hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高温超伝導層間ジョセフソン磁束量子系の新奇な熱平衡相図とダイナミクス

(1)ジョセフソン磁束量子の熱平衡状態の研究:高圧超伝導体のナノ層状構造が層間ジョセフソン磁束量子に及ぼす強いピン止め効果により、高磁場下に現れる特異なコスリッツ・サウレス相及び逐次連続融解現象を計算機シミュレーションで解明した。また、それより低い磁場においては密度汎関数理論を展開し、磁束量子の集中する半導体層が長距離に亘って1層おきに現れ、層内では短距離的磁束間相関しか持たない、いわゆるsmectic(周期m=2)状態が、YBCO等の物質で安定な熱力学相になること、その際液体-smectic-結晶の変化は2次相転移と1次相転移であること、より低い磁場では1次相転移を通じて結晶から直接液体に融解することを明らかにし、高温超伝導ジョセフソン磁束量子の相図を提案した。これらの結果が大きく注目されており(国際会議招待講演多数)、ヨーロッパ、アメリカ、日本で実験検証が企画されている。ジョセフソン磁束量子状態の理論解明はこれを用いた超高周波量子デバイス開発研究の基礎となる。また類似した現象はDNAを含む高分子系、2次元電子及びヘリウム等の量子系にも現れる可能性があり、物質の新しい状態としてその研究の広がりが期待されている。(2)傾斜磁場下の磁束量子状態の研究:層状高温超伝導体の超伝導面から有限な角度を持つ方向に磁場を印加した場合の磁束量子状態を調べた。特にYBCOのような適当な大きさの異方性パラメータを持つ物質では、ジョセフソン磁束量子の配列に支配される磁場角度領域とパンケーキ磁束量子の配列に支配される領域間に、不連続相転移が存在することを明らかにした。(3)Co系超伝導発現及び超伝導電子対の対称性の研究:当機構で二次元三角格子Na_xCoO_2・yH_2Oにおける超伝導が発見されたのを受けて、超伝導発現機構を初期実験データとフェルミ面形状をもとに理論的に研究。特にスピン三重項伝導状態の実現に有利な対称性を有することを最初に見出し注目を集めた。現在、三重項状態であることがほぼ確立している。高温超伝導層間ジョセフソン磁束の相転移、相図の理論研究はロンドン理論を始め、有効場理論、摂動理論や繰り込み群等の理論的手法が駆使されたにもかかわらず、統一的な理解が得られていない。その原因は、磁束量子系の多体強相関な特質に、高温超伝導体の層状構造による離散性、非常に異方的な面間・面内相互作用(エネルギーにして45桁の相違)の共存が加わっているためである。これらの困難を克服し、理論的に提案されている層間ジョセフソン磁束相転移の複数のシナリオを検証するため、我々は3次元立方格子に定義された超伝導秩序変数の位相擬スピンXYモデルによる大規模モンテカルロシミュレーションを行っている。このアプローチは高温超伝導の層状構造がもたらす離散性は格子モデルに合理的に取り入れられ、層間のジョセフソン結合は厳密に取り扱われる;磁束間の長距離的な相互作用を擬スピン間の近距離交換相互作用として取り入れ、プログラムのベクトル化・並列化を最大限に図ることにより、世界最大規模なシミュレーションが可能;特に異方性が大きく、磁場が強い場合、閉じたジョセフソン磁束ループの励起が熱揺らぎの重要なモードになり、他の理論では取り扱いにくいが、本アプローチでは自動的に含まれる;超伝導位相因子のコヒーレンス性から長距離秩序としての超伝導状態の判別、その特異点からジョセフソン磁束の空間的配置に関する情報の取得;内部エネルギー、比熱、電気抵抗等の熱力学量の計算が可能である。

平成15年度の主な研究成果は高磁場に於けるコスタリッツ・サウレス中間相の存在を発見したことである。温度が高温から下がるのにつれて、磁束線液体相から、準長距離な結晶と超伝導秩序を持つKT相を経て、磁束線格子相に変わる。2回の相転移とも連続相転移である。それに対して、低磁場では、相転移は液体相-格子相間一回のみで、1次相転移である。このため、ジョセフソン磁束量子の磁場-温度相図に多重臨界点の存在が分かる。KT中間相の存在はまた、ダイナミクス特性と深く関わることも判明した。(1)ジョセフソン磁束量子の熱平衡状態の研究:高温超伝導体のナノ層状構造が層間ジョセフソン磁束量子に及ぼす強いピン止め効果により、高磁場下に現れる特異なコスタリッツ・サウレス相及び逐次連続融解現象を計算機シミュレーションで解明した。これをベースに、高温超伝導ジョセフソン磁束量子の相図を提案した。これらの結果は、高温超伝導発見以来15年にわたって理解が進まなかった一連の実験結果の理論説明を与えたとして注目されている(論文引用、国際会議招待講演多数)。ジョセフソン磁束量子状態の理論解明はこれを用いた超高周波量子デバイス開発研究の基礎となる。また類似した現象はDNAを含む高分子系、2次元電子及びヘリウム等の量子系にも現れる可能性があり、物質の新しい状態としてその研究の広がりが期待される。(2)傾斜磁場下の磁束量子状態の研究:層状高温超伝導体の超伝導面から有限な角度を持つ方向に磁場を印加した場合の磁束量子状態を調べた。特にYBCOのような適当な大きさの異方性パラメータを持つ物質では、ジョセフソン磁束量子の配列に支配される磁場角度領域とパンケーキ磁束量子の配列に支配される領域間に、不連続相転移が存在することを明らかにした。(3)Co系超伝導発現及び超伝導電子対の対称性の研究:当機構で二次元三角格子Na_xCoO_2・yH_2Oにおける超伝導が発見されたのを受けて、超伝導発現機構を初期実験データとフェルミ面形状をもとに理論的に研究。特にスピン三重項超伝導状態の実現に有利な対称性を有することを最初に見出し注目を集めた。現在、三重項状態であることがほぼ確立している。
超臨界二酸化炭素を含む二成分系混合気体のP-V-T関係の精密測定

分離や反応などの操作を考えるとき、溶媒の探索は重要な課題の一つとなる。とくに、多成分系液体混合物を対象にした場合、従来の概念では多種類の溶媒が必要となり分離プロセスも複雑になる。近年、超臨界流体を用いた抽出法が新しい省エネルギー分離プロセスとして化学工業のみならず、食品・医薬品・新素材等幅広い応用分野からも注目を集めている。この超臨界流体は気体から液体までの性質を連続的にしめすことができ、その制御も現在では技術的に可能になっている。したがって、超臨界流体の溶媒特性を解明し、高度利用を目的とする技術開発を進める際には、臨界点近傍を含めできるだけ広い領域での熱力学的諸量の変化を十分に把握する必要がある。本研究では、現在まで開発改良してきた定容積法による測定装置を用いて、超臨界流体を含む2成分系混合気体のP-V-T関係、とくに超臨界流体の臨界点附近におけるそれを精密に測定し信頼できるデータを提供するとともに、得られた実測値に基づいて臨界点近傍におけるP-V-T関係を精度良く表し得る状態方程式の開発を目指した。本年度はCO_2-n・C_4H_<10>系の304.65および310.93K、CO_2-1・C_4H_<10>系の304.65K、さらにCO_2-CH_3OH系の373.33および473.15Kの5ヶの等温線について圧力領域を10MPaまで拡張して測定した。
国家再建・平和構築過程における国際刑事裁判の機能-法構造と動態に関する研究

