hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ロバストパラメータ設計における統計数理的方法論の開発

ロバストパラメータ設計は使用環境条件などの誤差因子に対してロバストになるように制御因子を設計することにより,特性のばらつきを低減させる方法である.本論文では動特性のパラメータ設計に対する統計的モデリングアプローチおよび探索的設計による最適化手法を提案する.特性に対し制御因子と誤差因子の2次モデルを想定し切片のある比例式に基づく統計モデルを構築する.これにより従来の動特性に対するSN比解析を拡張し最適化を行った.さらに降雪地域用タイヤの発泡ゴムの実験の事例を用いて,その方法論の有効性を検証した.ロバストパラメータ設計の目的は誤差因子を意図的に設定し,設計パラメータ(制御因子)と誤差因子の有効な交互作用を見つけ,その制御因子の水準選択によって特性ないしは機能のばらつきを低減させることである.Fisher流実験計画法では平均の変化に興味があり,パラメータ設計では乖離の減衰を第一義とする.本研究ではその目的を達するために通常のSN比解析に加え統計的モデリングアプローチを大きく2つに分けて議論した.(i)平均&ばらつきモデリング(ii)応答関数モデリング(i)は直積実験データに対し誤差因子を単なる繰り返しとみなし平均と分散を計算する.これをあらためて特性値とみなし,それぞれ制御因子の関数として同時要因解析を行う方法である.ここでばらつきの測度として他にSN比などの要約統計量も考えられる.一般に2段階設計法においてばらつきの測度として何を採用するかは,それと独立な調整因子の存在(PerMIA条件)に依存する.(i)は簡便的で有効な方法であるが,同時に2つの特性に縮約しているため個別の誤差因子の効果はわからない.(ii)は特性を内側直交表に割り付けた制御因子とその外側の誤差因子の関数で表現しモデリングを行う方法である.この方法は複数の誤差因子が存在するときその個々の効果が詳細に認識できることがメリットである.応答関数モデリングは誤差因子を考慮した特性の平均構造に着目する.すなわち誤差因子の水準に対応したダミー変数を用いて平均の水準間の差を乖離(効果)とみなし,それを減衰することを目的とする.モデリングアプローチでは制御因子の変数選択を行う.変数選択後は「モデル式にもとづく非線型計画問題」とみなし最適化を行う.これにより誤差因子の乖離を減衰し,目標値に近づけるという統計モデルを通じた2段階設計が可能となった.ロバストパラメータ設計は使用環境条件などの誤差因子に対してロバストになるように制御因子を設計することにより,特性のばらつきを低減させる方法である.本論文では動特性のパラメータ設計に対する統計的モデリングアプローチおよび探索的設計による最適化手法を提案する.特性に対し制御因子と誤差因子の2次モデルを想定し切片のある比例式に基づく統計モデルを構築する.これにより従来の動特性に対するSN比解析を拡張し最適化を行った.さらに降雪地域用タイヤの発泡ゴムの実験の事例を用いて,その方法論の有効性を検証した.本年度は統計的モデリングアプローチによるロバストパラメータ設計において3つの研究を行った。1つ目は、誤差因子に繰り返しがある場合の望目特性に対するパラメータ設計を行った。通常、SN比解析では制御因子の幅を技術的に意味のある範囲で広くとり常に1次モデルに限定して解析が行われてきた。このためにモデルのあてはまりの悪さなどによる影響で再現性の確保が困難になってしまう場合がある。そこで、本研究では積項や2次項を有する2次モデルを仮定し、平均・乖離・純誤差に分離した統計モデルを提案した。モデル選択後の設計は数理計画法に基づく探索的な最適設計を試みた。さらに「リーフスプリングス実験」の事例を用いて、その有効性を検証した。2つ目は、動特性のパラメータ設計に対する統計モデルアプローチおよび設計による最適化手法を提案した。特性に対し制御因子と誤差因子の2次モデルを想定し、それぞれ切片のある比例式における統計モデルを構築した。これにより従来の動特性に対するSN比解析を拡張する。さらに降雪地域用タイヤの発泡ゴムの実験の事例を用いて、その方法論の有効性を検証した。3つ目は、特性が平均に効果の因子やバラツキの低減効果のある因子を選択するだけでなく、制御因子と誤差因子がどのような関係にあるのかを定量的に評価を行う方法論として応答モデリングが知られている。本研究では、制御因子の積項および誤差因子間の交互作用を考慮したモデルに拡張する。これら提案した方法論を用いて「レイヤーグロース実験」を用いて検証する。最後に、一般にシステムは複数の機能を持っている。SN比解析では、それをサブシステムに分解しそれらが独立に最適化が行われることが多い。しかし、実際には特性間のトレードオフの関係が多く存在する。このような多特性最適化に関して上記の3つの統計的モデリングに探索的設計を組み合わせた方法論が有効性を検証した。得られた研究成果を論文にまとめ積極的に論文投稿および学会発表を行った。また、社会還元のため、学部・大学院向けのロバストパラメータ設計の専門書、産業界の技術者に向けた教科書の執筆を行った。また提案した方法論を実装するため統計解析および最適化のためのソフトウェアを開発した。バラツキ低減化のアプローチの一つとして、平均とバラツキによる(L&D)モデルを想定し、有効な制御因子と誤差因子の交互作用を探索する方法論を提案する。これは応答曲面法を用いた平均とバラツキに対する同時に最適にするためのアプローチとほとんど同じ方法論である。しかしながら、L&Dモデルはいくつか問題点ある。その1つとして誤差因子を単なる繰り返しとみなし、バラツキとして純誤差を分離していないことがあげられる。

本研究では、L&Dモデルを拡張しバラツキを乖離と純誤差に分離した平均・乖離・純誤差(LDE:Location-Divergence-Error)モデルを提案する。これにより乖離および純誤差を個別に扱うので統計的推測による特徴付けが可能となる。特に誤差因子の水準で純誤差の大きさが極端に異なる場合には個別に扱わなければならない。LDEモデルは複数の誤差因子がある場合にそれを1誤差因子多水準ではなく多元配置実験とみなす。これにより各誤差因子の主効果や因子間の交互作用を認識することが可能となる。なおLDEモデルでは制御因子が質的因子は主効果と交互作用を、量的因子では1次項のみならず積項や2次項(2次モデル)も対象とし変数選択によりモデルを決定する。SN比解析で用いられるSN比は、制御因子の水準間に優劣を与えるパフォーマンス測度として知られている。しかしながら、SN比を要約統計量として用いたときの情報縮約による損失、また誤差因子を繰り返しとみなすため複数の誤差因子が存在する場合には、どの因子がどの程度効果があるのかわからない。そこで、SN比ではなく特性そのものに対して、分散分析を用いて十分に交互作用パターンを吟味した上で、制御因子と誤差因子の間にどのような関係があるのかに興味がある。これにより、SN比解析に比べ情報損失することなく詳細な解析を行うことができる。統計的品質管理およびロバストパラメータ設計は、研究分野の性質上,理論と実践の両側面からの研究が必須である。旅費は国内外の研究打合せ、国際会議やシンポジウムの研究成果発表に必要となる(国内外旅費)。また、産業界からのパラメータ設計による技術改善の取り組み、活動報告等を通じて両者の活発な意見交換の場が必要となる(国内旅費・研究協力)。経費の明細において「旅費」等が多いのはこのためである。「設備備品費」に関しては特に必要としない。最終年度は、本研究に関する入門書・専門書および研究論文の執筆、関連するソフトウェアの開発を行い研究者や企業技術者等に配布し研究成果の普及を行う。
受精過程における卵細胞質内での精子の役割、特に精子中心体の機能に関する研究

