Displaying Quantum Dots as a Bioi-

tering substrate prepared by self-organization and vapor

maging Tool”, “Recent Advances in Fluorescence Spec-deposition”, JAPAN-KOREA Polymer Young Scientist

troscopic Methods for Biological and Chemical Systems”,

Symposium 2009, Niigata (2008-10)

Hokkaido (2009-02)

14) 大竹(石塚)範子、新倉謙一、鈴木忠樹、澤洋文、居城

２) 門間太志、松尾保孝、居城邦治：「LB 法による水溶化

邦治：「ウイルスタンパク微粒子への薬剤内包と高効率

CNT単分子膜の作製」、第43回高分子学会北海道支部研

細胞内導入」、第 3 回バイオ関連化学合同シンポジウム

究発表会、北海道大学 (2009-02)

2008、東京工業大学 (2008-09)

３) 南原克行、新倉謙一、神谷亮介、居城邦治：「細胞周期15) 永川桂大、新倉謙一、大竹(石塚)範子、鈴木忠樹、松

選択的に取り込まれる脂質様化合物の探索」、第43回高尾保孝、澤洋文、居城邦治：「ウイルスの糖鎖認識能を分子学会北海道支部研究発表会、北海道大学

利用した金ナノ粒子の規則配列化」、第 3 回バイオ関連(2009-02)

化学合同シンポジウム2008、東京工業大学 (2008-09)

４) 渡辺雪江、田中あや、松尾保孝、新倉謙一、居城邦治：

16) 田中あや、松尾保孝、居城邦治：「DNA の塩基配列に「塩基配列選択的な金属ナノワイヤーの作製をめざし

選択的なプラチナナノワイヤーの作製」、第 3 回バイオた修飾 DNA の合成」、第43回高分子学会北海道支部研

関 連 化 学 合 同 シ ン ポ ジ ウ ム 2008 、 東 京 工 業 大 学(2008-09)

究発表会、北海道大学 (2009-02)
５) 大竹(石塚)範子、新倉謙一、鈴木忠樹、永川桂大、澤17) 関口翔太、新倉謙一、西尾崇、松尾保孝、居城邦治：「糖

洋文、居城邦治：「タンパク質内包ウイルスナノカプセ

鎖提示が可能とする微粒子の核内輸送」、第 3 回バイオルの作製と細胞への導入」、第43回高分子学会北海道支

関 連 化 学 合 同 シ ン ポ ジ ウ ム 2008 、 東 京 工 業 大 学部研究発表会、北海道大学 (2009-02)(2008-09)

６) 関口翔太、新倉謙一、西尾崇、松尾保孝、居城邦治：「糖18) 石川綾子、松尾保孝、居城邦治：「核酸塩基と金の選択

鎖依存的な核移行における多糖化と高密度化の効果」、的な吸着を利用した金ナノ粒子の作製」、2008年度北海

第43回高分子学会北海道支部研究発表会、北海道大学

道高分子若手研究会、ないえ温泉 ホテル北乃湯(2009-02)(2008-08)

７) 居城邦治、田中あや、松尾保孝：「生体分子とナノ金属

19) 関口翔太、新倉謙一、西尾崇、松尾保孝、居城邦治：「微のハイブリッドによる新規ナノデバイスの構築をめざ

粒子の核移行を目的とした糖鎖修飾法」、
2008年度北海して」、「ポストシリコン物質・デバイス創製基盤技術

道高分子若手研究会、ないえ温泉 ホテル北乃湯

アライアンス」平成20年度成果報告会、北海道大学(2008-08)― 110 ―

自己組織化プロセスの開発」（2007～2009年度）

20) 西尾崇、新倉謙一、松尾保孝、秋田英万、小暮健太朗、
原島秀吉、居城邦治：「糖鎖量子ドットを用いた細胞ス

２) 居城邦治、新倉謙一、松尾保孝、科学技術振興機構戦

トレス検出の検討」、第20回生体機能関連化学 若手の略的創造研究推進事業：「金属・半導体の表面加工とバ
イオミメティク・エンジニアリング」(2008～2013年度)

会サマースクール、小原温泉 かつら屋(宮城県)３) 居城邦治、科学技術振興機構：「安定同位元素イメージ(2008-08)

ング技術による産業イノベーション」(2007～2011年

21) 福平由佳子、伊東雅弥、兼子博章、田中賢、山本貞明、

度)

下村政嗣、居城邦治：「体適合性ハニカム構造フィルムの作製と癒着防止材への応用」、
第37回医用高分子シン

4.10

ポジウム、東京医科歯科大学 (2008-07)
22) N. Ohtake(Ishizuka), K. Niikura, T. Suzuki, K. Nagakawa,

予算獲得状況

ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、
期間）

H. Sawa and K. Ijiro : “Sialic Acid-Promoted Cellular
Uptake of Immobilized Virus-Like Particles”, XXIV In-

１) 居城邦治、基盤研究 B 一般、DNA コンジュゲート導

ternational Carbohydrate Symposium (ICS2008), Oslo,

電性高分子による単一分子エレクトロニクス素子の作Norway (2008-07 ～ 2008-08)

製（2007～2008年度）

23) K. Niikura, R. Kamitani, T. Okajima and K. Ijiro : “Clus-

２) 新倉謙一、基盤研究 B、シャペロンの糖鎖認識を原理

tered Display of Synthetic Carbohydrates on the Cellとした新規細胞ストレスセンシング法の開発（2007～2009年度）Surface using Membrane Anchored Polymer”, XXIV International Carbohydrate Symposium (ICS2008), Oslo,３) 新倉謙一、萌芽研究、ウイルスを鋳型とした金属微粒
子 3 次元規則配列構造の構築（2007～2008年度）

Norway (2008-07 ～ 2008-08)
24) S. Sekiguchi, T. Nishio, K. Niikura, Y. Matsuo and K.

４) 松尾保孝、若手研究 B、DNA 結合たんぱく質の単一分

Ijiro : “Specific Transportation of Quantum Dots into

子計測に向けた伸長固定化 DNA チップの作製 (2007

Cellular Nucleus by displaying Oligosaccharides”, XXIV

～2008年度)

International Carbohydrate Symposium (ICS2008), Oslo,５) 松尾保孝、特定領域研究、DNA と結合した銀ナノ粒子の作製と発光メカニズムの解明 (2008年度)

Norway (2008-07 ～ 2008-08)25) 神谷亮介、新倉謙一、岡嶋孝治、居城邦治：「機能性高６) 神谷亮介、特別研究員奨励費、細胞分化誘導を目指し

分子による細胞表層への人工レセプター分子の提示」、

たプロテオグリカン様糖鎖フィルムの創製 (2006～

第 18 回 バ イ オ ・ 高 分 子 シ ン ポ ジ ウ ム 、 上 智 大 学

2008年度)
７) 大竹(石塚)範子、特別研究員奨励費、ウイルス様カー(2008-07)

ゴカプセル固定化基板によるセルトランスフェクショⅲ）コロキウム・セミナー等・その他

ンアレイの開発 (2007～2009年度)

１) 新倉謙一：「糖鎖提示によるナノ微粒子・タンパクの核内移行促進」、平成21年大阪大学蛋白研セミナー、大阪

８) 田中あや、特別研究員奨励費、DNA 上で一次構造を制御した導電性高分子の合成および単一分子の電気特性

大学 (2008-07)

測定 (2008年度)
4.8

シンポジウムの開催（組織者名、シンポジウム名、参９) 西尾崇、特別研究員奨励費、糖鎖とシャペロンの相互作用を利用した新規細胞ストレス検出法の確立 (2008

加人数、開催場所、開催期間）
１) 居城邦治、新倉謙一、松尾保孝(高分子学会 北海道支～2010)

部)：平成20年度科学研究費補助金事業「未来高分子教

ｆ．その他

室：高分子で展開するバイオ・光・ナノテクが織りな

１) 岡嶋孝治、田中賢、新倉謙一、石井勝弘（産業技術研
究助成事業）：「単一細胞表層の全方向ナノダイナミク

す実体験ゾーン」、北海道大学 (2008.10.18)

ス計測技術の開発」、2006～2009年度、本研究では、生4.9

細胞表層のマイクロドメイン構造および表面ダイナミ

共同研究

ｂ．民間等との共同研究

クスを測定する手法を確立する。研究開発期間の前半

１) 居城邦治、本望修（札幌医科大学）：「骨髄由来の細胞

は、細胞の表層を選択的に計測することができる、原を用いた新規な再生医療法の開発」（2006.10.1～現在）

子間力顕微鏡（AFM）法とエバネッセント波動的光散

２) 長田義仁(理化学研究所)、居城邦治、上田哲男：「分子乱法（EW-DLS）とを組み合わせた細胞表層の全方向

情報生命科学に関する研究」(2008.4.1～2012.11.30)

計測装置を試作する。そして、糖鎖ナノプローブ合成

ｄ．受託研究（研究担当者、機関名、研究題目、研究期間、技術と細胞培養制御技術を利用して細胞表層の定量測総経費、研究内容）定が可能なナノ計測技術を確立する。研究期間の後半

１) 居城邦治、松尾保孝、NEDO 産業技術研究助成事業：「非は、本研究で開発したナノ計測技術を用いて、多数個

対称ナノハニカム構造を持つ高機能癒着防止膜とそのの正常細胞と異常細胞の解析結果から、生細胞表層の― 111 ―

時空間構造と疾患との相関を解明する。

４) 居城邦治：社団法人高分子学会バイオ・高分子研究会

２) 松尾保孝、ノーステック財団研究開発助成事業 タレ
ント補助金業：「生細胞イメージング用の新規発光性金運営委員（2002年4月1日～現在）
５) Kuniharu Ijiro: Asian Conference on Nanoscience & Na-属ナノ粒子の開発」、(2008年度)

notechnology (AsiaNANO), Steering Committee (2004年
度～現在)

4.11

受賞

６) 松尾保孝：日本化学会・生体機能関連化学部会若手の

１) 大竹範子：「アンカー分子を用いたウイルス様ナノカプ会幹事（2005年～現在）

セルへのタンパク質内包」、第89日本化学会春季年会

ｃ．併任・兼業「学生講演賞」(2009.3.27-30)

１) 居城邦治：独立行政法人 理化学研究所 基幹研究所 分子情報生命科学特別研究ユニット 客員主管研究員

２) 森田有香、山本貞明、藪浩、伊藤絵美子、居城邦治、（2007年12月1日～2009年3月31日）

本望修、下村政嗣：「マイクロパターン化表面によるラット骨髄由来間葉系幹細胞の増殖促進」、
第89日本化学

２) 居城邦治：独立行政法人 科学技術振興機構「戦略的創造研究推進事業」領域アドバイザー（2006年6月19日～

会春季年会「優秀講演賞（産業）」(2009.3.27-30)

2010年6月18日）

３) 田中あや：「Preparation of nanostructure using molecular
recognition of sequence-designed DNA」、北海道大学大３) 居城邦治：社)日本化学会「欧文誌」編集員会 編集委員（2006年3月1日～現在）

