hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
2次元場の量子論と表現論

この計算途中に三輪・神保氏達によるRSOS模型の1点関数の計算に使われるH関数が表れており、F_N(A,B)と2次元可解模型におけるバス空間との関連で非常に興味深い,この指標公式は,3で予想した指標公式と一致することが証明できる。このことは、3で構成した複体はexactであるという予想が成立することを補強する。アファインリー環の対称性に従う共形場理論のN体頂点作用素の一般の行列要素の空間を特徴づけることを目的として、退化型双アファイン・へッケ環の表現論の研究を行った。1. gl_N(C)型退化型双アファイン・へッケ環H=H_Nについて、その放物型部分環より誘導される標準加群について、まつわり作用素を使ってその構造を考察し、既約のための条件やHの部分環である退化型アファイン・へッケ環H^-加群としての分解を得た。2. slm(C)型アファインリー環gの種々の表現のテンソル積の商空間F_N(A,B)上に退化型双アファイン・へッケ環の表現を定義した。この表現は、共形場理論におけるKZ作用素とCheredniek-Dunkle作用素との関連づけにより構成される。また、この表現空間は共形場理論におけるN体頂点作用素の空間と密接な関係にある。3. gの可積分表現のVerma加群によるresolutionを作って2で構成したH加群を先頭にする標準加群によるH加群の複体を構成した。この複体はexactであることが予想される。この予想が正しければ2で構成したH加群FN(A,B)の指標公式が得られる。4. H加群のまつわり作用素を使うことにより、F_N(A,B)内にH^-の極大可換環S[E]の同時固有ベクトルを十分たくさん構成した。この同時固有ベクトルのS_N不変式のなす空間の指標公式を具体的に計算した。この計算途中に三輪・神保氏達によるRSOS模型の1点間数の計算に使われるH間数が表れており、F_N(A,B)と2次元可解模型におけるパス空間との関連で非常に興味深い。この指標公式は、3で予想した指標公式と一致することが証明できる。
電力機器用超伝導導体内電流分布測定法の開発と電流一様化設計の検討

今日のエネルギー事情を考慮すると、超伝導電力機器の開発が必要不可欠であるが、これらに使用される超伝導導体に電流を一様に流すことは、従来の銅線とは異なり困難であり、そのため期待される性能が出ず、実用化へ向けての大きな問題となっている。本研究では、超伝導導体内の不均一な電流分布のメカニズムを解明し、その一様化のための設計指針を得るために、これまでほとんど測定されていない実際に使用される導体内の電流分布を非接触で測定できる新しい電流分布測定法の開発を試みた。本測定法は、超伝導導体のまわりに配置した検出コイル群で測定した導体表面の自己磁界分布と、導体内の電流分布を仮定した3次元磁場解析の計算結果とを比較することによって、間接的に電流分布を推定するものである。今年度の研究実施結果は、以下の通りである。1)まず、新しい測定法に必要となる数値計算による3次元磁場解析法を開発した。2)次に、導体表面の自己磁界分布を測定するために必要な微小な検出コイル(コイル断面積0.3mm×3mm)を作製し、室温における銅線の模擬導体を用いた実験で、非接触での電流分布の測定が可能であることを示した。3)さらに、実際の超伝導導体に本測定法を適用し、定性的ではあるが、その電流分布を測定できた。また、冷却過程におけるコイルの歪みにより測定精度が下がるが、この歪みを低減するためには、コイル群を接着剤で固めて固定することが有効であることを実験的に示した。4)導体内の電流分布を定量的に議論するためには、測定感度のさらなる向上が必要であることがわかった。そのために、不均一な電流成分による信号のみを取り出すキャンセリングと呼ばれる手法を導入した。この方法での測定の有効性については、室温における模擬導体での実験で現在検討中である。
中東欧諸国における福祉と経済との連関の比較分析

中東欧諸国における経済と福祉の連関に関しては、それぞれの国における政党政治のあり方および政治的なイシューと密接に結びついている。いわゆる経済的左右軸が比較的明瞭に現れている場合は政権交代を通して政策の振動がみられるが、社民系の政党がネオリベラル的な経済政策・福祉削減を行った場合はその後に経済政策の揺り戻しが生じても福祉に関しては削減されたまま、あるいは保守系が求める家族政策のみが整備されるという事態が生じている。2013年度は研究計画の2年目として、政党政治を軸として福祉と経済の連関についての検討を主に実施した。一つは中東欧の4カ国(チェコ・ハンガリー・ポーランド・スロヴァキア)を事例として、各国における主要政党の経済政策に対する指向性とそれぞれの国における最低生活保障給付および子ども手当との連関について検討を行った。この結果として、(1)経済リベラル系の政党が影響を有する場合はいずれの給付も限定される、(2)保守・キリスト教系の政党が影響を有する場合は家族に対する給付は拡充される、(3)労働者指向の旧左派は古典的な社会保障重視でいずれにも関心を有さないが、「女性を家庭に戻す」作用があることから保守と協力して家族給付の拡大を求める場合がある、(4)中東欧では新しい価値に依拠する政党の影響力が限られていることから、最低生活保障は拡充されることが少ない、というように、政党の経済指向と福祉への態度にはある程度の連関はあることが明らかにされた。またポーランドについては「脱商品化」と「脱家族化」の視点を軸に、西欧諸国との比較の視点も踏まえながら事例分析も行い、経済構造の転換に伴う労働組合の衰退と強力な反ジェンダーアクターとしての教会の存在がポーランドにおける福祉を限定的なものとしていること、ただし教会はポーランドの少子化に危惧を有していることで、子どもを増やすような制度・政策は追求していることを確認した。なおこれらの研究の成果は公刊の遅れにより、業績公刊は2014年度となる予定である。また本科研に関連する作業として、今年度は他地域との比較を行うための方法論についても検討し、そこからコンテクストを共有する地域の多様性を比較した上で異なる地域の比較を行うならば、地域を越えて現れる一般性と地域固有の要因の両方を確認することが可能となるという「二段階比較による地域間比較」の方法論を提起した。2012年度は研究計画の1年目として、中東欧諸国における体制転換後の経済政策を、「新自由主義的(ネオリベラリズム的)政策」を軸に検討を行い、これと福祉の枠組みの連関について確認する作業を中心に実施した。その結果として、以下のような成果をえた。1)中東欧諸国の経済政策に関しては、一方ではバルト3国(特にエストニア・ラトヴィア)は体制転換の直後からネオリベラル的な政策を推進し、逆にスロヴェニアはネオリベラル的な政策とは継続して一線を画しているという点でそれぞれ継続性がみられるのに対して、ヴィシェグラードの4カ国に関しては、新自由主義的政策の実施をめぐり経済政策が変化している、具体的には、ハンガリーとポーランドでは、当初は共産党の後継政党が緊縮財政や福祉削減などの緩やかな新自由主義的政策を実施したが、その後これへの反発から本格的な新自由主義的政策の実施には向かわなかったのに対し、チェコとスロヴァキアでは社民系政党とリベラル系政党の対抗関係の中で、リベラル系の政党が政権についた際にはより本格的な新自由主義的政策が実施される、という相違があることが確認できた。このような相違が生じた理由としては、社会主義期における西側経済学の浸透の程度の相違や、体制転換後の改革をめぐる政治過程の相違が作用している可能性が高い。2)この経済政策の相違は、福祉の形の違いと直線的に結びついているわけではないが、それでも両者はそれぞれの国において一貫した論理で結びついている。例えばエストニアでは「国家の存続」という要因が新自由主義的政策と普遍的福祉とを結びつけているし、チェコとスロヴァキアでは国内の2極化と政権交代が新自由主義的改革の推進と労働者保護の存続を結びつけているという状況にある。この成果を踏まえて2013年度は、経済と福祉の連関について、他地域との比較も踏まえたより体系的な分析を進めていく。2014年度は研究計画の最終年度であるが、中東欧諸国における福祉の枠組みが変動しつつあることに伴い、主要な制度を軸に現在の変化を改めて確認すると同時に、中東欧諸国の福祉レジームをヨーロッパとの比較の中で位置づけるという作業を行った。まず現在の変化に関しては、特に中東欧諸国の年金制度において第2段階となる「基金型年金」の縮小がみられることに注目し、その背景には市場状況の悪化の他制度設計の失敗、制度移行のコストの上昇、およびEUの財政基準の遵守の必要といった要因がある。ただし制度の改編の形については、財政基準を満たしているバルト3国では規模の縮小のみが実施され、またチェコでは新たに第2段階の年金を導入するという動きがみられたのに対して、財政基準を満たしていないポーランドとハンガリー、および社会民主主義系の政党が政権を獲得したスロヴァキアでは制度そのものの改編ないし廃止が行われたという相違があることを明らかにした。