我々はウシ卵にヒト精子を顕微授精することで、ヒト受精における精子の卵細胞質内侵入後の重要な機能の一つである精子中心体機能、すなわち精子中心体からの微小管形成能を評価し、未だ未解明な受精障害とその微小管形成能や中心体蛋白の発現異常との関連につき検討を行った。なお本研究は当院倫理委員会の承認を得て行った。まず、妊よう性のあるドナーから運動良好かつ正常形態の精子を採取しウシ卵へ顕微授精を施行して微小管形成について観察したところ82.6%の卵に微小管の形成が認められ卵の活性化、雌雄前核の形成も認められた。同様に妊よう性のあるドナーの死滅精子を用いたところ、精子中心体からの微小管形成、雄性前核の形成、卵の活性化は全く認められなかった。そこで精子中心体機能を補完する目的でDithiothreitol(DTT)による顕微授精前の精子処理と微小管重合促進剤であるpaclitaxelを顕微授精後のウシ卵に作用させ微小管形成を検討した。ヒト死滅精子にDTT処理paclitaxel処理を併せて行ったところ、精子中心体からの微小管形成、雌雄前核の形成を70.1%の卵に認め有意に中心体機能は改善された。そこで本法を不妊を呈する奇形精子症で、精子中心体機能不全を有するDysplasia of the Fibrous Sheath(DFS)に応用したところ、精子からの微小管形成が認められた卵は7.7%と改善は認められなかった。このことからDFSは死滅精子よりも精子中心体機能が高度に障害されていることが示唆された。また、中心体蛋白の一つであるCentrinの発現は妊よう性のあるDonor精子では100%発現がみられたが、DFSではわずか2%しか発現を認めず中心体機能障害の一因と考えられた。これらの手法により精子中心体機能障害の程度が把握され、新しい精子機能評価法になり得ると考えられた。妊孕性のあるボランティアからの精子、また不妊症で体外受精を行う患者で同意のとれたものを採取、凍結保存した。ウシ卵はウシ卵巣を毎週1回程度の割合いで購入し未熟卵を採取、成熟培養を行い、翌日成熟卵のみを選択し実験を行った。まず妊孕性のあるヒト精子が死滅した後に卵内で機能を発現するか否かの実験を行った。結果としては死滅精子はウシ卵内に顕微授精しても核の膨化や微小管の形成を含め、何の変化も起こさないことが確認された。この死滅精子を精子中心体機能不全モデルとし、この機能不全に対する治療として微小管重合剤であるパクリタキセル(Taxol TM)の効果を検証した。死滅精子をウシ卵内に顕微授精後、精子中心体から微小管が形成される6時間目に2mMの濃度で1時間培養、その後卵の固定を行い微小管の発現を観察したところ卵細胞質からの微小管形成は認められたが、精子頚部からの微小管の形成は認められず、パクリタキセル内で30分間の培養でも同じ結果であった。逆に2時間、3時間と培養時間を長くすると卵は変性してしまうことが明らかとなった。このことよりパクリタキセルのみでは精子中心体機能の補助には無効と思われた。そこで精子中心体機能発現の機構として1994年G Schattenらの精子が卵細胞質内に侵入した後、精子頚部のS-S結合が解離、引き続き周辺蛋白のリン酸化がおこり精子頭部から精子頚部が解し精子中心体機能が発現、すなわち微小管の形成が行われるのではないかとする考えに基づき、顕微授精前にS-S結合を解離させるDithiothreitol(DTT)で精子を処理し顕微授精した。さらに顕微授精後6時間で1時間のパクリタキセル処理を卵に行ったところ精子頚部からの微小管形成が確認された。このことよりDTTとパクリタキセルを適切な条件で使用することにより、中心体機能不全による不妊症への治療の可能性が見い出された。

そこで本法を不妊を呈する奇形精子症で、精子中心体機能不全を有するDysplasia of the Fibrous Sheath(DFS)に応用したところ、精子からの微小管形成が認められた卵は7.7%と改善は認められなかった。このことからDFSは死滅精子よりも精子中心体機能が高度に障害されていることが示唆された。また、中心体蛋白の一つであるCentrinの発現は妊よう性のあるDonor精子では100%発現がみられたが、DFSではわずか2%しか発現を認めず中心体機能障害の一因と考えられた。これらの手法により精子中心体機能障害の程度が把握され、新しい精子機能評価法になり得ると考えられた。
Learning to control brain activity pattern using real-time functional MRI: A feasibility study

本研究では、即時に脳機能状態を識別して可視化する、リアルタイム機能的MRIによる脳機能識別システムを独自に開発し、被験者が自分の脳の状態を観察しながら、目的とするパターンに制御する、つまり、ニューロフィードバック制御、の可能性について検証した。結果では、開発したシステムは、全体の処理を、画像取得時間(2秒)よりも速く行う事が出来た。3つのタスク(指を鳴らす行為を想像、語想起、引き算)について、リアルタイム機能的MRIを撮像しながら、被検者に識別、再現させるフィードバック実験では、サポートベクターマシンを用いる事により、一貫して80%以上の平均識別精度で、目的とする脳状態を再現する事ができた。生物物理工学
プロチウムをドープした合金薄膜多層膜の磁性と伝導性