塚賞 (2009.3.19)
４) K. Nagakawa, K. Niikura, N. Ohtake, T. Suzuki, Y. Matsuo,

ｆ．外国人研究者の招聘（氏名、国名、期間）

H. Sawa and K. Ijiro : Best Poster Award “Metal

１) Jae-Yong Kim、Korea (2009年2月12日)

Nanoparticle Array on a Viral Surface through the Sug-

２) Chang Kyung Kim、Korea (2009年2月12日)

ar-Recognition” (AsiaNANO 2008) 2008年11月

３) In Sung Park、Korea (2009年2月12日)

５) F. Monma, Y. Matsuo, K. Niikura and K. Ijiro: Best Poster４) Simon Song、Korea (2009年2月12日)

Award “Fabrication of Langmuir-Blodgett Monolayres of５) Hee Joon Ahn、Korea (2009年2月12日)

Single-Stranded DNA Wrapped SWNT” (AsiaNANO 2008)

６) Haiwon Lee、Korea (2009年2月12日)

2008年11月

７) Cheon Gyu Cho、Korea (2009年2月12日)

６) K. Nambara,K. Niikura, R. Kamitani and K. Ijiro: Best

８) Sung-Hwan Han、Korea (2009年2月12日)

Poster Award “Cell Cycle-dependent Uptake of Lipid-like９) Jin Wook Han、Korea (2009年2月12日)

Compounds in HeLa Cells” (AsiaNANO 2008) 2008年1110) Sunyoung Park、Korea (2009年2月12日)

月11) Hyun Ae Lee、Korea (2009年2月12日)

７) 石川綾子：「核酸塩基と金の選択的な吸着を利用した金

12) Young Suk Kim、Korea (2009年2月12日)

ナ ノ 粒 子 の 作 製 」、 高 分 子 学 会 北 海 道 支 部 優 秀 賞

13) Hanna Kim、Korea (2009年2月12日)(2008.8)

14) Semi Heo、Korea (2009年2月12日)

８) 関口翔太：「微粒子の核移行を目的とした糖鎖修飾法」、ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）
１) 理 学 院 、 物 理 化 学 特 別 講 義 Ⅰ [Special Lecture on

高分子学会北海道支部優秀賞 (2008.8)

Physical Chemistry I ]（分子組織化学）、居城邦治、2008

９) 永川桂大：「ウイルスの糖鎖認識機能を利用した金ナノ

年10月1日～2009年3月31日

粒子の規則配列化」、第20回生体機能関連化学若手の会

２) 全学共通、環境と人間（光・バイオ・分子で拓くナノ

サマースクール実行委員会優秀賞 (2008.8.6)

テクノロジー）、居城邦治、2008年4月1日～2008年0910) 神谷亮介：「細胞膜修飾高分子を用いた細胞操作技術の開発」、日本化学会学生講演 (2008.4)

月30日
３) 全学共通、環境と人間（先端の化学）、居城邦治、2008

4.12

社会教育活動

年4月1日～2008年09月30日

ａ．公的機関の委員

４) 理学院、特別研究Ⅰ、居城邦治、2008年4月1日～2009

１) 新倉謙一：経済産業省 地域技術開発支援事業に係わる
事前評価委員（2007年5月14日～2009年8月31日）

年3月31日５) 理学院、特別研究Ⅱ、居城邦治、2008年4月1日～2009

ｂ．国内外の学会の役職

年3月31日

１) 居城邦治、新倉謙一、松尾保孝：高分子学会未来高分

６) 理学院、特別研究Ⅲ、居城邦治、2008年4月1日～2009

子教室実行委員（2008年4月1日～2008年10月18日）

年3月31日２) 新倉謙一：高分子学会男女共同参画委員（2007年4月1

７) 理学院、特別研究Ⅳ、居城邦治、2008年4月1日～2009日～2011年3月31日）

年3月31日３) 居城邦治：社団法人高分子学会北海道支部幹事（2004８) 理学院、特別研究Ⅴ、居城邦治、2008年4月1日～2009
年3月31日

年4月1日～現在）― 112 ―

９) 理学院、論文購読Ⅰ、居城邦治、2008年4月1日～2009
年3月31日10) 理学院、論文購読Ⅱ、居城邦治、2008年4月1日～2009
年3月31日11) 理学院、論文購読Ⅲ、居城邦治、2008年4月1日～2009
年3月31日12) 理学院、論文購読Ⅳ、居城邦治、2008年4月1日～2009
年3月31日13) 理学院、論文購読Ⅴ、居城邦治、2008年4月1日～2009
年3月31日14) 全学共通、環境と人間（先端の化学）、居城邦治、2008
年4月1日～2008年9月30日
ｈ．北大以外での非常勤講師(担当者、教育機関、講義名、
期間)
１) 居城邦治、筑波大学数理物質科学研究科、化学特別講
義Ⅰ、2008年09月1日～2009年3月31日
２) 居城邦治、名古屋大学工学研究科、有機材料設計特論
1 、2008年4月14日～2009年3月31日
ｉ．ポスドク・客員研究員など
・ポスドク（1名）
塚本里加子（電子科学研究所）
ｊ．修士学位及び博士学位の取得状況
・修士課程（4名）
永川桂大、栃木隆、関口翔太、石川綾子
・博士課程（6名）
田中あや、神谷亮介、門間太志、福平由佳子、大竹範子、
西尾崇
・修士論文
１) 永川桂大：ウイルスを鋳型とした金属ナノ粒子の規則
配列化とプラズモンナノ材料への応用
・博士論文
１) 田中あや：Preparation of nanostructure using molecular
recognition of sequence-designed DNA (塩基配列がデザインされた DNA の分子認識によるナノ構造体の作製)
２) 神谷亮介：Design of artificial ligand-appended polymers
for non-covalent modification of cell surface (非共有結合型細胞表層修飾のための人工リガント提示ポリマーの分子設計)
３) 福 平由 佳子 ：Study of Honeycomb-patterned film for
Medical Devices（医療用ハニカム構造フィルムに関する研究）― 113 ―

W/cm2）を0.01秒偏光照射した後、現像した基板の電子顕微鏡写真を図1(b)に示す。図より構造間のギャップにのみ
教

光重合体が形成されていることがわかる。一方、入射光偏授 三澤弘明（筑波院、理博、2003.5～）

光を構造体に対して垂直となるように照射した場合（照射

准教授 ヨードカジス・サウリウス（Ph.D at Vilnius Univ., Lyon-I Univ.、2004.4～）

時間：10秒）、各構造体の端に光重合体が形成された（図助教 村澤尚樹（北大院、博(情報科学)、2008.6～）1(c)）。構造体のプラズモン共鳴バンドが700-800nm である

院

生

こと、及び時間領域差分法（FDTD）による電場強度プロ

博士課程

ファイルのシミュレーション結果（図1(d), (e)）から、形成

西島喜明、横田幸恵、Md. モニール・イスラムされた光重合体は電場増強に基づく 2 光子重合反応による修士課程ものであると考えられる。
同様にギャップ幅 6 nmのナノギャップ金構造体を作製

高畠聡章、西 泰史、荒木 剛

し、ネガ型フォトレジストをスピンコートした後に、光源としてハロゲンランプ（波長：600-900nm、光強度：210

１．研究目標mW/cm2、照射時間：3 時間）を照射、現像したときの構造

光の波長よりもサイズの小さい金属ナノ微粒子に光を照体の電子顕微鏡写真を図 2 に示す。図よりギャップ領域に射すると、局在型の表面プラズモン共鳴が誘起され、回折のみ光重合体が形成される様子がわかる。これは照射光の限界よりも遥かに小さいナノメートルの領域に光電場を局偏光方向に依存して重合体の形成される位置が変化したこ

在化させることができる。特に、金属微粒子同士がシングと、ガラス基板上やナノギャップ以外の金属ナノ構造上でルナノメートル幅で近接したナノギャップ金属構造では、は反応が進行していないこと、そして反応開始剤の吸収波

そのギャップ間において入射光電場強度の～105 倍にも及長が400nm 以下であることから、ナノギャップ中においてぶ極めて高い光電場増強が誘起されることが理論的に予測増強された強い近接場光（|E2|=～104）が、反応開始剤の 2 光

されている。この光電場増強効果は、表面増強ラマン散乱（SERS)や高効率な高次高調波発生などの非線形光学現象
を容易に誘起することが可能であることから、局在表面プ
ラズモンに関する様々な研究が、現在実験・理論の両面から精力的に行われている。本研究グループでは、高度微細加工技術により金属ナノ構造体を高精度に作製し、高い光電場増強効果を示す金属ナノ構造を新規ナノ光化学反応場と位置づけ、種々の光化学反応へ適応するとともに、構造設計の最適化から光化学反応の選択率制御を達成する光化学反応場を構築することを目的として研究を行っている。

２．研究成果電子線リソグラフィー／リフトオフ法を用いてガラス、シリコンなどの固体基板上に 2 つの金ナノブロック構造がナノメートルの空隙を有して隣接するナノギャップ金構造を作製し、非線形光重合反応を用いて構造体に局在する光
電場増強効果について検討し、ハロゲン光のような微弱光を用いても非線形光重合反応を誘起できることを明らかにした。また、金ナノブロック構造の長軸方向の偏光照射に

図１．(a) ナノギャップ金構造体の電子顕微鏡写真（構造間距離：5nm）、(b, c) 構造体に対して平行及び垂直方向に偏光照射したときに形成された光重合体（点線囲み部分）、(d, e) FDTD によるシミュレーション結果（矢印は偏光方向）

よって誘起される高次のプラズモンモードを非線形光重合反応により可視化することに成功した。
(ⅰ) 非線形光重合反応による光電場増強の効果
作製した金ナノ構造体基板上にネガ型フォトレジスト（SU-8、光吸収帯 400nm 以下、Microchem Co.）をスピンコ
ートし、フェムト秒レーザー光（Tsunami, Spectra Physics,
波長：800nm、繰り返し周波数：82MHz、パルス幅：120fs）
を任意の光強度・時間で照射した。ナノギャップ金構造体（図1(a)）に構造体に対して平行のレーザー光（1.6×103

図２．ハロゲン光（(a) 無偏光、(b) 直線偏光（矢印の方向））照射
によって形成された光重合体の電子顕微鏡写真― 114 ―

子吸収を誘起し、光重合反応の進行が促進され事に基づく

400nm 以下、Microchem Co.）をスピンコートし、フェムトと考えられる。本結果は、微弱光（インコヒーレント光）

秒レーザー光（Tsunami, Spectra Physics, 波長：800nm、繰を用いても多光子吸収の誘起と局所ナノ空間選択励起が実り返し周波数：82MHz、パルス幅：120fs）を任意の光強度・現可能であることを実証した世界初の研究成果である。

時間照射した。図3(a)に、金ナノブロック構造の長軸に対して平行な偏光レーザービーム（2.6kW/cm2）を1200秒間(ⅱ) 局在表面プラズモンの高次モードを利用した空間選照射した後、現像した基板の電子顕微鏡写真を示す。図より、構造体の両端部分に重合体が形成されている様子が観

