hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
実簡約群の表現の幾何学的不変量と積分変換

まず、実簡約リー群の無限次元ユニタリ表現の幾何学的不変量のひとつである随伴多様体ならびにそれに重複度の情報を付加した精密化である随伴サイクルをreductive dual pair対応と関連づけて研究した。以前の研究では対の一方がコンパクトであるdual pairの対応に現れたユニタリ最高ウエイト表現を取り扱ったが、今回、西山享(京大)およびC.B.Zhu(シンガポール国立大)との共同研究では、コンパクト性や最高ウエイト性の仮定を外した設定に踏み込んで無限次元ユニタリ表現の不変量とある種の領域上の定積分との関係を考察し、正則離散系列からのテータ対応で得られる表現の族に対して、随伴多様体(ベキ零軌道の閉包になる)の記述や重複度(次数)の定積分表示とその定積分の計算などを行なった。非可換調和振動子とは、調和振動子をWeyl量子化の手続きで多成分化したものであり、微分作用素の非可換性と行列の非可換性が微妙に絡み合ったモデルである。この研究では階数が2の場合に、表現論的なアプローチによって、非可換調和振動子のスペクトル問題が、複素領域のHeunの微分方程式の大域解の存在問題と等価であることを発見した。半単純対称空間上の不変固有超関数の隠れた対称性の発見が接空間の無限小レベルで生ずる(これは代表者の昔の研究)だけでなく、対称空間の大域的レベルでも生ずることを示した。また、藤井道彦(京大)との共同研究では、錐多様体上のラプラス作用素の3次元ベクトル値の微分方程式がスカラー値の超幾何微分方程式に分解できることを示し、その分解を具体的に与えた。本年度は本研究の初年度である。代表者落合は実簡約群の表現に対して、表現の不変量の研究を行なった。研究協力者である、西山享・山下博・谷口健二・関口次郎と開催している研究会・勉強会『冪零軌道と表現論(Nilpotent Orbit and Representation Theory)』も、2月に開催した第4回では、海外からの複数の招待講演者を含む中身の濃いものであった。軌道分解や表現の実現、また例外型リー環の活用について知見が得られた。これらに基づいて、双一次形式の軌道分解や冪零軌道の構造について新しい結果を得ることができ、論文作成中である。また、10月から11月にかけてU.C.BerkeleyのWolf教授を招聘し、名古屋や京都に於いて研究括動を行った。積分変換における第1人者であり、次年度以降の研究にも大きな刺激となった。小林は重複度自由な作用の幾何学的な特徴付けで新たな結果を得た。従来、代数的、次いで解析的な成果を挙げてきているが、今回の研究課題に沿った成果が得られつつある。その他に、落合は、双曲錐多様体に付随したベクトル値超幾何微分方程式の超幾何方程式への分解と解の明示表示(藤井道彦との共同研究)、自由度の大きい完全可積分系の分類(大島利雄との共同研究)、Painleve微分方程式の多項式解であるYablonskii-Vorob'ev多項式の係数の数論的な性質(金子昌信との共同研究)、局所系係数のサイクルの交叉理論の共鳴(resonance)への拡張(三町勝久、吉田正章との共同研究)を本年度発表した。本年度は本研究の2年目である。まず、西山享ならびにC.B.Zhuと共同で対称対に対応したテータ持ち上げで現れる表現の随伴多様体とその重複度や次数を決定し、論文に発表した。また、昨年度に引き続き、研究協力者である西山・山下博・谷口健二・関口次郎と研究会・勉強会『冪零軌道と表現論(Nilpotent Orbit and Representation Theory)』を開催している。その第6回(9月)には本研究費を活用して海外からPrzebinda教授ならびにKing教授を招聘した。

彼らは表現に付随した軌道分解や表現の特性に関する第1人者であり、討論を通じ近年の発展に関する知見が得られた。これらに基づき落合は双一次形式の軌道分解や冪零軌道の構造について新しい結果を得ることができた。これに関連し、分担者小林は極小表現の関数空間への実現を深め、群作用の積分核による積分変換として表示を与え、次いで、積分核に現れる特殊関数の超幾何表示を得た。また、重複度のない作用の幾何学的な特徴付けで新たな結果を得た。その他に、落合は本年度(1)環のゼータ関数の行列式表示に関連して絶対微分の構造を調べる一環として行列環の絶対微分の構造を決定(黒川信重との共同研究)(2)特殊なパラメータを持つHeunの微分方程式の複素領域における大域的接続問題を非可換調和振動子のスペクトル解析を用いて記述を論文として発表した。本年度は本研究の3年目である。研究代表者落合は実簡約群の表現に対して、表現の不変量の研究を行なった。まず、西山享(京都大学)ならびにC.B.Zhu(シンガポール国立大学)と共同で対称対に対応したテータ持ち上げで現れる表現の随伴多様体とその重複度や次数を決定し、論文を公表するとともにフランスやイタリアなどで研究成果の公表を行った。また、昨年度に引き続き、対称対の上での大域指標にあたる不変固有長関数に関する研究を行い、不変性の延長(つまり隠された対称性の発見)が接空間の無限小レベルだけでなく、対称空間の大域的レベルでも生ずることを示した。群多様体のように指数写像が微分方程式系の同型を導かないことやRiemann対称空間の場合と異なり位相的に自明でない等質空間が現れることが解析を複雑にしているが、うまい定式化を発見することができたのがポイントだと考えている。その他に、落合は本年度(1)非可換調和振動子のスペクトルゼータ関数のs=2における特殊値が楕円関数で表示できること(楕円関数の独立変数には、非可換調和振動子の構造定数が入る。)(2)Mahler測度とそれに1パラメータの変形を施した積分量がやはり楕円関数を用いた表示を持つ(東京工業大学・黒川信重との共同研究)ことを示し、論文として発表した。楕円関数は超幾何積分の特別な場合である。これに関連し、研究分担者小林は極小表現の関数空間への実現を深め、群作用の積分核による積分変換として表示を与え、次いで、積分核に現れる特殊関数の超幾何表示を得た(一部は真野元との共同研究)。本年度は本研究の最終年度である。研究代表者・落合は昨年度までに引き続いて実簡約群の表現に対して、表現の不変量の研究を行うと同時に4年間の研究成果のとりまとめを行なった。対称対に対応したテータ持ち上げで現れる表現の随伴多様体とその重複度や次数を表す公式を西山享(京都大学)ならびにC.B.Zhu(シンガポール国立大学)と共同で与え、その論文を公表し研究成果の公開を行った。現在、離散系列表現以外の表現に対する研究がさらに進展しており、また、得られた表示式が2項型の多項式(ずれを持ったシューア関数)と関連することを観察している。これらの新しい進展についても近いうちに成果をまとめる予定である。近年いろいろな不変量とのつながりが出てきている多重ゼータ値について対称性の観点からの研究に着手した。
グルコユルチュイドとエストロゲンの神経細胞死と生存に対する影響

