hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
うつ病発症における脳アストログリア空間的カリウム緩衝機構の生理的役割の解明

C6グリオーマ細胞において、Na+/K+ ATPaseを除いた今回研究の対象としたKirチャネルの発現レベルが低かったことから、C6グリオーマ細胞をアストログリア様細胞に分化誘導することで研究を進めることとし、その培養条件の確立を目指した。最終的に1mM dbcAMPを添加した1% FBS/DMEMで培養することで、分化誘導が可能であることを明らかすることができたものの、当初の予定よりも時間を費やすこととなった。また、長期の継代培養によって分化誘導の効果が漸減的に低下することも明らかとなったため、細胞継代数を制限して実験を行う必要が生じ、その条件を明らかにする必要も生じた。以上の理由より、実験の進捗が遅れることとなった。前年度に確立したC6グリオーマの分化誘導条件を元に、本年度はC6グリオーマ分化誘導前および誘導後における電気生理学的手法による内向き整流性カリウムチャネル電流の測定を試みた。測定には、細胞外液として150mM NaCl, 5.4mM KCl, 1.8mM CaCl2, 1.2mM MgCl2,10mM d-glucose, 10mM HEPES (pH7.4)を、電極内液として140mM KCl, 1mM MgCl2, 5mM EGTA, 4mM MgATP, 10mM HEPES (pH7.2)を用いた。測定条件として、静止膜電位を-50mVに設定し、-130mVから-20mVまで、10mVずつステップパルスを与えた。分化誘導前のC6グリオーマでは、内向き整流性カリウムチャネル由来の電流は認められなかったものの、4-Aminopyridine (4-AP)の投与により抑制される電位依存性カリウムチャネル由来と考えられる外向きの電流が認められた。まず、生化学実験による結果を元に、分化誘導3日後のC6グリオーマにおいてカリウムチャネル電流を測定したところ、外向きの電流は観察されたが、内向き整流性カリウムチャネル由来の電流は観察されなかった。続いて、分化誘導5日後のC6グリオーマでは外向きの電流の他、強い過分極刺激時より内向き電流が認められ、これは4-APの投与により抑制されなかったことから、内向き整流性カリウムチャネル由来の電流であることが示唆された。これに対し、C6グリオーマの分化誘導時にグルココルチコイドであるコルチコステロン(100μM)を同時投与したところ、内向き電流は認められなかった。以上の結果から、コルチコステロンにより、分化誘導されたC6グリオーマにおけるカリウムチャネルの電気生理学的性質が変化することを明らかにした。C6グリオーマにおけるカリウムチャネル電流測定条件の設定に時間を要したことが原因である。まず、安定した測定を実現するための細胞外液および電極内液の確立や測定のためのパルスプロトコルの設定に時間を費やした。また、C6グリオーマ分化誘導に伴うKirチャネル発現の生化学的な経時変化と電気生理学的特性が発現するまでの経時変化との間にタイムラグがあり、C6グリオーマ分化誘導後のチャネル電流測定タイミングの同定に時間を要したことも研究の進捗が遅れた原因である。本年度は、C6グリオーマにおけるパッチクランプ法による内向き整流性カリウムチャネル電流測定に加え、カリウムイオン蛍光プローブであるAsante Potassium Green-2(APG-2)を用いたカリウムイオン流入の可視化を試みた。
建築骨組の床の面内剛性を考慮したシステム同定法の開発とその高度化に関する研究

H30年度における研究成果は主に1)実験による提案手法の妥当性の検証、2)提案手法の非線形域への適用である。1)では前年度に提案した同定手法の妥当性を検証するため、床の面内変形による差異を考慮した立体試験体を製作し、加振実験を行った。用いた試験体は5種類であり土台、柱(鋼棒)、梁(ばね鋼)、天板(アクリル板)、ノード部(鋼製)より構成される。土台と振動台は万力により固定し、柱とノード部はプレートによる摩擦接合を行う。水平構面は面内変形の試験体ごとの設定(剛床・柔床)に従い、天板をボルトによりノード部へ固定する。入力波は振幅調整したEl Centro 1940 NS波を用い、試験体に対し30度方向から加振する。加速度センサーはノード部上の対角位置に2軸方向、各層4つ設置し、計測対象は強制振動時及び加振後の自由振動域とした。また、求めた推定値の妥当性を検討する際に、参考値を静的載荷試験及び固有振動数比による導出法から設定する。この結果、自由振動域における応答加速度を用いた推定結果は強制振動時の結果と比べ、誤差が少ないことが明らかとなった。また推定値の比較対象となる真値は静的載荷試験や固有振動数比を用いた手法により導出し、評価された剛性値の推定誤差は最大15%程度であることが確認された。2)では前年度に提案した同定手法を非線形域においても適用できるように拡張し、多層型立体モデルを対象とした手法を展開した。また数値例題により手法の妥当性が確認された。これにより前年度手法とは異なり、加速度成分のみによる同定が可能となった。1)では前年度に提案した同定手法の妥当性を検証するため、鋼材からなる立体試験体を複数製作し自由振動実験及び強制加振実験を行った。この結果、評価された剛性値の推定誤差は最大15%程度であると確認され手法の妥当性が確認できた。2)では前年度に提案した同定手法を非線形域において適用できるように拡張し、柔床多層型立体モデルを対象とした手法を提案した。また数値例題を行い、提案手法の妥当性を確認した。1)の成果は当初計画にはなかったが、非線形域に用いる理論的枠組みは同一であるため線形域における提案手法の実験による検証を行った。本年度は、昨年度展開した非線形域における同定手法の実験的検証を行う。本実験は柔床試験体を対象とし、各構面に平行な応答加速度のみを用いて試験体の構面ごとの復元力特性を推定する。実験結果から得られた知見の整理を行い、提案手法の妥当性を明らかにする。次に、非線形域における同定手法の高度化を行う。前年度において提案した手法を用いて各構面の復元力時刻歴波形をフーリエ展開により表現し、推定対象をフーリエ係数とした線形のパラメター推定問題へと変換する。この方法を多層多構面モデルへ適用可能となるように拡張し、汎用化を目指す。またこの提案手法を用い、バイリニア型復元力特性を基本とし、より複雑なバイリニアスリップ型などの復元力特性を有するモデルを対象とした数値シミュレーションにより妥当性を示す。

2)では前年度に提案した同定手法を非線形域において適用できるように拡張し、柔床多層型立体モデルを対象とした手法を提案した。また数値例題を行い、提案手法の妥当性を確認した。1)の成果は当初計画にはなかったが、非線形域に用いる理論的枠組みは同一であるため線形域における提案手法の実験による検証を行った。本年度は、昨年度展開した非線形域における同定手法の実験的検証を行う。本実験は柔床試験体を対象とし、各構面に平行な応答加速度のみを用いて試験体の構面ごとの復元力特性を推定する。実験結果から得られた知見の整理を行い、提案手法の妥当性を明らかにする。次に、非線形域における同定手法の高度化を行う。前年度において提案した手法を用いて各構面の復元力時刻歴波形をフーリエ展開により表現し、推定対象をフーリエ係数とした線形のパラメター推定問題へと変換する。この方法を多層多構面モデルへ適用可能となるように拡張し、汎用化を目指す。またこの提案手法を用い、バイリニア型復元力特性を基本とし、より複雑なバイリニアスリップ型などの復元力特性を有するモデルを対象とした数値シミュレーションにより妥当性を示す。
がん抑制性ニッチの実態とその誘導による新規治療法の開発