択的多光子光重合反応
ガラス基板上に電子線リソグラフィー／リフトオフ法に察された。一方、構造体の他の部分、及びガラス基板上により金ナノブロック構造体（構造体 1 つのサイズ：55×385

は重合体が形成されていないことから、金ナノブロック構×32nm3）を作製した。構造体の透過吸収スペクトルを測定

造体の光電場強度の高い位置のみが空間選択的に光重合反した結果、1750nm、1048nm、および785nm にそれぞれプラ

応が進行したことが考察される。また、レーザー光強度をズモンの共鳴ピークが計測された。作製した金ナノブロッ

7.7kW/cm2にし、照射時間を30～300秒に変化させると、構ク構造体基板上にネガ型フォトレジスト（SU-8、光吸収帯

造体の両端より内側にも重合体の形成と照射時間とともに形成量の増加が観察された（図3(b)-(d)）。構造体のプラズ
モン共鳴スペクトル、原子間力顕微鏡による構造体の断面
プロファイル（図3(e)）、および時間領域差分法（FDTD）
によるシミュレーション結果（図3(f)）より、非線形重合反応の空間プロファイルは金ナノブロック構造の長軸方向に沿った高次のプラズモン共鳴モードを反映したものである
ことが明らかとなった。また、構造体の形状（アスペクト比）を変化させて同様に実験を行ったところ、構造体上に形成された光重合体のパターンが変化し、その空間パター
ンは時間領域差分法による光電場強度分布のシミュレーシ
ョン結果と良い一致を示した。これらの結果から、局在表
面プラズモンの高次の共鳴モードを利用することで、空間選択的に多光子光重合反応が誘起されることを実験的に明らかにした。

３．今後の研究の展望
以上の研究より、非線形光重合反応を利用することでナノギャップ金構造が示す光電場増強効果について明らかに

200

200

した。また、金ナノブロック構造体の長軸方向の光照射によって誘起される高次のプラズモンモードの電場強度空間

180

100

分布を非線形光重合反応によって可視化することが可能で

y (nm)

あることを示した。今後は、高い光電場増強効果を示すナ

160
20

0

ノ・マイクロ構造を用いて、光子一つ一つの有するエネル

40

ギーや情報を自在に変換する場を高度に集積し、高い量子2max

収量に加えて、高選択的な光反応を実現する化学反応場を

I =900-100

構築すること、さらにこのような構造を用いて赤外光にお

500

I

2

-200

いても駆動する光電変換デバイスの構築を目指して研究を展開する予定である。

16
1

-50

0

50

x (nm)
図３．金ナノブロック構造上に形成された光重合体の電子顕微鏡
像 (a) 照射レーザー光強度：2.6 W/cm2, 照射時間：1200 s、(b) 7.7 kW/cm2, 30 s、(c) 7.7 kW/cm2, 120 s、(d) 7.7 kW/cm2, 300 s、(e) 構造体の長軸方向の断面プロファイル、(f) 時間領域差分法による光電場強度分布のシミュレーション結果― 115 ―

Hard X-ray Generation from Liquid Target When

４．資料
4.1

Irradiated by Femtosecond Pulses”, Opt. Exp., 16(17):

学術論文

12650-12657 (2008).

１) E. Brasselet, N. Murazawa, S. Juodkazis and H. Misawa:

11) Y. Nishijima, K. Ueno, S. Juodkazis, V. Mizeikis, H.

“Statics and Dynamics of Radial Nematic Liquid-crystal

Misawa, M. Maeda and M. Minaki: “Tunable Single-mode

Droplets Manipulated by Laser Tweezers”, Phys. Rev. E,

Photonic Lasing from Zirconia Inverse Opal Photonic

77: 041704 (2008).

Crystals”, Opt. Exp., 16(18): 13676-13684 (2008).

２) O. A. Louchev, S. Juodkazis, N. Murazawa, S. Wada and12) S. Juodkazis, V. Mizeikis, M. Sudzius, H. Misawa, K.

H. Misawa: “Coupled Laser Molucular Trapping, Cluster

Kitamura, S. Takekawa, E. G. Gamaly, W. Z. Krolikowski,

Assembly,and A.V. Rode: “Laser Induced Memory Bits inandDeposition

Fed

by

Laser-induced

Marangoni Convection”, Opt. Exp., 16(8): 5673-5680

Photorefractive LiNbO3 and LiTaO3”, Appl. Phys. A, 93:(2008).

129-133 (2008).

３) S. I. Kudryashov, V. D. Zvorykin, A. A. Ionin, V. Mizeikis,

13) S. Juodkazis and H. Misawa: “Laser Processing of Sapphire

S. Juodkazis and H. Misawa: “Acoustic Monitoringby Strongly Focused Femtosecond Pulses”, Appl. Phys. A,
93: 857-861 (2008).

Microplasma Formation and Filamentation of Tightly
Focused Femtosecond Laser Pulses in Silica Glass”, Appl.

14) K. Sun, N. Suzuki, L. Zheyu, R. Araki, K. Ueno, S.
Juodkazis,

Phys. Lett., 92: 101916-(1-3) (2008).

M.

Abe,

S.

Noji

and

H.

Misawa:“Electrophoretic Chip for Fractionation of Selective DNA４) M. Takagi, T. Kitabayashi, S. Koizumi, H. Hirose, S.
Kondo, M. Fujiwara, K. Ueno, M. Hiroaki, Y. Hosokawa,

Fragment”, Electrophoresis, 29(19): 3959-3963 (2008).

H. Masuhara and S. Watitani: “Correlation Between Cell

15) K. Hatanaka, K. Yomogihata, H. Ono, K. Nagafuchi, H.

Morphology and Aggrecan Gene Expression Level During

Fukumura, M. Fukusima, T. Hashimoto, S. Juodkazis, H.

Differentiation

toMisawa: “Hard X-ray Generation Using Femtosecond

Chondrocytes”, Biotechnology Letters, 30(7): 1189-1195

Irradiation of PbO Glass”, Journal of non-crystalline solids,(2008).

534(52-54): 5485-5490 (2008).

fromMesenchymal

Stem

Cells

５) K. Ueno, S. Juodkazis, T. Shibuya, Y. Yokota, V. Mizeikis,

16) S. Juodkazis, Y. Nishi, H. Misawa: “Femtosecond Laser-

K. Sasaki and H. Misawa: “Nanoparticle Plasmon-Assisted

assisted Formation of Channels in Sapphire Using KOH

Two-Photon

Solution”, Physica Solidi-Rapid Research Letters, 2(6):Polymerization

Inducedby

Incoherent

275-277 (2008).

Excitation Source”, J. Am. Chem. Soc., 130(22):17) H. Nabika, N. Iijima, B. Takimoto, K. Ueno, H. Misawa, K.

6928-6929 (2008).
６) K. Ueno, Y. Yokota, S. Juodkazis, V. Mizeikis and H.

Murakoshi: “Segregation of Molecules in Lipid Bilayer

Misawa: “Nano-Structured Materials in Plasmonics andSpreading through Metal Nanogates”, Anal. Chem., 81(2):699-704 (2009).

Photonics”, Current Nanoscience, 4: 232-235 (2008).
７) E.G. Gamaly, S. Juodkazis, H. Misawa, B. Luther-Davies,18) N. Murazawa, K. Ueno, V. Mizeikis, S. Juodkazis, and H.

A. V. Rode, L. Hallo, P. Nicolai, and V. T. Tikhonchuk:

Misawa:“Formation of Nano-voids in Transparent Dielectrics bypolymerization Induced by the Near-Field of Surface“Spatially

Selective

Nonlinear

Photo-

Femtosecond Lasers”, Current Applied Physics, 8(3-4):

Plasmons Localized on Rectangular Gold Nanorods”, J.

412-415 (2008).

Phys. Chem. C, 113(4): 1147-1149 (2009).

８) E. G. Gamaly, S. Juodkazis, V. Mizeikis, H. Misawa, A. V.

19) Y. Nishijima, K. Ueno, S. Juodkazis, V. Mizeikis, H.

Rode, W. Z. Krolikowski, and K. Kitamura: “Three-

Fujiwara, K. Sasaki, and H. Misawa: “Lasing withdimensional

Well-defined Cavity Modes in Dye-infiltrated Silica

Write-read-erase

MemoryBitsbyFemtosecond Laser Pulses in Photorefractive LiNbO3

Inverse Opals”, Opt. Exp., 17(4): 2976-2983 (2009).

Crystals”, Current Applied Physics, 8(3-4): 416-419

20) H. Iwase, S. Kokubo, S. Juodkazis, and H. Misawa:(2008).

“Suppression of Ripples on Ablated Ni Surface via a９) K. K. Seet, V. Mizeikis, K. Kannari, S. Juodkazis, H.

Polarization Grating”, Opt. Exp., 17(6): 4388-4396

Misawa, N. N. Tétreault and S. John: “Templating and(2009).

Replication of Spiral Photonic Crystals for Silicon
Photonics”, IEEE J. Quantum Electron., 14(4): 1064-1073

4.2(2008).

１) 三澤弘明：「レーザでウエハ切断」、レーザ加工学会誌、

10) K. Hatanaka, T. Ida, H. Ono, S. Matsushima, H.
Fukumura, S. Juodkazis and H. Misawa: “Chirp Effect in

総説・解説・評論等
15：126-127 (2008).

２) 三澤弘明：「光の時代における光化学」、光化学、39：― 116 ―

65 (2008).

Photo-Excited Processes and Applications (ICPEPA),

３) 三澤弘明：「フェムト秒レーザによる微細加工技術」、
電子材料、48: 80-87 (2009).

Royton Hotel, Sapporo (2008-09).
７) 三澤弘明：「量子ビームによる微細構造形成と新機能発
現」（招待講演）、第57回高分子討論会、大阪市立大学、

4.3

国際会議議事録等に掲載された論文

大阪 (2008-09).

１) S. Juodkazis, V. Mizeikis, S. Matsuo, K. Ueno, and H.
Misawa:“Three-Dimensional

Micro-

and８) 井村考平、岡本裕巳、上野貢生、三澤弘明：
「円形金ナ

Nano-

ノプレートの近接場分光特性」、
第69回応用物理学会学

Structuring of Materials by Tightly Focused Laser
Radiation”, Bull. Chem. Soc. Jpn., 81: 411-448 (2008).

術講演会、中部大学、愛知 (2008-09).
９) 高畠聡章、上野貢生、西島喜明、ビガンタス ミゼイキ
ス、サウリウス ヨードカジス、三澤弘明：「ナノ光リ

4.4

著書

ソグラフィーによるレジストナノパターンの形成」、第１) S. Juodkazis, V. Mizeikis, and H. Misawa: “Three-

69 回 応 用 物 理 学 会 学 術 講 演 会 、 中 部 大 学 、 愛 知

Dimensional Structuring of Resists and Resins by Direct(2008-09).

Laser Writing and Holographic Recording”, Advances in10) 高畠聡章、上野貢生、西島喜明、V. Mizeikis、S. Juodkazis、Polymer Science 213 -Photoresponsive Polymers I-, ed.

三澤弘明：「プラズモン増強を利用した非線形光化学反by S.R. Marder and K.-S. Lee, Springer-Verlag: 157-206

応によるフォトレジストのナノパターニング」、2008
年光化学討論会、大阪府立大学、大阪 (2008-09).

