hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
コロニー形成に重要な遺伝子機能の解明

自然環境中の大多数の細菌は、実験室での培養が困難であり、寒天培地上でコロニーとして分離することができない。つまり、遺伝的に圧倒的な多様性を持つ生物資源である細菌の大多数が、現状では利用できない状況にある。当研究では、自然界の細菌のコロニー形成が極めて低い要因を以下のアプローチで解明することを目指した。昨年度、大腸菌では液体培養時に比べてコロニー形成に多量の脂肪酸が必要であることが明らかになった。本年度は、脂肪酸合成を阻害する薬剤を利用することで、大腸菌以外の細菌でも、脂肪酸の重要性を検討した。大腸菌に加え枯草菌やコリネバクテリウムでも、上記薬剤により脂肪酸合成を阻害すると、液体培地でなら生育できるが固体培地ではコロニーを形成しなくなることがわかった。さらに、土壌から採取した細菌でも、脂肪酸の添加によりコロニー形成数が8倍程度まで増大することがわかった。以上より、脂肪酸は細菌のコロニー形成にとって普遍的な重要性を持ち、自然界の細菌のコロニー形成能が極めて低い要因の一つは脂肪酸の不足にあることが示唆された。なお、本研究の成果は、Microbiology誌に掲載され、Editor's choiceに選出された。もう一方のアプローチとして、低温飢餓に曝された大腸菌が、生理活性を保ちつつもコロニー形成能を失う状態、すなわちViable but non-culturable(VBNC)状態に陥る遺伝的要因の解明を昨年度に続き進めた。昨年度はcAMPが大腸菌のVBNC化に必須であることを示し、野生株とcAMP欠失株に対するRNA-Seqを実施した。取得したRNA-Seqデータをもとに、cAMPが制御する候補遺伝子の欠失・高発現株を作成し、VBNC化を直接制御する分子メカニズムの解明に努めている。なお、同RNA-Seqデータを使用した論文がCell Systems誌に掲載された。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。これまでに、自然環境から様々な細菌が、寒天培地を用いてコロニーとして分離されてきた。しかし自然環境中の細菌の大多数は、通常の寒天培地上ではコロニーを形成しないことが明らかになってきた。コロニー形成に依存する現行の純粋培養法は、遺伝子や生命物質の多様性に富む膨大な微生物資源の大半に手が届かない壁に直面している。これに対し当研究では、大腸菌を用いた以下の2つの遺伝学的アプローチで、自然環境中の細菌のコロニー形成能が極めて低い要因の解明を目指した。液体培地でなら、寒天培地に比べ10倍以上の細菌を培養できることが知られている。そこで我々は、寒天培地でのコロニー形成時には、液体培地の生育には必要のない何らかの遺伝子機能が必要なのではないかと予想した。この遺伝子を特定するため、液体培地では培養できるが、寒天培地ではコロニーを形成しない大腸菌変異株をスクリーニングした。その結果、脂肪酸合成に必須の遺伝子fabBの変異株は、液体培地では培養できるものの、コロニーを形成しないことがわかった。解析を進めた結果、コロニー形成には、液体培地での生育時に比べ多量の脂肪酸が必要であることがわかった。上記とは別に、大腸菌でも、飢餓環境中に長期間曝されると、生理活性は保ちつつもコロニー形成能を失った状態、すなわちViable but non-culturable(VBNC)という状態に陥る事実に着目した。VBNC化を引き起こす遺伝的要因を特定すれば、環境中の細菌のコロニー形成能が低い要因の一端が解明できると期待した。スクリーニングの結果、cAMPを欠く大腸菌では、一ヶ月におよぶ飢餓ストレスに曝してもなお9割以上の細胞がコロニー形成能を維持することが判明した。すなわち、大腸菌は、飢餓条件に陥るとcAMPによって積極的にVBNC化することがわかった。

本研究成果はMicrobiology誌に掲載された。本年度は研究計画に従い、スクリーニングで分離されたfabB変異株の解析をさらに進め、脂肪酸量の要求性を定量的に比較した結果、スクリーニングの結果を裏付ける結果を複数得た。さらに、fabB遺伝子をプラスミド上に導入することでfabBの発現量を実際にコントロールした実験でも同様の結論が得られ、本研究の結論の妥当性を多面的に補強することができた。またVBNC化の遺伝的要因を調べたスクリーニングおよび分離株の解析では、cAMPを欠失するとVBNC化しなくなるといった非常に興味深い結論を得た。さらに、VBNC化に関するスクリーニングとcAMPがVBNC化を誘導するマスターレギュレータであることを突き止めた一連の実験成果は、Microbiology誌に掲載された。以上の2つの研究アプローチで得られた成果から、当初の計画以上に進展していると言える。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。fabB変異株の解析を進めた結果、大腸菌は、固体培地での生育には、液体培養時に比べて多量の脂肪酸を必要とすることが判明したが、その原因を明らかにする必要がある。脂肪酸が十分に供給された場合にのみ働き出す何らかの分子メカニズムがコロニー形成に必須であるとすると、それらをRNA-Seqなどのオミクス解析で特定することができるかもしれない。また細胞膜の主要構成要素として脂肪酸は非常に重要で、脂肪酸組成により細胞膜の物理的性質が決定される。したがって、固体培地表面と細胞表層との相互作用が、脂肪酸組成によって大きく変わる可能性があり、これがコロニー形成能に影響を与えている可能性がある。こうした相互作用を解明するためには、固体培地を作成する際の固化剤を変更して応答を検証するとともに、相互作用を物理パラメータとして数理モデルに組み込み検証を行うなどの物理的な解析手法が必要だと考えられる。以上のように、オミクス解析などの生物学的な解析手法に加え、相互作用を物理学的な解析手法で検証するなど、多面的なアプローチが必要になると考えられる。一方、VBNCの研究で特定したcAMPは、グローバルレギュレータであり多数の遺伝子を制御することが知られている。したがってcAMP制御下の遺伝子群の中にVBNC化を直接制御する遺伝子が存在するはずで、これらを特定する必要がある。これに対し、我々は既に大腸菌野生株とcAMP欠失株に対してRNA-Seqを実施しており、得られたデータをもとに候補遺伝子の絞り込みを行う必要がある。今後、候補遺伝子の欠失株or高発現株の作成などを通じて、大腸菌のVBNC化のメカニズム、すなわち積極的にコロニー形成を抑制する分子メカニズムの解明を目指す。
病変を伴う微小血管内での人工赤血球輸送プロセスに関する数値流体力学的研究