前骨芽細胞株MC3T3-E1にBMP-2を添加して成熟骨芽細胞を作成しMM細胞と共培養したところMM細胞に時間依存性の細胞死を誘導し、MM細胞のミトコンドリア量とATP産生量を抑制しAMPKのリン酸化を誘導した。また、MM細胞のPim-2とともにミトコンドリア代謝調節因子であるPGC-1αの発現が低下し、AMPKがリン酸化した。以上より、未分化な骨髄間質細胞はMM細胞のPim-2発現を亢進しMM細胞を増殖させるが、分化した成熟骨芽細胞は、逆にMM細胞のPim-2の発現を抑制し、ミトコンドリアの機能障害やAMPKの活性化によるエネルギー代謝の攪乱を介しMM細胞に細胞死を誘導すると考えられた。我々はこれまでに骨芽細胞分化の誘導により骨髄腫(MM)細胞の増殖が抑制されることを報告しているが、その機序は不明である。今回、成熟骨芽細胞による骨髄腫細胞の増殖抑制の機序を明らかにするために以下の検討を行った。前骨芽細胞株MC3T3-E1にBMP-2を添加し骨芽細胞分化を誘導させた。このようにして誘導した成熟骨芽細胞との共存は骨髄腫細胞株RPMI8226やINA6に時間依存性に細胞死を誘導するとともにこれらのMM細胞のミトコンドリア量とATP産生量を抑制しAMPKのリン酸化を誘導した。AMP類似物質AICARによるAMPKの活性化はMM細胞に細胞死を誘導し、逆にAMPK阻害薬dorsomorphinは骨芽細胞によるMM細胞の細胞死を減弱させた。成熟骨芽細胞との共存よりMM細胞のPim-2とともにミトコンドリアの量や機能の調節因子であるPGC-1αの発現を抑制した。PimキナーゼはPGC-1αの発現を調節することが報告されているが、Pim阻害薬SMI-16aの添加によりMM細胞のPGC-1αの発現が減少し、AMPKがリン酸化した。以上より、骨髄間質細胞はMM細胞の抗アポトーシス媒介因子のPim-2の発現を亢進しMM細胞を増殖させるが、骨髄間質細胞から分化誘導した成熟骨芽細胞は、逆にMM細胞のPim-2の発現を抑制し、Pim-2の下流因子のMcl-1やc-Mycなどの向生存因子の発現減少とともにPGC-1αの発現抑制によるミトコンドリアの機能障害やAMPKの活性化によるエネルギー代謝の攪乱を介しMM細胞に細胞死を誘導すると考えられた。今後、さらに腫瘍抑制性ニッチのミトコンドリアに与える影響とその機序を検討予定である。in vitroの実験は、おおむね順調に進展している。今年度は、動物実験も含めてさらに腫瘍抑制性ニッチの機序と実態を探っていく予定である。骨は造血幹細胞や白血病幹細胞のニッチを形成し、造血細胞や腫瘍細胞の維持生育に骨微小環境が深く関与する。多発性骨髄腫は、現在でも難治であるが、とりわけ骨に親和性を持ち進行性の骨破壊病変を形成し、骨微小環境に依存した治療抵抗性を獲得する。成熟骨芽細胞は、その前駆細胞である骨髄間質細胞とは全く対照的に骨髄腫細胞にアポトーシスを惹起することを見出した(PLoS One, 2010)。従って、骨系細胞はその種類、分化段階によって、腫瘍進展を正あるいは負に調節するという興味深い現象が明らかになったがその機序は不明であった。今回、前骨芽細胞株MC3T3-E1にBMP-2を添加し骨芽細胞分化を誘導させると骨髄腫細胞株との共培養で時間依存性に細胞死を誘導した。またMM細胞のミトコンドリア量とATP産生量を抑制しAMPKのリン酸化を誘導した。成熟骨芽細胞との共存よりMM細胞のPim-2とともにミトコンドリアの量や機能の調節因子であるPGC-1αの発現を抑制し、Pim阻害薬SMI16aの添加によりMM細胞のPGC-1αの発現が減少し、AMPKがリン酸化した。以上より、骨髄間質細胞はMM細胞の抗アポトーシス媒介因子のPim-2の発現を亢進しMM細胞を増殖させるが、骨髄間質細胞から分化誘導した成熟骨芽細胞は、逆にMM細胞のPim-2の発現を抑制し、Pim-2下流のMcl-1やc-Mycなどの生存因子の発現減少とともにPGC-1αの発現抑制によるミトコンドリアの機能障害やAMPKの活性化によるエネルギー代謝の攪乱を介しMM細胞の細胞死を誘導すると考えられた。今後、さらに詳細な機序の検討を予定している。

多発性骨髄腫の動物モデルにおいて、カテプシンK阻害薬やPim阻害薬によって骨形成を誘導し、腫瘍病変の病理組織および骨形態学的評価を行い、腫瘍細胞が残存局在している部位と腫瘍細胞が存在しない部位を構成する細胞の種類や初年度で同定した因子や生存シグナルの細胞内発現を免疫染色で評価し、細胞外基質の探索を行い、骨再生に伴う腫瘍抑制性ニッチの形成を実証していく。がん薬物療法学
軸発電システムの動作特性と制御に関する研究

