hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
樹状細胞におけるSema4Aの細胞内小胞輸送機構の解明

研究の過程にて、SEMA4DとANCA関連血管炎(AAV)の間に興味深い相関が見つけられたため、これに着目した。AAV患者血清においてSEMA4D濃度の上昇が見られ、この値は病勢スコアと相関した。AAV患者の好中球において、膜型SEMA4Dが減少し、遊離型SEMA4Dが上昇していることが分かった。好中球の膜型SEMA4Dに血管内皮細胞のPlexin B2が結合することで、好中球の好中球細胞外トラップ(NET)の形成が抑制されることが見出された。PlexinB2タンパク質をANCAや病原体による刺激で活性化させた好中球に作用させてやることにより、活性酸素の放出やNET形成を有意に抑制できた。本研究では先ず、Sema4A欠損樹状細胞の抗原提示能障害がどの段階に依存するのかについて検索を行った。はじめに、樹状細胞のリンパ節への遊走能を検証した。In vivo FITC-isomer skin paintingassayを用いてSema4A欠損樹状細胞と野生型樹状細胞の遊走能を比較したところ、これらに差は見られなかった。次に、蛍光色素をコンジュゲイトしたオボアルブミン(OVA)を用いてSema4A欠損樹状細胞と野生型樹状細胞の抗原貪食能を比較したところ、これらにも差は見られなかった。更に、抗原提示に必須となる主要組織適合遺伝子複合体(major histocompatibility complex; MHC)およびその共活性化分子について発現量を比較したところ、MHCクラスI分子、MHCクラスII分子、CD40、CD80、CD86、ICAM-1のいずれについても発現量の差異は認められなかった。これらの結果から、Sema4A欠損樹状細胞は、抗原を貪食し、リンパ管を経由しリンパ節に遊走するまでの過程には異常を来さず、リンパ節に到着した後にリンパ球とコンタクトする過程ないしその後において異常を来している可能性が高いことが示された。次に、Sema4A欠損樹状細胞および野生型樹状細胞を検体として、プロテオミクス技術を用いてSema4A欠損樹状細胞において発現の低下した分子について網羅的に検索を行ったところ、複数の有望な分子がスクリーニングされた。Sema4A樹状細胞から分泌されるエクソソームの総量については、細胞上清を用いたウェスタンブロットの結果から異常が見られないことが同時に確認できており、Sema4A欠損樹状細胞における抗原提示能障害は、分泌されるエクソソームの中に、スクリーニングされた分子のいずれかが著減していることが原因である可能性が示唆された。樹状細胞におけるSema4Aが機能していると考えられる局面を特定できた。また、Sema4Aの機能を介していると考えられる分子について、複数の有望なものをスクリーニングできた。研究プロジェクトの本筋とは独立して、好中球に発現するSema4Dの重要性が見出されたため、これについて解析を行った。ANCA関連血管炎の患者血清において、健常者に比して有意に可溶型Sema4Dが高値であることがELISAの結果から示された。また、フローサイトメトリーの結果から、ANCA関連血管炎の患者由来の好中球表面に発現する膜型Sema4Dが、健常者に比して有意に減少していることが示された。これらは、好中球上に発現する膜型Sema4Dが切断され可溶型になることが、ANCA関連血管炎の病態に重要な役割を持つことを示唆する結果と考えられた。以上より、AAV発症のメカニズムとして、健常者では血管に発現するPlexin-B2と、好中球に発現するSEMA4Dが結合し、好中球の異常な活性化にブレーキをかけているが、AAV患者ではこのバランスが破綻し、ADAM17の働きによって好中球のSEMA4Dが切断されることで好中球のブレーキがはずれ、不適切に活性化してしまっているという機序が考えられた。スクリーニングされた候補分子のうち、Sema4Aの機能に直接関連するものを確認する。その後、Sema4A依存性の小胞輸送の可視化し、Sema4A欠損樹状細胞において候補分子を含有した小胞がうまく分泌されないことを証明する。また、候補分子を含有する小胞を直接補ってやることによる、疾患に対する治療実験も同時に行っていく。Sema4Dの好中球機能、ANCA関連血管炎病態における重要性について、引き続き解析を行っていく。具体的には、NETの放出を制御するSema4D-plexin B2の機能について、より詳細に解析を行っていく。更に、抗Sema4D抗体またはリコンビナントplexin B2蛋白を用いた、in vivoおよびin vitro治療実験も進めていく。病理学、免疫学本年度の研究においては、購入済みの一般的な試薬のみから施行可能なものが多く含まれていた。
レセプターとの相互作用様式にもとづく昆虫前胸腺刺激ホルモンの種特異性の解明

昆虫の脱皮や変態などを制御する神経ペプチド・前胸腺刺激ホルモン(PTTH)は、異なる昆虫種間でほとんど交差活性を示さない。私は、このPTTHの標的特異性の全容を解明することを目的として、そのレセプターTorsoによる厳格なリガンド認識機構を研究した。平成26年度には、カイコガTorsoが、膜貫通領域にある分子間ジスルフィド架橋を介した二量体を形成することで、PTTH刺激依存的な応答を引き起こしていることを明らかにした。このことから、Torsoの膜貫通領域は、PTTHの直接的な結合部位ではないものの、PTTHとの特異的相互作用に間接的に関与しているものと考えるに至った。そこで、平成27年度は、(1)まず、膜貫通領域の3つのシステイン残基をすべてフェニルアラニンに置換した変異体(FFF変異体)を調製し、架橋剤Sulfo-EGSを用いてその会合状態を野生型と比較した。分子間ジスルフィド架橋のないFFF変異体でも非共有結合的な二量体形成が観測されたものの、野生型とFFF変異体とでは架橋剤に対する反応性が異なっていた。Sulfo-EGSは脂質膜に侵入・透過できない親水性架橋剤であることから、Sulfo-EGSに対する反応性の違いは、まさに野生型とFFF変異体とで細胞外領域の構造が明らかに異なっていることを示しており、分子間ジスルフィド架橋の有無がリガンド結合部位の構造に大きく影響する可能性を示した。(2)次に、対照試料として、同じ鱗翅目に属しTorso遺伝子が入手可能なヨトウガのPTTHを調製した。カイコガPTTHと同様にブレビバチルス菌を用いて発現させたところ、カイコガPTTHよりは収量は劣るものの、活性型のヨトウガPTTHを得ることに成功した。今後、Torso膜貫通領域の分子間架橋の存在を考慮しながら、カイコガとヨトウガとでPTTH-Torsoの相互作用に必要な残基を同定・比較することで、PTTHが示す標的特異性を分子構造レベルで明らかにする予定である。27年度が最終年度であるため、記入しない。前胸腺刺激ホルモン(PTTH)は、昆虫の脱皮や変態などの現象を厳格に制御している神経ペプチドである。PTTHのアミノ酸配列は昆虫種によって多様性が高く、種間の交差活性も低いため、PTTHのレセプターはそのようなPTTHの構造上の違いを厳格に認識しているものと思われる。最近になってTorsoという細胞膜タンパク質がPTTHのレセプターであることが報告されたので、本研究では、TorsoによるPTTHの分子認識機構を分子構造レベルで明らかにすることした。本年度は、1まず、リガンド[カイコガPTTH]の大量調製法の確立を行った。カイコガPTTHは、大腸菌で発現させると必ず不溶性画分に行ってしまい、リフォールディングなどの過程を経ても少量しか調製できない。そこで、分泌発現系をもつブレビバチルス菌を用いてカイコガPTTHを発現させ、培養液中に分泌された可溶性タンパク質として回収することに成功した。また、可溶性の状態になっていれば、数本のカラム精製を経て活性型の二量体PTTHのみを単離・精製できることがわかった。2次に、PTTHのレセプター[カイコガTorso]についてそのリガンド応答の分子機構の解明を試みた。S2培養細胞にカイコガTorsoを一過的に発現させ、リガンド刺激の有無によるレセプターの二量化について調べた。Torsoは1本鎖のチロシンキナーゼ型レセプターの一種なので、リガンド刺激によって細胞膜上で二量化することが期待されるが、非還元条件下でのSDS-PAGEなどを駆使して解析したところ、Torsoは、膜貫通領域にあるジスルフィド結合を介してリガンド刺激前から二量化していることが明らかになった。また、膜貫通領域のシステイン残基をフェニルアラニンに置換したところ、細胞内の下流シグナル経路に存在するERKのリン酸化が観測されなくなったしまったので、Torsoのリガンド刺激に対する正常な応答のためには必この膜貫通領域のジスルフィド結合が必須であることがわかった。

