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擬弾性緩和測定による,L1_2型およびE2_1型化合物結晶における拡散の素過程の研究

Ll_2型構造をとる金属間化合物Ni_3Alにおいて見出された力学緩和現象が,Ni原子のサイトを占めるアンチサイトAl原子の拡散ジャンプに起因することを本研究代表者は数年前に示唆し,これを証明する実験を進めてきた.本研究の初年度には,Ni_3Alにおける定比組成(25mol%Al)からの組成のずれの影響を詳しく調べた.その結果,緩和速度はAl濃度にほとんどよらず,いっぽう緩和強度はAl濃度が定比組成を超えると急激に大きくなることが明らかになった.これらの結果は想定している機構から予想されるとおりであった.第2年度は,同じ構造をとる金属問化合物Ni_3Gaについて実験を行い,同様な力学緩和現象を見出した.緩和速度の値と温度依存性はこの緩和がGa原子の拡散ジャンプによると解釈できることを示していた.Ni_3GaにおけるGa原子の拡散もNi_3Al中のAlと同様な機構によりおこると仮定して,得られた緩和時間の値からAl原子およびGa原子の拡散係数を求めた.Ni_3GaにおけるGaの拡散係数の値,温度依存性,組成依存性の全てがトレーサー実験により直接測定された拡散係数とよく一致し,この緩和現象がアンチサイトGa原子の応力誘起再配向に起因することが裏付けられた.やはりLl_2型構造をとる化合物Ir_3Nbにおいて同様な緩和現象を観測するために,その準備として化学拡散係数の測定を行った.最後に,Ll_2型構造と関連したE2_1型(立方晶ペロブスカイト)構造をとる酸化物における酸素の拡散を同じ原理による力学緩和の測定によって調べるため,(Ba, Sr)TiO_3の試料を作製した.物質の選択と良質の試料作製に時間を要し期間内に測定を行うには至らなかったが,最終的には良好な試料が得られたので,今後順次測定を行い研究を完遂する予定である.Ll_2型構造をとる金属間化合物Ni_3Alにおいて見出された力学緩和現象が,Ni原子のサイトを占めるアンチサイトAl原子の拡散ジャンプに起因することを本研究代表者は数年前に示唆し,これを証明する実験を進めてきた.本研究の初年度には,Ni_3Alにおける定比組成(25mol%Al)からの組成のずれの影響を詳しく調べた.その結果,緩和速度はAl濃度にほとんどよらず,いっぽう緩和強度はAl濃度が定比組成を超えると急激に大きくなることが明らかになった.これらの結果は想定している機構から予想されるとおりであった.第2年度は,同じ構造をとる金属問化合物Ni_3Gaについて実験を行い,同様な力学緩和現象を見出した.緩和速度の値と温度依存性はこの緩和がGa原子の拡散ジャンプによると解釈できることを示していた.Ni_3GaにおけるGa原子の拡散もNi_3Al中のAlと同様な機構によりおこると仮定して,得られた緩和時間の値からAl原子およびGa原子の拡散係数を求めた.Ni_3GaにおけるGaの拡散係数の値,温度依存性,組成依存性の全てがトレーサー実験により直接測定された拡散係数とよく一致し,この緩和現象がアンチサイトGa原子の応力誘起再配向に起因することが裏付けられた.やはりLl_2型構造をとる化合物Ir_3Nbにおいて同様な緩和現象を観測するために,その準備として化学拡散係数の測定を行った.最後に,Ll_2型構造と関連したE2_1型(立方晶ペロブスカイト)構造をとる酸化物における酸素の拡散を同じ原理による力学緩和の測定によって調べるため,(Ba, Sr)TiO_3の試料を作製した.物質の選択と良質の試料作製に時間を要し期間内に測定を行うには至らなかったが,最終的には良好な試料が得られたので,今後順次測定を行い研究を完遂する予定である.L1_2型構造をとる金属間化合物Ni_3Alにおいて見出された力学緩和現象が,Ni原子のサイトを占めるアンチサイトAl原子の拡散ジャンプに起因することを我々は数年前に明らかにし,さらに詳細な実験を行ってきた.今年度はまずNi_3Alについて,定比組成(25%Al)からの組成のずれがこの緩和現象にどのような影響を与えるかを調べた.緩和速度(緩和時間の逆数)はAl濃度にほとんどよらない.いっぽう緩和強度は,Al濃度が25%より低いときは著しく小さく,25%を超えると急激に大きくなることが明らかになった.緩和速度はAl原子のジャンプ頻度と原子空孔濃度に比例するはずであり,前者はあまり組成には依存せず,後者はAl濃度が高いとやや高くなる傾向があるが大きくは変化しないので,考えているメカニズムに矛盾しない.いっぽう緩和強度はアンチサイトAl原子の濃度に比例するので,定比組成よりもAl濃度が高いときは急激に増大するはずであり,実験結果は予想通りである.また,考えているメカニズムに基づいて緩和時間と拡散係数の関係を導き,そこに現れる相関因子や欠陥濃度などのパラメタを理論計算と計算機シミュレーションにより求め,得られた緩和時間の値からAlの拡散係数の値を算出した.Alはトレーサー拡散実験に適した放射性同位元素が入手困難で拡散係数を直接測定することが難しいため,このデータは価値が高い.次に,同じ構造をとる金属間化合物Ni_3Gaについて実験を行い,同様な力学緩和現象を見出した.緩和速度の温度依存性はアレニウス則に従い,その熱活性化パラメタは我々が以前実験により求めたこの化合物中のGaの拡散の活性化

パラメタにほぼ対応する.今回の実験によって,この力学緩和現象はNi_3Alに特有なものではなく,あらゆるL1_2型化合物において観測され得るという予想の裏付けが一つ得られた.前年度に引き続きL1_2型構造をとる金属間化合物Ni_3AlおよびNi_3Gaについて組成の異なる数種類の試料を用いて擬弾性緩和の測定を行った.Ni_3AlにおけるAl原子の拡散およびNi_3GaにおけるGa原子の拡散は研究代表者が以前提唱したα副格子空孔機構によりおこると仮定して,得られた緩和時間の値からAl原子およびGa原子の拡散係数を求めた。Ni_3GaにおけるGaの拡散係数の値,温度依存性,組成依存性の全てがトレーサー拡散実験により直接測定された拡散係数(池田輝之,京都大学学位論文,2000年)とよく一致し,この擬弾性緩和現象がアンチサイトGa原子の応力誘起再配向に起因していることが裏付けられた.この結果により,L1_2型A_3B結晶におけるB元素の拡散係数を擬弾性緩和の測定により求めることができることが明らかとなり,Ni_3AlにおけるAlの拡散係数(トレーサー実験が難しく直接測定できない)を求めることができた.この方法を,超高融点金属間化合物Ir_3Nbにおける拡散の研究に応用することを計画し,手始めにIr_3Nbにおける化学拡散の測定を開始した.また,E2_1型(ペロブスカイト)構造をとる酸化物における酸素の拡散の測定をこの方法で調べるため,立方晶ペロブスカイト(Ba, Sr)TiO_3(チタン酸バリウム・ストロンチウム)の試料を作製した.良質の試料を作製するのにかなり時間がかかり測定には至らなかったが,最終的には良好な試料が得られたので今後順次測定を行い研究を完遂する予定である.
ポーラス金属の高温力学および機能特性