本研究の目的は,船舶内の電気設備用電源として一般に用いられている,軸発電システムの定常並びに過渡特性を表す理論式を導出し,これを基に系の動作特性を理論的に解明することにより,高性能な軸発電システムの実現を目指すことにあった。本研究では,先ず軸発電システムの定常特性の解析法を導出し,これを用いて種々なパラメーターと出力電圧の歪み率及び動作限界などとの関係を検討した。また,システムの損失を考慮した特性計算方法を提案し,その妥当性を,供試システムを用いて実測したデータとの比較により明らかにするとともに,システムが必要とする無効電力を供給する,同期調相機の所要用量について考察を行った。検討の結果,インバータ出力側の交流リアクトルのリアクタンスが大きいほど出力電圧の歪み率は低減できるが,システムの最大出力は減少すること,またインバータの制御進み角を増加すれば,動作領域は拡大するが出力電圧の歪み率は増加することなどが明らかとなった。次いで,軸発電システムの過渡特性を検討できる方程式を導出し,電源電圧及び負荷変化時の電気的・機械的過渡応答を検討した。その結果,電源電圧を増加させると同期調相機の回転速度及び出力電圧が増加することなどが判明した。さらに,軸発電システムの負荷は誘導電動機が多いことから,これまでに得られた研究成果を基に誘導電動機を負荷とした場合の軸発電システムの動作特性を検討した。まず,誘導電動機の簡易な過渡モデルを考案し,これを全電圧始動時の過渡応答の計算に適用して,一次電流や速度などの応答の検討には十分適用できることを明らかにした。次いで,導出した誘導電動機過渡モデルを用いて同期調相機及び誘導電動機それぞれの慣性モーメントの,システム各部の過渡応答に及ぼす影響を調べた。その結果,調相機の慣性モーメントが大きいほど出力電圧や直流側電流の過渡的な変化が大きくなることなどが明らかになった。本研究の目的は,船舶内の電気設備用電源として実用に供されている,軸発電システムの定常並びに過渡特性を表す理論式を導出し,これを基に出力電圧歪みが少なく,かつ安定性の優れたシステムを得るための系各部の設計や制御法等を明らかにし,もって高性能な軸発電システムの実現を目指すことにあった。本年度は,先ず軸発電システムの定常特性の解析法を導出し,これを用いてシステムの種々なパラメータと出力電圧の歪み率及び動作限界などとの関係を検討した。また,システムの損失を考慮した特性計算法を提案し,その妥当性を,実際に設計・構成した試作システムを用いて実測したデータとの比較により明らかにするとともに,システムが必要とする無効電力を供給する,同期調相機の所要容量について考察を行った。検討の結果,インバータ出力側の交流リアクトルのリアクタンスが大きいほど,出力電圧の歪み率は低減できるが,それに伴い電流重なり角も増加するため,システムの最大出力は減少すること,またインバータの制御進み角を増加すれば,電流重なり角は滅少して動作領域は拡大するが,出力電圧の歪み率は増加することなどが明らかとなった。さらに,同期調相機の損失を考慮した場合,これを考慮しない場合に較べてシステムの最大出力は小さくなるので,特性を詳細に検討するには損失の考慮が必要であること,また同期調相機の所要容量をより正確に把握するためには損失等を考慮する必要のあることなどが判明した。今後の課題として,最大出力の減少を抑制しつつ出力電圧の歪み率を低滅する方法の検討や,負荷急変時などの過渡時の特性の理論的検討並びに制御系を構成した場合の諸特性の解明・改善その他が挙げられる。これらについては来年度以降順次研究を推進する予定である。

本研究の目的は,現在大型船舶の電源設備として実用に供されている,軸発電システムの定常並びに過渡特性を表す理論式を導出し,これを基に系各部の設計や制御法等を明らかにし,もって高性能な軸発電システムの実現を目指すことにあった。本年度は,昨年度に引き続き軸発電システムの特性の詳細な解析法を導出し,特に軸発電機の出力電圧(インバータの直流入力電圧)や負荷が変動したときの過渡時の特性を理論的・実験的に検討した。研究の結果,以下の各事項が明らかとなった。(1)軸発電システムの直流電源電圧や負荷などが変化したときの過渡時の特性を検討できる方程式を導出し,これをシミュレーションブロック図に表現した。ブロック図より,軸発電システムは直流側等価リアクトル,同期調相機のd軸およびq軸ダンパ回路,界磁回路,及び機械系のため,5次の非線形系で表されることが判明した。(2)供試システムを対象に電源電圧及び負荷変化時の電気的・機械的過渡応答を検討した。その結果,電源電圧を増加させると同期調相機の回転速度及び出力電圧が増加すること,また負荷を増加させると回転速度は増加するが出力電圧はあまり変化しないことなどが判明した。(3)電源電圧及び負荷変化時の過渡応答に及ぼす同期調相機の慣性モーメントの影響を調べた。その結果,慣性モーメントの大きいほど応答の収束に時間がかかり,一旦増加した直流側電流の抑制にも時間のかかることなどが明らかとなった。次年度以降は,ここで導出した過渡方程式を,軸発電システムの閉ループ制御系の設計や特性改善その他に応用する予定である。本研究の目的は,船舶内の電気設備用電源として一般に用いられている,軸発電システムの定常並びに過渡特性を表す理論式を導出し,これを基に系の動作特性を理論的に解明することにより,高性能な軸発電システムの実現を目指すことにあった。軸発電システムの負荷は誘導電動機が多いことから,本年度は,これまでに得られた誘導性の負荷を対象とした種々の研究成果を基に,誘導電動機を負荷とした場合の軸発電システムの動作特性を検討した。まず,誘導電動機の巨視的な過渡現象を把握するため,L形等価回路に基づく簡易な過渡モデルを考案し,これを全電圧始動時の過渡応答の計算に適用して,一次電流や速度などの応答の検討には十分適用できることを明らかにした。次いで,導出した誘導電動機過渡モデルを,軸発電システムの過渡特性解析シミュレーションブロック図に組み込んだ過渡解析モデルを新たに構築した。検討の結果,誘導電動機を負荷に持つ軸発電システムの系は6次の非線形系で表せることが判明した。このシミュレーションモデルの妥当性を検証するため,供試システムを対象に軸発電システムに誘導電動機を接続・始動した場合の,システム各部の過渡応答特性の実測地とシミュレーション値との比較検討を行った。その結果,理論の妥当であることが確認できた。さらに,ここで導出した理論の基本的な応用として,同期調相機及び誘導電動機それぞれの慣性モーメント(単位慣性定数)の,システム各部の過渡応答に及ぼす影響を調べた。その結果,調相機の慣性モーメントが大きいほど出力電圧や直流側電流の過渡的な変化が大きくなること,また,誘導電動機の慣性モーメントが大きいほど応答の収束時間が長くなることなどが明らかになった。
包絡波近似を越えた非線形光学現象