またこの研究を通して、ネオリベラリズム的な経済政策の限界が生じたときに、全くの反ネオリベラル的な政策をとるか、教条的にネオリベラル的な政策を続けるか、あるいは妥協的なネオリベラル路線をとるかという選択がありえるが、妥協的な路線以外は持続可能性が低いことも明らかにされた。次に中東欧の福祉レジームの位置づけに関しては、「脱商品化」および「脱家族化」という視点から他のヨーロッパ諸国との比較を行い、そこからエストニアとスロヴェニアに関しては両方とも相対的に進展しているのに対して、チェコとスロヴァキアは脱家族化の進展が進んでおらず、ハンガリーは両者の中間程度、そしてポーランドはいずれの程度も低いということが明らかにされた。これは申請者の従来の研究成果が、多国間比較を通しても通用するものであることを示すものとなっている。比較政治学2年目として目標としていた作業のうち、経済と福祉との連関をより体系的に検討するという点を、「政党政治」を軸にして実施できたことで、一応の目標は達成されたと考えられる。ただし2年目の作業としてもう1点目標としていた他地域との比較については、方法論の検討、および「脱商品化」と「脱家族化」に関する指標を軸としたマクロな比較については実施できたものの、予定していた南東欧や他の新興民主主義地域における事例との比較は十分にすすめることができなかったため、この点で若干計画が達成できなかった部分はある。この点については最終年度において総括的な成果を上げることで、今年度の不備を補うこととしたい。本研究の主要な目的は「社会主義体制の解体後に各国において構築された福祉制度と各国の経済政策との関係、特に多くの国において両者の間に政策指向の方向性に「ずれ」が生じていることに着目し、その位相のずれが生じた理由を政治経済の視点から検討する(交付申請書より)」ことにあるが、2012年度のネオリベラリズムに焦点を当てた研究を通して、一見すると矛盾している(「ずれ」がある)ようにみえる経済政策と福祉枠組みの関係も、「その国なりの」相応の理由に基づいて、全体としては整合的に結びついている可能性が高いことを明らかにできたという点で、研究の目的はおおむね果たすことができたと考えられる。次年度はこの成果を元に、中東欧諸国における経済と福祉の連関を、他地域の事例も踏まえながらより一般的、体系的な形でまとめていくことを試みたい。2014年度は研究計画の最終年度として、福祉と経済の連関に関する包括的な成果をまとめることを目的とする。その際には、(1)これまで中東欧諸国の事例の比較を通して確認できた「連関」を、体系的な形で整理する、および(2)中東欧諸国の事例を南東欧のポスト社会主義国、あるいはラテンアメリカなど新興民主主義国の事例と比較し、中東欧の比較から得られた知見がより一般的なものとなるか、もしくは中東欧固有の要因なのかについて明らかにしていくことを、作業の中心としていく。特に後者は、今年度の作業で整理された「二段階比較による地域間比較研究」を「実践」するものとなるはずである。今年度も引き続き、主として文献資料、公文書、統計資料など「公開されている資料」をもとにして、中東欧諸国の経済政策と福祉枠組みの連関について検討していくこととする。
変性関節軟骨における粘弾性係数分布のマイクロ断層可視化法（多機能ＯＣＴ）の開発