赤血球の病的な状態である赤血球集合現象が,微小血管分岐部内において人工赤血球動態にどのような影響を与えるのかを調べるため,赤血球集合現象のモデル化,および,集合した赤血球と人工赤血球を含んだ微小血管分岐部内の流動解析を行った.解析の結果,赤血球の集合体形成による赤血球および人工赤血球の管内分布の違いが微小血管分岐部における各粒子の分配特性に大きな影響をもたらすことを明らかにした.赤血球の病的な状態である赤血球集合現象が,微小血管分岐部内において人工赤血球動態にどのような影響を与えるのかを調べるため,赤血球集合現象のモデル化,および,集合した赤血球と人工赤血球を含んだ微小血管分岐部内の流動解析を行った.解析の結果,赤血球の集合体形成による赤血球および人工赤血球の管内分布の違いが微小血管分岐部における各粒子の分配特性に大きな影響をもたらすことを明らかにした.本年度は,ナノカプセル型人工赤血球とヒト赤血球を含む微小血管分岐部内の流体シミュレーションプログラムの構築を行った.2次元Y型微小血管分岐部モデル(主流血管の直径D_0=20μm,分岐(娘)血管b_1, b_2の直径D_1=D_2=15.87μm,分岐角度はα_1=α_2=45°)を作成し,分岐部内における赤血球と人工赤血球の挙動を追跡することで,分岐後の各血球分配特性を調べた.特に,病的な場合として赤血球集合体のモデル化を行い,分配比にどのような影響を与えるかを調べた.流体の解析には混相流解析に有効な格子ボルツマン法(Lattice Boltzmann Method)を適用した.赤血球と流体の連成解析にはImmersed boundary法を,赤血球膜にはneo-Hookeanモデルを用いた.各血球間のインタラクションにはMorseポテンシャルを適用した.赤血球のみを流した場合,赤血球は変形による軸集中の結果,管壁面付近に血しょう層の形成が見られた.また,分岐後は血球分配の偏りが見られ,血しょう分離が生じた.さらに,赤血球集合により,分配の偏りが正常の赤血球に比べて増加した.一方,赤血球の半分を同体積の人工赤血球に置換した場合,赤血球はさらに偏りを示したが,人工赤血球は主流部において血しょう層に多く分布しているために,一部は赤血球の行き届かない分岐部へと分配され,結果として酸素分配の偏りが解消された.この傾向は,赤血球集合の場合も同様に見られた.これらの結果は,人工赤血球への置換が微小循環系における酸素供給の不均一性改善へ貢献していることを示唆している.本年度は,病的な状態の赤血球を含む微小血管内にカプセル型人工赤血球を投入した際の効果について数値解析を行った。解析手法としては流体に対しては格子ボルツマン法を適用,赤血球に関しては、埋め込み境界法を用いて赤血球の変形を計算した.赤血球集合に関してカットオフ半径内において赤血球表同士にMorseポテンシャルが働くと考え,赤血球集合現象を再現した.直径20μmの微小血管を考え,そこに赤血球と人工赤血球の混在した流れを作り,人工赤血球がどのような挙動を示すのかを調べた.解析の結果,赤血球の変形に伴う軸集中および血漿層の形成が再現できた.集合モデルでは赤血球が集合体を形成し,管中心部を流れる様子が見られた.さらに,人工赤血球に置換することにより,血漿層はさらに厚くなり,この血漿層部分に人工赤血球が多く分布するようになった.これは赤血球の軸集中により人工赤血球が管壁へと移動した結果であり,この管内分布の違いが微小血管系における各粒子の流動特性に大きな影響をもたらすと考えられる.次に,人工赤血球の半径向拡散係数を調べた.解析の結果,ヘマトクリットの増加とともに人工赤血球の半径方向拡散係数は増加した.これは赤血球と人工赤血球とのインタラクションの結果,人工赤血球が半径方向へ拡散していることを意味している.一方,ヘマトクリットが15%以上になると,拡散係数は減少した.これは,赤血球の増加とともに,人工赤血球の半径方向への移動する空間が減ったことが原因であると考えられる.また,正常モデルと赤血球集合モデルを比較すると,ヘマトクリットの増加(人工赤血球の割合の減少)とともに拡散係数が増加し,さらにヘマトクリットが増加すると拡散係数が減少するという傾向は同様であったが,拡散係数がもっとも大きくなる置換率が異なった
多自由度系としての原子集団及び原子のトンネル現象

本総合研究は,平成8年度発足の重点領域研究「多自由度系としての原子集団及び原子のトンネル現象」に対する準備を目的として認められたものである。従って,重点領域計画研究班の班員と評価班の班員から構成されている。準備の第1段階として,全員の会合を開催した(1995.10.7,於中央大学・理工学部)。そこにおいて,各計画研究の概要が説明され,個々について、質疑討論を行った。この会合における討論を基礎にして、領域代表者(佐藤)と事務担当者(宮崎)が主体となって,各計画研究班班長と会合を重ね、計画研究に関して立ち入った討論を行った。研究概要冊子到着後は,審査委員幹事(近藤淳)を含めての会合を開き特に計画研究と公募研究との整合性を中心として討論を重ねた。以上の結果を基にして,重点領域研究審査会(1966.3.6,於文部省IA会議室)において,各計画研究班への研究費配分案,公募研究の採択と研究費配分案を決定した。
未分化維持遺伝子が誘導する体細胞核再プログラム化機構の解明

ES細胞特異的に発現するFbx15の欠損マウス胸腺細胞とES細胞とを電気的に細胞融合させ、G418による薬剤選択によって出現するコロニー数からES細胞のリプログラミング効率を測定した結果、約0.5%であることが分かった。またEGFPトランスジェニックマウス胸腺細胞と、野生型ES細胞、Nanogを導入したES細胞、及びNAT1欠損ES細胞とを細胞融合させFACS解析を行い、その融合効率を測定した結果、平均融合率は約10%であるのに対し、リプログラミング効率はNAT1欠損細胞及びNanog強制発現ES細胞は野生株に比べて約2.5倍の高さで胸腺細胞を再プログラムすることが明らかとなった。そこで核再プログラム化に関与する遺伝子解明のため、発現クローニングを試みた。まずNAT1欠損ES細胞からmRNAを抽出し、レトロウィルスベクターを骨格としたcDNAライブラリーを構築した。これを精巣由来細胞に感染導入した後、G418による薬剤選択を行った。残念ながら遺伝子導入による核再プログラム化を引き起こす遺伝子はこの実験系では検出できなかったが、この結果から核再プログラムは複数の遺伝子と協調的に行われていると想定できる。興味深いことに、ES細胞ではマスターレギュレーターとしてOct3/4、Nanog、Sox2の遺伝子群が深く関与していることが他研究グループよりCell誌に報告されたが、我々は精巣由来細胞及び、成体脳海馬領域由来神経幹細胞においてはこれらの遺伝子だけではES細胞に再プログラムされないことを実験的に確かめている。つまり、これらの遺伝子にプラスαの遺伝子が必須であることが想定されるため、構築したcDNAライブラリーをOct3/4、Nanog、Sox2を発現させた体細胞に導入し、同様な薬剤選択によるスクリーニングを行う予定である。
スピン制御された半導体超構造の電子物性と応用