(2008).

11) 宮本博徹、上野貢生、大西大、坂口拓生、麦野遥一、
4.6

V. Mizeikis、S. Juodkazis、三澤弘明：「金ナノ円周構造

特許・国内特許
１) 上野貢生、三澤弘明：特願2008-192763、フォトレジス
パターンの作製方法、2008年7月25日.
4.7の光学特性と光増強効果」、2008年光化学討論会、大阪府立大学、大阪 (2008-09).
12) 池谷伸太郎、上野貢生、横田幸恵、西島喜明、V. Mizeiki、
S. Juodkazis、三澤弘明：「ナノギャップ金構造の光学

講演

特性 －アップコンバージョンシステムの構築に向けⅰ）学会て－」、2008年光化学討論会、大阪府立大学、大阪

１) Hiroaki Misawa: “Photochemistry on Nano-Engineered
Gold

Particles”,

XXII

IUPAC

Symposiumon

Photochemistry 2008, Gothenburg, Sweden (2008-07).

(2008-09).
13) 村澤尚樹、上野貢生、V. Mizeikis、S. Juodkazis、三澤
弘明：「局在プラズモンの高次モードを用いた空間選択

２) Y. Nishijima, K. Ueno, S. Juodkazis, V. Mizeikis, H.

的多光子光重合反応」、2008年光化学討論会、大阪府立

Misawa, M. Maeda, M. Minaki: “Studies of lasing fromzirconia inverse opal photonic crystals doped by
Rhodaminedyes”,

XXII

IUPAC

Symposium

on

大学、大阪 (2008-09).
14) 井村考平、岡本裕巳、上野貢生、三澤弘明：「金ナノデ
ィスクの近接場顕微分光」、第2回分子科学討論会2008、

Photochemistry 2008, Gothenburg, Sweden (2008-07).
３) Y. Yokota, K. Ueno, V. Mizeikis, S. Juodkazis, H. Misawa:“Study of surface-enhanced Raman scattering assisted by

福岡国際会議場、福岡 (2008-09).
15) 岡本裕巳、井村考平、キム スイル、上野貢生、三澤弘
明：「金ナノヴォイド構造の近接場顕微分光」、第2回分

collective plasmonic modes of closely-spaced gold
nanoblocks”, XXII IUPAC Symposium on Photochemistry
2008, Gothenburg, Sweden (2008-07).

子科学討論会2008、福岡国際会議場、福岡 (2008-09).
16) S. Juodkazis: “Three-Dimensional Femtosecond Laser
Fabrication”(invited), PRiME (Pacific Rim Meeting on４) S. Takabatake, K. Ueno, Y. Nishijima, V. Mizeikis, S.

electrochemical and solid-state science), Hilton Hawaiian

Juodkazis, H. Misawa: “Development of nanolithography
techniques utilized non-linear excitation process enhanced
on gold nano gap structure”, XXII IUPAC Symposium on

Village Hotel, Honolulu, USA (2008-10).
17) Hiroaki Misawa: “Photochemistry on Nano-Engineered
Gold Structures” (Invited), 5th Asian Photochemistry

Photochemistry 2008, Gothenburg, Sweden (2008-07).

Conference (5th APC), Jiuhua Convention Center, Beijing,５) N. Murazawa, K. Ueno, V. Mizeikis, S. Juodkazis, H.
Misawa: “Non-linear photopolymerization induced by
localized near-field on gold nanoblocks”, XXII IUPAC

China (2008-11).
18) 三澤弘明、上野貢生、高畠聡章:「光アンテナを利用したレジスト材料のナノ加工」、第27回固体・表面光化学

Symposium on Photochemistry 2008, Gothenburg, Sweden(2008-07).
６) S. Juodkazis: “Femtosecond Pulses – Tool of 3D

討論会、徳島大学、徳島 (2008-11).
19) S. Juodkazis: “Monitoring of microplasma formation and

Structuring of Materials” (invited), Int. Conf. on― 117 ―

filamentation of tightly focused femtosecond laser pulses indielectrics” (invited), SPIE Photonics West 2009, San Jose

Academic Seminar 2009, Kanagawa Science Park Hall,

McEnery Convention Center, San Jose, USA (2009.01).

Kawasaki (2009-03).

20) 高畠聡章、上野貢生、西島喜明、V. Mizeikis、S. Juodkazis,
三澤弘明：「プラズモン増強効果を利用したナノ空間における光化学反応」、日本化学会第89春季年会、日本大4.8

シンポジウムの開催（組織者名、部門名、シンポジウ
ム名、参加人数、開催場所、開催期間）

学船橋キャンパス、千葉 (2009-03).
21) 横田幸恵、上野貢生、V. Mizeikis、S. Juodkazis、三澤

１) 三澤弘明、益田秀樹、山田淳、村越敬：「文部科学省科

弘明：「ナノギャップ金構造による増強ラマン効果」、学研究費補助金 特定領域研究 『光−分子強結合反応

日本化学会第89春季年会、日本大学船橋キャンパス、場の創成』第 3 回シンポジウム」、北海道大学、札幌(2008-06).

千葉 (2009-03).

２) 三澤弘明、益田秀樹、山田淳、村越敬：「化学者のためⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ
１) 三澤弘明：「フェムト秒レーザプロセスによるフォトニのプラズモン講座−ナノ・マイクロ構造を利用した効率

ック結晶の作製」（招待講演）、電子情報通信学会集積的光エネルギー変換−」、名古屋大学、名古屋 (2009-01).

光デバイス技術時限研究専門委員会第 3 回研究会、登３) 三澤弘明、益田秀樹、山田淳、村越敬：「文部科学省科学研究費補助金 特定領域研究 『光−分子強結合反応

別温泉ホテルまほろば、登別 (2008-05).

場の創成』 第4回公開シンポジウム」、名古屋大学 、

２) Hiroaki Misawa: “Nano-structured Materials in Photonics
and Plasmonics” (Invited), 4th SFB 513 Workshop,
University of Konstanz, Germany (2008-05).

名古屋 (2009-01).
４) 三澤弘明、益田秀樹、山田淳、村越敬：日本化学会第３) S. Juodkazis: “Three-dimensional nano-/micro fabrication

89春季年会

特別企画「ナノ・マイクロ構造体によるby femtosecond laser pulses in dielectric materials”

増強光エネルギー変換」、日大西船橋キャンパス、船橋(invited), The 7th symposium SiO2, advanced dielectrics(2009-03).

and related devices, the Centre de Congrès inSaint-Etienne, France (2008-06).

4.9４) Hiroaki Misawa: “Non-linear Photochemical Reactions

共同研究

ｃ．民間等との共同研究

Induced in the Near-field Region of Sub-wavelength１) 三澤弘明、上野貢生（ローム）：「局在プラズモンを用

Optical Antennae under Incoherent Excitation” (invited),

いた受光素子」、2006～2009年度、テラヘルツと呼ばれThe 2nd Japan-Taiwan Joint Symposium on Organized

る帯域の電磁波を検出する簡便なデバイスを構築する

Nanomaterials

ために、局在プラズモン技術を用いて新規の検出素子

andNanostructures

RelatedtoPhotoscience, Kyoto University Clock Tower Centennial
Hall, Kyoto (2008-11).

を研究開発する。
２) 三澤弘明、上野貢生（三洋化成工業）：「微粒子配列制５) 三澤弘明：「光ナノアンテナの構造設計と SERS への展

御技術に関する研究」、2005～2008年度、単分散高分子開」（招待講演）、日本分光学会 高感度表面・界面分微粒子を用いて新規な微粒子組織化制御技術を開発す

光部会第 1 回シンポジウム、産業技術総合研究所つくばセンター、つくば (2008-12).

る。その技術を用いたデバイスの開発を進める。
３) 三澤弘明（北海道立工業試験場）：「ナノインプリント６) 三澤弘明、上野貢生、サウリウス ヨードカジス: 「金法による高機能微細構造の創製と応用に関する研究」、

属ナノ構造による光の捕捉・局在・増幅」（招待講演）,

2008〜2009年度、ナノインプリント法による微細加工

SORSTシンポジウム(2)技術を確立し、応用製品を開発する。

フレクシブルデバイス／マ４) 三澤弘明、上野貢生、ビガンタス・ミゼイキス（日立テリアルの未来像、コクヨホール、東京 (2009-02).
７) S. Juodkazis: “Three-Dimensional Structuring of Materials

化成工業）：「高屈折率感光性樹脂の二光子吸収リソグ

via Light-Field Localization”(invited), First International

ラフィーによるフォトニック結晶の作成と評価」、2008

SymposiumonTechnology:

Surface

AtomicallyandControlled

Fabrication

年度、高屈折率感光性樹脂を用いることによりフォト

ThinProcessing,

ニックバンドギャップの大きいフォトニック結晶を作

Film

製する。

Icho-Kaikan, Osaka University, Suita, Osaka (2009-02).
８) Hiroaki Misawa: “Photochemistry on Nano-Engineered Au
Structures”(Invited),

Symposiumon

The

Second５) 三澤弘明、上野貢生（松下電器産業）：「相変化記録の
微細記録限界に関する研究」、2008年度、局在プラズモ

International
Scienceンを利用し、相変化材料の微細記録限界を検証する。

(ISIMS-2009), Tsukuba International Congress Center,６) 三澤弘明、ヨードカジス・サウリウス、上野貢生（エInterdisciplinary

Materials

ア・ウォーター）：「レーザー技術を活用した、結晶改Tsukuba (2009-03).
ⅲ）コロキウム・セミナー等・その他

質技術の検討」、2008〜2009年度、レーザー技術を応用

１) Hiroaki Misawa: “Non-Linear Photochemical Reactions on

し化学物半導体（SiC）の表面結晶構造の改質効果の有Nano-Engineered Gold Nanoparticles”(Invited), Asian

無を確認すると共に、シリコンを出発原料としたモノ― 118 ―

シラン生成の可能性を確認する。

ク運営委員会 委員（2008年7月1日～2009年3月31日）

ｄ．受託研究３) 三澤弘明：文部科学省 科学技術・学術審議会専門委員

１) 三澤弘明、上野貢生、孫 凱、李哲煜：先端計測分析技
術・機器開発事業（科学技術振興機構)、「単一細胞内（2007年12月14日-2009年1月31日）
４) 三澤弘明：電気通信大学共同研究員（2008年4月1日〜

遺伝子発現プロフィール解析」、2008年度～2009年度：
DNA などの生体分子に関して 1 分子レベルでの分取2010年3月31日）
５) 三澤弘明：科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事
業を可能にするマイクロチップを開発する。