われわれの以前の研究から、ラット辺縁系の初代培養細胞でエストロゲンはカイニン酸による神経障害作用に拮抗し、なんらかの神経保護作用を持っていることが示されている。実際、エストロゲンがアルツハイマー病に効果があるという臨床報告もあるので、エストロゲンの神経保護作用についての研究は臨床的にも意義のあることと考えられる。今回の実験では、このエストロゲンの神経保護作用が、神経栄養因子の一つであるInsulin-like growth factor I(IGF-I)を介しているのではないかという仮説のもとに、実験を行った。ラットにestradiol 500μg/kgを皮下投与したところ、5-7日目に大脳皮質や海馬でIGF-I mRNAの増加が認められた。一方、IGF-IIやhepatocyte growthfactorのmRNAには変化がなかった。カイニン酸12mg/kgを腹腔内投与して、神経細胞に障害を与えたラットを作成した。このラット脳内の大脳皮質や海馬にエストロゲン受容体やそのmRNAが発現していることを、それぞれ組織免疫化学やin situ hybridizationで確認した。しかし、このときIGF-I mRNAには変化がなかった。以上の結果から、エストロゲンはIGF-Iを介して神経保護作用をもたらしていることが示唆された。エストロゲンは脳の個体発生途中に神経栄養因子として働くことが知られており、神経細胞障害時にもこれと同様なことが生じている可能性が考えられた。
ホログラフィー技術を用いた三次元流体速度場及び形状解析専用計算機システムの構築

FPGAボード内に四つの計算パイプラインを実装し,その計算速度の評価を行ったところ,ほぼ四倍の高速化が実現でき,理論値に近い結果を得ることが出来た.また,このFPGAボードを一台のPCに複数枚搭載し,並列計算を行うことに成功した.さらに,FPGAボードを複数枚搭載したPCを用いて,専用計算機クラスタシステムを構築した.現在,様々な分野で流体の三次元速度場の計測と三次元物体の形状解析が必要とされてきている.特に生体内の物質を輸送する血液の動きと赤血球などの形状を計測することは,生体内の物質の輸送機構を解明するために非常に重要なことである.本研究では,流体速度場可視化の技術であるPTV(Particle Tracking Velocimetory)にデジタルホログラフィーを応用したDHPTV(Digital Holographic PTV)を支援する三次元空間再生用専用計算機システムの構築し,それを三次元流体速度場解析及び三次元物体の形状解析に応用し,上記のような問題を解明することを最終的な目標としている.平成25年度においては,市販のFGPAボードを搭載したPCによる専用計算機クラスタの開発と動作確認を行った.並列計算においては,再生空間を分割し,それぞれを別の専用計算機に担当させる手法と,専用計算機に別々のホログラムを担当させ,再生空間全体を求めさせる手法の二通りについて検証を行った.その結果,どちらの場合でもほぼ理論値に近い高速化に成功した.FPGAボード内に四つの計算パイプラインを実装し,その計算速度の評価を行ったところ,ほぼ四倍の高速化が実現でき,理論値に近い結果を得ることが出来た.また,このFPGAボードを一台のPCに複数枚搭載し,並列計算を行うことに成功した.さらに,FPGAボードを複数枚搭載したPCを用いて,専用計算機クラスタシステムを構築した.現在,様々な分野で流体の三次元速度場の計測と三次元物体の形状解析が必要とされてきている.特に生体内の物質を輸送する血液の動きと赤血球などの形状を計測することは,生体内の物質の輸送機構を解明するために非常に重要なことである.本研究では,流体速度場可視化の技術であるPTV(Particle Tracking Velocimetory)にデジタルホログラフィーを応用したDHPTV(Digital Holographic PTV)を支援する三次元空間再生用専用計算機システムの構築し,それを三次元流体速度場解析及び三次元物体の形状解析に応用し,上記のような問題を解明することを最終的な目標としている.平成24年度においては,ホログラムからの三次元空間の再生計算の並列化について検証を行った.再生空間を再生面の集まりとして,扱う場合は,その一つの面を一つの計算ユニットに担当させることで,容易に並列計算を行うことが出来.そこで,FPGA評価ボードを用いて,FPGA内に複数の計算回路を実装し並列計算を行うことを検証した.また,FPGAの変更により,FPGA一個あたりの速度を現在の約3.0倍の高速化ができた.現在,様々な分野で流体の三次元速度場の計測と三次元物体の形状解析が必要とされてきている.特に生体内の物質を輸送する血液の動きと赤血球などの形状を計測することは,生体内の物質の輸送機構を解明するために非常に重要なことである.本研究では,流体速度場可視化の技術であるPTV(Particle Tracking Velocimetory)にデジタルホログラフィーを応用したDHPTV(Digital Holographic PTV)を支援する三次元空間再生用専用計算機システムの構築し,それを三次元流体速度場解析及び三次元物体の形状解析に応用し,上記のような問題を解明することを最終的な目標としている.平成26年度は,一台のPCに複数枚のFPGAボードを搭載し並列計算を行なうことに成功した.高速化率はほぼ理論値に近いものが得られた.また,FPGAボードを搭載したPCを複数台用いた専用計算機クラスタシステムも開発し,そのの性能評価を行った.その結果,当初の予想以上に通信時間が計算高速化においてのネックになることが確認された.計算機システム市販のFPGA評価ボードを1枚から2枚まで搭載したPCをネットワークで接続した専用計算機クラスタの構築に成功した.また,計算時間の短縮についても,ほぼ理論値に近い結果を得ることが出来た.並列計算の手法についても,二通りのパターンを検証し,どちらの場合でも計算能力の向上が得られることが実証できた.さらに,専用計算機ボードを使用するためのデバイスドライバの試作を行い,安定した動作を行うことが確認できた.ホログラムからの三次元空間の再生計算の並列化について検証をソフトウェアとハードウェアの両面から検証を行うことが出来た.また,ハードウェアでは,並列計算で共通に使用される部分を一つにして共有することで,複数の計算用パイプラインを実装出来るようになった.さらに,FPGAを変更することで,並列化の度合いと,動作周波数を向上させることが出来た.さらに,2枚の評価ボードを使用しての並列計算を行うことが出来た.専用計算ボードの並列化のため制御するソフトウェアの改良と専用計算機ボード用のデバイスドライバの改良を行う.特に,PCと専用計算機ボードとのでーたのやりとりを行うためのデバイスドライバは,並列化による計算時間の短縮が行われたとき,通信時間がネックとなる場合が多く,そのことに対処するためにも,現在よりも高速な通信が行うことが出来るデバイスドライバ必要となる.専用計算ボードの並列化のため制御するソフトウェアの改良や新FPGAボード設計のための準備を行う.