発泡金属は高密度の空洞を内含する新工業材料で、衝撃エネルギー吸収能、音の減衰機能、さらには生体材料としての適合性など、従来材料にない独特の特性を有している。本研究では、ステンレススチール、銅、ニッケル発泡金属を用いてこれらの特性の発泡構造依存性について調べた。主な結果は以下のように要約される。(1)試料が0.5-2.0mmと薄いこと、空洞体積率が80%以上と高いことから、通常用いられているひずみゲージを接着する方法では、変形を拘束し,伸び計を用いると試料に損傷を与える恐れがある。また、クロスヘッドの変位からひずみを算出する方法では,測定系のひずみが加算されるため,試料自体のひずみを直接測定することはできない。本研究では、試料つかみ部に応力集中を与えない工夫を施し、レーザを利用した非接触伸び計を使用することにより、試料に損傷を与えることなく、精度良く応カ-ひずみ曲線を測定する方法を開発した。(2)上記手法を応用し、負荷-除荷試験における応カ-歪み曲線の弾性部の傾きからからヤング率を評価した。この実験により、ヤング率はひずみ増加とともに一旦上昇するが、最高値を示した後は低下することを明らかにした。またこの原因が、セルの変形によるヤング率の上昇現象と破壊による低下現象の重畳によるものであり、変形初期には前者、後期には後者が支配的になることを突き止めた。(3)さらに上記試験法とCCDカメラを併用して、負荷ひずみの増加に伴う破壊進行の様相を観察し、破壊を引き起こすクラックはセル壁の最弱部から生じ、破損したセルから隣接するセルの破壊が断続的に生じる現象を初めて画像で捉えた。これらの結果は、予想されてはいたが、画像として捉えた点に価値がある。ポーラス金属の応力-ひずみ挙動のメカニズムを,引張・圧縮・曲げなどの力学試験,走査電子顕微鏡・透過型電子顕微鏡・X線などによる微視的組織と変形モードの観察,および有限要素法による応力計算により,明らかにし,その結果をモデル化して,定量予測法を開発することを第一の目的とする.ついで,本材料はエネルギー吸収体・フィルター・熱交換機などへの応用が期待されることから,熱伝導・電気伝導・ガスや水の透過能などの機能性に関するデータを収集し,変形で生じる組織・構造との相関を明らかにすることを第二の目的とする.本年度は,試料としては,ステンレススチール,銅,Ni系超合金およびチタンのポーラス試料を用いて,応力-ひずみ挙動を調べた.これらポーラス試料には,従来の伸び計やひずみゲージは装着できないため,これまでは試験機のクロスヘッドの移動距離からひずみが求められていた.しかしこの方法では精度が悪く,試料自体のひずみを測定できないため,正確なヤング率や加工硬化率を求めることはできなかった.本研究ではレーザー光を用いた非接触伸び測定装置を用いて,正確な応力-ひずみ曲線を求めることを試みた.著者らの知る限りではこの分野では最初の試みである.この手法により,セルサイズの異なるステンレススチール,銅,Ni系超合金およびチタンのポーラス試料の応力-ひずみ曲線を精度良く測定できた.得られた応力-ひずみ曲線からヤング率,降伏応力,加工硬化率などを求め,並行して行った破面観察結果とも突き合わせて,セルサイズとヤング率,降伏応力,引張強度,破断伸びとの相関をほぼ把握できた.今後はこれらの結果をもとに,モデル化・定量化する予定である.来日したのが平成17年9月15日で,平成18年春の学会への発表申込みには間に合わなかったため,発表論文はないが,平成18年秋期金属学会・鉄鋼協会の秋季大会で上記成果を発表の予定である.またまとまり次第,当該分野の国際学術雑誌に投稿したい.ステンレススチール(SUS316L)、銅、ニッケル、ニッケル合金(高温強度が高くタービンに使用されている超合金)、チタンの発泡体((株)三菱マテリアル製)を用いて、引張試験、EPMAによる元素分析、SEMによる破壊形態観察を行い、ヤング率、降伏応力、伸び、引張強さを測定するとともに、変形破壊挙動について考察した。本研究の特徴はひずみ測定の仕方にある。試料が0.5-2.0mmと薄いこと、ポア体積率が80%以上と高いことから、通常用いられているひずみゲージを接着する方法では、変形を拘束し,伸び計を用いると試料に損傷を与える恐れがある。そこで、本研究では,レーザー光を用いた非接触伸び計(DVW-200、(株)島津製作所)でひずみを測定した。(1)上記の全ての試料の正確な応力-ひずみ曲線を得ることができた。また、引張強度、降伏応力、ヤング率、破壊ひずみを全ての試料で評価することができた。ひずみ測定にレーザー光非接触伸び計を用いたことで、各曲線の特徴や各物性値を明確に把握できたことは大きな成果である。(2)小さなポアサイズの試料は高い強度、降伏応力を示すことを明らかにするとともに、引張強度、降伏応力、ヤング率、破壊ひずみなどの力学的性質は、ポアサイズ、ポア体積率、セルの壁の厚さ、など多くの因子に影響されることを実験的に示し、これら因子と力学的性質の関係を考察した。

(3)破壊プロセスのその場観察およびポアサイズ、セルの壁の厚さの不均一分布が力学的性質及ぼす影響の考察から、破壊基点はセルの壁の弱い箇所であること、破壊は一つのセルから隣接するセルに断続的に進むことを明らかにした。発泡金属は高密度の空洞を内含する新工業材料で、衝撃エネルギー吸収能、音の減衰機能、さらには生体材料としての適合性など、従来材料にない独特の特性を有している。本研究では、ステンレススチール、銅、ニッケル発泡金属を用いてこれらの特性の発泡構造依存性について調べた。主な結果は以下のように要約される。(1)試料が0.5-2.0mmと薄いこと、空洞体積率が80%以上と高いことから、通常用いられているひずみゲージを接着する方法では、変形を拘束し,伸び計を用いると試料に損傷を与える恐れがある。また、クロスヘッドの変位からひずみを算出する方法では,測定系のひずみが加算されるため,試料自体のひずみを直接測定することはできない。本研究では、試料つかみ部に応力集中を与えない工夫を施し、レーザを利用した非接触伸び計を使用することにより、試料に損傷を与えることなく、精度良く応カ-ひずみ曲線を測定する方法を開発した。(2)上記手法を応用し、負荷-除荷試験における応カ-歪み曲線の弾性部の傾きからからヤング率を評価した。この実験により、ヤング率はひずみ増加とともに一旦上昇するが、最高値を示した後は低下することを明らかにした。またこの原因が、セルの変形によるヤング率の上昇現象と破壊による低下現象の重畳によるものであり、変形初期には前者、後期には後者が支配的になることを突き止めた。(3)さらに上記試験法とCCDカメラを併用して、負荷ひずみの増加に伴う破壊進行の様相を観察し、破壊を引き起こすクラックはセル壁の最弱部から生じ、破損したセルから隣接するセルの破壊が断続的に生じる現象を初めて画像で捉えた。これらの結果は、予想されてはいたが、画像として捉えた点に価値がある。
酸化物ヘテロ界面における磁気構造のナノスケール観察