包絡波近似(SVEA)を越えた非線形光学現象の研究として、1.数100THz以上の超広帯域コヒーレント光波の発生、2.光パルスのモノサイクル化、3.極限時間域の光波計測の研究を行い、以下のような成果を得た。1.超広帯域コヒーレント光波の発生(1)独自なシングルモード(SM)キャピラリーファイバー誘起位相変調(IPM)による3001000nm(Δν=700THz)の光波発生に成功→0.9サイクル・1.5fsTLパルスに対応→位相が確定した最広帯域コヒーレント光波(2)独自なSM石英ファイバーIPMによる490900nm(Δν=290THz)および6701250nm(Δν=290THz)の光波発生に成功→1.9サイクル・4.0fsおよび1.5サイクル・4.2fsTLパルスに対応→SM石英ファイバーでは最広帯域コヒーレント光波(3)IPM特有のスペクトル振動構造の初の観測とその起因の理論的解明(4)IPM超広帯域光波の基本位相特性の解明(5)SMファイバー中のSVEAフリー非線形光波伝搬の理論・実験両面からの解明2.光パルスのモノサイクル化(1)独自な空間位相変調法(SLM)による4.1fs・1.78モノサイクル台光パルス発生に成功→世界最短(4.0fs)レベル達成(2)独自なプリズム対+プリズム分散SLMによる4.9fs・2.06サイクル光パルス発生に成功(3)独自なプリズム対+回折格子分散SLMによる6.0fs・2.4サイクル光パルス発生に成功(4)同様な手法による75MHz高繰り返し、7.1fs・2.7サイクルTL光パルス発生に成功(5)7fs台光パルスの3次位相分散特性の実験的解明(6〉IPM超広帯域光波のSLMによるチャープ補償基礎実験に成功(7)現実的なSVEAフリー非線形光波伝搬解析による510asアト秒光パルス発生の定量提案3.極限時間域の光波計測(1)試作SH・FROG装置および試作SPIDER装置により、5.0fs光パルス波形I(t)・位相変化ψ(t)測定に成功→後者についてはこれまでの最短パルス測定であり、オクターブを越えたスペクトルパルスのI(t)・ψ(t)測定が可能(2)高感度変形SPIDER法の提案と基礎実験実証に成功光パルス幅がキャリア中心周波数の逆数近くなってくると、従来まで光科学の領域で広範囲に用いられている包絡波近似の妥当性があやしくなってくる。しかしながら、この包絡波近似が破られるときの定量的基準、物理量間の関係式は、これまでに明らかにされていない。さらに、どのような具体的に現象が異なってくるか実験的に明示された例はない。そこで、本研究の目的は、数サイクル以下の極限光パルスを発生させ、その位相シフト干渉を含む線形伝播、自己位相変調非線形伝播、誘起位相変調非線形伝播現象に的を絞り、上記を実験・理論の両面から明確にすることである。本年度は、具体的に以下のことを行った。・1.アルゴンガス充填ファイバー中に、チタニウムサファイアレーザー増幅器からのフェムト秒光パルス(基本波;中心波長780nm)およびその光第2高調波パルスを伝播させた。この際、基本波、第2高調波パルス間の遅延時間を最適化し、自己位相変調、誘起位相変調効果を効率的に生じさせ、700THzの超広帯域コヒーレント光波発生に成功した。この光波は、位相補償ができれば、モノサイクル光パルスに対応する。・2.同じくアルゴンガス充填ファイバー中にチタニウムサファイアレーザー増幅器からのフェムト秒パルス(基本波;中心波長780nm)を伝播させ、自己位相変調効果による220THzの広帯域化を行ったのち、プリズム対による前置位相補償ならびに空間位相変調器による位相補償により、4.9fs(2サイクル)光パルスの発生に成功した。これは、空間位相変調器を用いた位相補償結果として最短のものである。・3.包絡波近似を用いず、Maxwell方程式を直接解く方法として、新たに「Fourier直接法」の開発、ならびにこの方法を用いたモノサイクル光パルス非線形伝播の計算機実験を行った。この「Fourier直接法」は、Maxwell方程式を直接解く従来法である時間領域差分法に比べ、屈折率分散をより正確に取り込むことができるという特徴を持つ。また、モノサイクル光パルス非線形伝播計算機実験では、伝播に伴い、パルスが分散効果により非対称に広がることを初めて見いだした。1.超広帯域コヒーレント光波の発生(1)独自なシングルモード(SM)キャピラリーファイバー誘起位相変調(IPM)による3001000nm(Δν=700THz)の光波発生に成功→0.9サイクル・1.5fsTLパルスに対応→位相が確定した最広帯域コヒーレント光波

(2)独自なSM石英ファイバーIPMによる490900nm(Δν=290THz)および6701250nm(Δν=290THz)の光波発生に成功→1.9サイクル・4.0fsおよび1.5サイクル・4.2fsTLパルスに対応→SM石英ファイバーでは最広帯域コヒーレント光波(3)IPM特有のスペクトル振動構造の初の観測とその起因の理論的解明(4)IPM超広帯域光波の基本位相特性の解明(5)SMファイバー中のSVEAフリー非線形光波伝搬の理論・実験両面からの解明2.光パルスのモノサイクル化(1)独自な空間位相変調法(SLM)による4.1fs・1.78モノサイクル台光パルス発生に成功→世界最短(4.0fs)レベル達成(2)独自なプリズム対+プリズム分散SLMによる4.9fs・2.06サイクル光パルス発生に成功(3)独自なプリズム対+回折格子分散SLMによる6.0fs・2.4サイクル光パルス発生に成功(4)同様な手法による75MHz高繰り返し、7.1fs・2.7サイクルTL光パルス発生に成功(5)7fs台光パルスの3次位相分散特性の実験的解明(6〉IPM超広帯域光波のSLMによるチャープ補償基礎実験に成功(7)現実的なSVEAフリー非線形光波伝搬解析による510asアト秒光パルス発生の定量提案3.極限時間域の光波計測(1)試作SH・FROG装置および試作SPIDER装置により、5.0fs光パルス波形I(t)・位相変化ψ(t)測定に成功→後者についてはこれまでの最短パルス測定であり、オクターブを越えたスペクトルパルスのI(t)・ψ(t)測定が可能(2)高感度変形SPIDER法の提案と基礎実験実証に成功光パルス幅がキャリア中心周波数の逆数近くなってくると、従来まで光科学の領域で広範囲に用いられている包絡波近似(SVEA)の妥当性があやしくなってくる。しかしながら、この包絡波近似が破られるときの定量的基準、物理量間の関係式は、これまでに明らかにされていない。さらに、具体的にどのような現象が異なってくるか実験的に明示された例はない。そこで、本研究の目的は、数サイクル以下の極限光パルスを発生させ、その位相シフト干渉を含む線形伝播、自己位相変調非線形伝播、誘起位相変調非線形伝播現象に的を絞り、上記を実験・理論の両面から明確にすることである。本年度は、具体的に以下のことを行った。●1.昨年に引き続き、Ar充填シングルモードキャピラリーファイバー中のフェムト秒誘起位相変調(IPM)の実験を行い、IPM特有のスペクトル変調振動構造を初めて観測した。さらにその2パルス間遅延時間依存性を測定し、その現象がある一定の遅延時間域のみあらわれる実験結果を、SVEAフリー2パルス非線形伝播理論解析により、一定条件下の2パルスチャープ干渉として説明できることを見いだした。●2.昨年に引き続き、Ar充填シングルモードキャピラリーファイバー中のフェムト秒自己位相変調(SPM)による超広帯域パルスの独自な空間位相変調器のみによるチャープ補償実験を行った。その結果、4.1 fs(1.78サイクル)という世界最短(4.0 fs)レベルのモノサイクル台光パルス発生に成功した。●3.SVEA
電子/光学デバイス用バルク単結晶の高品位化に関する材料力学的研究