落射顕微鏡型ダイナミックOCSAシステムを構築し,検出目標値をクリアした.ブタ軟骨を用いて,静的試験(応力緩和)と振動試験(動的粘弾性)を適用し,ひずみ速度の時間変化挙動に反映することを統計的に証明した.軟骨変性度の評価法として,前者はひずみ速度緩和減衰係数,後者は位相空間勾配を用いて,有意診断可能であった.軟骨粘弾性パラメータを別途力学試験器により推定し,初期変性において粘性係数の劣化を明らかにした.粘弾性モデルと推定パラメータに基づいて,本システムの力学的意味が理論的に解明された.一方,逆解析システムの構築基盤を整え,数値実験により粘弾性パラメータの断層分布推定法の可能性を示唆した.第1到達目標である、ダイナミックOCSAと微小圧縮負荷デバイスのシステム構築として、リング状PZT素子を用いた組織の微小圧縮変形場を、時間連続的にマイクロ断層可視化する落射顕微鏡型ダイナミックOCSAシステムを構築した。粘弾性特性の検出を念頭に、PZTは静的駆動(応力緩和試験)と振動駆動(動的試験)の両方法により、静的・動的粘弾性試験においてダイナミックOCSAの有効性を検討した。これには、酵素処理による変性ブタ軟骨を用い、検出ひずみ速度の時空間挙動および時間位相の相違に注目し統計的な検討を行った。その結果、応力緩和試験においては、表層ひずみ速度の緩和挙動が低減し粘性効果の損失していることが検出され、先行実験結果との再現性を保証した。更に、動的試験では、ひずみ速度の時間位相が逆転することを確認した。このように、微小圧縮負荷デバイスの静的・動的試験の検討と共に、変性軟骨診断への有効性検討が実施された。また、臨床適用を考慮した対策として、ヒト軟骨検体への適用も実施し前駆的な臨床適用検討を行った。その結果、応力緩和試験の際に、ブタ軟骨の結果と同様に表層ひずみ速度の緩和挙動の低減が検出され、臨床効果の保証もされた。更に、軟骨臨床診断の実機を考慮して、間接内腔に穿刺するOCTプローブの製作も行い、OCT断層像の撮影検討を行っている。最後に、検出される変形速度ベクトルの断層データを用いた、粘弾性特性の有限要素2次元逆解析アルゴリズム開発としては、その前段階として、ダイナミックOCSAによって検出された熱ひずみ誘起の変形速度ベクトル断層分布から、温度断層分布の検出アルゴリズムの構築を行い、数値実験によりその妥当性も確認した。次年度までの目標であった,微小圧縮負荷デバイス(PZT)を備えた落射顕微鏡型ダイナミックOCSAシステムは既に構築され,本年度は,ひずみ速度検出アルゴリズムの見直し(特に,軟骨表面部での信号処理法)を実施し目標値としていた計測量(20μm解像度,0.01%ひずみ,50FPS)を達成した.整備されたシステムにて,コラゲナーゼ処理による疑似変性ブタ軟骨を用いて,本システムの診断能力を統計評価した.実際には,静的試験(応力緩和)と振動試験(動的粘弾性)の両システムを構築実施し,軟骨変性度の評価法を構築した.応力緩和試験では,検出されたOA軟骨表層におけるひずみ速度の緩和挙動が低減し,ひずみ速度緩和減衰係数として初期OA軟骨の優位診断が実現できることを示した.動的粘弾性試験では,検出されたひずみ速度の位相平均化処理によって,OA軟骨組織は奥行きに同期振動挙動を示し,ひずみ速度の位相空間勾配値が低減することを統計実証した.本年度は更に,診断値に粘弾性力学的な説明を与えるため,押し込み試験を別途実施し,1次元離散化バネダンパ3要素モデルを用いた力学パラメータ推定法を構築した.これにより,本診断システムの検出量の理論的裏付けを明確にして考察し,本システムの理論的有効性が証明された.なお,本年度はブタ軟骨だけでなく,前十字靱帯切離手術によって自然発生する家兎OAモデルを用いた実証実験も実施し,ブタ軟骨と同様に有効診断法であることを示した.それだけでなく,実際の臨床システムの構築を目指して,穿刺プローブの試作を行い,ブタ後足関節を用いた穿刺実験によってvivo試験への適用性が示した.更に逆解析アルゴリズムとして,有限要素法をベースにした逆解析システムを構築した.これは一般逆行列を用いた逆解析法であり,ダイナミックOCSAにて取得される変形ベクトル分布からスカラー分布の逆推定が可能であることを示した.次年度までの目標であった,落射顕微鏡型ダイナミックOCSAシステムの構築整備は完了し,検出目標値をクリアして妥当性が検証された.特に,ブタ軟骨を用いた妥当性実験は,静的試験(応力緩和)と振動試験(動的粘弾性)の両システムにて,軟骨組織の粘性効果の損失がひずみ速度の時間変化挙動に反映することを統計的に実証し,理論的考察も完了した.軟骨変性度の評価法として,応力緩和試験ではひずみ速度緩和減衰係数,動的粘弾性試験では位相空間勾配を用いて,有意診断可能であることを突き止めている.それだけでなく,前十字靱帯切離手術によって自然発生する家兎OAモデルの関節軟骨を用いた実証実験も実施し,更には臨床実機を見据えた関節内腔に穿刺する穿刺OCTプローブを製作し,ブタ後足関節を用いた穿刺実験により可視化の有効性も確認している.逆解析システムの構築も完了しているため,当初の計画以上に親展していると考えている.開発目標であった,落射顕微鏡型ダイナミックOCSAシステムの構築整備は完了し,検出目標値をクリアして妥当性が検証された.特に,ブタ軟骨を用いた妥当性

実験は,静的試験(応力緩和)と振動試験(動的粘弾性)の両システムにて,軟骨組織の粘性効果の損失がひずみ速度の時間変化挙動に反映することを統計的に実証し,理論的考察も完了した.軟骨変性度の評価法として,応力緩和試験ではひずみ速度緩和減衰係数,動的粘弾性試験では位相空間勾配を用いて,有意診断可能であることを突き止めている.それだけでなく,前十字靱帯切離手術によって自然発生する家兎OAモデルの関節軟骨を用いた実証実験も実施し,更には臨床実機を見据えた関節内腔に穿刺する穿刺OCTプローブを製作し,ブタ後足関節を用いた穿刺実験により可視化の有効性も確認した.ブタ軟骨および家兎軟骨の粘弾性パラメータの変性依存性を別途力学試験器を構築し検討し,初期変性において粘性係数の劣化が顕著に現れることが判明した.同時に,コラーゲンおよびグリコサミノグリカンの物質量も生化学分析により追従することが明らかとなった.これにより,本開発ダイナミックOCSAシステムの力学的意味が明確になり,検出機器としての妥当性が理論的に明確となった.本システムの臨床機器応用として,径500マイクロの穿刺OCTプローブを開発し,関節腔内に穿刺し,OCT断層像を取得するシステムを構築した.ブタ関節にこれを適用し,臨床システムとしての適用性を確認した.一方,逆解析システムの構築基盤を整え,数値実験により構築システムの妥当性を明らかにした.落射顕微鏡型ダイナミックOCSAシステムを構築し,検出目標値をクリアした.ブタ軟骨を用いて,静的試験(応力緩和)と振動試験(動的粘弾性)を適用し,ひずみ速度の時間変化挙動に反映することを統計的に証明した.軟骨変性度の評価法として,前者はひずみ速度緩和減衰係数,後者は位相空間勾配を用いて,有意診断可能であった.軟骨粘弾性パラメータを別途力学試験器により推定し,初期変性において粘性係数の劣化を明らかにした.粘弾性モデルと推定パラメータに基づいて,本システムの力学的意味が理論的に解明された.一方,逆解析システムの構築基盤を整え,数値実験により粘弾性パラメータの断層分布推定法の可能性を示唆した.初年度から次年度に掛けての実施目標として掲げていた、落射顕微鏡型ダイナミックOCSAシステムの構築および妥当性検証は、静的試験(応力緩和)においてはブタ軟骨を用いた統計的検証が完了した。一方、動的試験(動的粘弾性)のシステム検証では、粘性効果の損失がひずみ速度の時間変化挙動(位相)に反映する結果を突き止めている。このように、微小圧縮負荷デバイス(静的および動的)の検討と共に、ダイナミックOCSAの変性軟骨診断への有効性検討が実施され、特にヒト軟骨への適用も応力緩和試験にて検討し、特許化も済んでいる。また、臨床実機を見据えた間接内腔に穿刺するOCTプローブの製作を行い、更に、粘弾性特性の有限要素2次元逆解析アルゴリズム開発に関しても、本手法にて検出されるひずみ速度断層データから組織内部の状態量を検出する逆解析アルゴリズムのコアは検証が完了し、特許化も済んでいる。このため、開発システム(変性関節軟骨における粘弾性係数分布のマイクロ断層可視化法(多機能OCT))の構築状況は、当初の計画以上に進展していると考えている。今後は,臨床実機を見据えた,関節内腔に穿刺するOCTプローブの改良を行う.特に,加重負荷(変形負荷)デバイスの導入が課題となるが,超音波負荷による変形誘起を取り入れることも視野に入れていく.
新原理による体表からの生体内部局所領域分光計測の実現