本研究の目的は、非磁性酸化物の界面に現れたナノスケール磁気構造を探索することにある。今年度は、強磁性ドメイン観測と基板処理方法の開発という二つのテーマで研究を行って、その成果を各々論文として発表した。1.非磁性酸化物界面における強磁性ドメインのイメージング共の非磁性であるLaAlO3とSrTiO3の界面には界面磁性が現れることが期待されているが、磁気モーメントが非常に小さく、磁性を直接観測することは難しいとされてきた。物性研究所が構築してきた世界最高分解能(2.6nm)をもつレーザー励起光電子顕微鏡システムを用いると、表面からの深さ10nmまでの情報を取り出し、界面の磁気構造を実空間かつ高感度で測定することができると考えた。この共同研究でサンプル作製を担当し、パルスレーザー堆積法(PLD)を用いて単結晶SrTiO3(001)基板上にLaAlO3薄膜を成膜した。Laser-PEEMの磁気円二色性(MCD)を評価すると、強磁性の強度は導電性とON/OFFを共にし、低温と室温で変化がないことがわかった。2.原子レベルで平坦なAlO2終端のLaAlO3(001)基板表面を実験的に実現薄膜と基板との界面物性は基板表面の構造に大きく影響されるため、原子レベルで平坦かつ単一組成をもつ基板表面を構築することが重要である。しかし、本研究で対象としたLaAlO3(001)基板は表面が極性をもつため、単一組成を示す表面を作ることは難しいとされていた。本研究では高温アニーリングと水エッチングを組み合わせることで原子レベルで平坦なLaAlO3(001)基板を実証するプロセスを考案し、イオン散乱分光法(CAICISS)を用いてAlO2単一終端を確認した。これらの結果をまとめてジャーナルに投稿し、Editors' suggestionsとして受理された。本年度は目標としていたLaAlO3/SrTiO3界面を作製し、予定通りLaser-PEEMを用いて観測することができた。断面試料の作製方法においては進捗が遅れているが、真空中で劈開を行う既存の計画を中止し、表面の荒い試料を先ず作製して、導電性原子間力顕微鏡によりマクロな磁化構造を確認することに重点をおいて作業中である。薄膜作製においては膜厚を原子層単位で制御する技術が大いに進展し、異なる陽イオンが交互に積層した構造を取っている単結晶基板や薄膜材料の構造を0.5原子層レベルで制御することを可能とした。特に極性表面を示すLaAlO3(001)表面に関しては、単一終端面を示す表面作製技術を初めて実現し、イオン散乱分光法を用いて確かめることができた。同時に高速ワークステーションを用いて様々なプログラムの使用方法を身につけ、酸化物の電子構造を計算し、先行研究と比較を行った。この計算結果を界面に拡張し、実験結果と比較することで酸化物の機能制御に知見を与えると期待している。LaAlO3/SrTiO3ヘテロ構造を作製するが、一つの試料内でLaAlO3の膜厚に勾配をつけて系統的な知見を得る。また前年度に引き続き、面直方向の電子密度分布を調べるため、断面試料を作製し、導電性原子間力顕微鏡で観測を行う。HAADF-TEM測定を依頼して界面構造を確かめる。同時に界面の電子構造を計算し、薄膜の厚さを変えることによって電子構造がどう変わってくるかを予測する。膜厚による効果を直接観測し計算結果と比較するために韓国ソウル大の角度分解光電子分光装置を用いて、その場観測を行う。また、電子構造の変化によって界面磁性が現れるメカニズムを計算で確かめて、同様な機構を示すことが期待される新たな界面を設計する。

これらの結果をまとめてジャーナルに投稿し、Editors' suggestionsとして受理された。本年度は目標としていたLaAlO3/SrTiO3界面を作製し、予定通りLaser-PEEMを用いて観測することができた。断面試料の作製方法においては進捗が遅れているが、真空中で劈開を行う既存の計画を中止し、表面の荒い試料を先ず作製して、導電性原子間力顕微鏡によりマクロな磁化構造を確認することに重点をおいて作業中である。薄膜作製においては膜厚を原子層単位で制御する技術が大いに進展し、異なる陽イオンが交互に積層した構造を取っている単結晶基板や薄膜材料の構造を0.5原子層レベルで制御することを可能とした。特に極性表面を示すLaAlO3(001)表面に関しては、単一終端面を示す表面作製技術を初めて実現し、イオン散乱分光法を用いて確かめることができた。同時に高速ワークステーションを用いて様々なプログラムの使用方法を身につけ、酸化物の電子構造を計算し、先行研究と比較を行った。この計算結果を界面に拡張し、実験結果と比較することで酸化物の機能制御に知見を与えると期待している。LaAlO3/SrTiO3ヘテロ構造を作製するが、一つの試料内でLaAlO3の膜厚に勾配をつけて系統的な知見を得る。また前年度に引き続き、面直方向の電子密度分布を調べるため、断面試料を作製し、導電性原子間力顕微鏡で観測を行う。HAADF-TEM測定を依頼して界面構造を確かめる。同時に界面の電子構造を計算し、薄膜の厚さを変えることによって電子構造がどう変わってくるかを予測する。膜厚による効果を直接観測し計算結果と比較するために韓国ソウル大の角度分解光電子分光装置を用いて、その場観測を行う。また、電子構造の変化によって界面磁性が現れるメカニズムを計算で確かめて、同様な機構を示すことが期待される新たな界面を設計する。
磁性絶縁体/金属ナノ構造におけるスピンホール磁気抵抗効果の理論的研究