Sulfo-EGSは脂質膜に侵入・透過できない親水性架橋剤であることから、Sulfo-EGSに対する反応性の違いは、まさに野生型とFFF変異体とで細胞外領域の構造が明らかに異なっていることを示しており、分子間ジスルフィド架橋の有無がリガンド結合部位の構造に大きく影響する可能性を示した。(2)次に、対照試料として、同じ鱗翅目に属しTorso遺伝子が入手可能なヨトウガのPTTHを調製した。カイコガPTTHと同様にブレビバチルス菌を用いて発現させたところ、カイコガPTTHよりは収量は劣るものの、活性型のヨトウガPTTHを得ることに成功した。今後、Torso膜貫通領域の分子間架橋の存在を考慮しながら、カイコガとヨトウガとでPTTH-Torsoの相互作用に必要な残基を同定・比較することで、PTTHが示す標的特異性を分子構造レベルで明らかにする予定である。本年度は、レセプター[カイコガTorso]の細胞外領域と安定同位体標識されたリガンド[カイコガPTTH]の大量調製を完了する計画であった。カイコガTorsoの細胞外領域のみを有する変異体(EC変異体)の調製に関しては、最も時間のかかるS2培養細胞の安定発現株の樹立はすでに済ませ、培養培地に分泌されたものを精製すればよいだけの状況になっている。また、安定同位体標識カイコガPTTHの調製に関しても、現在、標識用培地を用いて培養条件等を鋭意検討中であり、近日中に標識されたカイコガPTTHの調製を完了する予定である。ただし、本年度の研究によって、Torsoが膜貫通領域のジスルフィド結合で二量化しておりかつそのジスルフィド結合がリガンド応答に重要であるという新規の知見が明らかになったので、レセプター側に関しては、EC変異体に加えて、細胞外領域と膜貫通領域との両方を持ちジスルフィド結合で二量化された変異体(ΔK変異体)もあわせて調製しようと考えている。これにより、当初の研究計画には多少の遅れが生じるものの、PTTHとの相互作用を解析する際には、どのようなTorso変異体を用いれば生理的に意味がある結果が得られるのかについていずれ検討しなければならないので、今後生じる課題を前倒しして検討しているとみなすことができる。Torsoに関する新らたな知見の発見の優位性を考慮すれば、本年度は、多少の研究計画の遅れを勘案しても、研究全体としてはおおむね順調に進展していると判断できる。なお、現在、Torsoの二量体構造に関する新たな発見については学術雑誌に投稿すべく論文原稿をまとめているところである。27年度が最終年度であるため、記入しない。本年度の成果を活かし、次年度は、カイコガPTTHとカイコガTorso細胞外領域(EC変異体とΔK変異体)とを大量に調製し、表面プラズモン共鳴(Biacore)や等温滴定型カロリメトリー(ITC)を用いて、リガンドーリセプター間の親和性を測定する。これにより、Torsoの膜貫通領域にあるジスルフィド結合が、実際にリガンド認識に対して積極的に影響を及ぼしているのかを明らかにする。また、13Cや15Nで標識されたカイコガPTTHを調製し、そのNMRスペクトルをTorso細胞外領域(EC変異体やΔK変異体)で滴定することにより、PTTHのどのアミノ酸残基がTorsoによって認識されているのかを明らかにするとともに、Torso膜貫通領域のジスルフィド結合によって認識部位に変化が生じるのかを突き止める。現在、カイコガ以外の昆虫種のPTTHも調製中であり、上記のような相互作用解析を積み重ねることにより、レセプターによるリガンド認識の観点からPTTHの種特異性の高さを明らかにする予定である。
人間・社会・経済次元における途上国の持続可能なコンパクトシティ政策に関する研究

