hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
グリーンランド氷床形成・変動に対する高次力学の効果に関する研究

本年度は申請者が開発を続けてきた氷床流動モデルの開発改良を昨年度に引き続き行った。昨年度考案した氷床縁辺部の氷厚再現を向上させる数値手法に関して,現実的なグリーンランド氷床の再現実験に適用し,従来の氷床流動モデルによる再現での数値手法に由来する誤差を評価した。また現在気候下での定常解から,全域一様な温暖化を仮定した温暖化感度実験に適用し,再現された温暖化への応答に対する縁辺部の誤差の影響を評価した。一般的な気候モデルによる温暖化実験で得られた,将来に起こりうるとされる温暖化の範囲で,グリーンランド氷床応答の再現が縁辺部の誤差により大きく異なることが判明した。このプロジェクトで提案されている実験は主に理想的な条件下のもので,熱力学も含んでいない。グリーンランド氷床の実験には氷の温度の影響が無視できないため,熱力学の効果を含めた形でモデル改良を行った。高速化などの改良した高次力学モデルをグリーンランド氷床の再現実験に適用した。現実的な氷床適用するには実用上さらに高速化や改良が必要であることがわかった。本年度は申請者が開発を続けてきた氷床流動モデルの開発改良を主として行った。現行の多くの氷床モデルは現在の氷床縁辺の再現が他の領域と比較して悪い。いくつかの原因が考えられるが、そのうちの一つが数値モデル構築方法自体に内在する問題である。本研究では端の再現を向上させる数値手法を考案し、その開発実装を行った。モデルを理想的な条件下で試験し、従来のモデル手法と比較することによりその効果を解析した。この数値手法に関しては、来年度の論文投稿に向けて準備中であり、さらに来年度の国際雪氷学会での発表を申請した.また、理想的な条件下での高次力学の効果を考察した論文「EISMINT model intercomparison experiments with first order mechanics」がJournal of Geophysical Researchに受理された(主著者は申請者、副著者に阿部彩子とHeinz Blatter)。この論文で、氷床縁辺の再現の悪さが縁辺だけでなく氷床全体の再現に影響をおよぼすことを指摘した。さらに、現行のモデルでのグリーンランド氷床の再現実験を行い、現実の再現について解析した。本年は降雪、融解などの気候条件を変えた感度実験を複数行い、それによる不確定性を調べた。また来年以降の実験に用いる解像度について予備の調査を行ったが、上記の数値手法の改良などの効果を含めて総合的に判断するには、さらに実験が必要であると考えている。さらに、現行のモデルのグリーンランド氷床の再現実験に開発した手法を取りこんで感度実験を行い、現実の再現について解析した。降雪、融解などの気候条件を変えた感度実験および、氷床の各種不確定性パラメータに関する感度実験を複数行い、それによる再現への影響を調べた。また来年以降の実験に用いる解像度について調査を行った。また高次の氷床力学を導入したモデルの国際比較プロジェクト、Ice Sheet Model Intercomparison Project (ISMIP) HOMに参加した。プロジェクト参加を通じて高次力学モデルの振る舞い、特性、改良点などを調査し、来年度のグリンランド氷床の実験のための基礎的な資料とした。
脂質非二重膜構造中における自発的分子認識機構の解明

本研究においては、リン脂質が形成する非二重膜会合体(指組み構造ゲルおよび逆ヘキサゴナル構造)において脂質分子の示す分子認識能を、示差走査熱量測定、高圧光透過率測定などによる巨視的手法と蛍光プローブ混合脂質膜を用いた高圧蛍光プローブ法による微視的手法の両手法を用いて追跡した。得られた主な研究成果の概要を以下に記す。1極性基の大きさの異なる4種類のN-メチル化ジパルミトイルホスファチジルエタノールアミン二重膜の高圧相転移を調べ、これら脂質二重膜の高圧下におけるゲル相の安定性と多形現象を明らかにした。2非対称型ホスファチジルコリン二重膜の圧力誘起相転移を観測した。非対称型ホスファチジルコリンの指組み構造形成は対称型ホスファチジルコリンとは大きく異なった。3 4種類のアシル鎖長が異なるジアシルホスファチジルコリン二重膜中における蛍光プローブ色素プロダンの蛍光スペクトルを圧力の関数として観測した。蛍光スペクトルのシフトから各相状態におけるプロダン分子の配向位置を推定した。4重水および軽水中における3種類のホスファチジルコリン二重膜の相転移を追跡した。軽水の重水置換はゲル相間転移に大きな影響を与え、指組み構造ゲル相を不安定化した。5ホスファチジルコリン二重膜中における2種類の蛍光プローブ色素プロダンとローダンの蛍光スペクトルを定温下、圧力の関数として観測した。ローダン分子はその長いアシル鎖のため指組み構造形成の際に脂質分子のグリセロール骨格から排除されなかった。6塩化ナトリウム水溶液中においてジオレオイルホスファチジルコリン二重膜の液晶相から逆ヘキサゴナル相間の相転移を調べ、液晶相から逆ヘキサゴナル相への相転移は分子充填の再配列に対する体積支配の相転移であることを結論づけた。脂質分子によって水中で形成される分子集合体は二重膜構造のみならず多彩な組織化構造、いわゆる非二重膜構造を示す。脂質膜の代表的な非二重膜状態は、インターデジティテッドゲル(指組みゲル)相、ヘキサゴナルII相およびキュービック(立方)相である。本年度は溶質添加によりインターデジティテッドゲル相を形成することが知られているホスファチジルコリン(PC)二重膜に対してリガンド認識に関する研究を行い。下記の結果を得た。1ジパルミトイルホスファチジルコリン(DPPC)二重膜への局所麻酔薬および長鎖脂肪酸の効果を示差走査熱量法並びに光透過法により調べた。ジブカインやテトラカインのような疎水性の強い局所麻酔薬は麻酔薬分子の有する疎水性に依存してインターデジティテッドゲル相を誘起したが、長鎖脂肪酸は大きな疎水性を有するにもかかわらずインターデジティテッドゲル相を誘起しなかった。2 DPPC二重膜への4種類のブタノール異性体の効果を光透過法により調べた。リジッドな分子構造はインターデジティテッドゲル相形成に大きな影響を与え、分枝した分子より直鎖状分子の方がインターデジティテッドゲル相形成に有利に作用した。また、インターデジティテッドゲル相誘起以前の濃度領域においてインターデジティテッドゲル相を包含したラメラゲル相あるいはリップルゲル相との2相共存領域を見出した。3蛍光プローブProdanを混合したプローブ混合脂質膜を使用してDPPCおよびジヘキサデシルホスファチジルコリン(DHPC)二重膜へのコレステロール添加効果を常圧下および高圧下において追跡した。コレステロール添加によりインターデジティテッドゲル相の形成領域は急激に縮小し、高濃度コレステロール存在下ではインターデジティテッドゲル相は消失した。脂質分子は通常、二重膜構造の会合体を形成するが、特定の条件下では非二重膜構造の会合体を形成する。