本研究においては、国家再建・平和構築過程における国際刑事裁判の機能に関し、「清算的機能モデル」と「構築的機能モデル」という二つのモデルを分析枠組として、裁判の法構造と動態を検討した。特に、国際刑事裁判所(ICC)の制度において、犯行地国との関係がいかに構築されているのかを考察した。具体的には、清算的機能の側面として、(1)犯行地国法令の適用・参照の可能性(量刑の判断など)、(2)適用法規の一部としての「国内法の一般原則」(犯行地国の国内法を含む)の意義、(3)犯罪の被害者の訴訟手続上の地位、(4)ICCによる被害者への補償といった点に関して、ICC規程および手続証拠規則の分析を行った。第二に、構築的機能の側面として、(1)国内法制度の構築・法の支配の確立という観点でのICC活動の脆弱性(客観性・独立性の確保と関係国へのコミットのバランスのあり方)、(2)真実・和解委員会(truth and reconciliation commission)との関係・権限配分、(3)恩赦・大赦などの国内措置とICCの裁判手続との関係をそれぞれ検討した。この結果、補完性原則との関係で、たとえば真実・和解委員会の設置や恩赦・大赦などの犯行地国における融和措置が、国際刑事裁判の進行と抵触する可能性が高く、その意味でICCの活動が必ずしも国家再建・平和構築に直結する機能を果たすものではない点を解明した。他方で、犯行地国による自己付託(self-referral)という近時の実行を通して、関係国の国内事情を勘案しようとするICC検察局の戦略の存在を指摘し、これが国家再建・平和構築に果たす意義と問題点を明らかにした。平成17年度は、ICCにおける補完性の原則を中心に研究を行い、国際手続と国内手続への事案の配分を決定するプロセスとその実体的基準に関して、清算的機能と構築的機能の二つの側面から検討を行った。とりわけ、2003年以来公にされてきた検察局による訴追戦略に関する文書、ウガンダ・コンゴ・スーダンなど捜査が進行している事態に関する文書など、最新の資料を分析することに主眼を置いた。これにより、犯行地国自らが事態をICCに付託する、いわゆる「自己付託」(self-deferral)と呼ばれる現象が、紛争終結間もない状況において国内裁判所での裁判を回避したいと望む犯行地国と、関係国の協力を最大限に得て捜査・訴追を行いたいと望む検察局の利害が一致することにより生じている点を明らかにし、その意味で、これが紛争後の国家再建・平和構築過程に影響を与えていることを解明した。また同時に、補完性原則が、真実和解委員会(truth and reconciliation commission)などの非裁判的手続に関して、どのような意味を持つのかも検討した。この研究はすでに論文として原稿化されており、現在公刊の準備中である。これと平行して、本年度は、犯罪被害者の救済の枠組みが、国際刑事裁判とどのように関連し、具体的に国家再建・平和構築過程においてどのような機能を果たしえるのかも研究課題した。これについては、比較的最近に設置された補償委員会(compensation commission)や請求権委員会(claims commission)、さらにICCにおける被害者補償手続を対象として、それらの組織構造・請求の処理手続などを比較検討することを試みた。これについては、すでに簡単な論文成果となっており(「雑誌論文」欄参照)、来年度はより詳細な研究を行う予定である。本研究においては、国家再建・平和構築過程における国際刑事裁判の機能に関し、「清算的機能モデルjと「構築的機能モデル」という二つのモデルを分析枠組として、裁判め法構造と動態を検討した。具体的には、清算的機能の側面として、(1)犯行地国法令の適用・参照の可能性(量刑の判断など)、(2)適用法規の一部としての「国内法の一般原則」(犯行地国の国内法を含む)の意義、

(3)犯罪の被害者の訴訟手続上の地位、(4)ICCによる被害者への補償といった点に関して、ICC規程および手続証拠規則の分析を行った。第二に、構築的機能の側面として、(1)国内法制度の構築・法の支配の確立という観点でのICC活動の脆弱性(客観性・独立性の確保と関係国へのコミットのバランスのあり方)、(2)真実・和解委員会(truth and reconciliation commission)との関係・権限配分、(3)恩赦・大赦などの国内搭置とICCの裁判手続との関係をそれぞれ検討した。この結果、補完性原則との関係で、たとえば真実・和解委員会の設置や轍・大赦などの犯行地国における融和措置が、国際刑事裁判の進行と抵触する可能性が高く、その意味でICCの活動が必ずしも国家再建・平和構築に直結する機能を果たすものではない点を解明した。他方で、犯行地国による自己付託(self-referral)という近時の実行を通して、関係国の国内事情を勘案しようとするICC検察局の戦略の存在を指摘し、これが国家再建・平和構築に果たす意義と問題点を明らかにした。
火災噴煙のダイナミックスに関する流体力学的研究(特にマグマの破砕作用との関係について)

