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高精度計算を目指した相対論的分子理論の開発

高精度計算を目指した相対論的分子理論を完成させるために,本年度は以下の研究を行った.「相対論的クラスター展開法の開発」昨年度開発した高速な4成分積分変換の理論とプログラムをもとに,本年度は高精度な重原子分子系の計算を実現するための対論的クラスター展開(CC)法の開発を行った.高次CC法になるにしたがって定式化が複雑になっていくが,非相対論の場合に有効に働くことが知られている自動定式化プログラム"TCE"を相対論の場合に拡張し,自動定式化およびプログラム化することで相対論的CC法を実現した.現在,基底状態に関する相対論的CC法が完成している.また,クラスター展開法により励起状態を取り扱えるようにするため,相対論的Fock空間クラスター展開法の開発も行った.同時にTCEに基づいた励起状態相対論的CC法の開発も進めており,現在その開発の大部分が終了しており,高速化のためのプログラム整備を行っているところである.「大規模分子系に対する相対論的電子相関法の開発」高精度かつ大規模計算を実現するために,非相対論レベルにおいて,従来幾つかの効率的なMP2計算の手法が開発されているが,それらには一長一短がある.本研究ではそれらの手法の長所を伸ばしつつ,短所を補うことのできる新しいタイプのMP2摂動法であるRILL-MP2法を開発した.非相対論レベルおよび相対論レベルでRILL-MP2法の開発を行った.これまでのテスト計算により,RILL-MP2法は通常のMP2法と比べ大規模な分子系に対して高速な計算が実現できることがわかった.また,どんな大きさの分子系に対しても,得られる精度は一定で,精度を落とすことなく計算が実現できる.重原子分子への適用の結果も相対論的RILL-MP2法は満足のいく結果を与えることが示されている.高精度計算を目指した相対論的分子理論を完成させるために、本年度は、以下の研究を行った.「相対論的pseudospectral法の開発」pseudospectral(PS)法はグリッド基底と解析的基底の混合基底を計算の基底として使用する方法である.この方法を用いると計算のスケーリングコストをO(N^4)からO(N^2M)(N:基底関数の数,M:グリッド点の数)へ減らすことが可能となり、大規模系の計算に対してより効率的である.本研究では,高精度で大規模な相対論的計算を実現するために,PS法とこれまでに開発してきた相対論的密度汎関数法(RDFT)を組み合わせた.幾つかの応用の結果,PS-RDFT法は十分効率的で,重原子を含む大規模分子系の計算に有効な方法となることがわかった.「相対論的電子相関理論のための積分変換の開発」電子相関法の第一段階では,原子軌道積分から分子軌道積分への積分変換が必要となる.積分変換のステップはNの5乗のオーダーの計算コストを持つため,計算負荷の高いステップとなる.そこで相対論的電子相関理論の開発の第一段階として,高速な4成分積分変換の開発を行った.具体的には2成分型一般短縮ガウス基底spinorを用いることでsmall成分用の基底関数を従来の方法の約半分に減らすことで高速化した,従来の方法に比較して今回開発した積分変換は4倍以上高速である.「相対論的クラスター展開法の開発」高精度な重原子分子系の計算を実現するために,相対論的クラスター展開(CC)法の開発を開始した.高次CC法になるにしたがって定式化が複雑になっていくが,TCEを用いて自動化することで実現した.現在,1成分相対論的分子理論に対するCC法が完成している.スピン-軌道相互作用が小さい分子系に適用した結果,TCEに基づいた1成分CC法は,高い精度でその分光学的定数を見積もることができる.高精度計算を目指した相対論的分子理論を完成させるために,本年度は以下の研究を行った.「相対論的クラスター展開法の開発」昨年度開発した高速な4成分積分変換の理論とプログラムをもとに,本年度は高精度な重原子分子系の計算を実現するための対論的クラスター展開(CC)法の開発を行った.高次CC法になるにしたがって定式化が複雑になっていくが,非相対論の場合に有効に働くことが知られている自動定式化プログラム"TCE"を相対論の場合に拡張し,自動定式化およびプログラム化することで相対論的CC法を実現した.現在,基底状態に関する相対論的CC法が完成している.また,クラスター展開法により励起状態を取り扱えるようにするため,相対論的Fock空間クラスター展開法の開発も行った.同時にTCEに基づいた励起状態相対論的CC法の開発も進めており,現在その開発の大部分が終了しており,高速化のためのプログラム整備を行っているところである.「大規模分子系に対する相対論的電子相関法の開発」高精度かつ大規模計算を実現するために,非相対論レベルにおいて,従来幾つかの効率的なMP2計算の手法が開発されているが,それらには一長一短がある.本研究ではそれらの手法の長所を伸ばしつつ,短所を補うことのできる新しいタイプのMP2摂動法であるRILL-MP2法を開発した.非相対論レベルおよび相対論レベルでRILL-MP2法の開発を行った.

これまでのテスト計算により,RILL-MP2法は通常のMP2法と比べ大規模な分子系に対して高速な計算が実現できることがわかった.また,どんな大きさの分子系に対しても,得られる精度は一定で,精度を落とすことなく計算が実現できる.重原子分子への適用の結果も相対論的RILL-MP2法は満足のいく結果を与えることが示されている.
日本文化の教育的特質を活用したキー・コンピテンシーの国際化に関する調査研究