強磁性絶縁体と非磁性金属からなる複合ナノ構造(ハイブリッド構造)において、従来の金属強磁性体の異方性磁気抵抗効果と異なった新しい機構による磁気抵抗効果を提案した。強磁性絶縁体イットリウム鉄ガーネット(YIG)と白金(Pt)からなる2層ナノ構造では、スピン軌道相互作用の大きい白金層でスピンホール効果と逆スピンホール効果が同時に働くことにより新しいタイプの磁気抵抗効果(スピンホール磁気抵抗効果)が出現することを提案し、磁性絶縁体/非磁性金属の接合界面近傍で発現する新規な非平衡スピン伝導現象を開拓した。強磁性絶縁体(FI)と非磁性金属(N)からなる2層のナノ構造膜における磁気抵抗効果の理論的研究を行った。非磁性金属膜に電流を流すと、スピンホール効果により非磁性金属膜にスピン流とスピン蓄積が生じ、その一部は接合界面を通して強磁性絶縁体層に吸収される。強磁性絶縁体層の磁化の向きを変えると、吸収されるスピンの量が変化し、非磁性金属膜内のスピン流が変調を受ける。このスピン流の変調は、逆スピンホール効果により、印加した電流の大きさを変調する。この現象はスピンホール効果と逆スピンホール効果が同時に作用することにより発現する新しいタイプの磁気抵抗効果であり、スピンホール磁気抵抗効果(SMR)と命名した。本年度は、スピンホール磁気抵抗効果の定式化を行い、任意の磁化方向に対して磁気抵抗を計算する理論式を導出した。その結果、スピンホール磁気抵抗効果は、FI層の磁化とN層のスピン蓄積の相対的向きに依存することが明らかになった。スピン蓄積の方向は電流と垂直な横方向であるので、電流と磁化の相対的向きに依存する従来の異方的磁気抵抗効果(AMR)と本質的に異なった現象である。例えば、電流方向と垂直な面内で磁化を回転したとき、AMRは角度依存性を示さないが、SMRは正弦関数の依存性を示す。また、スピン蓄積の方向と垂直な面内で磁化の向きを変えた場合は上記と逆の角度依存性を示す。これらの特徴的な磁気抵抗の振る舞いは、強磁性絶縁体(YIG)と非磁性金属(Pt)を用いた2層膜接合において実験的に観測された。SMRの実験結果を解析することにより、界面スピン流や界面スピンコンダクタンスの大きさ、非磁性金属のスピンホール効果の強さなど基本的物理量を評価する手法が確立された。非磁性金属と磁性絶縁体からなる2層の接合膜に交流電流を印加すると、非磁性金属層のスピンホール効果によって磁性絶縁体にスピントルクが働き、電流駆動の強磁性共鳴が生じることを見出した。この現象は、磁性絶縁体/金属接合界面におけるスピン角運動量の移行と金属層で強いスピンホール効果によって発現する。吸収されるスピンの量は強磁性絶縁体層の磁化の向きに依存するため、非磁性金属膜内のスピン流が変調を受け、逆スピンホール効果により印加電流が変調される。この現象は、スピンホール磁気抵抗効果(SMR)と呼ばれる。本研究では、磁性絶縁体として知られるイットリウム鉄ガーネット(YIG)とスピン軌道相互作用の強い白金(Pt)の接合膜に注目して、ギガヘルツの交流電流誘起のスピンホール効果を介した磁性絶縁体の磁化ダイナミクスを理論的に研究した。本年度は、交流電流下でのYIG/Pt接合膜におけるスピン流と磁化の相互作用を調べるために、前年度に見出したスピンホール効果磁気抵抗を用いて、電流駆動のスピントルク強磁性共鳴を検出する方法を提案した。交流電流が誘起するスピン軌道トルクを含むランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式を導出して磁化ダイナミクスを調べ、SMRによる整流効果によりPt層に生じる直流電圧を計算した。直流電圧の膜厚依存性を調べることで、交流電流が駆動するスピン軌道トルクにより磁性絶縁体の共鳴磁化励起がどの様に整流電圧を生じるかが明らかになった。本研究の理論的予言はミュンヘン大グループによりYIG/Pt接合膜を用いて実験的に検証された。本研究は、強磁性絶縁体を用いたナノ構造複合膜において、非平衡スピン流とスピンホール効果に起因した新規な磁気抵抗効果を提案し、そのスピン伝導理論を構築した。この磁気抵抗効果は国内外で実験的に検証され、「スピンホール磁気抵抗効果」と呼ばれている。最終年度は、強磁性金属を用いたナノ構造複合膜への拡張を行った。強磁性金属とスピン軌道相互作用の強い金属からなるナノ構造2層膜において、大きなスピンホール磁気抵抗効果が起こることを理論的に明らかにした。電気を通す強磁性金属を用いると、スピンホール効果によって非磁性金属層に生じたスピン流は、強磁性金属の磁化の向きに依存して、横偏極成分のみならず縦偏極成分のスピン流が強磁性金属に吸収される。また、強磁性金属層に電流が流れることにより、強磁性金属にスピン依存ホール効果が生じて磁化の向きに依存した縦偏極成分のスピン流が生成され、強磁性金属層にもスピンホール磁気抵抗効果が生じる。このため、強磁性金属を用いた金属系2層膜のスピンホール磁気抵抗効果は、強磁性絶縁体を用いた絶縁体系2層膜と比べて異なった振舞いを示す。最終年度では、強磁性金属層のスピン依存ホール効果及び縦の界面スピン流の影響を解明し、金属系の2層膜で発現するスピンホール磁気抵抗の磁化の角度依存性や膜厚依存性を解析する理論を構築した。

これにより、非磁性金属層のスピンホール角、強磁性金属層のスピン依存ホール角、スピン分極率を見積もることが可能になった。実験グループとの共同研究により、コバルト鉄ボロン(CoFeB)強磁性金属とタングステン(W)金属を用いた2層膜において、絶縁体系2層膜に比べて10倍ほど大きなスピンホール磁気抵抗効果が発現することを実験的に観測することに成功した。強磁性絶縁体と非磁性金属からなる複合ナノ構造(ハイブリッド構造)において、従来の金属強磁性体の異方性磁気抵抗効果と異なった新しい機構による磁気抵抗効果を提案した。強磁性絶縁体イットリウム鉄ガーネット(YIG)と白金(Pt)からなる2層ナノ構造では、スピン軌道相互作用の大きい白金層でスピンホール効果と逆スピンホール効果が同時に働くことにより新しいタイプの磁気抵抗効果(スピンホール磁気抵抗効果)が出現することを提案し、磁性絶縁体/非磁性金属の接合界面近傍で発現する新規な非平衡スピン伝導現象を開拓した。26年度中に、磁性絶縁体とスピン起動相互作用の強い金属からなる2層の接合膜において、「電流誘起スピントルク共鳴」の理論を構築することができた。交流電流下で金属層に誘起されるスピンホール効果により磁性絶縁体へスピン流が注入され、スピントルク移行による磁気共鳴が生じこと、スピントルク磁気共鳴はスピンホール磁気抵抗効果を利用した整流作用によって直流電圧として観測されることを示すことができたので、おおむね順調に進展している数物系科学強磁性金属(NiFe)、非磁性金属(Ag)、強磁性絶縁体(YIG)からなる非局所スピン注入素子を用いて、非局所スピン注入磁化反転を調べる。スピン注入側のNiFe電極とAg細線の間にMgOトンネル障壁を挿入することによりスピン注入効率が格段に向上することが理論的・実験的に実証されている。Ag細線上に微小なYIGディスクを置くと、Ag細線に蓄積されたスピンがYIGに吸収されて、スピン流がYIGに流入し、YIGの磁化に大きなスピントルクが働く可能性がある。磁性絶縁体に吸収されるスピン流の大きさが、界面スピンコンダクタンスやAg電極のスピン抵抗にどの様に依存するかを明らかにする。YIGなどのギルバート緩和定数が小さい強磁性体絶縁体に対するスピン注入磁化反転の条件を調べ、磁化反転の閾値電流の低減化が可能であることを示す。新たな研究課題として、強磁性体絶縁体と非磁性金属(Ag、Au)を組み合わせた2層ナノ構造膜や多層ナノ構造膜を用いて、交流電流の印加によって引き起こされる磁化のダイナミックス(スピンポンピング、磁化緩和など)、層間交換結合の効果、およびスピン注入磁気共鳴を利用したスピントルク・ダイオード効果を調べる。25年度中に、磁性絶縁体とスピン軌道相互作用の強い金属からなる2層のナノ構造膜において、スピンホール効果を起源とする新しい磁気抵抗効果(スピンホール磁気抵抗効果)の理論を構築することができたので、おおむね順調に進展している。次年度使用額は、今年度の研究を効率的に推進したことにより発生した未使用額である。強磁性金属(NiFe)、非磁性金属(Ag)、強磁性絶縁体(YIG)からなる非局所スピン注入素子を用いて、非局所スピン注入磁化反転を調べる。
革新的ソニックブーム低減技術の地上実証研究