1.Si、GaAs、InPバルク単結晶を対象として、Haasen-Suminoモデルを用いることによりCZ育成過程中の転位密度を定量的にシミュレーションする解析コードを開発した。これを用いた解析から得られた成果は下記の通りである。(1)転位増殖速度は、GaAs、InP、Siの順で速く、Siの場合でさえ数秒以下で転位密度は定常状態に達し、InPではこれよりも2桁、またGaAsでは3桁くらい速いというように非常に速い転位増殖速度を持つ。(2)InP、GaAsの方がSiよりも定常状態で大きな転位密度を与える。(3)単結晶育成過程の連続的解析より、単結晶体の直径方向の転位密度分布に関して、実際の引き上げ単結晶で見られるw型の分布が得られ、本シミュレーションプログラムの有用性が実証された。2.LiNbO_3(LN)単結晶育成過程の熱応力と単結晶品質との関連に関する研究から得られた成果は下記の通りである。(1)c軸引き上げの方がa軸引き上げよりも最大熱応力は低く、c軸引き上げの方がa軸引き上げよりも割れにくいという経験的事実を裏づける結果が得られた。(2)a軸引き上げの方がc軸引き上げよりも結晶内部に熱応力が低い領域が広く分布している。このことは、a軸引き上げの方がc軸引き上げほりも高品質な単結晶が得られること示唆している。a軸引き上げ単結晶とc軸引き上げ単結晶についてX線トポグラフィーにより結晶の品質を調べた。この結果、a軸引き上げにより、サブグレインが少ない高品質単結晶が得られることが初めて実証され、高品質単結晶育成技術に対する熱応力解析の有用性を示すことができた。(3)LN単結晶体の熱応力起因で生じる割れは、へき開面で生じ、割れはこの面に作用している引張り垂直応力に支配されているものと推測され、割れの生じる応力値はワイブル分布を示すことが示された。本年度の研究成果は下記の2点にまとめられる。(1)Si、GaAs、InPバルク単結晶を対象として、Haasen-Suminoモデルを用いることによりCZ育成過程中の転位密度を定量的にシミュレーションする解析コードは開発途上である。これまでの予備解析から得られた新たな知見は次の通りである。(1)仮定された初期転位密度が結果に与える影響は非常に小さい。(2)転位増殖速度は、GaAs、InP、Siの順で速く、Siの場合でさえ数秒以下で転位密度は定常状態に達し、InPではこれよりも2桁、またGaAsでは3桁ぐらい速いというように非常に速い転位増殖速度持つ。(3)InP、GaAsの方がSiより定常状態で大きな転位密度を与える。残された大きな課題は、離散的に与えられている育成途中の形状をどのようにして連続的な取扱いをするかであり、来年度に解析コードの完成を目指す。(2)LiNbO_3の熱応力解析については、本年度中に完了した。これまでに得られ知見は次の通りである。(1)c軸引き上げの方がa軸引き上げよりも最大熱応力値は低く、c軸引き上げの方がa軸引き上げよりも割れにくいという経験的事実を裏付ける結果が得られた。このことは、a軸引き上げの方がc軸引き上げよりも高品質な単結晶が得られることを示唆している。a軸引き上げ単結晶とc軸引き上げ単結晶についてX線トポグラフィーにより結晶品質を調べた。

この結果、a軸引き上げにより、サブグレインが少ない高品質単結晶が得られることが初めて実証され、高品質単結晶育成技術に対する熱応力解析の有用性を示すことができた。1.Si、GaAs、InPバルク単結晶を対象として、Haasen-Suminoモデルを用いることによりCZ育成過程中の転位密度を定量的にシミュレーションする解析コードを開発した。これを用いた解析から得られた成果は下記の通りである。(1)転位増殖速度は、GaAs、InP、Siの順で速く、Siの場合でさえ数秒以下で転位密度は定常状態に達し、InPではこれよりも2桁、またGaAsでは3桁くらい速いというように非常に速い転位増殖速度を持つ。(2)InP、GaAsの方がSiよりも定常状態で大きな転位密度を与える。(3)単結晶育成過程の連続的解析より、単結晶体の直径方向の転位密度分布に関して、実際の引き上げ単結晶で見られるW型の分布が得られ、本シミュレーションプログラムの有用性が実証された。2.LiNbO_3(LN)単結晶育成過程の熱応力と単結晶品質との関連に関する研究から得られた成果は下記の通りである。(1)c軸引き上げの方がa軸引き上げよりも最大熱応力は低く、c軸引き上げの方がa軸引き上げよりも割れにくいという経験的事実を裏づける結果が得られた。(2)a軸引き上げの方がc軸引き上げよりも結晶内部に熱応力が低い領域が広く分布している。このことは、a軸引き上げの方がc軸引き上げよりも高品質な単結晶が得られること示唆している。a軸引き上げ単結晶とc軸引き上げ単結晶についてX線トポグラフィーにより結晶の品質を調べた。(3)LN単結晶体の熱応力起因で生じる割れは、へき開面で生じ、割れはこの面に作用している引張り垂直応力に支配されているものと推測され、割れの生じる応力値はワイブル分布を示すことが示された。
アリを農家の味方につけるための栄養共生の研究