本年度は2種類の非二重膜構造に関する研究(指組み構造ゲル相への溶媒(重水)効果、ヘキサゴナルII相への圧力効果)およびリン脂質-コレステロール系の相図構築、巨大単層ベシクルの研究を行った。得られた結果を以下に記す。1ジパルミトイルホスファチジルコリン(DPPC)、ジステアロイルホスファチジルコリン(DSPC)二重膜への重水置換効果を調べた。重水置換は両リン脂質の指組み構造ゲル相形成を不安定化し、その領域をより高圧力下へと移行させた。2ジオレオイルホスファチジルエタノールアミン(DOPE)二重膜相転移への圧力効果を調べた。今回、添加塩存在下において液晶相からヘキサゴナルII相への相転移を高圧力下で観測することに初めて成功し、その転移は高い圧力依存性を有する体積支配の転移であることを見出した。3蛍光プローブProdanを混合したDSPC二重膜およびLaurdanを混合したDPPC二重膜へのコレステロール添加効果を常圧下において追跡した。脂質膜状態に依存した両プローブの蛍光極大波長の温度依存性を詳細に調べ、両リン脂質に対する温度-コレステロール組成相図を構築した。4ジオレオイルホスファチジルコリン(DOPC)を用いて静置水和法による巨大単層ベシクル(GUV)の作製を行い、微分干渉顕微鏡を用いたGUVの形態観察を行った。DOPC二重膜を純水中に単に静置しただけでは、GUVの形成は見られなかったが、無機塩存在下において安定なGUVの形成が認められた。本年度は、ジパルミトイルホスファチジルコリン(DPPC)が形成する非二重膜構造である指組み構造ゲル相へのコレステロール、長鎖および中鎖脂肪酸および短鎖アルコールの効果、疎水鎖長の異なるPC脂質とコレステロール混合系の相図構築、ジラウロイルホスファチジルコリン(DLPC)二重膜の相挙動解明、巨大単層ベシクルの形態変化に関する研究を行った。得られた結果を以下に列挙する。1 DPPCはプロパノール添加により指組み構造ゲル相を形成したが、オクタン酸添加では形成されなかった。高圧下において自発的に形成される指組み構造ゲル相は微量のコレステロール添加によって抑制され、パルミチン酸添加によっても同様な結果が得られた。2疎水鎖長が異なる5種類のホスファチジルコリンとコレステロール混合系の温度-コレステロール組成相図を構築した。リン脂質の鎖長や結合型に関わらず、秩序液体相はコレステロール組成約15%で出現し、コレステロール高組成領域ではゲル-液晶転移の消失と共に均一な秩序液体相が形成された。3常圧下においてDLPC二重膜の相転移は昇温開始温度に依存してその数に変化が見られた。高圧下においても測定圧力に依存して相転移の数が変化した。相転移データから構築した温度-圧力相図をもとに中間液晶相が出現するDLPC二重膜の複雑な相挙動を明らかにした。4静置水和法によりジオレオイルホスファチジルコリン(DOPC)の巨大ベシクルを作製し、金属イオン添加によるその巨大ベシクルの形態変化を顕微鏡観察した。2価の金属イオンを脂質:金属イオンのモル比が3:2以上に添加した場合に螺旋状や数珠状の会合体が形成された。上記に加え、本年度は研究の最終年度であるため、3年間における研究の総括を行った。
ゲルの不均一性の研究

不均一なゲルの物性の測定のための第一歩として,均一なゲルの物性の測定を行った。ゲルの物性に関する研究はMITの田中等によって研究されており、特に臨界点における比熱の発散に対する指数と状態曲線についての指数が報告されている。ここではイソプロピルアクリルアミド・ゲルについて、成分比を振った多数のゲルを作成し、状態曲線を決定することにより臨界組成の決定と状態曲線の臨界指数の決定を行った。結果はδ=4.89となり田中等の結果とよく一致している。この臨界組成のゲルを用いて比熱の発散の測定を行なった。この結果も対数形の発散となって、田中らの結果を追試したことになった。この結果より求められた臨界ゲルを用いて、顕微鏡ラマン散乱装置を用いて相転移のミクロなメカニズムの解析と膨張相におけるラマン・スペクトルの差の測定を行い、約300cm^<-1>のピークが収縮相にのみ見られ、また441cm^<-1>のピークの強度がゲルの収縮にともなって変化することを見いだした。この各々のラマン・ピークの同定はCH_3の振動(441cm^<-1>)と主鎖の78個の炭素鎖の振動モード(300cm^<-1>)と考えているが、まだ確定はしていない。特に低波数側に収縮にともなって現れるピークは、収縮の原因になる疎水性相互作用と主鎖のホールディングについての重要な情報を与えるものと期待している。これらの収縮相に特徴的なラマン・ピークと不均一なゲルに見られる密度の高い領域からのラマン散乱のスペクトルの比較を現在行っているところである。不均一なゲルの物性測定として状態曲線の決定と比熱の測定を行っている。特に比熱については発散ではなく不均一性に起因するなだらかなピークが見られるものと期待していたが、期待に反して強度は減少しているもののかなり狭い幅の鋭いピークが観察され、現在それに対応したモデルを検討中である。
工業高専における発達障害者への実験実習指導方法の研究

工業高専では工作機械や様々な実験装置を扱う「実験実習」授業が行われているが、作業に危険を伴うものも多く、発達障害またはそれが疑われる学生に対しては適切な対応が必要である。そのために技術職員はこの「発達障害」についてある程度の知識を持ち、情報を共有する必要がある。本研究では以下のことを行った。1.「発達障害者特別支援教育マニュアル」の作成業務多忙の昨今、各技術職員が個別に必要な知識を得る事は困難である。そこで発達障害に関する基礎知識と、具体的事例・実験実習指導時の注意点などをまとめたマニュアルを作成した。専門家である臨床心理士の校閲済みである。本マニュアルを用いて、技術職員を対象に勉強会を開催した。2.安全教育用ビデオの作成発達障害者は、想像力の弱さから言葉での説明では理解が難しく、絵・画像・映像を用いることが有効とされている。そこで、旋盤やフライス盤・卓上ボール盤での作業を撮影した安全教育用ビデオを作成した。その際、画像・映像も背景に不要なものがあるとそちらに気を取られるので、パーティション等を用いてなるべく他の物が写り込まないようにした。このビデオは一般学生にも有効であり、平成24年度より安全教育に使用している。3.情報共有システムの構築実験実習授業の際、学生に関する情報を事前に知っておくことで、指導は格段にやりやすくなる。そこで、発達障害に限らず、作業が遅いとか不器用とかいった情報を記入する「気になる学生リスト」を作成した。個人情報を扱うため、メールやパソコンの共有ファイルは使用せず、紙に手書きとしている。居室のロッカーに保管・施錠し、技術職員全員が鍵を保有して、個人が必要な時にいつでも記入・閲覧できるようにした。
小学校体育科の学習可能性を保障する運動アナロゴンによる低学年領域の体系化