本研究では,超音速複葉翼理論に基づく実用的な低ブーム超音速機形状を完成させるため,超音速機の設計・評価システムを構築する.特に,流体科学研究所の共用設備である2段軽ガス銃実験設備の改修により3次元形状の自由飛行実験を可能にする地上実験装置を開発し,超高速応答型感圧塗料を用いた圧力の面計測システムの開発,多重極解析手法による圧力波形補正法の開発,力天秤の開発と超音速風洞への導入,ソニックブーム予測技術の開発および非定常最適設計探査手法の提唱を行った.本研究では,超音速複葉翼理論に基づく実用的な低ブーム超音速機形状を完成させるため,超音速機の設計・評価システムを構築する.特に,流体科学研究所の共用設備である2段軽ガス銃実験設備の改修により3次元形状の自由飛行実験を可能にする地上実験装置を開発し,超高速応答型感圧塗料を用いた圧力の面計測システムの開発,多重極解析手法による圧力波形補正法の開発,力天秤の開発と超音速風洞への導入,ソニックブーム予測技術の開発および非定常最適設計探査手法の提唱を行った.ソニックブームを含めた地上における超音速実験機の設計・評価システムを構築し、超音速複葉翼理論に基づく低ブーム超音速機形状の実用性を実証する。特に低ブーム性を地上実験により実証するため、流体科学研究所の共用設備である2段軽ガス銃実験設備を改修し、飛行姿勢の計測を行うとともに、2次元圧力計測システムを構築し、3次元複雑形状の自由飛行実験を可能にするソニックブーム地上実験装置を開発する。低ブーム超音速機形状の空力性能を確認するためには、バリスティックレンジ実験だけでなく、超音速風洞実験が必要であるが、これにはデータ生産性を上げるために流体科学研究所が所有する超音速風洞を利用する。この風洞は通常の力計測のために設置されたものではないので、天秤装置を自作して風洞の用途を広げる。また、この風洞は通風時にマッハ数を変えることができないので、非定常実験にはJAXA宇宙科学研究所の超音速風洞を必要に応じて利用する予定である。低ブーム超音速機形状の設計には、超音速複葉翼理論に基づき数値流体力学(CFD)を駆使して、理想的な3次元翼胴形態を決定する。従来の設計変数に対する応答曲面法を非定常応答まで拡張した方法を開発し、非定常最適化による設計探査を行う。また、遠方場でのソニックブームを高精度に評価するため、温度・密度・湿度などの変化を伴う大気乱流中を長距離伝播する微弱なソニックブームのシミュレーション技術も開発する。本研究では、ソニックブームを含めた超音速実験の設計・評価システムを構築し、超音速複葉翼理論に基づく低ソニックブーム超音速機形状の実用性を実証する。この目標に向けて、以下の研究実績を上げることができた。・非定常最適設計探査:理想的な3次元翼胴形状を決定するため、従来の形状定義に対してより自由度を高めたトポロジー最適化の考えを導入した最適化法を検討し、非定常応答の取り扱いについても継続して研究した。・ソニックブーム地上実験装置設計:流体科学研究所の共用設備である弾道飛行装置を利用して、昨年度構築した自由飛行する物体の姿勢計測システムに、物体から発生する近傍場圧力波形を物体全周で同時計測できるシステムを構築し、翼胴模型および低ソニックブーム形状の複雑な模型で実験を行い、多重極解析手法による実験結果解析と数値解析との比較により精度を検証した。・圧力波計測:感圧塗料(PSP)を用いたソニックブーム近傍場の新しい光学計測の研究を行い、現象把握に十分な計測時間精度での圧力測定に成功した。・風洞実験:風洞での力測定のため、更に高精度な力天秤の開発を行い。この天秤を導入する流体科学研究所で超音速風洞の整備を行った。本研究では、ソニックブームを含めた地上における超音速実験機の設計・評価システムを構築し、超音速複葉翼理論に基づく低ブーム超音速機形状の実用性を実証する。・非定常最適設計探査:応答曲面法の高度化を継続して研究した。・ソニックブーム地上実験装置設計:流体科学研究所の共用設備である弾道飛行装置を利用して、自由飛行する物体の姿勢と、物体から発生する近傍場圧力波形を同時計測できるシステムを構築し、その精度を検証した。・圧力波計測:背景の画像処理によって衝撃波を可視化するバックグラウンドシュリーレン(BOS)法を用いたソニックブーム近傍場の新しい光学計測の研究を行い、自由飛行する物体まわりの流れの可視化に成功した。・風洞実験:風洞での力測定のため,天秤の作成と検定を行った。揚力と抗力の検出感度を変えて測定する対象に応じた力天秤の開発、および検出精度向上のための検定装置の開発ができた。

