【PEP卓越大学院プログラム】
2022年1-2月実施選抜試験（2022年4月進入・編入）募集要項　更新しました。
以下の大学院入試ページ
文部科学省卓越大学院プログラム「パワー・エネルギー・プロフェッショナル育成プログラム(PEP)
からご確認ください。

＜ご参考HP＞
早稲田大学PEP育成プログラム｜文部科学省 卓越大学院プログラム (waseda.jp)

演題：トポロジーに登場する数式

日時：2021年11月24日(水)14:00-18:00

会場：オンライン配信

講師：佐藤　淳

（東京大学　大学院　新領域創成科学研究科　社会文化環境学専攻 准教授）

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法：参加ご希望の方は開催時刻になりましたら下記URLより入室して下さい。

https://au.bbcollab.com/guest/41ec424f9db34a5a9c45e93abb6e1ffd

主催：創造理工学部　建築学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

最適設計により金属3Dプリンティングの熱変形を低減させる手法を開発

発表のポイント

• 金属3Dプリンティングは成形品が熱変形により大きく反るという問題点がある。
• 造形対象の内部に中空構造を最適設計し、形成することによって、金属3Dプリンティングの熱変形を低減することに成功した。
• 本手法は、熱変形の影響を大きく受ける大型構造物の成形に活用されることが期待される。

早稲田大学理工学術院の竹澤 晃弘（たけざわ あきひろ）准教授らの研究グループは、金属3Dプリンティングにおける熱変形を低減させる手法を開発しました。
近年、次世代の加工技術として金属3Dプリンティングが注目を集めており、試作のみならず量産最終製品にも使用されるようになっています。しかし、金属3Dプリンティングは成形品が熱変形により大きく反るという問題点があります。本研究では、造形対象の内部にラティス構造^※1と呼ばれる中空構造を最適設計し、形成することによって、金属3Dプリンティングの熱変形を低減することに成功しました。
現在金属3Dプリンティングによって、ロケットノズルのような大型成型品の開発も試みられていますが、成形品が大型化されるほど、熱変形の問題も深刻になります。本研究の熱変形低減手法はこのような問題を解決し、より大型の構造物の成形において活用されることが期待されます。
本研究成果は、2021年11月6日（土）にエルゼビア社の『Additive Manufacturing』のオンライン版で公開されました。

論文名：Optimally Variable Density Lattice to Reduce Warping Thermal Distortion of Laser Powder Bed Fusion.

(1)これまでの研究で分かっていたこと

近年、次世代の加工技術として金属3Dプリンティングが注目を集めており、試作のみならず量産最終製品にも使用されるようになっています。しかし、金属3Dプリンティングには成形品が熱変形により大きく反るという問題点があります。最も普及している金属積層造形法であるレーザー式粉末床溶融法では、薄く敷き詰めた金属粉をレーザーで溶融凝固させるというプロセスを繰り返し、三次元構造を形成しますが、溶融凝固した箇所には大きな収縮ひずみが生じそれが反りの原因となります（図1参照）。

このような熱変形の対策としては、造形時に予備加熱をして溶融時と冷却時の温度差を小さくするというハードウェア的アプローチと、レーザーの走査パスを工夫するというプロセス的アプローチが知られています。しかし近年、その二つに加え、造形対象やサポートの形状を工夫することで熱変形が低減できることがわかってきました。

(2)今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

今回の研究では、造形対象の内部にラティス構造と呼ばれる中空構造を最適設計し、形成することによって、金属3Dプリンタの熱変形を低減することに成功しました。図2は最適なラティス構造と、均一に分布したラティス構造とで反り量を比較した結果です。基本的には内部を疎にすれば変形は低減されるのですが、最適なラティス構造はそれを超えた低減効果を示しています。

図2 熱変形低減のための(a)最適ラティス構造と(b)造形した試験片と(c)反りの計測結果

(3)そのために新しく開発した手法

金属3Dプリンティングの熱変形を近似的に求める手法として、固有ひずみ法が提案されています。本来、固有ひずみ法は日本の造船分野で開発された、溶接変形を近似的に導出する手法ですが、近年金属3Dプリンティング用に盛んに改造が進められています。本研究では、ラティス構造の最適化に用いることを前提に、漸化式で表現した新たなシンプルな固有ひずみ法を開発しました。更に、良く知られているトポロジー最適化^※2のアルゴリズムを活用し、熱変形の低減を目的としてラティスの粗密分布を最適に決定する手法を開発しました。

