hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
リニアモータ駆動工作機械による知的加工支援システムの実現

リニアモータ駆動の送り系と静圧案内を持つ高精密マシニングセンタを主な対象として、加工中の送り速度などの加工条件を,オペレータの経験と加工中の修正に頼ることなく,自律的に最適化するシステムを実機上に構築することを目的として研究を行った.そのために必要な制御技術として,特に以下の点について研究を行った.(1)切削抵抗のモニタリング手法の提案・評価:加工中の切削抵抗をサーボモータ電流からリアルタイムでモニタリングするシステムを構築し,ボールねじ駆動・転がり案内を持つ従来型のマシニングセンタ,及びリニアモータ駆動・静圧案内を持つ高精密加工機において,そのモニタリング精度の評価を行った.従来型の機械では,ボールねじや案内面に生じる摩擦がサーボモータ電流に多大な影響を及ぼすため,十分な精度で切削抵抗の推定を行うことは難しい.リニアモータ駆動・静圧案内を持つ高精密加工機では,摩擦が小さいため10N程度の分解能で切削抵抗モニタリングを行うことができ,それを基礎として加工制御システムを実装することが現実的であることを実験的に示した.(2)工具寿命を制御するための加工制御法の提案・評価:切削抵抗のモニタリングを基礎として,その制御を基礎とした加工条件の最適制御法を提案した.工具摩耗の進行に伴う切削抵抗の上昇をモニタリングに基づき工具寿命の予測を行い,希望の工具寿命を得るために送り速度を長スパンでどのように調整すればよいかを決定する制御システムを構築し,その効果を実験的に検証した.(3)工具経路の最適化手法の提案・評価:エンドミル加工に通常用いられる等高線工具経路は,パス形状により工具負荷が変動することが避けられず,形状誤差の原因となる.切削関与角を適切に制御するような工具経路の生成法を提案し,それにより工具負荷を均一化し,形状精度の向上を図ることができることを実験的に示した.リニアモータ駆動の送り系と静圧案内を持つ高精密マシニングセンタを主な対象として,加工中の送り速度などの加工条件を,オペレータの経験と加工中の修正に頼ることなく,自律的に最適化するシステムを実機上に構築することを研究目的とする.特に本年度は,加工状態を知るための重要な情報である,切削抵抗を特別なセンサなどを用いることなく,NC工作機械が従来持つ内部センサのみを使うことによって推定する手法を構築し,それを実機上に実装する研究を行った.提案した切削抵抗モニタリングシステムをリニアモータ駆動,及び静圧案内を持つ高精密加工機,及びボールねじ駆動,転がり案内を持つ従来型の汎用加工機の双方に実装し,両者における切削抵抗モニタリングの精度を比較した.具体的には,特にボールネジとナットの間,及び転がり・すべり案内の摺動面に作用する摩擦が,切削抵抗のモニタリング精度に対して及ぼす影響を定量的に評価し,それらをリニアモータ駆動の場合,及び静圧案内の場合と比較した.その結果,ボールネジ駆動の送り系と転がり案内を持つ加工機では,摺動面に作用する摩擦力の影響がサーボモータの電機子に大きな影響を及ぼし,かつその大きさは運動条件などによって大きく変動するため,200N以下の切削抵抗を,サーボモータの電機子電流から推定することは困難であると結論づけた.一方,リニアモータ駆動,及び静圧案内を持つ高精密加工機では,摺動面の摩擦は非常に小さく,推定誤差10N程度でモータ電機子電流から切削抵抗を推定することを示した.今後は,加工状態のモニタリングを基礎として,切削抵抗制御を基礎とした加工条件制御システムを構築,実機への実装を行う.また,工具パスの最適化など,エンドミル加工の高精度化・高能率化に関連する技術について研究を行う.リニアモータ駆動の送り系と静圧案内を持つ高精密マシニングセンタを主な対象として、加工中の送り速度などの加工条件を,オペレータの経験と加工中の修正に頼ることなく,自律的に最適化するシステムを実機上に構築することを目的として研究を行った.そのために必要な制御技術として,特に以下の点について研究を行った.(1)切削抵抗のモニタリング手法の提案・評価:加工中の切削抵抗をサーボモータ電流からリアルタイムでモニタリングするシステムを構築し,ボールねじ駆動・転がり案内を持つ従来型のマシニングセンタ,及びリニアモータ駆動・静圧案内を持つ高精密加工機において,そのモニタリング精度の評価を行った.従来型の機械では,ボールねじや案内面に生じる摩擦がサーボモータ電流に多大な影響を及ぼすため,十分な精度で切削抵抗の推定を行うことは難しい.リニアモータ駆動・静圧案内を持つ高精密加工機では,摩擦が小さいため10N程度の分解能で切削抵抗モニタリングを行うことができ,それを基礎として加工制御システムを実装することが現実的であることを実験的に示した.(2)工具寿命を制御するための加工制御法の提案・評価:切削抵抗のモニタリングを基礎として,その制御を基礎とした加工条件の最適制御法を提案した.工具摩耗の進行に伴う切削抵抗の上昇をモニタリングに基づき工具寿命の予測を行い,希望の工具寿命を得るために送り速度を長スパンでどのように調整すればよいかを決定する制御システムを構築し,その効果を実験的に検証した.(3)工具経路の最適化手法の提案・評価:エンドミル加工に通常用いられる等高線工具経路は,パス形状により工具負荷が変動することが避けられず,形状誤差の原因となる.切削関与角を適切に制御するような工具経路の生成法を提案し,それにより工具負荷を均一化し,形状精度の向上を図ることができることを実験的に示した.