特に,ソフトウェアに関しては,並列化が進むと通信時間が高速化の妨げになるため,データの通信と計算が同時に行われるような制御を行うようなものにする必要がある.また,専用計算ボードにおいても,通信と計算が同時に行えるように,一部制御部を変更する必要があるため,その部分の再設計を行う.平成24年度の結果を元に,専用計算機用新ボードの設計を行う.ここでは,一枚の専用計算機ボードに二個の計算用FPGAを搭載し,それぞれのFPGAには一個の外部RAMユニットを接続する予定である.専用計算機ボードの設計は,専用のCADを用いて行い,専用計算機ボード上に実装する電子部品の配線情報だけを作成し,あとは基板作成業者に発注する予定である.その後作成された専用計算機ボードを用いて,平成24年度に作成した計算回路を実装し,性能の評価を行う.この専用計算機ボードでは,計算パイプラインを四本搭載する予定なので,現在のシステムに対して,1ボードあたり約3倍の高速化が期待される.また,一台のPCに二枚の専用計算機ボードを搭載し,並列計算による高速化の検証を行う.並列の仕方は前述したとおり,再生面をそれぞれの計算FPGAに割り当てて行う.ここでは,計算結果の転送と計算時間の割合が期待したものになっているかも検証する.並列に計算できる再生面の数は16面であるので,FPGAが計算を次の面の計算を行っているうちに計算結果の通信を終わらせることが出来る.このことにより,通信時間がボトルネックにならないことがわかる.さらに,二枚の専用計算機ボードを搭載したPC,四台と制御用PC(Host PC)一台の専用計算機クラスタシステムを構築する.PCクラスタシステムの制御にはMPI(Message Passing Interface)を使用する.このシステムでは,専用計算機ボードが八枚,計算用FPGAが十六個となり,計算用パイプラインが64個並列に動作することになる.ここでは,まず,それぞれの計算パイプラインが担当している再生面の計算を正確に行っているかを,検証する.
マイクロ波励起による超高密度マイクロプラズマの生成とその極短波長光源への応用

マイクロ波電力を微小空間に高密度に集中し,高密度のマイクロプラズマを連続的に生成して,これを高輝度極短波長光源に応用するための研究を行った.さらに,プラズマ生成に対するマイクロ波周波数の効果を調べた.2枚のナイフエッジ電極間の微小間隙(間隙幅100μm)に大気圧領域で生成する「マイクロギャッププラズマ」,低圧(1Pa)でストリップライン電極間に磁場を用いて線状に生成する「マイクロECRプラズマ」,の2つの方式のプラズマを調べた。プラズマの基本特性を明らかにするため,微小プラズマ中の電子温度・電子密度をレーザートムソン散乱を用いて正確に計測する方法を確立した.Arマイクロギャッププラズマでは電子温度1.2eV,密度3×10^<14>cm^<-3>の高密度プラズマを常温に近い低ガス温度で生成することができた.Ar_2エキシマー(真空紫外光発光体)生成の前駆体であるAr準安定原子の密度をレーザー吸収分光法で計測し,Ar_2エキシマー生成に及ぼすプラズマ条件の影響を明らかにした.これによりArマイクロギャッププラズマを真空紫外エキシマー光源として最適化するための指針が得られた.10GHzマイクロ波励起によるマイクロギャッププラズマの生成実験により,10GHz励起では高密度化が期待できるものの,マイクロ波の放射損失が大きくなりやすく,その十分な抑制が必要であることを示した.マイクロECRプラズマは,高電子温度により生成されるイオンのスペクトル線の極短波長発光が期待できる.10GHz励起ではプラズマの局在性が2.45GHzより良好であり,主に10GHz励起で実験を進めた.Ar一価イオンの強い発光やHe一価イオンの発光が観測され,高エネルギー電子の存在が示された。プラズマをより高密度化し,多価イオンの多様な短波長発光を得るためにはマイクロ波電力の注入方法の改善が必要であり,この改善を継続している.マイクロ波電力を微小空間に高密度に集中し,高密度のマイクロプラズマを連続的に生成して,これを高輝度極短波長光源に応用するための研究を行った.さらに,プラズマ生成に対するマイクロ波周波数の効果を調べた.2枚のナイフエッジ電極間の微小間隙(間隙幅100μm)に大気圧領域で生成する「マイクロギャッププラズマ」,低圧(1Pa)でストリップライン電極間に磁場を用いて線状に生成する「マイクロECRプラズマ」,の2つの方式のプラズマを調べた。プラズマをより高密度化し,多価イオンの多様な短波長発光を得るためにはマイクロ波電力の注入方法の改善が必要であり,この改善を継続している.1.2枚のナイフエッジ電極を100μmのマイクロギャップを隔てて対向させマイクロ波励起(2.45GHz)によりマイクロギャップ内に高気圧(大気圧領域)プラズマを連続生成する装置を設計・製作した。放電部は閉チャンバ内に置かれ,ガス循環ポンプによりマイクロギャップを通るガスフローが導入される。ガス循環ループの一部及び放電電極取り付け部は水冷されている。2.高空間分解トムソン散乱計測システムにより,マイクロギャッププラズマ中央の電子密度が10^<-15>cm^<-3>の高密度であることを確かめた。3.マイクロギャッププラズマを高輝度真空紫外光源(100200nm領域)として用いるためには,発光体である希ガスエキシマー分子を効率よく生成させるため,プラズマ内のガス温度を下げることが重要である。このため,N_2分子の発光分光計測に基づきプラズマ中のガス温度を詳細に調べた。He/N_2(5%)放電(1気圧,100W)では水冷機構のない以前のシステムに比べガス温度は低下し1200Kであった。しかし,ガス循環流量を増加させてもガス温度はほぼ一定であり,ガスボンベからガスをマイクロギャップに直接供給して大気中に排出する以前の実験系とは明らかに異なる特性を示した。N_2の混合比を1%以下に小さくすることにより100K以上ガス温度が低下することが分かった。エキシマーが生成されるXe/He, Ar/He放電についてガス温度とエキシマー発光の関連を詳細に調べるため,真空紫外分光と可視・紫外分光が同時にできる計測系を構築した。4.次年度以降の実験に備え,小体積に大電力が注入できるマイクロECR放電装置を設計・試作した。これは100nm以下の極短波長高輝度光源への応用をめざすものである。