日本文化の教育的特質を活用したキー・コンピテンシーの調査研究として、次の成果を得た。(1)西洋文化に対して、アジアの文化である日本の場合には、認知的側面だけでなく、魂や身体、体験を重視するホリスティックな視点での教育が重要である。こうした全人格的教育は、学校の文化部系の活動や地域との連携における学校行事などの特別教育を通しても行われている。(2)個人の学習における心と精神、身体の「つながり」だけではなく、個人と社会のつながりを重視する縁や連携のためのコミュニケーション、過去から未来への伝統と歴史の教育が文化的コンピテンシーを育成する上で重要であり、前者はコミュニケーション教育、後者はナラティヴ学習という形態の枠組みの中でとらえていく必要がある。(3)eポートフォリオのようなICTを活用することによって、コミュニケーションやナラティヴの力を育てることができる。OECDが2003年に提唱したキー・コンピテンシーは、人々が今後の社会を生きる上で必要な力であり、世界の教育政策の重要な理念として提示された。日本でも青少年の「生きる力」や国民が生涯にわたり身につけるべき「総合的な力」(平成20年中央教育審議会答申)の重要性が指摘され、PISAやPIAACなど国際調査の基礎概念となっている。そこで、本研究は、1)従来外国人研究者により高く評価された日本文化の教育的特質を、キー・コンピテンシーにおける集団での協働力(和の精神)と自律的な力(自主自立)の二つの視点から調査・分析し、2)各国独自の教育文化と比較して国際的に活用可能な尺度や教育内容を提案し、今後のコンピテンシーの国際標準化に貢献する一方、3)日本文化の教育的特質の比較優位性を探り、国際競争社会を生きるための日本の教育政策立案に有効な資料を得ることを目的とする。そのため、本年度は、次の研究を行なった。(1)日本文化の教育的特質に関する文献資料の収集を中心にした理論の研究(2)日本の教育的特質に関する研究会の開催:米国の成人教育の専門家を招聘し、アジアにおける成人教育の文化的特質に関する講演会を開催し、その理論的特質についての研究成果を公刊した。(3)全国の伝統的な教育活動調査:全国各地に残る伝統的で非定型的な教育の実態として、藩校の伝統を残す学校教育を対象にして、伝統的な教育を継続している地域の実態調査として、全国藩校サミットや邦楽教育の調査を行なった。(4)国際機関との共同による教育の文化的差異性に関する資料収集のため、OECDとユネスコ生涯学習研究所への訪問面接調査を行なった。世界の教育政策の重要な理念として提示された。(1)日本文化の教育的特質に関する文献資料の収集を中心にした理論の研究(2)日本の教育的特質に関する研究会の開催:米国の成人教育のうち、自律的な力としてのナラティヴに関する研究会を開催し、その理論的特質についての研究成果をまとめた。(3)全国の伝統的な教育活動調査:全国各地に残る伝統的で非定型的な教育の実態として、全国の高校を対象に文化系の活動に関するウェッブ調査を実施し、約1000校の回答を得た。(5)前年度に実施したキー・コンピテンシーに関するポニトフォリオの実験研究の成果を国際Eポートフォリオ学会で発表した。さらに、米国及び韓国から、自律的コンピテンシーであるナラティヴ学習の専門家3名を招聘し、本研究の発展的テーマとして、「物語の力を育むナラティヴ学習」と題する国際シンポジウムを10月に開催、国内からは、関西大学と共同でテレビ会議で討論を行った。

そこでは、米国におけるナラティヴと変容的学習、韓国のライフヒストリー、職業人のライフヒストリーの特色、そして代表者自身から、ナラティヴが育む物語の力としての発表を行い、研究成果について広く多数の教育専門家からの意見を交換した。また、最終年度として、三年間の研究をとりまとめを行い、2003年に刊行された『キー・コンピテンシー』の提言以後のEU諸国のキー・コンピテンシーや二十一世紀スキルの動向、及び、eポートフォリオを中心とした日本の地域文化を活かした生涯学習事業に関する22年度24年度の国際学会発表のまとめ、2223年度に行った高校の文化系サークルを対象とした調査結果、24年度に行ったシンポジウムのまとめを報告書として作成し、WEB掲載の予定である。研究の目的である協働力については、和の精神の文化についての研究を進め、研究書として刊行したとともに、全国の高校の伝統的な文化系サークルの活動実態のデータを収集した。また、自律的な力としてのナラティヴの研究については、理論的な基盤を固め、24年度においてさらに専門家との国際シンポジウムで報告の予定である。また、具体的なプログラムとしてのeポートフォリオについては、富山大学及び富山インターネット市民塾の協力を得て国際学会での発表を行った。さらに、現在eポートフォリオについては発展的な課題として、各国の比較と日本における事例研究を進めている。24年度が最終年度であるため、記入しない。日本文化の教育特質として、キー・コンピテンシーの自律的な力としてはナラティヴの研究へ深化しており、各国毎のナラティヴの実践の相違を明らかにする。また、自律的な力と協同力を活用するeポートフォリオのプログラムについても、日本の独自性の分析を進めていく。さらに、高校の文化系サークル活動の分析を行うことで、日本の教育において。日本の文化がどのように教えられ、生徒たちの実践的な活動となっているかを考察する予定である。以上の実践をとらえる文化論と教育を結ぶ枠ものとして、コンピテンシーを文化論の視点からとらえたジェローム・ブルーナーの理論的枠組みを整理し、その枠組みから、日本の優位性を明らかにしていく。
暑熱環境における高齢者の認知機能低下と脳血流量との関係

本研究の目的は「暑熱環境下において、高齢者では認知活動遂行中の脳血流の増加が抑制され、認知機能が低下する」という仮説を検証することである。2018年度は若年者と高齢者の横断研究を実施した。若年者14名および高齢者14名を対象とした。測定は平常体温および軽度高体温の2条件で実施した。水循環スーツに34°Cの水を流して平常体温条件での測定を行った後、循環水を45°Cにした水循環スーツと、42°Cの足浴によって食道温を1.0±0.1°C上昇させ、軽度高体温とした。両条件において、音刺激によるオドボール課題を実施し、事象関連電位のP300成分を分析した。また、食道温、皮膚温、頸部動脈の血流量、中大脳動脈血流速度、心拍数、血圧、温熱感覚および熱的快適性を測定した。P300成分が得られた若年者11名、高齢者7名で分析を行った。食道温は受動加温によって、若年者、高齢者ともに、1.0±0.1°C上昇した。オドボール課題に対する反応時間は、若年者高齢者ともに軽度高体温時に短縮した(p<0.05)。P300の潜時は体温によって変化せず、また、年齢による影響も認められなかった。一方、P300成分の振幅には年齢と体温に有意な交互作用が認められ、軽度高体温時では、高齢者の振幅は若年者と比較して小さくなった(p<0.05)。これらの結果から、高齢者では軽度な暑熱ストレスによって認知処理機能が低下する可能性が示された。中大脳動脈血流速度のデータが十分ではなく、認知機能低下と中大脳動脈血流量の変化との関連は明らかとはならなかった。若年者と高齢者の横断実験を行い、次年度につながる成果が得られたため。2019年度は高齢者において運動介入による縦断研究を行い、加齢と体力との関係を明らかにする。高齢者のTCDによる脳血流速度測定では、測定姿勢を調整し十分なデータが得られるようにする。本研究の目的は、「暑熱環境下において、高齢者では認知活動遂行中の脳血流の増加が抑制され、認知機能が低下する」という仮説を検証することである。H29年度には高齢者の横断研究を行う予定であったが、H30年度に計画していた若年者の横断研究を先に実施した。脳波計と事象関連電位解析ソフトを新たに導入し予備実験を行ったところ、脳波データにノイズが入ることが判明した。そこで実験室や機器の配置や配線、実験時間等を変えて6回実験を行い条件を検討したところ、最終的に、実験中の食道温および皮膚温の記録に使用している体温計測システムを別のデータロガーに変更することで、ノイズの消去が可能となった。本実験は、健康な若年者8名および高齢者4名を対象に平常体温および高体温の2条件で実施した。水循環スーツに33°Cの水を流して30分以上維持した(平常体温)後、スーツの循環水を45°Cに上げ、42°Cの足浴を行うことによって食道温を1.0±0.1°C上昇させた(高体温)。両条件において、食道温、皮膚温、頸部動脈の血流量、音刺激による事象関連電位のP300成分および中大脳動脈血流速度、心拍数血圧、温熱感覚、熱的快適性を測定した。若年者では、認知課題に対する反応時間およびP300の潜時が高体温時に短縮する傾向を示した。中大脳動脈血流速度は現在分析を進めており、高体温では平常体温よりも高値を示し、認知課題実施中には増加する傾向が認められている。しかし、血流速度の分析が不可能な被験者もおり、追加実験が必要である。実験系を確立し、若年者と一部高齢者の実験も開始しており、次年度につながる成果が得られたため。