p波対称性をもつ超流動状態への不純物効果の理論的研究

本年度は、p波をはじめとする異方的(非s波)超流動・超伝導状態における物性の理解を目指し研究を行った。^3Heの超流動状態はp波スピン三重項対凝縮状態であることが知られている。近年、エアロジェルと呼ばれるスポンジ状の多孔質媒質をバルクの液体に入れた実験が行われ、エアロジェル中における液体^3Heの超流動状態が調べられている。我々は、外部から一軸的な圧縮、伸張を加えることで実現される一様な異方的をもったエアロジェル中の超流動相における物性、特に渦構造に注目し理論的考察を行った。バルクのB相における渦芯状態は圧力低下と共にA相からplanar対状態に一次転移することが知られているが、一軸圧縮したエアロジェル中ではA相芯をもつ渦の存在する圧力領域が低圧側まで伸び、逆に一軸伸張の場合はA相芯の渦はほとんど存在できないことが分かった。この顕著な違いは実験で確認できると考えられ、国際学会において実験研究者に提案を行った。超流動^3Heは、高温超伝導体や重い電子系超伝導体といった異方的超伝導のプロトタイプとして古くから研究されてきたが、超伝導の研究が超流動^3Heの物性解明の助けにもなるものと期待される。^3Heの研究で得た物理的考察力や理論手法を生かしながら、異方的超伝導の理論研究を行った。強いパウリ常磁性効果をもつd波超伝導体CeCoIn^5に注目し、この物質特有の磁場誘起の反強磁性揺らぎを考慮した点が本研究の特徴である。GL自由エネルギー導出に基づいた理論解析により、パウリ常磁性が強い状況下では、超伝導渦糸格子状態の磁束分布において、反強磁性揺らぎは磁束の遮蔽効果を強めることを明らかにした。この強い磁束の遮蔽効果は、超伝導の対称性がd波であることに起因しており、実験結果とも定性的に合致した理論結果となっている。本研究は、エアロジェルと呼ばれるスポンジ状の多孔質媒質中における超流動^3Hの物性を研究対象としている。多くの実験はエアロジェル表面を^4Heで覆って行われているが、これはエアロジェル表面に吸着した固体^3He原子と超流動を担う^3Heとのスピンを介した磁気的相互作用を防ぐためであり、通常エアロジェルは非磁性不純物として扱える。この点に着目し、不純物散乱が磁気的であるかそうでないか、つまり^4Heでの覆いがあるかないかで相図にどのような変化があるかを調べた。^4Heの覆いがない場合にはA-like相の存在領域が広がることが分かり、これは実験で検証可能であると考えられる。また、一軸的な圧縮、伸張が加えられた異方的エアロジェル中の超流動相における渦構造の理論研究も行った。エアロジェルに外部から異方性を加えると、エアロジェル内の超流動相には異方的な対状態が出現しやすくなる。等方的なエアロジェル中のA-like相では渦中心はA-like相で構成されているが、同じ状況で、一軸伸張したエアロジェル中A-like相における渦の構造を調べると、渦中心にバルク中では現われない新奇なpolar対状態が出現することが分かった。このとき、渦中心におけるA-like相からpolar相への一次転移が期待される。ここで行われた理論手法はB-like相における渦にも拡張され、一軸圧縮したエアロジェル中B-like相における渦芯の転移はバルクとは顕著に異なる振る舞いを示すことが分かった。これら一軸異方性が誘起する渦芯転移は、今後実験で観測されるのではないかと期待している。
土壌特性の解析による地雷検知センサ性能評価とその応用

本研究は地雷除去活動で最も広く使われている金属探知機と、これから広く使われることが期待される地中レーダについて、その性能評価の手法を開発することを目的とした。地中レーダのデータが土壌誘電率の不均質分布によって劣化する影響についてモデル計算を行い、ある特定の周波数において空間分布のパターンが大きな影響を持つことを明らかにした。また、金属探知機に関して、土壌帯磁率より土壌に対する応答を計算する手法を開発し、金属探知機の埋設物検知性能に対する土壌の評価を行えるようになった。さらに、これら土壌の電気・磁気的特性を精度よく測定できる手法の開発を行った。当該年度では、不均質土壌の統計的特性とその地中レーダへの影響について、さらに詳細な考察を行った。前年度までは、不均質土壌をモデル化し、それによる散乱の大きさを異なる土壌へ適用した結果についての考察を行っていた。モデル計算による電波の散乱量と実際に観察された散乱量を比較することにより、モデルの適用性を評価できた。そこで、平均比誘電率・比誘電率の変動量・比誘電率の相関長を変化させながら様々な土壌不均質特性に適用し、変動量と相関長のうちどちらの分布特性がどのくらい電波の散乱に寄与しているのかについて評価を行った。その結果、ほとんどの場合において誘電率の変動量が大きく寄与するが、観測している電波の波長が土壌不均質の相関長の整数倍となるときに、相関長すなわち空間分布のスケールの寄与が大きくなることを示した。散乱量に対して変動量と相関長は複雑に関係しているため、どちらか一方の特性のみの比較による不均質土壌の地中レーダ性能に対する評価は難しく、よって本研究課題で提案しているモデル化した散乱量による評価法が有効であることを示した。上記に加え、土壌特性を高精度に推定するために、既存の同軸管法を改良した測定法およびそのデータ解析の理論検討を行った。また、前年度に引き続き、コモン・ミッド・ポイント(CMP)測定法でのデータ解析手法の開発、および地上設置型合成開口レーダ(GB-SAR)における基本性能の検討・評価を行った。地中レーダ特性と不均質土壌評価法について地雷検知に関する部分は、クロアチアで行われた地雷除去技術の国際会議に参加し、研究成果の発表および最新技術や動向についての情報収集を行った。当該年度では、不均質土壌が地中レーダに及ぼす影響についてさらに詳しく観察および考察を行った。不均質土壌はクラッタ(不要反射波)という形で地中レーダによって観察され、その強度によって地中レーダが本来観察したいものの検知率や画像化時の鮮明度が変化する。前年度までの研究では、そのクラッタが土壌の不均質度によって変化することを実験的、理論的、さらに数値計算によって明らかにしていた。また、このような不均質土壌と地中レーダ性能の関係を考慮し、土壌電気的特性の不均質度を評価することで、地雷除去作業における定性的な地中レーダ性能評価の例を示していた。そこで当該年度では、本研究課題において開発した土壌不均質度から土壌による電波の散乱強度を計算するモデルを用い、土壌による散乱電波(すなわちクラッタ)の強度と地中レーダによる地雷検知性能の関係を示した。これは、数種類の土壌で測定した電気的性質よりこれらの土壌におけるクラッタ強度を計算し、また、同時に同土壌おいて試験を行った地中レーダの地雷検知率を比較して得られたものである。このことにより、土壌評価により地中レーダ性能の定量評価が可能であるということを示した。