hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ナノトンネル接合における超巨大磁気抵抗効果のメカニズム解明

独自のナノプローバー装置を用いて,いくつかの薄膜・ナノ粒子とナノトンネル接合を作り,磁場をかけながら電気抵抗の変化を測定したところ,数万パーセントにも及ぶ非常に大きな抵抗変化(超巨大磁気抵抗効果)を観測した.本研究では,この現象のメカニズム解明を目的として,電場によるナノ構造形成の可能性,新奇スピン依存伝導現象である可能性,装置自体の変形である可能性について検討した.結論には至らなかったものの,プローブ走査による原子移動を示唆する結果が得られた.独自のナノプローバー装置を用いて,いくつかの薄膜・ナノ粒子とナノトンネル接合を作り,磁場をかけながら電気抵抗の変化を測定したところ,数万パーセントにも及ぶ非常に大きな抵抗変化(超巨大磁気抵抗効果)を観測した.このような現象はハードディスク等の性能向上に役立つことが期待されるため,本研究ではこの現象のメカニズム解明を目的として,以下の検討を行った.(1)電場によるナノ構造形成の可能性:電流ー電圧特性から試料とプローブ間に形成されるトンネル接合の物理的・化学的性質を調べ,磁気抵抗特性と比較した.磁気抵抗比が大きい点では,トンネル障壁幅は小さく,仕事関数は大きい傾向が見られた.また,プローブー薄膜間の距離を変化させると,段階的に電流が変化する現象が見られ,何らかの物理的・化学的な変化が生じている可能性が示唆された.(2)新奇スピン依存伝導現象である可能性:スピン-軌道相互作用の大きさ,スピン偏極率,スピン拡散長といったパラメータを変更して,磁気抵抗効果への影響を調べるため,各種材料からなる薄膜・ナノ粒子の形成技術を開発した.具体的には,立方体形状の鉄ナノ粒子,結晶構造を制御した鉄ー白金合金薄膜,半導体上に形成したマグネタイト・エピタキシャル薄膜等である.(3)装置自体の変形である可能性:磁場印加によるナノプローバー装置自体の変形があるかどうかについて検討するために,従来ステンレス製であった装置本体をアルミニウムや真鍮,チタン等の非磁性金属製に変更した.観測された超巨大磁気抵抗効果のメカニズムについて,研究期間内には結論は得られなかったものの,性能向上したナノプローバー装置と各種試料を用いて引き続き検討を続ける予定である.独自のナノプローバー装置を用いて,いくつかの薄膜・ナノ粒子とナノトンネル接合を作り,磁場をかけながら電気抵抗の変化を測定したところ,数万パーセントにも及ぶ非常に大きな抵抗変化(超巨大磁気抵抗効果)を観測した.本研究では,この現象のメカニズム解明を目的として,電場によるナノ構造形成の可能性,新奇スピン依存伝導現象である可能性,装置自体の変形である可能性について検討した.結論には至らなかったものの,プローブ走査による原子移動を示唆する結果が得られた.先端が鋭く尖った金属線(プローブ)を金属薄膜に1 nm程の距離まで近付けると,接合面積が1 nm2程のナノトンネル接合を形成することができる.このナノトンネル接合に磁場を加えて,電気抵抗の変化を測定したところ,数万パーセントにおよぶ超巨大な抵抗変化(磁気抵抗効果)を観測した.このような超巨大磁気抵抗効果は基礎物理としてももちろんのこと,磁気記録等への応用においても非常に重要であり,本研究ではそのメカニズムを明らかにすることを目的とする.平成24年度においては,電場によるナノ構造の形成について検討した.超巨大磁気抵抗効果を観測した条件においては電界・電流密度が非常に大きく,プローブと薄膜の間で原子の移動が起こり,トンネル接合の形状が特異なナノ構造となっている可能性がある.この可能性を調べるために,試料上のある位置にプローブを近付ける,遠ざけるといった測定を繰り返したところ,この動作を繰り返すにつれて電流の変化が鋭くなり,表面状態が変化していることが示唆された.また,プローブと薄膜の距離やトンネル接合の面積を変化させて磁気抵抗効果への影響を調べたところ,距離が遠いほど,また接合面積が大きいほど磁気抵抗が大きい傾向を見出した.しかしながら,形状測定および磁気抵抗の測定に時間がかかり,その間にナノメートルオーダーで試料が動いてしまうため,同じ位置で様々な測定を行うことが難しいという問題が生じた.この問題を解決するために,形状測定の高速化には再構成可能な計測器(FPGA)を,磁気抵抗測定の高速化には応答の早い直流電源を導入した.既に磁気抵抗測定の高速化は完了しており,形状測定の高速化も近く達成できる見通しである.この改良により,ナノメートルオーダーの測定位置の再現性を実現でき,超巨大磁気抵抗効果のメカニズム解明に一歩近づく見通しである.平成24年度においては,電場によるナノ構造の形成の有無について検討することを予定していた.実験により,いくつかの新しい知見を得たものの,結論には至らなかった.これは,さらに研究を進めるために解決しなければならない問題が見つかり,そのために時間を費やしたためである.しかしながら,この問題はほぼ解決しており,従来以上にユニークな機能を有する独自の実験装置となった.これにより今後研究が大きく進展することが期待される.次年度は昨年度から引き続き,電場によるナノ構造の形成について検討した後,当初予定していた残り二つのメカニズム候補である,磁場による原子の移動と新奇スピン依存伝導現象の可能性について検討する.前者においては,多数の測定点における電流ー電圧特性を測定・解析する必要があるが,昨年度導入した再構成可能な計測器(FPGA)により電流ー電圧特性も高速になり,確実に研究を進めることができると予想される.

後者においても実験手法は既に確立した技術が多いため,順調に進められると考えている.現在用いているソレノイド電磁石は,0.07テスラの磁場を発生させるのに10 Aの電流を必要とし,大きな発熱を生じるため,数秒以上の連続使用は不可能である.一定の磁場で電流-電圧測定を行うために,ヨーク付きの電磁石を用意する.また,様々な物質の薄膜を作製するために,それぞれの物質のスパッタ・ターゲットを用意する.
一酸化窒素の心筋酸素摂取および心収縮性に対する効果に関する研究