(4)研究の波及効果や社会的影響

金属3Dプリンティングの利点である複雑形状の造形が可能である点を生かし、従来は複数の部品に分かれていた製品を一体成型し、トータルの製造コストや信頼性、性能を向上させるという試みが成されています。極端な例では、ロケットノズルの一体成型等も試みられています。しかし、成形品が大型化されるほど熱変形は深刻になるため、熱変形の対策は不可欠です。本研究のような熱変形低減手法はこの問題を解決し、金属3Dプリンティングにおいて、より大型構造の成形を可能にするものです。将来的にはあらゆるものが金属3Dプリンタで作られるかもしれません。

(5)今後の課題

既存の代表的な熱変形低減手法としては、造形時に予備加熱をして溶融時と冷却時の温度差を小さくするというハードウェア的アプローチと、レーザーの走査パスを工夫するというプロセス的アプローチの二つがあります。本研究で開発した手法は、それらとは全く異なるメカニズムの手法です。すなわち、開発した手法を既存の二つの手法と併用すれば相乗効果で更に優れた熱変形低減効果が得られる期待があります。

(6)研究者のコメント

3Dプリンティングの性能向上においては、装置や材料自体の研究はもちろん大切ですが、どのようなものを作るかという設計に関する研究も極めて重要です。このような3Dプリンティングのための設計工学は近年Design for Additive Manufacturing（DfAM）と称され、海外では盛んに研究されています。本研究が日本発のDfAM技術として3Dプリンティング業界の発達に貢献できればと考えております。

(7)用語解説

※1　ラティス構造
3Dプリンタで作成する、内部に空孔を設けた構造のこと。空孔を任意に分布させることにより、様々な特性を実現できる。

※2　トポロジー最適化
数値計算により最適な形を自動で導出する構造最適化法の一種。

(8)論文情報

雑誌名：Additive Manufacturing（エルゼビア社）
論文名：Optimally Variable Density Lattice to Reduce Warping Thermal Distortion of Laser Powder Bed Fusion.
執筆者名（所属機関名）：竹澤 晃弘（早稲田大学）、Qian Chen（ピッツバーグ大学、米国）、Albert C. To（ピッツバーグ大学、米国）
掲載日：2021年11月6日
掲載URL：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860421005741
DOI：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102422

(9)研究助成（外部資金による助成を受けた研究実施の場合）

研究費名：A-Step　シーズ育成タイプ
研究課題名：振動低減ラティス構造の生産性向上に関する研究
研究代表者名（所属機関名）：宮内 勇馬（マツダ株式会社）

人工ニューラルネットワークで明らかになった高温超伝導の隠れた起源

NIMS、京都大学、早稲田大学、豊田理化学研究所からなる研究チームは、新たに光電子分光データから人工ニューラルネットワーク(ANN)を活用して『自己エネルギー』と呼ばれる物理量を取り出す手法を開発し、高温超伝導解明の鍵となる引力の痕跡を発見しました。