当該年度ではさらに、将来的に土壌評価に応用できると考えられるコモン・ミッド・ポイント(CMP)測定法における媒質電気的特性の推定精度向上に寄与するデータ解析手法の開発、および地上設置型合成開口レーダ(GB-SAR)においてその基本的性能の検討、評価を行った。不均質土壌における誘電率の空間統計的性質と地中レーダへの影響について、前年度まで実施した研究の成果を論文としてまとめた。その結果、誘電率の変動量が大きく寄与していることがわかり、地中レーダの性能評価や土壌中での電波のふるまいを理解するためには、土壌の誘電率を正確に知ることが必要であるということを示した。そこで、土壌の誘電率をはじめとする電気的特性を測定する一つの方法である同軸管法のデータ解析手法の開発にも取り組んだ。この手法では、ネットワークアナライザで測定したデータから電気的特性を計算する際に数値計算を用いた逆解析を利用する方法で、土壌サンプルの測定においては従来の解析手法よりも精度の向上が期待できる。本研究課題では、数値解析による順計算までの開発が済んだ。金属探知機に対する土壌磁気特性の影響に関する解析・考察を行った。金属探知機はいまだ最も一般的に用いられている地雷検知センサであり、その性能に関する解析に対する地雷除去機間の関心は非常に高い。本研究では、土壌帯磁率の測定値より金属探知機の時間応答を数値計算する手法を開発し、各土壌における金属探知機の誤検知率の推定に活用することができる。

さらに、平成26年9月に噴火した御嶽山において、警察が金属探知機を用いた捜索活動を行っていたが、埋没物以外にも反応してしまうということで、研究に用いている地雷検知用金属探知機の貸与、さらに現地で採取してもらった火山灰サンプルの解析を行った。上記の研究成果は、国内外の学術会議における発表だけではなく、南アフリカ、モザンビーク、トルコで行われた地雷除去機間が集まる会議において発表を行った。地球物理学本研究課題の目標である地中レーダ性能の推定法に関しては、定量的な評価ができる見込みがついており、さらに土壌不均質特性と電波散乱の関係に関する考察も行ったことで、この点に関しては当初の目標をほぼ達成したといえる。土壌特性の測定法についてはさらに研究を進める必要があり、次年度で重点的に実施する。本研究課題では、特に地雷除去作業で有益である地中レーダ性能の推定法開発を目的としている。土壌特性測定を用いた信頼性の高く科学的な評価法の開発では、定量的な評価が不可欠であるが、ここまでの研究においてその可能性を示すことができたことの意義は大きい。また、土壌特性評価に応用できる新たなレーダ計測法についても検討を行ったことは、この研究を地雷除去以外の分野へ応用する上で重要であると考える。当初当該年度において実施を計画していた研究項目のいくつかは実施できなかったが、次年度以降に実施する予定である。土壌特性の測定法開発に関しては、まだ課題が残っており、この点について重点的に研究を行う。また、これまで行ってきた土壌による電波散乱モデリングもその実証のための実験および解析を継続する。これら研究結果については、国際会議などで国連や各国地雷除去センターへの情報発信を積極的に行う。土壌不均質度から地中レーダのクラッタ量を計算するモデルの実証や改良を行うとともに、土壌電気的特性の測定法やその応用についての検討を行う。また、地中レーダによる地雷検知に関する研究結果について、国連や各国地雷除去センターを通じて情報を発信していく。購入を計画していた土壌誘電率測定装置よりも安価で同等の性能の製品が見つかり、その製品を購入したため。測定に必要な高周波部品等や消耗品の購入、また研究成果を広く公開するための会議の参加費等に充てる。当初予定していた海外での現地実験について、さらに研究が進んでから実施した方がよいと判断したため、当該年度では実施しなかった。この実験については次年度以降に実施する予定である。この分の研究費は、測定器などの購入に充てる予定であり、土壌電気的特性の高精度な測定が可能となることで本研究を遂行する上で有益である。
パラメトリックスピーカーを用いたアクティブ騒音制御

パラメトリックスピーカーによる、アクティブ騒音制御について研究を行った。指向性制御可能なパラメトリックスピーカーを開発。シミュレーションも行い、その特性を調べた。パラメトリックスピーカーを用いることにより、通常のスピーカーを用いた場合より制御領域を進行方向に対して長く取れ、また周辺の騒音増大の問題が抑えられた。拡がり角を広くすることにより騒音抑制領域の拡大を試みたが、位相の不整合により期待したほどの領域拡大は得られなかった。モーションセンサーによるパラメトリックスピーカーのヘッドトラッキングシステムを開発し、位相、方位、音圧を制御することにより、広い範囲でアクティブ騒音制御が実現された。パラメトリックスピーカーを用いたアクティブ騒音制御について、計画書に基づき以下のことを行った。1.パラメトリックスピーカーを用いたアクティブ騒音制御システムの設計、製作を行った。信号処理回路はFPGAにて製作し、PWM及びPDM方式のディジタルアンプを用いたパラメトリックスピーカーを開発した。本スピーカーは最高クロック周波数200MHzで動作可能であり、サンプリング周波数等の最適化を行い、ノイズの少ないパラメトリックスピーカーシステムを実現した。本スピーカーの指向性、音圧、位相等の基本特性を測定した。また、次年度以降の指向性制御実験のため、送信素子数144個で各素子の位相を独立に制御可能なパラメトリックスピーカーシステムを開発。位相は内部に設けたリングバッファにより外部からの指令で各素子個別に制御できる。2.垂直入射騒音源に対するアクティブ騒音制御実験をおこなった。開発したパラメトリックスピーカーと通常の無指向性スピカーについて騒音制御実験を行い、その有効性を確認した。無指向性の点音源に近いスピーカーの場合には、キャンセリングエリアの周囲において音圧が逆に2倍近くに増えるのに対して、パラメトリックスピーカーを使用した場合は11.4倍とその増加は少ないことが明らかになった。さらに離れた点においては、その効果はさらに大きく、パラメトリックスピーカーを使うことにより音圧の増加は抑えられる。3.アクティブ騒音制御を計算するためのシミュレーションコードを製作。空気中の音場を計算し、実験結果と比較した。その特性は実験結果に近いものと成った。音圧、位相の点から、実験結果の現象を説明できる。以上のことより、パラメトリックスピーカーを用いた騒音制御の有効性が証明された。本年度実施予定であった、複数マイクによるアレイ測定システムを用いた3次元音圧測定システムの評価が遅れている。他の実験に予想以上の時間を要したため、詳細データ取得まで至っていない。装置の構築自体には問題がなく、超音波領域では同様のシステム構築経験があり、次年度で遅れを取り戻せると思われる。その他の実験については、計画書通りに順調に進んでいる。