我々は内因性一酸化窒素(NO)が心収縮性および心筋酸素消費量に対して抑制的に作用していることを収縮終期圧容積関係(ESPVR)の解析により明らかにした。一方、外因性NOの陽性変力作用が報告され、過剰なNOの心収縮性に対する作用は未だ確立されていない。本研究ではNOドナー(FK409)とcGMP analogue(8-Br-cGMP)の心収縮性に対する作用を、自律神経遮断後のα-クロラロース麻酔成犬を対象とし、以下の検討を行った。(1)左室容量,(2)冠血流量(CBF),(3)ESPVR(Emax),(4)ECG,(5)左室圧。controlを測定後、FK409をLADの内に投与し、LADのCBFが増加し、ピークに達した時点でEmaxを測定した。モノメチルLアルギニン(L-NMMA)をLADに投与し、同量のFK409の効果を観察した。別の群では8-Br-cGMPをLAD内に投与し、同様の計測を行った。さらに別の群ではcontrolを測定後、塩酸パパベリン(PAP)をLAD内に投与した。FK409と8-Br-cGMPは用量依存性にCBFを増加させ、Emaxを減少させた。1.0μg/kgのFK409によりCBFは平均139%増加し、Emaxは平均17%減少した。150μMの8-Br-cGMPによりCBFは平均94%増加し、Emaxは平均37%減少した。L-NMMA投与後もFK409は用量依存性にCBFを増加させEmaxを減少させたが、Emaxに対する効果は増強された。PAPはCBFを有増加させたが、Emaxには影響がなかった。外因性NOはCBFを増加させるとともに心収縮性を抑制した。8-Br-cGMPも同様の効果を示したことより、NOの作用はcGMPを介すると考えられた。さらに内因性NO抑制下において、外因性NOに対する過剰反応が示唆された。これまでに我々は内因性一酸化窒素(NO)が心収縮性および心筋酸素消費量に対してに強制的に作用していることを収縮終期圧容積関係(ESPVR)の解析により明らかにした.(Suto etal:AmJ Physiol1998,Okubo etal:Fundam Clin Pharmacol 1999)。一方、外因性NOの陽性変力作用が最近報告され、過剰なNOの心収縮性に対する作用は未だ確立されでいない。本研究ではNOdonorのFK409の心収縮性に対する作用をESPVRの解析により検討した。α-クロラロース麻酔成犬の左前下行枝(LAD)と左回旋枝を剥離し、冠血流量(CBF)測定とともにコンダクタンスカテーテルを左室内に挿入し、以下の計側を行った。(1)左室容量,(2)CBF,(3)下大静脈閉塞法によるESPVRの解析(Emax)、(4)ECG、(5)大動脈圧、(6)左室圧、(7〉LAD灌流域重量。(1)(6)のcontrolを測定後、FK409・(0.3,1.0,3.0,10.0μg/kg)をLAD内に冠注した。

LADのCBFが増加し、ピークに達した時点でEmaxを測定した(n=10)。モノメチルLアルギニン(L-NMMA、2mg/kg)を冠注し、同量のFK409の効果を観察した。別の群では塩酸ババベリン(PAP、0.1mg/kg)を冠注し、その効果を観察した(n=6)。以下に結果を示す。FK409は用量依存性にCBFを増加させ、Emaxを減少させた。1.0μg/kgのFK409にょりCBFは平均155%増加し(p<0.05)、Emaxは平均17%減少した(p<0.05)。L-NMMA後、1.0μg/kgのFK409によりCBFは平均97%増加し(P=NS vs L-NMMA前)、Emaxは平均29%減少した(p<0.05 vs L-NMMA前)。PAPはCBFを平均174%増加させたが(p<0.05)、Emaxには影響がなかった。以上より外因性NOは心収縮性を抑制することが示され、内因性NOの作用と同様であった。さらに外因性NOの心収縮性抑制作用は内因性NO阻害により増強することが示された。我々は内因性一酸化窒素(NO)が心収縮性および心筋酸素消費量に対して抑制的に作用していることを収縮終期圧容積関係(ESPVR)の解析により明らかにした。一方、外因性NOの陽性変力作用が報告され、過剰なNOの心収縮性に対する作用は未だ確立されていない。本研究ではNOドナー(FK409)とcGMP analogue(8-Br-cGMP)の心収縮性に対する作用を、自律神経遮断後のα-クロラロース麻酔成犬を対象とし、以下の検討を行った。(1)左室容量,(2)冠血流量(CBF),(3)ESPVR(Emax),(4)ECG,(5)左室圧。controlを測定後、FK409をLAD内に投与し、LADのCBFが増加し、ピークに達した時点でEmaxを測定した。モノメチルLアルギニン(L-NMMA)をLAD内に投与し、同量のFK409の効果を観察した。別の群では8-Br-cGMPをLAD内に投与し、同様の計測を行った。さらに別の群ではcontrolを測定後、塩酸パパベリン(PAP)をLAD内に投与した。FK409と8-Br-cGMPは用量依存性にCBFを増加させ、Emaxを減少させた。1.0μg/kgのFK409によりCBFは平均139%増加し、Emaxは平均17%減少した。150μMの8-Br-cGMPによりCBFは平均94%増加し、Emaxは平均37%減少した。L-NMMA投与後もFK409は用量依存性にCBFを増加させ、Emaxを減少させたが、Emaxに対する効果は増強された。PAPはCBFを有増加させたが、Emaxには影響がなかった。外因性NOはCBFを増加させるとともに心収縮性を抑制した。8-Br-cGMPも同様の効果を示したことより、NOの作用はcGMPを介すると考えられた。さらに内因性NO抑制下において、外因性NOに対する過剰反応が示唆された。
最適化の微分幾付学と最適化アルゴリズムの研究

最適化問題の微分幾何および最適化アルゴリズについて研究した。ラグランジュとニュ-トンによる方法に回帰するという立場から、不等式制約条件を満たす集合に特殊な可微分構造を導入して、従来解析的に取り扱われてきた最適化の理論を微分幾何学的立場から再構成した。この立場からカ-マ-カ-法、伊理ー今井法などのアルゴリズの挙動解析をおこなった。種々の内点法の大域的収束性にかんする重要な定理を得た。内点法諸アルゴリズムにおいて主要部をなす線型計算の新しい方法を開発した。この新しいアルゴリズムは、ある種のベイズ統計モデルの数値的操作のために開発したものを発展させたものである。また、ニュ-トン法の応用として医学デ-タの解析をおこなった。
コクセター群の理想境界における次元解析と鎖回帰集合の力学的構造