本研究は、今後20年間に約1.5倍になると予想される途上国の都市人口と、それに伴って必要とされる都市開発に対するコンパクトシティ政策適用の妥当性と適用方策を検討することを目的としている。1)コンパクトシティ政策の途上国適用の妥当性の検証そこで本研究では、バンコク首都圏(BMR)の3区(Bangkapi, Bang Plee, Bang-Chalong)を対象に、タマサート大学建築計画学部と共同で人間・モノの総移動交通量試算モデルの開発及びその基礎的データ(PT調査・ヒアリング)の収集を行った(N=278)。この結果、3区における1日あたりの労働者の平均距離が4050kmであるのに対して、1労働週当たりの総移動距離の平均が約100km前後となっていること、そして、主要な鉄道駅への平均距離が2130kmであることから、都市域の拡大とそれに伴う移動コストの増加が労働者(特に、低所得者層)の就労機会の向上を阻害していることが明らかになった。その一方で、上記3区の人口密度は中心市街地からの距離とは無関係に一定の高密度状態にあり、広範囲に拡大したバンコク首都圏においては、一点集中型ではなく、既存の区(ケート)ごとに中心部と行政機構を持たせたポリセントリック型のコンパクトシティ政策の適用が妥当であると判断した。2)コンパクトシティ政策の適用方策の検討ポリセントリックな都市核への誘導に必要な都市インフラ・基幹産業誘致等のプルファクターとバンコク首都圏からの機能移転による人口誘導の有効性を検証するために、マルチエージェントシミュレータ開発言語であるSOARSを利用して、土地利用・交通シミュレータのプロトタイプモデル(B_2SQモデル)の開発を行った。まず、ポリセントリック型の都市核パターンを仮想空間上に表現するために、都心部の周辺に8つのサブコアを配置し、設置が予定されている複合交通センター、BTS(スカイトレイン)およびMRT(バンコクメトロ)の延伸予定路線を設定し、社会的役割及び所得階層を設定したエージェントを組み込む設計とした。まず、上記のPT調査の結果をB_2SQモデルに投入し、実社会の傾向とモデルの挙動との整合性を検証した。この結果、現状で自動車利用率が最も高く(約36%)、次いでバス(約31%)、船舶(約14%)、MRT(8%)の順になり、概ねモデルがバンコク首都圏の現状を再現することに成功した。これを踏まえて、軌道系輸送機関の交通ネットワークの強化変数を投入した結果、各交通機関別の利用率が自動車(約32%)、バス(約30%)、BTS(約14%)、MRT(約13%)に変化し、主要交通機関へのアクセシビリティの向上によって、道路系輸送機関の利用率が全体で約5%の減少効果が見られた。そして、バンコク中心部に8つのサブコアを配置した状況下において、各サブコアとバンコク都心部を軌道系輸送機関でネットワーク化させた状況で各交通負担率を検証したところ、自動車(約30%)、バス(約30%)、BTS(約15%)、MRT(約14%)に変化したことから、都心部周辺にサブコアとしての小規模都市を配置する都市のコンパクト化と併せて、サブコアと都心部を軌道系輸送機関によって結び、交通ネットワーク密度を高めることによって、自動車利用の抑制と軌道系交通機関の利用が拡大することが明らかになった。

この結果、現状で自動車利用率が最も高く(約36%)、次いでバス(約31%)、船舶(約14%)、MRT(8%)の順になり、概ねモデルがバンコク首都圏の現状を再現することに成功した。これを踏まえて、軌道系輸送機関の交通ネットワークの強化変数を投入した結果、各交通機関別の利用率が自動車(約32%)、バス(約30%)、BTS(約14%)、MRT(約13%)に変化し、主要交通機関へのアクセシビリティの向上によって、道路系輸送機関の利用率が全体で約5%の減少効果が見られた。そして、バンコク中心部に8つのサブコアを配置した状況下において、各サブコアとバンコク都心部を軌道系輸送機関でネットワーク化させた状況で各交通負担率を検証したところ、自動車(約30%)、バス(約30%)、BTS(約15%)、MRT(約14%)に変化したことから、都心部周辺にサブコアとしての小規模都市を配置する都市のコンパクト化と併せて、サブコアと都心部を軌道系輸送機関によって結び、交通ネットワーク密度を高めることによって、自動車利用の抑制と軌道系交通機関の利用が拡大することが明らかになった。平成17年度は、成果公開よりもシミュレーション・モデルの基本設計と開発に焦点をあて、以下の二点を実施した。サブ課題1:都市居住者が不可避なリスクとメカニズムのモデル開発都市は、自然環境を消費しながら、様々な機能を集積させている。結果、都市居住者の利便性・快適性は向上したが、人口の集中に伴う様々な問題を発生させている。本研究はコンパクトシティを想定し、途上国の都市居住者が不可避なリスクを自然環境、社会・経済的環境面から環境共生を解く鍵として同定し、これらリスクが発生するメカニズムのモデルを開発・実装することをサブ課題1と設定して、以下のモジュール別の作業を行った。サブ課題1のモジュール(1)都市におけるリスクの同定とデータ収集のための調査とデータ入力(2)都市におけるリスク因子の定量化と都市の社会経済活動に関する変数の設計(3)都市環境共生の政策変数の導出と設計(4)政策評価支援システムのプロトタイプの開発(5)環境共生を考慮した都市環境評価指標の設計・開発サブ課題2:大規模な非線形動学モデルのシミュレーションの実装現在までの研究成果として開発された幾つかの都市の社会経済モデル及びシミュレータを複合型の統合システムとして構築する作業を開始した。特に平成17年度は、大規模な非線形動学モデルのシミュレーションの実装のモデル開発をにらみ、以下のモジュール別に示す基本プログラミングにとりかかった。・サブ課題2のモジュール(1)SOARS環境に持続可能な地域開発計画システムとコンパクトシティシステムの統合(2)環境、災害、土地利用、公衆衛生、健康、人口移動、スラムなどを変数とする社会・経済シミュレーションの拡張・開発・統合以上の開発に専念したため、研究成果の公表は今年度はない。本研究は、今後20年間に約1.5倍に増加することかが予想される途上国の都市人口と、それに伴って必要とされる都市開発に対するコンパクトシティ政策適用の妥当性と適用方策を検討することを目的としたものである。
アレルギー性疾患予防のためのトビケラ目大量飛来時期高精度予測手法の開発