パラメトリックスピーカーを用いたアクティブノイズ制御について、計画書に基づき以下のことを行った。1.垂直入射(パラメトリックスピーカー波面がノイズ音源軸に垂直)について、超音波素子の数などパラメータを変えながら、ノイズキャンセリングの効果について調べた。Khoklov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程式及び変形ビーム方程式を用いて、パラメトリックスピーカーによるアクティブノイズキャンセリングについてシミュレーションコードを作成。垂直入射におけるシステムの効果について、スピーカーサイズ、周波数等をパラメータとして、ノイズ消音効果、ノイズ低減エリア、ノイズ増加エリアの観点から調べた。2.垂直入射するノイズ音源に対して、指向性方位制御可能なパラメトリックスピーカーを用いたアクティブノイズ制御について実験。電子的にパラメトリックスピーカーの指向性方位を変化させた場合の、ノイズキャンセリング効果について調べた。斜め方向に対しても音圧制御可能なことを明らかにした。3.パラメトリックスピーカー音源の位相差制御による、スピーカーの指向性広がり角の制御手法を提案。KZK方程式を用いたシミュレーションコードを作成し、その有効性を明らかにした。本手法をアクティブノイズ制御に適用したシミュレーションコードを作成。その有効性を明らかにした。このことにより、通常のパラメトリックスピーカーでは狭すぎる消音エリアを広げることができることを示した。当該年度実施予定であった指向性形状制御(広がり角)によるアクティブノイズ制御の、実機による実験が遅れている。他の実験に予想以上の時間がかかったためである。シミュレーションによる検証は済んでおり、またFPGAによる位相制御等システムの根幹部分はできているため、あとは実験を行ってデータを取得する段階にある。1.パラメトリックスピーカー音源の位相差制御による、スピーカーの指向性制御システムを製作し、その特性を調べた。位相差制御により、20度程度の広がり角制御が可能であることを示した。このことは、前年度行ったKZK方程式による広がり角制御シミュレーションの結果とも一致した。2.指向性の広がり角制御可能なパラメトリックスピーカーを用いて、アクティブノイズ制御を行った。7.5度程度の広がり角まではキャンセリング効果が確認されたが、それより大きな角度においてはキャンセリング効果は得られなかった。これはキャンセリングの中心点からずれることによる位相のずれにより、逆位相条件が成り立たなくなるためである。そのため、広がり角の制御はアクティブノイズ制御においては、有効性は低いという結論を得た。3.モーションセンサーによる人の頭部のトラッキングを行う電子走査式パラメトリックスピーカーシステムを構築した。このシステムでは、数cmの精度で当初予定の30fpsでの頭部のトラッキングが実現された。パラメトリックスピーカーによる方位の制御により、人の居る方向に音を出すことができた。またさらに、方向の制御のみならず頭部までの距離情報から音圧を制御、人の位置にかかわらず一定の音圧が得られるシステムを開発し、その制御に成功した。

4.上記、頭部トラッキング可能なパラメトリックスピーカーシステムを使用して、アクティブノイズ制御システムを構築した。頭部までの位置情報から位相の補正も行い、広い範囲でのアクティブノイズ制御に成功した。パラメトリックスピーカーによる、アクティブ騒音制御について研究を行った。指向性制御可能なパラメトリックスピーカーを開発。シミュレーションも行い、その特性を調べた。パラメトリックスピーカーを用いることにより、通常のスピーカーを用いた場合より制御領域を進行方向に対して長く取れ、また周辺の騒音増大の問題が抑えられた。拡がり角を広くすることにより騒音抑制領域の拡大を試みたが、位相の不整合により期待したほどの領域拡大は得られなかった。モーションセンサーによるパラメトリックスピーカーのヘッドトラッキングシステムを開発し、位相、方位、音圧を制御することにより、広い範囲でアクティブ騒音制御が実現された。研究は順調であり、本課題のアイデアのベースとなるパラメトリックスピーカーによる騒音制御の優位性が、実験的にも証明された。今後は、若干遅れているマイクアレイによる3次元音圧測定システムの評価を行うとともに、実験計画書に書かれた次年度以降の実験内容を進めていく。本研究は順調であり、当該年度未実施であった指向性形状制御による実機でのアクティブノイズ制御のデータ取得を行うとともに、次年度実施予定の実験を行っていく。波動工学計画していたマイクロフォンアレイを用いた3次元音源計測のシステム開発が、次年度に一部ずれたため。実験の一部が次年度にずれたため。また、雑誌論文とうへの発表が次年度と成ったため。マイクロフォンアレイを用いた3次元音源計測のシステムの構築のために使用。遅れた実験及び冊子論文等への発表にかかる費用として使用。
２４時間エネルギー代謝と体組成からみた生活習慣病予防に有効なトレーニング法の開発

本研究では、肥満予防(生活習慣病予防)に対して有効なトレーニング方法を、エネルギー代謝や体組成の変化の観点から検討をした。その結果、筋力トレーニング後には脂肪利用が大きく亢進することに加えて、主観的な空腹感や食事量の減少すること、また、この効果は「中程度の強度・短時間休息」による運動方法において特に顕著であることが明らかになった。一方で、継続的な筋力トレーニングに伴う体脂肪量の減少効果は必ずしも大きくなく、体脂肪量の減少には運動と食事量の減少(食事改善)の併用が有効であることが示唆された。本年度は、(1)レジスタンス運動のみを行う条件、(2)エアロビック運動のみを行う条件、(3)レジスタンス運動とエアロビック運動を組み合わせて行う条件でのエネルギー代謝の応答を、運動終了後24時間まで経時的に比較した。成人男性10名を対象に、60分間のレジスタンス運動を行う試技(RT)、60分間のエアロビック運動を行う試技(ET)、30分間のレジスタンス運動と30分間のエアロビック運動を行う試技(COMBINED)、安静状態を維持する試技(REST)を設け、それぞれ異なる日に実施した。レジスタンス運動には、最大挙上重量の65%の強度で8種目の運動を用いた。エアロビック運動には、最大酸素摂取量の65%の強度でのペダリング運動を用いた。その結果、運動終了後6時間での成長ホルモン濃度の変化量は、RTがその他の3試技に比較して有意に高値を示した(P<0.05)。血中グルコースおよびインスリン濃度の変化量に試技間で差はみられなかったが、運動終了後6時間での血中遊離脂肪酸およびケトン体濃度の変化量は、ETがRTおよびRESTに比較して有意に高値を示した(P<0.05)。運動終了後6時間での安静時における酸素摂取量は、RT、ET,COMBINEDがRESTに比較して有意に高値を示した(P<0.05)。