本研究では,爆発的な噴火の数値モデルを開発するとともに,主にフィリピンピナツボ火山1991年噴火の観測結果に基づいて,堆積物の粒径分布,構成粒子の形状から爆発的噴火のダイナミックスや爆発的噴火におけるマグマの破砕過程を明かにする手法を開発した.理論モデルに関する研究成果は以下の2点である.第一に,発泡しつつあるマグマの火道中の定常上昇運動についてのモデルを構築した.その結果,火道中のマグマの破砕面前後で液相と気相の相対速度が生じた場合,従来報告されているマグマの上昇様式と定性的に大きく異なる様式でマグマが上昇する可能性があることが示された.また,爆発的な噴火によって生ずる火山噴煙のダイナミックスを数値的にシミュレートする計算コードを開発した.観測に基づく研究としては,ピナツボ噴火の降下軽石層の粒径分布から噴火のダイナミックスの再現と総噴出量の推定を行った.また,火砕物ガラスおよび結晶の破砕直後の初生粒径分布を求めた.重要な結論として,爆発的な噴火では,火砕物全体の7割以上,またマグマ中の結晶のおよそ6割が極細粒に破砕され,大気中に拡散してしまうという知見を得た.細粒火山灰中のガラスと斜長石結晶の破砕直後の初生粒径分布が系統的に異なること,また,火砕物の詳細な形状観察や,極細粒火山灰の粒径分布が軽石の気泡の大きさや気泡壁の厚さのスケールに影響を受けていることから,極細粒火山灰を形成する破砕過程が主に気泡の破裂による可能性が高いことが明かとなった.同様な手法は,浅間火山1783年噴火,諏訪瀬火山1813噴火の噴出物にも適用された.特に,浅間火山1783年噴火については,古文書の記載と堆積物の比較から,噴火推移および噴火のダイナミックスを詳細に再現することができた.本研究では,爆発的な噴火の数値モデルを開発するとともに,主にフィリピンピナツボ火山1991年噴火の観測結果に基づいて,堆積物の粒径分布,構成粒子の形状から爆発的噴火のダイナミックスや爆発的噴火におけるマグマの破砕過程を明かにする手法を開発した.理論モデルに関する研究成果は以下の2点である.第一に,発泡しつつあるマグマの火道中の定常上昇運動についてのモデルを構築した.その結果,火道中のマグマの破砕面前後で液相と気相の相対速度が生じた場合,従来報告されているマグマの上昇様式と定性的に大きく異なる様式でマグマが上昇する可能性があることが示された.また,爆発的な噴火によって生ずる火山噴煙のダイナミックスを数値的にシミュレートする計算コードを開発した.観測に基づく研究としては,ピナツボ噴火の降下軽石層の粒径分布から噴火のダイナミックスの再現と総噴出量の推定を行った.また,火砕物ガラスおよび結晶の破砕直後の初生粒径分布を求めた.重要な結論として,爆発的な噴火では,火砕物全体の7割以上,またマグマ中の結晶のおよそ6割が極細粒に破砕され,大気中に拡散してしまうという知見を得た.細粒火山灰中のガラスと斜長石結晶の破砕直後の初生粒径分布が系統的に異なること,また,火砕物の詳細な形状観察や,極細粒火山灰の粒径分布が軽石の気泡の大きさや気泡壁の厚さのスケールに影響を受けていることから,極細粒火山灰を形成する破砕過程が主に気泡の破裂による可能性が高いことが明かとなった.同様な手法は,浅間火山1783年噴火,諏訪瀬火山1813噴火の噴出物にも適用された.特に,浅間火山1783年噴火については,古文書の記載と堆積物の比較から,噴火推移および噴火のダイナミックスを詳細に再現することができた.本年度は以下の3点について成果をあげることができた。(1)浅間火山天明(1783年)の噴火について、堆積物と古文書から噴火の推移を再現した。特にプリニ-式噴火の噴煙のダイナミックスと破砕作用の違いによる噴火様式の違いについて焦点をあてた。その結果、この噴火では、1783年の5月に噴火が開始して以来、一回の爆発における噴煙の高度が徐々に増加し、8月4日に最高潮に達したこと、8月4日の噴火においてマグマの破砕の程度が低下に伴って噴火タイプがプリニ-式噴火から火砕流噴火に変化したこと、などの知見を得ることができた(発表文献参照)。現在、噴煙の拡散に対する風の影響について、粒径の違う軽石の運搬様式違いを調べることによって詳細な検討を進めている。(2)堆積物の粒径を用いて、プリニ-式噴煙の傘型域の拡大速度を推定する手法、および極細粒火山灰を含む堆積物総量の推定する方法を確立した。これらの手法を1991年ピナツボ噴火の堆積物に適用した結果、人工衛星で求めた拡大速度の見積りとよい一致をすること、また、この噴火において70から80%の噴出物が数10ミクロン以下の細粒火山灰である可能性があることがわかった。細粒火山灰の成因については、現在、電子顕微鏡などを用いた観察によって、記載が進められている。(3)人工衛星の画像から噴煙のダイナミックスを定量的に推定するためには、噴煙の密度が大気の密度と釣り合ったのち重力流として水平に広がる際の流体的挙動を理解することが重要であることがわかった。

密度成層した流体中での重力流について数値実験と流体実験を行った結果、噴煙が大気の密度と釣り合った後、相当量の大気を噴煙中に混入する可能性があることが示唆された。現在この点については定量的な検討がなされている。本年度は以下の5点について成果をあげた.(1)昨年度に引き続き,浅間火山天明3年の噴火の推移を再現し,破砕作用の違いによる噴火様式の違いについて検討した.その結果,この噴火ではマグマの破砕の程度が低い状態でプリニー式噴火が継続したために,プリニー式噴火にともなって火砕丘が形成し,それが噴火の推移に大きく影響を与えたという知見を得た(発表文献参照).現在は,この噴火におけるマグマの破砕の程度の変動が火砕流の発生にどのように関連したか,という問題に焦点を絞った野外調査を進めている.(2)マグマの上昇メカニズムと噴火様式の変化について数値的な研究を行い,マグマが破砕する直前にガスと液体マグマが大きな相対速度を持ち,その結果噴火様式に多大な影響を与えることを明らかにした(発表文献参照).(3)昨年度,堆積物の粒径を用いてプリニー式噴煙の傘型域の拡大速度や極細粒火山灰を含む堆積物総量の推定する基本原理を確立したのを受けて,これを実用的なインバージョン法として確立するために,データの誤差の評価をふくめた洗練した手法を開発した.この研究はほぼ終了し,現在1991年ピナツボ噴火の堆積物に適用して,手法の最終チェックをおこなっているところである.(4)上記の手法をピナツボ噴火に適用した結果,この噴火において70から80%の噴出物が数10ミクロン以下の細粒火山灰である可能性があることがわかった.細粒火山灰の成因については,電子顕微鏡などを用いた観察によって,記載が進められている.(5)昨年度に引き続き,噴煙の密度が大気の密度と釣り合ったのち重力流として水平に広がる際の流体的挙動を理解するための数値実験と流体実験を行っている.本年度は特に,CIP法を用いて,重力流の挙動についてナビエ・ストークス方程式を直接解く数値コードの開発に重点をおき,結果を得つつある.本研究では、爆発的な噴火の数値モデルを開発するとともに、主にフィリピンピナツボ火山1991年噴火の観測結果に基づいて、堆積物の粒径分布、構成粒子の形状から爆発噴火のダイナミックスや爆発的噴火におけるマグマの破砕過程を明らかにする手法を開発した。理論モデルに関する研究成果は以下の2点である。第一に、発泡しつつあるマグマの火道中の定常上昇運動についてのモデルを構築した。その結果、火道中のマグマの破砕面前後で液相と気相の相対速度が生じた場合、従来報告されているマグマの上昇様式と定性的に大きく異なる様式でマグマが上昇する可能性があることが示された。、また、爆発的な噴火によって生ずる火山噴煙のダイナミックスを数値的にシミュレートする計算コードを開発した。観測に基づく研究としては、ピナツボ噴火の降下軽石層の粒径分布から噴火のダイナミックスの再現と総噴出量の推定を行なった。また、火砕物ガラスおよび結晶の破砕直後の初生粒径分布を求めた。重要な結論として、爆発的な噴火では、火砕物全体の7割以上、またマグマ中の結晶のおよそ6割が極細粒に破砕され、大気中に拡散してしまうという知見を得た。細粒火山灰中のガラスと斜長石結晶の破砕直後の初生粒径分布が系統的に異なること、また、火砕物の詳細な形状観察や、極細粒火山灰の粒径分布が軽石の気泡の大きさや気泡壁の厚さのスケールに影響を受けていることから、極細粒火山灰を形成する破砕過程が主に気泡の破裂に因る可能性が高いことが明かとなった。同様な手法は、浅間火山
オーキシン生合成の可視化にむけた基盤的研究