1)高気圧マイクロギャッププラズマに対し,ガス温度特性を明らかにするために,ガス中の熱輸送を流体力学シミュレーションにより解析した。また,Arプラズマに対して,マイクロギャップを通るガスフローを導入した場合のAr_2エキシマー発光特性について調べた。熱輸送シミュレーションの結果,外部から強制流を導入しない場合でも,ギャップ中央から外向きに噴き出した後,電極表面に沿ってギャップ中央に戻る高速対流が発生すことがわかった。この対流は,体積力(浮力)に起因するものではなく,気体のプラズマによる加熱膨張と電極による冷却収縮によって引き起こされる熱機関的駆動力によるものであり,高密度マイクロプラズマの本質的な特徴と考えられる。この対流の存在を考慮することにより,昨年度実験的に得たガス温度特性はおよそ理解できることがわかった。また,マイクロギャップを通る強制流を導入する場合,ギャップ内にプラズマが存在すると,同じガス流量を得るために必要な圧力差は,プラズマが存在しない場合より大きくなることがわかった。したがって,マイクロギャップ以外のガス流路が存在すると,プラズマを点灯したとき,ガスはプラズマ部を避けて流れることになり,プラズマ部のガス冷却効果が得られないことになる。この点に注意してガスフローを導入した結果,Ar_2エキシマー発光強度はフローが無い場合より増加することがわかった。2)マイクロ波ストリップラインに永久磁石によりミラー磁場を印加し,ストリップライン電極間に微小なECRプラズマを生成する,マイクロECR放電装置を作成した。Arガスを用い放電形態を観測し,磁場配置を最適化するための指針を得た。ArおよびHe放電につき発光スペクトルの観測を行った。Ar^+(36eV)およびHe^+(76eV)のスペクトル線がかなりの強度で観測され,高電子温度のプラズマ生成が示唆された。マイクロ波励起の高圧マイクロギャッププラズマおよび低圧マイクロECRプラズマを高輝度極短波長光源に応用するための研究を進めている。マイクロギャッププラズマでは,VUV発光する希ガスエキシマーを効率よく生成するためにガス温度を下げることが重要である。昨年度の予備的結果の報告と異なり,プラズマ・壁によるガスの強い局所的加熱・冷却があっても重力が無ければガス中に対流は誘起されないことを理論的に明らかにした。シミュレーションにおいて,ガス中に強い温度勾配があると,流体方程式の離散化のしかたによっては偽の力による偽の対流が起こることがわかった。この点を正したコードにより再度熱輸送シミュレーションを行い,空気及びHe/N_2放電のガス温度特性の測定結果が理解できることを示した。プラズマ中に確実にガス流を導入でき,かつ,真空紫外光の取り出しが容易な構造として,ナイフエッジ先端部にガス吸入スリット持つ新電極系を設計・製作した。新電極系を用いたAr放電では,流れによるガス冷却効果が確実に現れることがAr_2エキシマー発光強度の振る舞いから明らかになった。マイクロECRプラズマについては,トムソン散乱法を用いArプラズマの電子密度・電子温度計測を行った。マイクロ波電力160W,圧力1mTorrにおいて,電子温度4eV,電子密度10^<12>
ディスクブレーキのパッドの剛性がもつ非線形な力学特性に着目した鳴き低減対策の提案

ブレーキパッドに一定の制動圧を加えたときの静的な剛性は、ブレーキの効きの良さに影響する。一方、鳴き振動が加わったときの動的な剛性は、静的な剛性よりも大きく、圧力に依存して変化し、鳴き発生の原因となる。本研究では、パッドの静的な剛性と動的な剛性の関係を測定できる装置を開発した。制動性能(効きの良さ)と静粛性(鳴きにくさ)を両立したブレーキパッドの開発に有用である。自動車の制動に用いられるディスクブレーキは、ブレーキパッドの材料特性によって制動性能(効きの良さ)と静粛性(鳴きの有無)が変化する。一般的に、制動圧を加えたときのパッドの静的な変位量から求めた静的な剛性が大きいほど効きが良くなるとされる。また、振動時のパッドの動的な剛性が圧力に依存することが、制動時の騒音(鳴き)の原因となることが申請者等によって見出されている。鳴きが発生しにくいパッドを開発するためには、静的な剛性と動的な剛性の関係を明らかにする必要がある。平成24年度は、前年度に開発したパッドの動的な剛性と静的な剛性の関係を測定できる装置の精度を検証し、パッド開発に実用できるよう改良を加えた。この装置は、まず、パッドをゆっくりと加圧し、各圧力での準静的な剛性を測定する。圧力が大きくなるほど、準静的な剛性は大きくなる。次に、ある圧力で、加圧から除圧に切り替える。加圧から除圧に移り変わった直後の剛性が大きくなり、変位-圧力特性がヒステリシスを示す。このときの剛性が、微少振幅で加振したときの動的な剛性に対応する。除圧を続けると剛性が低下し、やがて準静的な剛性に戻る。本研究により、パッドを鳴き周波数で加振したときの動的な剛性が加振振幅に依存する現象が、ヒステリシス時の剛性が準静的な剛性に移り変わる現象に対応することが明らかになった。また、各圧力におけるヒステリシス時の剛性は、算出に用いる変位量を管理することで、その圧力での準静的な剛性の定数倍となることが見出された。これらの実験結果に基づき、静的な剛性と動的な剛性の両方を考慮できる鳴き解析モデルを作成した。鳴き実験結果と解析結果を比較した結果、どちらか一方の剛性のみを用いた従来の解析モデルよりも、解析精度が向上することを確認した。また、パッドのヒステリシスを再現できる物理モデルを作成し、パッド開発への応用を検討中である。自動車の制動に用いられるディスクブレーキは,制動圧を加えたときのブレーキパッドの静的な剛性が大きいほど効きが良くなる.また,振動が加わったときのパッドの動的な剛性が圧力に依存することが,制動時の騒音(鳴き)の原因となることがわかっている.本研究では,パッドの静的な剛性と動的な剛性が異なる原因を明らかにし,制動性能と静粛性を両立できるパッドの開発を目指す.平成23年度は,パッドの動的な剛性と静的な剛性の両方を測定できる装置を開発した.実機の制動圧は,最大で2.5 MPa程度となる.このとき,パッドに生じる静的な変位は,50 μm以上になる.一方,鳴き振動は,振幅は1 μm程度だが,周波数は1000 Hz以上となる.本研究で開発した装置は,実際のブレーキパッドから20 mm×20 mmに切り出した試験片について,実機制動時の静圧と鳴き振動の周波数と振幅をもつ振動を加えたときの剛性を測定できる.まず,パッドにゆっくりと負荷を加えていき,ある荷重で除荷に切り替えたときの準静的な剛性を測定した.負荷から除荷に切り替わった直後の剛性が大きくなり,変位-荷重特性がヒステリシスをもつ.除荷開始直後の剛性は,最大圧力を最大変位量で割った静的な剛性の2倍以上となった.負荷から除荷に切り替える荷重が大きいほど,この剛性は大きくなる.次に,静圧をかけた状態で加振したときの動的な剛性を調べた.加振の振幅を小さくし,周波数を大きくするほど,剛性は大きくなる.そして,準静的な剛性を測定したときの除荷開始直後の剛性に近づいていく.本研究で開発した剛性測定装置は,静的な剛性と動的な剛性の関係を明らかにできるため,制動性能と静粛性を両立できる剛性をもつパッドを開発するために有用である.パッドの静的な剛性と動的な剛性の両方を測定できる装置を開発した.一般的な材料試験機でもパッドの静的な剛性の測定は可能だが,動的な剛性は測定できない.そこで,本研究に先立ってパッドを鳴き周波数帯域の微小振幅で加振したときの動的な剛性を測定する装置を開発したが,静的な剛性やゆっくりと大振幅で加振したときの準静的な剛性は十分な精度で測定できなかった.このため,静的な剛性よりも動的な剛性が大きくなる理由については検討できていなかった.