本研究の目的は,小学校体育科の教材づくりにスポーツ運動学に立脚した「運動アナロゴン」の視点を導入して,低学年領域の学習教材を体系化することにより,後々の体育学習を支える有意味な学習内容を持つ運動遊びと教材構成で低学年領域の学習状況の改善・充実を図ることにある。平成30年度は,スポーツ運動学の「発生・構造・伝承」の3つの柱から「低学年における体つくり運動領域」の教材解釈を行い,それに基づく教材構成(運動プログラム)を作成して,小学校現場及びN県体力向上事業において低学年児童に学習指導を行った。加えて,教員研修プログラムを作成し,各地域で開催される体育研修会及びN県体育センターの主催する教員研修会等に参加した小学校教員を対象に小学校における体つくり運動領域の特性と教材内容についての講義及び実技研修を行った。低学年児童に対する運動プログラムの学習指導を行った実践の観察結果及び印象分析の結果から,低学年児童が違和感なく運動に取り組んでいること,新たに動きが身に付く「動きの形態発生」が促されていることが確認された。低学年児童によるアンケートの分析結果からも,本研究の教材構成(運動プログラム)によって運動へのなじみの発生が触発されていることが明らかとなった。また,小学校教師による教員研修プログラム実践後のアンケートの分析結果から,本研究で作成した教員研修プログラムは,小学校における体つくり運動領域の教材解釈を転換し,単独単元としての構成や学習指導のあり方を考える契機として機能したことが確認されたことから,授業改善に向けた認識の転換を促す点において有効であったといえる。この研究成果は,第38回日本スポーツ教育学会で発表した。平成30年度は,スポーツ運動学に立脚して「低学年における体つくり運動領域」の教材解釈を行い,主に徒手で行う運動遊びの充実を図った教材構成(運動プログラム)を発生現象学に基づく枠組みに添って作成した。作成した運動プログラムに基づいて小学校現場及びN県体力向上事業において小学校低学年児童に向けた学習指導を行ったが,実践現場の事情により単元として展開することがかなわなかった。そのため,単元展開の中で成果確認をしていく必要性が課題として残されたものの,一定の成果は得られたと考えている。また,本年度はまずもって低学年における体つくり運動領域の教材解釈と教材構成に焦点化して研究を進めてきたが,同様の方法を用いることによって,小学校体育科の運動遊び領域(低学年領域)を網羅するかたちで本研究を展開していけると考えている。作成した教員研修プログラムについては,今後も教員研修会での実践機会を継続していくことで,小学校教員の置かれている実情を踏まえながら,児童の多様なあり方に対応するための情報収集と検討を重ねて,普遍妥当的な教材構成(運動プログラム)を浮き彫りにしていくことが可能になると考えている。その一環として,次年度では認識を転換した小学校教師の現場にお願いして,運動遊び領域(低学年領域)の単元のなかで教材構成(運動プログラム)の実践的検討に取り組むことを予定している。平成30年度に引き続き,小学校体育科の運動遊び領域(低学年領域)の教材解釈と教材構成(運動プログラム)の作成に向けて,スポーツ運動学に立脚した検討を進めるとともに,各領域の単元試案の検討を行う。加えて,小学校低学年体育の典型的なつまずきについて学校教員及び文献等から情報を収集し,それらのつまずきを解消するための練習方法の選択と開発のための検討を行う。各領域における教材構成(運動プログラム)の設計には,児童の発達段階に応じた運動能力の実態を把握しながら検討を進めることが重要である。そのためには設計した教材構成(運動プログラム)を教育現場で実践的に確認する必要があると考えられることから,小学校の現場に依頼して実践を行う。加えて,教材構成(運動プログラム)の実践が適切な学習活動となるように多層化ステージを設けて練習課題を配置するための検討を行う。練習課題は,児童にとって有意味な学習内容を含みながら,児童が取り組みやすい運動遊びの形態へと修正するとともに,各ステージのつながりに整合性を持たせるための検討を行う。これらの実践と検討に基づいて,国内外の研究動向との対比において,日本の学校教育に適した教材構成(運動プログラム)となる開発につなげることを目指す。

また,小学校教師による教員研修プログラム実践後のアンケートの分析結果から,本研究で作成した教員研修プログラムは,小学校における体つくり運動領域の教材解釈を転換し,単独単元としての構成や学習指導のあり方を考える契機として機能したことが確認されたことから,授業改善に向けた認識の転換を促す点において有効であったといえる。この研究成果は,第38回日本スポーツ教育学会で発表した。平成30年度は,スポーツ運動学に立脚して「低学年における体つくり運動領域」の教材解釈を行い,主に徒手で行う運動遊びの充実を図った教材構成(運動プログラム)を発生現象学に基づく枠組みに添って作成した。作成した運動プログラムに基づいて小学校現場及びN県体力向上事業において小学校低学年児童に向けた学習指導を行ったが,実践現場の事情により単元として展開することがかなわなかった。そのため,単元展開の中で成果確認をしていく必要性が課題として残されたものの,一定の成果は得られたと考えている。また,本年度はまずもって低学年における体つくり運動領域の教材解釈と教材構成に焦点化して研究を進めてきたが,同様の方法を用いることによって,小学校体育科の運動遊び領域(低学年領域)を網羅するかたちで本研究を展開していけると考えている。作成した教員研修プログラムについては,今後も教員研修会での実践機会を継続していくことで,小学校教員の置かれている実情を踏まえながら,児童の多様なあり方に対応するための情報収集と検討を重ねて,普遍妥当的な教材構成(運動プログラム)を浮き彫りにしていくことが可能になると考えている。その一環として,次年度では認識を転換した小学校教師の現場にお願いして,運動遊び領域(低学年領域)の単元のなかで教材構成(運動プログラム)の実践的検討に取り組むことを予定している。平成30年度に引き続き,小学校体育科の運動遊び領域(低学年領域)の教材解釈と教材構成(運動プログラム)の作成に向けて,スポーツ運動学に立脚した検討を進めるとともに,各領域の単元試案の検討を行う。加えて,小学校低学年体育の典型的なつまずきについて学校教員及び文献等から情報を収集し,それらのつまずきを解消するための練習方法の選択と開発のための検討を行う。各領域における教材構成(運動プログラム)の設計には,児童の発達段階に応じた運動能力の実態を把握しながら検討を進めることが重要である。そのためには設計した教材構成(運動プログラム)を教育現場で実践的に確認する必要があると考えられることから,小学校の現場に依頼して実践を行う。加えて,教材構成(運動プログラム)の実践が適切な学習活動となるように多層化ステージを設けて練習課題を配置するための検討を行う。練習課題は,児童にとって有意味な学習内容を含みながら,児童が取り組みやすい運動遊びの形態へと修正するとともに,各ステージのつながりに整合性を持たせるための検討を行う。これらの実践と検討に基づいて,国内外の研究動向との対比において,日本の学校教育に適した教材構成(運動プログラム)となる開発につなげることを目指す。平成30年度に未使用額が生じた理由は,本研究計画の中で当初予定を組んでいた一連の出張が台風による交通機関の運行停止によって中止せざるを得なくなったことによる。
アナモックスと硫黄脱窒細菌群を利用した革新的超低コスト型窒素除去プロセスの開発