植物ホルモンであるインドール-3-酢酸(IAA)の生合成経路において機能するアミノ基転移酵素TAAとフラビン含有モノオキシゲナーゼYUCCAについて生化学的に解析し、植物細胞内における選択的なIAAの合成にTAAとYUCCAの協調的な働きが寄与する可能性を明らかにした。TAAとYUCCAのタンパク質間相互作用は確認することが出来なかったものの、蛍光タンパク質との融合タンパク質を用いた観察において、類似の発現パターンを示すTAAとYUCCAが存在したことから、植物は組織(もしくは細胞)レベルで同時にTAAとYUCCAを発現させる事でIAA生合成を調節している可能性が考えられた。本年度は,天然オーキシン(インドール酢酸, IAA)生合成の制御機構を主に生化学的な手法によって解析し,以下の結果を得た。1.生化学的な解析(1)モデル植物シロイヌナズナに11個存在するYUCCAのうち、進化系統樹的に異なるグループに属する5つのYUCCAタンパク質の酵素特性を調査し, YUCCAファミリーは総じてTrp由来の2-オキソ酸であるインドールピルビン酸だけではなく,同じ芳香族アミノ酸であるPheやTyr由来の2-オキソ酸に対しても親和性を示す(=基質特異性の緩い)酵素である事を明らかにした.(2) TAA (TAA1)とYUCCA (YUC1)のリコンビナントタンパク質を用いて, IAA生合成を試験管内で再構築した.本系のTrpに対する親和性は非常に高く,種々のアミノ酸が混在する条件下でもTrpを基質にIAAが選択的に合成された.さらにin vitroで得られた結果は,植物体を用いたホルモン分析によって妥当性を確認した.現在, YUCCAとの共存がTAAのTrpに対する親和性に及ぼす影響について詳細な解析を進めている.2.分子遺伝学的な解析(1) TAA及びYUCCAを恒常的もしくは自身のプロモーター制御下でレポータータンパク質やタンパク質タグとの融合型タンパク質として発現する形質転換植物体を作出した。昨年度得られた重要な知見は, YUCCAファミリーは総じて基質特異性が緩い酵素タンパク質であるにも関わらず, TAAとYUCCAによるオーキシン(IAA)の生合成系はTrpに対しての親和性が非常に高く,種々のアミノ酸が混在する条件下でもTrpを基質にIAAを選択的に合成するというものであった.すなわち同一細胞内でのTAAとYUCCAの協調した働きがIAA生合成において重要であることが考察された.本年度は,上記の結果を踏まえて以下の2点を追究した.(1) TAAとYUCCAにタンパク質間相互作用が存在する可能性(2)植物体内でTAAとYUCCAが時空間的に同時に存在する可能性(1)については,酵母two-hybrid法とリコンビナントタンパク質を用いた免疫沈降法により検討を行ったが,現時点でTAAとYUCCAの間に相互作用は認められていない.このことから, TAAとYUCCAの細胞内での共局在の有無が次の検討課題だと考えられる.一方, (2)については蛍光タンパク質とTAA及びYUCCAの融合型タンパク質を自身のプロモーター制御下で発現させた形質転換植物体を観察した結果, TAA1とYUCCA3がシロイヌナズナの根端の静止中心付近で時空間的に同時に存在することが明らかとなった.他のYUCCAについても今後検討する必要があるものの, IAA生合成が活発な部位でのTAAとYUCCAの協調した働きを可視化した.これまで本研究課題で得られた知見は, YUCCAファミリーは総じて基質特異性が緩い酵素タンパク質であるにも関わらず, TAAとYUCCAによるオーキシンの生合成系はTrpに対しての親和性が非常に高く,種々のアミノ酸が混在する条件下でもTrpを基質にIAAを選択的に合成するというものであった。すなわち同一細胞内でのTAAとYUCCAの協調した働きがIAA生合成において重要であることが示唆されたものの,実際に細胞内で「TAAとYUCCAが(共局在などを介して)近接してIAA生合成を行っている」という点が明確にされていなかった。H27年度は,補助事業を1年間延長し, H26年に続いてリコンビナントタンパク質を用いた免疫沈降法や酵母two-hybrid法によってTAAとYUCCAの相互作用の可能性を検討したが,両者の相互作用は観察されなかった。一方,本研究課題の前半部分で得られたYUCCAの基質特異性に関する結果を含む成果を学会誌Plant Cell Physiol.に発表した。TAAとYUCCAのタンパク質間相互作用を検討したが,確証を得られなかった.また, TAA及びYUCCAの細胞内/組織レベルでの局在解析に用いる形質転換植物体ラインの確立時に,蛍光タンパク質とYUCCAの融合型タンパク質を発現させた場合にオーキシン過剰の表現型が現れてしまったため, YUCCA3の形質転換植物体ラインしか確立出来なかった.