これらの結果から、高齢者では軽度な暑熱ストレスによって認知処理機能が低下する可能性が示された。中大脳動脈血流速度のデータが十分ではなく、認知機能低下と中大脳動脈血流量の変化との関連は明らかとはならなかった。若年者と高齢者の横断実験を行い、次年度につながる成果が得られたため。平成30年度は、若年者の被験者を追加して実験を行う。また、高齢者の横断研究を行い、認知活動時の脳血流量変化と、加齢および体力の関係性を明らかにする。高齢者ではTCDによる脳血流速度の測定が困難な被験者が多数存在すると予想されるため、被験者募集時に測定可能かどうか確認する必要がある。2019年度は高齢者において運動介入による縦断研究を行い、加齢と体力との関係を明らかにする。高齢者のTCDによる脳血流速度測定では、測定姿勢を調整し十分なデータが得られるようにする。温度計測システムの購入を予定していたが、脳波へのノイズの要因となったことから機種を検討するために購入を見合わせ、借用によって対応したため。次年度は温度データロガーや実験に関する消耗品の購入、被験者謝金および研究成果発表の学会参加費等に使用する。2019年度始めに参加した国際学会の大会参加費について、2018年度分から支出予定としていたものが、2019年度分から支出すると変更されたため。該当学会参加費として使用する。
確率微分方程式の数値解における擬似乱数生成と安定性の解明

本研究では,数学定数であり超越数でもある円周率πの数値表現を,擬似乱数生成に用いる提起を行い,その実現のため数値的な検証を行った. πの超多数桁10進表現を適宜な桁数ごと区切ったのち規格化し, [0,1]区間に分布する一様乱数とみなしたとき,他の生成法と比較して統計的優劣があるかどうかを検定した.この結果, πを用いる方法は他の方法と比較して決して劣ることはなく,むしろいくつかの優位さが見られることを示した.本研究では,数学定数であり超越数でもある円周率πの数値表現を,擬似乱数生成に用いる提起を行い,その実現のため数値的な検証を行った. πの超多数桁10進表現を適宜な桁数ごと区切ったのち規格化し, [0,1]区間に分布する一様乱数とみなしたとき,他の生成法と比較して統計的優劣があるかどうかを検定した.この結果, πを用いる方法は他の方法と比較して決して劣ることはなく,むしろいくつかの優位さが見られることを示した.本研究課題に直接関係する研究成果については,円周率の数値表現を利用する擬似乱数生成法に関して,考察と比較数値実験結果をまとめ,2007年7月ベルリン工科大学におけるセミナーおよび2008年2月京都大学情報学研究科におけるセミナーで口頭発表を行い,それぞれの出席者による積極的討論を受けた.また,確率微分方程式における数値的安定性,特にMS安定性との関係についても考察を進め,研究分担者である齊藤と共著論文を著すとともに,討論を継続している.同時に,離散変数法の視野を広げ,その可能性を広げるため"先読み"線型多段階法(Look-ahead linear multistep methods)と称する新しいクラスを提唱し,その初歩的な考察を行って,収束性・安定性に関して口頭発表を行った.安定性は確実に向上させることができるが,その解析方法は従来よりかなり複雑になり,有効な手段を模索している.一方,遅延微分方程式の数値的安定性解析に関しては,上海師範大学の研究グループとの共同研究で,その特性方程式に対して有効な新しい解析方法を見出して,共著論文を刊行することができた.離散変数法の実装において大きな課題である,線型化部分,特に大規模化した線型部分の反復解法としてはKrylov部分空間法が有力であるが,その効率化,特に並列計算を意識した効率化について,共同研究者である中村真輔と考察を進め,非対称行列の場合にもpre-fetchと名づけたアルゴリズムについて,その構成と実現を行って,共著論文を刊行した.この間の研究は,離散変数法の解析を前進させることができたと信じている.この研究課題については,数学定数であり超越数でもある円周率πの数値表現を,擬似乱数生成に用いるという提起をし,その実現のため数値的な検証を行った.すでに知られているπの超多数桁10進表現を使い,それを適宜な桁数ごと区切ったのち規格化し,[0,1]区間に分布する一様乱数とみなしたとき,他の生成法と比較して統計的優劣があるかどうかを検定した.方法としては米国NIST提唱の組織的な方法と,擬似乱数生成を確率微分方程式の数値解に使うことを意図であるのを考慮し,モンテカルロ数値積分によっても検定した。この結果,πを用いる方法は他の方法と比較して決して劣ることはなく,むしろいくつかの優位さが見られることを示した.この結果は同志社大学理工学研究報告第49巻(2008),160-168.頁に公表した.今後の課題としてはπによる擬似乱数生成を高速化することであり,それには生成アルゴリズムの並列化が有効との見通しをもっている.πの16進数値表現を桁ごとにほぼ独立に計算できるアルゴリズム(BBPアルゴリズム)の活用が目標となる.この課題はまだ進行中である.また確率微分方程式の数値的安定性に関しては,中国・北京のG. -Da HuとQ. Zhuと共同研究を行い,制御工学の観点も導入した研究で成果を得て,現在学術論文を投稿中である.関連する微分方程式の数値解析に関して,中国・上海のJ. -X. Kuang, H. -J. Tianとの共同研究で,中立型遅延微分方程式(neutral delay differential equations)の線型安定性解析において特性方程式の根判別に関する新しい結果を導き,この基準を数値安定性解析にも応用した成果を収めた.この結果はJ. Comput. Appl. Math.,第223巻(2009),614-625頁に掲載された.
量子パンルヴェ系の表現論的研究