研究領域「光の利用と物質材料・生命機能」領域

アドバイザー（2008年5月9日-2010年5月30日）
4.10

６) 三澤弘明：文部科学省「元素戦略プロジェクト」審査

予算獲得状況

委員会 外部専門家（2008年7月1日-2009年3月31日）

ａ．科学研究費補助金
１) 三澤弘明、特定領域研究、光−分子強結合反応場の創７) 日本学術振興会
員会

成、2007～2010年度
２) 三澤弘明、特定領域研究、金属ナノ構造を用いた光局先端科学 (FoS) シンポジウム事業委

専門委員（2008年8月1日-2009年3月31日）

８) 三澤弘明：日本学術振興会

科学研究費委員会専門委

員（2008年12月1日〜2009年11月30日）

在場の創製と光化学反応への応用、2007～2010年度
３) ヨードカジス・サウリウス、基盤研究 B 一般、衝撃

９) 三澤弘明：NEDO ピアレビュア （2009年3月1日〜2011
年3月31日）波によるナノ構造物質の形成、2007～2010年度
４) 村澤尚樹、若手研究 スタートアップ、積層型金属ナノｂ．国内外の学会の役職
１) 三澤弘明：Associate Editor, TNANO (IEEE Transactions

構造体の作製とその光学特性評価、2008〜2009年度
５) 西島喜明、特別研究員奨励費、フォトニック結晶を用

on Nanotechnology) (2007年3月23日～2009年11月30日)

いた新規光化学デバイスの作製およびその評価、2008

２) 三澤弘明：電子情報通信学会 超高速光エレクトロニク
ス研究専門委員会 専門委員（2007年3月12日～2008年〜2009年度

12月31日）ｄ．奨学寄付金
１) 三澤弘明（財団法人新生資源協会）：「集光フェムト秒３) 三澤弘明：日本化学会北海道支部 幹事（2008年3月1日～2009年2月28日）

レーザーパルスによるサファイアの 3 次元微細加工」、
2007～2008年度（1,600千円）、近赤外波長域のフェム

４) 三澤弘明：ACS Applied Material & Interfaces, Editorial
Advisory Board (2009年1月1日〜現在)

ト秒レーザーパルスをサファイア基板中に集光照射す
ると、多光子吸収により焦点付近にのみアモルファス

ｃ．併任・兼業相の形成が誘起される。このアモルファス相の化学的

１) 三澤弘明：浙江大学客員教授 (2005年11月1日～現在)

性質は、結晶相とは著しく異なることが示されている。

２) 三澤弘明：株式会社レーザーシステム 取締役 (2004
年6月1日～現在)

本研究においては、形成したアモルファス相の短周期・長周期構造、およびその未解明な物性を解明する

３) 三澤弘明：徳島大学産学連携関連分野客員教授（2006
年11月1日～現在）ことを目的とする。
ｅ．ＣＯＥ関係（研究担当者、機関名、研究題目、研究期

４) 三澤弘明：西安交通大学客員教授（2009年1月3日〜現
在）間、研究内容）１) 三澤弘明（北海道大学）: 「局在表面プラズモン共鳴に基づく光電場増強を利用した光－エネルギー変換素ｅ．新聞掲載記事
１) 三澤弘明：2008.7.11、日経産業新聞（日刊）
、
「危険物

子の構築」
、2007年度～2011年度、半導体微細加工技術の探知容易に 爆薬や麻薬

テラヘルツ波利用 北大、によってナノギャップ金属構造体を作製し、種々の非増強素子: ナノテクノロジーを駆使し、鞄の中の危険

線形光学効果の増強を利用した顕微分光計測法や非線物を短時間で検出可能な、テラヘルツ波を集め強める形光重合反応を用いることにより、ナノギャップ金属

素子を開発した。これまでのテラヘルツ波は信号が微構造体に局在する光電場増強効果を解明するとともに、弱で鞄内の探知に 1 時間程度かかっていたが、今回開この原理を利用した高効率の光－エネルギー変換素子

発された素子で信号を増強すれば数百分の一で検出可を構築することを目的として研究を行う。

能となる。」
ｆ．外国人研究者の招聘（氏名、国名、期間）

4.12

社会教育活動１) Sajeev John、カナダ、2008年8月27日〜30日

ａ．公的機関の委員

２) Brasselet Etienne、フランス、2008年7月10日～8月4日、

１) 三澤弘明：文部科学省 科学技術政策研究所 科学技術

12月7日〜19日、3月9日〜27日

動向研究センター 専門調査委員 (2006年4月1日～

３) Vaitkus Juozas、リトアニア、2008年10月19日～25日

2010年3月31日）

４) Staliuna Kestutis、イタリア、2009年2月5日〜13日２) 三澤弘明：文部科学省 ナノテクノロジー・ネットワー

５) Paul Leiderer、ドイツ、2009年3月17日～18日― 119 ―

ｇ．北大での担当授業科目（対象、講義名、担当者、期間）
１) 全学教育、基礎化学Ⅰ、三澤弘明、2008年4月1日〜2008
年9月30日２) 全学教育、Conversational English、ヨードカジス・サウ
リウス、2008年10月1日～2009年3月31日
３) 全学教育、環境と人間：光・バイオ・分子で拓くナノテクノロジー「光で物質を操る」、三澤弘明、2008年5月9日
４) 工学研究科、バイオオプティクス特論、三澤弘明、2008
年10月1日～2009年3月31日
５) 工学研究科、バイオオプティクス特論、ヨードカジス・
サウリウス、2008年10月1日～2009年3月31日
６) 工学部、電気回路、三澤弘明、2008年10月1日～2009
年3月31日、村澤７) 工学部、情報エレクトロニクス演習（電気回路）
尚樹、2008年10月1日～2009年3月31日
８) 工学部、科学技術英語演習、ヨードカジス・サウリウ
ス、2008年4月1日〜2008年9月30日
９) 工学部、生体工学概論「バイオセンシング」、三澤弘明、
2008年12月17日
ｉ．ポスドク・客員研究員など
１) 孫 凱（科学技術振興機構 先端計測分析技術・機器開発事業「単一細胞内遺伝子発現プロフィール解析」
・博士研究員）
２) 村澤尚樹（北海道大学グローバル COE プログラム「触媒が先導する物質科学イノベーション」
・博士研究員、〜2008.6.15まで）
３) ミゼイキス・ビガンタス（文部科学省 科学研究費補助金特定領域研究「金属ナノ構造を用いた光局在場の創製と光化学反応への応用」
・博士研究員、〜2008.12.31
まで）
４) 李 哲煜（科学技術振興機構 先端計測分析技術・機器開発事業「単一細胞内遺伝子発現プロフィール解析」
・
学術研究員）
５) 呉 伯涛（文部科学省 科学研究費補助金特定領域研究「金属ナノ構造を用いた光局在場の創製と光化学反応への応用」
・博士研究員、2008.10.16〜）
６) 周

時鳳（新生資源協会財団助成金「集光フェムト秒

レ ーザーパ ルス によるサ ファ イアの 3 次元 微細加工」
・博士研究員、2008.12.15〜）
７) 孫泉（文部科学省 科学研究費補助金特定領域研究「金属ナノ構造を用いた光局在場の創製と光化学反応への応用」
・博士研究員、2009.1.1〜）
ｊ．修士学位及び博士学位の取得状況
・博士課程（1名）
１) 西島喜明：Spectroscopic Studies of Opal and Inverse Opal
Crystals（微粒子集積型微小構造の光学的性質に関する研究）（2009年3月）― 120 ―

学の研究者の利用があった。
開設当初の一ヶ月の総利用人数・時間は20人・100時間程教授 永井健治（東大院、博士(医学）、2005.10～）

度にとどまっていたものの、研究者間での広がりやポスタ

教

授 上田哲男（北大院、博士(薬学)、2005.10～）

ーによって学内外へ活動をアピールすることにより、年間

特任准教授

堀川一樹

利用人数・利用時間も増えている(図 2 )。平成20年度は研（京大院、博士(理学)、2006.12～）

究所移転のため一ヶ月程度使用不可能な時期があったとは

特任助教 齊藤健太

いえ、月間総利用は最大で40人・400時間へとなった。ま（北大院、博士(理学)、2005.10～）

た、当センターでの観察による研究成果として、平成20年

技術職員 小林健太郎

度では利用者による 3 報の論文が学術雑誌に掲載された。

（北大院、博士(理学)、2005.10～）

5%

１．研究目標4%

電⼦科学研究所
低温科学研究所

12%

近年、蛍光バイオイメージング技術の需要が増大し、その需要に呼応して遺伝子導入技術、蛍光タンパク質をはじ

3%
1%
1%

めとする分子マーキング技術や機能指示薬作成技術が向上した。また、顕微鏡やカメラなどの機器の性能も飛躍的に創成
医学

平成20年度の総利用時間

2256時間

73%

⻭学
北⼤病院
薬学
⽣命科学

向上してきている。しかしながら、これらの最新技術・機情報科学

器を用いれば最新のデータがすぐさま得られる訳ではない

他⼤学

ところにバイオイメージング技術の難しさがある。
本研究部門は、北海道大学のみならず日本全国の研究者に最新の生物顕微鏡を利用できる環境を提供するための施図１．平成20年度イメージングセンター利用者の主な所属内訳

設として㈱ニコンインステックの協力により設立され、多数の協賛企業の援助を受けて活動している。研究者と企業の双方と緊密な連絡を取り合うことによってニーズとシー

500

3000

ズを結びつけ、利用者の要望を速やかに反映させたバイオ

ステーション４

イメージングに関する更なる技術改良や新技術開発、およ2500

ステーション３400

ステーション２

びその生物学研究への応用を推進し、そして本学と顕微観

ステーション１

察技術関連企業との連携強化ならびに本学における教育研

2000

利用人数
300

以上の目的を達成するため、以下に掲げる項目に沿った活動を行っている。

利用人数

利用時間

究の量と質の充実や活性化、国際的な交流を目指している。
1500

200
1000

１．最先端の顕微鏡とイメージング関連機器を設置し、基

100
500

礎研究の環境を提供する。
２．顕微鏡に馴染みのない研究者からハイエンドユーザー

00
平成17年度(11-3月)まで、さまざまなレベルに合わせて顕微観察法のトレーニングコースを行う。

平成18年度

平成19年度

平成20年度

図２．年度別イメージングセンター利用状況

３．イメージング操作について専属スタッフが指導を行う。
４．顕微鏡ユーザーのアイデアを反映した新型顕微技術の開発を行う。

(b) バイオイメージング技術と知識の普及
利用を希望する研究者には機器の利用方法の指導を行っ

２．研究成果ており、初心者にはイメージングや蛍光色素に関する相談(a) 利用実績（平成20年4月～平成21年3月）

細胞生物学に関する知識や技術の普及に貢献している。

も受けつけている。これらを通じて顕微鏡やその関連技術、

平成20年度の延べ利用人数・利用時間は、317人・2256

特に平成20年11月に北海道大学と大阪大学の COE が開時間にのぼる。研究者の所属の内訳は、北海道大学学内で催して20名程度が参加した細胞生物学ワークショップでは、は所内はもちろんのこと、低温科学研究所・創成研究機構・

一週間にわたって人員、機材、観察試料提供など全面的に医学部・薬学部・生命科学研究院・情報科学研究科などが協力を行った。

挙げられる（図 1 ）。学外では、札幌医科大学・九州工業大― 122 ―

(c) 顕微鏡技術の開発
マイクロレンズ付きニポウディスク走査方式の共焦点ス

４．資料

キャナユニット(CSU10, CSU22、横河電機)は、多点同時走

4.1

学術論文等

査により高速観察とサンプルへの光毒性軽減を可能とする。

１) K. Saito, K. Kobayashi, T. Tani and T. Nagai : “A mercury

当センターでは CSU シリーズをより安価に利用するため

arc lamp-based multi-color confocal real time imagingに、CSU の光源として従来用いられてきたレーザーに変えsystem for cellular structure and function”, Cell Struct.