研究課題の中心的な目的である「理想境界における次元解析と鎖回帰集合の力学的構造」への応用を念頭におき、主に写像の位相力学系的考察(非自励離散力学系における回帰性、一様収束列の極限集合の個数と収束先の系の極限集合の周期点の関係、系の列の極限集合は常に収束先の系の鎖回帰集合の部分集合となること、系の列の非遊走集合のボレル測度からみた大きさ)についての基礎的研究を行った。研究課題の中心的な目的である「理想境界における次元解析と力学的構造」への応用を念頭におき、本年度は位相力学系的考察(鎖回帰集合と力学的構造)、微分幾何学的考察(離散群および固有距離空間における漸近的トポロジー)により研究を進めた。位相的力学系の観点からは、C.Conleyにより導入された誤差付き回帰性をもつ点たちの挙動に着目した研究を進めた。この概念は誤差付きであるにも関わらず、力学系のアトラクターに関する研究において、中心的な役割を果たすとても重要な概念である。横井は、n次元(n-1)局所連結コンパクト距離空間における鎖回帰集合の考察を続けているが、その空間上におけるPughの閉補題についての解説をした。さらに、非自励離散力学系における鎖回帰集合についての研究を進めた。M.Gromovは、リーマン多様体の基本群の構造解析を目的とした(双曲的)離散群の漸近的不変量の研究を目的として、漸近的次元や漸近的ポロジーの概念を導入した。その当初の目的から対象が一般化、拡大化し、現在では固有距離空間において漸近的トポロジーの研究が集中的に行われている。これらの研究は固有距離空間の良い振る舞いをする適当なコンパクト化の余空間(理想境界とみなすことができる)の次元と密接に関連している。保坂は、ユークリッド平面と同相な固有CAT(0)空間を調べ、その漸近的次元は常に2となり、境界は円周となることを示した。特にここでは,群作用などの条件のない一般のCAT(0)空間で示したことが重要である。またこの応用として、コクセター系から導かれるDavis複体の境界が円周と同相であるならば、その漸近的次元は2であることがわかった。研究課題の中心的な目的である「理想境界における次元解析と力学的構造」への応用を念頭におき、本年度は位相力学系的考察(極限集合と力学的構造)、微分幾何学的考察(コクセター群の境界、CAT(0)空間、ケーラー多様体)により研究を進めた。位相的力学系の観点から:離散力学系における極限集合Wが無限の場合に、Wにおける孤立点は非周期的であることは良く知られた事実である。その拡張としてシャルコフスキーは、非周期点は極限集合において稠密に存在することを示した。横井は、その主張の非自励離散力学系の極限集合への拡張を試みた。非自励離散力学系は自励離散力学系(通常の離散的力学系とみなすことができる)の拡張・一般化として捉えることができるが、その力学的振る舞いは全く異なる。特に、連続関数列が一様に特定の関数に収束する状況において考察をし、関数列の力学的振る舞いと収束先の関数の力学的構造とにどのような関係があるかについて、極限集合と鎖回帰集合に対象を絞り、研究を進めた。微分幾何学の観点から:保坂は、コクセター群のisometriesに関する先行研究をもとにして、コクセター群の境界の位相的フラクタル構造の研究をした。また、極限集合がコクセター群の境界で稠密にあることを示した。さらに、積形の群が幾何的に作用するCAT(0)空間について、ある種のsplitting theoremを示し、その応用として非正曲率のコンパクト測地空間に関するsplitting theoremを導いた。連携協力者である山田は、ケーラー多様体についての研究を進めた。コンパクトケーラー多様体の正則ベクトル場の性質は詳細な先行研究がある。本研究では、コンパクト擬ケーラー多様体に関して同様の内容について研究をおこなった。また、リッチ平坦なケーラー多様体の類似の考察のため、リッチ平坦な擬ケーラー多様体が多く存在することを示した。横井は、非自励離散力学系における回帰性についての研究を行った。特に、系の列がある系に一様に収束する場合と同程度連続の場合について考察し、(1)系の列の極限集合の個数と収束先の系の極限集合の周期点の関係;(2)系の列の極限集合は常に収束先の系の鎖回帰集合の部分集合であること;(3)系の列の非遊走集合のボレル測度からみた大きさについての結果を得た。さらにこれらの系についての様々な例を構成し、研究対象の豊かさを示した。保坂は、コクセター群, CAT(0)群やその作用に関連した研究を行った。(1)Gromoll-Wolf, Lawson-Yau, Schroeder, Bridson-Haefligerたちによるsplitting theoremのCAT(0)群・CAT(0)空間版、つまり、CAT(0)群が幾何学的に作用するCAT

(0)空間において「群が積に分解するとき,群の積の分解に応じて作用する空間も積に分解する」ことを得た。その系として「2つのrigid CAT(0)群の積はrigidとなる」ことも示した;(2)proper cocompact CAT(0)空間Xの漸近次元と境界の被覆次元を扱い, Xの漸近次元は, Xの境界の被覆次元よりも常に大きくなることを示した;(3)有限グラフと, simplicial flag complexと,直角コクセター群の間の関係について研究し、この応用として再構成可能グラフの新しいクラスを与えた。すなわち,ホモロジーn-多様体のflag complexの1-skeletonから得られる有限グラフは,再構成可能グラフであることを示した。連携協力者である山田は、旗多様体はケーラーでない擬ケーラー計量の指数としてどのようなものを持つかについて研究を行った。当初計画していた研究が、研究の役割に応じて着実に進展しているため、「おおむね順調に進展している」と判断した。24年度が最終年度であるため、記入しない。おおむね順調な状況であるため、当初の予定通りに、研究対象へ力学的方面と代数学・幾何学的方面からのアプローチを行い、着実な研究を積み重ねる事により深い洞察を行う。また、幾何学的対象を計算機上で視覚化することで研究を迅速かつ効率的に進め,他分野と密接な関連のある領域のため、広汎な資料収集や研究連絡等を有効に活用して、研究遂行する。
拡大ロービジョンリハビリテーションの効果に関する研究