軽希土類金属は水素を吸収しやすく,さらに水素含有量の増加とともに半導体化する性質を持つ.従って,軽希土類金属を含む強磁性薄膜・多層膜を作製して水素化することで,磁性体と半導体を組み合わせた新しいタイプの人工格子が作製できる.さらに水素化は格子膨張を誘発するため,水素化による軽希土類層の構造変化が,界面を通して磁性層に影響を与えると考えられ,優れた磁気特性を持つ材料が生まれることが期待される.本研究では,強磁性遷移金属(TM)としてCoを,軽希土類金属としてLaを用いた薄膜・多層膜を作製し,水素化を行い,それらの構造と磁性・伝導性を明らかにすることを目的とした.Co/La二層膜では,Pdキャップ層が無い場合,水素ガスを導入しても電気抵抗が変化しなかったが,Pdキャップ層が有る場合,水素ガス導入とともに電気抵抗が増加して一旦減少した後に,再び増加して十数分後には一定となり,水素化した.Pdのキャップ層は,水素を薄膜内に取り込む触媒の働きをしていると考えられ,Co/La薄膜の水素化にPd膜が必要であることがわかった.また,X線回折からもLa層が水素化していることが確認できた.Co/La/Co接合では,水素雰囲気中に置いた接合の電気抵抗は,時間の経過とともに増加し,La層が水素化したことが確認できた.水素化後,電気抵抗の温度変化を調べた結果,温度上昇とともに電気抵抗が減少した.従って,LaはLaHx層となり,半導体化することに成功した.Co/La多層膜では,Co膜厚を系統的に変えて磁化測定を行った結果,Co体積あたりの多層膜の飽和磁化は,バルクのCoの飽和磁化より小さく,Co膜厚とともに減少することがわかった.このことから,多層膜の界面にCo-La混合層が形成していると考えられる.多層膜を水素化したとき,飽和磁化は数%増加した.また,水素化によりX線の低角回折ピークが鋭くなったことと考えあわせると,水素化によりCo-La混合層が分解したと考えられる.軽希土類金属は水素を吸収しやすく,さらに水素含有量の増加とともに半導体化する性質を持つ.従って,軽希土類金属を含む強磁性薄膜・多層膜を作製して水素化することで,磁性体と半導体を組み合わせた新しいタイプの人工格子が作製できる.さらに水素化は格子膨張を誘発するため,水素化による軽希土類層の構造変化が,界面を通して磁性層に影響を与えると考えられ,優れた磁気特性を持つ材料が生まれることが期待される.本研究では,強磁性遷移金属(TM)としてCoを,軽希土類金属としてLaを用いた薄膜・多層膜を作製し,水素化を行い,それらの構造と磁性・伝導性を明らかにすることを目的とした.Co/La二層膜では,Pdキャップ層が無い場合,水素ガスを導入しても電気抵抗が変化しなかったが,Pdキャップ層が有る場合,水素ガス導入とともに電気抵抗が増加して一旦減少した後に,再び増加して十数分後には一定となり,水素化した.Pdのキャップ層は,水素を薄膜内に取り込む触媒の働きをしていると考えられ,Co/La薄膜の水素化にPd膜が必要であることがわかった.また,X線回折からもLa層が水素化していることが確認できた.Co/La/Co接合では,水素雰囲気中に置いた接合の電気抵抗は,時間の経過とともに増加し,La層が水素化したことが確認できた.水素化後,電気抵抗の温度変化を調べた結果,温度上昇とともに電気抵抗が減少した.従って,LaはLaHx層となり,半導体化することに成功した.Co/La多層膜では,Co膜厚を系統的に変えて磁化測定を行った結果,Co体積あたりの多層膜の飽和磁化は,バルクのCoの飽和磁化より小さく,Co膜厚とともに減少することがわかった.このことから,多層膜の界面にCo-La混合層が形成していると考えられる.多層膜を水素化したとき,飽和磁化は数%増加した.また,水素化によりX線の低角回折ピークが鋭くなったことと考えあわせると,水素化によりCo-La混合層が分解したと考えられる.
微量潤滑時に顕在化する凝着による摩擦増大を抑制する手法の開発

液体中の固体間の摩擦力を制御することを目的として,接触部の液体と固体の界面自由エネルギーが及ぼす影響を理論によるモデル化および実験によって調べた.理論では接触部の分子の運動とマクロな凝着部の破壊とを結びつけてモデル化し,摩擦時の凝着部の観察と比較し考察した.本モデルは平均的な摩擦特性は説明可能であるが,実際の摩擦時には凝着が強くなるに従い摩擦力の変動が観察され,そのような条件においては凝着に伴う変形状態を考慮に入れた動的なモデルを作成する必要があり,それが今後の課題である.近年,省資源・環境保全から潤滑油量削減や水系を含む低環境負荷潤滑剤の推奨などが求められ,一方省エネルギーから低摩擦化も強く求められている.特に潤滑能力不足から顕在化する表面間の凝着が摩擦を増大させるため,潤滑剤が微量でも凝着を抑制する手法の開発が求められている.そこで本研究課題では,応募者らが観察した摺動によって凝着界面に液体が浸入する現象を利用することで凝着を弱め摩擦力を抑制できることに着目し,そのために必要なパラメータを調べ具体的な制御手法を確立することを目的とした研究である.この目的のために,まず液体中の凝着および接触状態の観察と摩擦力の同時測定を行うことで,液体の接触部への浸入状態と摩擦特性の関係を明らかにする必要があり、初年度はそれらの測定のための準備として、さまざまな表面エネルギーの液体中における単一球状突起のしゅう動時の接触状態を観察する予備的な実験を行った。第2年度では、その結果を踏まえて、以下について行った。(1)単一球状突起の液体中のしゅう動実験初年度で行った実験について、実験条件を増やし、粘度・表面エネルギーで整理を行ったところ、液体中の凝着仕事に相当する拡張係数をパラメータとして整理できる可能性が見出された。(2)矩形突起表面にテクスチャーを施した平板のしゅう動状態を観察可能な摩擦試験機を開発し、テクスチャーの構成単位の例として矩形ブロックのしゅう動時の変形や液体の浸入状態を観察した。入り口の形状や突起の弾性率などの影響が特に滑り出しの状態に影響することが認められた。近年,省資源・環境保全から潤滑油量削減や水系を含む低環境負荷潤滑剤の推奨などが求められ,一方省エネルギーから低摩擦化も強く求められている.特に潤滑能力不足から顕在化する表面間の凝着が摩擦を増大させるため,潤滑剤が微量でも凝着を抑制する手法の開発が求められている.そこで本研究課題では,応募者らが観察した摺動によって凝着界面に液体が浸入する現象を利用することで凝着を弱め摩擦力を抑制できることに着目し,そのために必要なパラメータを調べ具体的な制御手法を確立することを目的とした研究である.この目的のために,まず液体中の凝着および接触状態の観察と摩擦力の同時測定を行うことで,液体の接触部への浸入状態と摩擦特性の関係を明らかにする必要がある.そのため,初年度はそれらの測定のための準備と予備的な実験を行った.(i)単一突起での摩擦特性測定と接触部の状態・運動の観察:まず,申請者らによる既存の摩擦試験機(単一突起と平板の摩擦および接触状態観察)を変動のある実験に適した測定系となるように改造を施した.凝着エネルギーを変化させるために,エラストマーの化学修飾による表面処理,相手ガラス表面の表面処理などを行い,連続的に広範囲に液体中の凝着力を制御可能とした.その上で,エラストマーの弾性率と凝着状態を観察し,接触状態が条件によりいくつかのパターンに分類できることが判明した.(ii)凝着界面への液体の浸入状態の可視化準備:凝着界面への液体の浸入現象を確認し考察するために必須な可視化法を検討した.接触面にわずかに浸入している液体を可視化するため,表面エネルギーにそれほど影響を与えない蛍光剤(ローダミン系)を用いる方法を試したが,液体の浸入状態はある程度わかるようになるものの,蛍光剤が表面に付着する影響など考慮すべき点も残されている.省資源・省エネルギーおよび環境保全の観点から,潤滑油量削減や水系を含む低環境負荷潤滑剤の推奨されているが、このような状況では潤滑能力不足による表面間での直接接触が凝着を生じさせ,結果的に摩擦を増大させるため,このような状況での摩擦低減技術が望まれている。本研究課題では,柔らかい弾性体が,接触面と液体の界面エネルギーのバランスによりしゅう動面へ液体を侵入させ,あるいは液体を封じ込める現象を利用して摩擦力の制御を行えるようにすることを目的としてしゅう動面の観察・摩擦力測定および理論構築を行っている。まず、エラストマーで作成した単一突起面と平滑平板との摺動面へへの表面エネルギーの異なる様々な液体を侵入させた観察を通じ,粘度・界面エネルギーの状態によって接触界面への液体侵入に様々なモードが存在し,そのモードが摩擦力に大きく関与していること,低速・低粘度といった流体潤滑による負荷能力の低い条件でも低い境界摩擦を示すことが可能であること,どの場合でも十分静止した後の滑り出しにおいて摩擦は固体間の摩擦力に依存するが、その後の摩擦力の平均値や摩擦力変動に違いがみられることなどが判明した。理論化モデル化においては、研究代表者らによる凝着摩擦モデルを拡張して適用させたところ、滑り出しや定常の摩擦力の定性的な説明は可能であるが、このモデルはあくまでもしゅう動面での摩擦力のみを推定するものであるため,観察でみられた接触形状が変動するような現象には不十分な点があり、制御への応用には課題を残している。