ヒゲナガカワトビケラ(Stenopsyche marmorata)幼虫が作る巣網、捕獲網、巣糸タンパク質(Larval Net Protein, LNP)をコードする遺伝子を同定し、野外個体群の遺伝子発現量を測定し、河川からの大量羽化時期の予測に応用できないかを検討した。その結果、大量に成虫となって羽化する時期(水温の高い6月9月)に、Smsp-4の発現量が多くなることが示唆された。LNP遺伝子発現量とヒゲナガカワトビケラ幼虫の齢別解析の結果が良く一致するため、LNPの遺伝子発現を利用した新しいライフサイクルアセスメントへの応用が可能となった。(1)ヒゲナガカワトビケラ絹糸腺タンパク質Smsp-2,-3,-4のN末端アミノ酸配列をもとに設計した縮重プライマーを用いたPCR法により、絹糸腺cDNAライブラリーから各遺伝子のクローニングを試みた。現状では、Smsp-2,-3,-4遺伝子のクローニング成功には至っていないが、共通モチーフ配列を持つ遺伝子群や、相同配列未知の数種の新規遺伝子のクローニングに成功した。今後、当初予定の各遺伝子のクローニングを進めるとともに、新規遺伝子についても、リアルタイムPCR法での検出・定量を検討する。(2)Smsp-1の完全精製に成功し、部分アミノ酸配列解析およびアミノ酸組成分析を行った結果、カイコ・クモ由来の絹関連タンパク質と明確に異なることが示唆された。(3)冬期および夏期に生物試料採集し、絹糸線リボゾーム活性を比較した結果、夏期のほうが冬期に比べて顕著に高いことが判明した。(4)上記(3)と関連して、絹糸腺内タンパク質組成を調査した結果、特にSmsp-1含量が冬期では減少することが分かった。以上(1)-(4)の結果を合わせ、次年度における研究計画推進に必要となる基礎知見が得られた。千曲川中流域におけるヒゲナガカワトビケラ幼虫の流程分布を幼虫調査、ならびに成虫調査を併用することにより明らかにした。分布は特定地域に集中し、幼虫の齢組成の解析結果から年2世代を過ごす生活史であることが明らかになった。一方、ヒゲナガカワトビケラ幼虫絹糸腺に存在する4種のシルクタンパク質の内、Stenopsyche marmorata silk protein (Smsp)-1の精製に成功した。Smsp-1のアミノ酸配列を分析した結果、次のことが明らかになった。(i)分子量380kDaの酸性タンパク質。(ii)280-300アミノ酸残基の長周期構造。(iii)(ii)の繰返部分の上流に位置する10数残基の配列は、Serが交互に出現するパターンを持ち、部分的にホスホリル化を受けている。(iv)長周期構造の3割程は、40-41残基の特定パターンを持つ配列で占められ、この部分のSer残基は非常に高頻度にホスホリル化を受けている。(v)Smsp-1の長周期構造には、カイコ由来のFibroin Hとの類似性はほとんど見られないので、トビケラ類シルクタンパク質は、水中における独自の繊維形成機構を持つことが示唆された。以上の知見は、(vi)Smsp-1の発現量およびホスホリル化頻度の年間推移を定量することで、トビケラ類の地域集団における蛹化同期時期を予想できることを示している。4種のSmspのN末端アミノ酸配列をもとに設計した縮重プライマーを用いて、絹糸腺cDNAライブラリーから各遺伝子のクローニングを行った。その結果、Smsp-2,Smsp-3,Smsp-4をコードするcDNAのクローニングに成功し、また、Smsp-1のC末端断片をコードするcDNAクローンも獲得した。そこで、これらの配列を元にプライマーを設計し、2011年4月から翌年1月の間、月毎に5齢幼虫を採集して、リアルタイムPCRにより遺伝子発現解析を行った。その結果、Smsp-2発現量の変動は非常に大きく、また、Smsp-4発現量は夏季に比較的多く、冬季には減少する傾向が見られ、幼虫巣網を形成するシルク蛋白質組成は時季により変動している可能性が示唆された。トビケラ目昆虫(Stenopsyche marmorata)の造網性幼虫が作る巣網や捕獲網(ネット)・巣糸タンパク質(Larval Net Protein, LNP)およびそれをコードする遺伝子を同定し、野外個体群の遺伝子発現量を定量測定した。本研究の目的は、遺伝子発現量の季節変化から、新しいライフサイクルアセスメント法を開発することである。研究手法として、まず、クローニングしたSmsp-14のcDNA配列を用いて、特異的に検出・定量が可能なPCRプライマーを設計した。次に、毎月定期的にサンプリングしたS. marmorata幼虫の絹糸腺からmRNAを抽出し、逆転写酵素を用いて調製したcDNAを鋳型としてリアルタイムPCR法により遺伝子定量解析を行った。

その結果、Smsp-1及びSmsp-3は比較的安定して発現しているのに対し、Smsp-2とSmsp-4の発現量変動が非常に大きい傾向が見られた。特に、Smsp-4発現量は夏季に比較的多く、冬季には減少する傾向が見られ、幼虫巣網を形成するシルク蛋白質遺伝子は季節により変動していることが示唆された。一方、S. marmorata幼虫の齢別解析を野外個体群について行ったところ、春期には、5齢幼虫が水中の有機物を集めるための捕獲網を石間に張り、活発な摂食行動を行うのに対して、夏期には、多くの5齢幼虫が蛹となるために石管を礫上に作成した。石管形成後1週間程度で、羽化して成虫となることが明らかとなった。水温の高い6月9月にかけて大量に成虫となって羽化する時期に、Smsp-4の発現量が多くなることが示唆された。以上のことより、LNP遺伝子発現量(特にSmsp-4の変動)と齢別解析の結果が良く一致するため、他の個体群での確認が必要ではあるが、LNPの遺伝子発現解析を利用した新しいライフサイクルアセスメント法への応用が可能となった。当初予定のとおり、(1)トビケラ類シルクタンパク質4種(Smsp-1-4)の生化学的分析手法確立および遺伝子クローニング、(2)リアルタイムPCRを用いるシルクタンパク質発現量の年間推移、(3)複数のトビケラ類地域集団における生活環記録と相互作用類推は成功裏に完了した。実績概要記載事項(vi)の知見を得るための抗Smsp-1抗体およびその他の実験用部材調達も終了した。24年度が最終年度であるため、記入しない。最終年度は、達成度記載事項1-3により得られた知見、および、実績概要記載事項(vi)の実験データを体系化して、トビケラ類の生活環および絹糸腺内の生理・生化学的状態の年間推移を分析することにより、成虫への羽化が大量同期的に生じる時期および地域集団を特定または予想のためのアルゴリズム・手法の開発と評価を行う。当初計画の変更もしくは問題点は現時点ではない。実績概要記載事項(vi)の実験は、抗Smsp-1抗体、抗ボスホセリン抗体、および、Phos-tagを用いるELISA法により実施する。定期的にサンプリングした凍結保存絹糸腺試料を所有しているので、実験実施の支障はない。
乱れた二次元超伝導薄膜の超伝導-絶縁体転移