電子物性制御班は、スピン制御された半導体超構造の電子物性、特に磁性・スピン物性と輸送特性を実験的・理論的に解明し、その制御と応用の可能性を明らかにすることを目的とした。以下に研究成果の概略を示す。(1)(Ga,Mn)As,(In,Mn)As,(Ga,Mn)Sbなどの強磁性半導体とへテロ構造を低温成長分子線エピタキシで成長しその磁性と輸送特性を調べた。強磁性・非磁性半導体三層構造では、スピン依存散乱、層間結合、トンネル磁気抵抗が観測され、(Ga,Mn)Asエミッタの共鳴トンネルダイオードにおいて磁場なしの状態で強磁性転移に伴う電流のピークを観測した。また(Ga,Mn)Asを用いて強磁性半導体から非磁性半導体へのスピン偏極電流注入を実現した。(大野)(2)III-V族希薄磁性半導体(Ga,Mn)As、(In,Mn)Asの低温における磁性、電気伝導、磁場応答を詳細に調べ、巨大磁気抵抗効果を見出し、この2種類の半導体のMn濃度に対する相図が極めて似通っていることを見出した。また結晶成長後低温でアニールすることで、AsとMnの複合欠陥が消失し試料の性質が劇的に改善することがわかった。(勝本)(3)III-V族希薄磁性半導体(Ga,Mn)Asにおける強磁性探索とその発現機構を解明することを目的に(Ga,Mn)Asの電子状態を第一原理計算を行い、最近接遷移金属間の磁気相互作用は価電子バンドに正孔を供給するV,Cr,Mnにおいて強磁性的になることを明らかにした。(鈴木)(4)半導体人工原子及び人工分子を作製し、人工原子に関しては原子と同様な量子力学的な基本則が成り立つこと、磁場を印加することでスピンに関して様々な状態遷移が起こること、また人工分子に関してはスピンブロッケード、擬スピンブロッケード、スピン選択トンネルなど新しいスピン効果が現れることを示した。(樽茶)電子物性制御班は、スピン制御された半導体超構造の電子物性、特に磁性・スピン物性と輸送特性を実験的・理論的に解明し、その制御と応用の可能性を明らかにすることを目的とした。(樽茶)本年度は主に、分子線エピタキシ法により作製した磁性半導体GaMnAsとその超構造について、その強磁性発現機構やキャリア状態を解明した。また、非磁性半導体をベースとした人工原子を形成し、その中の電子状態をトンネルスペクトルスコピにより観測した。1.磁性半導体(GaMnAs)とその超構造を形成し、磁気輸送特性及び磁気光学特性を調べた結果、GaMnAsの強磁性発現機構がRKKY相互作用であることを解明し、その大きさについて定量的に明らかにした。さらに(Ga,Mn)As/(Al,Ga)As/(Ga,Mn)Asの3層構造で、非磁性半導体で隔てられた強磁性(Ga,Mn)As間にもキャリアを媒介とした相互作用が働いていることを示す結果を得た。また、半導体量子井戸におけるキャリアの輸送特性とスピン緩和時間の関係を明らかにした。2.磁性半導体InMnAsとGnMnAsの薄膜の極低温(30mK)までの電気伝導特性をを015Tの磁場中で測定した。特に、Mn濃度が7%のGaMnAsは1K以下で伝導特性に大きな異方性があることを見い出した。これはGaMnAsにかかる歪とその異方性に起因し、それが磁気抵抗や絶縁体金属移転等のGaMnAsの特異な伝導特性に影響していると考えられる。3.閃亜鉛鋼型GaMnAsの電子状態を第一原理計算により求めた。

閃亜鉛鋼型MnAsにおいては、最近接Mn原子間に強磁性的な有効交換相互作用が働いていること、また強磁性状態のGaMnAsの価電子帯のキャリア・スピンとMn原子上のスピンとの相互作用は反強磁性的であるという知見を得た。4.非磁性GaAs/AlGaAs/InGaAsヘテロ接合半導体を用いて量子ドット(人工原子)を作製し、磁場中での様々な電子状態遷移(スピン状態遷移、スピン偏極、フント則の消失等)が基底状態と励起状態の交叉に起因することを初めて明らかにした。本年度は磁性半導体・非磁性半導体及びそれらの超構造について、輸送測定を中心にスピンにまつわる特異な物性(スピン-キャリア間相互作用、スピン緩和、トンネル輸送、異方性など)の観測と解明を行った。磁性半導体に対しては実験的に、1.(Ga,Mn)Asの極低温・強磁場での測定から正孔濃度の正確な値を決め、その値を用いた解析より強磁性転移温度で現れる抵抗の極大が臨界散乱によるものであることを明らかにした。2.(Ga,Mn)As(411)を作製し、圧縮歪みを持つ場合磁化容易軸は(100)面内にあること、また磁化測定によりその方向は[110]方向であることを明らかにした。3.引っ張り歪みを持つ(Ga,Mn)As/(Al,Ga)As/(Ga,Mn)As三層構造を作製し、巨大磁気抵抗効果が観測される金属系材料と同じ起源を持つ磁気抵抗効果を観測した。4.(In,Mn)Asと(Ga,Mn)Asの極低温輸送特性にバルクハウゼン・ジャンプを観測し、さらに(Ga,Mn)Asに異方性磁気抵抗が存在することを確認した。また理論的には、5.(Ga,Mn)Asで格子間位置を占めたMn原子はドナとして働き、Mn3d軌道は伝導バンドのGa4s軌道とも比較的強く混成することを明らかにした。6.磁性半導体MnTeのTeをSbで置換すると価電子バンドに正孔が導入され、その結果際近接Mn原子間に強磁性的な相互作用が生じることが確かめられた。7.MnAs/GaAs(001)多層膜では、正孔の空間分布は強磁性層内及びヘテロ構造の界面付近に偏っており、GaAs層が正孔にとって障壁となっていることを明らかにした。非磁性半導体に対して、1.GaAs/(Al,Ga)As二重量子井戸構造において、層間のエッジ-バルク・トンネル散逸の大きさが、それに寄与する最上位のランダウ準位のスピンの方向に依存することを示した。2.GaAs/(Al,Ga)As多重量子井戸構造における電子のスピン緩和時間は40K以上でD'yakonov-Perel'機構で説明できることを示した。また(In,Ga)As/(In,Al)As多重量子井構造ではあまり良い一致は見られないがEllot-Yafet機構を支持することを明らかにした。3.強磁場中の量子ドット(「人工原子」)の電子状態遷移で、量子充填率1の近傍で形成される最大密度電子液滴の安定性を明らかにし、液滴の空間的分布を反映して静電容量変化が起こることを見いだした。4.量子ドットを縦に重ねた「人工分子」において、理論的解析により、少数電子の強い相互作用に起因して特異なスピン状態が出現することを明らかにした。本年度は磁性半導体・非磁性半導体及びそれらの超構造について、輸送測定を中心にスピンにまつわる物性の観測と制御とその解明を行った。
トレーニングが皮膚ガス中一酸化窒素濃度に及ぼす影響