一方、呼吸交換比はRTが最も低値を示し(脂肪利用の増加を反映)、ETおよびRESTとの間に有意差が認められた(P<0.05)。一方、運動終了24時間後では、酸素摂取量および呼吸交換比には試技間で有意差はみられなかった。以上の結果から、運動後24時間における代謝・内分泌応答はレジスンタンス運動とエアロビック運動の組み合わせ方により大きく異なること、レジスタンス運動はエアロビック運動に比較して、成長ホルモンの分泌や運動後の脂質利用の増加を亢進させることが明らかになった。研究1では、一過性のレジスタンス運動に対する24時間エネルギー代謝および食事量の変化を検討した。成人男性8名を対象に、1「最大筋力型」による運動を実施する条件、2「筋肥大型」による運動を実施する条件、3運動を実施しない条件での測定をそれぞれ異なる日に実施した。その結果、筋肥大型の運動条件では運動後に血清成長ホルモン濃度の顕著な上昇が認められ、運動後30分の時点での脂肪利用の割合が他の2条件に比較して有意に高値を示した。さらに、運動または安静終了後30分の時点で食事量を計測したところ、筋肥大型の運動条件は他の2条件に比較して低値を示し、最大筋力型の運動条件との間に有意差が認められた。運動24時間後における安静時での脂肪利用の割合は、筋肥大型の運動条件が他の2条件に比較して高値を示したが、有意差には至らなかった。研究2では、長期のトレーニングが体組成に及ぼす影響を検討した(横断研究)。男性168名を、レジスタンストレーニング実施群(41名)、エアロビックトレーニング実施群(32名)、両トレーニング実施群(54名)、非トレーニング群(41名)に分類し、二重エネルギーX線吸収法を用いて体組成を評価した。その結果、除脂肪量はレジスタンストレーニング実施群が他の3群に比較して有意に高値を示した。これに対して、脂肪量はエアロビックトレーニング群が他の3群に比較して有意に低値を示した。研究3では、肥満者におけるトレーニングが体組成に及ぼす影響を検討した(縦断研究)。肥満男性51名を、運動群(19名)、食事改善群(12名)、運動+食事改善群(20名)に分類し、3ヶ月間にわたる介入実験を実施した。介入期間前後において最大酸素摂取量はいずれの群においても有意に増加した。一方、内臓脂肪面積は食事改善群および運動+食事改善群において有意に減少したが、運動群において有意な変化は認められなかった。【研究実績の概要】本年度は、食欲調節の観点から、一過性のレジスタンス運動やエアロビック運動に対する内分泌応答や主観的空腹感・食欲の変化を検討した。成人男性10名を対象に、60分間のレジスタンス運動を実施する試技(RT)、60分間のエアロビック運動を実施する試技(ET)、30分間のレジスタンス運動と30分間のエアロビック運動を実施する試技(COMBINED)、安静状態を維持する試技(REST)を設け、それぞれ異なる日に実施した。レジスタンス運動には最大挙上重量の65%の強度で8種目の運動を用いた。

エアロビック運動には、最大酸素摂取量の65%の強度でのペダリング運動を用いた。その結果、RTでは運動後に空腹感を亢進させるグレリンの血中濃度が大きく低下し、他の3条件との間に有意差が認められた(P < 0.05)。一方、ETとRESTでは血漿グレリン濃度の変化に有意差はみられなかった。食欲抑制に作用するグルカゴン様ペプチド1(GLP-1)濃度の変化の動態に試技間で有意差は認められなかった。主観的空腹感および食欲は運動後に有意に低下したが、RTではそれらの変化が最も大きかった(P < 0.05)。一方、運動24時間後における値には、試技間で有意差はみられなかった。結論として、レジスタンス運動は血中グレリン濃度を顕著に減少させ、一過的に食欲を軽減させること、これらの効果は、エアロビック運動のみやレジスタンス運動とエアロビック運動をいずれも実施した場合に比較して大きいことが明らかになった。以上の結果をふまえると、運動様式の相違は内分泌応答の変化を介し運動後数時間における食欲調節に影響するが、運動翌日にまで影響しないと考えられる。一方、長期のトレーニングに伴い食欲調節が変化する可能性もあり、この点については今後検討する必要がある。レジスタンス運動とエアロビック運動をそれぞれ単独で実施した条件、両運動を組み合わせて実施した条件での運動後24時間のエネルギー代謝の変化を検討することができ、明確な結論を得ることができた。25年度が最終年度であるため、記入しない。これまで一過性の運動に対する糖・脂質代謝、エネルギー代謝、食欲調節に関わる内分泌応答などを検討し、生活習慣病予防に有効なトレーニング法作成に関わる重要な知見を得ることができた。したがって、研究の進捗は概ね順調であると評価できる。本年度の研究結果をふまえて、平成24年度以降は各運動条件の長期のトレーニング効果の相違を、エネルギー代謝、内分泌応答、体組成の変化など多様な観点から比較することが必要である。この研究は、平成24年度内の実施を予定しているが、対象人数などの都合により当年度内で完結させることが難しい場合には、平成24年度、25年度の2年簡間に分割をして実施することにより対応する。最終年度は、長期のトレーニングに対する体組成の変化に着目した大規模な介入研究を実施する。これまでに実施した一過性の運動に対する生理的応答に関する結果と併せて、生活習慣病予防に有効なトレーニング法を提案する。
量子気体顕微鏡による光格子中原子スピンとフォトンのハイブリッド量子制御

量子気体顕微鏡とは、光格子中に導入された強相関原子系の原子の空間分布を、単一サイトの分解能かつ単一原子の感度での観測を可能にする技術である。これまで、アルカリ原子を主な対象として、様々な量子多体系の現象を直接観測することに適用され、威力を発揮してきた。ただし、これまでの測定は、全て、共鳴光を原子に照射したときの発光を高感度にCCDカメラで検出する、発光イメージング法が用いられている。本研究では、新たに、非共鳴光パルスを用いた分散型イメージング技術である、いわゆるファラデー顕微鏡を、量子気体顕微鏡に対して開発する。特に、光格子中の個々の原子スピンと入射光パルスフォトンとの量子もつれを形成し、測定誘起および測定を介さない原子スピンの量子フィードバック制御を行い、光格子中の原子スピン系に対する新奇の量子制御技術を開拓することを目的とする。本年度の研究実績として、上記の研究目的に向けて、概ね順調に研究を進めることができ、具体的には、まず、1)スクイーズド光を用いた非破壊型量子気体顕微鏡におけるスキャン型検出法の提案のより詳細な検討、に関する成果を得ることができた。各ビームの空間モードを合致させることで、ある程度の感度の減少を抑えることが可能であることを数値計算で確認した。さらに、2)2次元光格子中原子の局所的操作の実現、に成功した。原子集団の分布の一部が、局所操作用のレーザー光源の照射により、取り除かれる様子を、照射前後の量子気体顕微鏡の画像から確認することができた。