検討項目1:亜硝酸化に及ぼす無機炭素の影響重炭酸ナトリウムの添加および30%CO_2ガスの供給により,無機炭素が亜硝酸化に及ぼす影響を調査した。重炭酸ナトリウムを添加した期間ではNO_2蓄積が起こり,重炭酸イオン濃度75mM以上で3050%程度の亜硝酸化率を達成した。一方,30%CO_2ガスの供給ではCO_2溶け込みによるpH低下が引き起こされNO_2蓄積はみられなくなった。重炭酸イオン濃度も20mM以下と低く,今回のように希薄な廃水にはCO_2ガスでの無機炭素の供給は不向きであることが明らかとなった。また,NO_2蓄積がみられた期間では,N_2O発生量も増加する傾向がみられ,最大で除去されたNH_4^+の-割近くがN_2Oとして放出していることが示された。検討項目2:硝化細菌群が優占化した生物膜でのN2O発生調査小型の密閉型散水ろ床リアクターを4台用いて,高酸素濃度(NO_2無添加,高酸素濃度/NO_2添加,低酸素濃度/NO_2無添加,および低酸素濃度/NO_2添加の4系列の同時運転を行い,N_2O生成量を調査した。本実験は,下水処理場の活性汚泥を十分に希釈したものを植種して,硝化反応が確認された後(運転開始20日程度)すぐに行った。また,一回目の運転条件変更後通常運転を挟んで,二回目の運転条件の変更を行った(一回目と二回目では,各リアクターとも運転条件が異なる)。得られた結果は一,二回目とも同じ傾向であり,低酸素濃度/NO_2添加条件においてN_2O生成率が最も高く,平均でも除去されたNH_4^+の二割以上がN_2Oとして放出されたことが示された。前年度の結果(運転200日以上の成熟した生物膜)でも,低酸素濃度NO_2添加条件でのN_2O生成率が最も高かったが,その値は5%程度であった。これらの結果を比較より,未熟な生物膜より成熟した生物膜の方が,N_2O発生量を抑制できることが示唆された。一槽型での亜硝酸型硝化-Anammox窒素除去プロセスを開発するに先立って,亜硝酸型硝化に影響を及ぼす環境因子を把握する必要がある.塩分濃度の影響については既報内でも相反する結論が示されており、亜硝酸型硝化へ及ぼすその影響は不明瞭であった。本研究では既にスポンジ担体を充填したエアリフト型リアクターを用いた連続実験により,塩分(NaCl)濃度に亜硝酸型硝化を(直接的に)誘導する効果は無いことが強く示唆される結果が得られていたが,この結果を裏付けるための微生物レベルでの解析が必要であった.分子生物学的手法を用いてのBacteriaを標的とした解析から,以下の結果が得られた.1.NaCl添加の有無(0450mM)に関わらず,リアクター内のアンモニア酸化細菌(Nitrosomonas europaea)および亜硝酸酸化細菌(Nitrobacter spp.,Nitrospira spp.)の種類に変化は見られなかった.2.NaCl濃度の上昇に伴い,検出された2種の亜硝酸酸化細菌群の内,Nitrobacterの存在割合が増加する傾向がみられ,亜硝酸酸化細菌群は塩分濃度により優占種が遷移していることが示唆された.これらの結果より,海水程度の塩分濃度であっても硝化反応は安定的に進行する事が明らかとなった一方で,本研究で当初に予定していた海水添加による亜硝酸型硝化の制御は困難であることが示された.したがって,本研究で開発を予定している一槽型での亜硝酸型硝化-Anammox窒素除去プロセスにおける亜硝酸型硝化の制御方法は,低酸素濃度を維持することが現段階では最も有効な方法であることが示された.前年度の研究報告書に記載したとおり,海水添加による亜硝酸型硝化の制御は困難であることが明らかとなったので,今年度は「都市下水レベルの低アンモニア含有廃水の処理を目的とした低酸素濃度制御での一槽型亜硝酸型硝化-Anammox窒素除去システムの開発」に着手した。また本システムの開発と同時進行で、窒素除去システムからのN_2Oガス(CO_2の310倍の温室効果強度をもつ)の発生についても調査を開始した。主な検討項目と得られた結果を以下に記した。1.N_2O発生における影響因子の調査:本リアクターの立ち上げは酸素濃度制御を行わず、硝化リアクターとして運転を開始した。処理水質が安定したところで、N_2O発生の影響因子に挙げられている各因子(NH_4^+,NO_2^-およびO_2濃度)について、その影響を調査した。その結果,低O_2濃度+高NO_2^-濃度条件下でN_2O発生率が5倍程度増加することが明らかとなった。このことより,本システムのようにNO_2^-を残存させない亜硝酸型硝化-Anammox窒素除去プロセスは,N_2O発生量の削減が可能であることが示唆された。2.低濃度NH_4^+廃水への適応:低酸素濃度条件下で低濃度NH_4^+廃水(50mg-N/L)を供給した際に,亜硝酸型硝化または処理水でのN消失(=脱窒反応によるN_2ガス化)が起こるかどうかを検証した。

2ヶ月程度の運転期間中,除去されたNH_4^+の50%程度がN消失されていることが確認された。一方で,低酸素条件下(酸素分圧1%以下)にも関わらずNO_3^-生成が起きており,既往の知見(ほとんどが高NH_4^+廃水を対象としている)と反する結果が得られた。これは本研究が,低NH_4^+廃水を対象としており,この基質濃度の違いによって構成される微生物菌相がユニークであることが原因だと考えられる。菌相解析結果からも,低基質濃度を好み,かつ低酸素でも生育可能なNitrospira属の亜硝酸酸化細菌が比較的高頻度に検出されている。今後は,この細菌の生育を抑制した上で,低アンモニア含有廃水を処理可能な一槽型亜硝酸型硝化-Anammox窒素除去システムの開発を行う予定である。検討項目1:亜硝酸化に及ぼす無機炭素の影響重炭酸ナトリウムの添加および30%CO_2ガスの供給により,無機炭素が亜硝酸化に及ぼす影響を調査した。重炭酸ナトリウムを添加した期間ではNO_2蓄積が起こり,重炭酸イオン濃度75mM以上で3050%程度の亜硝酸化率を達成した。一方,30%CO_2ガスの供給ではCO_2溶け込みによるpH低下が引き起こされNO_2蓄積はみられなくなった。重炭酸イオン濃度も20mM以下と低く,今回のように希薄な廃水にはCO_2ガスでの無機炭素の供給は不向きであることが明らかとなった。また,NO_2蓄積がみられた期間では,N_2O発生量も増加する傾向がみられ,最大で除去されたNH_4^+の-割近くがN_2Oとして放出していることが示された。検討項目2:硝化細菌群が優占化した生物膜でのN2O発生調査小型の密閉型散水ろ床リアクターを4台用いて,高酸素濃度(NO_2無添加,高酸素濃度/NO_2添加,低酸素濃度/NO_2無添加,および低酸素濃度/NO_2添加の4系列の同時運転を行い,N_2O生成量を調査した。本実験は,下水処理場の活性汚泥を十分に希釈したものを植種して,硝化反応が確認された後(運転開始20日程度)すぐに行った。また,一回目の運転条件変更後通常運転を挟んで,二回目の運転条件の変更を行った(一回目と二回目では,各リアクターとも運転条件が異なる)。得られた結果は一,二回目とも同じ傾向であり,低酸素濃度/NO_2添加条件においてN_2O生成率が最も高く,平均でも除去されたNH_4^+の二割以上がN_2Oとして放出されたことが示された。前年度の結果(運転200日以上の成熟した生物膜)でも,低酸素濃度NO_2添加条件でのN_2O生成率が最も高かったが,その値は5%程度であった。これらの結果を比較より,未熟な生物膜より成熟した生物膜の方が,N_2O発生量を抑制できることが示唆された。
ミャンマーの照葉樹林帯における生活科学に関する資源利用特性と植生の関係