本研究ではトレーニングが皮膚ガス中NO濃度に及ぼす影響について、年齢や性別の異なる被験者を対象として、運動習慣やトレーニングの種類、トレーニング期間から横断的、縦断的に明らかにすることを目的としている。平成30年度は運動時の皮膚ガス中一酸化濃度(nitric oxicide;NO)の変化と組織血流量変化、毛細血管動態変化について検討した。具体的には、健康な男子大学生を対象に自転車による最大下運動(50%HRmax)を行わせ、運動前後で皮膚ガス中NO濃度、局所での組織血流量および毛細血管の血流速度変化との関係について検討した。方法としては、毛細血管・血流観察装置(VA-101S)を使用して指先の血流変化と皮膚ガス中一酸化濃度(nitric oxicide)変化について観察し、薬指に特定波長可視光線を集中照射して毛細血管画像診断(血流観察システム、あっと社製)を行って毛細血管内の赤血球の流速、毛細血管の太さの変化について運動前後に比較、検討した。その結果、運動に伴って組織血流量、皮膚ガス中NO濃度は上昇し、毛細血管の太さに有意な変化は認められなかったが赤血球の流速は大きく上昇し、皮膚ガス中NO濃度と毛細血管流速との間には有意な正の相関関係が認められた。以上のことから、毛細血管には平滑筋がないため運動時に毛細血管内皮細胞から放出されるNOは毛細血管自体の拡張には大きく関わらないが、毛細血管内での血流をスムーズにする効果がある可能性、また、毛細血管生成されたNOが周辺に拡散して周辺の動脈の拡張を始めとした組織内での生理学的機能に関与している可能性が示唆された。初年度に購入した機器、画像分析ソフトにより毛細血管内の画像解析を順調に行うことが出来た。これにより毛細血管内の様子を赤血球単位で鮮明に観察することが出来るようになった。全身運動による持久性トレーニングが皮膚ガス中NO濃度に及ぼす影響と血管内皮機能等との関係を明らかにする。1)被験者:健康な非鍛錬者で20、40歳代の男子、それぞれ30名、合計60名を年齢別にランダムにトレーニング群とコントロール群に分ける。2)トレーニング:週4回、30-40分間の60-75%HRmaxのランニング運動を3ヵ月間行わせる。3)皮膚ガス採集および測定方法:安静および運動後(20分後まで5分毎)の皮膚ガスをAと同様に手、さらに大腿四頭筋表面(開発した採集装置)を用いて採集してNO濃度を測定する。測定は、トレーニング前、トレーニング開始後1、2、3カ月、トレーニング終了後3カ月まで毎月行う。4)血管内皮機能血圧検査、FMDおよび末梢血管診断:Aと同様に運動前後に測定するがFMDは安静時のみとする。
シミュレーションと観測記録に基づく新たな広帯域地震動予測手法の開発

平成30年度は,平成29年度に引き続き観測記録に基づく地震動特性の経験的な関係を用いた広帯域地震動合成手法(以後ERF法)による面的地震動評価のための検討を関東地域を対象として行った。平成29年度に検討した関東下で発生する地震タイプ分けに従い,(1)フィリピン海プレート境界、(2)スラブ内、(3)太平洋プレート境界の地震タイプごとに関東の強震観測点で得られた中規模地震記録を解析し,観測記録から得られるERFパラメータの空間的補間(もしくは内挿)方法を検討した.ERFパラメータのうち,加速度波形包絡形のS波主要動部分の振幅特性(周波数帯域間の振幅比)を表すパラメータaについて,観測記録から得られたパラメータaの代わりに,AVS30(表層から30mの平均S波速度)による回帰式から得られる(内挿された)パラメータa'を使い,M6級の実地震の広帯域地震動合成を行った.AVS30による回帰式から大きく外れた振幅特性を持つ観測点が少なからずあり,そういった点では高周波数帯域における観測記録の再現性が悪かった.そこで,評価地点におけるS波の岩盤観測点に対する地表観測記録の比,すなわち経験的地盤増幅特性から得られる振幅特性をa''とし,AVS30によるa'に代わってa''を用いて広帯域地震動合成を行ったところ,aを用いたときと同等の良い再現性が得られた.これにより,観測点のない地点においては中規模地震記録から経験的に得られるパラメータの代わりに地盤モデルから得られるS波の地盤増幅特性を使えることが分かった.詳細な地盤モデルさえあれば,AVS30による回帰式を用いた内挿方法よりも精度の高い内挿方法であることを示した.また,従来の広帯域地震動予測手法(ハイブリッド法)による首都圏におけるシナリオ巨大地震の強震動予測について,震源モデル,地下構造モデル,計算手法に関して情報を収集し,提案手法との比較を行うための準備を行った.平成30年度は,(1)平成29年度に引き続きERFの面的評価のためのパラメータの内挿方法を検討するとともに,(2)多様なシナリオ地震に基づく首都圏の広帯域地震動評価に向けて震源モデルの作成及び地震動シミュレーションの実施に着手することを計画していた.(1)について,詳細な地盤構造モデルによるS波増幅特性を用いた面的評価の具体的な方向性を示すことができた.(2)について,長周期側の地震動シミュレーションに関して情報収集し震源モデルと構造モデルを準備した.以上よりおおむね順調に進んでいると判断した.今後は,首都圏の詳細な地盤構造モデルを用いてERFの面的モデルを作成するとともに,多様なシナリオ地震に基づく首都圏の広帯域地震動シミュレーションを行う.平成29年度は、観測記録に基づく地震動特性の経験的な関係を用いた広帯域地震動合成手法(以後ERF法)による面的地震動評価のための検討を関東地域を対象として行った。まず、地震タイプごとに経験的地震動特性を抽出することを目的として、関東下の(1)地殻内、(2)フィリピン海プレート境界、(3)フィリピン海または太平洋プレート境界で発生した中規模地震について関東地域で観測された地震動波形記録を精査し解析に使うものを選別した。地震動特性の周波数帯域間の経験的な関係を表すERFを構成する3つのパラメータ(a)強震部振幅(地震規模の影響を除去したもの)、(b)強震継続時間、(c)波形後半の減衰形状を求めて整理した。さらに、3つのパラメータについて、観測記録のある地点のみならず任意の地点で評価するために、表層地盤特性を表すAVS30および震源距離に対する散布図や相関係数を算出し、その結果に基づいて回帰式を作成した。振幅に関するパラメータについては、AVS30との関係性をなめらかな形状で中心にピークを持つ確率密度関数の形にフィッティングし、周波数ごとにパラメータが高い感度を持つ地盤特性が異なることを示し、モデル化した。強震継続時間に関するパラメータには振幅を表すパラメータとの相関がみられた。減衰特性を表すパラメータについては、震源距離との相関がみられたため、周波数帯域ごとに指数関数型の回帰式を作成した。以上の検討により、ERF法のパラメータを地盤モデルや震源距離で回帰することにより面的な広帯域地震動評価が可能となる道筋が示された。平成29年度の研究計画では、(1)3つの地震タイプごとに記録を収集・解析、(2)観測点ごとにERF構築、(3)地盤モデルを介したパラメータの面的評価を予定していた。このうち(1)、(2)は計画に沿って実施した。(3)については、現在のところ単一の説明変数による単純な回帰モデルの作成にとどまっているが、面的評価の方向性を示すことはできており、学会での報告を行っている。以上により、現在までの進捗状況はおおむね順調であると判断している。平成29年度に検討した関東下で発生する地震タイプ分けに従い,(1)フィリピン海プレート境界、(2)スラブ内、(3)太平洋プレート境界の地震タイプごとに関東の強震観測点で得られた中規模地震記録を解析し,観測記録から得られるERFパラメータの空間的補間(もしくは内挿)方法を検討した.ERFパラメータのうち,加速度波形包絡形のS波