生体組織への適用を念頭に、これまで困難であった強散乱体内部局所領域の選択的分光の実現をめざし研究を行った。2年間にわたる研究の結果、実用性の高い後方散乱光計測システムにより体内局所領域の吸光度を定量計測する手法を開発した。これにより、体表からの正確な無侵襲吸光度計測、および介在組織の影響を排除した体表からの組織スペクトル計測の可能性が拓かれた。この成果を、学術誌や国内外の会議において発表した。また本研究の成果を含む特許を出願した。本研究は、これまで実現が困難であった強い散乱体内部局所領域の選択的分光の実現を目的とするものである。とくに生体組織への適用をめざし、体表からの正確な無侵襲計測、および介在組織の影響を排除した体表からの組織スペクトル計測の可能性を拓くことを具体的目的とした。2年間にわたる研究の実績は次のとおりである。1.理論解析により、着想を具現化するための基本的計測方法、計測条件、計測範囲などの明確化を行った。まず輸送方程式からスタートし、散乱体内部光伝搬の式から、反射型で得られる光インパルス応答および散乱体内部伝搬領域の時間変化を定式化した。次に、理論モデルをもとに、必要とされる入射光量、検出感度、計測系のSN比、計測可能深さ等の解析を行った。2.理論解析の結果をもとにシミュレーションを行い、計測対象および所要計測範囲に対する最適化を行った。まず、輸送方程式を基本とした理論モデルをもとに、生体内部局所領域分光を模擬するシミュレーションプログラムを開発した。次に、モンテカルロシミュレーションとの比較を通し、開発プログラムの正確さを検証した。3.ここまで得られた理論解析およびシミュレーションの結果を踏まえ、生体内部局所領域分光システムを開発した。多層構造より成る生体組織モデルファントムを作成し、局所領域分光の精度や空間分解能を評価した。また、計測ノイズに対する逆問題解の安定性や再現性も評価した。4.評価結果に基づき、局所領域分光システムの設計値を見直し、実用条件におけるシステムの最適化を図った。5.研究成果の発表:学術誌「光学」、国際会議三カ国5件、国内会議において、本研究の成果を発表した。また本研究の成果を含む特許5件を出願した。とくに生体組織への適用をめざし、体表からの正確な無侵襲計測、および介在組織の影響を排除した体表からの組織スペクトル計測の可能性を拓くことを具体的目的とする。2年間の研究により、着想を計測法として具現化するとともに、理論解析やシミュレーションにより最適化された計測システムを開発し、動物実験によりその可能性や実用性を具体的に実証するところまでを本研究の範囲とする。平成23年度の実績は、次のように要約される。1.理論解析により、着想を具現化するための基本的計測方法、計測条件、計測範囲などを明確化した。とくに、輸送方程式からスタートし、拡散近似を用いた散乱体内部光伝搬の式から、反射型で得られる光インパルス応答および散乱体内部伝搬領域の時間変化を定式化した。また、理論モデルをもとに、必要とされる入射光量、検出感度、計測系のSN比、計測可能深さ等の解析を行った。2.理論解析の結果をもとにシミュレーションを行い、計測対象および所要計測範囲に対する最適化を試みた。とくに、輸送方程式の拡散近似を基本とした理論モデルをもとに、生体内部局所領域分光を模擬するシミュレーションプログラムを開発した。また、モンテカルロシミュレーションとの比較を通し、開発プログラムの正確さを検証した。3.これらの解析をとおし、開発すべき計測システムの具体的設計指針が得られた。本研究の初年度実施計画は、つぎのとおりであった。1.理論解析により、着想を具現化するための基本的計測方法、計測条件、計測範囲などを明確化する。2.理論解析の結果をもとにシミュレーションを行い、計測対象および所要計測範囲に対する最適化を行う。これらを予定どおり達成し、開発すべき計測システムの具体的設計指針が得られたことから、おおむね順調に進展していると考える。当初の計画どおり、次のように本研究を推進する。1.前年度の理論解析およびシミュレーションの結果を踏まえ、生体内部局所領域分光システムを開発する。2.多層構造より成る生体組織モデルファントムを作成し、局所領域分光の精度や空間分解能を評価する。また、計測ノイズに対する逆問題解の安定性や再現性も評価する。3.評価結果に基づき、必要に応じ局所領域分光システムの設計値を見直し、実用条件におけるシステムの最適化を図る。4.「新原理による体表からの生体内部局所領域分光計測の実現」について、得られた結果を取りまとめ、成果の発表を行う。当初計画における次年度の研究活動に使用する。

また、初年度に経費節約および効率的使用により生じた残額については、次年度の物品費および国際会議発表等の研究活動に使用する。平成23年度から24年度にかけて(平成24年3月26日から4月1日まで)実施した国際会議発表のための支払いに使用する。
高速度撮影および電気声門図を用いた咳払い時の喉頭閉鎖障害の分析法の確立