任意の対称化可能一般カルタン行列に付随するワイル群双有理作用で生成されるτ函数の量子化を構成した。たとえば、一般カルタン行列がアフィンA_2型ならば量子化されたτ函数は量子パンルヴェIV方程式のτ函数になる。古典版のτ函数は従属変数に関する多項式になる。その結果の量子化を証明した。すなわち、量子化されたτ函数は量子化された従属変数に関する多項式になることを示した。その証明にはカッツ・ムーディ代数の表現のBGG圏における平行移動函手を用いた。以上の構成は量子群を用いて、q差分版の場合に拡張される。2011年度に対称化可能GCMに付随するワイル群双有理作用で生成されるτ函数についてその量子化の方法を発見した。すなわち、パンルヴェ方程式およびその一般化において重要な役割を果たしているτ函数のある広いクラスの量子化に初めて成功した。τ函数の基本的な性質は正則性である。ワイル群双有理作用で生成されるτ函数は多項式になるという強い正則性を持っている(野海・山田の結果)。同じ結果が量子化された場合(より正確に言えば正準量子化かつq差分化された場合)にも成立していることを示すことにもすでに成功している。2012年3月の学会でその結果について講演した。2012年6月にはワイル群で生成される量子τ函数の多項式性の証明を書き上げ、プレプリントとして発表した。ソリトンの佐藤理論によればτ函数は行列式で表わされる。行列式はその成分の多項式である。ワイル群で生成される(古典)τ函数の多項式性は本質的にそのような筋道で証明される。ところが一般に非可換行列式は成分の非可換有理函数になるので、量子化された場合のτ函数の多項式性を同様の方法で証明することは困難である。しかし実は表現論におけるtranslation functorの理論から量子化された場合のτ函数の多項式性を導くことができる。τ函数と表現論のこのような関係についても今まで誰も気付いていなかったものと思われる。2012年9月の学会ではA型の場合の量子化されたワイル群双有理作用のSato-Wilson表示について講演した。その結果からA型の場合に量子τ函数が非可換行列式で表わされることが導かれる。2013年3月の学会では、mとnが互いに素な2以上の整数であるとき、ある種の複雑なq交換関係で定義されるmn個の元から生成される斜体にA型の拡大アフィンワイル群の直積が自然に作用することを発表した。2013年度までに達成された研究結果はワイル群双有理作用の立場から量子化されたτ函数の理論である。(1)任意の対称化可能一般カルタン行列に付随する野海・山田の意味でのワイル群双有理作用の量子化をτ函数も含めて達成できた。(2)その意味での量子τ函数が従属変数の非可換多項式になるという定理(量子τ函数の正則性)を証明できた。野海・山田は量子化される前の古典τ函数の正則性(多項式性)をソリトンの佐藤理論(τ函数を行列式で表示する理論)の一般化を用いて証明した。量子版の証明は全く異なる。カッツ・ムーディ代数の表現のトランスレーション函手でヴァーマ表現がヴァーマ表現に移されるという結果を用いて、量子τ函数の多項式性が証明される。(3)A_∞型の場合には量子τ函数への作用も含めてワイル群双有理作用の佐藤・ウィルソン表示を構成した。そのことから、その場合の量子τ函数はヤコビ・トゥルーディ型の非可換行列式表示を持つことがわかる。しかし、一般に非可換行列式は成分の非可換多項式ではなく、成分の非可換有理函数になるので、それによって量子τ函数の多項式性の証明は得られない。2014年2月15日で開催された第9回駒場幾何学的表現論と量子可積分系のセミナー(東京大学大学院数理科学研究科002号室)では午後2時から5時にかけて以上の結果の総まとめになるような講演をした。そしてその後の議論で、以上の結果は古典的にはほぼ「射影曲線上の原点に確定特異点、無限遠点に不確定特異点を持ち、他に特異点を持たないような有理接続のモノドロミー保存変形」の場合に相当すること、一般にモノドロミー保存変形の量子化は共形場理論になることなどについても話した。平成23年度にワイル群双有理作用に付随するτ函数の量子化に成功した。その結果を平成24年3月に日本数学会の一般講演で発表した。古典パンルヴェ系の理論ではτ函数は中心的な役割を果たしているが、τ函数の量子化には誰も成功していなかった。そもそもτ函数のポアソン構造についてさえ誰も真剣に考えていなかった。筆者は「パンルヴェ系の量子τ変数をパラメーター変数の正準共役変数のexponentialと定義すれば古典の場合に成立していたワイル群対称性に関する主要な結果が量子の場合にも再現される」ことを発見した。量子τ函数は古典の場合と同様に量子τ変数へのワイル群を作用させた結果として定義される。古典τ函数はパンルヴェ系の従属変数について多項式になるという正則性を満たしており、そこからパンルヴェ系の多項式τ函数解(岡本多項式など)の存在も導かれる。量子τ函数も同様の正則性を満たしていると予想される。

筆者は対称化可能一般カルタン行列(GCM)に付随する(q差分版ではない)量子τ函数の正則性が対応するカッツ・ムーディー代数の表現論におけるtranslation functorのある公式(ヴァーマ表現がヴァーマ表現に移されるというタイプの公式)に帰着されることを発見した。これはτ函数の理論と表現論におけるtranslation functorの理論を結び付けるかなり意外な発見である。量子τ函数の正則性から古典τ函数の正則性が古典極限を取る手続きによって得られる。この証明の方針は古典τ函数の正則性の証明としても真に新しい。さらに筆者はGCMがA型の場合には量子τ函数へのワイル群作用のラックス・佐藤・ウイルソン表示も構成している。2014年度までに量子化されたτ函数の理論に関する以下の理論を完成・発展させた。(1)任意の対称化可能一般カルタン行列に付随する野海・山田が構成したワイル群双有理作用を正準量子化し、その作用で生成されるτ函数の量子化にも成功した。この仕事は古典τ函数のケースにτ函数を含むポアソン構造が特定されていなかったので、その意味での新しい。τ変数は単純コルートに対応するパラメーター変数の正準共役変数の指数函数であるとみなされる。(2)正準量子化されたワイル群双有理作用で生成された量子τ函数たちが従属変数に関する非可換多項式になるという結果を証明できた。対応する古典τ函数の多項式性は野海・山田によって証明された。方法は古典と量子の場合では全く異なる。古典τ函数の多項式性は本質的に行列式がその成分の多項式になることに帰着する。(カッツ・ムーディ代数に一般化された場合には基本表現の最高ウェイトベクトルへの群作用の最高ウェイト空間への射影が群上の多項式函数になることを使う。)一般に非可換行列式は成分の非可換多項式ではなく、非可換有理函数になってしまう。だから、量子τ函数の多項式性の証明には別の方法を見付ける必要があった。量子τ函数の多項式性は表現論における平行移動函手とワイル群作用の整合性に帰着する。(3)A_∞型の場合に量子τ函数への作用を含む量子化されたワイル群双有理作用の佐藤・ウィルソン表示を構成した。そのアフィンA型への簡約から、本研究で構成された量子τ函数は射影直線上の有理接続で原点の確定特異点と無限遠点の不確定特異点のみを特異点に持つもののモノドロミー保存変形に付随するτ函数の量子化の一般化になっていることがわかる。このケースはパンルヴェII、IV、V型方程式を含んでいる。以上の理論はすべて量子展開環(量子群)の場合にも一般化されている。2015年度にはパンルヴェ系のτ函数の量子化について秋の日本数学会の無限可積分系セッションで特別講演した。特別講演の内容は以下の通り。任意の一般カルタン行列に付随するワイル群双有理作用とそのτ変数への作用によって生成されるτ函数(野海・山田の仕事)の適切な量子化を構成した。古典τ函数は従属変数に関する多項式になるが、量子τ函数も量子従属変数に関する非可換多項式になる。この量子版の多項式性の結果はかなり非自明であり、表現論におけるtranslation functorsを用いて証明される。そして、その多項式性の結果はτ函数の量子化の処方箋が正しいことを保証していると考えることができる。通常の微分版の場合の量子化はカッツ・ムーディ代数を用いて構成される。より複雑で興味深いのはq差分版のワイル群双有理作用の量子化である。
加齢，メタボリック症候群及び発癌におけるmiR-301aの機能解析