本研究は、眼科外来のみならず生活場面において行う拡大ロービジョンリハビリテーションの効果を検証することを目的とした。ロービジョン者を拡大リハ群(訪問指導)と従来リハ群(外来指導)に分け、拡大読書器の使用法を指導し、拡大リハ群では実地で環境調整も行った、ところ、両群とも拡大読書器の操作習熟度や作業効率、視機能関連QOL(近見視力による行動、全体的見え方)が向上した。拡大リハ群ではさらに"心の健康"の側面が向上した。長期的効果(3ヵ月後)は両群で大きな差がなかった。本研究は、視覚障害のリハビリテーションであるロービジョンケアをロービジョン者の生活の場である自宅に拡大して実践し、その効果を検証して訪問リハビリテーションの有用性と適切なケアのあり方を明らかにすることを目的とした。本研究は、諸般の事情により今年度の計画を19年3月末までに終了できなかったため、20年11月30日まで繰越すことを申請し許可された。まずプログラム作成委員会を組織し、2回の作業部会、4回の全体会議による討議を経て、拡大リハビリテーションプログラムを作成した。京都府立医大、東北大にて試験的に実施し、プログラムを改良した。また、介入研究の開始に先立ち、すでに拡大読書器を保有している者を対象に実態調査を行い、ケア希望者を募った。実態調査の結果、回答者の約9%が機器を使用しておらず、17%は1ヵ月に1,2回程度の使用状況であった。また、機器の使い方は販売業者から指導を受けた割合が79%であり、眼科医や視能訓練士の指導は少なかった。月に1,2回以上使用している者は未使用の者に比べ、視機能関連QOLが高かった。拡大読書器の使用頻度には、視力と使用目的の多さが影響していた。介入研究は、患者の本登録を20年7月より開始した。事前の実態調査参加者からは、3名が介入研究に参加した。11月30日時点で、4施設(京都府立医大、東北大、多治見市民病院、岐阜大学)から、13例が登録された。そのうち、8例が訪問による拡大ロービジョンケア群に振り分けられ、7例の訪問ケアが終了した。本研究は、諸般の事情により21年8月31日まで繰越すことを申請し許可された。本年度は、前年度に作成された拡大リハビリテーションプログラム(拡大読書器用)の効果を検討するために、非無作為化比較試験を実施した。4施設(京都府立医大、東北大、多治見市民病院、山縣眼科医院)から登録された33例中脱落した7例を除いた26例が、訪問ケア群14例、外来ケア群12例に振り分けられた。そのうち、研究期間(平成21年8月31日まで)内にケア終了時のデータが解析可能であった13例(訪問リハ群9例)の結果を示す。訪問ケア群および外来ケア群の指導前と指導直後の拡大読書器操作の習熟度や視機能関連QOLが、一般線形モデル(反復測定)を用いて比較された。操作習熟度や読書速度・書き速度は両群とも指導前後で有意に上昇した。視機能関連QOLの「近見視力による行動」(訪問群と外来群の指導前後の変化量:17.6vs14.6)領域も、両群で向上がみられた。一方、視機能関連QOLの「社会生活機能」(11.1vs3.1)、「役割機能」(8.3vs0.0)、「心の健康」(13.2vs0.0)は訪問群でのみ有意に向上した。以上より、マニュアルによって標準化された指導方法は、指導の場所に関わらずCCTVの操作習熟度を高めるであろうこと、訪問指導は役割機能や心の健康などのQOL側面を高める可能性があることが明らかになった。今後、全登録症例のデータを用い、指導の長期効果(3ヵ月後)も含め解析し、結果を公開していく。
β-Sc相を利用したBCC/HCP二相マグネシウム合金の組織制御

従来のMg合金開発では、HCP相に固溶、析出させる研究が多いが、本研究ではMg-Sc合金でβ-Sc(BCC)相を利用した組織制御により、BCC/HCP二相化が可能であることを初めて見出した。また、これまでに報告されていた状態図よりも低Sc濃度までβ-Sc(BCC)相が存在することがわかった。さらに、本二相合金は従来のMg合金の強度延性バランスを凌駕する高強度かつ高延性をもつことがわかった。さらに、Mg合金の降伏強度vs破断伸びの関係である強度延性バランスにおいて、Mg-Sc合金は、汎用合金の特性を大きく上回ったLPSO相Mg合金をもはるかに上回っていることがわかった。また、現状では溶解後に熱間圧延、溶体化しただけであり、さらに溶体化後の冷却速度や加工熱処理条件によりミクロ組織を様々に変化させれば、さらなる高強度・高延性化が実現し、世界最高強度かつ高延性を併せ持つMg合金の開発が期待できる。これまでのMgの新規合金探索研究とは大きく異なり、Ti系合金のように組織をBCC/HCP二相化することに注目した点が独創的であり、世界で初めての試みであると考える。本合金系は、TiにおいてTi-6Al-4V合金が開発されたことで羽ばたいたのと同様に、BCC/HCP二相組織制御により、引張・圧縮特性や疲労特性など種々のニーズに合った特性を生み出せる可能性があり、2.2g/cm^3と比重でTi合金の1/2以下という超軽量の実用合金となり、軽量合金代表格のAl合金やTi合金を匹敵するようなブレイクスルーとなるポテンシャルをもっている材料といえる。
波面符号化を用いる合成開口型波動計測

直線状にならべた送受信素子アレイについて,反射率分布と受信波面を離散化したデータの間の伝達行列を求める数学モデルをコンピュータ上に実装した。これを用いて,伝達行列の特異値分解により基底ベクトルを求め,素子数や素子配置を変更して分解能やダイナミックレンジを評価するシステムを構築した。次に,基底ベクトルを用いた線形な前処理により,空間的選択性の相対感度を広い角度範囲で低く抑えるWide Null Beamformerを構成できることを確認した。Wide Nullを形成することにより,指定した角度範囲の外での感度の相対レベルを従来方式に比べ-10から-14dB低減できることを示した。並行して,L1ノルム最小化による高分解能撮像方式の検討を行った。これまでに,周波数毎に角度方向の反射率分布をL1ノルム最小化により求めてからフーリエ逆変換により奥行き方向の分布を復元することで,角度方向について複数の反射体の像を高分解能で得られることを示している。しかし,反射体の数が増大するに従い,再構成した画像のアーチファクトのレベルが増大し,繰り返し計算の収束時間も増加するという問題があった。そこで,反射率分布を線形変換によりスパース化してL1ノルム最小化を適用する方法を検討した。スパース化基底としては,二次元のDaubechiesウェーブレット基底とコサイン基底を用いるものが最も良い結果が得られた。復元された反射率分布と元の分布の誤差をRMSEで評価した結果,素子数1024のとき,従来のL1ノルム最小化手法ではRMSE値が0.835と比較的高い値をとったのに対し,新しい手法のウェーブレット基底を用いた場合では0.320,コサイン基底を用いた場合では0.157となり,旧手法に比べて0.5150.678程減少する結果となった。当初計画通り,離散化した観測モデルを表す伝達行列から特異値分解により基底ベクトルを計算し,これを用いて空間分解能やダイナミックレンジ,雑音耐性などの要求に対するデータ量の下限を見積もり,情報復元用行列を設計すソフトウェアを構築できた。さらに,基底ベクトルを用いた線形な前処理により,解が存在する範囲を制限したデータを得るWide Null Beamformerを構成できることを示した。また,Wide Null Beamformerと組み合わせることとなる,L1ノルム最小化法による合成開口演算についても,従来できていなかった密に散乱する反射体の分布を画像化できることを示している。現在,実際の応用で想定される,3次元の反射率分布に対応したソフトウェアへの変更作業を進めている。高速演算システムについては,当初見込みより性能に余裕を持たせたいと考えている。また,非線形特性を持つ開口素子の実装については,回路構成の基礎的検討に着手した段階である。これまでの成果を,不完全な直交性を持つ複数の送信波の多重化送信やランダム配置などの,一般化された開口を持つ観測系に拡張する。また,反射率分布が3次元になっている場合について検討を行う。計算量が増えることから,高速演算システムの整備を,前年度に引き続き進める。一般化された合成開口システムで,性能要求を満たすための条件と,情報復元の最適な方法をシミュレーションにより明らかにする。また,非線形特性を持つ送信素子や,少数の信号チャンネルにより波面を変換するアレイ素子を試作することも計画している。