省資源・省エネルギーおよび環境保全の観点から潤滑油量削減や水系を含む低環境負荷潤滑剤が推奨されているが,このような条件下では潤滑能力不足によって固体表面間の直接接触部が凝着し,結果的に摩擦を増大させるため,凝着を防ぎ摩擦を低減させる技術が望まれている.その解決のため,柔らかい弾性体(エラストマー)の表面のエネルギー状態により液体を濡らしあるいは弾く性質から生じる液体を侵入・排除そして液滴の残留・封込などの現象を利用することにより,凝着による摩擦の増大または低減を制御する手法を確立することを目的とした。表面自由エネルギーの異なる液体の混合液と,疎水エラストマー表面に親水化ポリマーをグラフト処理することで界面自由エネルギーを自由に制御した実験系を作成し,界面自由エネルギーを下げることで極薄い液体膜が形成され,摩擦力を下げることが確認された.また、界面エネルギーを考慮した凝着摩擦力の理論モデルを作成し,比較したところ界面の制御に依存した摩擦力の推定を行うことが可能となり,摩擦特性を定性的に説明することが可能となった.液体中の固体間の摩擦力を制御することを目的として,接触部の液体と固体の界面自由エネルギーが及ぼす影響を理論によるモデル化および実験によって調べた.理論では接触部の分子の運動とマクロな凝着部の破壊とを結びつけてモデル化し,摩擦時の凝着部の観察と比較し考察した.本モデルは平均的な摩擦特性は説明可能であるが,実際の摩擦時には凝着が強くなるに従い摩擦力の変動が観察され,そのような条件においては凝着に伴う変形状態を考慮に入れた動的なモデルを作成する必要があり,それが今後の課題である.様々な液体中の単一突起によって,界面エネルギーの異なる摩擦実験を行うことにより、界面エネルギーの影響を考慮したエラストマーの境界摩擦特性を進展させることができた。しかし、実験や理論化を重点的に行ったが,動的な摩擦力の変動についてを含めた理論体系化には至っておらず、最終目標である理論を応用した摩擦の制御法に関してはまだ不十分であり当初の計画から遅れが生じている。機械要素・トライボロジー今までの理論化に接触形状の動的な変化を考慮にいて拡張し、単純化を施した後摩擦要素を有する単純な運動系に対する制御モデルを完成させる。単一球状突起や矩形ブロックへの影響など、基礎的なパターンにおける接触状態の観察とパラメータによる整理はできるようになり、摩擦特性を知るという基礎研究部分はある程度目処がたちつつあり、当初の目標にある程度近づけた。具体的なパラメータについてはまだであるが,弾性率,液体中の凝着強さ(拡張係数)などの影響について,評価するための試料の作製がおわっており,その試料を用いて接触状態の観察も行い,状態の分類を行うなど一定の成果が得られているため,おおむね順調といえる.液体侵入の測定実験・解析をより実用条件に近づけるために、装置の大きさや観察方法を変更し,さらにそれに見合う試料を作製したため,実験の実施が遅れその実験結果を取り入れた理論の拡張と応用を今後行うため。単一球状突起や矩形ブロックへの影響など、基礎的な研究成果について、定性的な取り扱いはある程度見えてきたので、より詳細・広範囲にパラメータを振り、一般的な摩擦特性を表す定量的関係(あるいは半定量化)で表すこと、およびその結果を摩擦制御方法に応用するという部分について、実験および理論両面で当初の方針に従ってまとめる。
浮遊性有孔虫による駿河湾北岸及び伊豆半島新第三系の生層序と編年