農芸化学これまでの結果は,同一細胞内でのTAAとYUCCAの協調した働きがIAA生合成において重要であることを示唆しているものの,実際に細胞内で「TAAとYUCCAが(共局在などを介して)近接してIAA生合成を行っている」という点を明確にしていない.TAAとYUCCAのタンパク質間相互作用が観察されなかったことから, H27年度は根の先端部分で時空間的に同時に存在することが明らかになったTAA1とYUCCA3をモデルケースとして研究を進め.これらの細胞内における共局在の可能性を追求したい.リコンビナント酵素タンパク質を用いた生化学実験では,オーキシン生合成経路の試験管内再構成系において興味深い知見が得られるなど順調に進行した.一方, TAA及びYUCCAの細胞内/組織レベルでの局在解析については形質転換植物体ラインの確立が遅れたため, H26年度に実施予定である.YUCCAの形質転換植物体ラインの整備が遅れ,さらにTAAとYUCCAのタンパク質間相互作用を先に検討したため,細胞内局在解析が遅れているため.H25年度の結果は, TAAとYUCCAによる協調的なIAA生合成機構の存在を示唆し, IAA生合成は「TAAとYUCCAの細胞内及び組織での共局在を介して行われる」というアイデアを支持するものであった.今後は,植物体内で時空間的に同時に存在するTAAとYUCCAがIAA生合成を活性化し,生理的に重要な役割を担っているという証拠を得る必要がある.H26年度は, H25年度に作出した形質転換植物体を用いてTAA及びYUCCAの細胞内/組織レベルでの局在解析を実施する.同時に自身のプロモーター制御下で蛍光タンパク質との融合型タンパク質としてTAAやYUCCAを発現する植物体の掛け合わせを行い, TAAとYUCCAを同時に可視化する植物体の作出を目指す.この実験では,観察が容易かつIAAの輸送・情報伝達部位に関する知見が蓄積している根を用いる予定である.問題点として, TAAあるいはYUCCAファミリー内のタンパク質の細胞内局在が異なる場合が想定される.この場合,細胞内局在が同じ/異なるTAA-YUCCAの組み合わせで各々の過剰発現植物体を掛け合わせ,それらの表現型や内生IAA量を測定することなどで, TAA/YUCCAの細胞内局在の相違がIAA生合成に及ぼす影響を議論できると考えている.研究の進行と論文誌上発表が遅れているため,未使用額はH27年度の研究費用と論文投稿費用に充てる.H25年度の未使用額は, TAA及びYUCCAの局在解析に必要であると考えていた免疫抗体の作製予算として計上していた.しかし,中川強博士(島根大学)によって開発されたGatewayバイナリーベクターの使用により,蛍光タンパク質やタンパク質タグを付加したTAA及びYUCCAタンパク質の発現植物体が簡便かつ効率的に作出できたため,免疫抗体の作製を見送っている.さらに旅費として中国(上海)で行われた第21回国際植物生長物質会議への参加を計画していたが,研究の進行状況から参加を取りやめた.
強相関電子系における強磁性と超伝導の共存問題の理論的研究

強磁性と超伝導は、従来水と油の関係といわれてきたが、場合によっては、両者が共存する可能性が実験的、理論的に提案されている。我々は、本年度の研究において、Hubbard模型のような微視的模型において、実際にこのような共存が起こり得るのかについて理論的に検討した。強磁性と共存する超伝導は、スピンに関して、tripletであることが期待されるが、このtriplet超伝導は、singlet超伝導と比べて一般に非常におこりにくいことが知られている。我々は、まず、三角格子上のHubbard模型では、このtriplet超伝導が、フェルミ面の非連結性によって、特に低密度領域でfavorされることを示し、さらに、磁場をかけると、この超伝導転移温度がさらに増大する可能性を指摘した。計算には、近年、強相関多体効果を系統的に取り入れる方法として注目を集めている動的クラスター近似に、量子モンテカルロ法を組み合わせることによって行った。この結果は、Kirkpatrickらの現象論と比較すると非常に興味深いものと思われる。このほか、有機超伝導体BEDT-TTF系での超伝導のpairingの対称性についての考察や、3次元多バンド系におけるinter-band nestingによる超伝導の考察などを行った。また、フェルミ面の非連結性に由来する、高い転移温度の超伝導については、dimer-array格子とよばれる格子系で、通常の正方格子に比べて10倍程度高い転移温度の超伝導が実現する可能性を指摘した。これらの超伝導と、強磁性や磁場下でのスピン偏極との共存の問題については非常に興味深く、今後の課題といえる。
北極域の地球環境変動解明と予測についての共同研究

1)北方森林火災が永久凍土とその水文特性に与える影響についてフェアバンクス郊外にある長期生態観測地域(Caribou Poker Creek Researc Watershed)において、アラスカ側共同研究者(Terry Chapin)を代表とするNSF研究プログラムに参画し、人工森林燃焼実験によって、永久凍土の融解促進とその影響による水文環境変動を観測した。その結果、森林火災による表層有機層の損失の度合いに応じて、その後の凍土の融解が影響を受けることが分かった。現地で測定した、有機層の熱伝導率と有機層の厚さの逆数との積を指標とする値で、火災後の融解の進行が決定されることが確認できた。また、火災実験中に、凍土層内の温度上昇を直接測定し、部分的に高い昇温が測定できた。これは熱伝導によるのではなく、融解水の地下浸透に起因している。これらの測定結果から、森林火災による永久凍土の融解とそれに付随する地下水浸透の変動を予測するモデルを確立するデータが得られた。2)北方森林火災が森林機能に与える影響の調査・研究人工火災施用林分の再生過程を、主に「炭」の有無と菌根菌の発達程度に着目して植物生理生態学的な研究を目標として、現地調査を実施した。このための予備試験として、北海道内とアラスカとの比較を行った。アラスカで優先するマリアナトウヒに類似した生活型を示す、アカエゾマツの成長を超塩基土壌と酸性土壌でも調査し、グラウカトウヒに類似したエゾマツと比較した。その結果、アカエゾマツの環境適応能力の高さが明らかになった。また、貧栄養の火山灰や酸性土壌では、菌根菌との共生関係が必要であることが明らかになった。また、光合成産物の18-25%が菌類によって消費されることから、生育環境と関連した解析(日向か日陰か、貧栄養か富栄養かなど)を進める必要がある。フェアバンクス郊外のポーカーフラットとアラスカ北端のバロー岬において、15日間毎の大気エアロゾルの連続サンプリングとその成分分析を行った。これまでの結果では、バローにおいて冬-春季において黒色純炭素、有機物、硫酸成分および鉛、砒素、バナジウム等の人為起源成分の濃度が増加しており、アークテイックヘイズの発生を裏付けている。一方ポーカーフラットでは人為起源の成分濃度変化が見られず、むしろ夏季に森林火災により炭素成分濃度の極度の増大が認められた。永久凍土地域を覆う森林(タイガ)は、CO2の吸収源として重要視されている。そこでタイガの攪乱とくに森林火災の影響を予測するために、今年度はアラスカ・フェアバンクス周辺での観測調査を実施した。永久凍土中の10mまでのボーリングを行い、孔内に温度センサーを設置して火災による攪乱前の永久凍土中の温度場のモニタリングを行った。その結果、調査予定地域では、活動層の厚さは2.3mであり、永久凍土下限は約10mであることが分かった。この地下情報を確認するために、TDEMによる地下探査を行った。