本研究において開発した装置を用いることで,加振振幅と周波数を大きくしていくと剛性が大きくなり,静的な剛性から動的な剛性に近づいていく現象が明らかになった.パッドの開発に重要な静的な剛性と動的な剛性の関係を調べることができる装置を開発したことが成果である.その一方で,パッドの剛性がもつ加振振幅依存性を十分に検討するためには,加振振幅が1 μm以下での剛性を測定する必要があることが明らかになった.現在,測定に用いている本学既存の渦電流式変位センサでは十分な精度で測定することができない.また,装置本体の共振周波数が設計よりも低く,鳴き周波数帯域での動的な剛性の測定精度に悪影響を与えている.そこで,パッド剛性の測定精度を向上させるため,装置の改善を優先している.このため,平成23年度に予定していたパッド剛性の力学モデルの作成は,平成24年度に取り組むこととなった.研究内容の有用性が確認でき,今後の発展が見込めるため,おおむね順調に進展していると言える.パッドの剛性に加振振幅と周波数が影響することが明らかになったので,実用化(制動性能と静粛性を両立したパッドの開発)に向けた基礎技術を確立するため,以下の3課題に取り組む.(1)装置の測定精度の向上:加振振幅1 μm以下の剛性を精度よく測定するために精度の良い変位センサに交換する.さらに,安定した剛性測定を行うために静圧の微調整ができるよう構造を変更する.また,装置本体の共振をなくし,剛性の周波数特性についても測定精度を向上させる.(2)鳴きやすさの異なる各種パッドの剛性測定:同程度の静的な剛性と摩擦係数をもっていても,鳴きやすさが異なるパッドが存在する.これらのパッドについて,鳴きやすさに影響が大きい動的な剛性を調べる.制動性能と静粛性(鳴きにくさ)を両立したパッドを開発するためのに,動的な剛性と静的な剛性の関係を決める要因(組成や気孔率)を明らかにする.また,静的な剛性と動的な剛性が異なる理由を説明することができるパッド剛性の力学モデルを作成する.(3)実機展開に向けた検証実験:大学所有の鳴き試験機を用いて,パッド剛性の違いが鳴きに与える影響を調べる.パッドの動的な剛性と静的な剛性のそれぞれが,鳴きが発生する圧力の範囲や鳴き周波数,鳴き音圧に与える影響を検討する.パッド剛性と鳴きやすさの関係を示すことで,本研究の有用性を示す.今後の推進方策に対応して以下を予定している.(1)測定装置の改善費用:変位測定に用いるセンサを渦電流式変位計から静電容量式変位計に交換する.導入予定の静電容量式変位計は,測定変位の分解能が5 nmであるため,パッド剛性の加振振幅依存性を十分な精度で測定することができる.また,装置内部に取り付ける加振部の構造を再設計することで,動的な剛性測定時に問題となる装置の共振をなくす.(2)試験片の作成費用:パッドの静的な剛性と動的な剛性が鳴きやすさに与える影響を調べるために,多様なパッドの剛性を測定する必要がある.各種パッドの購入と試験片を作成する加工費に用いる.(3)鳴き試験の実施に関わる費用:本学既存の鳴き試験機に剛性を測定したパッド試験片を取り付ける治具の作成やパッド試験片を押し付ける試験用ディスクの研磨などに用いる.
大規模分散共有資源の最適化に向けた協調問題解決アルゴリズムの高度化

本研究では,大規模・複雑な分散システムにおける,共有資源のための分散最適化について検討した.人工知能分野におけるマルチエージェントシステムの基本問題である分散制約最適化問題を基礎として,比較的複雑な構造や目的を持つ分散共有資源にかかわる分散最適化問題と解法に取り組んだ.電力スマートグリッド上の資源共有などを動機付けとし,大規模・複雑な問題のための階層的な近似解法,サンプリングに基づく解法の改良を提案した.また,非線形・不連続性を伴う連続値変量を伴う問題のための分散最適化手法に取り組んだ.さらに,参加者の利益の調整のための公平性を指標とする問題を分散制約最適化問題に導入した.本研究では,大規模分散システムにおける,共有資源の高度な最適化を目標として,分散協調問題解決の基礎技術を発展させるための課題に取り組んでいる.人工知能分野における基本問題である分散制約最適化問題を基礎として,従来よりも複雑な構造や目的を持つ,分散共有資源にかかわる分散最適化問題の分析,それらに共通の汎用的な定式化,および解法の開発を目的としている.本年度においては,大規模資源供給網上の分散資源割当てのための問題のモデル化および,階層構造と近似的手法にもとづく解法を中心として検討を進めた.電力スマートグリッドを動機付けとする資源供給網を分散協調型のクラスタリングアルゴリズムにより階層的に分割し,クラスタ木上で解探索を適用することにより資源の割り当てを決定する手法を提案した.これにより,従来解法の適用が困難な問題においても比較的高い程度で実行可能解を得ることができた.また,分散制約最適化問題の二種類の近似解法を統合し,エージェント近傍の部分問題における局所探索と,大域的な情報の収集を伴う動的計画法を併用することにより,解の精度を向上する手法を提案した.次年度に計画されている課題に向けた基本的な取り組みとして,連続変量を持つ資源割り当て問題のための分散最適化手法について検討した.通信ネットワーク上で連続変量を持つ通信帯域を送信ノードに割り当てる分散資源割り当て問題を,分散制約最適化問題の部分クラスに帰着し,その解法を帰着された分散制約最適化問題に適用する手法を提案した.また,確率的山登り法に基づく分散制約最適化手法を連続変量に拡張する手法を提案した.本研究では,大規模分散システムにおける,共有資源の高度な最適化を目標として,分散協調問題解決の基礎技術を発展させるための課題に取り組んでいる.人工知能分野における基本問題である分散制約最適化問題を基礎として,比較的複雑な構造や目的を持つ分散共有資源にかかわる分散最適化問題の分析と定式化,および解法の開発を目的としている.本年度においては,非線形な連続領域・不連続領域の最適化を伴う,分散共有資源割当てのための問題のモデル化と,その解法を中心として検討を進めた.また,次年度に予定されている公平性を伴う資源割り当てのための分散最適化問題について検討した.このために,電力スマートグリッド網を動機付けとする資源供給網上の離散最適化問題を解く従来解法を拡張した.本来は連続量の電力量を離散化のために標本化する際に,誤差を調整する範囲を求め,電力網上の制約条件を満足するように標本値を補間する手法を導入した.これにより,標本数を抑制した状況でも,比較的高い実行可能性を得ることができた.その一方で,解の精度と実行可能性にはトレードオフがあり,解の精度の向上には課題がある.また,連続・非線形な分散最適化問題のための従来解法で用いられる数値計算を微分不可能な問題に適応し,リスタート戦略を用いる手法について検討した.前年度に検討した分散制約最適化問題の二種類の精度保証付き近似解法を統合する手法を,より一般的なグラフ構造に適用するように改善した.次年度に計画されている課題に向けた基本的な取り組みとして,資源割り当てにおける公平性を考慮する分散最適化問題について検討した.理論面において基礎的な指標であるleximinを問題の評価指標として導入し,解法の演算を拡張した.これにより,パレート最適性などを満足し,効率性と公平性のある程度のバランスがある解を得ることができた.本研究では,大規模分散システムにおける,共有資源の高度な最適化を目標として,分散協調問題解決の基礎技術を発展させるための課題に取り組んできた.人工知能分野におけるマルチエージェントシステムの基本問題である分散制約最適化問題を基礎として,比較的複雑な構造や目的を持つ分散共有資源にかかわる分散最適化問題の分析と定式化および解法を検討した.最終年度においては,実際的な資源割り当て問題についての検討を踏まえ,公平性を伴う問題,大規模問題および動的な問題の解法についてそれぞれ検討を進めた.前年度に検討した公平性を考慮する問題をもとに,グラフ表現の一般化と近似的な解法の影響について検討した.任意の項数の関数を表現するグラフの場合に解法を拡張した.また,近似による解品質の影響が主に最小の利益となるエージェントに関することを示した.また,大規模な問題,エージェントが多数の状態を持つ問題,実際的な資源量のような連続値を離散化した問題など,網羅的な探索が困難な場合に適用可能な木探索とサンプリングに基づく解法について検討した.サンプリングの理論的な正確さを緩和し,必要な記憶を削減する手法を示し,解品質への影響について分析した.また,木探索におけるサンプリングと枝刈り手法との併用について検討した.木構造と局所探索を用いるサンプリングに基づく解法について,局所的な協調の導入およびサンプリングの並行の可能性を模索した.