また、3)新たなスピン依存型高分解能量子気体顕微鏡に向けた考察、を行った。分散型のファラデー量子気体顕微鏡と超狭線幅遷移を用いたサイドバンド冷却を組み合わせることで新たなスピン依存型高分解能量子気体顕微鏡が実現できることを着想しこの具体的な設計を進めることができた。29年度が最終年度であるため、記入しない。本年度の研究実績として、上記の研究目的に向けて、概ね順調に研究を進めることができ、具体的には、1)ファラデー配置でのショットノイズ限界の検出の確認、2)吸収の効果を取り入れたファラデー量子気体顕微鏡の検出理論限界の考察、3)スクイーズド光を用いた非破壊型量子気体顕微鏡におけるスキャン型検出法の提案、4)デジタルミラーデバイスを用いた空間光変調器の開発と実装、5)測定を介しないコヒーレントフィードバック法による遠方スピン間の相互作用の導入の提案、といった成果を得ることができた。初年度の平成28年度において、これまでの発光検出による(完全破壊型)量子気体顕微鏡ではなく、分散型のファラデー量子気体顕微鏡の振舞いを詳しく調べた。まず、実験的に、現在とほぼ同じ配置の光学系を構築し、CCDカメラの各ピクセルごとの光子計測の結果について、ショットノイズ限界の測定ができていることを、多数回の測定を行い、それを解析することで確認した。さらに、理論的な検討も進め、この分散型のファラデー効果における吸収の効果を定量的に見積もり、この有限の吸収レートから決まる、信号対雑音比の限界が存在することを見出した。そして、これを回避する方法として、バランス型ホモダイン検出時に真空スクイーズド光を用いる方法を新たに考案した。特に、各格子点の情報をスキャンしながら検出する、共焦点顕微鏡型の配置が最も適していることを見出した。さらに、空間光変調器を用いて光格子中の原子の制御を行うことを念頭に、まず、デジタル・マルチ・ミラーデバイスにより、光学系に存在する様々な収差を補正したうえで、ほぼ任意の理想的な光ビームパターンを生成する技術を獲得することに成功した。そして、これを現有の冷却原子装置に組み入れることに成功し、空間光変調機からの光ビームの照射により、原子集団の分布が変更される様子を確認することができた。そして、光格子中の個々の原子スピンと入射光パルスフォトンとの量子もつれを形成することによる、測定を介さない原子スピンの量子フィードバック制御による遠方のスピン間の相互作用の導入について、理論的な考察を進め、吸収の効果がこの場合も誘起される相互作用の大きさを制限することを見出した。

本研究では、新たに、非共鳴光パルスを用いた分散型イメージング技術である、いわゆるファラデー顕微鏡を、量子気体顕微鏡に対して開発する。特に、光格子中の個々の原子スピンと入射光パルスフォトンとの量子もつれを形成し、測定誘起および測定を介さない原子スピンの量子フィードバック制御を行い、光格子中の原子スピン系に対する新奇の量子制御技術を開拓することを目的とする。本年度の研究実績として、上記の研究目的に向けて、概ね順調に研究を進めることができ、具体的には、まず、1)スクイーズド光を用いた非破壊型量子気体顕微鏡におけるスキャン型検出法の提案のより詳細な検討、に関する成果を得ることができた。各ビームの空間モードを合致させることで、ある程度の感度の減少を抑えることが可能であることを数値計算で確認した。さらに、2)2次元光格子中原子の局所的操作の実現、に成功した。原子集団の分布の一部が、局所操作用のレーザー光源の照射により、取り除かれる様子を、照射前後の量子気体顕微鏡の画像から確認することができた。また、3)新たなスピン依存型高分解能量子気体顕微鏡に向けた考察、を行った。分散型のファラデー量子気体顕微鏡と超狭線幅遷移を用いたサイドバンド冷却を組み合わせることで新たなスピン依存型高分解能量子気体顕微鏡が実現できることを着想しこの具体的な設計を進めることができた。ファラデー型の量子気体顕微鏡の開発を進める。特に、スクイーズド光を用いた場合の究極の性能について理論的に明らかにし、実験的に実現可能な方法と考えている共焦点型顕微鏡型の配置での開発を行う。それとほぼ同じ光学系を用いることによって実現可能な、光格子中の個々の原子スピンと入射光パルスフォトンとの量子もつれを形成することによる、測定を介さない原子スピンの量子フィードバック制御による遠方のスピン間の相互作用の導入について検討・開発を進める。これまでに、理論的な考察から、吸収の効果が誘起される相互作用の大きさを制限することを見出した。これを回避する方法として、多数個のスピンが少数のスピンに結合するような場合には、この制限が大きく緩和される可能性があるため、これを理論的および実験的に追及する。さらに、空間モードを維持したまま光を増幅するにより、この性能が飛躍的に向上する可能性について検討し、その実現可能性の検討を理論的および実験的に行う。また、実験的に光ビームの空間モードを操作する手法として、可変形ミラーデバイスを用いる可能性を検討し、これを実際に用いて性能評価を行う。29年度が最終年度であるため、記入しない。
テラヘルツ帯観測を目指した超伝導HEBミクサ受信機の開発

テラヘルツ帯量子カスケードレーザー(THz-QCL)の製作プロセスを改良し、特にドライエッチングを導入することによって、より小さな導波路を形成することができるようになった。導波路の幅を70μmから40μmにすることにより、発熱量をおさえることができ、連続発振での動作に成功した。フーリエ変換分光計による測定で、発信周波数は活性層の設計通りの3.1THzであることも確認した。また、バイアスや温度といった動作条件を変更することで、発振モードが変化すること、および同一のモードでの発振であっても周波数がわずかにシフトすることを確認した。この周波数可変性は、位相同期による周波数安定化制御を行う際に重要となる。今回の測定から、温度を固定して動作させた場合にバイアス電流を制御することで、十分に対応可能であることがわかった。ヘテロダイン受信機における局部発振器として重要な、周波数安定化について、実現の見通しをつけることができた。このTHz-QCLを局部発振器として適用し、独自に開発した準光学型超伝導HEBミクサを用いた3THz帯ヘテロダイン受信機を構築した。HEBミクサは、Si基板上に成膜したNbTiN薄膜を用いて製作しており、テラヘルツ波との結合にはツインスロットアンテナを用いている。位相敏感検波を利用したY-factor法で雑音温度の測定を行ったところ、最高で0.15dBのY-factorを得た。これは受信機雑音温度5600K(DSB)に相当し、さらにビームスプリッター等の光学系による損失を考慮すると受信機雑音温度は2100Kであった。これはTHz帯のHEBミクサ受信機としてほぼ世界的な水準を達成している。また、THz帯HEBミクサには一般にNbN薄膜が用いられているが、取扱いの容易なNbTiN薄膜を用いても、ほぼ同等な性能を得られることが示された。