各辺60mのループによる電磁波探査を行い、その反転解析の結果から、永久凍土下限は約9mと推定され、地中温度分布結果と一致した。各地点において、土中から発生するCO2とメタンガスのフラックス測定を行った。発生量は土壌柱の有機残量とCN比に強く依存することが分かった。また地下水位の変動と地中表層部の温度積算値が、各ガスの発生量に影響することも判明した。1996年に大規模森林火災の跡地で、林内のアルベードおよび各スペクトル毎の反射係数を測定し、森林火災前後での地表面熱収支の予測式とそのパラメターとの関係を明らかにした。熱赤外画像解析機器を用いた森林火災の温度場解析を試みた。今回の対象はプッシュ火災で小規模であったにもかかわらず、明確に画像上で火災規模を捉えることが可能であると判定された。また火災前後の大気エアロゾルの解析も試みた。観測は火災予定地での大気をフィルターでトラップする方法で行い、火災のないコントトル状態での測定を行った。永久凍土中に存在する地下氷のサンプリング及び解析を行った。その結果、酸素同位体比にはっきりとした変動傾向があり、また地下に貯留されていた大気の化学組成分析からも、明らかに高濃度のメタンガスの存在が確認された。1)北方森林火災が永久凍土に与える影響についての調査・研究1999年7月8日-12日に、アラスカ州フェアバンクス市郊外において、アメリカ森林局とアラスカ大学が共同実施した、北方森林火災実験(FROSTFIRE)に協力して観測に参加した。特に森林火災による永久凍土内の水文環境への影響を観測するため、実験地内に合計35カ所での地中温度の変動観測を実施した。特に活動層内での異常地中温度の上昇を今回初めて観測で得ることが出来た。また森林タイプの異なる地点での、活動層に含まれる有機含量と熱伝導率機質が失われ、土壌の構成がより鉱物質化し、その結果熱伝導率が約3倍高くなることを示す。また表層土の燃焼により、アルベードが約30%まで減少するために、活動層の最大深さが大きく変動することが確認出来た。2)北方森林火災が森林の反射能に与える影響の調査・研究FROSTFIREの実験前後で、森林の反射能あるいはスペクトルがどのように変化するかについて、火災前後での変動を現地観測で明らかにした。また火災直後の空中写真解析から、火災の度合いを分布図として描くことが出来た。また火災時における衛星画像データから、火災で放出されたエアロゾルの流線解析を行った。3)火災実験地域に設置したエアロゾルサンプラーによって、放出されたエアロゾルの粒径分布やその濃度変動を明らかにすることが出来た。4)火災発生時の総観気象要素を用いて、各経過時間毎の火災プルームの拡散過程を再現することが出来た。1)北方森林火災が永久凍土とその水文特性に与える影響について1999年7月にアラスカ州フェアバンクス市郊外において実施した、北方森林火災実験(FROS TFIRE)の影響調査を実施した。火災の度合いの異なる地域において、表層土壌の熱伝導率及び含水率の現場測定を行った。表層の有機質土壌とその下のミネラル土壌との熱伝導率の差は最大で20倍に達した。
近世肥料商の基礎的研究

本研究は、近世の肥料小売商の経営および小売市場について基礎的検討を行ったものである。近世では購入肥料は主として干鰯・鯡などの魚肥と粕類が中心であった。その流通については、近年、原直史『日本近世の地域と流通』(山川出版社、1996年)、中西聡『近世・近代日本の市場構造』(東京大学出版会、1998年)など優れた研究が出た。しかし農民への小売りについては、史料の欠如もあってこれまで十分な検討がなかった。小売りでは荒井英次「近世農村における魚肥使用の拡大」(『日本歴史』264号、1970年)が、網羅的に検討しているが、ここでは半年で20%を越える肥料商人の高利の前貸し、出来秋の現物支払いと農作物の安値引き取りという前期的資本の性格が強調されている。しかし荒井の提出した史料は主として18世紀のもので、19世紀については不十分であり、その内容も経営分析から導かれたものは少なく、再検討の必要がある。本研究では近世肥料商の経営実態を示す史料を調査し、その分析から肥料の小売りと市場を実証的に明らかにしようとした。調査では、茨城県土浦市、栃木県大平町、埼玉県さいたま市、兵庫県尼崎市、同西宮市などの調査を行い、それぞれ貴重な史料を撮影することができた。研究費交付直後に、兵庫県尼崎市の肥料商梶屋文書の存在がわかったため、畿内先進地域の分析に力点を置く予定変更を行った。同地では肥料の重要性に比べて、史料がまったく欠如していた状況であったので、貴重な成果を得ることができた。成果としては、19世紀では関東でも前貸ししても月1%程度の利子で、現金決済が普通だったこと。畿内では利子は18世紀初めから月1%で、19世紀には月に0.83%と低下する傾向があり、現金決済が一般だったことが明らかになった。さらに畿内では肥料小売商、兵庫・大坂の仲買の決済は両建てで、両替商を仲介する手形決済が行われていたこと、維新期の銀価格の低落で深刻な打撃を受けたことが明らかになった。研究計画に沿って、茨城県龍ヶ崎市の肥料商筆屋・小野瀬家文書の帳簿をデータベース化した。その後、兵庫県尼崎市に肥料商梶家文書が購入された情報が得られた。尼崎は畿内でもっとも早く、干鰯市場が開設された場所であり、梶家はその有力商人であった。また尼崎周辺は、畿内綿作地域として、日本のブルジョア的農業の展開を代表する最先進地域であった。従来、商品的農業の発展と肥料の問題は、その重要さを指摘されながら、肥料商の史料がなかったため、実態研究が全く欠落していた。同家史料は、幕末期の帳簿類しか残っていなかったが、それでもこの研究史的空白を埋める第一級の史料であることは疑問の余地がない。そこで、研究計画を大幅に変更して、同史料の撮影、分析を最優先することにした。また同史料を生かすため、尼崎市立地域史料館で販売対象地の村々の調査を行っている。一方、栃木県文書館で予定していた都賀郡西水代村田村家文書を撮影した。

同家文書は化政期と幕末期に帳簿類がある他、仕切状や肥料の輸送・販売の小手形類、関宿干鰯問屋の書状など豊富に関連文書があり、商売の実態がわかるところに特徴がある。後進地域の肥料商人のあり方の代表として分析する準備をしている。さらに従来から調査していた茨城県土浦市の尾形家文書を分析して論文を発表した。同家は土浦で干鰯仲買商売を行っており、その経営は化政期を頂点に、幕末に至ると衰退したが、その原因は小売り商人の産地河岸などとの直売買により有利性が失われたことによっていると考えられる。近世の肥料商人の研究のなかで、直接生産者に肥料販売にあたった小売り商人の研究はほとんどないといってよく、立遅れている分野である。畿内先進地域では、近世後期に多額の肥料を投入して米・木綿・菜種など商品作物を生産したブルジョワ的富農経営が展開し、これが天保期前後から肥料価格・労賃の高騰、農産物価格の低迷で行き詰まり、地主・小作関係へと展開したとされる。しかし畿内地域でも肥料の地域消費市場と小売り商人の実態は明確ではなかった。本研究では、ブルジョワ的経営の代表例とされる武庫郡上瓦林村岡本家の肥料購入状況と肥料商人との関係を検討して、同家が文政期の肥料高騰に比較的低価格の貝身などを使用して、有利な経営を展開したこと、岡本家に即しては反当たり収益が良好な段階で地主・小作関係に移行しており、その悪化が原因とは考えにくいことを指摘した。また肥料商人との関係の変遷、取引実態を明らかにした。とくに18世紀末に菜種作付けを拡大・強化した背景には、肥料代の圧力があったことが明らになった。また尼崎の有力肥料商であった梶屋久左衛門家め天保期以後の経営帳簿を分析した。帳簿が大部なので、仕入れ分の分析にとどまったが、幕末維新期の肥料高騰の状况が明らかになった。幕末期には肥料価格の高騰が起き、梶屋の仕入れは停滞した。肥料は大坂・兵庫の仲買商に支払うのは両建てであったので、万延金銀め鋳造で金銀比価が銀安に傾くと一層不利に作用したのであった。梶屋の研究成果については、本研究報告書で発表する予定である。
運動誘発電位に含まれる高周波振動の脊髄虚血モニタリングへの応用に関する研究