加齢と悪性腫瘍は,ゲノムDNAの異常及び遺伝情報の転写翻訳の過程(epigenetics)の異常を介して密接に関連していることが指摘されている.また,人口の高齢化に加えて,悪性腫瘍のリスク因子であるところのメタボリック症候群も増加している.加齢,メタボリック症候群と両者を背景とする発癌メカニズムの解明が現在の課題となっている.申請者らは2014年に,ラット肝臓の加齢と相関するmiRNAとしてmiR-301aを同定している.また予備的実験にて,マウスの非アルコール性脂肪性肝炎の発症とmiR-301aとの相関を示すデータを得た.さらに,外科的に切除されたヒトの消化管間葉系腫瘍(GIST)の腫瘍組織において,miR-301aが正常組織に比べて10倍以上もの過剰発現をしていることを示すデータも得ている.申請者らは,miR-301aが加齢・メタボリック症候群及び悪性腫瘍の病態進展に関与しているものと考えた.そして,遺伝子組み換えマウスを用いて,miR-301aが関与する種々の病理学的な機構を解明する計画を立てた.まず,microRNA-301aの前駆体を野生型のC57BL6/Jマウスに導入し,Transgenic mouse(Tg)を作出した.Tgは48週齢の時点で,同腹の陰性マウスに比べて,小腸におけるmicroRNA-301aの発現が有意に高かった.当該Tgは,加齢におけるmicroRNA-301aの機能解析のモデル動物となる可能性が示唆されたと考えられる.しかし予算の制約があり,これ以上の解析は困難と判断し,当該Tgによる検討は中止した.本研究とは別に,研究分担者が,市販のがん細胞株及びマウスを用いて,薬物による腫瘍の増殖抑制効果にmiR-301aが関連していることを検証し,成果を三題の論文にまとめ,英文誌に発表した.加齢,メタボリック症候群及び発がんにおけるmiRNA-301aの機能解析の研究基盤を構築することを目標として,まずは当初の予定通り,miR-301aのノックアウトマウスを作出することを検討した.しかし,miR-301aをノックアウトすると当該マウスが胎児期に死亡してしまい,出生できない(胚性致死),との報告が,海外の遺伝子組み換えマウスデータベースにあった(miRKO Knockout Pipeline Database).この報告内容を勘案すれば,miR-301aのノックアウトマウスを母マウスより出生させることに成功する確率は,著しく小さいと考えられた.ここで研究方針の変更を検討した.まず考えられたのは,ある一つの臓器においてのみmiR-301aがノックアウトされたマウス(コンディショナルノックアウトマウス)を作出するという選択肢であった.しかしこの選択肢は計画の2倍ほどの予算が必要となることから断念した.次に検討した選択肢は,miR-301aのトランスジェニックマウスの作出であった.トランスジェニックマウスであれば,当該研究課題の予算で試行可能であった.そこで,ユニーテック株式会社に委託し,miR-301aの発現プラスミドをマウス由来のES細胞にinjectionし,トランスジェニックマウスの作出を試みた.2016年12月に発現プラスミドのinjectionを施行したES細胞から,14匹のマウスが得られた.しかし,この14匹のマウスの遺伝子を解析した結果,いずれのマウスにもmiR-301の発現プラスミドは組み込まれていなかった.2017年4月に,ES細胞に対するmiR-301aの発現プラスミドのinjectionを再度行った.このES細胞から8匹のマウスが得られた.この8匹のマウスにmiR-301aが組み込まれているか否か,4月末に遺伝子解析を行う予定である.当初の計画ではmiR-301aのノックアウトマウスの作出を試みる予定であった.しかし,海外において進行しているmiRNAのノックアウトマウスの作出プロジェクトにおいて,miR-301aのノックアウトマウスの作出が失敗に終わっていることを勘案し,計画を変更した.現在はmiR-301aのトランスジェニックマウスの作出を試みている.本研究はmiR-301aの機能解析を目的として,1) miR-301aの前駆体の遺伝子組み換えマウスを作出すること,2)作出されたマウスの表現型解析,3)作出されたマウスを用いた幾つかの追加実験を課題としている.当初はmiR-301a前駆体のノックアウトマウスを作出し,その後の研究に供する計画であった.しかし,遺伝子組み換えマウスの国際プロジェクト(the Keck miRNA nockout Project)において,過去にmiR-301aの作出に失敗したことが報告されていた.そのため,作出のより容易なトランスジェニックマウスに方針を変更した.miR-301aのトランスジェニックマウスの作出をユニーテック株式会社に委託し,2018年1月に当該マウスが納品された.初代トランスジェニックマウス(F0)から数えて三代目(F2)の雄マウスを当科にて野生型雌マウスと交配させ,産仔29匹のうち8匹の組み換え遺伝子陽性マウスを得た.miR-301