概要

1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）、京都大学、早稲田大学、豊田理化学研究所からなる研究チームは、新たに光電子分光データから人工ニューラルネットワーク(ANN)を活用して『自己エネルギー』と呼ばれる物理量を取り出す手法を開発し、高温超伝導解明の鍵となる引力の痕跡を発見しました。当該成果は今後、実験科学だけでは解決が困難な問題を解く革新的手法へと発展することが期待されます。
2. 低温超伝導体では、電子の運動の履歴を示す自己エネルギーから、超伝導状態の形成に必要な電子のペア(クーパー対)を生み出す引力の存在が実験的に証明されました。しかしながら、銅酸化物高温超伝導体については、高い転移温度に見合う強い引力の痕跡が長年見つかっていませんでした。
3. 今回、研究チームは、理論方程式（エリアシュベルグ方程式）を用いて実験データを再現し説明する従来の方法に代わって、あらゆる関数を表現できる ANN を用いた機械学習を考案し、銅酸化物高温超伝導体について、実験データを精密に再現する2 成分の自己エネルギーを決定することに成功しました。自己エネルギーには『正常成分』と『異常成分』の２成分があり、後者に引力の痕跡が含まれていることがわかっています。得られた自己エネルギーの解析から、２つの成分に現れる強い電子間の散乱（正常成分）と強い引力（異常成分）の影響が、実験データでは見かけ上相殺するために隠れてしまい、引力の痕跡が観測されなかったことがわかりました。また、異常成分のさらなる解析から、
   強い引力が低温超伝導のような原子振動では説明できないことがわかりました。今回得られた成果は、高温超伝導の起源を解明する重要な手掛かりになります。
4. 今後は、今回開発された実験データ解析手法を様々な物質に適用し、より高い超伝導転移温度を示す物質の設計に活かしていくことを目指します。また、これまでANN が活用されてきた機械学習では、多数のデータによる学習から未知のデータ予測を行うことが主流でした。今回得られた成果を嚆矢として、少数データから隠れた物理量を抽出する機械学習観測手法の確立を目指していきます。
5. 本研究は、NIMS エネルギー・環境材料研究拠点 界面計算科学グループの山地洋平主任研究員と京都大学大学院人間・環境学研究科 吉田鉄平 教授、早稲田大学理工学術院 藤森淳 客員教授、豊田理化学研究所/早稲田大学理工学術院 今田正俊 フェロー/研究院教授からなる研究チームによって行われました。また、本研究はJST さきがけ、JSPS 科学研究費助成事業、文部科学省「富岳」成果創出プログラムおよびポスト「京」重点課題の支援を受けています。
6. 本研究成果は、米国物理学会Physical ReviewResearch 誌オンライン版に2021 年11 月8 日付で公開されました。

研究の背景

1986 年の発見以来、銅酸化物高温超伝導体⁽¹⁾がなぜ液体窒素温度を超える高い超伝導転移温度(最大135K)を示すのかという謎が、固体中の多数の電子の振る舞いを観測する実験手法、その振る舞いを理解するための理論手法の発展を牽引し、物質科学の進歩に大きな影響を与えてきました。

そもそも超伝導が発現するためには、２個の電子になんらかの引力が働いてクーパー対と呼ばれる電子対を形成する必要があると考えられています。多くの金属では引力は弱く、熱ゆらぎによって容易にクーパー対が破壊されるため、低温でのみ超伝導が現れます。カマリン・オンネスが1911 年に観測した水銀の超伝導転移温度は、4.2K という液体ヘリウムによる冷却が必要となる低温でした。

引力が働くとその痕跡が観測量に現れることが期待されます。実際、従来型の低温超伝導体では、その痕跡がトンネル効果を用いた電子観測によって1960 年代に見つかり、BCS 機構⁽²⁾と呼ばれる低温超伝導発現のメカニズムの解明に大きく貢献しました。

高温超伝導では高い転移温度に見合う強い引力が働いていると考えられ、引力の強さに見合ったより強い痕跡が観測量に現れることが期待されます。しかし銅酸化物高温超伝導では、高い転移温度に見合う強い引力の痕跡が長年観測されず、強い引力を捉える研究手段の開発が望まれてきました。

研究内容と成果

今回、共同研究チームは、光電子分光⁽³⁾実験のデータから、人工ニューラルネットワーク(ANN)(4)を用いることで、『自己エネルギー⁽⁵⁾』と呼ばれる物理量の抽出を行いました。

自己エネルギーには、電子が他の電子や固体中のイオンから受ける相互作用（電子間散乱等）によって影響を受けた履歴を示す「正常成分」と、超伝導電子対を組んだり、電子対を解消したりしてきた履歴を記述する「異常成分」と呼ばれる２つの成分があります。異常成分を取り出すことができれば、超伝導を引き起こした引力の性質とメカニズムに迫ることができます。

一方、光電子分光実験を始めとするほとんどの実験では、特定の運動量とエネルギーを持つ電子がどれくらいの頻度で固体中に存在するかという１成分の情報のみが得られます。そこから２成分の自己エネルギーを取り出すには、少ない既知の情報から、より多くの情報を推定する劣決定問題⁽⁶⁾を解く必要があります。低温超伝導体の場合には、BCS 理論⁽²⁾、およびそれを発展させた南部理論ならびにミグダル-エリアシュベルグ理論⁽⁷⁾を用いることで、情報の不足を補うことができました。一方で、銅酸化物高温超伝導体については、そのような手法が通用せず、長年の難問となっていました。