ミャンマーの研究者と共にチン州南部において共同調査を行った。本調査期間においては、特に現地の住民との情報交換を密にし、今後の継続調査の基礎をつくることに務めた。さらに、定点観測のためにいくつかの観測地点を定め、焼き畑の植生調査を行った。植生調査の結果、焼き畑地の優占植物は、放棄後年数の若いところでは外来種であるAgeratina adenophoraが繁茂していた。仮同定ながら、樹木ではAlnus neparensisを始めとし、Fagaceae、Betulaceaeがまばらに残るが、これらの樹木は必ずしも放棄後侵入したとは限らないことがわかった。放棄後時間がたった土地では種数が増加し、Pinus kesiyaが明らかに優占するながらもBauhiniaやFicusが、そしてAglaiaや、Fabaceaeの灌木サイズの侵入も目につき、草本ではAsclepidaceaeとFabaceaeが目立った。ミンダにおいては、2017年末までは火事後の仮の小屋で市場が形成されていたが、今回の訪問時には大きな市場建築物が完成しており、前回の調査に比して町の繁栄度もうかがえた。チンの狩猟民族としての小物は生活小物のなかでも必需品として矢を中心に活発に取引されていた。日本も関係するコンニャクの栽培促進で貨幣経済が特に発展した村もあり、家やグループや村によってどの程度伝統的な生活が存続しているかは違いがあると考えられた。そこから植生と文化の関係を考察するにはさらなる植生調査の継続と、民家や市場の訪問調査を必要とすると考えられた。ミャンマーにおける照葉樹林の分布域実態調査のために、現地調査の準備として日本国内保管のミャンマー植物の標本調査を実施した。緯度にそって長いミャンマー各地域の地理や食文化(お茶大プロジェクト調査科研費H.25-27冨永ほか)に関する報告などからミャンマーの照葉樹林帯に関係しうる州はカチンを含めシャン州北部や東ヒマラヤ山岳地域からの連続する山地帯をもつ州など、複数ある可能性が考えられた。ミャンマー北西部に位置するナガランドがベンガル湾沿いに連続し、それに連なる山岳地域を内包するチン州に注目してきた我々は、今回チン州南部、ナマタン国立公園内で数年にわたり高知県立牧野植物園により収集されたビクトリア山と、その山麓のさく葉標本について現物調査した。今回この調査対象となったのは照葉樹林のマーカーとなる可能性が考えられた樹木群で、現時点では8科にわたる23属であった。これらが照葉樹林帯および照葉樹林文化とどのような関係にあるかは今後の現地調査で明らかにする予定である。ミャンマーの樹木標本は日本では牧野植物園が最も多く保有している。今回さく葉標本より得られたデータは、その種、あるいは属が存在する証拠となる。この地域のさく葉標本の調査は系統的に行われたことはないため、これは次に予定しているイギリス統治時代に採取され持ち帰られた標本調査と合わせて、現地調査に欠かせない貴重な基礎データとなると考えられた。今年度はミャンマーの国内で選挙が実施されることが確実になり、万が一の混乱が予想された。また、世代交代によるカウンターパートナーの変更が必要となった。以上のことより現地での話し合いを次年度に延期した。一方、急速に日本国内でのミャンマーの標本が充実してきたことから、国内での標本調査を実施した。ミャンマーにおける照葉樹林の分布域実態調査のために、チン州現地調査の準備として,植民地時代に英国に持ち帰られたさく葉標本調査を2回実施した。ミャンマーの照葉樹林帯に関係し得る州はカチン州を含め、シャン州北部や東ヒマラヤ山岳地域からの連続する山地帯をもつ州など、複数ある可能性がある。我々はお茶大プロジェクト(科研費H.21-23、H.25ー27)時代よりカチン州とチン州を調査し、近年は山岳地域を内包する東ヒマラヤからベンガル湾沿いに南へ伸びるチン州に特に着目してきた。この地域の標本は国内では牧野植物園標本館にて南チン州を中心に保管され、同定も進んでいるが、アッサムなどの周辺地域のものは明らかになっていないため、中尾佐助の提唱する照葉樹林帯との関連性を説明するには地理的範囲を広げた調査が有益である。そこで本年度はイギリス統治時代から近年にかけての標本を周辺地域を含めて保管していると考えられるイギリスの標本館所蔵のさく葉標本を調査した。王立キュー植物園の標本庫も調査したが、その結果本研究期間においては1900年台前半の標本の揃うロンドン自然史博物館の標本庫を中心に調査してゆくこととした。調査範囲は主にチン州を中心に周辺地域を調査し、現時点で8科に亘る約50属を調査した。この地域のさく葉標本の調査は系統的に行われたことはないため、昨年からさらに同定に進展のある牧野植物園保管の標本と合わせて、現地調査に欠かせない貴重な基礎データとなると考えられた。これらが照葉樹林帯さらには照葉樹林文化とどのような関係にあるかを今後明らかにする予定である。カウンターパートナーの代替わりに伴い、生物多様性条約および名古屋議定書に関して、植物同定のためのサンプル持ち出し許可証の発行が遅れているため、本年度は調査方法を変更することで研究期間内の目標達成を狙っている。昨年度よりミャンマー入りをせず、過去に統治国であった英国に持ち出され保管されている植物採集標本を中心に調査を進めている。英国国内の標本館のなかからロンドン自然史博物館を選び、そこに所蔵の20世紀初頭前後の同定済サンプルを2度に亘り調査した。ミンダットとカンペレを中心に、ミャンマーチン州南部の調査を行った。