a前駆体のトランスジェニックマウスの作出例については,当科で文献を調べた限りではまだ報告されていない.本年度の成果は,基礎研究におけるマウス資源に寄与するものである.また,in vivoでmiR-301aの機能を解析する際の有用な研究材料となる.なお,the Keck miRNAnockout Projectの最新の報告によれば,海外の研究者がmiR-301aのノックアウトマウスの作出に成功したとのことである.本研究において,ノックアウトマウス作出の方針をトランスジェニックマウス作出の方針に改めた結果,ノックアウトマウスの重複を避けることができた.遺伝子組み換えマウスは作出に失敗することも少なからずあるが,本研究においては,miR-301aの前駆体のトランスジェニックマウスの作出に成功し,かつ野生型マウスとの交配・継代も順調である.加齢と悪性腫瘍は,ゲノムDNAの異常及び遺伝情報の転写翻訳の過程(epigenetics)の異常を介して密接に関連していることが指摘されている.また,人口の高齢化に加えて,悪性腫瘍のリスク因子であるところのメタボリック症候群も増加している.加齢,メタボリック症候群と両者を背景とする発癌メカニズムの解明が現在の課題となっている.申請者らは2014年に,ラット肝臓の加齢と相関するmiRNAとしてmiR-301aを同定している.また予備的実験にて,マウスの非アルコール性脂肪性肝炎の発症とmiR-301aとの相関を示すデータを得た.さらに,外科的に切除されたヒトの消化管間葉系腫瘍(GIST)の腫瘍組織において,miR-301aが正常組織に比べて10倍以上もの過剰発現をしていることを示すデータも得ている.申請者らは,miR-301aが加齢・メタボリック症候群及び悪性腫瘍の病態進展に関与しているものと考えた.そして,遺伝子組み換えマウスを用いて,miR-301aが関与する種々の病理学的な機構を解明する計画を立てた.まず,microRNA-301aの前駆体を野生型のC57BL6/Jマウスに導入し,Transgenic mouse(Tg)を作出した.Tgは48週齢の時点で,同腹の陰性マウスに比べて,小腸におけるmicroRNA-301aの発現が有意に高かった.当該Tgは,加齢におけるmicroRNA-301aの機能解析のモデル動物となる可能性が示唆されたと考えられる.しかし予算の制約があり,これ以上の解析は困難と判断し,当該Tgによる検討は中止した.本研究とは別に,研究分担者が,市販のがん細胞株及びマウスを用いて,薬物による腫瘍の増殖抑制効果にmiR-301aが関連していることを検証し,成果を三題の論文にまとめ,英文誌に発表した.miR-301aのトランスジェニックマウスが作出されれば,当該マウスを用いた表現型解析を行う.また肥満誘導食を用いて,メタボリック症候群におけるmiR-301aの関与を検討する.現在出征している8匹のマウスを2017年4月末に解析した結果として,遺伝子組み換えに成功したマウスが1匹も存在しなかった場合は,マウス個体の遺伝子組み換えによる研究計画を変更し,細胞株においてmiR-301aのノックアウトまたはトランスジェニックを行い,miR-301aの機能解析を進めていく方針である.今後は,組み換え遺伝子陽性マウスと同腹の陰性マウスを8週齢で犠死させ,各臓器におけるmiR-301a及びその前駆体の発現を定量し,比較する.トランスジェニックマウスの作出費用はノックアウトマウスの作出費用より安価であるので,予算に余剰ができている.
気孔の開口を駆動する細胞膜プロトンポンプの活性制御機構の解明

細胞膜プロトンホンプであるH^+-ATPaseは、細胞膜を介したH^+の能動輸送を行う一次輸送体であり、二次輸送体と共役した様々な物質の輸送、細胞の恒常性維持や細胞伸長に重要な役割を果たしている。気孔開口においては、青色光に依存して孔辺細胞に発現するH^+-ATPaseが活性化され、気孔開口の駆動力を形成している。これまでの研究により、H^+-ATPaseの活性化には、自身のC末端スレオニンのリン酸化が必要であり、この活性調節機構は植物細胞を通じた共通の活性化機構であることが明らかとなっているが、このリン酸化を調節するキナーゼとホスファターゼ、また、その他の活性制御因子はほとんど明らかとなっていない。本研究では、H^+-ATPaseの活性制御に関わる因子を同定することを目的とし、H^+-ATPaseの活性が低下した突然変異体、および、活性が亢進した突然変異体のスクリーニングを進め、これらスクリーニングが完了した。さらに、H^+-ATPaseの活性が低下したスクリーニングにおいて単離した変異体の一つE8-4変異体についてさらに詳細な解析を行った。その結果、この変異体では、H^+-ATPaseが正常に機能することが必要である低pH条件下で、根の伸長が野生株と比べ顕著に阻害されていた。また、興味深いことに、この変異体の根では、H^+-ATPaseの発現量には差が見られないものの、通常のpH条件下において、野生株に比べてH^+-ATPase活性、および活性化に必須のスレオニンのリン酸化レベルが顕著に低下しており、この変異体では常にH^+-ATPase活性が低下していることが明らかとなった。現在、E8-4変異株の原因遺伝子の同定に向けてマッピングを進めており、ほぼ、原因遺伝子が同定できた状況にある。今後、原因遺伝子の機能解析を進め、H^+-ATPaseの活性調節の分子機構を明らかにしていきたい。目標としていたH^+-ATPase活性が亢進した突然変異体のスクリーニングを完了することができた。さらに、単離した一つの突然変異体の原因遺伝子の同定をほぼ完了し、新奇の活性調節機構の存在が明らかとなったため。今後、原著論文として報告を速やかに行いたい。一連のスクリーニングで単離した突然変異体の原因遺伝子の同定とその機能解析を進めていく。マッピングによる原因遺伝子の同定では、対象個体にH^+-ATPase活性以外の視覚的な表現型が付随している場合は、比較的スムーズに原因遺伝子を同定することができるが、H^+-ATPase活性のみに表現型が見られる場合、マッピング・ポピュレーションの単離が難しい場合がある。今後、マッピングに変わって、次世代シークエンサーによる原因遺伝子の同定法を取り入れることができれば、スムーズにその同定が進むと考えられ、次世代シークエンサーによる原因遺伝子の同定を行う共同研究先を検討している。植物の表皮に存在する気孔は、植物と大気間のガス交換を調節する。気孔は光に応答して開口し、これは気孔孔辺細胞の細胞膜に存在するプロトンポンプの働きに依存する。プロトンポンプである細胞膜H^+-ATPaseは、C末端のリン酸化を介して活性化されることが明らかとなっているが、このリン酸化を調節する活性制御因子は不明である。この未知の活性制御因子を同定するため、今年度では、主に遺伝学的アプローチにより実験を進めた。EMSで変異処理したシロイヌナズナの変異株約16万株を用いて三種の変異株スクリーニングを行い、細胞膜H^+-ATPase活性が野生株に比べて低下、または増加した変異株を多数単離した。現在、次世代を用いた再現性の確認と、有力な変異株の表現型解析を進めている。有力変異株の中で、根において細胞膜H^+-ATPase活性が低下し、酸性条件下でのみ根の伸長が著しく阻害されるE8-4株について特に解析を進め、原因遺伝子の同定に成功した。この変異株では植物ホルモンのオーキシンの蓄積が根端で低下しており、これがH^+-ATPaseのリン酸化レベルと活性の低下の原因となっていた。この結果は、オーキシンがリン酸化を介してH^+-ATPaseの活性を正に制御することを示している。この内容は、現在学術雑誌への投稿準備を進めている。また、この他にも、幼齢期でのみH^+-ATPaseのリン酸化が損なわれ、活性が低下し、幼い実生の形態が変化している変異株や、光に応答した気孔開口を示さない変異株も数株得られており、詳しい表現型解析と原因遺伝子の同定を進めている。これらの変異株における、H^+-ATPase活性と結びついた多様な表現型は、植物の様々な組織・器官におけるH^+-ATPaseの重要性と、どのように組織特異的にH^+-ATPase活性が制御されているのか、などの新たな知見を提供できると考えられる。