困難を回避するために、直感的で理解しやすい「自己エネルギー・モデル」がしばしば導入されてきましたが、モデルの埒外の現象が起こっている可能性を排除できませんでした。

研究チームは、より普遍的に確立している複数の物理法則⁽⁸⁾を取り入れ、足りない情報を補いました。さらに未知の高温超伝導体の自己エネルギーをあらゆる関数を表現できるANN で記述して、機械学習を行うことでこれまでの困難を克服しました。複数の物理法則を満たすようにANN を制御しながら、高温超伝導体の実験データを再現するようにANN の学習を行い、最適な解を探索しました。人間が直感的に取り入れることが難しい条件下で解の探索を自動的に行えることが機械学習の強みです。さらに機械学習の妥当性の検証を行い、結果として、２成分の自己エネルギー（正常及び異常成分）を１つの分光データから同時に抽出することが可能になりました。ANN を用いることで、より精密に実験データを再現することが可能になっただけでなく、未知の現象に迫ることが可能になりました。

上記２成分を同時に抽出することで、今回新たに、これら正常成分（に含まれる強い電子間の散乱）と異常成分（に含まれる電子対を作る強い引力）による寄与が見かけ上互いに打ち消し合うために、高い超伝導転移温度を導く強い引力の痕跡が検知できないでいたことが明らかになりました。得られた異常成分の構造は超伝導解明の直接の手掛かりになります。

本研究はJST さきがけ(JPMJPR15NF)、日本学術振興会科学研究費助成事業基盤研究（S）「強相関物質設計と機能開拓―非平衡系・非周期系への挑戦―」、文部科学省「富岳」⁽⁹⁾成果創出加速プログラム「量子物質の創発と機能のための基礎科学 ―「富岳」と最先端実験の密連携による革新的強相関電子科学」（JPMXP1020200104）およびポスト「京」重点課題（7）「次世代の産業を支える新機能デバイス・高性能材料の創成」サブ課題C「超伝導・新機能デバイス材料」の一環として実施されたものです。また、本研究はスーパーコンピュータ「富岳」の計算資源による支援を受けています（課題番号：hp180170, hp190145、hp200132、hp210163）。

今後の展開

今回開発した実験データの解析手法を様々な物質に適用し、より高い超伝導転移温度を示す物質を設計するための指針が得られるようになると考えられます。また、これまでANN が活用されてきた機械学習においては、多数のデータによって訓練を行い、未知のデータを予測することや、望んだ性質の物質候補の絞り込みが主流でした。今回得られた成果を嚆矢として、今後、少数データから隠れた物理量を抽出し、機構や新たな概念を発見するなど基礎科学の根本問題のための機械学習観測手法が発展していくと期待されます。

掲載論文

題目：Hidden self-energies as origin of cuprate superconductivity revealed by machine learning
著者：Youhei Yamaji, TeppeiYoshida, Atsushi Fujimori, and Masatoshi Imada
雑誌：Physical Review Research
掲載日時： 2021 年11 月8 日

用語解説

(1) 銅酸化物高温超伝導体:

1986 年のベドノルツとミューラーの発見に端を発し研究されてきた超伝導物質群。現在、大気圧下で最も高い温度で超伝導状態になることが知られています。高価で希少な液体ヘリウムではなく液体窒素による冷却で超伝導状態を得ることができるため、基礎研究と応用研究の両面から注目を集めてきました。銅と酸素原子を含む２次元層と様々な元素を組み合わせることで超伝導転移温度を始めとする性質が制御でき、電力損失の少ない導線として開発が進んでいます。

(2) BCS 機構およびBCS 理論:

1911 年にカマリン・オンネスが発見した水銀の超伝導に始まる、液体ヘリウムによる冷却が必要な低温超伝導体における超伝導の発現機構とそれを説明した理論。1957 年にバーディーン、クーパー、シュリーファーの３氏によって提唱され、結晶固体の量子化された振動によって電子が対を組み超伝導状態となることを示しました。