さらに,動的な環境における資源割り当て手法として,マルコフ性を伴う分散制約最適化問題の解法に含まれる最適化手法をスケーラブルな非厳密解法にした場合の効果と影響について検討した.前年度までの研究内容と合わせ,分散制約最適化手法の拡張的な領域の問題と解法を中心とする検討から一定の成果と知見を得た.本研究では,大規模・複雑な分散システムにおける,共有資源のための分散最適化について検討した.人工知能分野におけるマルチエージェントシステムの基本問題である分散制約最適化問題を基礎として,比較的複雑な構造や目的を持つ分散共有資源にかかわる分散最適化問題と解法に取り組んだ.電力スマートグリッド上の資源共有などを動機付けとし,大規模・複雑な問題のための階層的な近似解法,サンプリングに基づく解法の改良を提案した.また,非線形・不連続性を伴う連続値変量を伴う問題のための分散最適化手法に取り組んだ.さらに,参加者の利益の調整のための公平性を指標とする問題を分散制約最適化問題に導入した.本年度に計画されていた,非線形な連続領域・不連続領域の最適化を伴う,分散共有資源割当てのための問題については,(1)電力スマートグリッドを動機付けとする資源供給網における離散最適化手法の標本値を補間することにより標本数を抑制した状況でも比較的高い実行可能性を得る手法,(2)非線形・連続量の問題のための従来解法を微分不可能な問題へ適応し,リスタート戦略を用いて局所解への収束を改善する手法の検討により,一定の成果が得られた.また,次年度に計画されている課題に向けた取り組みとして,公平性を考慮した分散最適化問題の検討に着手し,既にleximinを評価指標とする問題とその解法を提案している.以上により,本研究の進捗状況はおおむね順調と考えられる.マルチエージェントシステム最終年度である次年度は,分散共有資源の割り当て問題における参加者の公平性を考慮する手法を中心に検討する.本年度の成果に基づき,大規模かつ複雑な問題を近似した際の,公平性への影響や,公平性に関する情報を各参加者が把握できる枠組などの検討を進める.また,本年度において提案した電力量の標本値を補間する解法の課題である,解の品質の改善について検討する.さらに,連続変量と不連続変量からなる,より複合的な多目的最適化問題などの検討を進める.これらを含めて,本研究課題の成果を総括することを目標とする.本年度に計画されていた,大規模資源供給網上の分散資源割当てのための問題のモデル化と階層構造と近似的手法もとづく解法については,(1)電力スマートグリッドを動機付けとする資源供給網における階層的領域分割に基づく資源割り当て手法,(2)分散制約最適化問題の二種類の近似解法を統合した局所および大域的情報の収集を併用する最適化手法により,一定の成果が得られた.
霊長類におけるゲノム・メタゲノム相関とその進化的意義の解明

研究の最終年度として、これまでに採取した哺乳類のゲノム試料や、細菌叢試料の次世代シークエンサーでの分析をおおむね完了し、表現型との関連について考察した。特に飼育下チンパンジーの腸内細菌叢多様性に関する分析が完了した。ニホンザルを対象とした野生霊長類の腸内細菌叢を次世代シークエンサーをもちいて解析するメソドロジーに関する論文と、テングザルに前胃共生している菌叢の環境応答に関する論文を国際学術誌において出版した。本研究は、霊長類種のゲノム多様性と、霊長類の腸内などに共生する細菌叢の個体差や種差との関係について、次世代シークエンシング手法をもちいて明らかにし、細菌叢の共生を制御する分子メカニズムを明らかにすることを目的としている。今年度は、京都大学熊本サンクチュアリや公益財団法人日本モンキーセンターにおいて、チンパンジーをはじめとするさまざまな非ヒト霊長類の糞便、胃内容物、口腔スワブといった細菌叢サンプルの機会的収集をおこない、それらに由来するDNAライブラリの構築をおこなった。本研究の目的である非ヒト霊長類由来の共生細菌叢の解析について、さまざまな分類群ならびに同種複数個体からの細菌叢のサンプリングを実施することができ、初年度の進捗としてはおおむね順調である。霊長類や比較対象となる哺乳類からのゲノム試料や細菌叢試料のサンプル収集を継続するとともに、作成した細菌叢DNAライブラリの次世代シークエンサーをもちいた塩基配列決定と、バイオインフォマティクスによる分析をおこない、霊長類種内や種間のゲノム変異および細菌叢の多様性について知見を得た。いくつかの成果について、論文の作成をおこなった。本年度は初年度にサンプリングした試料に基づいて、計画通り、ゲノム・メタゲノムの塩基配列の解析および種内や種間での変異について分析することができた。現在までに収集した細菌叢DNAライブラリについて、次世代シークエンサーを用いた配列解析を実施し、所期の目的であるホスト種との関連について多変量解析をおこなう。収集したゲノム・メタゲノムのデータに基づいて、表現型解析も踏まえた高次の分析と考察をおこない、論文を執筆する。次世代シークエンサーでの分析のために物品費、霊長類調査のために旅費を請求していたが、一度の次世代シークエンサーでの分析のためには同時に多数のサンプル数を分析するのが効率的である。そのための十分なサンプル数がそろっていないと判断したため、次年度までサンプリングを継続し、それらのサンプル数の分析を次年度使用額から計上する予定である。
国際規格策定にむけた有機フラグメント構造設計プログラムの開発