乱れをパラメータとして起こる超伝導-絶縁体転移の問題を、我々は超高真空中において極低温基板に高融点金属Nbを急冷蒸着して作成したアモルファスNb超薄膜の電気伝導度を超高真空「その場」測定することによって研究してきた。この方法で3Å程度の厚さから0.1Åオーダーで膜厚を制御してアモルファスNb超薄膜を作成することができ、超伝導-絶縁体転移に関して精密実験が可能となった。アモルファスNb薄膜の平均場超伝導転移温度(T_<co>)とKosterlitz-Thouless転移温度(T_<KT>)を測定した。膜厚を小さくしてゆくとT_<co>低下してゆく。超伝導が消失する超伝導膜の面電気抵抗値は、h/4e^2(約6.4kΩ)に近いが普遍的な値ではないことを示した。T_<KT>の膜厚依存性の測定は、今までに測定されたことのないものであるが、膜厚を薄くして行くとT_<KT>のほうがT_<co>よりはやく零になることを見つけた。このことは、ク-パ-対は存在するが位相の揺らぎが大きく超伝導が破壊されている新しい相の発見と考えられる。この成果は、朝光敦君が、1994年3月東京工業大学理工系大学に博士論文として提出し、博士の学位が与えられた。また、T_<co>より上の温度における精密な電気伝導度測定によって超伝導揺らぎに対する電子局在の効果を研究した。この二つの成果は、49回の日本物理学会年会(福岡)において発表された。さらに、超伝導薄膜のT_<co>が膜厚とともに低下する理由は未解決の問題であり、それを解明するために、我々のアモルファスNb超伝導薄膜に、常伝導金属Agを0.1Åのステップで蒸着しその低下のAg膜厚依存性を測定した。超伝導近接効果として説明できる。この結果は50回日本物理学会年会(神奈川)において発表する予定である。二次元金属薄膜における超伝導-絶縁体転移即ち電子局在と超伝導との間の関係について調べるため、(1)膜の乱れを系統的に変化させる、(2)I-V特性等を測定して超伝導揺らぎを密度に測定する、(3)超伝導第二臨界磁場やコヒーレンス長等の超伝導パラメーターを求める、等の実験を行った。急冷蒸着によって乱れのある膜を系統的に作製できた。高融点金属Nbの急冷蒸着によってはアモルファス膜、融点の低いInの急冷蒸着によってはグラニュラー膜が作製できることがわかった。前者は、超高真空中で約3A^^°という1,2原子層膜厚から膜厚を制御して作製できる。後者のIn膜は70100Kでアニールすることにより「つながり具合い」を変えることができる。装置の改良としては、5T超伝導磁石と1.5Kヘルウム冷却器を超高真空蒸着装置に組みこんだ。これにより、本科研費で購入したnVの分解能をもつ精密電圧測定器を用い、a-Nb膜の磁場中での超伝導ゆらぎ第二臨界磁場を測定することが可能となった。Hc_2は約60KG、超伝導コヒーレンス長は約90A^^°であった。また、Tc以上では超伝導複素秩序パラメーターの大きさの揺ぎ(ALメカニズム)が観測、膜厚により2次元から3次元に移行する様子がわかった。

Tc以下ではI-V特性を測定することにより秩序パラメータの位相の揺らぎに帰因するKT転移が観測された。今後、さらに低温で超伝導-絶縁体近傍の超伝導膜において超伝導秩序パラメーターの大きさの揺らぎと位相の揺らぎがどのような関係にあるかが一つの研究テーマとなる。a-Nbの実験の一部は、1992年日本物理学会(東京大学)で発表、揺らぎ等の詳しい報告及びIn膜の結果は、1993年春の日本物理学会(東北大学)で発表の予定である。乱れのある二次元超伝導体において乱れの度合いを大きくしてゆくと電子は極在し絶縁体となると考えられる。絶対零度においてこれは乱れの度合いをパラメーターとして起こる相転移と考えられ、超伝導-絶縁体転移の問題とよばれる。我々は超高真空蒸着装置中Nb原子を蒸発させそれを液体ヘリウム温度の基板に急冷蒸着させることによって、3A程度の厚さから0.1Aのオーダーで膜厚をコントロールしてアモルファスNbの超薄膜を作成することに成功していた。この一連のa-Nb膜を用いて上記の超伝導-絶縁体転移を実験的に研究した。零磁場下の二次元超伝導体では二つの転移が観測される。秩序変数は複素数で表されるが、その大きさの揺らぎがおさまりクーパー対が十分多数作られる平均場転移温度(T_<c0>)と、さらに低い温度において熱励起されて生ずる渦と反渦が結合し位相の揺らぎがなくなるKosterlitz-Thouless転移温度(T_<KT>)の二つである。本年度、膜厚を系統的に変えてT_<c0>とT_<KT>がいかに変化するかを調べた。膜厚を薄くしてゆくとT_<KT>のほうがT_<c0>よりはやく零になることがわかった。これはクーパー対は十分多く存在するが位相の揺らぎにより超伝導が破壊されている新しい相の発見と考えられる。この結果は、第20回低温物理国際会議に発表し注目を集めた。乱れをパラメータとして起こる超伝導-絶縁体転移の問題を、我々は超高真空中において極低温基板に高融点金属Nbを急冷蒸着して作成したアモルファスNb超薄膜の電気伝導度を超高真空「その場」測定することによって研究してきた。この方法で3Å程度の厚さから0.1Åのオーダーで膜厚を制御してアモルファスNb超薄膜を作成することができ、超伝導-絶縁体転移に関して精密実験が可能となった。アモルファスNb超薄膜の平均場超伝導転移温度(T_<C0>)とKosterlitz-Thouless転移温度(T_<KT>)を測定した。膜厚を小さくしてゆくとT_<C0>低下してゆく。超伝導が消失する超伝導膜の面電気抵抗値は、h/4e^2(約6.4kΩ)に近いが普遍的な値ではないことを示した。T_<KT>の膜厚依存性の測定は、今までに測定されたことのないものであるが、膜厚を薄くして行くとT_<KT>のほうがT_<C0>よりはやく零になることを見つけた。このことは、ク-パ-対は存在するが位相の揺らぎが大きく超伝導が破壊されている新しい層の発見と考えられる。この成果は、朝光敦君が、1994年3月東京工業大学理工系大学に博士論文として提出し、博士の学位が与えられた。また、T_<C0>より上の温度における精密な電気伝導度測定によって超伝導揺らぎに対する電子局在の効果を研究した。この二つの成果は、49回の日本物理学会年会(福岡)において発表された。さらに、超伝導薄膜のT_<C0>が膜厚とともに低下する理由は未解決の問題であり、それを解明するために、我々のアモルファスNb超伝導薄膜に、常伝導金属Agを0.1Åのステップで蒸着しその低下のAg膜厚依存性を測定した。超伝導近接効果として説明できる。
超伝導複合体ｄ－ｄｏｔにおける半整数量子磁束の構造解析及び量子ビットへの応用