(3) 光電子分光:

物質に光を当てると電子が飛び出してくるアインシュタインの光電効果を利用して、固体中の電子を、運動量やエネルギーごとに分けて観測する実験手法。

(4) 人工ニューラルネットワーク:

元々は脳が学習を行う機能を研究するために提案された関数。高度な人工ニューラルネットワークはどんな複雑な関数をも表現できるため、現在では機械学習でよく用いられています。

(5) 自己エネルギー:

多数の量子力学的な粒子の運動を記述する際に用いられる関数。一つの粒子が、他の粒子から受けた相互作用の履歴を記録したもので、超伝導ではない状態でも存在する正常成分と、超伝導状態にだけ存在する異常成分があり、その総和が実験データに反映されます。

(6) 劣決定問題:

少ない情報から多くの情報を推定する問題。最もよく知られている劣決定問題の例は、未知の変数の数より、方程式の数が少ない連立方程式です。

(7) 南部理論、ミグダル-エリアシュベルク理論:

BCS 理論をより深め、超伝導を引き起こす引力や自己エネルギーを始め、低温超伝導における観測量の精密予測を可能とした理論。対象物質の情報を入力データとして、エリアシュベルグ方程式と呼ばれる理論方程式を解くことで、様々な超伝導物質の性質を予測できます。南部博士が提唱した自発的対称性の破れが素粒子の質量を作り出すという画期的なアイデアは、この理論の成立過程で育まれたと言われています。

(8) ここで用いられた普遍的な物理法則:

本研究では、因果律によって定まる自己エネルギーの構造と、引力の強さに上限があることなどを用いています。

(9) スーパーコンピュータ「富岳」:

スーパーコンピュータ「京」の後継機として理化学研究所に設置された計算機。令和2 年6 月から令和3 年6 月にかけてスパコンランキング4 部門で1 位を3 期連続で獲得するなど、世界トップの性能を持つ。令和3 年3 月9 日に本格運用開始。

文部科学省卓越大学院プログラム
「パワー・エネルギー・プロフェッショナル（PEP）育成プログラム」
5期生(2022年4月進入・編入）募集説明会
＜日時＞
2021年12月8日（水）12:15-12:50
＜形式＞
Zoomミーティングによるオンライン形式
申請フォームより参加登録いただいた方にURL等詳細をメールでお送りいたします。
＜申込＞
https://bit.ly/3b8UTZt
申込締切：12月8日（水）10:00まで
＜問合せ＞
PEP卓越大学院プログラム事務局　℡：03-5286-3238
email：[email protected]

PEP5期生募集説明会（2021年12月8日開催）チラシ①
PEP5期生募集説明会（2021年12月8日開催）チラシ②

Parents’ Day for this Academic Year (Academic Year 2021) will be taken place online from 9:00AM on November 6 (Sat.) to 12:00PM on November 15 (Mon.).(*)^※1
Each department at School of Fundamental/Creative/Advanced Science and Engineering will introduce its English-based Undergraduate Program (Major).^※2

*1: This website is available only during the Parents’ Day.
*2: Departments which are not on this website do not conduct the Parents’ Day in this academic year.
Note: Each material on this page has a watermark on the background to prevent diversion of the material.

Greetings from the Dean of School of Fundamental Science and Engineering

TOGAWA, Nozomu
Dean, School/Graduate School of Fundamental Science and Engineering

Introduction of School of Fundamental Science and Engineering

Features and initiatives of School of Fundamental Science and Engineering (Click the image below)

Introduction of each department

Greetings from the Dean of School of Creative Science and Engineering

ARIGA, Takashi
Dean, School/Graduate School of Creative Science and Engineering

Please refer to English script.

Introduction of School of Creative Science and Engineering

Features and initiatives of School of Creative Science and Engineering (Click the image below)

Introduction of each department

Greetings from the Dean of School of Advanced Science and Engineering

KANOMATA, Nobuhiro
Dean, School/Graduate School of Advanced Science and Engineering

Introduction of School of Advanced Science and Engineering

Features and initiatives of School of Advanced Science and Engineering (Click the image below)

Introduction of each department

Click here for the English page of the Parents’ Day.