所望の機能を入力することにより、改良案を提示する分子構造設計プログラムを実現するための研究開発を行う。その開発に不可欠な有機フラグメントの比較に使用する、分子構造の記述の国際規格化に向けた研究を進める。近年技術革新の著しいクライオ電子顕微鏡法によるタンパク質構造解析に適用可能なX線結晶構造及び密度汎関数法計算フラグメントデータベースを構築する。併行して、タンパク質を記述するために考案したタンパク質超二次構造コードを用いるディープラーニング技術を開発し、分子構造設計プログラムにフィードバックさせる。
上皮間葉転換を制御するlncRNAの探索とその機能の解明

上皮細胞の性質を失い、間葉細胞の性質を獲得する上皮間葉転換(EMT)において、長鎖非コードRNA(lncRNA)がどのような役割を果たしているのかを明らかにすることを目的に、研究を推進している。本年度、申請者はTGF-βによってEMTが誘導されるEMTモデル細胞において、lncRNAの1つであるMEG8(RIAN)の発現が誘導されることを見出した。EMTモデル細胞において、RIANを大量発現させると、マイクロRNAであるmiR-34aやmiR-203の発現が抑制され、それに伴って、それらマイクロRNAの標的である転写因子、SNAI1とSNAI2の発現が促進された。その結果、SNAI1およびSNAI2が抑制している上皮マーカーであるE-カドヘリンの発現がさらに抑制されることが分かった。それに加えて、RIANをノックダウンすると、TGF-βによるEMTの誘導が阻害されたことから、RIANがTGF-βによって誘導されるEMTに不可欠であることが示唆された。RIANは、1.遺伝子発現を抑制する働きがあるポリコーム抑制複合体2(PRC2)と結合できること、2.miR-34aやmiR-203の遺伝子座への、PRC2のリクルートを促進すること、3.RIAN自身もTGF-β依存的にmiR-34aやmiR-203の遺伝子座へリクルートされていることから、RIANはPRC2をmiR-34aやmiR-203の遺伝子座へリクルートすることによって、それらの発現を抑制し、結果的に上皮マーカー遺伝子の発現を抑制されることにより、EMTに関わる可能性が示唆された。本研究の成果は、lncRNAによるがん悪性化機構の理解につながることが期待される。これらの研究実績は2018年、JBC誌へ報告した。本年度は1.EMTにおけるRIAN長鎖非コードRNAの役割を明らかにすること2.EMTを制御する新たな長鎖非コードRNA候補を見つけることを計画していた。1に関しては、RIAN長鎖非コードRNAがEMTに不可欠で、PRC2のリクルートメントを調節することによってEMTに関わる可能性があることを提示できた。2に関しては、いくつかの新たな有力候補をスクリーニングして、ピックアップできており、今後それらのlncRNAがどのようなメカニズムでEMTに関わるのかを明らかにしていきたい。まず、本研究で同定してきたRIAN長鎖非コードRNAに関しては、以前に申請者らが同定したMEG3長鎖非コードRNAと分担して、PRC2のリクルートメントに関わることにより、上皮・間葉系遺伝子の発現スイッチを制御し、EMTに関わることを提示してきた。今後はこれらの長鎖非コードRNAによるPRC2のリクルートメント機構の詳細に踏み込みたい。さらに、EMTを制御する新たな長鎖非コードRNAを同定し、EMTにおける長鎖非コードRNAの役割の一端を明らかにしていきたい。
協同効果を利用する精密制御反応場：多官能性ポルフィリン金属錯体

異なる長さのメチレン鎖をリンカーとした4種類のZnポルフィリン錯体を合成したところ、メチレン鎖長に依存してポルフィリンの構造やスペクトルが変化した。これらの触媒とテトラブチルアンモニウムハライド(共触媒)を用いて、エポキシドの速度論的光学分割を行ったところ、触媒活性やエナンチオ選択性もメチレン鎖長に依存して変化した。さらに、架橋部位にトリアゾリウム塩を組み込んだキラル二官能性Znポルフィリン錯体を合成し、速度論的光学分割に用いた。二つの官能基による協同効果のため触媒活性が向上し、室温でも速度論的光学分割反応が進行した。この触媒のメチレン鎖長とトリアゾリウム塩の対アニオンを最適化した後、最適触媒を用いて反応条件を最適化し、基質適用範囲を調査した。二官能性Alポルフィリン錯体を用いると、シクロヘキセンオキシドと二酸化炭素の交互共重合が進行した。高い触媒活性(TOF = 17,000 h-1)と選択性(>99%)を示し、生成物はほぼポリカーボネートのみであった。比較的分子量が大きいポリカーボネート(約33,000g/mol)が得られた。GPCの結果、二峰性(bimodal)のピークが観測されたため、それぞれについて、数平均分子量(Mn)、多分散度(Mw/Mn)及びポリマー鎖数(1触媒あたり)を算出した。各ピークの多分散度(Mw/Mn)が極めて小さい(1.03)ことから、鎖長の揃ったポリマーが生成していた。各ピークにおいて、触媒1分子によって合成されたポリマー鎖数が23108本存在していて、連鎖移動反応が進行して、触媒の利用効率が高いことも分かった。新たな配位子を設計し金属イオンと混ぜて加熱したところ、ユニークな大環状型多核金属錯体が得られた。上記のタイプの触媒として機能することも確認した。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究課題では、エポキシドと二酸化炭素から環状炭酸エステルを合成する反応やエポキシドの速度論的光学分割反応に適した触媒を開発する。まず、これまで開発してきた二官能性触媒のさらなる触媒活性の向上を目指して、メソ位ベンゼン環のパラ位の置換基効果を調査した。パラ位に電子求引性基(ブロモ基、シアノ基)を有する二官能性ポルフィリン亜鉛錯体を合成した。触媒活性は無置換体<ブロモ体<シアノ体となり、電子求引性基の導入により触媒活性が向上した。特に、シアノ体の触媒活性が最も高く、TOF = 42,000 h-1を示した。また、数ppmの触媒を用いて長時間反応に附すと、TON = 260,000を示した。一方、ビナフチル基で架橋したキラル亜鉛ポルフィリンを数段階で合成した。NMR、UV/vis、CDスペクトルから、架橋によってポルフィリン環が歪み、メチレン鎖長が短くなるにつれて歪みが大きくなっていることが示唆された。X線結晶構造解析の結果、平面からの歪みを表すmeanplane deviationは0.119オングストロームであり、架橋によりポルフィリン環が確かに歪んでいることを確認した。置換基効果については論文発表した。ビナフチル基で架橋したポルフィリンはX線結晶構造解析に成功した。ビナフチル基で架橋したポルフィリン金属錯体の合成がほぼ完成したので、それを用いてエポキシドの速度論的光学分割を実施する。
孤立単層カーボンナノチューブの光デバイス応用に向けた形態制御直接合成と光物性解明