本研究では,ソニックブームを含めた地上における超音速実験機の設計・評価システムを構築し,超音速複葉翼理論に基づく低ブーム超音速機形状の実用性を実証する.特に低ブーム性を地上実験により実証するため,流体科学研究所の共用設備である2段軽ガス銃実験設備を利用して,圧力計測システムの高精度化およびブームカーペットの評価が可能である圧力の時空間分布計測システムを構築し,3次元複雑形状の圧力計測実験を可能にするソニックブーム地上実験装置を開発する.この目標に向けて,以下の研究実績を上げることができた.・非定常最適設計探査:非定常現象を伴う設計問題に効率的に対処すべく,新たなデータマイニング手法として階層型相関分析を提案し,工学問題に応用することで優位性を示した.・ソニックブーム地上実験装置設計:流体科学研究所の弾道飛行装置を利用して,昨年度構築した多重極解析手法による自由飛行する複雑形状物体の近傍場圧力計測システムを用いて複葉翼形状の物体の近傍場圧力を計測するため,数値解析を用いて実験条件の最適化を行い,計測精度の高精度化を果たした.・圧力波計測:弾道飛行装置を利用した近傍場圧力計測実験において,時間応答性を大幅に改善した超高速応答型感圧塗料の有用性の実証試験を行い,観測面上を超音速で伝播する非定常圧力波を面的および時系列的に捉えることに成功した.・風洞実験:揚力や抗力等の計測感度を調整して設計できる超音速風洞試験用の新たな力天秤の開発を行い,超音速気流中のくさび模型の空気力測定に適用し,超音速風洞試験用6角天秤の有用性を確認した.26年度が最終年度であるため、記入しない。数値流体力学26年度が最終年度であるため、記入しない。ソニックブームのシミュレーション技術では、発表学生が学生講演賞を取るなど優れた成果が上がった。また、2段軽ガス銃実験設備の改修も順調に終了した。・非定常最適設計探査:理想的な3次元翼胴形状を決定のためトポロジー最適化の考えを導入した最適化法を検討し、有用性を確認した。・ソニックブーム地上実験装置設計:弾道飛行装置を利用して、自由飛行する翼胴モデルなど複雑な形状物体から発生する近傍場圧力波形を物体全周で計測、多重極解析手法に適用できる高精度なシステムを構築した。平成24年度衝撃波シンポジウムにおいて、本研究に携わっている学生(宮腰康君)が「弾道飛行装置を用いた低ソニックブーム実証実験のための計測技術に関する研究」と題した発表でBest Presentation Awardを受賞、第51回飛行機シンポジウムにおいて、本研究に携わっている学生(齋藤雄太君)が「多重極解析手法の超音速自由飛行試験への適用」と題した発表で学生優秀講演賞を受賞し、本研究の成果が高い評価を受けている。・圧力波計測:感圧塗料(PSP)を用いてソニックブーム近傍場圧力計測に可能な超高速応答の感圧塗料の研究を行い、マイクロ秒オーダーの時間解像度での実験に成功した。・風洞実験:風洞での力測定のため、更に高精度な力天秤の開発ができた。・非定常最適設計探査:非定常最適化法を開発するため、固有直交分解法を用いた非定常応答の取り扱いについて研究を行い、有用性を確認した。・ソニックブーム地上実験装置設計:弾道飛行装置を利用して、自由飛行する物体から発生する近傍場及び中間場の圧力波形を計測できるシステムを構築し、近傍場圧力計測を行った。
観測データに基づく人の移動履歴の推定

防災,交通,マーケティングなどの分野で,個人の移動履歴を収集・加工したデータベースを利用して時々刻々変化する人の流れを解析する研究や調査が盛んに行われている.しかし,データに含まれる個人情報の扱いやデータの欠損・不備などの問題により,広い範囲にデータベースを完全な形で公開することは困難である.本研究では,地域内の各地点に配置されたセンサーから観測される各時刻の交通量を入力データとし,時空間に拡張された大規模なネットワーク上における整数計画問題を解くことで,限られた観測データから個人の移動履歴を推定する手法を提案する.防災,交通,マーケティングなどの分野で,個人の移動履歴を収集・加工したデータベースを利用して時々刻々と変化する人の流れを解析する研究や調査が盛んに行われている.しかし,これらのデータベースは個人のプライバシ情報を多く含むため,企業や個人などの幅広い層にデータベースを完全な形で公開することは困難である.また,収集した個人の移動履歴データの欠損や不備によりデータベースの構築が困難な場合も少なくない.本研究では,地域内の各地点に配置されたセンサから観測される各時刻の交通量を入力データとし,時空間に拡張された大規模なネットワーク上における整数計画問題を解くことで,限られた観測データから個人の移動履歴を推定する手法を開発する.本年度は,東京大学空間情報科学センターが公開している人の流れデータを利用して,高知都市圏(1.3万人),仙台都市圏(3.2万人),中京都市圏(8.5万人)について,人の移動履歴を推定する問題を整数計画問題に定式化した後に整数計画ソルバーを用いて解いた.その結果,いずれの都市圏でも高い精度で人の移動履歴を推定できることが確かめられた.現実の都市圏における大規模な人の流れデータを用いた数値実験により提案手法の有効性を検証できた.防災,交通,マーケティングなどの分野で,個人の移動履歴を収集・加工したデータベースを利用して時々刻々と変化する人の流れを解析する研究や調査が盛んに行われている.しかし,これらのデータベースは個人のプライバシ情報を多く含むため,企業や個人などの幅広い層にデータベースを完全な形で公開することは困難である.また,収集した個人の移動履歴データの欠損や不備によりデータベースの構築が困難な場合も少なくない.本研究では,地域内の各地点に配置されたセンサから観測される各時刻の交通量を入力データとし,時空間に拡張された大規模なネットワーク上における整数計画問題を解くことで,限られた観測データから個人の移動履歴を推定する手法を開発する.本年度は,主に数値実験における推定結果の評価手法について検討した.これまでは,推定した移動履歴のうち実際の移動履歴と完全に一致するもののみを正解とみなしたため,推定結果の精度が低く評価されている問題点があった.そこで,推定された移動履歴と実際の移動履歴の類似度を定義し,その閾値を変化させることで実際の移動履歴と類似するものも正解とみなす評価手法を提案した.山口,長野,高知,富山,仙台,道央,中京,大阪の8都市圏において,新たに提案した評価手法の下で人の移動履歴を推定した結果,いずれの都市圏でも80-90%の高い精度で人の移動履歴が推定できることが確かめられた.新たに提案した評価手法の下で人の移動履歴が高い精度で推定できることを確かめた.防災,交通,マーケティングなどの分野で,個人の移動履歴を収集・加工したデータベースを利用して時々刻々と変化する人の流れを解析する研究や調査が盛んに行われている.しかし,これらのデータベースは個人のプライバシ情報を多く含むため,企業や個人などの幅広い層にデータベースを完全な形で公開することは困難である.また,収集した個人の移動履歴データの欠損や不備によりデータベースの構築が困難な場合も少なくない.本研究では,地域内の各地点に配置されたセンサから観測される各時刻の交通量を入力データとし,時空間に拡張された大規模なネットワーク上における組合せ最適化問題を解くことで,限られた観測データから個人の移動履歴を推定する手法を提案する.本研究では,大規模な都市圏において限られた観測データから数万から数百万の人数の移動履歴を高い精度で推定するために,一部の移動履歴データから各経路候補の利用確率を学習した上で,観測される交通量との誤差を抑えつつ最も利用確率の高い経路候補の組み合わせを求める問題を時空間に拡張したネットワーク上の整数計画問題として定式化した.また,先行研究では,出力した経路と実際の経路が時空間ネットワーク上で完全に一致した場合のみを正解として提案手法の正答率を評価していた.しかし,これは例えば電車乗り換えが1本前後しただけで不正解と判定される非常に厳しい評価基準で,出力した推定結果が適切に評価されているとは言い難い.そこで,出力した経路と実際の経路を類似度にしたがって対応付けることで,出力した推定結果を適切に評価する実用的な評価基準を確立した.防災,交通,マーケティングなどの分野で,個人の移動履歴を収集・加工したデータベースを利用して時々刻々変化する人の流れを解析する研究や調査が盛んに行われている.しかし,データに含まれる個人情報の扱いやデータの欠損・不備などの問題により,広い範囲にデータベースを完全な形で公開することは困難である.本研究では,地域内の各地点に配置されたセンサーから観測される各時刻の交通量を入力データとし,時空間に拡張された大規模なネットワーク上における整数計画問題を解くことで,限られた観測データから個人の移動履歴を推定する手法を提案する.今後は,対象とする都市圏を増やすとともに,観測されるデータが不十分な場合でも推定精度を維持する手法の開発に取り組む予定である.今後は,観測されるデータが不十分な場合でも推定精度を維持する手法の開発に取り組む予定である.組合せ最適化
超高分解能光電子分光による高温超伝導体の電子・ホール対称性の研究