駿河湾北岸地域は砂泥互層が主体をなし,シルト岩層が少ない.また,地殻変動によって強く圧縮されている地域であるため,岩石は堅硬で分解がむずかしく微化石を得ることは困難であった.このため,まず野外調査によって,できるだけ厚いシルト岩層から試料を採取すること,および堅硬な岩石の分解方法をいろいろ工夫することによって浮遊性有孔虫をとり出すことができた.その結果,この地域の各層群の年代的位置が明らかとなり,地史解明の基礎を提供することができた.断層で境される地塊の静岡層群は下位が浮遊性有孔虫化石帯のNo17a,上位が〓17bに相当し,この層群の年代は後期中新世となる.東側に分布する和田島層群でも新しく5層準から浮遊性有孔虫が得られ, No17にあたる.北側に分布する川合野層群の浮遊性有孔虫種群もNo17aに相当するものであった.したがって,静岡層群,和田島層群,川合野層群の現在地表に露出している部分は同時代で後期中新世にあたることがわかった.小河内層群はNo17bNo18で後期中新世から鮮新世,清見寺層群は〓19の鮮新世,浜石岳層群はNo21の鮮新世の後期に相当する.このように,断層で境されるこの地域のより詳しい年代が明らかとなった.伊豆半島の新第三系からの浮遊性有孔虫の産出はこれまでも乏しい.地質調査により試料の選択と岩石処理を工夫した結果,新たに7層準から浮遊性有孔虫を得ることができた.湯ケ島層群の模式ともされる湯ケ島温泉近くの貝化石を含む地層はNo8の初期中新世に相当すると考えられる.そのほか,伊豆半島の中央部で現在高度400500mの地点に鮮新世の地層が点在していることが明らかとなったが,これは伊豆半島全体が曲隆したことを示す.駿河湾北岸地域は砂泥互層が主体をなし,シルト岩層が少ない.また,地殻変動によって強く圧縮されている地域であるため,岩石は堅硬で分解がむずかしく微化石を得ることは困難であった.このため,まず野外調査によって,できるだけ厚いシルト岩層から試料を採取すること,および堅硬な岩石の分解方法をいろいろ工夫することによって浮遊性有孔虫をとり出すことができた.その結果,この地域の各層群の年代的位置が明らかとなり,地史解明の基礎を提供することができた.断層で境される地塊の静岡層群は下位が浮遊性有孔虫化石帯のNo17a,上位が〓17bに相当し,この層群の年代は後期中新世となる.東側に分布する和田島層群でも新しく5層準から浮遊性有孔虫が得られ, No17にあたる.北側に分布する川合野層群の浮遊性有孔虫種群もNo17aに相当するものであった.したがって,静岡層群,和田島層群,川合野層群の現在地表に露出している部分は同時代で後期中新世にあたることがわかった.小河内層群はNo17bNo18で後期中新世から鮮新世,清見寺層群は〓19の鮮新世,浜石岳層群はNo21の鮮新世の後期に相当する.このように,断層で境されるこの地域のより詳しい年代が明らかとなった.伊豆半島の新第三系からの浮遊性有孔虫の産出はこれまでも乏しい.地質調査により試料の選択と岩石処理を工夫した結果,新たに7層準から浮遊性有孔虫を得ることができた.湯ケ島層群の模式ともされる湯ケ島温泉近くの貝化石を含む地層はNo8の初期中新世に相当すると考えられる.そのほか,伊豆半島の中央部で現在高度400500mの地点に鮮新世の地層が点在していることが明らかとなったが,これは伊豆半島全体が曲隆したことを示す.南部フォッサマグナに属する駿河湾北岸地域の新第三系は著しく褶曲し、断層によって地塊にわかれた複雑な地質構造を示す。そこで、この地域の地塊ごとの浮遊性有孔虫による生層序を検討し、これに基づき地質年代の決定をおこなった。この地域の岩石は比較的時代が新しいにもかかわらず褶曲のため堅硬で、その中から有孔虫個体を分離することは非常に困難である。また、岩石が分解された場合でも、とり出された有孔虫個体の変形は著しく、同定の困難な場合がしばしば生ずる。このため、できるだけ多量の試料を採取処理し、できるだけ多くの浮遊性有孔虫個体を検出する工夫を試みた。硫酸ナトリウム,ナフサ,フッ酸,塩酸,ボロン等,種々の化学薬品に超音波浄器,真空定温乾燥器などを合せ使用し、または使い分けることによって、かなり効果のあがることが見出された。断層によって、いくつかの地塊に分けられているこの地域では、野外調査によって各地塊ごとに下位から上位へ、代表的層序断面を選び多くの層位から試料採取を行い、浮遊性有孔虫を検出し、同定をおこなった。その結果、現在までに静岡層群はN.16からN.17(中新世後期,10Ma-5Ma)にわたること、和田島層群はN.16からN.17までの範囲の年代(中新世後期,10Ma-5Ma)ゃ小河内層群はN.18(鮮新世始期,5Ma),浜石岳層群はN.21(鮮新世後期,3Ma)に相当することが明らかとなった。これらの結果は、従来の見解を一部修正することになる。
K+中間子崩壊のレプトン普遍性の破れの探索実験用エアロゲルチェレンコフ検出器

現在の理論(標準理論)では説明できない現象がいくつもあり、新しい物理(NP: New Physics)が必要になっている。それを見つける方法として、大強度ビームを利用した精密実験(J-PARC E36実験)を行った。具体的にはK中間子という粒子が二つの粒子に崩壊する現象には2種類(Ke2とKμ2)があり、その発生比率Rkを測定した。本研究では、本実験で利用する粒子識別装置であるエアロゲルチェレンコフ検出器を様々な手法で高性能化することに成功した。本検出器を上記実験装置に組み込んで無事データを取得した。本研究では前述した目的を達成するために前年度に製作した試作機を利用してJ-PARC K1.1BRビームラインにおいて実際の崩壊電子およびミューオンの運動量に近い250 MeV/cのミューオンおよび陽電子ビームを利用してビームテストを行った。その結果、課題であった以下の2つのポイントについて最適解を見つけることができた。1つ目のポイントは反射体の選定である。反射材としては、3M社のESR2がよいと考えていたが、ビームテストの結果シンチレーション光を発生することが判明したため使用できないことがわかった。乱反射材と正反射材との比較では正反射材の方が優れた結果を得られることが判明し、反射体の選定が完了した。2つ目のポイントはμのmisID対策である。エアロゲルチェレンコフ検出器(AC)において最大の問題はμをeと間違えるmisIDである。その最大の原因はμが発生するデルタ線であると考えられる。研究開始当時はエアロゲルの屈折率を下げることでデルタ線のエネルギーに閾値を設定することができるため、これによってmisIDを下げることができると考えていた。屈折率の異なる3種類のエアロゲルで実験を行ったところ、想定していたよりも光子数が少ないことが判明したため、むしろ限界まで屈折率を上げて効率を稼いだ方がよいことが分かった。もう一つのポイントはエアロゲルの生成である。上記ビームテストの結果エアロゲルとしては屈折率n=1.08,透過長TL=20 mmが最適であることが判明し、エアロゲル製作に着手した。できる限り効率よくチェレンコフ光を輸送するために、従来の分割したエアロゲルを組み合わせて使用する方法とは異なる、カウンターボックスの形状に合わせたモノリシックエアロゲルの製作にチャレンジした。カウンターボックスに関しては上記試験結果を受けて実機の設計を進め、12セクター分を製作完了した。本年度ではまず一番の課題であったモノリシックエアロゲルの試作を行った。エアロゲルの加工には通常ウォータージェットを利用するが、どうしても加工面がざらざらになってしまう。これによってエアロゲルから出射したチェレンコフ光が乱反射して検出効率が下がる問題がある。従来はウォータージェット加工した台形エアロゲルを4枚積み重ねて使用していたが、今回は検出器形状に合わせた一体型で製作することでより検出効率を向上させることを目指した。何度か試作したが、厚みが40 mmと厚いこともあり歩留まり率が極めて低くこの方法で製作するのは難しいことが判明した。次善の策として、厚さ方向に2分割した形状で一体成型することにした。この方法だとウォータージェット加工をする必要がないためにそれほど検出効率を損なわないものと考えられる。試作したところ十分な歩留まりを達成することができたため、この方法でJ-PARC E36実験用に必要な12セットのエアロゲルの製造に着手し、無事に必要全数を用意することができた。上記のエアロゲル製造と並行してカウンターボックスの設計製作を行った。カウンターボックスをできる限り薄くすることで検出器間の隙間を減らして立体角を最大限稼ぎつつ、かつ光量の少ないチェレンコフ光が観測できるぐらいの遮光もできるようなカウンターボックスを設計し、製作した。前年度に購入した光電子増倍管をカウンターボックスに取り付け、上記のエアロゲルを組み込んで遮光した。遮光試験を行って十分な遮光性能があることを確認した。本年度では、まず前年度製作したエアロゲル検出器12個をJ-PARC E36実験の中央検出器群に取り付けた。エアロゲル検出器は中央検出器群の最外殻部分にある。また中央検出器群はCsI検出器バレル内部に挿入する構造となっており、実際に組み立てて挿入したところ両者間のクリアランスが十分でないことが判明した。よって、エアロゲル検出器を含めた検出器の遮光の構造を見直して再構築し、これによりクリアランスを確保して設置することに成功した。この状態で再度遮光試験を行い問題ないことを確認した。全検出器が設置された段階で宇宙線を利用した検出器コミッショニングを行った。具体的には例えば光電子増倍管(PMT)の印加電圧やPMTアンプのゲインを一つ一つのカウンターに対して調整して信号波高の平準化を行うことで、粒子識別の性能を最大化するようにした。その後4月に再開したハドロン実験施設ハドロンホールK1.1BRビームラインにおいてビームを利用して4月から5月、6月、および10月から12月の計3回のビームタイムを実施した。まず前回までのビームタイムで最適化していた光学パラメータの再現性を確認した。その後にStopped-Kビームを出して検出器系全体の粒子識別能力の確認作業を行った。較正用にK粒子3体崩壊のデータを取得し、粒子識別能、検出効率、運動量分解能などをチューニングした。その後K粒子2体崩壊のデータを取得する本実験を実施し、研究目的を達成した。ビームタイム完了後に検出器群を撤去し現在データを解析中である。