集落のある高さは1300から1400mあたりであり、焼き畑は一般に高度1000から2000mあたりで行われていた。国立公園地域も、原生林というよりは二次林の様相を呈している部分がかいまみられた。平らで開けた広い土地のないミンダットやカンペレ周辺では、水田が増えつつあるハカのようなところとは焼畑の状況は異なると考えられた。一般農家では市場に出回らない雑穀の自家栽培を行っていることが明らかとなった。町では手作りの矢が店先に並び、いまだ狩猟が盛んであることがうかがわれた。シコクビエでは例えばネパールと同様に酒をつくっていた。チン州にもいくつかの民族のサブグループがある。染織については、ダイ族の村で,現在使われていない綿以外の植物による民族衣装の織物の情報を得た。今なお年配のダイ族女性の顔中に見られる入れ墨の色素の由来となる植物は、栽培しているとの話であった。女性たちは水タバコを嗜み,鼻笛を演奏していた。貫頭衣の上衣は地色が黒で片面縫取織の模様が織り込まれていた。これは照葉樹林文化圏のブータン王国でも盛んな織の手法である。資源を保持する生活環境の質的な検証として、これらの地域の河川底生生物調査を行った。ミンダットの谷を流れるChee川とカンペレの谷を流れるGadin川において、トビケラ目、カワゲラ目、カゲロウ目の生息状況調査を行った。比較的大型種がみられ、河川水質の健全性を確認した。照葉樹林文化の特性としての雑穀とタロイモを中心とする栄養繁殖による農業の結びつきに関しては、後者についての情報は現在のところ無く、今後季節を変えて調査が必要と考えられた。カウンターパートナーの交代により手続きが必要となり、ミャンマーでの調査が一度しか行われていないため。ミャンマーの研究者と共にチン州南部において共同調査を行った。本調査期間においては、特に現地の住民との情報交換を密にし、今後の継続調査の基礎をつくることに務めた。さらに、定点観測のためにいくつかの観測地点を定め、焼き畑の植生調査を行った。植生調査の結果、焼き畑地の優占植物は、放棄後年数の若いところでは外来種であるAgeratina adenophoraが繁茂していた。仮同定ながら、樹木ではAlnus neparensisを始めとし、Fagaceae、Betulaceaeがまばらに残るが、これらの樹木は必ずしも放棄後侵入したとは限らないことがわかった。放棄後時間がたった土地では種数が増加し、Pinus kesiyaが明らかに優占するながらもBauhiniaやFicusが、そしてAglaiaや、Fabaceaeの灌木サイズの侵入も目につき、草本ではAsclepidaceaeとFabaceaeが目立った。ミンダにおいては、2017年末までは火事後の仮の小屋で市場が形成されていたが、今回の訪問時には大きな市場建築物が完成しており、前回の調査に比して町の繁栄度もうかがえた。チンの狩猟民族としての小物は生活小物のなかでも必需品として矢を中心に活発に取引されていた。日本も関係するコンニャクの栽培促進で貨幣経済が特に発展した村もあり、家やグループや村によってどの程度伝統的な生活が存続しているかは違いがあると考えられた。
インターネットと1/3セグ放送を利用したハイブリッド型教育システムの研究

近年、大学などの大規模教育機関ばかりでなく、小規模企業やコミュニティレベルにおける教育への取り組みが活発化している。本研究では、インターネットとワンセグ放送を連携させたハイブリッド型教育システムの構築について、教育効果の観点から教育コンテンツの開発に関する調査研究および実証実験を実施した。教材作成に関しては脳科学の立場から手書きの教材の重要性や、音声品質・画像品質の教育効果における重要性が明らかになった。本研究は、今後進展するクラウド型教育システムの開発への基礎的研究として位置づけられ、今後の教育コンテンツ制作に寄与することが期待される。本研究は、平成20年度において、(1)ニーズの調査(2)コンテンツ制作フローの研究(3)実機によるテスト(4)研究成果の公開セミナーを実施した。(1)においては、企業向けにはインターネットと放送のハイブリッドの特性を活かし、非定常的で緊急性のある社員教育へのニーズを見いだした。(2)においては、2種類のコンテンツを長さ、収録方法、表示方法を変え作成し、効果的なコンテンツ制作のポイントについて知見を得た。また(3)においては、共同研究に参加した富士通と「スポットキャスト」という1セグ配信機器を使って、実際の送信及びネットと接続したインタラクティブな実験も行なった。これらの成果を「科研費セミナーモバイル教育の技術的基盤」というタイトルで、平成20年1月30日富士通イノベーションセンターにて開催し、70名の参加者を得た。本セミナーには、産業界から富士通株式会社と株式会社アスキー・メディアワークスにも協力をいただき、学術分野に留まらない規模となった。平成20年度は企画構想に留まらず、実機での試験、及びその成果を社会還元するために公開セミナーとして報告会を開いたということで、今後のモバイル教育の進展にとって意義のある成果を残すことができた。今後の放送とインターネットの融合した利用拡大と、多様な教育の中でのモバイル教育の重要性の高まりにおいて、このような企業と連携し実機を使った実証実験の基礎的な取り組みは、ますます重要性を増すと考えられる。本研究は、平成21年度において、(1)ワンセグリセンダーによる実機実験(2)コンテンツ制作における音声品質の検証(3)コンテンツ制作における静止画、動画の取り扱い実験(4)研究成果の公開セミナーを実施した。(1)においては、本研究に実機を提供しているFUJITSU社と昨年度に購入した実機「スポットキャスト」(1セグ配信機器)を使っての送受信実験を行ない、電波の到達距離から見た利用シーンの研究を行なった。(2)においては、教育コンテンツとして音声品質が重要であるとし、様々な機種による録音により最適な機材選定を行なった。また(3)においては、1/3セグの端末でも視聴に耐えうるような静止画、動画の品質について考察を行なった。これらの成果を「科研費セミナー第2回モバイル教育の技術的基盤」というタイトルで、平成22年2月2日富士通本社(汐留)カンファレンスルームにて開催し、80名の参加者を得た。参加者は、大学関係者、メディア、教育コンテンツ制作関係者、学生など幅広い層であった。平成22年度は本研究の最終年として、インターネットと1/3セグ放送を利用したハイブリッド型教育システムの全体構想をまとめるべく、運営のスキームについて、さらに研究を深めたい平成21年度は、3年間に渡る「インターネットと1/3セグ放送を利用したハイブリッド型教育システムの研究」の最終年度ということで、以下のような研究を行なった。平成21年度の研究内容は、(1)ハイブリッド型教育システムにおける効果的な教材作成の基礎データ確立(2)新デバイスへの対応研究(3)マルチプラットフォーム対応(4)研究成果の公開セミナー(震災の影響により中止)。(1)においては、受講者にどのような形式での学習教材の提供が効果的であるかを脳科学のアプローチから研究。結果として、デジタル情報による知識の伝播に加え、発想や思考を必要とする内容についてはアナログなメモ機能やアニメーションの活用が効果的であることがわかった。(2)においては、近年普及が進むスマートフォンやタブレット型端末においても、本研究で作成した教材がシームレスに利用できるための環境調査を行った。結果としては、1/3セグ放送用に編集されたデータそのままの利用はできず、改めてアッセンブルを行う必要があることがわかった。(3)においては、iPhoneやiPad、さらにAndoroid端末などWindows環境以外からの利用が増加することを考え、様々な機種での作成教材の再現性のテストを行った。1/3セグ放送では規格が一つであるため問題はないが、インターネット側においては、ブラウザの相違とその中でもバージョンの相違による崩れなどが発生し、品質保証の面から課題を残した。これらの成果を「科研費セミナーモバイル教育の技術的基盤」というタイトルで、平成22年3月14日富士通本社においてセミナーを開催する予定であったが、震災の影響で中止とし、当日配布予定の資料はサイバー大学のホームページからダウンロード配布を行った。
人の運動メタ学習の計算論・脳内構造の解明による運動リハビリの向上