これまでの研究により、H^+-ATPaseの活性化には、自身のC末端スレオニンのリン酸化が必要であり、この活性調節機構は植物細胞を通じた共通の活性化機構であることが明らかとなっているが、このリン酸化を調節するキナーゼとホスファターゼ、また、その他の活性制御因子はほとんど明らかとなっていない。本研究では、H^+-ATPaseの活性制御に関わる因子を同定することを目的とし、H^+-ATPaseの活性が低下した突然変異体、および、活性が亢進した突然変異体のスクリーニングを進め、これらスクリーニングが完了した。さらに、H^+-ATPaseの活性が低下したスクリーニングにおいて単離した変異体の一つE8-4変異体についてさらに詳細な解析を行った。その結果、この変異体では、H^+-ATPaseが正常に機能することが必要である低pH条件下で、根の伸長が野生株と比べ顕著に阻害されていた。また、興味深いことに、この変異体の根では、H^+-ATPaseの発現量には差が見られないものの、通常のpH条件下において、野生株に比べてH^+-ATPase活性、および活性化に必須のスレオニンのリン酸化レベルが顕著に低下しており、この変異体では常にH^+-ATPase活性が低下していることが明らかとなった。現在、E8-4変異株の原因遺伝子の同定に向けてマッピングを進めており、ほぼ、原因遺伝子が同定できた状況にある。今後、原因遺伝子の機能解析を進め、H^+-ATPaseの活性調節の分子機構を明らかにしていきたい。目標としていたH^+-ATPase活性が亢進した突然変異体のスクリーニングを完了することができた。さらに、単離した一つの突然変異体の原因遺伝子の同定をほぼ完了し、新奇の活性調節機構の存在が明らかとなったため。今後、原著論文として報告を速やかに行いたい。一連のスクリーニングで単離した突然変異体の原因遺伝子の同定とその機能解析を進めていく。マッピングによる原因遺伝子の同定では、対象個体にH^+-ATPase活性以外の視覚的な表現型が付随している場合は、比較的スムーズに原因遺伝子を同定することができるが、H^+-ATPase活性のみに表現型が見られる場合、マッピング・ポピュレーションの単離が難しい場合がある。今後、マッピングに変わって、次世代シークエンサーによる原因遺伝子の同定法を取り入れることができれば、スムーズにその同定が進むと考えられ、次世代シークエンサーによる原因遺伝子の同定を行う共同研究先を検討している。
新たな水・電解質代謝調節ホルモングアニリンファミリーの細胞生理・分子生物学的研究

uroguanylin(UG)は、腸と尿から単離された15アミノ酸よりなるペプチドで、腸と腎尿細管の上皮に存在するguanylate cyclase結合C型受容体(GC-C)を活性化し、細胞内cyclic GMPを増加させ、消化管では水・Na^+の吸収抑制とCFTR Cl^-チャネルを介するCl^-分泌を、また腎ではNaCl排泄と利尿を齎らす。ヒトのグアニリンとウログアニリン遺伝子は、第1染色体短腕上に隣接して位置し、約2.5キロ塩基対で3個のエキソンと2個のイントロンより構成される。両遺伝子は6.5キロ塩基対の間隔でタンデムに連結して存在し、遺伝子重複により形成されたと考えられた。5'上流の転写調節領域にはTATAboxやCAATboxのプロモータ領域およびSp1、AP-1、AP-2などの転写調節タンパク結合部位が存在していた。ヒトで経口2%食塩水負荷により、尿中UGは約2.5倍に増加したが、経静脈的NaCl投与では変化なかった。NaCl10g/日の食事摂取ではNaCl7g/日に比べ尿中UGの有意な増加を認めた。ラット経口NaCl負荷で負荷15分後にUG遺伝子発現の増強を認めた。ラット腸灌流では、管腔内NaClに反応して管腔性と血行性にUG分泌が促進された。セロトニン陽性の腸内分泌細胞(EC cell)の管腔側と血管側にUGは染色された。血漿uroguanylin濃度は、心不全の臨床的重症度とよく相関し、心機能を評価する血液マーカーの1つであることを提示した。さらに心不全患者では、前室間静脈と大動脈および冠静脈洞と大動脈の間で血漿uroguanylin濃度の増加を認め、心不全時に心臓からuroguanylinが分泌され、体液負荷を減少させる方向で機能している可能性を示唆した。guanylate cyclase(GC)結合C型受容体(GC-C)は胃、腸、肝臓、副腎、気道の上皮に存在し、その内在性リガンドは共通した2個のS-S結合を持つguanylin(15アミノ酸残基)とuroguanylin(16アミノ酸残基)である。天然型および化学合成したヒトuroguanylinには、cyclic GMP産生能を有する活性型と不活性型の2種類の異性体が存在する。両者の立体構造をNMRにより決定し、その構造的相違について解析した。uroguanylinは13位のアラニンのメチル基を中心とする疎水結合によりGC-Cと結合する。uroguanylinのフォールディングは、主鎖とS-S結合からなる3つのセグメントで構成されており、活性型と不活性型はセグメントの立体配置が異なったトポロジー異性体であることが判明した。トポロジー異性体により、ペプチドの生理活性の発現が異なることが証明されたのは初めてである。複数のS-S結合を有する生理活性ペプチドの基本的物性の解析に、今後重要な示唆を与える。ヒトのグアニリンとウログアニリン遺伝子の塩基配列を決定した。両遺伝子は第1染色体短腕上に隣接して位置し、約2.5キロ塩基対で3個のエキソンと2個のイントロンより構成される。5′上流の転写調節領域にはTATA boxやCAAT boxのプロモータ領域およびSp1、AP-1、AP-2などの転写調節タンパク結合部位が存在していた。