現在の理論(標準理論)では説明できない現象がいくつもあり、新しい物理(NP: New Physics)が必要になっている。それを見つける方法として、大強度ビームを利用した精密実験(J-PARC E36実験)を行った。具体的にはK中間子という粒子が二つの粒子に崩壊する現象には2種類(Ke2とKμ2)があり、その発生比率Rkを測定した。本研究では、本実験で利用する粒子識別装置であるエアロゲルチェレンコフ検出器を様々な手法で高性能化することに成功した。本検出器を上記実験装置に組み込んで無事データを取得した。従来の予定では平成26年末から平成27年3月の間にJ-PARCハドロン実験施設においてJ-PARC E36実験を遂行し、平成27年度はデータ解析と成果発表をメインに行う予定であったが、再開が平成27年4月にずれこんだため実験開始が遅れている。ただし、すでに完成しているエアロゲル検出器も含めて実験準備はほぼ完了しており、ビームタイムも4月、6月および10月の3回に分けて順次実施されることが確定している。当初の予定通りビームラインチューニングや検出器のコミッショニングを進めつつ実験を遂行できる計画になっており、順調に研究が進展していると言える。27年度が最終年度であるため、記入しない。実験核物理今後の研究の推進であるが、前年度に組み込んだエアロゲル検出器の信号確認および電気回路の調整を行う。また、宇宙線を利用して検出効率の位置依存性を測定する。その後平成27年4月および6月にJ-PARCハドロン実験施設K1.1BRビームラインにおいて、静止K+ビームで生じる崩壊粒子を利用し、J-PARC E36実験の検出器群の情報とともに崩壊電子の検出効率および崩壊ミューオンの検出効率(mis-ID)の位置依存性を精密に決定する。同時に他の検出器についても性能確認、パラメーター最適化、較正を行う。具体的な方法として荷電粒子の運動量については、単色の運動量をもつK中間子の二体崩壊現象を用いて、運動量分解能が最大になるようにシステム全体を較正する。J-PARC E36実験において最も重要な粒子識別の性能確認については、分岐比の大きい3体崩壊を利用し統計を稼いで実施する。7月から9月の間に前半のビームタイムの解析を行い、測定器系に修正を加える。その後平成27年10月予定の後半のビームタイムにおいてJ-PARC E36実験を遂行して物理データを取得する。反射材の選定に関しては、有力と考えていたESR2が使用できないことが判明したため、代替品としてアルミナイズドマイラーを使用した。この反射率の低下によって検出効率の低下が懸念された。またμのmisIDの側でも効率低下に伴ってデルタ線のエネルギー閾値を利用した方法が使用できなくなり、μのmisIDが高くなる懸念が生じた。ただし、実験の過程でエアロゲルの透過長(TL)に対する発光量の依存性が低いことが判明した。
嚥下内視鏡と高解像度嚥下圧検査を組み合わせた新しい嚥下機能検査方法の開発

国内学会や国際学会に参加して,嚥下圧の積算方法やタイミングの計測方法に関する情報を収集し,咽頭期の嚥下圧テータ収集に最適のサンプリング周波数が100Hz以上であることを確認し,嚥下圧計測器のサンプリング周波数を100Hzに調整した上で,平成30年度に嚥下内視鏡・圧検査(HRM)を38件実施した.29年度に実施した件数を合わせて,当初予定した20例以上の被検者を確保できた.そこで得られた画像情報、時間情報、圧情報から、評価項目の選定を行った。HRMにて記録されたデジタルデータ(圧情報、時間情報)からは、咽頭内圧(軟口蓋部・舌根部・下咽頭部の最大嚥下圧、嚥下圧の時間幅、最大嚥下圧の伝搬速度)、食道入口内圧(安静時静止圧値と、弛緩時間および高圧帯の幅)、食道内圧(最大嚥下圧、嚥下圧の時間幅、最大嚥下圧の伝搬速度)を計測した.さらに嚥下圧値の積算により,食塊駆出力も算出して,嚥下機能の指標に加えた.一方,同一対象に実施した嚥下造影検査結果を,Modified Barium Swallow Impairment Tool(MBSImp)に従ってスコア化し,上記HRMのデータと対比を行い,現在統計学的検討を開始している.さらに,嚥下造影検査所見から,penetration-aspiration scale、喉頭挙上時間、X側面像における舌骨・喉頭の位置(安静時の喉頭位)、喉頭挙上距離、食道入口部開大前後径、喉頭挙上遅延時間を算出し,これらに関してもHRMのデータと対比を行なっている.これらの成果を2019年秋に開催されるヨーロッパ嚥下医学会での発表を予定しており,また英文誌投稿を予定している.対象者を,健常ボランティアだけでなく,嚥下障害を疑われて当院で嚥下造影検査を施行したものの障害を認めなかった患者の中で,嚥下内視鏡・圧検査実施の同意を得られた方を加えることで,当初予定した50名の被検者を確保できた.得られた嚥下内視鏡・圧検査のデータと,スコア化した嚥下造影検査所見を対比させて,統計学的検討を行い,またROC解析でcut-off値を算出していく.これらの成果を2019年秋に開催されるヨーロッパ嚥下医学会での発表を予定しており,また英文誌投稿を予定している.平成29年度には,健常人ボランティアを対象とした嚥下内視鏡・圧検査を実施し、得られた画像情報、時間情報、圧情報から、評価項目の選定を行った。嚥下内視鏡検査に関しては、兵頭らが提唱した評価項目(梨状陥凹等の唾液貯留、咳反射・声門閉鎖反射の惹起性、嚥下反射の惹起性、咽頭クリアランス、誤嚥、随伴症状)が、観察項目として広く採用されているが,高解像度マノメトリー(High-Resolution Manometry:HRM)のデータ解析方法はまだ改善の余地があるため,国内学会や国際学会に参加して,嚥下圧の積算方法やタイミングの計測方法に関する情報を収集した.また嚥下圧センサーの挿入自体が,咽頭や食道へあたえる影響について,海外の研究者と意見交換を行った.嚥下圧センサーは咽頭収縮や食道蠕動の妨げにはならないことを確認した.さらに,咽頭期の嚥下圧データ収集に最適のサンプリング周波数が100Hz以上であることを確認し,HRM機器開発業者に,サンプリング周波数の調整を行ってもらった.以上の結果から,HRMにて記録されたデジタルデータ(圧情報、時間情報)からは、咽頭内圧(軟口蓋部・舌根部・下咽頭部の最大嚥下圧、嚥下圧の時間幅、最大嚥下圧の伝搬速度)、食道入口内圧(安静時静止圧値と、弛緩時間および高圧帯の幅)、食道内圧(最大嚥下圧、嚥下圧の時間幅、最大嚥下圧の伝搬速度)を計測し、さらに嚥下圧値の積算により,食塊駆出力も算出して,嚥下機能の指標に加えることとした.本研究では,嚥下内視鏡・圧検査結果と対比するために,同一人物を対象とした嚥下造影検査を行う必要がある.嚥下造影検査を併施するための学内倫理申請の過程で,検査結果の評価項目選定を先行させる必要があったため,倫理申請に予想以上に時間がかかった.国内学会や国際学会に参加して,嚥下圧の積算方法やタイミングの計測方法に関する情報を収集し,咽頭期の嚥下圧テータ収集に最適のサンプリング周波数が100Hz以上であることを確認し,嚥下圧計測器のサンプリング周波数を100Hzに調整した上で,平成30年度に嚥下内視鏡・圧検査(HRM)を38件実施した.29年度に実施した件数を合わせて,当初予定した20例以上の被検者を確保できた.そこで得られた画像情報、時間情報、圧情報から、評価項目の選定を行った。