ナノ構造超伝導複合体d-dotは、s-波超伝導体に微細なd-波超伝導体が埋め込まれた構造をもち、低温化で超伝導状態に転移させるだけで、コーナー接合部分に半整数に量子化された磁束を自発的に生じさせる。先行研究において、2成分Ginzburg-Landau方程式を用いることで、半整数量子磁束が生じることが、現象論的に再現されている。しかし、いくつかの実験における磁場分布の測定結果は、計算とは異なった結果を示している。これは、先行研究では、等方的かつ2次元の系で計算を行っているため、実際の試料に含まれる異方性や欠陥、3次元的な構造による影響を考慮できないからであると考えられる。本研究では、d-dotのシミュレーションモデルを以下のように拡張した。まず、有効質量の異方性を導入することで、拡張された2成分Ginzbug-Landau方程式を導出した。次に、d-波超伝導の領域内に、有効質量が入れ替わる領域を構成することで、考慮すべき重要な欠陥であると考えられる双晶境界を、モデルの中に取り入れた。また以上の改良とは別に、体積座標を用いた有限要素法によって、従来のモデルを3次元へと拡張した。なお、シミュレーションは、Fortranによるプログラムで計算を行い、Mathematica11によって可視化と分析を行なった。拡張された計算モデルを用いたシミュレーションによって、双晶境界の両端において付加的な磁束が生じることが理論的に明らかとなった。また、この付加的な磁束が生じるメカニズムを理論的に明らかにした。3次元へと拡張した計算モデルにおけるシミュレーション結果からは、c-軸方向の異方性が、d-dotにおける半整数量子磁束の発生に寄与していることが示唆された。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。3次元へと拡張した計算モデルにおけるシミュレーション結果からは、従来の2次元モデルでは得られていない磁場分布を得ることができた。この結果から、c-軸方向への有効質量の異方性も考慮に入れるべきであるという知見が得られた。当初の計画では、「d-dotのシミュレーションモデルの3次元への拡張」と「ランダウ・ツェナー転移を用いたアダマールゲートの構成」の2点を目標としていた。当該年度中において、3次元モデルへの拡張については、その基礎部分を構築することができたが、アダマールゲートの構成については、大きな進展が得られていない。しかし、有効質量の異方性を導入した2次元モデルを用いたしシミュレーションによって、双晶境界による影響について、予想以上の知見を得ることができた。また、初期値を工夫することによって、以前から指摘されていた準安定状態、すなわち、双晶境界を境にオーダーパラメータの位相がπ変化するような状態が得られつつある。これまでに得られた研究成果は、3つの国際学会及び8つの国内学会で発表を行うことができた。双晶境界に関する知見は、論文として次年度にまとめることができそうである。また、年度末に参加したアメリカ物理学会と日本物理学会において、量子情報分野、及び量子ビットのハードウェア面での有益な知見を得ることができた。

まず、有効質量の異方性を導入することで、拡張された2成分Ginzbug-Landau方程式を導出した。次に、d-波超伝導の領域内に、有効質量が入れ替わる領域を構成することで、考慮すべき重要な欠陥であると考えられる双晶境界を、モデルの中に取り入れた。また以上の改良とは別に、体積座標を用いた有限要素法によって、従来のモデルを3次元へと拡張した。なお、シミュレーションは、Fortranによるプログラムで計算を行い、Mathematica11によって可視化と分析を行なった。拡張された計算モデルを用いたシミュレーションによって、双晶境界の両端において付加的な磁束が生じることが理論的に明らかとなった。また、この付加的な磁束が生じるメカニズムを理論的に明らかにした。3次元へと拡張した計算モデルにおけるシミュレーション結果からは、c-軸方向の異方性が、d-dotにおける半整数量子磁束の発生に寄与していることが示唆された。3次元モデルを用いた計算において、有効質量が等方的な場合には、半整数量子磁束の反強磁性的配列を得ることができなかった。しかし、c-軸方向に有効質量の異方性を導入することによって、反強磁性的な分布を得ることができた。しかし、この分布は、2次元モデルにおいて得られている分布と異なる点があり、3次元モデルのさらなる改良が求められる。これまでに得られた研究成果は、3つの国際学会及び4つの国内学会で発表を行うことができた。双晶境界に関する知見は、論文として投稿中である。また、年度末に参加したアメリカ物理学会と日本物理学会において、量子情報分野、及び量子ビットのハードウェア面での有益な知見を得ることができた。加えて、アルゴンヌ国立研究所での3ヶ月間の留学中では、大規模な磁束シミュレーションを行うための基礎となる有限差分法による取り扱いや、NVIDIA製GPUを用いた並列計算を実装するためのCUDAについて学ぶことができ、これらの知見は、今後d-dotモデルのシミュレーションの大規模化、高速化に応用できると期待される。ナノ構造超伝導複合体d-dotは、s-波超伝導体に微細なd-波超伝導体が埋め込まれた構造をもち、低温化で超伝導状態に転移させるだけで、コーナー接合部分に半整数に量子化された磁束を自発的に生じさせる。先行研究において、2成分Ginzburg-Landau方程式を用いることで、半整数量子磁束が生じることが、現象論的に再現されている。しかし、いくつかの実験における磁場分布の測定結果は、計算とは異なった結果を示している。これは、先行研究では、等方的かつ2次元の系で計算を行っているため、実際の試料に含まれる異方性や欠陥、3次元的な構造による影響を考慮できないからであると考えられる。本研究では、d-dotのシミュレーションモデルを以下のように拡張した。
コンピュータビジョンによる水中物体のセンシング