ラットに12分間の脊髄虚血を負荷して対麻痺モデルを作成した.血流再開後の運動誘発電位および運動誘発硬膜外電位を記録して,周波数解析により400Hz以上の高周波成分を分離した.運動誘発硬膜外電位に含まれる高周波成分は,抑制系介在ニュ-ロン機能を反映している可能性が示唆された.ラットに12分間の脊髄虚血を負荷して対麻痺モデルを作成した.血流再開後の運動誘発電位および運動誘発硬膜外電位を記録して,周波数解析により400Hz以上の高周波成分を分離した.運動誘発硬膜外電位に含まれる高周波成分は,抑制系介在ニュ-ロン機能を反映している可能性が示唆された.平成18年度は,主として脊髄虚血モデル作りおよび運動誘発電位の測定系を確立することを目的として研究を進めた.脊髄虚血モデルとしては,Wistar系雄性ラット(350g)の左大腿動脈より2Frのバルーンカテーテルを挿入し,逆行性に進め左鎖骨下動脈分岐直下でバルーンを膨らませることにより大動脈を閉塞させる.同時に,あらかじめ右総頚動脈に挿入したカテーテルから自然脱血をおこない,収縮期血圧は40mmHg程度に低下させることにより,側副血行路からの血流も遮断する.目標とする運動麻痺の状態として,i)完全麻痺(下肢が弛緩している),とii)痙性麻痺(下肢は伸展硬直していて随意運動ができない)を想定し,虚血時間の調節によりそのような状態が作成できるか否かを検討した.その結果,以下のような結果を得た.1)10分間以下の虚血では,麻痺はおこらない.2)12分間の虚血では,多くが痙性麻痺となる.3)14分間の虚血では,完全麻痺となる.また,運動誘発電位は麻酔薬の影響を強く受けるため,影響の少ない麻酔方法を検討した結果,ケタミンとキシラジンの持続静注法が適していることが明らかとなった.さらに,刺激方法で単発刺激ではなく5連刺激を用いることにより,運動誘発電位を確実に記録することが可能となった.次年度は計画に従い,脊髄虚血モデルでの運動誘発電位の変化を調べる.平成18年度において,ラットの脊髄虚血モデルが確立され,虚血時間により痙性麻痺と弛緩性麻痺を作成することが可能となった。このモデルを用いて19年度は,運動誘発電位に含まれる高周波成分の分離技術の確立を目指した。最初に,脊髄虚血を行わないラットを用いて,運動野を電気刺激した際に下肢筋群で高周波振動成分が観察されるかどうかの実験をおこなった。この研究においては,下肢筋電図からは高周波成分は検出されなかった。次に脊髄硬膜外腔に電極を挿入して,運動誘発脊髄電位を測定したところ,ここでは,体性感覚誘発電位において体性感覚野から観察されるような,振幅は小さいものの高周波成分が観察された。体性感覚野ではこの高周波成分が抑制系神経活動を反映している事が示されているが,現時点ではこの脊髄電位の高周波振動成分も同様に抑制系活動を反映しているかどうかは明らかではない。また,運動誘発電位にはtrain刺激を用いているため定量的な分析に影響を与えていると考えられることから,今後は単発刺激時の電位を測定して検討する必要がある。脊髄誘発電位を手術中に測定することは,臨床的には困難である。一方で,筋電図では明らかな高周波振動成分を確認することができなかった。今後は,坐骨神経などの末梢神経に誘発される電位を解析対象として研究を進める。平成20年度は,虚血により,運動誘発脊髄電位およびその高周波振動成分がどのような影響を受けるかを明らかにしていく。運動誘発電位は,脊髄機能モニターとして広く用いられているが,近年運動誘発電位が正常であっても痙性麻痺が発生した症例が報告されている.このような症例では,脊髄レベルでの抑制性介在ニューロンの障害が原因であると考えられる.大脳皮質における抑制性介在ニューロンの評価には,誘発電位からフーリエ解析により分離される高周波成分が利用される.脊髄においても運動誘発電位に含まれる高周波成分が,抑制性介在ニューロン機能を反映し,痙性麻痺の診断に有用であるか否かを検討した.ラットを対象として,大動脈をバルーンカテーテルにより閉塞して脊髄虚血とするモデルを作成した.このラットの左運動野に刺激電極を設置し,それぞれ右下腿筋肉,右坐骨神経,硬膜外電極に記録電極を設置した.刺激は,1msの矩形波による5連刺激,2Hz.100回加算として,強度は,閾値の3倍とした.記録波形をフーリエ変換して200Hz以下を低周波成分(運動神経細胞機能を反映),4001000Hzを高周波成分(抑制性介在ニューロンを反映)に分離した.基準波形を記録後,11分間の脊髄虚血を負荷し,解除後1時間記録を継続し,続いて24時間麻痺の状態を観察した.実験の結果,下腿筋電図,坐骨神経電位では,低周波と高周波の分離が困難であり,有意な結果が得られなかった.硬膜外電極からは低周波成分に重畳する紡錘形の600Hz帯域の高周波成分が観察された.10匹のラットは,2匹が正常,6匹が痙性麻痺,2匹が弛緩性麻痺を呈した.低周波成分の振幅低下が認められず,高周波成分の最大振幅が50%以上低下した場合と痙性麻痺の発生は,感度80%,特異度80%であった.硬膜外電極による運動誘発電位の記録および解析は,痙性麻痺発生の観察に有用である.
スピン格子模型における厳密解と数値解析の生物系への応用