HRMにて記録されたデジタルデータ(圧情報、時間情報)からは、咽頭内圧(軟口蓋部・舌根部・下咽頭部の最大嚥下圧、嚥下圧の時間幅、最大嚥下圧の伝搬速度)、食道入口内圧(安静時静止圧値と、弛緩時間および高圧帯の幅)、食道内圧(最大嚥下圧、嚥下圧の時間幅、最大嚥下圧の伝搬速度)を計測した.さらに嚥下圧値の積算により,食塊駆出力も算出して,嚥下機能の指標に加えた.一方,同一対象に実施した嚥下造影検査結果を,Modified Barium Swallow Impairment Tool(MBSImp)に従ってスコア化し,上記HRMのデータと対比を行い,現在統計学的検討を開始している.さらに,嚥下造影検査所見から,penetration-aspiration scale、喉頭挙上時間、X側面像における舌骨・喉頭の位置(安静時の喉頭位)、喉頭挙上距離、食道入口部開大前後径、喉頭挙上遅延時間を算出し,これらに関してもHRMのデータと対比を行なっている.これらの成果を2019年秋に開催されるヨーロッパ嚥下医学会での発表を予定しており,また英文誌投稿を予定している.対象者を,健常ボランティアだけでなく,嚥下障害を疑われて当院で嚥下造影検査を施行したものの障害を認めなかった患者の中で,嚥下内視鏡・圧検査実施の同意を得られた方を加えることで,当初予定した50名の被検者を確保できた.健常人ボランティアの募集を行い,対象数を追加する.嚥下造影検査上の舌根後方運動の良否、咽頭収縮の良否、喉頭蓋の倒れ込みの良否、喉頭挙上の良否、食道入口部開大の良否、食道蠕動能の良否などと,嚥下圧検査結果との対比を行っていく。さらに、被験者間あるいは検査食間でのバイアスの少ない評価項目を、統計学的に検証していく。得られた嚥下内視鏡・圧検査のデータと,スコア化した嚥下造影検査所見を対比させて,統計学的検討を行い,またROC解析でcut-off値を算出していく.これらの成果を2019年秋に開催されるヨーロッパ嚥下医学会での発表を予定しており,また英文誌投稿を予定している.2019年秋にウィーンで開催されるヨーロッパ嚥下医学会で研究成果の発表を予定しており,かつ,英文誌への投稿を予定しているいるため,その費用を考慮して使用額を調整した.当初,データの入力作業のために人件費を確保していたが,煩雑な入力操作が必要なため,すべて研究代表者自身で入力した.
バイオフィルム形成における歯周病細菌表層タンパクの高次構造解析

口腔レンサ球菌GAPDHと相互作用するPorphyromonas gingivalisの新たな因子がプルダウン法、2次元電気泳動、質量分析およびビアコアにてRagA4、AbfD、GAPDH、GDH及びMDHと同定された。両菌の凝集は濁度と蛍光顕微鏡の解析にて、RagA4、AbfD及びGDHの添加で促進し、GAPDHとMDHの添加で阻害した。さらに、これらの因子がLuxSに関与していることがわかった。P.gingivalisにおける口腔レンサ球菌の表層タンパク質GAPDHの役割を発展させるため、まず、GAPDHのリコンビナントタンパク質をHisTrapカラムにて精製して、P.gingivalisにあらかじめ結合させ培養した。HisTrapカラムによるプルダウンアッセイによって、リコンビナントGAPDHを介して結合しているP.gingivalisのタンパク質を1M NaClにて抽出した。この抽出サンプルを脱塩した後、二次元電気泳動にて、7つのスポットが認められた。個々のスポットをゲル切りし、トリプシン処理後、タンデム型質量分析にて同定したところ、P.gingivalisのRagA4、arginine-specific proteinase B、4-hydroxybutyryl-CoA dehydratase、lysine-specific proteinase、GAPDH、NAD-dependent glutarnate dehydrogenase、malate dehydrogenaseと同定された。長線毛以外の7つの新たな結合タンパク質が口腔レンサ球菌のGAPDHと結合する可能性が示唆された。高解像度二次元電気泳動法と質量分析を導入することで、バイオフィルム形成における口腔レンサ球菌の表層タンパク質GAPDHが、長線毛以外のP.gingivalis表層タンパク質に結合することで、P.gingivalisのバイオフィルムへの新たな定着メカニズムの一端を明らかにした。現在、7つのリコンビナントタンパク質を作製し、精製後の機能解析やミューテーション作製をする予定である。Porphyromanas gingivalisにおける口腔レンサ球菌の表層タンパク質GAPDHの役割を発展させるため、まず、GAPDHのリコンビナントタンパク質を精製して、P.gingivalisにあらかじめ結合させることにより、二次元電気泳動や質量分析を用いて、長線毛以外の新たな結合タンパク質を同定した。同定したタンパク質はRagA4、RgpB、AbfD、Kgp、GapA、GDH、MDHであった。さらに結合解析で同定したタンパク質に関するリコンビナントタンパク質を作製した。蛍光顕微鏡と濁度測定を用いて、リコンビナントタンパク質を添加後にRagA4とAbfD、GDHは濃度依存的にバイオフィルム形成を促進し、GapAとMDHは濃度依存的に阻害した。このことは、RagA4とAbfD、GDH、GapA、MDHがバイオフィルム形成に関与していることを示唆した。リコンビナントGAPDHを添加し、リアルタイムPCRを用いて、バイオフィルム形成における上記の各遺伝子発現を調べたところ、RagA4とAbfD、GDH、GapA、MDHにおいて有意に違いが認められた。またバイオフィルム形成を促進する原因としてクオラムセンシングに関与するluxS遺伝子の発現をRagA4とAbfD、GDH添加後にリアルタイムPCRで調べたところ、有意に増加した。このことから、口腔レンサ球菌とのバイオフィルムを形成することにおいてP.gingivalisの表層の5つのタンパク質が巧みに相互に調節するクライアントタンパク質になっていることを明らかにした。
ニホウ化物超伝導体の渦糸状態の研究-多ギャップ効果により発現する新渦糸相図探索-