Nb/Au2層薄膜のTc測定を行ったところ、HEB素子に用いている膜厚15nmのNbでは、電極部分のAuはTcにはあまり影響せず、むしろNbの膜厚の効果のほうが大きいことがわかった。また今年度、山倉氏により、液体ヘリウムによる冷却でRT特性を取得する測定系が作られた。これで安定的な冷却が可能となり、温度の測定精度や再現性め向上が期待される。動作メカニズムに関しては、機械式冷凍機では比較的容易に動作温度を変化させられることを活かして、温度変化に対する性能の振る舞いを評価した。その結果、NbTiNを用いた格子冷却型HEBミクサ素子では、動作温度に対する受信機雑音温度の変化は、概ね古典的なHEBミクサの理論で説明できることを示した(ISSTT,新保氏による)。比較対象として、拡散冷却型とされるNbを用いた素子でも同様の実験を行った。異なる超伝導物質で性能の振る舞いを比較することで、動作メカニズムの違いが浮き彫りになることを期待した。しかし、Nbの素子では受信機雑音温度が3000K程度と、NbTiNでは1000Kを切るのに対して、もともとの性能が悪い。さらに、動作点を調整する中で、出力が不安定で性能評価が困難となる領域があり、理論との比較を行うために十分なデータを得ることができなかった(応用物理学会秋期)。そこで、800GHzの局部発振器2つを用いて差周波を得る実験を行った。この方法では大きな出力が得られるため、不安定な動作点でも測定が可能となる。絶対的な性能を評価することは難しいが、相対的な性能の変化を追うことができた。Nbの素子に関して、詳細な解析を進めている。1.5THz帯の開発は、Jiang氏によって進められている。NICT(情報通信研究機構)との共同でTHz帯QCL(量子カスケードレーザ)の開発を進めた。GaAs/AlGaAsを用いた共鳴LOフォノン引き抜き型のQC構造で、3-4THzでの発振に成功している。現在はパルス駆動での動作を確認しているが、発振のしきい値電流を低減することで消費電力を抑え、連続発振を実現すべく実験を進めている。しきい値の電圧、電流密度に関しては素子の面積の大きさによる変化は少ないと考えられるため、素子の面積を縮小することによって、みかけのしきい値電流を低減できる。消費電力を1桁下げるためには20μm程度以下のメサ幅で導波路構造を形成することが必要となる。これまでウェットプロセスで行っていたメサ形成をドライエッチングで行い、微細化を達成することを目的として、ドライエッチプロセスの最適化を行った。QCLを局部発振器として使用するには、周波数安定化が課題となる。そこに超伝導HEB(Hot-electron Bolometer)ミクサを活用することを考えており、第一歩としてQCLの出力をHEBミクサと結合して検出する実験を行った。QCLとHEBをそれぞれ別の液体ヘリウムデュワーに組み込んで冷却し、QCLの出力をHEBミクサのI-V特性の変化として検出することに成功した。両者を結合させるにあたっては、専用の結合光学系を設計・製作して用いた。本研究で用いたHEBミクサはQCLの発振周波数(3.9THz)にアンテナ特性を最適化しておらず、また、QCLの出力はデューティ比が5%のパルス発振である。このような条件ながらも、QCLの光をHEBで受けることに成功したことは意義が大きい。

テラヘルツ帯量子カスケードレーザー(THz-QCL)の製作プロセスを改良し、特にドライエッチングを導入することによって、より小さな導波路を形成することができるようになった。導波路の幅を70μmから40μmにすることにより、発熱量をおさえることができ、連続発振での動作に成功した。フーリエ変換分光計による測定で、発信周波数は活性層の設計通りの3.1THzであることも確認した。また、バイアスや温度といった動作条件を変更することで、発振モードが変化すること、および同一のモードでの発振であっても周波数がわずかにシフトすることを確認した。この周波数可変性は、位相同期による周波数安定化制御を行う際に重要となる。今回の測定から、温度を固定して動作させた場合にバイアス電流を制御することで、十分に対応可能であることがわかった。ヘテロダイン受信機における局部発振器として重要な、周波数安定化について、実現の見通しをつけることができた。このTHz-QCLを局部発振器として適用し、独自に開発した準光学型超伝導HEBミクサを用いた3THz帯ヘテロダイン受信機を構築した。HEBミクサは、Si基板上に成膜したNbTiN薄膜を用いて製作しており、テラヘルツ波との結合にはツインスロットアンテナを用いている。位相敏感検波を利用したY-factor法で雑音温度の測定を行ったところ、最高で0.15dBのY-factorを得た。これは受信機雑音温度5600K(DSB)に相当し、さらにビームスプリッター等の光学系による損失を考慮すると受信機雑音温度は2100Kであった。これはTHz帯のHEBミクサ受信機としてほぼ世界的な水準を達成している。また、THz帯HEBミクサには一般にNbN薄膜が用いられているが、取扱いの容易なNbTiN薄膜を用いても、ほぼ同等な性能を得られることが示された。
固体表面上分子の電子励起状態を取り扱うための密度汎関数法の開発とその応用

本研究課題では我らが開発してきた長距離補正密度汎関数法(LC-DFT)が分子系と周期系双方の混じった系の電子状態の計算が出来るようにするために、二つのガウス関数を用いてLC-DFT法と同程度の精度でなお且つ加速化された計算が出来るような密度汎関数法[LC-DFT(2Gau)]の開発した。また、LC-DFT(2Gau)法が格子定数だけでなく、吸着エネルギー、表面エネルギーの計算に優れた計算結果を出すことを確認した。その後、分子系と周期系双方の混じった系の励起電子状態の計算が出来るように、LC-DFT(2Gau)法をCrystal14に実装した。固体表面上分子の電子励起状態を取り扱うためには分子が吸着されている個体のスーパセールの計算が可能でなければならない。本研究で提案した長距離補正密度汎関数で分子が吸着されている周期境界条件の計算を行うためには、長距離Hartree-Fock(HF)交換項を取り入れた密度汎関数の周期境界条件での計算を行う必要がある。そのため、長距離HF交換積分のOrder-N化のリニアスケーリング法を提案した。この1年間、まず、長距離補正密度汎関数法の長距離Hartree-Fock交換積分の効率的なリニアスケーリング法を提案し、長距離補正密度汎関数が大規模系や周期系に容易で適用できるようにした。詳しく言うと、以前に研究代表者が提案したガウス関数をHF交換積分の電子反発演算子に用いたGau-DFT法を応用して、二つのガウス関数を組み合わせて長距離密度汎関数の電子反発演算子である誤差関数を代替することを提案した。それを我らはLC-wPBE(2Gau)法と名付けた。