アリは多くの節足動物に対する強力なジェネラリスト捕食者であるが、害虫である甘露排出性昆虫を保護してしまうという防除資材としての欠点を持つ。本研究では、アリが好む人工甘露を開発し圃場に設置するなどで、甘露排出性昆虫とアリの共生関係にくさびを打ち、害虫捕食者としての機能だけを残しアリを「農家の味方につける」方法を探究する。30年度は、前年度に続きアリ随伴性と非随伴性半翅目の間にある体表炭化水素成分の違いを多数種で比較した。多くのアブラムシはアリにエサ資源として甘露を提供し、その見返りに天敵から保護してもらう。その際、アリは共生型のアブラムシを正確に認識する必要があり、そのキューはアブラムシの体表面にある炭化水素、中でも分枝アルカンであることがこれまでに分かっている。そこで、分枝アルカンのどのような特徴が識別のキューに用いられているのかを合成したアルカン類を用いて検証した。その結果、アリはメチル基の分枝位置をキューに分枝アルカンを識別していることが明らかになった。栄養分に関しては、アリ随伴性半翅目昆虫の甘露主成分であるメレジトース、スクロースおよび人工甘味料であるスクラロースをアリに与え、生存率と摂食嗜好性を調べた。その結果、アリはメレジトースを与えた際に高い生存率を示し、スクラロースを与えた場合の生存率は低かった。一方、アリの摂食嗜好性はメレジトースやスクロースに比べ、スクラロースで有意に高かった。このことから、アリ随伴性半翅目昆虫の甘露はアリに高い栄養価をもたらすが、アリの摂食嗜好性は栄養価とは異なる基準で決まることが示唆された。昨年度に引き続きアリの随伴行動やガード効率に与える影響をみるため、人工甘露を使う実験をミカンコナカイガラ、パイナップルコナカイガラ、ツヤオオズアリ、寄生蜂系を用い本実験を行ったが、繰り返しが十分ではないた追加データを収集中である。本課題の目的はアリを農業害虫の生物的防除資材として積極利用する新方法の開拓である。近年、進化生態学はアリと共生者の間にある潜在的緊張関係を明らかにしてきた。例えば、アリは好む甘露を提供する共生者を保護し、好まない甘露しか提供しない共生者への随伴をやめたり捕食したりする。逆にアリの行動を利己的に操作する分泌物もシジミチョウで見つかった。これらの裏にある仕組みを賢く利用し、アリが好む人工甘露を開発し圃場に設置するなどで、甘露排出性昆虫とアリの共生関係にくさびを打ち、害虫捕食者としての機能だけを残しアリを「農家の味方につける」方法を探究する。以上が全体計画であるが、初年度である28年度は、アリ随伴性と非随伴性半翅目の間にある体表炭化水素成分の違いを多数種で比較し、後者には飽和炭化水素が多く前者に種によって様々な非飽和炭化水素が見られることが判明した。またアリはアリ随伴性半翅目昆虫の炭化水素を栄養交換時に社会学習することが判明した。この2つは大きな発見である。また、アリ随伴性半翅目の甘露には三糖類が多く含まれるが、花外蜜腺植物の蜜はほぼ単糖類と二糖類だけで構成されることが判明した。アブラムシ、カイガラムシなどに随伴中のアリへの人工甘露提示が、アリの随伴行動やガード効率に与える影響をみための予備実験として、単純ショ糖液を使う実験をミカンコナカイガラ、パイナップルコナカイガラ、ツヤオオズアリ、寄生蜂系を用い予備的に行った。アリの随伴行動はやや変化したがカイガラムシの寄生率は変化しなかった。難航すると予測された甘露糖分と炭化水素の分析と種間比較が予想以上にうまくいったため。以上が全体展望であるが、29年度は、前年度に続きアリ随伴性と非随伴性半翅目の間にある体表炭化水素成分の違いを多数種で比較した。後者には飽和炭化水素が、前者に種によって様々な非飽和炭化水素が多く見られることが示唆されたが、系統群特異性や種特異性も高く好蟻性に共通する成分は発見されなかった。分岐アルカンの合成品をアリはよく連合学習し、随伴にはアリ側の学習が必要であるとする我々の先行研究の知見を支持した。また社会学習特異的な炭化水素成分の可能性も示唆された。甘露の成分分析ではアリが好む甘露には新成分を含む各種三糖類が多く含まれるとする過去の知見を支持する結果が得られた。

アリの随伴行動やガード効率に与える影響をみるため、人工甘露を使う実験をミカンコナカイガラ、パイナップルコナカイガラ、ツヤオオズアリ、寄生蜂系を用い本実験を行った。アリの随伴行動はやや変化したがカイガラムシの寄生率は変化しなかった。今後はアリが好む甘露を分泌する半翅目を植物ごとバンカープラント的に圃場に導入する実験を行いたい。アリの随伴と学習に関する新しい知見が続々と発見され国際誌にも掲載されたが、人工甘露の実験では防除効率改善は実現できないままで、アリの栄養学に関する基礎的研究のさらなる掘り下げが必要となった。アリは多くの節足動物に対する強力なジェネラリスト捕食者であるが、害虫である甘露排出性昆虫を保護してしまうという防除資材としての欠点を持つ。本研究では、アリが好む人工甘露を開発し圃場に設置するなどで、甘露排出性昆虫とアリの共生関係にくさびを打ち、害虫捕食者としての機能だけを残しアリを「農家の味方につける」方法を探究する。30年度は、前年度に続きアリ随伴性と非随伴性半翅目の間にある体表炭化水素成分の違いを多数種で比較した。多くのアブラムシはアリにエサ資源として甘露を提供し、その見返りに天敵から保護してもらう。その際、アリは共生型のアブラムシを正確に認識する必要があり、そのキューはアブラムシの体表面にある炭化水素、中でも分枝アルカンであることがこれまでに分かっている。そこで、分枝アルカンのどのような特徴が識別のキューに用いられているのかを合成したアルカン類を用いて検証した。その結果、アリはメチル基の分枝位置をキューに分枝アルカンを識別していることが明らかになった。栄養分に関しては、アリ随伴性半翅目昆虫の甘露主成分であるメレジトース、スクロースおよび人工甘味料であるスクラロースをアリに与え、生存率と摂食嗜好性を調べた。その結果、アリはメレジトースを与えた際に高い生存率を示し、スクラロースを与えた場合の生存率は低かった。一方、アリの摂食嗜好性はメレジトースやスクロースに比べ、スクラロースで有意に高かった。このことから、アリ随伴性半翅目昆虫の甘露はアリに高い栄養価をもたらすが、アリの摂食嗜好性は栄養価とは異なる基準で決まることが示唆された。昨年度に引き続きアリの随伴行動やガード効率に与える影響をみるため、人工甘露を使う実験をミカンコナカイガラ、パイナップルコナカイガラ、ツヤオオズアリ、寄生蜂系を用い本実験を行ったが、繰り返しが十分ではないた追加データを収集中である。アリが好むかもしれない糖類と匂い(炭化水素)の特徴に関する知見が得られたので、人工甘露を早期に試作しアリの選好実験を行いたい。当初の計画通り、人工甘露の使用だけでなくアリが好む甘露を植物ごとバンカープラントとして圃場に導入する実験も行いたい。平成28年度は実験データ収集と標本収集に関連する人件費に多くを費やされ、化学分析は予想より小コストしかかからなかったため。2年度目は全体会議を開催しなかったが、かわりに最終年度に中間報告会(30年度始めに既に開催した)と最終報告会(年度末)を開催する予定であり、相応分の旅費の使用が予定される。平成29年度の実験データ収集と標本収集に関連する相応の人件費の支出が予想されるため、繰り越し分は人件費に配分する。
製造インフォマティクスに向けた機械学習技術の開発と鉄鋼製造における評価

本研究計画では次の3つのテーマに取り組む;【1】操業時の異常検知問題、【2】マルチタスク学習による高温状態の粘度予測、【3】高コストな問題における実験計画。このうち、【1】は代表者が単独で取り組むものであるが、【2】と【3】については、分担者が実験で得たデータを基に代表者の研究を進めるものである。このため、数ヶ月に1回程度、あるいは必要に応じてミーティングを行う予定である。
造血細胞の増殖と分化を制御するシグナル伝達分子群の解析