て水銀ランプを用いた画像取得を試みた。レーザーと水銀

and Funct., 33(1) : 131-141 (2008)

アークランプを光源とした場合で比較したところ、空間分
解能には差がなかった。照射強度の均一性に関しては、レ

4.7

ーザーを光源とした場合よりも水銀アークランプを光源とａ．招待講演講演した場合の方が高かった。また、多色蛍光画像を取得する

ⅰ）学会

場合において、レーザーであれば基本的には蛍光色素の数

１) T. Nagai, W. Tomosugi, T. Matsuda, I. Kotera and K.

だけ光源が必要となるが、水銀ランプであれば蛍光波長選

Saito : “Development of a fluorescent protein with deep

択フィルタにより波長を自由に選択できる。このように安blue color”, Focus On Microscopy 2008, 淡路 (2008-04)

価で拡張性の高いシステムが構築でき、バイオイメージンｂ．一般講演

グ分野における今後の利用が期待される。

ⅰ）学会
１) 齊藤健太、小林健太郎、谷知己、永井健治：「大口径フ
ァイバー白色光源を用いた高速共焦点顕微鏡の開発と評価」、平成20年度日本顕微鏡学会北海道支部学術講演会、北海道札幌市 北海道大学 歯学部講堂 (2008-12)２) 齊藤健太、永井健治：“Single live cell and plant Ca2+
imaging with BRET-based probes”, 日本生物物理学会第46回年会, 福岡 (2008-12)３) 谷知己、齊藤健太、永井健治：“Trapping single moleculesof GFP-tagged nerve growth factor receptor via ligands
immobilized on a solid surface”, 日本生物物理学会第46回年会、福岡 (2008-12)ⅱ）研究会・シンポジウム・ワークショップ
１) K. Saito, K. Kobayashi, T. Tani and T. Nagai : “A mercury
arc lamp-based multi-color confocal real time imaging forcellular structure and function”, Hokkaido University-Seoul National University Joint Symposium 分科会「発光蛍光法による生体イメージング｣, 北海道札幌市

図３．水銀アークランプを利用した CSU 共焦点システムで観察した HeLa 細胞小胞体のイメージング。

北海道大学 創成科学研究機構 5F (2008-11)２) K. Saito and T. Nagai : “Single live cell and plant Ca2+
imaging with bioluminescence resonance energy transfer

３．今後の研究の展望(BRET)”, The 10th RIES-Hokudai International Sympo-

引き続き、蛍光バイオイメージング機材の提供およびイ

sium on 綾 [aya], 北海道札幌市 北海道大学 学術交流

メージングの指導・トレーニングを行う。また、協賛企業と協力して新型顕微鏡の開発を行う。

会館 (2008-12)３) 松田知己、堀川一樹、永井健治：「生体組織内の 1 細胞
レベルでの機能イメージングを可能にする光活性化型
生理機能プローブ」、平成20年度 北大細胞生物研究集会、北海道大学理学部7号館（2009-03)
4.8

シンポジウムの開催（組織者名、シンポジウム名、参加人数、開催場所、開催期間）

・一般のシンポジウム
１) 永井健治、金城政孝、堀川一樹、齊藤健太：「第12回細
胞生物学ワークショップ」、20名、2008年11月9日～2008
年11月14日、北海道大学 電子科学研究所（札幌市）― 123 ―

4.9

共同研究

ｄ．受託研究１) 堀川一樹、JST さきがけ、相互作用に支配される細胞集団の協調的振る舞い、2006年10月-2010年3月
4.10

予算獲得状況

ａ．科学研究費補助金（研究代表者、分類名、研究課題、
期間）
１) 堀川一樹、若手研究スタートアップ、エンハンサート
ラップ法とライブイメージングを軸とした聴覚システ
ム発生機構の研究、2006年-2008年― 124 ―

Ⅱ－１． 研究成果公表に関する各種の統計表
１．学術論文
年

部門等

平成17年

平成18年

平成19年

平成20年

電子材料

欧

文

40 (36)42 (27)30 (25)29 (29)

物性部門

邦

文

0

1

0

2 (2)

電子機能

欧

文

24 (24)28 (28)20 (20)19 (19)

素子部門

邦

文

0

0

1 (1)

3 (3)

電子計測

欧

文

22 (20)12 (12)23 (21)14 (14)

制御部門

邦

文

4 (2)

4 (4)

1 (1)

3 (2)

電子情報

欧

文

38 (38)45 (43)42 (40)56 (54)

処理部門※

邦

文

3 (1)

1 (1)

2 (2)

4 (1)

ナノテクノロジー

欧文

35 (35)30 (28)16 (15)39 (38)

研究センター

邦

文

1

6

3 (1)

2 (2)

欧

文

155 (149)

155 (136)

117 (108)123 (121)

邦

文

7 (3)

12 (5)7 (5)

12 (8)

平成17年

平成18年

平成19年

平成20年

3

7

4

4

2 (1)

1

1

1

計
( )内の数はレフェリー付き。
※客員研究分野は除外した。

２．総覧、解説、評論等及び著書数
年

部門等
電子材料

総説等

物性部門

著

電子機能

総説等

5

8

3

4 (1)

素子部門

著

書

3

2

6

1

電子計測

総説等

4

4

14 (1)

5

制御部門

著

3 (1)

2 (1)

4

0

電子情報

総説等

19

11

14

16 (1)

処理部門※

著

4

7

3

6 (2)

13 (2)

20

5 (1)

8 (3)

10

5 (2)

8

3 (1)

総説等

44 (2)

48

37 (2)

31 (4)

著

22 (2)

17 (3)19

9 (2)ナノテクノロジー
研究センター

書

書

書

総説等
著

書

計
書

( )内の数は欧文※客員研究分野は除外した。
※共著に関しては、出版物の数で表示（出版物の数×研究者ではない）。したがって「合計」が表から算出したものと一致しない場
合あり。
※年（年度）をまたがっている場合、それぞれの年（年度）でカウントしている。

― 127 ―

３．国際学会・国内学会発表件数
年

部門等

平成17年

平成18年

平成19年

平成20年

電子材料

国際学会

35 (5)

24 (8)

32 (9)

43 (12)

物性部門

国内学会

65 (4)

50 (1)

60 (5)

45 (1)

電子機能

国際学会

33 (7)

28 (5)

18 (3)

25 (6)

素子部門

国内学会

50 (12)34 (3)

40 (4)

24 (1)

電子計測

国際学会

36 (6)

19 (6)

26 (7)

19 (9)

制御部門

国内学会

34 (7)

38 (6)

55 (10)35 (5)

電子情報国際学会

27 (7)

21 (6)

17 (7)

16 (3)

処理部門※

国内学会

57 (6)

30 (4)

38 (9)

56 (10)

ナノテクノロジー

国際学会

49 (5)

35 (2)

13 (3)

34 (5)

研究センター

国内学会

61 (6)

83 (5)

30 (1)

57 (5)

国際学会

173 (30)

123 (27)

94 (25)105 (28)

国内学会

249 (35)226 (19)

197 (26)

169 (20)

計
国際学会・国内学会の（ ）内の数は招待講演数※客員研究分野は除外した（研究所全体の統計の場合）。
※共著に関しては、講演数で表示（講演数×研究者ではない）。したがって「合計」が表から算出したものと一致しない場合あり。
※年（年度）をまたがっている場合、それぞれの年（年度）でカウントしている。

― 128 ―

Ⅱ－２． 予算
Ⅱ－２－１）全体の予算（単位：千円）年

平成17年度

平成18年度

平成19年度

平成20年度

197,656

173,648

169,473

169,867

科学研究費補助金

363,000(62)292,610 (62)279,947 (59)329,741 (72)

その他の補助金

4,528 (3)15,400寄

金

17,700(11)38,346 (27)42,856 (16)32,012 (12)

受託事業等経費

223,768(46)248,840 (44)226,609 (32)427,412 (34)

（受 託 研 究 費）

140,868(19)145,018 (24)

184,803 (20)393,081 (20)

（共 同 研 究 費）

82,900(27)103,822 (20)

41,806 (12)34,331 (14)806,652

768,844(135)723,242(111)979,492(125)

業

務

費

附

合
（

度

計

(2)

4,357

(4)

20,460(7)）内の数は受入件数

Ⅱ－２－２）外部からの研究費受入状況
部門別の受入状況（単位：千円）部

門

等

電 子 材 料 物 性 部 門

研

究

費

平成19年度

平成20年度科 学 研 究 費 補 助 金

87,560(16)121,890(19)そ の 他 の 補 助 金

1,200 (1)3,200 (2)

寄

附

金

Ⅰ

1,999 (2)2,200 (2)

寄

附

金

Ⅱ

8,500 (1)0

受 託 事 業 等 経 費

61,661 (7)111,577 (7)（受 託 研 究 費）

56,671 (5)106,913 (5)（共 同 研 究 費）

4,990 (2)4,664 (2)160,920(27)238,867(30)

科 学 研 究 費 補 助 金

6,804 (5)7,880 (4)そ の 他 の 補 助 金

01,800 (1)

小電 子 機 能 素 子 部 門

電 子 計 測 制 御 部 門

計

寄

附

金

Ⅰ

1,500 (2)10,000 (2)

寄

附

金

Ⅱ

10,337 (1)0

受 託 事 業 等 経 費

9,769 (3)18,839 (4)（受 託 研 究 費）

1,539 (1)12,269 (2)（共 同 研 究 費）

8,230 (2)6,570 (2)

小28,410(11)38,519(11)科 学 研 究 費 補 助 金

55,154(14)77,177(21)そ の 他 の 補 助 金

2,197 (2)12,880 (2)

計

寄

附

金

Ⅰ

0

500 (1)

寄

附

金

Ⅱ

943 (3)430 (1)

受 託 事 業 等 経 費

30,232 (7)108,313 (7)（受 託 研 究 費）

19,182 (4)99,817 (5)（共 同 研 究 費）

11,050 (3)8,496 (2)

小88,526(26)199,300(32)計― 129 ―

電 子 情 報 処 理 部 門

寄 附 研 究 部 門（ニコンバイオイメージングセンター）

科 学 研 究 費 補 助 金

46,700(10)35,005(14)そ の 他 の 補 助 金

0

0

寄

附

金

Ⅰ

1,300 (2)

0

寄

附

金

Ⅱ

1,280 (2)1,582 (1)

受 託 事 業 等 経 費

8,225 (5)7,634 (4)（受 託 研 究 費）

6,366 (2)6,254 (2)（共 同 研 究 費）

1,859 (3)1,380 (2)小57,505(19)44,221(19)科 学 研 究 費 補 助 金

1,400 (1)3,250 (1)