本研究では,(1)レーザレンジファインダを用いた回転台上の水中物体の計測,(2)移動式レーザレンジファインダによる水中物体の計測,(3)ステレオカメラによる気泡など浮遊物ノイズに対してロバストな水中物体の計測,を行った.(1)については,レーザ照射装置とCCDカメラからなるレーザレンジファインダを構築し,水槽物体に光を照射することにより,水中物体の3次元位置・形状を計測した.ここでは,立方体や円柱など比較的簡単な物体の計測を目的とし,1台のCCDカメラにより物体に照射された光を追跡し,3次元位置・姿勢の計算を行った.具体的には,光線追跡に基づき,左右のカメラにおいて光線上にある点の関係式を求め,キャリブレーション誤差やノイズの影響を除去するために,統計的手法を用いて誤差が最小となる観測パラメータを決定した.また,水槽に対するレーザレンジファインダの設置条件(設置角度)に制約を加えることにより,計算時間の短縮と精度の向上を図った.(2)については,マニピュレータの手先にCCDカメラを設置し,水槽の周囲を効率良く移動しながら水中物体を計測する手法を構築した.ここでは,マニピュレータを移動させながら連続画像を取得し,それらの画像合成を行い1枚の画像にした後に,水中物体の3次元位置・形状の推定を行うことにより,精度が高く矛盾のない結果を得る手法を構築した.(3)については,気泡などのノイズが存在する水中環境に対してロバストな計測手法を構築した.具体的には,時系列画像からノイズのみを除去し,ステレオカメラを用いて3次元計測を行う手法を構築した.以上に関してそれぞれ実験を行い,提案手法の有効性を確認した.本研究では,(1)レーザレンジファインダを用いた回転台上の水中物体の計測,(2)移動式レーザレンジファインダによる水中物体の計測,(3)ステレオカメラによる気泡など浮遊物ノイズに対してロバストな水中物体の計測,を行った.(1)については,レーザ照射装置とCCDカメラからなるレーザレンジファインダを構築し,水槽物体に光を照射することにより,水中物体の3次元位置・形状を計測した.ここでは,立方体や円柱など比較的簡単な物体の計測を目的とし,1台のCCDカメラにより物体に照射された光を追跡し,3次元位置・姿勢の計算を行った.具体的には,光線追跡に基づき,左右のカメラにおいて光線上にある点の関係式を求め,キャリブレーション誤差やノイズの影響を除去するために,統計的手法を用いて誤差が最小となる観測パラメータを決定した.また,水槽に対するレーザレンジファインダの設置条件(設置角度)に制約を加えることにより,計算時間の短縮と精度の向上を図った.(2)については,マニピュレータの手先にCCDカメラを設置し,水槽の周囲を効率良く移動しながら水中物体を計測する手法を構築した.ここでは,マニピュレータを移動させながら連続画像を取得し,それらの画像合成を行い1枚の画像にした後に,水中物体の3次元位置・形状の推定を行うことにより,精度が高く矛盾のない結果を得る手法を構築した.(3)については,気泡などのノイズが存在する水中環境に対してロバストな計測手法を構築した.具体的には,時系列画像からノイズのみを除去し,ステレオカメラを用いて3次元計測を行う手法を構築した.以上に関してそれぞれ実験を行い,提案手法の有効性を確認した.本年度は,(1)屈折境界面が平面の場合における観測パラメータ決定,(2)レーザーレンジファインダを用いた水中物体の計測,(3)移動カメラによる水中物体の計測を行った.(1)については,カメラの保護ガラス面や水槽壁面など,屈折率が不連続となる境界面とカメラとの位置関係を計測する手法を構築した.ここでは,2台のCCDカメラと画像処理ボード(申請物品)によりステレオビジョンシステムを構築し,レーザー光源を用いて,カメラ同士の位置関係やレーザー光源との位置関係を求めた.具体的には,光線追跡に基づき,左右のカメラにおいて光線上にある点の関係式を求め,キャリブレーション誤差やノイズの影響を除去するために,統計的手法を用いて誤差が最小となる観測パラメータを決定した.(2)については,レーザーレンジファインダを用い,水槽物体に光を照射することにより,水中物体の3次元位置・形状を計測した.ここでは,立方体や円柱など比較的簡単な物体の計測を目的とし,1台のCCDカメラにより物体に照射された光を追跡し,3次元位置・姿勢の計算を行う.また,水槽に対するレーザーレンジファインダの設置条件(設置角度)に制約を加えることにより,計算時間の短縮と精度の向上を図った.(3)については,マニピュレータの手先にCCDカメラを設置し,水槽の周囲を効率良く移動しながら水中物体を計測する手法を構築した.ここでは,マニピュレータを移動させながら連続画像を取得し,それらの画像合成を行い1枚の画像にした後に,水中物体の3次元位置・形状の推定を行うことにより,精度が高く矛盾のない結果を得た.本研究では,(1)レーザレンジファインダを用いた回転台上の水中物体の計測,(2)移動式レーザレンジファインダによる水中物体の計測,(3)ステレオカメラによる気泡など浮遊物ノイズに対してロバストな水中物体の計測,を行った.(1)については,レーザ照射装置とCCDカメラからなるレーザレンジファインダを構築し,水槽物体に光を照射することにより,水中物体の3次元位置・形状を計測した.ここでは,立方体や円柱など比較的簡単な物体の計測を目的とし,1台のCCDカメラにより物体に照射された光を追跡し,3次元位置・姿勢の計算を行った.具体的には,光線追跡に基づき,左右のカメラにおいて光線上にある点の関係式を求め,キャリブレーション誤差やノイズの影響を除去するために,統計的手法を用いて誤差が最小となる観測パラメータを決定した.

また,水槽に対するレーザレンジファインダの設置条件(設置角度)に制約を加えることにより,計算時間の短縮と精度の向上を図った.(2)については,マニピュレータの手先にCCDカメラを設置し,水槽の周囲を効率良く移動しながら,水中物体を計測する手法を構築した.ここでは,マニピュレータを移動させながら連続画像を取得し,それらの画像合成を行い1枚の画像にした後に,水中物体の3次元位置・形状の推定を行うことにより,精度が高く矛盾のない結果を得る手法を構築した.(3)については,気泡などのノイズが存在する水中環境に対してロバストな計測手法を構築した.具体的には,時系列画像からノイズのみを除去し,ステレオカメラを用いて3次元計測を行う手法を構築した.以上に関してそれぞれ実験を行い,提案手法の有効性を確認した.
南極氷床に刻みこまれた銀河系内超新星爆発と太陽活動の歴史の解明

南極大陸の「ドームふじ基地」で掘削された氷床コアを用いると、過去100万年間観測したのと同等な、天の川銀河系内超新星爆発と太陽活動の情報を得られる可能性がある。現在、過去72万年分の氷床コアが国立極地研究所に保存され、さらに、過去100万年以上を目指した氷床コアの掘削計画が進行中である。この過去100万年スケールの銀河系内超新星の爆発頻度と太陽活動の歴史を解明するため、天文学とは異なる分野と連携し、世界初の「南極氷床コア自動レーザー溶融装置」のプロトタイプ機を3年で開発する。又、既に取得済みのドームふじ氷床コアデータを解析し、銀河系内超新星爆発の痕跡と太陽活動の周期及び強度、その気温との相関を解明することが本研究の目的である。平成30年度は、昨年度から引き続き本研究課題の第2年度として、基本設計し本予算措置にて納品された「氷床コア及びレーザー投光採水ユニットの自動送り装置」を用い、レーザー融解された水の採水効率向上のため、「採水ユニット」のノズルや採水バッファーに改良を加えつつ、基礎実験を行った。これにより、氷床コアを模したダミー氷をレーザー融解して試料として自動採水する世界初の基礎実験に成功した。特筆すべき成果の一つとして、ノズルを静止させレーザーをダミー氷に照射した場合、氷の融解孔が径・深さともに定常状態に達することを実験的、および理論シミュレーションで確認できたことが挙げられる。又、実用化に向けて、乗り越えるべき課題が明確になった。レーザーを用いた上記の氷床コア分析の空間分解能は、mmスケール(ドームふじ氷床コアでは1ヶ月オーダーの時間分解能)となる。本基礎実験の過程において、当初予定していなかった、長尺(3,000m超)のドームふじ氷床コアを2-3cmスケール(約1年の時間分解能に相当。但し分解能は自在に設定可能)で自動サーベイできる新しいアイデアも生まれた。氷床コアを模したダミー氷をレーザー融解して研究試料として自動採水する世界初の基礎実験に成功した。実用化に向けて乗り越えるべき課題として、当初予期されていなかった、氷中の不純物の扱いに関連するレーザーの制御、レーザーファイバーの扱いがあることがわかり、現在対策中である。開発中のプロトタイプ装置を用い、実用化に向けさらに装置の研究開発を推進する。乗り越えるべき課題として、当初予期されていなかった、氷中の不純物の扱いに関連するレーザーの制御、レーザーファイバーの扱いがあることがわかり、現在対策中であるが、解決に向けての見通しが得られたところである。今後は、これらの対策を講じた上で、ダミー氷を用いた連続採水、さらに実際の南極氷床を用いた連続採水と実際の分析へと研究開発を進行させる。