本年はまず、クリーンかつ構造の制御された単一架橋単層カーボンナノチューブを用いた電界効果トランシスタ構造を安定的に作製する技術を確立した。本デバイスはナノチューブの両端にソース電極とドレイン電極を備え、基板のスリット内側がサイドゲートとして働く。本デバイスの実現により、ナノチューブのフェルミレベルを電界効果により直接制御すると同時に、レイリー散乱分光及びラマン散乱分光を行うことが可能となった。ゲート効率については、金属ナノチューブのラマン散乱スペクトルにおけるGモードの線幅がフェルミレベルに応じて変化する性質を利用して見積もる手法を確立した。上記の手法により作製した単一ナノチューブデバイスを用いて、レイリー散乱スペクトルのゲート電圧依存性を調べたところ、ゲート電圧を印加するとともに、金属ナノチューブ、半導体ナノチューブそれぞれについて励起子エネルギーのシフト及び線幅の増加が観測された。線幅の増加はキャリア密度の増加にほぼ比例しており、励起子と注入されたキャリアとの散乱による励起子寿命や位相緩和時間の短縮によるものと考えられる。励起子エネルギーのシフトについては、励起子の結合エネルギーと電子・電子反発エネルギーが共に変化したことに起因すると考えられる。特に半導体ナノチューブについては、金属ナノチューブよりも小さなゲート電圧でも大きなレイリー散乱スペクトル変化が観測され、レイリー散乱強度についても大幅な変調(最大約80%程度のレイリー散乱光強度減少)が可能であることが明らかになった。上記のように、キャリア注入により単一ナノチューブデバイスの光学特性の大幅な変調が可能であることが明らかになったことは、今後のナノチューブの光応用にとって非常に重要な意義を持つと考えられる。2002年に単層カーボンナノチューブを孤立化することで蛍光発光することが明らかとなって以来,ナノサイズ光デバイスとしてのナノチューブ応用を目指して,様々な研究が世界中で進められている.単層カーボンナノチューブの光デバイス応用のためには基礎的な光物性の解明が不可欠であることから,本年度はまず,光物性測定に不可欠な高品質の孤立ナノチューブ試料を得るための研究を行った.高品質ナノチューブは独自に開発したアルコールCVD法により合成し,ごく最近海外のグループから発表されたPFO分子を用いたナノチューブ分散法を採用したところ,非常に高品質な孤立ナノチューブ試料を得ることが可能となった.この試料を用いて,発光量子効率と発光寿命を測定することで,励起子の輻射寿命を決定し,発光メカニズムに関する重要な知見を得た.近赤外領域におけるナノチューブの発光寿命の測定にはフェムト秒励起相関分光法を用いた.ナノチューブに関しては,相関信号からの寿命の推定にかかわる理論が未だ構築されていないため,実験と並行して非線形信号の起源とそれにより得られる相関信号に関する理論的な検討も行った.最終的に,発光寿命がナノチューブの直径に依存して短くなる傾向があることが明らかとなった.発光の量子効率については,リファレンス色素を用いた相対法により測定を行い,量子効率についてもナノチューブの直径に大きく依存することを明らかにした.このようにして得られた発光寿命と量子効率から,ナノチューブの輻射寿命が数ナノ秒程度であることが明らかとなった.これらの知見はナノチューブの光物性の解明と,光学特性の改善に向けて重要な示唆を与えるものである.本年度はまず、単層カーボンナノチューブの発光量子効率を実質的に制限している要因を探るため、キャリアドーピングと励起子寿命の関係、および単層カーボンナノチューブの長さと励起子寿命の関係を明らかにし、得られた実験結果からキャリアドーピング、および励起子の拡散による非輻射緩和メカニズムを明らかにした。また、発光効率の温度依存性と励起子微細構造の関連についても明らかにした。単層カーボンナノチューブのバンド構造における電子と正孔の非対称性とそのカイラリティ依存性についても、偏光発光励起分光法による測定結果と理論計算の比較から定量的に明らかにした。これらの成果により、単層カーボンナノチューブの基礎的な励起子光物性とその制御に関する重要な知見を得ることができた。さらに、本年度はこれまでの液中分散高品質孤立ナノチューブ試料に関する研究に加えて、単一の単層カーボンナノチューブの光物性解明と光デバイス応用のための光機能発現に向けて研究を進めた。まず、単一単層カーボンナノチューブをアルコールCVD法によりスリット上に架橋するように合成し、スーパーコンティニュウム光源を用いたレイリー散乱分光法により光学遷移エネルギーの直接観察を行った。その結果をラマン分光の結果と組み合わせて用いることで、合成した単一単層カーボンナノチューブの直径とカイラリティを光学的に精密に決定し、構造が完全にわかっている単一単層カーボンナノチューブを用いたデバイスを試作した。

線幅の増加はキャリア密度の増加にほぼ比例しており、励起子と注入されたキャリアとの散乱による励起子寿命や位相緩和時間の短縮によるものと考えられる。励起子エネルギーのシフトについては、励起子の結合エネルギーと電子・電子反発エネルギーが共に変化したことに起因すると考えられる。特に半導体ナノチューブについては、金属ナノチューブよりも小さなゲート電圧でも大きなレイリー散乱スペクトル変化が観測され、レイリー散乱強度についても大幅な変調(最大約80%程度のレイリー散乱光強度減少)が可能であることが明らかになった。上記のように、キャリア注入により単一ナノチューブデバイスの光学特性の大幅な変調が可能であることが明らかになったことは、今後のナノチューブの光応用にとって非常に重要な意義を持つと考えられる。