本研究はこれまでの運動学習パラメータ(学習速度等)に関する研究結果から代表者が提唱する運動メタ学習計算論モデルの神経基盤を解明し、それを基とする新しい運動リハビリテーションパラダイムの提案を目指す.現在の計算論モデル構造と関連研究から小脳、基底核、前頭葉、頭頂葉等を含むネットワークがメタ学習に関わる運動学習と記憶、および外部情報の統合に関連していると仮定し、この神経基盤仮説を脳撮像手法や脳刺激手法等を用いた行動実験、及び脳疾患患者と健常者の比較実験を用いて検証する.これを基に共同研究先の医師や療法士と相談しながら薬理や脳刺激手法を用いた運動リハビリテーションへの応用方法を提案する.本研究はこれまでの運動学習パラメータ(学習速度等)に関する研究結果から代表者が提唱する運動メタ学習計算論モデルの神経基盤を解明し、それを基とする新しい運動リハビリテーションパラダイムの提案を目指す.現在の計算論モデル構造と関連研究から小脳、基底核、前頭葉、頭頂葉等を含むネットワークがメタ学習に関わる運動学習と記憶、および外部情報の統合に関連していると仮定し、この神経基盤仮説を脳撮像手法や脳刺激手法等を用いた行動実験、及び脳疾患患者と健常者の比較実験を用いて検証する.これを基に共同研究先の医師や療法士と相談しながら薬理や脳刺激手法を用いた運動リハビリテーションへの応用方法を提案する.
リンパ管内皮細胞特異抗体と細胞増殖因子に関する組織化学的研究

本研究の目的はリンパ管内皮細胞に活性の高い酵素5'-nucleotidase(5'-Nase)及びリンパ管(胸管)内皮細胞自体に対する特異抗体を作製し、従来申請者らが開発・応用してきたリンパ管の鑑別と微細分布に関する酵素組織化学的研究成果と新しい抗体を用いる免疫組織化学的所見を総合検討し、毛細リンパ管網の臓器特異性や内皮細胞の増殖機序などを解析することである。以下の実験計画を実施した。1.サル及びラットの胸管内皮細胞を採取・培養し、in vitro系で細胞成長因子(VEGF-C)による増殖状態を観察した。それらの特性や機能を酵素・免疫染色的技法を用いて検討した(JI&KATO, Microsc.Res.Tech55:70-80,2001)。2.市販されたヘビの5'-Naseを抗原としてBALB/cマウスに免疫注射し、細胞融合、HAT選択、ハイブリドーマ培養上清の特異抗体スクリーニンク、特異抗体陽性培養細胞のクローニンクを行い、腹水をモノクロナル抗体として回収・保存した。3.マウスやラットなどの種々の臓器を用い、回収された腹水で免疫染色した。この免疫染色結果は5'-Nase染色像と比べ、特異性が示され、興味深く一つの研究の事績として第26回日本リンパ学会総会に抄録を提出した。以下の実験計画を実施中である。1.腹水の多量作製とプロテインAによるモノクロナル抗体の精製。2.精製された抗体を各種の正常及び病的組織で応用する。3.ラットの胸管内皮細胞を更に継代培養し、細胞のタンパク質をSDS-PAGE法で泳動したうえに精製された抗体の特異性を明確する。4.ラットの胸管内皮細胞を抗原としてマウスに免疫注射した。抗内皮細胞抗体の作製を目下進行中である。本研究はリンパ管内皮細胞に活性の高い5'-nucleotidase(5'-Nase)に対するモノクロナル抗体およびリンパ管(胸管)内皮細胞に対する特異抗体を作製し、これまで申請者が開発・応用してきた酵素組織化学的技法に加えて、免疫組織化学的技法も用いて、毛細リンパ管網の臓器特異性について検索することを目的として企画された。平成12年度は以下の実験計画を実施した。1)正常および病理組織におけるリンパ管内皮細胞の確定のための酵素組織化学法と免疫組織化学法の適用の可能性(対比)を検討した。酵素組織化学法:5'-nucleotidase(5'-Nase)染色によりリンパ管内皮細胞をalkaline phosphatase(ALPase)染色により動脈内皮細胞およびdipeptidylaminopeptidaseIV(DAP)染色により静脈内皮細胞の三者を明確に区別できるようヒト及び実験動物(マウス・ラット・ハムスター・サル等)の種々の組織や器官の切片や伸展試料(全載標本)に試み(二重・三重染色)、良好な染別結果を得た。免疫組織化学法:基底膜構成物質であるIV型コラゲンやラミニンに対する抗体を用いて、これらの免疫染色により、血管とリンパ管の染別・同定をした.上記両方法を併用することにより、両試料(切片・伸展)ともにより効果的な観察法を見いだすことができ、臓器特異性について考察した.2)実験動物(ラット)を用いて、5'-Naseに対する単一抗体(抗5'-Nase抗体)の作成を企画し、目下準備中である。3)さらにラットの胸管内皮細胞の初代培養を試み、現在その継代培養に取組んでいる。4)現在試行中であるリンパ管(胸管)内皮細胞の培養により、in vitro系での内皮細胞の細胞増殖と細胞増殖因子(VEGF-C)について、次年度(平成13年度)の研究の手がかりを得る。

抗内皮細胞抗体の作製を目下進行中である。本研究の目的はリンパ管内皮細胞に活性の高い酵素5'-nucleotidase(5'-Nase)及びリンパ管(胸管)内皮細胞自体に対する特異抗体を作製し、従来申請者らが開発・応用してきたリンパ管の鑑別と微細分布に関する酵素組織化学的研究成果と新しい抗体を用いる免疫組織化学的所見を総合検討し、毛細リンパ管網の臓器特異性や内皮細胞の増殖機序などを解析することである。平成13年度は以下の実験計画を実施した。1.サル及びラットの胸管内皮細胞を採取・培養し、in vitro系で細胞成長因子(VEGF-C)による増殖状態を観察した。それらの特性や機能を酵素・免疫染色的技法を用いて検討した(JI&KATO, Microsc.Res.Tech.55:70-80,2001)。2.市販されたヘビの5'-Naseを抗原としてBALB/cマウスに免疫注射し、細胞融合、HAT選択、ハイブリドーマ培養上清の特異抗体スクリーニンク、特異抗体陽性培養細胞のクローニンクを行い、腹水をモノクロナル抗体として回収・保存した。3.マウスやラットなどの種々の臓器を用い、回収された腹水で免疫染色した。この免疫染色結果は5'-Nase染色像と比べ、特異性が示され、興味深く一つの研究の事績として第26回日本リンパ学会総会に抄録を提出した。以下の実験計画を実施中である1.腹水の多量作製とプロテインAによるモノクロナル抗体の精製。2.精製された抗体を各種の正常及び病的組織で応用する。3.ラットの胸管内皮細胞を更に継代培養し、細胞のタンパク質をSDS-PAGE法で泳動したうえに精製された抗体の特異性を明確する。4.ラットの胸管内皮細胞を抗原としてマウスに免疫注射した。
半導体ナノ構造における電気的スピン流生成とその制御