主要動部分の振幅特性(周波数帯域間の振幅比)を表すパラメータaについて,観測記録から得られたパラメータaの代わりに,AVS30(表層から30mの平均S波速度)による回帰式から得られる(内挿された)パラメータa'を使い,M6級の実地震の広帯域地震動合成を行った.AVS30による回帰式から大きく外れた振幅特性を持つ観測点が少なからずあり,そういった点では高周波数帯域における観測記録の再現性が悪かった.そこで,評価地点におけるS波の岩盤観測点に対する地表観測記録の比,すなわち経験的地盤増幅特性から得られる振幅特性をa''とし,AVS30によるa'に代わってa''を用いて広帯域地震動合成を行ったところ,aを用いたときと同等の良い再現性が得られた.これにより,観測点のない地点においては中規模地震記録から経験的に得られるパラメータの代わりに地盤モデルから得られるS波の地盤増幅特性を使えることが分かった.詳細な地盤モデルさえあれば,AVS30による回帰式を用いた内挿方法よりも精度の高い内挿方法であることを示した.また,従来の広帯域地震動予測手法(ハイブリッド法)による首都圏におけるシナリオ巨大地震の強震動予測について,震源モデル,地下構造モデル,計算手法に関して情報を収集し,提案手法との比較を行うための準備を行った.平成30年度は,(1)平成29年度に引き続きERFの面的評価のためのパラメータの内挿方法を検討するとともに,(2)多様なシナリオ地震に基づく首都圏の広帯域地震動評価に向けて震源モデルの作成及び地震動シミュレーションの実施に着手することを計画していた.(1)について,詳細な地盤構造モデルによるS波増幅特性を用いた面的評価の具体的な方向性を示すことができた.(2)について,長周期側の地震動シミュレーションに関して情報収集し震源モデルと構造モデルを準備した.以上よりおおむね順調に進んでいると判断した.今後は、ERFの面的評価に関して引き続き地震タイプごとに検討を続けるとともに、多様なシナリオ地震に基づく首都圏の広帯域地震動評価に向けて、震源モデルの作成及び地震動シミュレーションの実施に着手する予定である。今後は,首都圏の詳細な地盤構造モデルを用いてERFの面的モデルを作成するとともに,多様なシナリオ地震に基づく首都圏の広帯域地震動シミュレーションを行う.育児休業取得により研究を中断し、一部の物品購入および国内外の学会参加を見送ったため。平成29年8月から平成30年5月まで産前産後休暇および育児休業取得により研究を中断した影響で,一部の物品購入および国内外の学会参加を見送ったため.
水中ロボットアームによる水泳時の四肢に働く非定常流体力の解明と高精度モデルの開発

1.前年度までに行なった流体力測定実験の結果に基づき,これまでの流体力モデルで発生する誤差を小さくできる,新たな高精度流体力モデルを導出した.そして高精度モデルにおける係数を,実験との誤差が最小になるように最適化手法を用いて決定した.その結果,モデルシミュレーションと実験の誤差は,4種類のストロークの上肢・下肢すべての場合について10%程度に収まり,高精度モデルの妥当性が確認された.2.得られた高精度モデルは,上肢の場合は4種類のストロークすべてで同一のモデルパラメータを有していることがわかった.これはモデルが汎用的であることを示しており,モデルの有効性をさらに裏づける知見であると考えられる.3.下肢についても,足部形状が異なる平泳ぎ以外の3種類のストロークは同一のモデルパラメータで十分精度良く実験結果を表現できることが明らかになった.4.得られた高精度モデルのモデルパラメータを検討したところ,上肢の場合において,手部を除く腕部(上腕・前腕)の流体力係数が定常時の6倍程度も大きいことがわかった.これは水泳動作における流れの非定常性に起因するものと考えられるが,今後さらなる検証が必要と考えられる.5.上記の流体力発生メカニズムについて検討するため,ロボットアームの手部まわりの流れをPIV(Particle ImageVelocimetry)法を用いて可視化した.その結果,推力の発生に伴って手部をまわりこむ渦の発生が確認された.6.以上の内容について,3件の国内会議,1件の国際会議での発表を行なった.1.実験用水中ロポットアームの設計を行った.具体的には,まずロボットアームの自由度は肩3自由度,肘2自由度の合計5自由度とした.アクチュエータには防水タイプのサーボモータを用いた.各部の寸法も可能な限り人体に近いものとし,さらに上肢と下肢の両方の実験に対応できるよう,末端部は取り外し可能とし,手部と足部の両方を取り付けられるようにした.土台部は曳航水槽にマウントできるようにした.また各関節に働く関節トルクを歪みゲージにより測定できるようにした.制御はパーソナルコンピュータで行えるようにした.2.上の設計結果に基づき,水中ロボットアームの駆動系および制御系の製作を行った.手部および足部については,実際の人間の手足の型を取り,樹脂により正確に人体手部・足部を再現した.3.製作した水中ロボットアームに行わせる運動データを作成した.具体的には,実際の泳者の泳動作を基にして各関節角の変位データを算出し,クロール,平泳ぎ,背泳ぎ,バタフライの4泳法すべてについて四肢の運動データを作成した.4.製作した実験装置を用いて,予備実験を行った.具体的には,曳航水槽において水中ロボットアーム全体を曳航させ,泳動作を行わせた.そして関節変位と関節トルクの時刻歴を測定した.その結果,関節トルクおよび全体の推力が計測可能であることが確認された.しかし現在,肘関節の構造に問題があり,振動が生じること,また手・足部の重量が大きすぎることなどの問題点が判明したため,これらを解決する改良を現在計画中である.1.前年度までに開発した,実験用水中ロボットアームにおいては,振動が大きい,手・足部の重量が大きすぎるなどの問題点が判明したため,これらの問題点を解決する改良を行なった.まず振動については,原因の調査の結果,肘関節の制御方法に問題があることが判明した.すなわち,比例制御のみであり速度制御がかかっていなかった.そこで,新たに角速度検出用にタコジェネレータを組み込み,比例・速度制御を行なうようにしたところ,振動が大幅に低減でき,測定に耐えうるものとなった.また手・足部については,手・足模型の内部を発泡材とする改良を施したところ,大幅な軽量化が実現した.2.改良を施したロボットアームを用いて,流体力測定実験を行なった.運動データには昨年度作成した4泳法の上肢・下肢のものを用いた.また曳航水槽より使い勝手が良い,回流水槽にて実験を行なうこととした.そしてロボットの運動(関節変位),各関節の関節トルク,さらにロボットアーム全体に働く合力を同時に測定した.その結果,例えばクロール動作では,70N程度の推力が発生することが確認できた.3.実験結果に対し,研究代表者らがこれまで用いていた流体力モデルを用いてシミュレーションを行なった.まず水中ロボットアームの形状をシミュレーション上で忠実に再現し,運動データも実験と同じものを用いた.その結果,いずれの泳法のいずれの局面においてもシミュレーションと実験では誤差が発生し,これらすべてを小さくするためには,流体力モデルの改良が必要なことを明らかにした.4.以上までの内容を2回の国内会議論文にまとめ,講演発表を行なった.1.前年度までに行なった流体力測定実験の結果に基づき,これまでの流体力モデルで発生する誤差を小さくできる,新たな高精度流体力モデルを導出した.そして高精度モデルにおける係数を,実験との誤差が最小になるように最適化手法を用いて決定した.その結果,モデルシミュレーションと実験の誤差は,4種類のストロークの上肢・下肢すべての場合について10%程度に収まり,高精度モデルの妥当性が確認された.2.得られた高精度モデルは,上肢の場合は4種類のストロークすべてで同一のモデルパラメータを有していることがわかった.