本年度は、超高分解能光電子分光装置の整備・改良を中心に研究を進めた。具体的な作業内容としては、(1)装置の高分解能化のための電源系の高精度化、電圧制御系の最適化、(2)極低温化のための試料基盤および熱輻射シールドの改良、(3)試料表面劣化を抑えるためのAl箔紫外光フィルターの設置を行った。これらの改良の結果、高温超伝導体の電子状態を従来よりも精度良くかっ十分な統計精度をもって測定できる装置環境が整った。上記の作業と並行して、電子型高温超伝導体NCCOおよびPLCCOの電子構造と超伝導機構を明らかにするための光電子分光実験を行った。特に、電子型高温超伝導体における磁気相関と超伝導メカニズムの関係を明らかにすることを目的として、以下に挙げる項目について研究を行い、いくつかの重要な成果を得た。1)超伝導ギャップ対称性のドーピング依存性電子型高温超伝導体の超伝導ギャップは、ホール型の単純なd波対称性とは異なる異常な運動量依存性をもつことが明らかにされているが、これがキャリア濃度の変化に対してどのように変化するのかは明らかになっていなかった。電子型PLCCOの最適ドープ、過剰ドープ、極端過剰ドープの3種類の試料について、超高分解能光電子分光による超伝導ギャップ対称性の直接決定を行った。その結果、電子型高温超伝導体はキャリア濃度によってd波とs波という異なる対称性が競合・相転移する興味深い超伝導物質であることを実験的に明らかにした。2)電子の多体相互作用(準粒子)の起源シンクロトロン放射光を用いて、電子型NCCOのフェルミ面の軌道依存性の測定を行った。その結果、Cu3p-3d共鳴条件である74.5eVの励起光を用いた場合に、フェルミ面の構造が大きく変化することを見出した。この結果、電子型の超伝導は、電子-電子相互作用によるモット絶縁体における「フェルミ面の強い軌道依存性」の特徴を強く残した状態で発現していることを見出した。さらに、これまで電子型で観測されていなかったバンド分散のkink構造を観測することに成功し、ホール型と比較して明らかに異なるエネルギースケールをもつことを見出した。これにより、kink構造の起源として磁気励起の可能性が高いことを示唆した。本研究結果は、高温超伝導体のフェルミ準位近傍の電子状態が、ドープされたキャリアの種類(電子またはホール)に拘らず、磁気励起と強く結合していることを示す直接的な証拠を与えたと言え、超伝導機構の解明に大きく貢献するものと考えられる。以上の結果を含めた電子型高温超伝導体の高分解能角度分解光電子分光研究について、いくつかの国際・国内学会で口頭発表を行った。またこれらの機会に学外の理論研究者と議論を行い、実験結果の解釈に関する理解を深めた。

以上の結果を含めた電子型高温超伝導体の高分解能角度分解光電子分光研究について、いくつかの国際・国内学会で口頭発表を行った。またこれらの機会に学外の理論研究者と議論を行い、実験結果の解釈に関する理解を深めた。
光電荷移動反応における選択性向上の研究

電荷移動の概念に基づく化学反応の統一的理解と体系化の観点から基本的問題点を解明するとともに,光化学反応の選択性向上のための反応設計と新反応の開拓を目的として研究を行なった.光電荷移動有機反応を研究対象としてとりあげ,励起分子の多重度と電子移動ならびに反応過程との相関を明らかにすることを目的として,電子供与性オレフィンー電子受容性オレフィン系の光化学反応について検討した.電子供与性オレフィンとして2-ビニルナフタレン(VN),電子受容性オレフィンとして無水マレイン酸(MAn),フマロニトリル(FN)を選んだ.電子供与性オレフィンー電子受容性オレフィン系について,直接励起,電荷移動錯体の選択的励起およびベンゾフェノンを用いる二重項増感反応を行ない,各反応系を比較して反応過程を考察した.VN-FN, VN-MAnいずれの反応系においても,励起一重項状態からは電子移動反応が優先的に進行し,イオンラジカルを経由して共重合体が主に生成すること,励起三重項状態からは,極性溶媒中においても電子移動過程の寄与は小さく,励起状態を経由する反応が進行し,主生成物としてVNと電子受容性オレフィンとの環化付加体が生成することが見い出された.本研究結果は,光化学反応の選択性向上の重要な指針を与える.電荷移動の概念に基づく化学反応の統一的理解と体系化の観点から基本的問題点を解明するとともに,光化学反応の選択性向上のための反応設計と新反応の開拓を目的として研究を行なった.光電荷移動有機反応を研究対象としてとりあげ,励起分子の多重度と電子移動ならびに反応過程との相関を明らかにすることを目的として,電子供与性オレフィンー電子受容性オレフィン系の光化学反応について検討した.電子供与性オレフィンとして2-ビニルナフタレン(VN),電子受容性オレフィンとして無水マレイン酸(MAn),フマロニトリル(FN)を選んだ.電子供与性オレフィンー電子受容性オレフィン系について,直接励起,電荷移動錯体の選択的励起およびベンゾフェノンを用いる二重項増感反応を行ない,各反応系を比較して反応過程を考察した.VN-FN, VN-MAnいずれの反応系においても,励起一重項状態からは電子移動反応が優先的に進行し,イオンラジカルを経由して共重合体が主に生成すること,励起三重項状態からは,極性溶媒中においても電子移動過程の寄与は小さく,励起状態を経由する反応が進行し,主生成物としてVNと電子受容性オレフィンとの環化付加体が生成することが見い出された.本研究結果は,光化学反応の選択性向上の重要な指針を与える.
脳内脈絡叢のマスト細胞がマクロファージM2分化と脊髄修復を規定する