平成30年度は、昨年度から引き続き本研究課題の第2年度として、基本設計し本予算措置にて納品された「氷床コア及びレーザー投光採水ユニットの自動送り装置」を用い、レーザー融解された水の採水効率向上のため、「採水ユニット」のノズルや採水バッファーに改良を加えつつ、基礎実験を行った。氷床コアを模したダミー氷をレーザー融解して研究試料として自動採水する世界初の基礎実験に成功した。実用化に向けて乗り越えるべき課題として、当初予期されていなかった、氷中の不純物の扱いに関連するレーザーの制御、レーザーファイバーの扱いがあることがわかり、現在対策中である。レーザーを用いた上記の氷床コア分析の空間分解能は、mmスケール(ドームふじ氷床コアでは1ヶ月オーダーの時間分解能)となる。本基礎実験の過程において、当初予定していなかった、長尺(3,000m超)のドームふじ氷床コアを2-3cmスケール(約1年の時間分解能に相当。但し分解能は自在に設定可能)で自動サーベイできる新しいアイデアも生まれた。南極大陸の「ドームふじ基地」で掘削された氷床コアを用いると、過去100万年間観測したのと同等な、天の川銀河系内超新星爆発と太陽活動の情報を得られる可能性がある。現在、過去72万年分の氷床コアが国立極地研究所に保存され、さらに、過去100万年以上を目指した氷床コアの掘削計画が進行中である。この過去100万年スケールの銀河系内超新星の爆発頻度と太陽活動の歴史を解明するため、天文学とは異なる分野と連携し、世界初の「南極氷床コア自動レーザー溶融装置」のプロトタイプ機を3年で開発する。又、既に取得済みのドームふじ氷床コアデータを解析し、銀河系内超新星爆発の痕跡と太陽活動の周期及び強度、その気温との相関を解明することが本研究の目的である。平成29年度は、本研究課題の初年度として、まず実験場所となる「プレハブ冷凍庫」(低温室、ー20°C)についてのスペック、及び測定装置も含む実験室レイアウト等の詳細を検討し、理化学研究所に新規実験室スペースを得てこれらを導入した(うち低温室は本予算措置による新規の導入)。あわせて氷床コアのレーザー融解装置の基本設計を検討した。8月になって世界的なロボット景気のため、当該装置に当初取り付けを予定していたー20°C環境下で安定作動する自動位置決め部品が入手困難であることが判明したため、代替案として、設計変更(パラレル・リンクによる実現)を検討及び確立するため、開発に約6ヶ月の遅延が生じ、平成30年度への繰越申請を行った。新規の基本設計を平成29年11月に終え、年度内に一般競争入札を経て業者への発注を行い、平成30年度の延長期間中に上記装置が納品された。納品された装置を用いて必要な改良を施しつつ、基礎実験を進行させた。これにより、氷床コアを模したダミー氷をレーザー融解して研究試料として自動採水する世界初の基礎実験に成功した。本年度の計画の中心である「氷床コア及びレーザー投光採水ユニットの自動送り装置」の基本設計検討に関して、平成29年8月、当初取り付けを予定していたー20°C環境下で安定作動する自動位置決め部品が入手困難であることが判明した。代替案として、設計変更(パラレル・リンクによる実現)を検討及び確立するため、開発に約6ヶ月の遅延が生じ、平成30年度への繰越申請を行った。平成29年11月に設計変更を行った新規の基本設計を終え、一般競争入札を経て業者への発注(平成29年度)を行い、平成30年度の延長期間中に上記装置が納品された。
自己Q-スイッチ・コドープ導波路レーザのPLD法による作製

Two-target PLD法により、波長1.06μmのレーザ活性イオンのNd^<3+>とその波長帯に可飽和吸収を持つCr^<4+>を同一結晶中にコドープし、レーザ媒質と可飽和吸収体の2つの機能を同時に併せ持ったNd, Cr : GGG導波路薄膜の作製を行った。そして、得られたエピタキシャル薄膜の光学特性測定、数値シミュレーションにより、自己Q-スイッチ導波路レーザへ応用可能なことを示した。基板温度を300°Cにすることで、エピタキシャル成長するアブレーションフルエンスの範囲が広がり、F_<Nd>=F_<Cr>【approximately equal】0.5-1.0J/cm^2でエピタキシャル成長薄膜が得られることが分かった。また、この範囲ではフルエンスが大きい方が良好な結晶性の薄膜が得られた。膜厚5μmでエピタキシャル成長を確認した。Two-targe PLD法で作製されたYAG基板上のNd, Cr : GGGエピタキシャル薄膜の光学特性評価を行った。ここでは、薄膜の屈折率測定、導波損失測定により、導波路の特性を調べた。また、薄膜中にドープされたNd^<3+>、Cr^<4+>イオンの存在および活性イオンとしての機能を確認するため、Nd^<3+>の蛍光スペクトル、蛍光寿命、Cr^<4+>の蛍光スペクトル、吸収スペクトル測定を行った。本研究でTwo-targe PLD法により作製したNd, Cr : GGG導波路薄膜が、自己Q-スイッチ導波路レーザとして応用可能か検証するため、作製した薄膜の光学特性評価を考慮した均一励起仮定の簡易数値シミュレーションを行った。その結果、数100mWオーダーの励起でkW、kHz、sub-ns、μJオーダーの出力特性が得られることが分かり、作製したNd, Cr : GGG薄膜を用いて、シングルLD励起で高性能のQ-スイッチパルスが期待できることが示された。Cr^<4+>:YAG薄膜については、ある分圧の酸素雰囲気中でCa^<2+>イオンをイオン価数補償剤としてYAGにドープすると4価のCrイオンの濃度を増加させることができた。この成果を基礎にCr,Ndコドーピングを試みた。Two-Target PLD法を用い、それぞれのKrFレーザアブレーションフルエンスを調整し、CrとNdイオンのドープ濃度制御し、Cr/Nd比を任意に制御できた。この導波路型薄膜の光学的測定から、低光伝搬損失のエピタキシャル薄膜であった。Crの価数制御を行ない、4価が支配的になるような作製条件を明らかにした。3.自己Q-スイッチCr^<4+>,Nd^<3+>co-doped GGG導波路レーザQスイッチ発振特性の解析波長808nm発振のLDを励起源とし、この光源をシリンドリカルレンズで集光し結晶端面に入射するために対物レンズ(高NA)で絞り励起実験を行なった。計算機シミュレーションにより、当該導波路レーザのQスイッチ発振特性を数値解析した。Cr4+,Nd3+co-doped GGGスラブ型導波路レーザの自己Qスイッチ発振特性の数値解析を基礎に、実験的に改良を加えている。(1)平成12年度で作製した導波路レーザの性能を向上させた。(2)Cr^<4+>、Nd^<3+>co-doped GGGスラブ型導波路