これはモデルが汎用的であることを示しており,モデルの有効性をさらに裏づける知見であると考えられる.3.下肢についても,足部形状が異なる平泳ぎ以外の3種類のストロークは同一のモデルパラメータで十分精度良く実験結果を表現できることが明らかになった.4.得られた高精度モデルのモデルパラメータを検討したところ,上肢の場合において,手部を除く腕部(上腕・前腕)の流体力係数が定常時の6倍程度も大きいことがわかった.これは水泳動作における流れの非定常性に起因するものと考えられるが,今後さらなる検証が必要と考えられる.5.上記の流体力発生メカニズムについて検討するため,ロボットアームの手部まわりの流れをPIV(Particle ImageVelocimetry)法を用いて可視化した.その結果,推力の発生に伴って手部をまわりこむ渦の発生が確認された.6.以上の内容について,3件の国内会議,1件の国際会議での発表を行なった.
人間接触環境・床の総合的シミュレーション評価

人間と床の相互作用を力学系と温熱系の二つの側面から総合的に捉えるために,力学的シミュレータ及び,熱的シミュレーターの開発とその適用研究を行った。力学的アクティブ床シミユレーターについては,予算上全身対応の可能な最小規模のものとならざるを得なかったが,様々な工夫改良を加えることで,大略所期の性能をもつものを開発することができた。既に,インピーダンス測定などによって人体の力学的モデル解析に対する様々な新しい知見が得られ,官能評価や床の力学的特性との総合的な解析も進めているところである。今後,制御系の改良を図り,大プレートによる全身対応で全周波数領域をインタラクティブに実験できる装置にすることが課題として残されている。熱的アクティブ床シミュレーターについては,これも予算上ペルチェ素子を用いることはできなかったが,水冷式の冷却基板め上に電熱ヒーターを組み合わせた熱流を動的に制御するシステムで,加熱,吸熱の双方向性を実現した。順次,改良を加え応答性の向上を図り,ベーズとしての基本特性を確保し,予備的な官能実験.を行った段階で南る。今後,熱流センサーと組合せて制御特性をより改善し,人体との相互作用を温・冷の両領域で実験的に解析して行く予定である。本年度は力学的アクティブ床シミュレーターの開発に主眼を置き,資料調査,ベースとなる動電型加振機の調査,現有設備での実験的検討を踏まえて実機の設計を行い,発注して納入させ,テストランと予備的実験を行った。既往の研究から加力範囲を10^6N,0300Hzとし,容量的には確保でき,ロードセル等の検出系,制御系についても基本的作動は確認できた。具体的研究成果としては,動電型加振機にロードセル型力検出器,レーザー型変位検出器,圧電型加速度検出器を取り付けたシミュレーター床を製作したこと,制御・計測系として,任意波形による床の振動制御と足の応答検出,足への入力と振動速度応答によるインピーダンスの計測,足からの入力検出,足からの入力に対する床の応答検出,床の加速度,速度,変位応答による床振動の制御,床の等価剛性,等価質量,等価抵抗の制御等に関する基本的なシステム構築を行い,実機の納入を得てテストランを実施した。足のインピーダンス測定から,足からの入力検出までは所期の性能が確認できたが,足と床との連成制御系につては鋭意改良を検討中である。このように各種ソフトの開発整備など多くの課題が残されており,次年度以降の熱的シミュレーターの付加を含めて総合的に研究開発を進める必要がある。本年度は昨年度開発した力学的アクティブ床シミュレーターの改良と熱的アクティブシミュレーターの開発を行った。カ学系については基礎支持部と測定環境の改善並びに,制御ソフト系の開発改良を行い,測定制御の範囲と精度の向上を図り,テストラン的実験を行いデータを蓄積した。具体的には基礎は約10tのコンクリートとし,支持部の鉄フレームも補強してインピーダンスの向上を図り制御上問題のない支持構造とした。また,全身対応型の床パネルでは,上部質量の影響をキャンセルできる周波数に限界があり,別途小質量の力センサー付円板を乗せて250Hz程度までの制御範囲を確保した。温熱系については,冷温水と面状電熱素子を用いた能動熱流制御パネルを開発製作し,そ基本的動作特性の確認を行い,制御系のシステム設計のためのデータを蒐集した。基本的性能としては,冷温水の処理熱量,電熱ヒーターの制御熱量,電熱特性,過渡応答特性共に大略所期の性能が得られているが,面的均一性,温度センサーの応答性など制御システムとしては今後の課題が多い。次年度は連成総合システムとしての完成度を高め,人体との相関性を検討する。本年度は,一昨年度開発した力学的アクティブ床シミュレーターの更なる改良とそれによる人体実験及び昨年度開発した熱的アクティブシミュレーターの改良を行った。力学系については基礎支持部と測定環境の改善並びに,制御ソフト系の改良を行い,加えて小プレートを作成して測定・制御の範囲と精度の向上を図り,被験者実験を行い多くのデータを蓄積した。具体的には支持構造のインピーダンスの一層の向上を図り制御上問題のないようにした。

また,全身対応型の床パネルでは,上部質量の影響をキャンセルできる周波数に限界があり,別途小質量の力センサー付小プレートを作成し改良を加えて250Hz程度までの制御範囲を確保し実測を行った。温熱系については,冷温水冷却板と面状電熱素子を用いた能動熱流制御パネルに対し,冷却水の流量を増大し,表層部の熱伝達とセンサー位置を改良して温度分布と制御性の向上を図った。基本的性能としては,冷温水の処理熱量,電熱ヒーターの制御熱量,伝熱特性,過渡応答特性が改善され,温度センサー含めた全体の制御システムとして実用に供し得るようになった。今後,自主研究として連成総合システムとしての完成度を高め,人体との相関性を本格的に検討する。
１０－１３世紀中国における統治と「文書」－官文書分析による史料批判学の再構築－