量子スピン鎖のハミルトニアンを構成する演算子が特定の交換関係をみたすとき、その演算子系をfree fermion系に変換し分配関数を厳密に導出する方法を見出した。つまり、条件をみたす演算子系から、対角化できるHamiltonianとそれを対角化する変換が同時に得られる。これにより一般化された1次元XY模型、2次元Ising模型、およびより複雑な可算個の模型がいずれも同じ手続きで解ける。また、2次元Ising模型と1次元XY模型の等価性の一般化、ランダムな1次元スピン1/2 Ising模型の量子帯磁率の積分表示などの結果を得た。スピン1/2の1次元transverse Ising模型は磁性体の模型として基本的であり、自由エネルギー,量子帯磁率(transverse帯磁率)等が厳密に得られている。この模型は細胞選別の数理モデルとも見なせる2次元Ising模型と、伝送行列とハミルトニアンが可換であるという意味で等価であり、また粒子の移動と生成消滅を含む1次元系であるとも見なせる。平成24年度は、ランダムな相互作用を持ちスピンの大きさがSと1/2で交替する1次元transverse Ising模型の零磁場の量子帯磁率を一般の確率分布について計算し,帯磁率の積分表示と高温展開の厳密な表式を求めた。高温展開はスピンが1/2の場合には無限次まで完全に得られている。展開の0次の項は既に知られている一様な場合の解を与え、低次の項は量子帯磁率に対するランダム性の主要な効果を示す。Sを無限大にする古典極限も得られる。ほとんどのパラメータの値に対しては帯磁率は予想された規則的な振る舞いを示すが、弱い相互作用が小さな確率で現れる場合には、帯磁率が非常に不規則な曲線を描くことがわかった。この結果については磁性物質による実験が進行中である。コンタクトプロセスは病気の伝播の数理モデルであり、2種粒子のコンタクトプロセスは2種の病気が互いに競合しながら伝播する状況を扱っている。博士課程の学生とともに、このモデルの相関等式を書き下し、いかなる条件の下で2種の共存が生じるのかを調べた。可解な格子模型の代表例である2次元正方格子Ising模型は、磁場と異方性のある1次元XY模型に等価である。この等価性は周期的境界条件の下で示されていたが、同様の等価性が開放端の場合に成り立つことを示した。一方向に開放端の2次元Ising模型に等価になるのは、開放端で両端点に内部とは異なる磁場があり異方性のある1次元XY模型である。また、相互作用がrandomに変化する場合にも等価性が成り立つことを導いた。この結果は論文としてまとめ投稿中である。開放端の2次元Ising模型は、finite-size scalingやsurface tensionに関連して調べられてきた。等価な開放端のXY模型はJordan-Wigner変換によって解くことができ、この2次元Ising模型の厳密解の別の導出が得られたことになる。また、Ising型模型の零磁場の量子帯磁率については、それを計算するための一般式が得られている(Minami 1998)。これを基礎にして、ランダムな相互作用を持つ1次元スピン1/2 Ising模型の量子帯磁率を積分表示で書き、相互作用の確率分布のモーメントで展開した。1次元Ising模型に対するランダム性の効果は、古典的な量に関してFan and McCoyによる結果があるが、今回の結果によって量子効果を含む量についてランダム性による支配的な効果が厳密に求められた。展開の一般項はBernoulli数を利用して書き下すことができる。この結果はスピンの大きさが一様でない場合に拡張できる。特に偶数サイト上にスピン1/2が、奇数サイト上に一般のスピンSがある1次元鎖については実際にこの系の量子帯磁率を求めた。結果の定性的な側面は上記の場合と同じである。スピン1/2の1次元XY模型は、ある種のランダムウォークの生成演算子であると見なすことができ、それと等価な2次元のIsing模型は、細胞選別の簡単な模型であると考えることができる。これらはいずれもfreefermion系に変換されて厳密解が得られる。今年度はこれらに関連して、ハミルトニアンを構成する演算子の交換関係のみに注目することで自由エネルギーを導出する手続きを見出し、1次元transverse Ising模型、磁場のある1次元XY模型、2次元Ising模型、およびこれらに有限の周期構造を与えたもの、およびその他のやや複雑な構造を持つ量子スピン模型について厳密解を導いた。この方法により、条件をみたす演算子列から可解なハミルトニアンとその自由エネルギーを求めるための変換を、同時に得ることができる。この結果は、現在までに個別に解かれて来た模型の厳密解を統一的な手法によって導くものであり、また生物系の変化の生成演算子のうちの一部がfreefermion系である場合にそれを判定し、その部分について厳密な結果を示すことができる。ただしこれらはいずれも解ける構造としては新しくない。2次元Ising模型と磁場のある1次元XY模型との等価性を数年前に、対称性の低い場合、ランダム性を含む場合について一般化してあり応用例を加えて論文にしようと考えていたが、特に思いつかないので、基本的な構造の部分をletterとして投稿し公表した。量子スピン鎖のハミルトニアンを構成する演算子が特定の交換関係をみたすとき、一般にその演算子系をfree fermion系に変換して分配関数を厳密に導出する方法を見出した。

つまり、条件をみたす演算子系から、対角化できるHamiltonianとそれを対角化する変換が同時に得られる。この方法によって、S=1/2の1次元transverse Ising模型、1次元Kitaev模型、周期2の1次元XY模型、周期mの2次元正方格子Ising模型の厳密解が得られる。さらに相互作用に自由度を含む模型、多体の相互作用を持つ模型、長距離相互作用を持つ模型の分配関数が厳密に得られる。さらにこの方法によって解かれる可算個の可解模型の系列を複数見出した。この手法はJordan-Wigner変換とMajorana fermionへの変換、および南部によるfermion系への変換をその特別な場合として含む。さらに、トポロジカル相や量子情報との関連から議論されている1次元cluster模型について、cluster模型を含むその拡張を導入し、自由エネルギー、自発磁化、String相関を厳密に導出した。生体系などに関連してしばしば議論される確率過程のうちのいくつかは、free fermion系に変換されてその定常状態等が厳密に得られる。特に、隣接する状態によって次の状態が決まる場合、つまりHamiltonianで書いて最近接の2体の相互作用のみを持つ場合については、free fermion系に変換される確率過程は分類されているが、本研究で得られた結果によって、多体の項を含む過程をfree fermion系に変換し、厳密に取り扱うことができるようになった。量子スピン鎖のハミルトニアンを構成する演算子が特定の交換関係をみたすとき、その演算子系をfree fermion系に変換し分配関数を厳密に導出する方法を見出した。これにより一般化された1次元XY模型、2次元Ising模型、およびより複雑な可算個の模型がいずれも同じ手続きで解ける。また、2次元Ising模型と1次元XY模型の等価性の一般化、ランダムな1次元スピン1/2 Ising模型の量子帯磁率の積分表示などの結果を得た。1次元transverseIsing模型は、量子効果を含む最も基本的なスピン模型である。この模型の自由エネルギーは既に得られているが、これを既存の方法とは違う形で解き直し、その導出を見直してみたところ、自由エネルギーが交換関係のみによって導かれていることに気づく。したがって、ハミルトニアンがスピン演算子によって具体的にどのように書かれているかによらず、そこに現れる項の交換関係が適当な条件をみたせば、同じ方法によって自由エネルギーを求めることができることがわかる。その結果、1次元transverse Ising模型、磁場のある1次元XY模型、2次元Ising模型という古くから知られる一連の模型とその一般化を、同一の手続きによって対角化することができた。統計物理学・数理物理こういった基本的な模型は多くの場合freefermion系に帰着するが、そこから外れた構造に関して厳密な結果を得ることは非常に難しい。