2種類の超伝導ギャップ(電子対)を持つMgB2の渦糸相図(磁場中超伝導状態図)およびその不純物効果を研究した。銅酸化物超伝導体で統一的に観測されてきたものと同様な渦糸相転移に加え、この系特有の渦糸状態転移と渦糸相図の不純物による変調効果を見出した。またポイントコンタクト法によるトンネル効果測定により、MgB2の関連物質Ba(Fe0.93Co0.07)2As2の2つの超伝導ギャップエネルギーの観測に成功した。本研究の目的は2つの超伝導ギャップを持つ特殊な第二種超伝導体であるMgB_2の精密磁化測定とトンネル測定通して、多ギャップであるがゆえ現われる新しい磁場中超伝導現象(渦糸相転移等)を探索しその機構を解明すること、さらにその現象を制御することである。平成20年度はMgB_2の純良単結晶における渦糸相転移現象等の探索とポイントコンタトを用いたトンネル測定装置の開発に重点を置いた。渦糸相転移の探索では、本研究用に開発された「渦糸shaking法」と「カンチレバーを用いた高精度トル測定法」を組み合わせることにより、広い温度・磁場範囲において渦糸ピン止め効果が排除された熱平衡磁化の測定を可能にした。この結果、MgB_2の渦糸系において秩序-無秩序転移、渦糸格子融解転移という2種類の一次相転移が存在することを初めて実験的に直接証明した。さらに精密な熱非平衡および平衡磁化の温度依存性の測定結果の比較により、この物質では渦糸の無秩序相の過冷却現象が他に例を見ないほど広い温度範囲で起こること、この過冷却現象の消滅がMgB_2のもつ2つの超伝導ギャップのうちの小さなギャップ出現に関連することを見出した。これまで多ギャップという視点から渦糸系の状態変化をとらえた例はなく、この結果は今後類似の多ギャップ超伝導体の超伝導現象を理解する上で、重要な情報を与えるものと考えられる。トンネル測定では、ピエゾ素子を用いたポイントコンタト型トンネル測定装置の開発を行った。現時点で4.2Kといつた極低温においても動作可能な装置の作製までに至った。今後これを用いて、再現性よく超伝導ギャップが観測され、多ギャップの出現と渦糸系の転移が関連する上記の結果に対し、実験的裏付けができるものと期待できる。本研究の目的は2つの超伝導ギャップを持つ特殊な超伝導体MgB_2の磁化測定とトンネル測定通して、多ギャシプ超伝導体であるがゆえ現われる新しい磁場中超伝導現象を探索しその機構を解明すること、さらにその現象を制御することである。21年度は、MgB_2単結晶の渦糸状態のさらなる解明とトンネル測定技術の確立を中心に研究を進めた。渦糸shaking法と磁気トルク法を組み合わせた精密磁化測定により、温度・磁場相図上に、秩序-無秩序転移、渦糸格子融解転移といった一次相転移に加え(昨年度成果)、渦糸グラス融解転移という2次相転移が存在することを実験的に証明した。これら3つの相転移線の存在は、銅酸化物でも観測される現象であり渦糸系の物質によらないユニバーサルな性質を示したという点で意義がある。またこれら渦糸相転移とは別に2つのギャップの強さの大小関係の変化が起源であると予想される渦糸ピニングカの急激な増加も低磁場で観測された。20年度に見出された2ギャップの出現による渦糸グラス過冷却状態の消失と同様、これらの磁化特性対する超伝導ギャップの測定からの裏付けが待たれる。トンネル測定に関しては、昨年度開発したピエゾ素子を用いたポイントコンタト型トンネル測定装置を使うことにより、従来型超伝導体Nbの超伝導ギャップの温度変化が観測可能になった。現状ではMgB_2に対する超伝導ギャップ観測にまで至っていない。さらなる測定技術の向上を目指して現在実験が進行中である。当初の計画に加え、2つのギャップを持ちMgB_2の良い比較物質となる鉄砒素系超伝導体Ba(Fe_<1-x>Co_x)_2As_2単結晶について磁化特性の測定も試みた。測定した超伝導転移温度近傍では磁気異方性は3-3-5でほぼ一定であり、多ギャップ的な効果(磁化曲線や磁気異方性の急激な変化)は観測されなかった。本研究の目的は2つの超伝導ギャップを持つ特殊な超伝導体MgB_2の磁化とトンネル測定通して、多ギャップ超伝導ならではの新しい磁場中超伝導現象を探索しその機構を解明すること、さらにそれをdisorderにより変化させ、制御することである。22年度は、Mgを川で置換したMg_<1-X>Al_xB_2(x=0.12,0.21)単結晶を用いた渦糸相図の解明、MgB_2およびBa(Fe_<0.93>Co_<0.07>)_2As_2単結晶(同じく2ギャップ超伝導体)のギャップ測定を試みた。

Mg_<1-X>Al_xB_2のトルク法を用いた磁化測定ではx(disorder)の増加とともに、c軸方向のH_c2がほとんど変化せず、ab軸方向H_c2は減少すること、さらに磁化のピーク効果により定義される秩序一無秩序相転移線は純粋なMgB_2単結晶に比べより低温・高磁場の狭い領域に押し込められることが観測された。これらは、通常の1ギャップ第二種超伝導体で予測されるふるまいと逆行し、2ギャップ超伝導ならではの特徴であるといえる。MgB_2では大きな超伝導ギャップを形成する2次元的σバンドの電子軌道はB層内にありMg層に入るdisorderは小さな超伝導ギャップを形成するπバンドにのみに影響する。これによりπバンド超伝導の実質的なH_c2は上昇し、σバンドのクリーンリミット領域で起こる秩序-無秩序転移に影響を及ぼすが、σバンドのH_c2を超えるまでに至らないと考察すると結果をよく説明できた。ポイントコンタクト法を用いたトンネル測定では、Ba(Fe_<0.93>Co_<0.07>)_2As_2単結晶の2ギャップ構造を観測することに成功した。測定結果をBionder-Tinkham-Klapwijk理論を用いてフィットすることにより2.2-2.5meVと7-8meVの2種類のギャップエネルギーを導出できた。MgB_2の超伝導ギャップ観測は到達できなかった。