研究計画の最終年度に当たる平成25年度は、前年度からの研究を継続して進めるとともに、これまでの研究成果を公開することにも重点を置いた。まず調査・研究の面では、9月46日に中国河南省焦作市において碑刻史料「懐州静応廟額牒」に関連するフィールドワークを実施した。「懐州静応廟額牒」は、北宋崇寧三年(1104)に発給された文書を、金承安四年(1199)と元至元十三年(1353)に石に刻んだ碑刻である。北宋文書が以後の王朝支配下でどのような役割を果たしたのかを解明する重要な手掛かりである。だが、北京大学図書館に所蔵される拓本は明らかに偽刻のものであった。そこで、その原碑立石地点と周辺環境の調査を行った。次に研究成果の公開の面について。4月に新出土史料である「徐謂礼文書」に関する国際会議に参加し研究発表を行った。原文書が少ないという史料環境を補う上でも極めて重要な意義を持つ当該史料群に対し、本研究が重視する「モノ」という視点での分析が必要であることを提起した。6月には大阪市立大学で開催された宋代史談話会に参加し、金代に刻石された公文書を、拓本を用いて外観から分析した研究を発表した。8月には宋代史研究会において、本研究で主な考察対象としてきた石刻「文書」を政治・文化・地域の三者が凝集したモノとして位置づける知見を提起した。9月には北京大学で開催された国際会議に参加し、北宋後半期における中央と地方の政治状況が緊密に連動することを、その中間項となる路に焦点を当て論じた研究を発表した。そして、これまでの研究をまとめた単著を12月に刊行した。これは、研究自体だけでなく成果を広く国際的に発信することも計画していた本研究にとって、意義が大きい。また、前年度の英国滞在により得られた知見や研究者との交流を基礎とし、2014年1月には英国オックスフォード大学での国際ワークショップに参加し、自己の研究内容を国際的に発信した。(抄録なし)研究実施計画に基づき、平成23年度は次の三点に重心を置き研究を進めた。1、文献史料の整理・分析。2、石刻「文書」の拓本・原碑の現地調査。3、国際学会での研究発表。この三点に即して研究成果を記す。まず1に関して。当時の文書は制度設計を直接的に反映し、統治構造や権威・権力を即物的に表現するため、中国の統治を理解する上で文書は極めて有効な考察対象である。しかし、当該時期の原文書は他時代に比べて極めて少ない。そこで注目されるのが石碑上に刻まれた文書(本研究では石刻「文書」と呼ぶ)である。それらは文献史料中に比較的豊富に残る。そのため、『宋代石刻文献全編』全四冊及び『遼金元石刻文献全編』全三冊(ともに北京図書館出版社、2003)から石刻「文書」の記事を抽出し、他資料と照合した上で整理した。この成果は2及び3の基盤となった。次に2に関して。文献史料中の石刻「文書」を「資料の史料化プロセス」を経て「新史料」として再構築するためには、石刻「文書」が本来有していた視覚情報・立石位置・伝世経緯の考察が必要不可欠である。そのためにフィールドワークを行い、拓本及び原碑を調査した。拓本調査は5・11月に北京大学図書館にて遂行し、特に山西沢州旌忠廟関連の拓本及び広州南海神廟関連の拓本を得た。この拓本調査で得た成果に合わせて、8月に蘇州・鄭州・晋城、11月に広州で原碑調査を行い、石刻「文書」が文献史料に収録される際に消失してしまった情報を得ることができた。3に関して。1及び2での成果をもとに北京、上海、広州、東京で開催された4つの国際学会で研究発表を行い、また中国語論文を2本公刊し、研究成果を国際的に発信した。これら海外での積極的な研究発表は現在の日本の学術界に求められる国際化の方向性に一致すると考える。研究計画の第2年度に当たる平成24年度は、まず5月下旬に北京大学図書館において拓本調査を行った。この調査により、前年度から進めてきた石刻「文書」データベースを完成させるとともに、文書に記された文字を抽象的な情報として処理するのではなく、書体や文字配置といった具体性を持った情報として扱うことが可能となり、視覚情報を重視する分析を進めることができた。そして、文書の外観を精巧に復元して刻石する現象が12世紀はじめに急速に増加し、その直接的な背景に北宋徽宗期の政治・宗教のあり方があることを明らかにした。これは20世紀初頭まで中国で続いた石刻「文書」という文書形態が北宋末期に歴史的に形成されたこと意味する。この成果は、8月に中国開封で行われた国際学会に中国語論文を提出する形で発表した。また、前年度に行った鄭州でのフィールドワークで得た成果を用い論文を公刊した。従来、文書の記載内容のみが歴史情報として扱われ分析されてきた。しかし、この論文では文書の「モノ」としての存在自体が重要視されたことを具体事例に即して考察し、文書は歴史情報を載せた史料体であり、その伝世自体にも歴史情報を多分に含むことを指摘し、本研究が重視する視点を提示した。

9月26日から3月20日までの半年間は、英国ケンブリッジ大学に訪問学者として所属し研究を遂行した。そこで、英語による中国語文献の定期講読会や世界各地から訪問してきた研究者による史料に即した専門性の高いセミナーに参加した。また、キングス・カレッジ・ロンドンのヒルデ・デ・ヴィールドト氏が現在進める研究プロジェクトの一環として定期的に開かれている読書会に参加した。これらを通して欧米の研究者の問題意識や着眼点を直接的に理解できたことは、研究成果を国際的に発信することを課題とする本研究の今後の活動に裨益するところが大きいと考える。研究計画の最終年度に当たる平成25年度は、前年度からの研究を継続して進めるとともに、これまでの研究成果を公開することにも重点を置いた。まず調査・研究の面では、9月46日に中国河南省焦作市において碑刻史料「懐州静応廟額牒」に関連するフィールドワークを実施した。「懐州静応廟額牒」は、北宋崇寧三年(1104)に発給された文書を、金承安四年(1199)と元至元十三年(1353)に石に刻んだ碑刻である。北宋文書が以後の王朝支配下でどのような役割を果たしたのかを解明する重要な手掛かりである。だが、北京大学図書館に所蔵される拓本は明らかに偽刻のものであった。そこで、その原碑立石地点と周辺環境の調査を行った。次に研究成果の公開の面について。4月に新出土史料である「徐謂礼文書」に関する国際会議に参加し研究発表を行った。原文書が少ないという史料環境を補う上でも極めて重要な意義を持つ当該史料群に対し、本研究が重視する「モノ」という視点での分析が必要であることを提起した。6月には大阪市立大学で開催された宋代史談話会に参加し、金代に刻石された公文書を、拓本を用いて外観から分析した研究を発表した。8月には宋代史研究会において、本研究で主な考察対象としてきた石刻「文書」を政治・文化・地域の三者が凝集したモノとして位置づける知見を提起した。9月には北京大学で開催された国際会議に参加し、北宋後半期における中央と地方の政治状況が緊密に連動することを、その中間項となる路に焦点を当て論じた研究を発表した。そして、これまでの研究をまとめた単著を12月に刊行した。これは、研究自体だけでなく成果を広く国際的に発信することも計画していた本研究にとって、意義が大きい。また、前年度の英国滞在により得られた知見や研究者との交流を基礎とし、2014年1月には英国オックスフォード大学での国際ワークショップに参加し、自己の研究内容を国際的に発信した。本研究は文献史料と石刻史料の双方の分析を両輪として進めることで新知見を得ようとするものである。研究計画の初年度となる平成23年度は、文献史料の整理・分析を十分に行い、その上でフィールドワークによって石刻史料の分析をし、両者のバランスを保って研究を進めることができ、次年度以降の研究の基盤を形成した。また、その進展に合わせ研究成果の発表も効率よく行うことができ、研究は順調に進展していると言える。今後も平成23年度に行った方法に沿った研究を継続することが重要である。ただし、その際に単に史料収集に終始するだけでなく、集め得た良質な各史料に適した分析方法について自身を「史料化プロセス」の中に置きながら考察することが強く求められる。本研究では石刻史料を重視して扱うが、その分析方法は従来の中国金石学の枠に止まらず、日本の古文書学や欧米の碑刻学の成果を幅広く取り入れることが必要である。それは学問の国際化という問題にも対応するものであろう。そのための対応策として、研究背景を異にする欧米の研究機関において一定期間研究に従事し、現地の研究者と研究情報を交換することを考えている。
GaN系HEMTと関連素子のピエゾ電界効果の解明と表面準位の新評価法