咳払い・持続母音発声時の喉頭高速度画像中の声帯内転時の声帯間角度・角速度の経時的変化の動画解析により、咳払い時には声帯間角速度は加速した後に衝突により突然0になる一方、発声時には一旦加速後に減速することが示され、咳払い時の大きな声帯内転速度が圧縮相の強い喉頭閉鎖を生ずることが示唆された。また同じ系で、ハミングが声帯内転速度が減少させるという声の衛生上の長所が実証された。さらに健康人・片側声帯麻痺症例において、咳払い時の電気声門図信号の最大振動数が、咳効率の空気力学的指標の最大呼気流量と高い相関性を示し、リハビリテーション中の咳効率のリアルタイムモニタリング装置の開発に繋がると考えられた。咳払いは発声および嚥下とともに喉頭が関与する上気道運動の中の1つであるが、咳払い時の喉頭運動は急速かつその持続時間が極めて短いためにこれまで正確な評価が困難であった。今後咳払い機能の評価法を確立することにより誤嚥性肺炎発症のリスクの評価に役立つ可能性がある。本研究では、高速度撮影装置および電気声門図(EGG)を用いて、咳払い時の声帯運動を反映するパラメータを定義し、正常人における強弱の咳払いの間、および、正常症例と片側声帯固定症例の間でこれらのパラメータを比較することで、咳払いの効率を最も良好に反映するパラメータの同定を試みた。健康成人例10例、および片側声帯麻痺症例20例を対象に、被験者の頸部にEGG電極を装着し、喉頭ファイバースコープを経鼻的に挿入した状態で強弱の咳払いのタスクを指示し、高速度撮影画像・EGG/音響波形を記録した。これらを基に吸気相・圧縮相・呼気相の持続時間を計測した。また吸気相では最大声門開大時から内転する際の声帯運動より、動画解析ソフトDipp MotionProを用いて最大声帯外転角度および声帯内転の平均角速度を算出した。さらに呼気相ではEGG波形を基に最大声帯振動数を算出した。その結果、以下の結果が得られた。強い咳払いにおいては、弱い咳払いに比較して、(1)吸気相および呼気相の持続時間が短い、(2)吸気相の声帯内転時の平均角速度が大きかった、(3)呼気相の最大声帯振動数が大きかった、(4)また片側声帯麻痺症例では、正常例と比較して、圧縮相持続時間が短く、最大声帯振動数が小さかった。以上のことから、高速度撮影装置およびEGGを用いることで強弱の咳払いにおける声門部および声門上部運動の時系列および運動速度を正確な評価が可能となった。さらに呼気相における最大声帯振動数が、咳払いの効率を反映する臨床上有用なパラメータとなる可能性が提起された。咳払いは、発声・嚥下とともに喉頭が関与する協調運動であり、その障害は下気道からの異物の排出を妨げて誤嚥性肺炎を生じさせる可能性がある。一方で、頻回の咳払いは喉頭肉芽腫のリスク因子でもあり、声の衛生上での問題行動でもある。このように咳払い運動は、嚥下障害および音声障害などの喉頭疾患に深く関与しているが、その運動が高速度であり、かつ持続時間が短いことから、これまでは十分に解析されてこなかった。我々は、咳払い時における声帯内転運動に関して、高速度撮影装置を接続した喉頭ファイバースコープを用いて、20人の健康人を対象に、強い咳払い、弱い咳払い、通常の発声の3つのタスクを行った際の喉頭運動を記録し、動画解析ソフトで前交連および両側の声帯突起の3点を設定して動画解析を行い、吸気相における声帯内転時の声帯間角度および角速度の経時的変化を解析した。その結果、強弱の咳払い時には多次元関数の曲線、通常発声時にはS時曲線が描かれた。また角速度の変化については、強弱の咳払い時には角速度は加速し続けて、最終的に大きな速度で両声帯間の衝突が生じるが、通常の発声時においては加速の後に減速し、衝突が緩和されるという結果が得られた。以上の結果は、既にJournal of Voiceに投稿し、publishされた。また別の課題として、ハミング発声および大声発声における声帯内転運動の動画解析に上記と同様の方法を応用し、20人の健康人を対象に、通常発声、大声発声、ハミング発声における声帯内転時の声帯間角度および角速度の経時的変化を解析した。ハミング発声時の声帯間角速度は声帯内転の全区間に渡って通常発声時の約半分であることが示された。これより、ハミングは声帯内典速度を減少させ、声帯間衝突を緩和することが示された。現在投稿準備中である。当初の嚥下障害および誤嚥性肺炎の予防のための咳払いの強度の評価法確立のテーマのみでなく、声帯内転速度の解析方法を声の衛生の問題、および音声障害に対する音声治療の効果発現機序の解明に応用することができ、予想外の展開が得られたため。上記3と同様に、電気声門図信号における圧縮相開始時の一過性隆起と揺れの開始時より、咳払いの圧縮相の長さを測定することが可能かを検討する。咳払いは、発声、嚥下とともに喉頭が関与する上気道運動の1つであるが、これまで咳払い時の喉頭閉鎖の状態の定量的評価法は確立されていなかった。

本研究では、第1に、高速度撮影装置および電気声門図(electroglottography:EGG)を用いて、声帯運動の速度・振動の状態、EGG信号の特徴を基とした咳払い時の喉頭運動の評価法を確立し、咳払い時の喉頭閉鎖異常の実態を把握することを目指した。まず我々は対象症例に強弱2種類の咳払いおよび通常の持続母音発声を指示した時の喉頭高速度画像の動画解析を行い、吸気相の声帯内転運動時の両側声帯間角度・角速度の変化を解析した。その結果両咳払い時には声帯内転角速度は増加した後に、衝突しより突然0となったが、持続母音発声時には声帯内転角速度は増加した後に減速した。このことは、咳払いが通常の発声よりも重度に声帯に傷害を与えることを示している。また同様の実験系を用いて、通常の持続母音発声、大声の持続母音発声、音声治療手技であるハミング発声の3タスクの間で同様の比較を行ったところ、大声発声では咳払いと同じ声帯内転角速度の変化のパターンを生じること、ハミング発声時には声帯内転速度が通常発声時の約半分となり、発声前声門一時閉鎖が消失し、発声時声帯間角度が通常発声時より広い約7度となることを示した。この結果は、大声発声の声帯への傷害性とハミング発声の声帯への保護効果を示している。さらに我々は強弱の咳払い呼気相におけるのEGG信号の振動数が、咳効率を反映する空気力学的指標のpeak expiratory air flowと中等度の相関性を示すこと、さらに性別・正常/反回神経麻痺群別の解析で、男性正常群で非常に強い相関性が示された。これらの結果は、将来嚥下および音声訓練中の咳払いの効率をモニタリングできる新たな医療機器の開発に繋がる可能性を提起する。咳払い・持続母音発声時の喉頭高速度画像中の声帯内転時の声帯間角度・角速度の経時的変化の動画解析により、咳払い時には声帯間角速度は加速した後に衝突により突然0になる一方、発声時には一旦加速後に減速することが示され、咳払い時の大きな声帯内転速度が圧縮相の強い喉頭閉鎖を生ずることが示唆された。また同じ系で、ハミングが声帯内転速度が減少させるという声の衛生上の長所が実証された。さらに健康人・片側声帯麻痺症例において、咳払い時の電気声門図信号の最大振動数が、咳効率の空気力学的指標の最大呼気流量と高い相関性を示し、リハビリテーション中の咳効率のリアルタイムモニタリング装置の開発に繋がると考えられた。我々は、既に、高速度撮影画像およびEGG所見から、吸気相・圧縮相・呼気相の持続時間、吸気相における声帯角速度、呼気相における最大声帯振動数を含む複数のパラメータの計測法を確立した、さらに、強弱の咳払い間、および正常例と片側声帯固定症例との間において、これらのパラメータの比較を完了し、吸気相の最大声帯振動数が最も咳払い効率を反映するパラメータとなるという根拠を得た。電気声門図は、喉頭の左右に電極を装着して微量の電圧を負荷し、発声を行った際に声帯間の接触と離開を反映する信号を得る検査法である。これまで咳払いの強度の評価には空気力学的な評価法が用いられてきたが、臥床安静を要する高齢の嚥下障害患者にスパイロメーターを用いてベッドサイドで評価することは困難であった。今回我々は、咳払い時の電気声門図信号の呼出相に生ずる声帯の激しい振動を反映した揺れの最大振動数が呼気流量を反映する化膿性に注目し、健康人20例および片側反回神経麻痺症例20例において、強弱の咳払いを行わせてEGG信号を記録し、その最大振動数と20人の健康人を対象に、空気力学的パラメータであるpeak expiratory cough flow(PECF)と電気声門図信号の最大振動数と間の相関係数が男女それぞれr=0.73および0.72と高値を示した。現在投稿準備中である。この電気声門図を用いた咳払いの強度の評価法を、片側声帯麻痺症例において喉頭形成術の術前後の比較に使用し、臨床的有用性の検討を行う。
生体系に作用する可視・近紫外域の増感剤の反応特性に関する基礎的研究