また,Wide Null Beamformerと組み合わせることとなる,L1ノルム最小化法による合成開口演算についても,従来できていなかった密に散乱する反射体の分布を画像化できることを示している。現在,実際の応用で想定される,3次元の反射率分布に対応したソフトウェアへの変更作業を進めている。高速演算システムについては,当初見込みより性能に余裕を持たせたいと考えている。また,非線形特性を持つ開口素子の実装については,回路構成の基礎的検討に着手した段階である。これまでの成果を,不完全な直交性を持つ複数の送信波の多重化送信やランダム配置などの,一般化された開口を持つ観測系に拡張する。また,反射率分布が3次元になっている場合について検討を行う。計算量が増えることから,高速演算システムの整備を,前年度に引き続き進める。一般化された合成開口システムで,性能要求を満たすための条件と,情報復元の最適な方法をシミュレーションにより明らかにする。また,非線形特性を持つ送信素子や,少数の信号チャンネルにより波面を変換するアレイ素子を試作することも計画している。旅費・人件費および高速演算用の並列グラフィックスカードの購入費を科学研究費以外の予算から支出したため。使用計画としては,高速計算システムの整備と実験用のFPGAボードのパーツの購入への支出を計画している。
架橋酵素による自然免疫の応答制御と腸内細菌の維持機構

ハエのトランスグルタミナーゼ(TG)に関する本研究により、以下の点が解明された。1)TGは形態形成、体液凝固、感染微生物の包囲化に重要な役割を果たす。2)転写因子Relishを阻害することで腸内細菌に対する過剰な反応を制御している。3)腸管においては、キチン結合タンパク質を架橋することで強固な囲食膜の形成に関与している。4)腸管の常在菌に対する恒常性維持に深く関与している。また、TG遺伝子から選択的スプライシングにより、TG-AとTG-Bの2種類のアイソフォームが産生されることを明らかにするとともに、TG-AのみがN末端の脂質修飾により、細胞外へ分泌されるという新しい分泌機構を明らかにした。ショウジョウバエの腸管には、1050種、約500万個の腸内細菌が常在しており、宿主の自然免疫系により管理されているが、腸内細菌に対する宿主の免疫寛容の分子機構には不明な点が多い。当研究室では、トランスグルタミナーゼ(TG)が翅や腹部といった外骨格の形成に関与するとともに、腸内細菌に対する免疫応答の制御を担っていることを見出した。タンパク質間の架橋反応は、皮膚の角質化や血液凝固など哺乳類にとって必須の反応である。この反応はTGが触媒しており、リジン残基とグルタミン残基の側鎖をイソペプチド結合で架橋する。哺乳類には8種のTGアイソザイムが存在するが、ハエTGは1種のTG遺伝子でコードされており、TGの機能解析には優れたモデル系である。ハエを用いた実験から、TGの架橋反応が腸管の抗菌ペプチド産生経路(IMD経路)のNF-κB様転写因子(Relish)を不活性化させることが判明した。すなわち、腸管上皮のTGは、抗菌ペプチド産生を担う転写因子を阻害することで腸内細菌に対する過剰な免疫応答を抑制し、宿主と腸内細菌の共生成立に関与していると考えられる。また、ハエTGは、哺乳類腸管のムチン層に相当する囲食膜の形成を促し、腸管内の微生物に対する防御を担っている。さらに、16S rDNA配列解析により、腸内細菌の同定を行ったところ、野生型ハエとTGをノックダウンしたハエでは腸内細菌叢が大きく異なっていた。一方、ハエTG遺伝子は選択的スプライシングにより、TG-AとTG-Bの2種のアイソザイムを産生していた。TG-A、TG-BともにN-末端の分泌シグナル配列はなく、TG-Bはサイトソルに主に局在するが、TG-Aは2種類の脂質修飾を受けて細胞膜に輸送され、刺激に応答して分泌されることが明らかとなった。今回の16S rDNA配列解析により、腸内細菌の同定を行ったところ、野生型ハエとTGをノックダウンしたハエでは腸内細菌叢が大きく異なっていることを明らかにするとともに、4種類の腸内細菌を同定した。4種類の内訳は、2種類が酢酸菌に属し、残りが、乳酸菌およびプロビデンシア菌の属していることが判明し、それぞれの菌株をSK1,SK2,SK3、SK4と命名した。さらに、各単離菌の抗菌ペプチドや活性酸素に対する性質を詳細に解析することができた。また、単離した菌を無菌バエの腸管に感染させたノトバイオートハエを作成して、生存率に与える影響を調べた。その結果、SK1とSK4を同時に感染させると生存率が減少することが判明した。TG-Aの細胞膜への局在化は、N-ミリストイル転移酵素のRNAiや、N-ミリストイル化修飾の標的となるGly残基に変異を加えることにより抑えられた。さらに、ヨトウガの無細胞発現系およびミリスチン酸アナログを用いたクリックケミストリーによる解析を行ったところ、TG-AにのみN-ミリストイル化修飾が起こることが明らかとなった。加えて、ミリスチン酸アナログの経口投与により、生体内においてもTGはN-ミリストイル化を受けることが判明した。以上の結果は、予定していた実験計画を十分に遂行できた結果であり、また原著論文として現在投稿中である。したがって、当初の計画以上に進展していると判断した。キイロショウジョウバエの腸管には、1050種、約500万個の腸内細菌が常在しており、宿主の自然免疫系により管理されているが、腸内細菌に対する宿主の免疫寛容の分子機構には不明な点が多い。哺乳類には8種のTGアイソザイムが存在するが、ハエTGは1種のTG遺伝子でコードされている。今回、次世代シークエンサーによりショウジョウバエの腸内細菌の遺伝子解析を行った。その結果、野生型とTG遺伝子をノックダウンしたハエでは腸内細菌叢が大きく異なっていることが判明した。