二つのガウス関数で組み合わせたHF電子反発演算子を用いたLC-wPBE(2Gau)の計算精度は熱力学化学的な性質(例えば、原子化エネルギー科学反応障壁など)だけでなく、HOMO、LUMOなどの軌道エネルギーもLC-wPBEとほぼ同じ精度で計算が出来ることを確認した。くわえて、長い電子間距離をガウス関数で上手く打ち切ったゆえに、LC-wPBE(2Gau)汎関数法は計算速度は非常に早くなり、周期系での計算でLC-wPBEより20倍近く早くなることを確認した。二つの研究は各々JCPやPCCPに投稿中である。固体表面上分子の電子励起状態を取り扱うためには孤立分子と周期系の双方の電子状態を正確に記述する必要がある。また、本研究で開発する固体表面上分子の時間依存性長距離補正密度汎関数法の計算を行うためには、計算コストが高い長距離Hartree-Fock(HF)交換積分を高速に計算するためのOrder-N化したリニアスケーリング手法の導入が必要不可欠である。まず、周期系の電子状態計算を高速化させるために、研究代表者が提案したガウス関数のHF交換積分演算子を用いた短距離HF交換積分のハイブリット密度汎関数法(Gau-PBE法)の積分スクリーニング法(Gaussian Multipole積分法)を開発した。周期系の半導体などのエネルギーやバンドの計算の計算時間を大幅に削減することができた。また、長距離補正密度汎関数法を周期系へ拡張させるべく、二つのガウス関数を用いたHF交換積分を取り入れたLC-wPBE(2Gau)法を開発した。この新しい汎関数は今年度開発した積分スクリーニング法を導入することにより、既存のLC-wPBE法のHOMO、LUMOなどの軌道エネルギーや熱化学的物性などの実験に対する高精度の再現性を保ちつつ、計算時間を劇的に削減することに成功した。周期系のダイアモンドの計算では、LC-wPBE(2Gau)法はLC-wPBE法より20倍近くも早く計算することが可能である。LC-wPBE(2Gau)法の孤立分子と周期系の双方を含む分子系の基底状態計算の精度を検証するために、孤立分子(CO)が周期系金属表面上(Cu111表面)に吸着する分子系へと適用した。その結果、格子定数、吸着エネルギーや表面エネルギーなどいずれも実験結果を高精度に再現することに成功した。開発した方法は孤立分子と周期系の双方を正確に取り扱えることが明らかになった。固体表面上分子の基底状態や励起状態の計算を実現するためには、固体のような周期系と孤立分子双方の電子状態を正確に記述する手法の開発が必要不可欠であった。また、固体計算には多くの計算時間を要するため、計算を高速化するためのアルゴリズムの開発ならびに高速計算プログラムの開発は急務である。今年度は、長距離補正密度汎関数法を用いた計算のボトルネックとなるHartree-Fock(HF)交換積分項の計算の大幅な加速化に成功した。懸案事項の一つを解決することができ、研究課題は順調に進んでいることは明らかである。また、開発した高速化アルゴリズムを適用した新しい長距離補正密度汎関数法を開発した。この計算手法は、これまでの手法の計算コストを劇的に削減した上に、高い計算精度を得ることに成功した。そして、この手法をCu等の固体表面上分子(CO)の基底状態の計算に適用したところ、格子定数や表面エネルギー、吸着エネルギー等の計算結果は、今まで用いられている他の汎関数より高い精度を得ることができた。開発した方法は孤立分子と周期系の双方を正確に取り扱えることが明らかとなり、固体表面上分子の電子励起状態を取り扱う足がかりを確立できた。以上のことから、この研究課題が順調に進んでいることは間違いなく、今後は当初の研究計画以上の成果を得ることも期待出来る。長距離補正密度汎関数法(LC-DFT)は孤立分子の電子状態の高精度計算に成功している。

その一方で、固体結晶系への適用は、交換積分の計算コストが高いことやバンドギャップが正確でないという指摘からLC-DFTは使われてこなかった。注意すべきは、実際の実験値は、光学バンドギャップはもちろん基本バンドギャップと分類されるものも実は励起エネルギーであることである。しかし、固体のバンド計算で利用される平面波基底では、基底の多さからくる膨大な行列演算と交換積分の特異値問題のため、時間依存密度汎関数法(TDDFT)計算は難しいとされてきた。本研究では、LCDFTにもとづくTDDFTを固体結晶へと適用するため、平面波基底を使った交換積分計算の特異値問題を解決する手法を開発した。その結果、固体の励起エネルギーの高精度計算に成功するとともに、実験のバンドギャップが軌道エネルギーではなく励起エネルギーであることを改めて確認できた。LC-DFTはHF交換積分を導入することで計算精度を飛躍的に高めるが、その一方で、大規模系計算では交換積分計算の時間がかかりすぎるという問題がある。本課題では、この問題を解決するため、様々な交換積分の高速アルゴリズムの開発に取り組んできた。前年度までにLC-wPBE汎関数を用いた超高速計算アルゴリズムの開発に成功している。今年度は、新たにLC-BOPおよびLC-BLYP汎関数を用いた超高速計算アルゴリズムの開発に成功した。また、この新たに開発した超高速計算アルゴリズムをCu表面およびそれに吸着するCO分子の大きい分子系に適用した。その結果、吸着エネルギーは実験値を再現し、高精度の計算結果を得ることができた。現在、これらの研究結果をまとめた投稿論文を現在執筆中である。今年度は、平面波を用いた長距離補正密度汎関数法の時間依存密度汎関数法の開発に成功したものの、研究体表者の所属の異動に伴い、新しい研究環境の構築や他業務の遂行で多忙となったため、研究進捗が当初の予定より遅れた。そのため、今年度予定していた既に開発を完了した新しい理論の実装やそれを適用した応用計算を実行できなかった。そこで、次年度は新しい理論の実装や応用計算を完了し、論文発表や成果発表などを行う。研究分担者も同様に所属が移動となったため、分担分の研究も遅れている。次年度は今年度予定していたガウス関数を用いた周期境界条件を課した長距離補正密度汎関数法の開発ならびにその新手法を用いた応用計算を行う。論文発表や学会発表も精力的に行う予定である。本研究課題は孤立分子系と周期系(固体表面や結晶)双方の混じった系の基底電子状態や励起状態の高精度計算を実現できる手法を開発し、それの応用計算を行うことを目的にする。そのために我らが開発してきた長距離補正密度汎関数法(LC-DFT)を分子系だけでなく、周期系にも適用できるようにし、分子系と周期系が混じった系へ適用計算をして、その適用性を確認することを目標として研究を進めた。まず、我らはLC-DFT法が分子系と周期系双方の混じった系の電子状態の計算が出来るようにするために長距離Hartree-Fock交換積分の計算の加速化に励み、二つのガウス関数を用いて長距離補正密度汎関数と同程度の精度でなお且つ加速化された計算が出来るような密度汎関数法[LC-DFT(2Gau)]の開発に成功した。