PUVA療法の代表的増感剤である8-メトキシソラレン(8-MOP)とその異性体5-メトキシソラレン(5-MOP)を用いて、解明目標であった光化学プロセスの必須反応条件と考えられる"ソラレン化合物のヒト皮膚細胞の核へのとり込み"を本年度明らかにした。まず1.8-MOP,5-MOPがDNAにとり込まれる場の極性雰囲気は比誘電率35程度の低い極性雰囲気であること。2.8-MOPと5-MOPの蛍光はその存在的環境の比誘電率が20-80の間で相反する発光収率を示し、この極性領域で比誘電率の低下に伴って、8-MOPの発光収率は減少傾向を、一方5-MOPの発光収率は著しい増強を示すことを明らかにした。この結果は8-MOP,5-MOPが細胞の核DNAに取込まれるならば、8-MOPの蛍光は減少し、5-MOPの蛍光は増強されると示唆される。この仮定のもとに、ヒト皮膚の細胞-口腔粘膜細胞を8-MOP,5-MOPで増感処理し、蛍光顕微鏡で観察した。8-MOPで増感処理した細胞では核部でけい光は消光され暗部をなし、5-MOPで処理した細胞の核部でけい光は著しく増強され我々の予想通りの結果を得た。この結果、8-MOPと5-MOPはヒト皮膚細胞の核DNAに取込まれること、8-MOP,5-MOPが取込まれる細胞内ミクロ環境(DNAの二本鎖の塩基対間)は比誘電率35程度の低極性環境であると判明した。本年度の研究によりPUVA療法の光化学プロセスの第一過程"核DNAへのソラレン化合物の取り込み"が世界で始めて証明された。この成果は今後の光化学療法用薬剤・制ガン剤などの開発に大きな意義を持つと考える。なお、増感剤分子からの光励起電子の移動を直接検出するため、ドナー(トリエタノールアミンTEOA),アクセプター(メチルビオロゲンMV),増感シアニン色素Cy)の多層蒸着セルを作成し、光電検出〔TEOA→Cy→MVの電子移動〕を行った。
TRPA1チャネルを標的とした消化管狭窄治療薬のin vivoスクリーニング

我々は様々な物理化学刺激によって活性化されるTRPA1チャネルは消化管線維化狭窄に深く関与することを見出した。TRPA1チャネルは消化管筋線維芽細胞に多く発現しており、線維化狭窄部位でHSP47と共在して増生する。培養細胞やTNBS炎症性腸疾患モデルマウスを用いた実験から、TRPA1を活性化するステロイド・ピルフェニドン・大建中湯の成分(hydroxy α-sanshoolや6-shogaol)は、線維化促進因子の活性化を抑制して抗線維化作用を示した。このようにTRPA1は消化管炎症に加え、線維化に対して保護的に働くため、難治性の消化管炎症/リモデリングの新規治療標的となる可能性がある。臓器線維化は慢性炎症に伴って臓器の機能を担う上皮組織がI型コラーゲンなどの細胞外マトリックスに置き換わる症状である。臓器線維化が進行すると最終的に臓器不全に至る。臓器不全が死に直結する肺の線維化疾患では、国内で1万人以上の患者がいる特発性肺線維症が挙げられる。消化管・肺・肝臓・皮膚などの線維化病変の進行を抑制するのにステロイドやその類似薬が広く使用されるが、その抗線維化の作用機序は未だ解明されていない。これらの線維化疾患に対して重篤な場合は外科治療を除いて有効な治療法がなく、治療薬の開発に向けた組織線維化のメカニズム解明が急がれている。線維化をもたらす原因として、活性化した線維芽細胞が線維化部位に集積し、I型コラーゲンを大量に産生することが明らかになっています。特に、α-SMAと呼ばれる平滑筋型アクチンを発現する線維芽細胞(筋線維芽細胞)が、細胞外マトリックスたんぱく質を高発現することが知られている。筋線維芽細胞は線維芽細胞の亜種であり、消化管粘膜上皮下の部分に分布し、消化管障害の初期に種々のサイトカインや成長因子に応答して病変部へ遊走し創傷治癒に寄与する。その過剰反応が線維化に関わる。TRPA1チャネルは消化器系や呼吸器系に発現が多く認められ、温度感受性を持ち、わさび、ニンニク、マスタード、山椒、生姜などに含まれる成分で活性化される。これまでの培養細胞を用いた実験を通して、ステロイド・ピルフェニドン・グリチルリチンなどの様々な抗線維化薬が消化管線維芽細胞TRPA1チャネルを活性化して抗線維化作用を示すことが分かった。食品成分が線維芽細胞TRPA1チャネルへの影響、線維化シグナルへの作用について盲試験でスクリーニングした。現在TRPA1ノックアウトマウスを用いたin vivo実験を進めている。我々のIn vitro実験結果によると、線維芽細胞TRPA1チャネルが活性化されると、TGF下流のリン酸化シグナルが抑制され、線維化に関わるマスター転写因子であるmyocardin(MYOCD)の発現レベルを抑制することによって、1型コラーゲン・α-SMA・N-カドヘリンの発現を有意に抑制することが分かった。福岡県生物食品研究所から、TRPA1活性化物質・またはそれに類似性を持つ食品(香辛料・果物・海産物など)エタノール抽出成分103種類の提供を受け、現在細胞レベルで、これら食品成分が消化管筋線維芽細胞TRPA1チャネルへの影響、線維化シグナルへの作用について盲試験でスクリーニングした結果について福岡大学と共同で特許申請中である。特許申請には3つの新しく発見した植物成分を届けておりますが、これ以外にも甘草のエタノール抽出成分がTRPA1チャネルを活性化して抗線維化作用を示すことがわかった。これをヒントに、グリチルリチン、グリチルレチン酸、プレドニゾロン、メチルプレドニゾロンなどステロイド様成分がTRPA1チャネルの活性化を介して抗線維化作用を示すことをin vitroで証明した。→権利譲渡証書(304-255)発明の名称「間葉系細胞TRPA1チャネルの活性化を介した組織線維化の予防または治療」発明者:倉原琳→福岡大学産知第10号特願2015-229481また、2014年に大阪大学微生物病研究所の特定非営利活動法人「発生工学研究会」に依頼してCRISPR/Casシステムを用いたTRPA1-KO(CRISPR)マウスを作製した(2016年現在に10代戻し交配済)。現在既にのノックアウトマウスを用いてin vivo実験を進めている。これまでの我々の研究結果から、消化管筋線維芽細胞に多く発現するTRPA1チャネルが、大建中湯に含まれる乾姜・山椒の成分、ステロイドやピルフェニドンなどの抗線維化薬で活性化され、消化管筋線維芽細胞の線維化マーカーの発現を抑制することを見出した。TRPA1チャネルの活性化と組織線維化との関連をin vivoで確認するために、CRISPR/Cas法を用いてTRPA1ノックアウトマウスを作製し、週に一回TNBS(2,4,6-Trinitrobenzene sulfonic acid)注腸投与(計6回)によって大腸炎症・線維化モデルマウスを作成した。腸の組織を固定して炎症や線維化の重篤度についてTRPA1ノックアウトマウスと正常マウスと比較検討した。Hematoxylin-Eosin染色の結果からTNBS投与によって惹起される炎症に関して、TRPA1-/-ノックアウトマウスではWTマウスより強く・広く粘膜固有層に慢性炎症細胞浸潤が炎症の病理像が観察され、局所的な単核球の集簇巣を多数認めた。