造血因子・サイトカインの受容体は多くの増殖因子と同じくチロシンキナーゼによってシグナルを発生する。このうちc-kitやc-fmsは細胞内ドメインにチロシンキナーゼを有するが、他の多くはJAK型チロシンキナーゼが細胞内ドメインに会合している。c-kitおよびJAK2の細胞増殖のメカニズムを明かにするためにはこれらの新規基質を検索する必要がある。我々は酵母のtwo-hybrid法によってc-kitやJAKのキナーゼドメインに会合しうる分子を検索した。その結果、新規の遺伝子2個を単離した(APS,JAB)。APS(adaptor containing PH and SH2domain)は機能ドメインとしてPH,SH2ドメインを有し、すでにクローニングされているLnk,SH2-Bと非常によく似ている。実際の細胞ではとくにB細胞系で強い発現がみられ、抗原受容体からのシグナルでチロシンりん酸化をうけることを明らかにした。JAB(JAK-binding protein)は構造的に我々が先にクローニングしたCIS(cytokine-inducible SH2 protein)に類似しており新しいファミリーを形成することが明らかとなった。JABはJAK2に直接会合することでキナーゼ活性を抑制する。強制発現によって様々なサイトカインのシグナルを遮断しうる。CISファミリーメンバーは標的分子や親和性が異なるもののJAK-STAT経路の抑制分子と考えられる。今後トランスジェニックマウスやノックアウトマウスの作成を通じてCISファミリーの生理作用を明確にしてゆきたい。
非相似形土壌のスケーリング手法に関する研究

ばらつきや不均一性が著しい土壌の物理性の空間的分布を定量化する従来の手法として、土壌の相似モデルを用いたスケーリング技法が広く用いられている。しかし、土壌が幾何学的相似形を有する場合は極めて限定された場合に限られるので、実在の土壌には相似形モデルが適用できない。本研究は、このような土壌の相似形モデルの境界を打破するものとして、土壌が非相似形のままで成り立つようなスケーリング技法の構築をめざした。本研究の目的は、第1に、土壌について従来の幾何学的相似モデルを採用せず、固相の特性長と間隙の特性長を徐々に定義する全く新しいモデル、すなわち幾何学的非相似モデルを考案する事、第2に、この新モデルによって、まず団粒構造の発達していない砂、シルト、ローム、粘土等の保水性、透水性のスケーリング技法を開発すること、第3に、団粒構造の発達した土壌、及び体積変化の著しい泥炭土についても同様のスケーリングを試みること、第4に、従来経験式でのみ表されてきた突き固め土の間隙化と飽和透水係数の関係に、非相似モデルに基く土壌のスケーリング技法を適用することであった。本研究によって、土壌のスケーリング技法を従来の相似形土壌モデルから非相似形土壌モデルへと発展させた事は、農業土木学、土壌学、土壌物理学、水文学、土質力学、環境科学などの関連諸科学において共通の困難となっていた、フィールドの持つ不均一性の定量化問題に対して、重要な貢献をしたものである。本研究に対し、世界各国の土壌物理研究者、森林水文土壌研究者などから論文別刷り請求が寄せられている。なお、本研究において目的を達せられなかった、泥炭土のスケーリングおよび突き固め土のスケーリングは経常研究として引き続き完成させたい。本研究の目的は、(1)土壌について、従来の幾何学的相似モデルを採用せず、全く新しい幾何学的非相似モデルを開発すること、(2)この新モデルによって、単粒土の保水性、透水性に関するスケーリング技法を開発すること、(3)この新モデルによって、団粒構造の発達した土壌、及び体積変化の著しい泥炭土のスケーリング技法を開発すること、(4)この新モデルによって、従来経験式でのみ表されてきた突き固め土の間隙比と飽和透水係数の関係を理論的に導くこと、である。平成6年度は、まず対象土壌の固相特性長、間隙特性長および固相の形状係数をパラメータとする新しい非相似多孔質体モデルを作製した。次に、対象土壌として沖縄の国頭マージと豊浦標準砂を選び、それらの空気侵入値、飽和透水係数をある乾燥密度で測定し、それぞれの固相特性長、間隙特性長を定めた。続いて、乾燥密度を変えて空気侵入値と飽和透水係数を測定し、そのデータに基づいて固相の形状係数(τ値)を推定した。国頭マージのスケーリングでは、τ値0.5が最適であった。標準砂の場合τ値は0.9が最適であった。なお文献にみられる土壌についてモデルを適用したところ、砂ではτ値が0.9、カオリン粘土ではτ値が0.75、川崎粘土のτ値は0.55が最適であった。全ての土壌についてτ値はおよそ0.3から1の間の値をとること、固相が立方体に近いほどτ値は1に近づき、固相が偏平になればなるほどτ値が小さくなることがわかった。そして、これらのτ値を用いた透水係数のスケーリングは従来のKozeny-Carmanの式より非常に優位性が高いことが示された。又、τ値は単粒土に対しても団粒土に対ししても定義することができることを明らかにした。

平成7年度は、関東ロームについてもスケーリング理論の適用を試みる計画である。本年度は当初計画に従い、標準砂および東京大学田無農場の関東ローム心土を実験試料とし、それぞれ乾燥密度を変えながら水分特性曲線と飽和透水係数を測定した。この水分特性曲線から空気侵入値を決定し、スケーリングを行った。これとは別に、試料の粒度分析を行い、従来法として有名なCampbell法による飽和透水係数のスケーリング、ならびにコゼニ-・カルマンの式による時リングを行い、これらを比較した。実験値では、標準砂の空気浸入サクションは乾燥密度1.44g/cm^3のとき30cmH_2O、乾燥密度1.62g/cm^3のとき40cmH_2Oとなった。非相似多孔質体モデルによれば、乾燥密度1.62g/cm^3に対し空気侵入サクション39cmH_2Ono予測値が得られたが、Campbell法では同じ乾燥密度に対し空気侵入サクション33cmH_2Oという過小評価であった。また、火山-土の透水係数は、実験値の場合、乾燥密度0.35g/cm^3で4x10^<-2>cm/s、乾燥密度0.48g/cm^3で1.5x10^<-3>cm/sとなり、非相似多孔質体モデルによれば乾燥密度0.48g/cm_3に対し透水係数3x10^<-3>cm/sの予測値が得られたが、同じ乾燥密度に対し、Campbell法とKozeny-Carman法では共に2x10^<灰2>cm/sという実測とかけ離れた過大な予測値しか得られなかった。他の2種類の土壌でも同様な結果が得られ、非相似多孔質体モデルの優位性が明らかになった。これらの成果をとりまとめた論文を、Soil Science誌へ投稿した。最終年度である本年度は、当初計画に加えて、圃場の透水係数と乾燥密度の相関を求め、これに新しく発想した非相似モデルを適用し、モデルの予測能力を確かめた。本方法の有効性が高いと判断されたので、以後これを非相似概念(NSMC)及び非相似概念モデル(NSMCモデル)と呼ぶこととした。粘土4.8%、シルト11%、砂84%の粒度分布を持つノ-フオ-ク砂質ローム圃場の試験を用い、飽和透水係数の乾燥密度依存性をNSMCにより予測したところ、形状係数τを0.75ないし0.8とすると、非常によく実測値と一致した。土の形状係数が1に近いときは単粒土、ρ〓ρ_sの値で求まるτ値の下限値に近いときは団粒土の性質を持つと言えるのが、この土の場合τの下限値は0.7なので、この圃場の土は比較的団粒に富んでいるものと推測された。なお、コゼニ-・カルマン法の予測値は、実測値と比較的良い一致を示したが、キャンベル法は飽和透水係数を著しく過大に予測した。粘土2025%、シルト3238%、砂3645%の粒度分布を持つ埼玉県深谷市の沖積粘土ローム圃場の試料を用い、同じように比較したところ、乾燥密度と透水係数には全く相関が見られなかった。従って、NSMCモデルを適用することができなかった。この土壌は、硬度が高くても透水性が低くない場合、間隙率が小さくても透水係数が大きい場合など、予測に反する数値が多数得られた。これは、土壌にマクロポアが発達しているためで、このような土壌では、圃場土壌の物理性をよく代表するような間隙特性長、固相特性長、固相形状係数を求めなければんらないことが分かった。
粘性解の理論とその最適制御への応用