また、腸管から単離した4種の細菌株(SK1SK4)の抗菌ペプチドと活性酸素に対する耐性を比較するとともに、SK1SK4を腸管に取り込ませたノトバイオートハエ(gnotobiotic flies)の性質を解析した。さらに、無菌バエにSK1とSK4を1:1の比率で感染させると菌を単独で感染させたハエよりも短命となることが判明した。常在菌がハエの腸管内の環境に順応すると、試験管での培養した際の菌とは異なる性質を示すことが明らかとなった。一方、ハエTG遺伝子は選択的スプライシングにより、TG-AとTG-Bの2種のアイソザイムを産生していた。TG-A、TG-BともにN-末端の分泌シグナル配列はなく、TG-Bはサイトソルに主に局在するが、TG-Aは、ミリストイル化とパルミトイル化の2種類の脂質修飾を受けて細胞膜に輸送され、刺激に応答してエキソソームを介して分泌されることが明らかとなった。キイロショウジョウバエは腸内細菌との共生(Symbiosis)とその異常(Dysbiosis)を研究する上で優れたモデル系である。私たちは腸管上皮のトランスグルタミナーゼ(TG)が、抗菌ペプチド産生を担うNF-κB様転写因子を化学架橋することにより阻害し、腸内細菌に対する過剰な免疫応答を抑制することでSymbiosis関係を生み出していることを見出した。次世代シークエンサーを用いて、腸内細菌叢の16S rRNA(V4領域)の解析を行った。羽化後0.5日目の野生型ハエではアセトバクター属が92%を占め、残り8.0%をプロビデンシア属が占めた。一方、TGノックダウンハエでは、全体の77%がプロビデンシア属、22%がアセトバクター属であった。また、それらの菌株を無菌バエに移植したノトバイオートハエの作成に成功した。そのハエを詳細に解析して、Journal of Biological Chemistryに原著論文として2016年11月号に掲載できたことは、評価に値すると考える。実際に、野生型のショウジョウバエの腸内細菌叢が酢酸菌属でほとんど占められている事実は、推定外の驚くべきことであった。具体的には、腸管から単離した4種の細菌株(SK1SK4)の抗菌ペプチドと活性酸素に対する耐性を比較するとともに、SK1SK4を腸管に取り込ませたノトバイオートハエ(gnotobiotic flies)の性質を解析した。これらの実験結果より、常在菌がハエの腸管内の環境に順応すると、試験管での培養した際の菌とは異なる性質を示すことが明らかとなった。ただし、短命の原因と推定された活性酸素の誘導とノトバイオートハエに定着した細菌との関連性に不明な点が残っており、今後の課題である。昆虫の腸管には囲食膜とよばれる物理的な防御膜が存在する。囲食膜は、哺乳類腸管におけるムチン層に相当するもので、食物と同時に侵入してきた細菌などが直接、腸管上皮に接するのを防止している。これまで、架橋酵素であるトランスグルタミナーゼ(TG)がハエの囲食膜形成に関与することを明らかにしてきたが、今年度は、囲食膜による生体防御機構の詳細を明らかにするために、ハエの囲食膜構成タンパク質と推定されるPeritrophin-15b (Pin15b)に焦点を当てて研究を行った。囲食膜はキチンおよびキチン結合性タンパク質から構成される。
気象災害の低減に向けたウィンドプロファイラの高分解能データ処理手法の開発

ウィンドプロファイラ(WPR)は、乱流等が生成する大気の屈折率擾乱に起因する電波散乱(大気エコー)を用いて、晴天大気中における風速の高度プロファイルを計測する。次世代WPRでは、大気乱流の詳細を計測できる観測分解能の達成を目指している。WPRでは、不要エコー(クラッタ)が混入することで、風速や大気乱流の測定データ品質が悪化する問題点がある。クラッタによる測定データの品質悪化を極力防ぐことが、次世代WPRに求められる優れた観測分解能の実現に必要である。東京都小金井市に設置されたWPR(LQ-13)と兵庫県神戸市に設置された境界層レーダ(神戸BLR)は、複数のクラッタ抑圧用サブアレイアンテナ(SA)と適応信号処理を用いた受信アンテナのサイドローブ制御によりクラッタを動的に抑圧する、アダプティブクラッタ抑圧(ACS)の機能を持つ。SAで受信される強い外来波は、受信信号を飽和させることでACSの性能を低下させる。バンドパスフィルタにより外来波の混入を防ぐことで、ACSの性能低下を低減できることがわかった。LQ-13と神戸BLRは、周波数切替え送信と適応信号処理によりレンジ分解能を向上させるレンジイメージング(RIM)と、オーバーサンプリング(OS)の機能を有する。RIM・OS・ACSを用いたLQ-13と神戸BLRによる観測を実施した。観測の実施により、RIM・OS・ACSの組み合わせが低高度(短レンジ)におけるグラウンドクラッタの低減に有効であることがわかった。また、神戸BLRによる観測結果から、高速道路の出入り口を通行する車両や高層ビルを発生源とする可能性があるクラッタを低減していることを確認した。コヒーレントドップラーライダーによる鉛直流測定結果をLQ-13による鉛直流測定結果と比較することで、ACSによるクラッタの低減効果を評価する取り組みも実施した。ウィンドプロファイラ(WPR)は、晴天域における風速及び大気乱流を計測する。レーダイメージングを用いることで観測分解能を向上させた、次世代WPRの開発が進んでいる。次世代WPRの観測性能を十分に引き出すためには、不要エコー(クラッタ)による測定データの品質悪化を防ぐことが必要である。クラッタによる測定データの品質悪化を防ぐことを目的とした、スペクトルデータ処理手法の開発に取り組んだ。スペクトルデータ処理に使用するプログラムを開発した。汎用性に優れるプログラミング言語であるPythonを用いることで、プラットフォームに依存しないプログラムを開発した。科学技術計算を行うためのライブラリとしてNumPyとSciPyを用いることで、効率的にプログラムを開発した。オブジェクト指向のプログラミングを行うことで、開発したプログラムの拡張性を確保した。Pythonの活用により、汎用性と拡張性に優れるプログラムが開発できたと考えている。LQ-13は、情報通信研究機構が有するWPRである。LQ-13を用いた観測を実施した。次世代WPRで要求される高度分解能を達成する手段として、LQ-13が有する機能であるレンジイメージングとオーバーサンプリングを用いた。開発したスペクトルデータ処理手法の評価を行うため、アダプティブクラッタ抑圧システムを用いた測定も実施した。LQ-13による測定データを用いることで、開発したプログラムの動作を検証した。さらに、スペクトルデータ処理手法で用いる制御パラメータにつき、検討を実施した。スペクトルデータ処理手法の開発と評価を次年度も継続することで、さらなる研究の発展が見込める。以上述べたとおり、本研究課題は、おおむね順調に進展している。ウィンドプロファイラ(WPR)は、晴天域における風速3成分(鉛直流・東西風・南北風)の高度プロファイルを主な計測対象とするレーダである。大気乱流は、WPRが受信する電波散乱エコー(大気エコー)の主要な発生源である。従来のWPRよりも観測分解能を向上させることで大気乱流の詳細を計測することを目的とした、次世代WPRの開発が進んでいる。WPRでは、不要エコー(クラッタ)が受信信号に混入することで、測定データの品質が悪化する問題点がある。クラッタによる測定データの品質悪化を極力防ぐことが、次世代WPRに求められる優れた観測分解能を実現するために必要である。昨年度に引き続き、クラッタによる測定データの品質悪化を防ぐことを目的とした高分解能データ処理手法の開発に取り組んだ。クラッタによる測定データの品質悪化を防ぐ手段として、アダプティブクラッタ抑圧(ACS)、スペクトルパラメータ推定処理、及び高レンジ分解能測定を検討した。ACSは、複数のアンテナ(サブアレイ)と適応信号処理を用いて受信におけるアンテナのサイドローブパターンを制御することにより、クラッタを動的に抑圧する。スペクトルパラメータ推定処理では、大気エコーが卓越して存在するドップラー速度の範囲におけるドップラースペクトルのみを用いたスペクトルパラメータの推定を行うことで、クラッタの混入による悪影響を低減する。レンジイメージングとオーバーサンプリングを用いた高レンジ分解能測定は、クラッタによる悪影響が及ぶ高度範囲を小さくする効果がある。高分解能データ処理手法の性能評価に取り組んだ結果、クラッタが短時間に大きく変動するときに、クラッタによる測定データの品質悪化が十分に低減できない場合があることがわかった。問題を解決するための方法を検討した。クラッタによる測定データの品質悪化を防ぐ手段として、ACS、スペクトルパラメータ推定処理、及び高レンジ分解能測定を検討した。