Masson Trichrome (MT)染色の結果から、正常腸組織では粘膜筋板の走行に沿って、膠原線維が均等に分布しているのに対し、TRPA1-/-ノックアウトのTNBS投与群では粘膜固有層および筋層に膠原線維が増生して、WTマウスのTNBS投与群より明らかに広範囲の線維化が確認された。また、クローン病患者の生検組織を採取して、狭窄部位と非狭窄部位を比較すると、狭窄部位のMT染色では多くの膠原繊維が観察され、免疫染色像から粘膜固有層に多くの筋線維芽細胞が集積して、qPCRの結果からTRPA1チャネルのmRNA発現量も非常に高いことがわかった。以上から、TRPA1チャネルは消化管線維芽細胞・筋線維芽細胞において、炎症やそれに伴う線維化に対して抑制的に働いている可能性が示唆されました。培養細胞を用いた実験のみならず、TRPA1ノックアウトマウスを用いたTNBS腸炎モデルの作成で確実にTRPA1チャネルによる抗炎症・抗線維化作用を証明することができた。免疫染色による観察の結果から、TRPA1チャネルは粘膜固有層にある線維芽細胞・筋線維芽細胞に発現していることが明らかである。特にクローン病患者の組織を用いた蛍光免疫染色の結果ではTRPA1と線維芽細胞のマーカーが100%共在して、線維化部位に増えていることが確認できた。最終年度である今年の最終目標として、食品ライブラリーを用いたスクリーニングで発見した抗線維化作用のある食品成分でin-vivo実験を行う予定である。また、外科手術の非狭窄部位・狭窄部位組織から単離した筋線維芽細胞のCa2+動態や膜電流の変化について、デジタルCa2+イメージング法やパッチクランプ法による比較検討を行い、イオンチャネルと炎症・狭窄の病態生理学的意義を探る。我々は、TRPA1チャネルの活性化が、ステロイド、ピルフェニドンの抗線維化作用に関わることを見出した。(1)TRPA1 mRNAは、筋線維芽細胞において高度に発現され、ヒトCD患者の腸の狭窄領域において顕著にアップレギュレートされた。(2)TNBS腸炎モデルマウスのデータからTRPA1-KOマウスの方がより重篤な炎症や線維化が観察され、炎症性細胞浸潤を伴う結腸の粘膜および粘膜下層に間質線維化を示した。野生型マウスにプレドニゾロンで1週間処置したマウスでは線維化が抑制されたのに対し、TRPA1-KOマウスでは治療効果を示さなかった。(3)ピルフェニドンおよびステロイドは、TRPA1選択的アゴニストAITCと同様に、TRPA1チャネル活性化を介してCa2+流入を惹起した。これらの化合物はまた、TGF-β誘発線維化を抑制し、InMyoFibsにおけるHSP47発現を抑制した。(4)CD患者およびTNBSマウスの線維化部位粘膜下層にTRPA1 / HSP47-二重陽性細胞が増生した。CD患者の狭窄領域では、多数の細胞が粘膜下層のTRPA1およびHSP47に対して免疫陽性であり、多数のコラーゲン線維が染色され、線維化マーカーが有意にアップレギュレートされていた。特に、TRPA
従来型電気二重層キャパシタ性能にブレークスルーを与える材料開発

電気二重層キャパシタの性能向上を目指し,電極ならびに電解質の大幅な改善を試み,大きな成果を得ることが出来た。以下にその概要を記す。電気二重層キャパシタの電解質として,PVdF-HFPタイプのゲル電解質を適用した。この電解質を極限まで薄膜化しつつ,さらにゲル電解質と電極との界面接合の最適化を行い,これまでに無い高い性能を引き出すことに成功した。すなわち,高速の充放電を行った場合,通常の有機電解液キャパシタではキャパシタンスが減少してしまう大電流領域においても,キャパシタンスが全く低下しないゲル電解質キャパシタを構成することに成功した。このキャパシタは電解質厚みがわずか10ミクロンであり,しかも通常の活性炭シート電極を用いているにもかかわらず,このような高性能が発現したことは驚くべきことである。キャパシタの高性能化のもう一つの主要要素技術である電極の改善についても試みた。これにはフッ化物やアルコキシシランガスから発生させたコールドプラズマを電極材料の活性炭表面に照射し,細孔制御と表面官能基制御を行うことでレート特性の改善に成功した。さらに,活性炭に換え,カーボンナノチューブを一方向に配向させてそれをそのままシート状の電極とした,カーボンナノシート電極を開発し,二重層キャパシタの電極としてのテストを行った。その結果,この電極は超高速充放電に適合することが判明した。すなわち,通常の活性炭では全く充放電が不可能,つまり放電キャパシタンスがゼロになってしまうような大電流でも充放電が可能であることが明らかとなった。以上述べた技術について,可能なものはリチウム二次電池系にも適用を試みた。有機電解質と炭素系電極活物質を利用した電気二重層キャパシタの飛躍的な特性向上を狙い,低温プラズマを用いた炭素材料電極の表面修飾,ならびに新規薄層ゲル電解質を設計し,以下のように画期的な性能向上を実現することができた。1.低温プラズマを利用した炭素質電極界面の修飾アルゴン-四フッ化炭素混合ガスから高周波電圧誘起低温プラズマを発生させ,炭素粉末コンポジットシート電極を処理した。その結果キャパシタ充放電反応における界面抵抗が顕著に減少し,高速充放電特性が大幅に改善,すなわち高レートにおいて容量が増大することがわかった。この好ましい効果の原因を調査したところ,フッ素系低温プラズマ処理により電極表面積はむしろ減少するものの,活物質炭素粒子表面にフッ素ならびにフルオロメチル基が導入されることが判明した。これにより界面物性が大幅に改善されることが明らかになった。2.薄層有機ゲル電解質を用いた高エネルギー密度キャパシタの開発PVdF誘導体ポリマーと非対称四級アンモニウム塩を基本構成要素とする有機ゲル電解質の薄層化を試み,厚さ数十ミクロンという超薄型電解質を適用した電気二重層キャパシタのプロトタイプ開発に成功した。3.水系有機ポリマーゲル電解質の新規提案これまでほとんど開発が試みられていない,酸性ないしアルカリ性水系媒質を有機マトリックスポリマーにてゲル化した新規電解質を合成し,基礎物性を探索した。その結果通常の水系電解質と同等のイオン伝導度を実現しつつ,漏液を起こさない(液保持能力の高い)電解質系が実現できた。