そ の 他 の 補 助 金

0

0

寄

附

金

Ⅰ

0

0

寄

附

金

Ⅱ

14,500 (2)14,500 (1)受 託 事 業 等 経 費

3,000 (1)31,850 (1)（受 託 研 究 費）

3,000 (1)31,850 (1)（共 同 研 究 費）

0018,900 (4)49,600 (3)科 学 研 究 費 補 助 金82,329(13)84,538(13)そ の 他 の 補 助 金960 (1)2,580 (2)計小附属ナノテクノロジー
研 究 セ ン タ ー( )内の数は受入件数
寄附金Ⅰ 申請による財団等からの研究助成金

計

寄

附

金

Ⅰ

0

0

寄

附

金

Ⅱ

2,500 (1)2,800 (4)

受 託 事 業 等 経 費

113,722 (9)149,199(11)（受 託 研 究 費）

98,045 (7)135,978 (5)（共 同 研 究 費）

15,677 (2)13,221 (6)小199,511(24)239,117(30)計
寄附金Ⅱ

Ⅰ以外のものⅡ－３． 外国人研究者の受入状況
ａ．年度別統計表
年

平成17年度

平成18年度

平成19年度

平成20年度電 子 材 料 物 性 部 門

0

1

8

6

電 子 機 能 素 子 部 門

4

4

2

13

電 子 計 測 制 御 部 門

9

24

12

13

電 子 情 報 処 理 部 門

14

4

8

1

ナノテクノロジー研究センター

10

1

1

0

計

37

34

25

33

部門等

― 130 ―

Ⅱ－４． 修士学位及び博士学位の取得状況
Ⅱ－４－１）修士学位
平成20年度・理学院
永川 桂大：ウイルスを鋳型とした金属ナノ粒子の規則配列化とプラズモンナノ材料への応用
石川 綾子：核酸の分子認識を利用した塩基選択的金属析出制御とナノ構造体の作製
関口 翔太：オリゴ糖の高密度提示によって促進されるナノ微粒子の核内輸送
鈴木 勝也： 3 種反応拡散系におけるスポット解の斜め衝突について
鳥谷部 和孝： 2 種混合流体の局在対流セルの衝突ダイナミクス - 衝突軌道の成すネットワーク構造畠中 耕平：離散格子上におけるパルス解の伝搬不全現象の解析
栃木隆：微細表面構造への癌細胞の接着挙動と増殖性に関する研究

・環境科学院
谷田 真人：伝令付き単一光子源の2光子干渉性に関する研究
工藤 史人：ナノポーラス構造を持つリング状 polyoxomolybdate 結晶の物性・情報科学研究科
伊藤 早紀：光子源からの光子取り出し効率向上を目指した半導体形状制御とその評価
佐藤充：GaAsSb/GaAs Type-ll 単一量子井戸構造における伝導帯障壁制御と発光過程の評価

高田真：Nb 埋め込み InAs 量子ドットからの光子取り出し効率向上に関する研究

佐藤 弘康：Nb 超伝導微細電極形成技術と InAs 量子ドット発光デバイスへの応用に関する研究中村 真一郎：「非線形光量子デバイスの実現に向けた研究」「A study toward the realization of nonlinear opticalquantum devices」
浅井 健志：テーパファイバ・微小球共振器間の結合状態制御と位相シフトスペクトルに関する研究 “A tapered
fiber coupled with a microsphere resonator - the control of the coupling condition and its phase shift
spectrum”
谷田 真人：「伝令付き単一光子源の 2 光子干渉性に関する研究」 “The study on the visibility of two-photon
interferences between heralding single-photon sources”
市橋 和明：「フォトンフォース計測を用いた 2 粒子間相互作用解析法」 “Analysis method for interaction between
two microparticles by use of photon force measurement”
上田 哲也：「光子統計解析による単一発光体の発光メカニズムの研究」 “A study on the mechanism of single lightemitters by use of photon statistics”
Ⅱ－４－２）博士学位
平成20年度・理学院
福平 由佳子：Study of Honeycomb-patterned film for Medical Devices（医療用ハニカム構造フィルムに関する研究）
大竹(石塚)範子：Studies of functionalized virus-like particles and stimuli-responsive drug release（機能性ウイルス様微粒子と刺激に応答した薬剤放出に関する研究）神谷 亮介：Design of artificial ligand-appended polymers for non-covalent modification of cell surface（非共有結合型
細胞表層修飾のための人工リガント提示ポリマーの分子設計）伊藤 賢太郎：・環境科学院
青沼 昌樹：超分子ローター構造を導入した電気伝導性 [Ni(dmit)2] 錯体の構築
・情報科学研究科
西島 喜明：Spectroscopic Studies of Opal and Inverse Opal Photonic Crystals（微粒子集積型微小構成の光学的性質に関する研究）― 131 ―

Ⅱ－４－３）大学院生在籍数
修

年
研究科名
理

学

士

博

士

19年

20年

19年

20年

院

28

28

29

26

工

学

研

究

科

5

5

5

4

医

学

研

究

科

2

2

0

0

環

境

科

学

院

8

9

6

6

情 報 科 学 研 究 科

28

26

6

4

理

2

2

0

1

73

72

46

41

学

研
計

究

科

― 132 ―

Ⅲ－１． 技術部
技術部は、システム開発技術班と装置開発技術班からなる。
システム開発技術班は、各自の専門技術を用いて、クリーンルーム維持・管理、電子回路設計、機器制御、バイ
オイメージング、半導体ナノ微細加工、広報・情報・ネットワーク・研究所のウェブサイト管理運営などといった、技術的な支援を行っている。この他に、電子科学研究所の共通の機器・設備の管理、液化窒素ガス汲み出し作業従事者への安全講習会、学術講演会の支援依頼への対応など、研究所全体に関わる支援も行っている。
装置開発技術班は、研究分野により要請される特殊実験機器の開発・製作にあたっている。機械工作室では、ス
テンレスの精密切削とアルゴン溶接、大型旋盤・縦フライス盤などの工作機械を用いて、多くの実験装置の開発・製作を行っている。近年は、アルミ溶接技術による特殊要請にも対応できる体制を備えている。ガラス工作室では、光学レンズ・プリズム等の加工と研磨、ステンレス製計測装置へのコバールを介しての硝子の溶着の技術・その他
大型デュワー瓶、各種石英セルの製作を行っている。また、同班は所外からの技術相談、装置製作などの技術支援要請にも応えている。

― 135 ―

Ⅲ－２．学術情報
平成20年の北キャンパス移転に伴い電子科学研究所図書室は(旧)北キャンパス図書室と統合し、平成20年 8 月に電子科学研究所・触媒化学研究センター・創成科学共同研究機構の 3 部局共通の図書室である「北キャンパス図書室」として運営されることとなった。
ａ．図書・学術雑誌
単行本は、各研究分野で購入し管理されている。図書室には参考図書を中心に配架されている。学術雑誌は、共通分野で利用され研究所として必要と認められたものは、図書室で管理されている。この他、各分野の必要性から、各分野で購入・管理されている雑誌もある。
平成14年度より電子ジャーナルが本格的に導入されるにあたり、研究所内の雑誌の重要度調査を行い、購入
洋雑誌の見直しをした結果、購入洋雑誌の種類が減少した。
電子ジャーナルの本格的な導入以後、学外への文献複写依頼は年々減少傾向である。
１．蔵書冊数

２．所蔵雑誌種類数*

度 平成17年 平成18年 平成19年 平成20年*

年

度 平成17年 平成18年 平成19年 平成20年

年

和

書

5,409

5,415

5,806

5,554

和雑誌

368

369

121

116

洋

書

20,751

20,91520,983

17,390

洋雑誌

454

454

390

412

26,16026,33026,78922,944

計

822

823

511

528

計

３．購入外国語雑誌受入種類数

４．学外文献複写数*

年

度 平成17年 平成18年 平成19年 平成20年

年

度 平成17年 平成18年 平成19年 平成20年*

和雑誌

42

38

34

41

依

頼

112

64

65

78

洋雑誌

34

30

29

29

受

付

237

175

136

252

計

76

68

63

70

*

北キャンパス図書室全体としての数字

ｂ．学術情報システム
閲覧室には情報検索用パソコンが利用者用として提供されていて、誰もが自由に必要な情報を得ることができる。プリンターも 1 台設置されているので、入手した情報のプリントアウトも可能である。
平成14年度からは電子ジャーナルが本格的に導入され、学内の利用に限定されるが、15000タイトルを超える電子ジャーナルの利用が可能で、フルテキストを購読できる。
また、情報検索端末からはインターネットを通じ、北海道大学で導入している学術文献データベースをを利用することができる。利用できるデータベースの種類は豊富で、“Web of Science”や“SciFinder Scholar”といった著名な文献書誌・抄録データベースや、“LexisNexis Academic”等の新聞記事データベース、辞典類や出版情報等50種を超えるサービスが利用可能である。また、インターネットを通じて“Pub Med”等の無料デー
タベースを利用したり、国内外の大学図書館等の情報を得ることもできる。
カードロックシステムを導入しており、研究所内の教職員院生は24時間図書室の利用が可能となっている。

― 136 ―

Ⅳ－１． 沿革
超短波研究所
昭和16.１18.１

超短波研究室が設置される
超短波研究所に昇格
第二部門、第四部門、第六部門、第七部門開設

18.３

第三部門開設19.１

第一部門、第五部門開設

20.１

第八部門開設応用電気研究所
21.３

応用電気研究所と改称する
部門構成：電気第一部門、電気第二部門、物理第一部門、物理第二部門、化学部門、医学及び生理第一部門、医学及び生理第二部門、数学部門

24.５

北海道大学附置研究所となる

36.４

メディカルエレクトロニクス部門新設

37.４

電子機器分析部門新設

38.４

メディカルトランスデューサ部門新設

39.２

研究部門は一部名称変更等により次のとおりとなる(昭和38年４月１日適用)
電子回路部門、電波応用部門、物理部門、化学部門、生理部門、生体物理部門、
応用数学部門、メディカルエレクトロニクス部門、電子機器分析部門、メディカルトランスデューサ
部門

39.４

メディカルテレメーター部門新設

42.６

強誘電体部門新設

46.４

生体制御部門新設

48.４

附属電子計測開発施設新設

50.４

光計測部門新設(10年時限)

53.４

感覚情報工学部門新設

60.３

光計測部門廃止(時限到来)

60.４

光システム工学部門新設(10年時限)

電子科学研究所
平成４.４

研究所改組により電子科学研究所となる

14.４

附属電子計測開発施設を附属ナノテクノロジー研究センターに改組転換

15.５

電子情報処理研究部門感覚情報研究分野を廃止

17.４

電子計測制御研究部門適応制御研究分野を廃止
電子計測制御研究部門ナノシステム生理学研究分野を新設

17.10

電子材料物性研究部門光材料研究分野をナノ光高機能材料研究分野に名称変更
電子情報処理研究部門信号処理研究分野を極限フォトンプロセス研究分野に名称変更
電子情報処理研究部門計算論的生命科学研究分野を新設
寄附研究部門「ニコンバイオイメージングセンター研究部門」を新設（開設期間3年）
英国ニューカッスル大学ナノスケール科学技術研究所との学術交流協定締結