高分解能データ処理手法の性能評価に取り組んだ結果、クラッタが短時間に大きく変動するときに、クラッタによる測定データの品質悪化が十分に低減できない場合があることがわかった。問題を解決するための方法を検討したが、解決には至っていない。しかし、今年度に実施した検討により、次年度における高分解能データ処理手法の開発につながる着想を得ることができたと考えている。次年度に研究課題を継続することで、高分解能データ処理手法の性能向上を実現したい。ウィンドプロファイラ(WPR)は、乱流等が生成する大気の屈折率擾乱に起因する電波散乱(大気エコー)を用いて、晴天大気中における風速の高度プロファイルを計測する。次世代WPRでは、大気乱流の詳細を計測できる観測分解能の達成を目指している。WPRでは、不要エコー(クラッタ)が混入することで、風速や大気乱流の測定データ品質が悪化する問題点がある。クラッタによる測定データの品質悪化を極力防ぐことが、次世代WPRに求められる優れた観測分解能の実現に必要である。東京都小金井市に設置されたWPR(LQ-13)と兵庫県神戸市に設置された境界層レーダ(神戸BLR)は、複数のクラッタ抑圧用サブアレイアンテナ(SA)と適応信号処理を用いた受信アンテナのサイドローブ制御によりクラッタを動的に抑圧する、アダプティブクラッタ抑圧(ACS)の機能を持つ。SAで受信される強い外来波は、受信信号を飽和させることでACSの性能を低下させる。バンドパスフィルタにより外来波の混入を防ぐことで、ACSの性能低下を低減できることがわかった。LQ-13と神戸BLRは、周波数切替え送信と適応信号処理によりレンジ分解能を向上させるレンジイメージング(RIM)と、オーバーサンプリング(OS)の機能を有する。RIM・OS・ACSを用いたLQ-13と神戸BLRによる観測を実施した。観測の実施により、RIM・OS・ACSの組み合わせが低高度(短レンジ)におけるグラウンドクラッタの低減に有効であることがわかった。また、神戸BLRによる観測結果から、高速道路の出入り口を通行する車両や高層ビルを発生源とする可能性があるクラッタを低減していることを確認した。コヒーレントドップラーライダーによる鉛直流測定結果をLQ-13による鉛直流測定結果と比較することで、ACSによるクラッタの低減効果を評価する取り組みも実施した。スペクトルデータ処理手法の開発と評価に、引き続き取り組む。東京都小金井市の情報通信研究機構本部に設置されたLQ-13に加え、京都大学防災研究所が兵庫県神戸市に設置したWPRを用いることで、多くの観測事例を得る。多くの観測事例を用いることで、スペクトルデータ処理手法の汎用性を検証する。さらに、乱気流や上昇気流の観測事例を用いたフィージビリティスタディを実施する。
収縮系の機能的構造的改壁と再構築ー微量調節タンパク質に着目しつつー

今年度の成果の第一は、直径1ー2μmの単一筋原線維や直径数μmの筋原線維束を顕微操作できるようになったことである。総合倍率400ー600倍の倒立位相差顕微鏡下で、液交換できるようにした自作の薄いセルの中で、2本のガラス針に筋原線維の両端を引っかける。ガラス針の一方を細くして、その曲がりの程度から発生張力を見積る。その結果、SPOCとよぶ自発的振動収縮の条件下で、筋原線維が弱いながらも張力を発生し、振動することが分かった。さらに、このようなことが可能になったために、筋フィラメントを精度よく解体できるようになり、しかも再構築が容急になり、同時にその収縮特性をも検討できるようになった。予備実験として、太いフィラメントを両端溶解した後のSPOC(フィラメント長が半分になっても振動する)や、ゲルゾリン処理法によって細いフィラメントを選択除去し、その後精製アクチンを加えて細いフィラメントを再構成した筋原線維の発生張力などを検討した。ところで、本研究のテ-マの一つである、細いフィラメントの自由(P)端に結合しているはずのβーアクチニンについては、その発見者の丸山工作氏(千葉大、理)自身によって、P端ではなくB端キャップである可能性が強く示唆されたことによって、現在ほとんど白紙に近い状態になってしまった。つまりこれまでβーアクタニンといわれてきた35kDと31kDの2量体は、B端キャップであるということである。しかし我々は既に、独自の方法で、少なくとP端キャップが存在することを示している。また我々は、ゲルゾリン処理法によって細いフィラメントの自由端を単離し、この分画に35kDと31kDの成分がほぼ等量存在することを確認した。(船津等)が、P端キャップの同定のためには、今まで以上により詳細な検討が必要であることが判明した。1.高塩濃度溶液処理によって太いフィラメントを両端により部分的に溶解し、フィラメント長(光回析法により見積り、電顕観察により確認)を制御したグリセリン処理骨格筋線維を用いて、発生張力を測定した。これをいくつかの筋節長(2.2、2.5、2.8μm)で検討した結果、いずれの場合も、発生張力は太いフィラメントと細いフィラメントの重なり部分の大きさに比例していた。一方Ca^<2+>イオンに対する感受性は、異なるフィラメント長でほとんど変らなかった。この結果は、筋収縮の"滑り"機構の基礎となっているGordon,Huxley,Julianの実験結果を別の角度から検証したものである。一方収縮速度の方も、フィラメント長が約50%になるまでは変らず、3.0%程度まで短かなっても、最大収縮速度の80%位の速度で収縮した。このことは、収縮装置の特性はフィラメント長に依らず、フィラメント上に並列に組込まれた単位分子機械の収縮特性によって決まっているという右典的描像と矛盾しない。2.アクチンフィラメント切断タンパク質であるゲルゾリンをウシ血清より精製し、これを用いて細いフィラメントを選択的に除去した筋(原)線維を調整する方法をほぼ確立した。さらに、それに精製アクチン及びトロポミオシンとトロポニンを加えて細いフィラメントの再構成を試みた。その結果、いったん0%まで落ちた張力が30%近くまで回復し、しかもCa^<2+>イオン感受性をとりもどした(ただし、張力発生の協同性は幾分低下した。)調節タンパク節を加えずに精製アクチンのみで細いフィラメントを再構成した場合には、Ca^<2+>イオン濃度に依らず収縮した。以上、1の結果は、Cタンパク質などのミオシン結合性の微量調節タンパク質は筋線維の収縮特性には関与していないことを示しており、2の結果は、β-アクチニンなどのアクチン結合性の微量調節タンパク質の機能を検討しうる実験系が確立したことを示している。