uroguanylin(UG)は、腸と尿から単離された15アミノ酸よりなるペプチドで、腸と腎尿細管の上皮に存在するguanylate cyclase結合C型受容体(GC-C)を活性化し、細胞内cyclic GMPを増加させ、消化管では水・Na^+の吸収抑制とCFTR Cl^-チャネルを介するCl^-分泌を、また腎ではNaCl排泄と利尿を齎らす。ヒトのグアニリンとウログアニリン遺伝子は、第1染色体短腕上に隣接して位置し、約2.5キロ塩基対で3個のエキソンと2個のイントロンより構成される。両遺伝子は6.5キロ塩基対の間隔でタンデムに連結して存在し、遺伝子重複により形成されたと考えられた。5'上流の転写調節領域にはTATA boxやCAAT boxのプロモータ領域およびSp1、AP-1、AP-2などの転写調節タンパク結合部位が存在していた。ヒトで経口2%食塩水負荷により、尿中UGは約2.5倍に増加したが、経静脈的NaCl投与では変化なかった。NaCl 10g/日の食事摂取ではNaCl 7g/日に比べ尿中UGの有意な増加を認めた。ラット経口NaCl負荷で負荷15分後にUG遺伝子発現の増強を認めた。ラット腸灌流では、管腔内NaClに反応して管腔性と血行性にUG分泌が促進された。セロトニン陽性の腸内分泌細胞(EC cell)の管腔側と血管側にUGは染色された。血漿uroguanylin濃度は、心不全の臨床的重症度とよく相関し、心機能を評価する血液マーカーの1つであることを提示した。さらに心不全患者では、前室間静脈と大動脈および冠静脈洞と大動脈の間で血漿uroguanylin濃度の増加を認め、心不全時に心臓からuroguanylinが分泌され、体液負荷を減少させる方向で機能している可能性を示唆した。
光センシング用半導体素子の適用波長域を拡大させる新規材料と転位制御の研究

レーザガスセンシングに適用するための中赤外波長域のレーザ、LED、受光素子の実現を目指し、有機金属気相成長法(MOVPE)を用いた様々な材料、ヘテロ構造の作製、評価を行っている。今年度は伝導帯と価電子帯のバンド端がそれぞれもぐりこんだ形のヘテロ構造となるType-II型のInAs/GaSb超格子のMOVPE法による作製時の組成制御について実験的な検討を行った。中赤外波長域の利得、吸収波長をもつ超格子を作製するには、InAs層、GaSb層を1nm以下から10nm以上まで、様々な膜厚を制御し結晶成長する必要がある。その際に結晶成長炉内の残留ガスによる混晶化が問題になると考えた。具体的にはInAs層にV族のSbが混入し、InAsSbになることや、GaSb層にV族のAsが混入し、GaAsSbになることを想定した。InAsとGaSbの膜厚を1InAsのみを変化させたとき、2GaSbのみを変化させたとき、3InAsとGaSbの膜厚比を一定にして周期厚を変化させたとき、の3グループにわけて超格子を作製し、XRDを用いて周期厚と平均格子定数差を測定した。これに対して、成長炉内の残留ガスが時間に対して指数関数的に減少し、残留分が次の層の成長時に取り込まれると仮定したモデルを作成しこの時定数などをフィッティングパラメータとして実験結果にフィッティングして時定数と取り込まれる組成を算出した。これらの最適化により35ミクロン帯のフォトルミネッセンス発光強度が高い組み合わせを調べ、室温においても発光する構造を見出した。これは室温で動作する発光、受光デバイス実現に有望である。35ミクロン帯の中赤外波長域には一酸化炭素、二酸化炭素や炭化水素ガスの光吸収線があり、この波長帯の高性能で小型のレーザ、受光素子へのニーズは高い。しかしながら材料選択の制限からこれまでこの波長帯域のデバイスは近赤外波長帯などに比べて性能は大幅に劣っていた。本研究では中赤外波長帯域までの長波長化、超広帯域な光源のための多波長集積技術、光センシング応用デバイスの実現を目指している。今年度はInAs基板上において中赤外波長域で発光可能であり、高効率化に必須となる深い井戸型ポテンシャルの形成可能な材料の探索を行った。大きなバンドギャップボーイング(非線形因子)をもつInAsSbを量子井戸材料に用いるともに、バンドギャップが大きなAlGaAsSb障壁層を組み合わせ、両者の格子歪のバランスをとる歪補償構造を導入することで、長波長化と量子井戸の多層化が可能になることをX線回折スペクトルで確認した。また、フォトルミネッセンス測定で3ミクロン帯の発光を確認するなど良好な結晶性を確認した。また様々なセンシング応用に必要な広帯域化については、GaAs基板上の量子井戸の組成、膜厚をあえて不均一にすることで、150ナノメートルを超える半値幅をもつフォトルミネッセンス発光の確認をし、スーパールミネッセントダイオードの試作で電流注入デバイスを実現した。今後は基板の格子定数と異なる材料の集積が可能なメタモルフィック成長を検討し、近赤外から中赤外まで広い範囲のスペクトルを持つ小型で高出力な光源の実現を目指す。計画通り中赤外波長帯域で発光する材料の作製や広帯域な発光スペクトルを有する材料集積に成功しているため。光センシングに適用可能な中赤外波長域の高性能で小型のレーザ、LED、受光素子の実現を目指し、有機金属気相成長法(MOVPE)を用いた様々な材料、ヘテロ構造の作製、評価を行っている。今年度はInAs基板上においてInAsとGaSbの薄膜周期構造からなる超格子をMOVPE法で作製し、X線回折(XRD)によりGaSb層にAsが混入しGaAsSb層となる現象の解明を行った。XRDの結果から超格子の0次ピークの位置がInAs層の厚さに寄らずGaSb層の厚さによって変化するため、InAs層成長後のAsの成長炉内への残留によりGaSb層に取り込まれると推定した。この混入する成分をうまく利用し、また不足分をアルシンガスを流すことで、超格子を格子整合にする条件を見出した。次にこれらの試料の低温でのフォトルミネッセンス測定を行った。InAs+GaAsSbの周期厚を1.5nmから9nmと変化させることで波長2.5ミクロンから5ミクロンまでのフォトルミネッセンスを実現した。さらに電流注入型の発光、受光素子に必要なクラッド層材料の検討を行った。クラッド層材料には基板に格子整合し、バンドギャップの大きいこと、p型、n型にドーピングが可能であることが要求される。この材料として、AlGaAsSbを選択し、結晶性の向上とドーピング条件の最適化を行った。n型はセレン化水素を用いて17乗台(cm-3)の制御が可能であったが、p型はDEZnを用いている範囲では1718乗のドーピングを達成できておらず、今後も検討を続ける。n-AlGaAsSbクラッド層上に前述のInAs/GaAsSb超格子を結晶成長し、フォトルミネッセンス評価を行うと、4ミクロン帯で室温までの発光を確認できた。これは室温で動作する発光デバイス実現に有望であり、p型のクラッド層と合わせたデバイスを時期には実現できるよう検討を続ける。超格子構造を用いて中赤外波長帯で室温までのフォトルミネッセンスを実現しているため。