スピン軌道相互作用の強いInGaAs半導体量子井戸を用いて、量子ポイントコンタクトと呼ばれる1次元チャネル構造を作製し、スピン偏極電流の生成を試みた。サイドゲートによる横方向閉じ込め効果を用いることで、電子に対し1次元的な閉じ込め効果に加え有効磁場の空間変調を与えることが可能となる。これにより、電子スピンに対しスピン依存力が加わり上向きスピンと下向きスピンを空間的に分離することが可能となることを実験及び理論により示した。伝導度0.5(2e^2/h)にプラトーが観測され、また外部磁場との競合によりスピン偏極方向およびショットノイズ測定からスピン偏極率を明らかにした。半導体ナノ構造では、電子数の精密制御が可能となるため、電子の電荷のみならずスピンが電気伝導に大きな寄与を示す。この電子スピンの精密制御により、スピン機能素子や量子コンピューティングの実現が期待されていることから、半導体ナノ構造においてスピン偏極生成を行うことは、スピン物性理解のみならずデバイス応用上も重要な基盤技術となる。そこで半導体ナノ構造を用いて、磁界や強磁性体、偏光を全く必要としない、半導体のみによる電気的スピン偏極生成を実現することを目標として研究を推進した。その結果、量子ポイントコンタクトと呼ばれる1次元ナノ細線構造と、電子に対し有効磁界として働くスピン軌道相互作用を組み合わせるアイディアにより、強磁性体や外部磁場を用いずにスピン偏極電流を生成することに成功した(M.Kohda et al., Nature Communications 3, 1082(2012))。さらに有効磁場の空間勾配に起因するスピン依存力によってアップスピンとダウンスピンが空間的に分離することを実証し、半導体におけるシュテルン-ゲルラッハの実験に世界で初めて成功した。ショットノイズ測定によりスピン偏極率の定量評価を行い、スピン偏極を示す伝導度0.5(2e2/h)において70%のスピン偏極率が得られ、伝導度の低い領域ではさらに高い(80%)スピン偏極率が実現できることを示した。本年度はInGaAs/InAlAs2次元電子ガス構造を用いて、量子ポイントコンタクトの低温伝導測定を行い、スピン縮退の解けたG = 0.5×(2e2/h)が安定に観測できる条件を探索した。特にサイドゲート構造に着目し、エッチング深さや溝幅等を系統的に調べることで、効率的に1次元伝導チャネルを形成できる条件を調べた。その結果エッチング深さを深くすることで、パラレルコンダクタンスを抑制し、サイドゲート電圧特性が向上することが明らかになった。その結果、0.5構造が安定に存在するためのデバイス作製指針を得ることができた。また、本年度はInGaAsナノ狭窄構造を並列に接続することで、磁気フォーカシングを実現した。通常磁気フォーカシングはGaAs2次元電子ガスのような平均自由行程の長い系で行われている。InGaAs2次元電子ガスでは平均自由行程がGaAsのそれよりも短いことから磁気フォーカシングは殆ど調べられていなかった。しかし、磁気フォーカシングは高精度の波数分解測定が実現できることからスピン偏極率を明らかにする手法として有効である。そこでInGaAsナノ狭窄構造を用いて磁気フォーカシングデバイスを作製し、バリスティック伝導に起因した伝導度ピークを観測した。この結果より、今後スピン偏極率を電気伝導から明らかにするための基盤技術が立ち上がったと言える。さらに、スピン緩和が完全に抑制可能となる永久スピン旋回状態を実現するためにInGaAs/InAlAs2次元電子ガス構造を用いた、弱反局在解析を行った。スピン共鳴トランジスタなどの新規スピントロニクスデバイスが実現可能となるゲート制御による永久スピン旋回状態と逆永久スピン旋回状態の制御を実現し、今後ナノ構造とのくみあわせによる新規スピンデバイスに向けたデバイス構築が可能となる。本年度は、前年度構築した磁気フォーカシングによる弾道伝導の検出手法を発展させ、スピン偏極した伝導度G=0.5における磁気フォーカシングからスピン偏極電流の電気的検出を試みた。InGaAs/InAlAs量子井戸構造を用いサイドゲート型のポイントコンタクト構造を並列に形成した構造をEBリソグラフィーで作製し低温において面直磁場を印加することで磁気フォーカシングを行った。本構造の特徴は無磁場においてスピン軌道相互作用によりスピン偏極した電子を生成することが出来る点にある。その結果通常はスピン偏極電子生成のための面内磁場を必要としない。この2つの量子ポイントコンタクトの伝導度をスピン偏極しているG=0.5および無偏極状態のG=1.0に変えて、かつその組み合わせによりスピン偏極電流が流れている状態と流れていない状態において磁気フォーカシングによるスピン偏極電流の電気的検出を行った。磁気フォーカシングにより検出用の量子ポイントコンタクトに電流が流れ込むとその量に応じて電圧が発生しピーク電圧を観測することができる。スピン偏極した状態とそうでない状態とではこの電圧に差が生じることが分かった。

この結果を再現するため、スピン軌道相互作用を考慮し弾道輸送中のスピン歳差運動を取り込んだモンテカルロシミュレーションを構築して、磁気フォーカシング計算を御こなっ所、実験結果と同様にピーク電圧が発生することが明らかとなり、流れている電流はスピン偏極していることを明らかにした。26年度が最終年度であるため、記入しない。スピントロニクス26年度が最終年度であるため、記入しない。当初目標としていた、半導体ナノ構造におけるスピン流生成を研究1年目において達成できたことは当初の研究計画以上に進展していると言える。当初計画していたスピン縮退の解けたG = 0.5×(2e2/h)のプラトーも観測し現在スピン偏極率を同定するための、磁気フォーカシング実験にまで進展していることから、本研究は当初の研究計画以上に進展していると言える。これにより、未だ解明されていないスピン偏極の起源を実験的に示すことが可能となるため、2次元電子ガスや半導体メゾスコピック系におけるスピン物性の解明、そしてスピン軌道相互作用に関わるスピン伝導機構の構築を目指すことができる。強磁性体や外部磁場を用いずにスピン偏極電流を生成できたことから、今後はその微視的なメカニズムについてさらに詳細に調べていく予定である。それと同時にスピン生成源として利用できることから、半導体のみを用いた新規スピントロニクスデバイスへと発展させていく。今後は、InGaAsをベースとした量子ポイントコンタクトを組み合わせることによりスピン偏極とスピン検出を各量子ポイントコンタクトに担わせ全て伝導測定によりスピン偏極率の同定やスピントランジスタなどへの発展に必要な基板技術を構築していく。同時にスピン編曲の起源であるスピン軌道相互作用に起因するスピン偏極率のバイアス依存性を詳細に調べることで、有効磁場の空間勾配とスピン偏極率の関係を明らかにしていく。