脊髄損傷では末梢由来マクロファージが損傷部に現れるが、M1は脊髄血管、M2は脈絡叢から漏出する。M2集積は脊髄修復に必須でM2分化は脈絡叢の漏出時に起こる。研究代表者は、予備検討結果に基づき、脈絡層マスト細胞がPG依存的にM2分化と組織修復を促すと仮説を立て、これを検証した。脊髄損傷モデルに対しマスト細胞欠損やPG産生阻害剤等の効果を検討し、一定の成果が得られ、本病態修復にマスト細胞とPGが関与する可能性が示唆された。また炎惹起相の皮膚で、血管周囲に誘導型皮膚関連リンパ網内系組織(iSALT)が形成され、マクロファージ由来のCXCL2が役割を果たすことを見出した。脳室周囲器官の脈絡叢では、上皮細胞層が血管を包み血液と脳脊髄液を隔離する。脊髄損傷では、末梢血由来のM1とM2のマクロファージが損傷部位に順次出現するが、M1は脊髄の血管から、M2は脈絡叢の血管から漏出し損傷部に集積する。こうしたM2集積は脊髄修復に必須であり、M2への分化は脈絡叢の漏出時に起こる。しかし、脈絡叢でどの細胞がM2配向性を決めるのかは不明である。研究代表者は、脳内マスト細胞が脈絡間質に存在し、12-リポキシゲナーゼ(12-lox)など特徴的な遺伝子を発現することを見出した。12/15-loxは抗炎症性脂質メディエーターを産生することから、脈絡層マスト細胞は、12/15-lox依存的にM2配向性の局所環境を規定するのではないかと仮説を立てた。本研究の目的は、1脈絡叢に存在するマスト細胞がM2分化と脊髄修復に関与するか、2脈絡叢でマスト細胞がM2配向性を示す分子機構、を明らかにすることである。本年度の成果を以下に列挙する。1)脊髄損傷モデルの系を確立した。2)炎症病態時における極微少な特定免疫細胞の単一細胞トランスクリプトーム解析を行い、特異マーカーの検出に貢献した。例えば、皮膚炎惹起相で血管周囲に集積するiSALT中のマクロファージ・Tサブセットを解析し、ケモカインCXCL2の役割を同定した。申請者は、脳内マスト細胞が脈絡間質に存在し、12-リポキシゲナーゼ(12-lox)など特徴的な遺伝子を発現することを見出した。12/15-loxは抗炎症性脂質メディエーターを産生することから、脈絡層マスト細胞は、12/15-lox依存的にM2配向性の局所環境を規定するのではないかと仮説を立てた(図1)。本研究の目的は、1脈絡層マスト細胞がM2分化と脊髄修復に関与するか、2脈絡叢でマスト細胞がM2配向性を示す分子機構、を明らかにすることである。これまでの成果を以下に列挙する。1)脊髄損傷のモデル系を確立し、マスト細胞欠損マウスにおいては、各種病態のインデックスそのものに差は見られないが、治癒過程において、その修復が遅延することを見出した。2)脳室周囲器官の脈絡叢に存在するマスト細胞において、12-loxが本組織特異的に発現することをreal-time PCR法を用いて確認した。現在、本マスト細胞に由来する脂質メディエーターをLC-MSにより同定解析中である。12-loxの産物を同定するために最適な時間を設定すること、また12-lox産物同定に必須な質量分析システムを構築することに、予想以上の時間を要したため。研究代表者は、これまでに、脳内マスト細胞が脈絡間質に存在し、12-リポキシゲナーゼ(12-lox)など特徴的な遺伝子を発現することを見出していた。12-loxはリゾルビンなどの抗炎症性脂質メディエーターを産生することから、本研究では、脈絡叢マスト細胞は、12-loxの代謝産物に依存して、M2マクロファージ配向性の局所環境を規定するのではないかと仮説を立てた。本研究の目的は、脈絡層マスト細胞がM2分化と脊髄修復に関与するか調べるとともに、脈絡叢でマスト細胞がM2配向性を示す分子機構を明らかにすることである。これまでの研究成果を以下に示す。1)マスト細胞欠損マウスでは、脊髄損傷修復に差違が生じ、これはM2マクロファージ集積と相関した。2)脈絡叢マスト細胞での12-lox発現レベルは脊髄損傷の進行に伴って変化した。

3)現在、脳内の脂質メディエーターを質量分析機を用いて網羅的に解析し、マスト細胞依存的に産生され、かつM2マクロファージ配向的に脊髄損傷の治癒促進作用を示す脂質候補分子の同定を進めている。平成28年の熊本地震により、4月から9月頃までマイクロアレイ等の共通機器を稼働することができず、検証実験の遂行が不可能であったため。脳室周囲器官の脈絡叢では、上皮細胞層が血管を包み血液と脳脊髄液を隔離する。脊髄損傷では、末梢血由来のM1とM2のマクロファージが損傷部位に順次出現するが、M1は脊髄の血管から、M2は脈絡叢の血管から漏出し損傷部に集積する。こうしたM2の集積は脊髄修復に必須であり、M2への分化は脈絡叢の漏出時に起こる。しかし、脈絡叢でどの細胞がM2配向性を決めるのかは不明である。研究代表者は、脳内マスト細胞が脈絡間質に存在し、プロスタグランジン(PG)など脂質メディエーターの産生酵素などの遺伝子を特異的に発現することを見出した。PGは局所環境に応じてM1/M2分化を制御し、炎症を負に制御して組織修復を促進することから、脈絡層マスト細胞は、PG依存的にM2配向性と組織修復を規定するのではないかと仮説を立てた。本研究の目的は、脈絡層マスト細胞がM2分化と脊髄修復に関与するか、脈絡叢マスト細胞の放出するPGがM1/M2分化や損傷局所の修復をいかに制御するか、を明らかにすることである。脊髄損傷のマウスモデル系を確立し、マスト細胞欠損やPG産生阻害剤、PG受容体欠損やマスト細胞再構成の効果を検討した。その結果、一定の成果が得られ、挑戦的萌芽研究としての目的が達成された。すなわち、本病態モデルの組織修復プロセスにマスト細胞とPGの関与が示唆され、責任PGによる修復調節の分子機構の解析へ移行した。一方、脈絡叢と同様に、上皮と血管が混在する皮膚組織ではマクロファージが炎症惹起に伴いT細胞に抗原提示を行うが、どこで抗原提示されるのか不明であった。研究代表者は、炎惹起相の皮膚では血管周囲に誘導型皮膚関連リンパ網内系組織(iSALT)が形成されること、本組織の集積にはマクロファージの産生するCXCL2が重要な役割を果たすことを見出した。脊髄損傷では末梢由来マクロファージが損傷部に現れるが、M1は脊髄血管、M2は脈絡叢から漏出する。M2集積は脊髄修復に必須でM2分化は脈絡叢の漏出時に起こる。研究代表者は、予備検討結果に基づき、脈絡層マスト細胞がPG依存的にM2分化と組織修復を促すと仮説を立て、これを検証した。脊髄損傷モデルに対しマスト細胞欠損やPG産生阻害剤等の効果を検討し、一定の成果が得られ、本病態修復にマスト細胞とPGが関与する可能性が示唆された。また炎惹起相の皮膚で、血管周囲に誘導型皮膚関連リンパ網内系組織(iSALT)が形成され、マクロファージ由来のCXCL2が役割を果たすことを見出した。脊髄損傷モデル、とくに修復プロセスは、本研究課題におけるビボの主解析項目であり、本モデルの確立と最適化を入念に行ったため、予想以上に時間を要した。12-loxの産物を同定するために最適な時間を設定することに時間を要したが、阻害剤の検討により、解析時間を同定できた。またω3脂肪酸由来メディエーターを含め、12-lox産物同定に必須な質量分析システムを構築することができたため、最終年度はこれまで蓄積した基盤技術を活かし、マスト細胞に由来し、M2集積を加速する12-lox産物の同定解析を一気に進めたい。共通機器については、28年10月頃より修理や予算措置により回復したため、それ以降は細胞ベースの実験を再開でき、一定の成果をえた。そこで、研究期間を1年延長し、マウス個体を用いた実験を行い、仮説を検証する。