また我々は、ゲルゾリン処理法によって細いフィラメントの自由端を単離し、この分画に35kDと31kDの成分がほぼ等量存在することを確認した。(船津等)が、P端キャップの同定のためには、今まで以上により詳細な検討が必要であることが判明した。
スピノル・ボース・アインシュタイン凝縮におけるトポロジカル欠陥のダイナミクス

本研究の目的は、高い制御性を持つスピノル・ボース・アインシュタイン凝縮(BEC)の系を対象として、様々な種類のトポロジカル欠陥のダイナミクスの新奇な現象を探索すること、およびトポロジカル欠陥のダイナミクスの普遍的、統一的な理解を得ることである。今年度はかねてから予定していた、スピノルBECにおける量子乱流の大規模数値シミュレーションを行った。対象とした系は、(1):負の2次ゼーマン場におけるスピン1の強磁性相、(2):ゼロ磁場下におけるスピン1のポーラー相、(3):ゼロ磁場下におけるスピン2の再クリック相である。これらの系では量子乱流を構成する量子渦との間に非可換な相互作用が働くトポロジカル欠陥が存在し、それぞれ(1):磁壁、(2):モノポール、(3)量子渦(非可換量子渦)となっている。(1)の系では、量子渦と磁壁との間の非可換な相互作用により、磁壁上に新しいトポロジカル欠陥であるブレーンソリトンが現れ、それが磁壁上の回転流を担う存在となる。その結果、バルクにおける量子渦による3次元的な量子乱流状態と、磁壁上におけるブレーンソリトンによる2次元的な量子乱流状態との共存状態を確認することが出来た。(2)の系では、量子渦とモノポールとの間の非可換な相互作用により、アリスリングと呼ばれる量子渦輪とモノポールとの連続的な変形が可能となる。その結果、乱流中における量子渦の自己相似的な構造がモノポールとの相互作用により破壊されることを確認することが出来た。(3)の系では、量子渦間の非可換な相互作用により、量子渦の衝突を介して、ラング渦と呼ばれる新しい渦が生じ、量子渦の大規模なネットワーク構造が乱流中に現れることを明らかにした。また、その結果として、エネルギー注入のスケールを超えた非常に大きなスケールにわたって量子渦の自己相似的な構造が現れることを確認することが出来た。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は、スピノル・ボース・アインシュタイン凝縮の系を対象として、様々な種類のトポロジカル欠陥のダイナミクスが、系全体の重要な性質を担うような状況を理論的に作り出し、新規な現象を探索することである。平成26年度には主に2次元系におけるスピノル・ボース凝縮が、有限温度の平衡状態にある中で、量子渦のトポロジカルな性質およびその平衡ダイナミクスが系の相転移現象に及ぼす効果を集中的に研究した。2次元系では、3次元系で見られるような対称性の破れに伴う熱力学的な相転移は起こらず、熱ゆらぎを介して生成した量子渦対が、対として束縛状態にあるか、乖離して自由に運動できるかというKosterlitz-Thouless(以下KT)転移が起こり、熱力学量ではなく系の流れに対する動的な応答に対する特異性が生じることが知られている。したがってこの転移に関しては量子渦が主要な枠割を果たしており、量子渦のトポロジーはKT転移に大きな影響をおこぼすであろうことが期待される。今回対象にしたのは、磁場あるいはレーザーによって作られた、2次ゼーマン場(以下q)のある、スピン1スピノルBECである。この系ではスピンに依存した粒子間相互作用の強さと2次ゼーマンの符号によって6つの特徴的な渦領域に分けられる。6つの領域に対して、以下に示すような渦のトポロジーを大きく反映した、非常に特徴的なKT転移の兆候を得ることができた。反強磁性かつqが正の場合:スカラーボース凝縮と同じKT転移、反強磁性かつqが負の場合:スピンと位相が結合したKT転移、反強磁性かつqが0の場合:スピン部分に関して渦のチャージがZ2となりKT転移が起こらない、強磁性かつqが正の場合:位相とスピンの独立したKT転移、強磁性かつqが負の場合:スピンの熱力学転移と位相のKT転移が同時に起こる、強磁性かつq=0の場合:KT転移が起こらない。

その結果、乱流中における量子渦の自己相似的な構造がモノポールとの相互作用により破壊されることを確認することが出来た。(3)の系では、量子渦間の非可換な相互作用により、量子渦の衝突を介して、ラング渦と呼ばれる新しい渦が生じ、量子渦の大規模なネットワーク構造が乱流中に現れることを明らかにした。また、その結果として、エネルギー注入のスケールを超えた非常に大きなスケールにわたって量子渦の自己相似的な構造が現れることを確認することが出来た。当初の目的である、スピノル・ボース・凝縮の量子渦のトポロジーを大きく反映したような現象を1つ見つけることができた。また、量子渦のトポロジーを調べる際に計算するべき最も重要な物理量が、渦のトポロジカルチャージ、流れに対する線形応答であることをつきとめることができた。またこれらを計算するための数値シミュレーションのコードを完成させることができ、今語の研究へ実装する準備もできた。27年度が最終年度であるため、記入しない。平成26年度は平衡状態の系を調べることが主な研究であったが、今後は26年度に完成させた数値シミュレーションの手法を駆使して、特に非平衡定常状態にあるスピノル・ボース凝縮の系に対する、渦のトポロジーの影響を調べるのが主な研究の方向である。