このキャパシタは電解質厚みがわずか10ミクロンであり,しかも通常の活性炭シート電極を用いているにもかかわらず,このような高性能が発現したことは驚くべきことである。キャパシタの高性能化のもう一つの主要要素技術である電極の改善についても試みた。これにはフッ化物やアルコキシシランガスから発生させたコールドプラズマを電極材料の活性炭表面に照射し,細孔制御と表面官能基制御を行うことでレート特性の改善に成功した。さらに,活性炭に換え,カーボンナノチューブを一方向に配向させてそれをそのままシート状の電極とした,カーボンナノシート電極を開発し,二重層キャパシタの電極としてのテストを行った。その結果,この電極は超高速充放電に適合することが判明した。すなわち,通常の活性炭では全く充放電が不可能,つまり放電キャパシタンスがゼロになってしまうような大電流でも充放電が可能であることが明らかとなった。以上述べた技術について,可能なものはリチウム二次電池系にも適用を試みた。
InAs/GaSbを用いた量子カスケード型遠赤外〜テラヘルツ帯発光素子

本研究はInAs/GaSb量子カスケード構造のサブバンド間光学遷移を利用した遠赤外テラヘルツ帯における高効率発光素子を実現することを目的として行われた。科学研究費補助金を請けて研究期間の初年度には遠赤外ステップスキャン方式フーリエ赤外分光器を、最終年度には光学測定用無振動冷凍機を新しく購入し、それを用いて以下の項目について研究を行った。1.開発した計算機シュミレーターを用いてInAs/GaSb量子カスケード構造のレーザー閾値電流密度の理論的検討を行った結果、従来のタイプI量子カスケードレーザーの閾値電流密度の理論値と比較して、室温における閾値電流密度がおよそ1/5程度になることがわかった[大谷、大野、固体物理、Vol.34、699(1999)]。3.新しく購入した高感度ステップスキャンフーリエ変換赤外分光器を用いて、InAs/GaSb量子カスケード構造におけるエレクトロルミネッセンスの構造依存性及び温度依存性を調べ、サブバンド間発光とバンド構造の関係を明らかにした[K.Ohtani et al., Physica E, Vol.7, 80(2000)]。InAs/GaSb量子カスケード構造におけるサブバンド間光学遷移を利用した高効率発光素子を実現することを目的として研究を進めている。研究期間の初年度にあたる本年度は科学研究費補助金を請けて、遠赤外ステップスキャン方式フーリエ赤外分光器を新しく購入し、それを用いて以下の項目について研究を進めた。1.サブバンド間発光素子の高効率化のためにInAs/GaSb量子カスケード構造におけるエレクトロルミネッセンスの構造依存性などを調べ、発光とバンド構造の関係を明らかにした(Physica Eに掲載決定)。2.開発した計算機シュミレーターを用いてInAs/GaSb量子カスケード構造をレーザー化した際に閾値電流密度がどの程度になるか理論的検討を行った。検討の結果、従来のタイプI量子カスケードレーザーの閾値電流密度の理論値と比較して、室温における閾値電流密度がおよそ1/5程度になることがわかった(固体物理に掲載)。3.InAs/GaSb量子カスケ-ド構造だけでなく、非常に大きな波長可変性を持つInAs/AlSb量子カスケ-ド構造にも注目し、InAs/AlSb量子カスケ-ド構造において世界で初めて電流注入サブバンド間発光を観測した(Electronics Lettersに掲載)。研究期間の最終年度にあたる本年度は科学研究費補助金を請けて光学測定用無振動冷凍機を新しく購入し、それを用いて以下の項目について研究を行った。3.InAs/GaSb量子カスケード構造における新しい発光素子構造を提案し、その構造を用いれば高効率に1THz近傍まで長波長化できることを理論的に示した(論文投稿中)。
電界誘起光第２次高調波発生法による錫ペロブスカイト太陽電池のキャリヤ挙動評価

本研究は、電界誘起光第2次高調波発生(EFISHG)法により錫ペロブスカイト太陽電池の内部電界を直接測定し、キャリヤ挙動の評価を行うことを目的とした。昨年度は、錫ペロブスカイトCH3NH3SnI3 (MASnI3)やCH(NH2)2SnI3 (FASnI3)から発生するEFISHGの信号強度を調べた。本年度はEFISHG法に加えて電荷変調分光(CMS)法という光学的手法を用いて錫ペロブスカイトのキャリヤ挙動評価を行った。まず、CMS法により、MASnI3単層サンプルに現れるヒステリシス特性の原因が、錫の欠陥で起きるトラップフィリングであることをエネルギー的に明確化することができた。本研究成果は、これまで電気測定による推察に留まってきた錫ペロブスカイトのキャリヤ挙動評価において重要であり、学術雑誌Journal of Applied Physicsで発表することができた。また、昨年度発見したFASnI3から発生するEFISHGを用いてイオンの移動度評価を行い、国際学会で発表することができた。次に、電子輸送層のC60を挿入した錫ペロブスカイト太陽電池のキャリヤ挙動を評価した。CMS法およびEFISHG法により、太陽電池構造でも錫ペロブスカイト膜内で起きるトラップフィリングがヒステリシス特性の要因になっていることを実証することができた。本研究成果はMolecular Crystals and Liquid Crystals誌への掲載が受理となり、国際学会でも発表をすることができた。また、カタール大学との共同研究により、EFISHG法を用いて高効率な2D/3D構造の鉛ペロブスカイト太陽電池の安定性についても評価することができ、学術雑誌で発表をすることができた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、電界誘起光第2次高調波発生(EFISHG)法により錫ペロブスカイト太陽電池の内部電界を直接測定し、発電機構の明確化のためにキャリヤ挙動の評価を行うことを目的とする。平成29年度は、錫ペロブスカイトのEFISHGにより太陽電池の内部電界を評価することを目的として研究を行った。錫ペロブスカイトは、最も一般的なCH3NH3SnI3 (MASnI3)に着目した。成膜方法の改善により電気測定時に短絡しないMASnI3薄膜を作製することに成功し、SHスペクトルからMASnI3から発生するEFISHG波長が610 nmにあることを突き止めた。しかし、MASnI3から発生するEFISHGの外部電圧依存性は測定限界程度に弱く、MASnI3の電界を直接測定することは困難であることが判明した。一方、MASnI3の誘電物性を評価するために、インピーダンスアナライザによるキャパシタンスの測定も同時に進めた。その結果、キャパシタンスを測定できただけでなく、C-V特性に現れるヒステリシス現象の観測に成功した。これはペロブスカイト中のイオンの移動によるものと考えられ、電荷変調分光法(CMS)による光学的な変化とも相関性が取れた。また、太陽電池構造において、電子輸送層のC60のEFISHGにより、イオンの移動によるヒステリシスを内部電界から具体的に議論することができた。さらに、錫ペロブスカイトの有機カチオンを置き換えてCH(NH2)2SnI3 (FASnI3)とすることにより、外部電圧依存性の強いEFISHGが発生することを発見した。錫ペロブスカイトの内部電界測定を錫ペロブスカイト由来のEFISHGにより直接、目標の精度で行えるようになった。平成29年度は、錫ペロブスカイトから発生するEFISHGを詳細に調べ、実際に太陽電池の内部電界測定まで行うことを目標として研究を行った。錫ペロブスカイトMASnI3のEFISHGは当初の想定とは異なり十分な電界依存性を確認できなかったが、イオンの移動によるヒステリシスをC60のEFISHGにより議論することができ、またFASnI3から目標の強度のEFISHGが確認できたことからも、研究はおおむね順調に進展していると言える。