19.10

電子材料物性研究部門相転移物性研究分野を量子情報フォトニクス研究分野に名称変更
電子機能素子研究部門超分子分光研究分野を廃止
電子計測制御研究部門自律調節研究分野を分子生命数理研究分野に名称変更

20.１

バングラデシュダッカ大学物理化学生物薬学先端科学研究センターとの学術交流協定締結

20.１

台湾師範大学光電科学技術研究所との学術交流協定締結

20.４

国立台湾大学物理学科との研究交流に関する覚書締結

20.６

カリフォルニア大学ロサンゼルス校カリフォルニアナノシステム研究所を代表するカリフォルニア大
学評議会との学術交流協定締結― 139 ―

（20.６20.10

大学間交流協定に移行

責任部局：大学院理学研究院）

電子情報処理研究部門極限フォトンプロセス研究分野をスマート分子研究分野に名称変更
附属ナノテクノロジー研究センターナノ材料研究分野を極限フォトンプロセス研究分野に名称変更
附属ナノテクノロジー研究センターナノデバイス研究分野をバイオ分子ナノデバイス研究分野に名称変更
寄附研究部門「ニコンバイオイメージングセンター研究部門」開設期間更新（更新期間 3 年）

― 140 ―

[歴代所長]超短波研究室昭和16年２月20日～昭和18年１月31日

蓑島高

超短波研究所

昭和18年２月１日～昭和21年３月31日

簑島高応用電気研究所

昭和21年４月１日～昭和21年９月10日

簑島高

昭和21年９月11日～昭和35年７月31日

淺見義弘

昭和35年８月１日～昭和38年７月31日

東健一

昭和38年８月１日～昭和45年３月31日

松本秋男

昭和45年４月１日～昭和48年３月31日

望月政司

昭和48年４月１日～昭和51年３月31日

馬場宏明

昭和51年４月１日～昭和54年３月31日

吉本千禎

昭和54年４月１日～昭和57年３月31日

馬場宏明

昭和57年４月１日～昭和60年３月31日

山崎勇夫

昭和60年４月１日～昭和63年３月31日

達崎

達

昭和63年４月１日～平成４年４月９日

安藤

毅

平成４年４月10日～平成６年３月31日

安藤

毅

平成６年４月１日～平成９年３月31日

朝倉利光

平成９年４月１日～平成13年３月31日

井上久遠

平成13年４月１日～平成15年３月31日

下澤楯夫

平成15年４月１日～平成15年９月30日

八木駿郎

平成15年10月１日～平成17年９月30日

西浦廉政

平成17年10月１日～平成21年９月30日

笹木敬司

平成21年10月１日～現在

三澤弘明

電子科学研究所〔名誉教授〕
昭和32年４月(故) 簑島高

昭和37年４月(故) 淺見義弘

昭和43年４月(故) 東健一

昭和45年４月(故) 松本秋男

昭和55年４月(故) 吉本千禎

昭和57年４月(故) 横澤彌三郎

昭和62年４月(故) 羽鳥

孝三

馬場

宏明

松本

伍良

達崎

達

昭和63年４月

山崎勇夫

平成７年４月安藤毅

平成９年４月

朝倉

利光

小山

富康

井上

久遠

永井

信夫

平成18年４月

八木駿郎

平成19年４月

狩野

猛

下澤

楯夫

下村

政嗣

平成13年４月

伊福部達― 141 ―

Ⅳ－２． 建物
本研究所は、平成15年度に現在の創成科学研究棟新築（北21西10）に伴い、ナノテクノロジー研究センター及び関連研究分野が北12条西 6 丁目から移転し、平成20年度には北キャンパス総合研究棟 5 号館が新築された。

建物名称

構

造

延面積
㎡

建築年度

ナノテクノロジー研究センター

鉄筋コンクリート造 5 階建

――

4,154

平成15年度北キャンパス総合研究棟５号館

鉄筋コンクリート造 5 階建

1,104

5,303

平成20年度

――

9,457

計

Ⅳ－３． 現員（平成20年度）（ 7 月 1 日現在）

職

名

人

教

授

15 (3)

授

13

講

師

1

助

教

17

特任准教授

2

特任助教

1

教員小計

49 (3)

技部

9

計58 (3)

准

合
（

建面積
㎡

教

術

数

）内の数字は客員で外数― 142 ―

Ⅳ－４． 教員の異動状況（平成20年度）
○

○

転入状況
ナノテク支援室

特任准教授

上野

貢生

20. 4. 1

北海道大学電子科学研究所助教

電子計測制御研究部門

助

教

松田

知己

20. 4. 1(財)医療機器センター非常勤職員

電子情報処理研究部門

助

教

山口

裕

20. 4. 1

北海道大学大学院理学研究科学生

電子情報処理研究部門

助

教

村澤

尚樹

20. 6.16

北海道大学電子科学研究所博士研究員

電子計測制御研究部門

助

教

寺本

央

20. 6.16

北海道大学電子科学研究所博士研究員

電子情報処理研究部門

教

授

玉置

信之

20.10. 1(独)産業技術総合研究所研究グループ長

電子情報処理研究部門

助

教

亀井

敬

20.10. 1(独)産業技術総合研究所研究特別研究員

電子情報処理研究部門

助

教

深港

豪

20.12. 1

九州大学大学院工学研究院助教

電子材料物性研究部門

助

教

藤原

正澄

21. 1. 1

大阪市立大学大学院理学研究科学生

電子計測制御研究部門

准教授

小山

幸子

21. 1.13

限り退職

電子計測制御研究部門

教

授

栗城

眞也

21. 3.31

定年退職

ナノテクノロジー研究センター 教

授

徳本

洋志

21. 3.31

定年退職

特任准教授

上野

貢生

21. 3.31

ナノテク支援室准教授

転出状況

ナノテク支援室(21. 4. 1)― 143 ―

Ⅳ－５． 構成員（平成20年度）
所

長

笹

木

敬

司

電子材料物性研究部門

電子情報処理研究部門

光電子物性研究分野

情報数理研究分野

授

太

田

信

廣

教

授

西

浦

廉

政

准教授

中

林

孝

和

助

教

柳

田

達

雄

助

飯

森

俊

文

助

教

飯

間

教

教

信

神経情報研究分野

量子情報フォトニクス研究分野
授

竹

内

繁

樹

准教授

青

沼

仁

志

准教授

辻

見

裕

史

助

西

野

浩

史

助

教

岡

本

助

教

藤

原

正

澄

授

津

田

一

郎

准教授

佐

藤

讓

授

中

村

貴

義

助

山

口

裕

准教授

芥

川

智

行

助

野

呂

真一郎

授

末

宗

幾

夫

准教授

熊

野

英

和

助

笹

倉

弘

理

教

計算論的生命科学研究分野

亮

教

有機電子材料研究分野
教

教

教

教

スマート分子研究分野

ナノ光高機能材料研究分野
教

教

教

授

玉

置

助

教

亀

井

敬

助

教

深

港

豪

教

授

教

授

教

授

池

教

授

石

橋

講

師

近

藤

憲

治

助

教

海

住

英

生

富

樹

中

元

秀

（防災科学技術研究所）
瀬

川

尚

彦

（電通北海道）寄附研究部門（ニコンバイオイメージングセンター）

授

上

田

哲

男

准教授

中

垣

俊

之

助

髙

木

清

二

教

寄附研究部門教員(兼)

上

田

哲

男

永

井

健

治

特任准教授

堀

川

一

樹

特任助教

齊

藤

健

太

澤

弘

明

〃

電子計測制御研究部門

ナノテクノロジー研究センター

光システム計測研究分野
授

笹

木

敬

司

准教授

藤

原

英

樹

センター長（兼）
教

授

栗

城

眞

也

分子生命数理研究分野
授

三

バイオ分子ナノデバイス研究分野

量子計測研究分野

教小晃

細胞機能素子研究分野

教

田（東京工業大学資源科学研究所）

量子機能素子研究分野

教之並列分散処理研究分野（客員）

電子機能素子研究部門

教

信

授

居

城

邦

治

准教授

新

倉

謙

一

助

教

松

尾

保

孝

助

教

眞

山

博

幸

澤

弘

明

小松﨑

民

樹

准教授

李

振

風

助

教

西

村

吾

朗

教

助

教

寺

本

央

准教授

JUODKAZIS SAULIUS

助

村

澤

尚

樹

健

治

ナノ理論研究分野

知

己

教

授

徳

本

洋

志

知

己

助

教

畔

原

宏

明

極限フォトンプロセス研究分野

ナノシステム生理学研究分野
教

授

永

准教授

谷

助

松

教

井
田

― 144 ―

授
教

三

技術部

ナノテク支援室
特任准教授

上

野

貢

生

非常勤研究員RAHAMAN MD.DALILUR

技術部長（兼）

笹

木

敬

司

技術長

大

沼

英

雄

システム開発技術班

高

島

秀

聡

班長

大

沼

英

雄

髙

橋

美

美

第一・第二技術主任

伊勢谷

陽

一

〃

杉

山

瑠

那

技術職員

今

村

逸

子

〃

中

山

佐知子

〃

小

林

健太郎

学術研究員

星

山

満

雄

〃

遠

藤

礼

暁

〃

浮

田

桂

子

嘱託職員

土

田

義

和

〃

李

哲

煜

装置開発技術班

〃

黒

茂

班長

太

田

隆

夫

〃

張

芬

第一技術主任

平

田

康

史

〃

髙

橋

平七郎

第二技術主任

女

池

竜

二

〃

望

月

技術職員

武

井

将

志

〃

小

山

正

孝

〃

笠

沼

由

香

事務補佐員

山

口

由美子

〃

岩

﨑

正

純

研究支援推進員

博士研究員

田
郁

進

平

厚

子

美

和

山

田

福

本

香

菅

原

侑

賢太郎

木

村

古乃美

事務補助員

柴

田

久

恵

〃

木

村

美

香
美

フンソック

カン

〃

井

筒

康

洋

〃

大

塚

明

〃

伊

藤

〃

馬

場

昭

〃

MEETHALE CHELA VEETTIL BASHEER

〃

佐

倉

〃

田

中

〃

呉

〃

孫

〃

周

〃

孫

〃

戴

技術補佐員

典

愛
子

緑

〃

佐々木

公

嘉

人

〃

三

浦

亜希子

伯

涛

〃

笠

置

水

美

凱

〃

酒

井

真

理

鳳

〃

菊

地

美

耶

泉

〃

阿

部

香

代

宏

〃

四ツ屋

〃

平

出

ありさ

〃

沼

田

優

〃

數

瀬

しのぶ

技術補助員

清

一

人

〃

山

口

将

大

〃

鳥谷部

和

孝

〃

西

泰

史

〃

高

畠

聡

章

〃

在

原

百合子

〃

李

〃

青

山

岳

時
振

泉
子

昕
人

〃

BASEER NUBLA

〃

関

〃

村

〃

加味根

〃

王

田

大

輔

祐

亮

あかり
麗

（平成21年 3 月末日現在）― 145 ―