GaN上にAlGaN膜を載せたHEMTを歪ませた時の伝導層の抵抗変化を調べ、ウルツ鉱に固有のピエゾ効果に起因する分極電荷の変化でほぼ説明できることを示した。また、試料表面に生じる分極電荷が、表面準位の充放電によって部分的に打ち消される現象に着目し、遮蔽作用を持つ金属電極の有る試料と無い試料の比較から、表面準位密度を推定できることを示した。また、GaAs上にAlGaAs膜を載せた構造を持つ素子でも、歪により結晶の対称性が損なわれるため、ピエゾ抵抗効果が生じ、これが電子の密度に加え、移動度の変化に起因することを明らかにした。平成26年度は、まず、1、歪みを加えた時に生じる試料内の電子数の変化を精密に計測するために、試料のコンダクタンスを計測するだけでなく、計測装置内に永久磁石を設け、ホール効果により移動度の計測も可能とした。これにより、伝導層内の電子の面密度Nsと電子移動度μとが独立に決定できることとなった。次に、この手法を、2、(AlGaAs/GaAs)系の高電子移動度トランジスタ(HEMT)試料群に適用し、以下の事実を明らかにした。まず、(1)AlGaAs層が200nm程の厚い試料では、歪み印加に伴い、電子数に加え、移動度が大きく変化する事実を見出した。これにより、ヘテロ界面を流れる2次元電子の面密度とAlGaAs内を流れる電子の面密度が歪みにより変化し、移動度の高い前者と移動度の低い後者の寄与率が変化したことを明らかにした。また、(2)(100)面上のHEMTの形成の際に電流を[011]方向と[001]方向とに設定した2種の試料を作り、歪みの効果が異なることを示し、これが面内のGaとAsの結合方向の異方性によって生じることを明らかにした。さらに、(3)試料表面に設ける金属ゲート電極の有無によるピエゾ抵抗効果の差異、またGaAs基板側にp型伝導層を設けるか否かによる差異を調べることで、結晶表面に生じる表面準位や基板とエピタキシャル層の界面に生じる界面準位の充放電現象が伝導層の電子数に及ぼす影響について知見を得た。さらに、(AlGaN/GaN)系のHEMT試料について、ピエゾ抵抗の計測とその解析を行い、(AlGaAs/GaAs)系試料の結果と対比し、両者の差異と共通点を示した。平成27年度は、種々のGaN系やGaAs系HEMTを含むヘテロ接合ウエーファを短冊状に成形し、両端を固定の上で中央部に力を加えることで、接合面に沿って歪みを加えた時に、試料のコンダクタンスや抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を、理論・実験の両面から詳しく調べ、以下に記す知見を得た。(1)歪の作用により結晶内の分極状態が変化すると、試料内では電界E(z)やポテンシャルV(z)の分布が変化する。この時、ヘテロ接合に沿う伝導チャネル中の2次元電子の面密度Nsが増減するだけでなく、ある種の試料では、隣接する障壁層内のキャリアの密度も変わることを見出した。特に、この現象が、n-AlGaAs/GaAs系の試料で重要であることを示すとともに、ピエゾ抵抗素子の感度向上に活かす可能性も見出した。(2)歪の作用により、試料内の電界分布E(z)やポテンシャル分布V(z)が変化すると、2次元電子の面密度Nsに加え、移動度μも変化することを前年度に見出した。今年度は、その仕組みを明らかにするために、AlGaN/GaN系HEMTのチャネル内の2次元電子の移動度の電界依存性を理論・実験の両面から詳しく調べた。特に、低温で、界面散乱が重要となり、その電界依存性が強いため、この効果が顕著になることを示した。(3)GaAs系HEMTでは、裸の表面でも、金属ゲート電極膜を形成した表面でも、局在準位の影響により、フェルミ準位がエネルギーギャップの中央付近に固定されると言われているが、この構造に面内歪を印加した場合、表面に生じる分極電荷への遮蔽作用が、金属ゲート電極膜の有無により、大きく異なるはずである。本年度は、この点を調べるための実験を行い、両者の違いから、表面準位の密度を推定する試みを行った。実験では、単純なモデルからは説明が困難な事実も見出されており、最終年度にさらに詳しく調べる必要が明らかとなった。本研究は、GaN系HEMTを軸に、GaAs系やInGaAs系のHEMTの中核部となるヘテロ接合伝導層を対象に、接合面と並行方向に歪みを加えた時に生じる電気抵抗の変化(ピエゾ抵抗効果)を理論・実験の両面から調べ、発現機構の解明を図るとともに、表面・界面準位の新評価法としての活用可能性に関し、以下の成果と知見を得てきた。(A) AlGaN/GaN系HEMTでは、歪の作用でAlGaN層とGaN層内にピエゾ分極が生じるが、両者に違いがあるため、界面に分極電荷eNintが発生する。この場合でも、AlGaN層上の表面とGaN層の下の下側表面にも分極電荷が生じるため、系全体としては電荷の総量は保たれる可能性がある。但し、仮に表面準位が多いと、表面での分極電荷が遮蔽され、界面伝導層内の2次元電子の密度Nsは、界面分極電荷の変化Nintに応じた変化を示す。これが、GaN系HEMT構造でのピエゾ抵抗効果の主要因である。(B)本研究で、この効果をより詳しく調べ、一連の知見を得た。