本年度の研究主題は、1階偏微分方程式であるハミルトン・ヤコビ方程式の無限システムの粘性解の漸近解析であった。研究代表者が扱ったハミルトン・ヤコビ方程式の無限システムとは、積分項を含む1階偏微分方程式として書けるものである。この方程式は、応用上、ガスの分子の運動を表す方程式である線形化されたボルツマン方程式を含み、また最適制御理論から見ると、スイッチングを引き起こすような常微分方程式系で決まる最適制御問題におけるベルマン方程式をも含んでいる。本研究の中で大きく進展したと思われるのは、輸送項がない場合におけるハミルトン・ヤコビ方程式の無限システムに対する均質化と処罰化の相互作用に関する研究である。均質化は、巨視的に解の挙動を見る働きがあり、処罰化は、解の挙動に負荷を与える働きがある。この2つの作用が同時に働く場合に、研究代表者は、極限方程式が3つに分類されることを示した。これは、極限方程式のハミルトニアンを得るために必要なセル問題の形が3つあるためである。また、粘性解の周期性を用いず、概周期性のみで示したのもこの結果の特徴でもある。さらに、この漸近問題の極限関数が、均質化と処罰化の2つの作用が起こる順番に大きく影響することも分かった。以上の研究結果は、学術論文誌「Nonlinear Differential Equations and Applications」と大学紀要「京都大学数理解析研究所講究録」に掲載予定である。輸送項がある場合については、線形という条件の下では、極限方程式が5つに分類されるという結果を最近得ているが、論文は未完成である。
フォノン共振器と量子ナノデバイスのエネルギー変換

半導体におけるフォノン系と量子ナノデバイスの電子系とのエネルギー変換に関する研究を進めた。具体的には、AlGaAs/GaAs半導体ヘテロ構造上の周期的金属パターンにより表面弾性波フォノン共振器を形成し、その共振器中に置かれた半導体中二重量子ドットの輸送特性から、電子フォノン結合系を評価した。フォノン支援トンネルの特性から、共振器構造によってフォノン散乱速度が約80倍に増大することを確認し、さらに、スピン反転を伴うフォノン支援トンネル現象を見出し、電子系とフォノン場とのコヒーレントに結合によるラビ分裂の効果が現れることを示した。フォノン版共振器量子電磁力学への発展性が見込まれる。本研究「フォノン共振器と量子ナノデバイスのエネルギー変換」では、半導体表面のナノ構造によって形成したフォノン共振器中のフォノン系と量子ナノデバイスの電子系とのエネルギー変換に関する基本技術を確立することを目的として研究を進めている。具体的には、GaAs半導体表面に作成した周期的金属パターンにより表面弾性波フォノンの禁制帯や共振器を形成し、半導体中の二次元電子で形成される量子ドットや量子ポイント接合などの量子ナノデバイスのおけるフォノンとの相互作用を変調し、フォノン版共振器量子電磁力学の原理を応用して、電子系とフォノン系とのエネルギー変換を実現することを目指している。平成27年度は、表面弾性波共振器中の二重量子ドットを用いて、フォノン支援トンネルを観測し、共振器構造によりフォノンの誘導放出・吸収過程に80倍程度の増強がみられることを確認した。交差型櫛型電極に高周波を印加してフォノン共振器にフォノンを蓄積し、その直後に二重量子ドット電荷量子ビットのエネルギー差をフォノンエネルギーに一致させることによりフォノン支援トンネルを誘起することに成功した。得られた結果は、フォノン共振器に蓄積されたフォノンを用いて、電荷量子ビットの状態間遷移をおこせることを示しており、目的としていたエネルギー変換のうちフォノンから電子状態への変換が達成されたことを示している。フォノンを用いた量子状態制御に関する研究は、ここ数年で飛躍的に急成長しており、ヨーロッパで大きなプロジェクトが走っている。これに関連して、H28年5月には、量子音響学に関する国際会議(Quantum Acoustics; Surface Acoustic Waves meets Solid State Qubits)が開催される予定であり、トピックが限られた少人数の会議ながら4日間の会議が開かれる予定である。幸い、その招待講演として声がかかったので、本研究成果をアピールする予定である。平成27年度は、表面弾性波共振器中の二重量子ドットを用いて、フォノン散乱の増強(約80倍)を観測し、研究目的としていたエネルギー変換のうち「フォノンから電子状態への変換」を達成した。平成28年度は、「電子状態からフォノン」へのエネルギー変換を観測するために素子構造の改善を図り、半導体表面の金属の種類(弾性的性質)や設計寸法の最適化によってフォノン共振器の特性を向上させるための指針を得た。さらに、二重量子ドットにおけるスピン反転のフォノン支援トンネルに注目した研究を行ない、ラビ分裂に起因する共鳴フォノン支援トンネル条件のシフトを明らかにした。Lindbladマスター方程式による数値計算により実験結果をよく再現することも確認した。これらの結果は、フォノンと電子系とのエネルギー変換がコヒーレントに行われ、両者が強く結合したドレスト状態が形成できていることを示唆している。当初の具体的計画よりも高度なコヒーレント結合を実現することに成功した。このように、研究期間全体を通じてフォノン版共振器量子電磁力学への創造に向けての挑戦的で萌芽研究を進めることができた。平成27年度の結果ももとに研究を進め、量子デバイスのエネルギー循環の実現を目指すとともに、発展的・挑戦的な研究を展開する。具体的な方策は下記のとおり。・二重量子ドットを2電子系として働かせることにより、「フォノン→スピン状態」へのエネルギー変換に関する研究を進める。・表面弾性波共振器構造の材質・作成方法などの検討をおこない、性能の高い共振器を作製する。・量子ドットから発生したフォノンをフォノン共振器に蓄積し、電子系からフォノン系へのエネルギー変換に関する研究を進める。半導体量子輸送27年度の研究により、表面弾性波と電子スピンとの結合の可能性がでてきたので、それに関する理論研究を進める必要が生じた。

結果として、電子系からフォノンへのエネルギー変換に関する研究(物品購入などの準備などを含む)を28年度に行うことになった。新しいフォノン共振器構造を作製するためのフォトマスク、金属材料などの物品購入に充てる。