今年度（2021年度）のペアレンツ・デーはオンラインにて2021/11/6（土）9:00～11/15（月）12:00まで開催いたします。^※1
基幹理工学部、創造理工学部、先進理工学部の各学科、英語学位プログラムの各メジャーの企画についてご紹介します。^※2

※1：本ページの掲載期間も同期間となります
※2：本ページに記載のない学科は今年度のペアレンツ・デーは実施いたしません
注：本ページに掲載している各資料は転用防止対策として資料背景に透かしを表示しています

基幹理工学部長挨拶

基幹理工学部長・基幹理工学研究科長　戸川　望

基幹理工学部紹介

基幹理工学部の特色と取り組みについてご紹介します。（以下の画像をクリック）

学科紹介

Click here for the Majors for English-based Undergraduate Program in Science and Engineering

創造理工学部長挨拶

創造理工学部長・創造理工学研究科長　有賀　隆

創造理工学部紹介

創造理工学部の特色と取り組みについてご紹介します。（以下の画像をクリック）

学科紹介

Click here for the Majors for English-based Undergraduate Program in Science and Engineering

先進理工学部長挨拶

先進理工学部長・先進理工学研究科長　鹿又　宣弘

先進理工学部の特色と取り組みについてご紹介します。（以下の画像をクリック）

学科紹介

Click here for the Majors for English-based Undergraduate Program in Science and Engineering

早稲田大学創造理工学研究科デザイン専攻公募

主催：三菱マテリアル-早大理工学術院産学連携協議会、早稲田大学理工学術院
共催：早稲田大学各務記念材料技術研究所

テーマ　「環境調和的なサステナブル社会を目指した材料技術」

2008年に三菱マテリアル株式会社と産学連携に係る包括協定を締結して以来、その活動の一環として、毎年ホットなテーマで連携セミナーを開催して参りました。14年目を迎えた本年度は、「環境調和的なサステナブル社会を目指した材料技術」をテーマとして以下の通り開催いたします。

1.日時

2021年11月19日 (金) 　14：00～16：10

2.会場

オンライン開催（Zoomウェビナー）

3.プログラム

4.対象

本学学生・教職員、三菱マテリアル株式会社関係者、一般

5.定員

250名程度

6.参加費・申込手続き

参加費は無料です。
以下の申込みフォームよりお申込みください。

申込みフォーム

7.お問い合わせ

早稲田大学理工学術院　三菱マテリアル‐早大理工学術院産学連携協議会事務局
（材料技術研究所　担当： 三浦・榎本・菊池）

〒169-0051 東京都新宿区西早稲田2-8-26
TEL 03-3203-4782
E-mail: mmcjimu_at_list.waseda.jp　 （※ _at_ は @ に置き換えてください。）

8．申込み締切

2021年11月19日（金）12：00

2021年度 早稲田大学各務記念材料技術研究所 オープンセミナー

主催：早稲田大学　各務記念材料技術研究所
協賛学会：日本音響学会、日本材料学会、石油学会、日本分光学会、粉体粉末冶金協会、日本鋳造工学会、日本表面真空学会、腐食防食学会、日本鉄鋼協会、電気化学会、軽金属学会、日本セラミックス協会、表面技術協会、電力技術懇談会、早稲田電気工学会、早稲田物理会、早稲田材料工学会（順不同）

テーマ　「次世代スマートフォン向けの圧電材料および弾性波デバイスの進展」
近年、MEMS（微小電気機械システム）の中でも、超高周波域のRF-MEMSは、5Gスマートフォンに多数搭載されていることから、急速な市場拡大を見せています。RF-MEMSのほとんどは弾性波を用いた圧電材料により構成されており、新しい窒化物強誘電体材料や単結晶薄片化貼り付け技術、エピタキシャル薄膜など、最先端の材料技術が次々と事業化、スマートフォンに搭載されています。本セミナーでは、新進気鋭の若手研究者を中心にお招きし、次世代スマートフォン向けの圧電材料および弾性波デバイスについて、ご講演頂きます。

1.日時

2021年12月8日(水)　13：00～17：00

2.開催方法

オンライン開催（Zoom ウェビナー利用）

3.プログラム

※主催者側敬称略

4.対象

本学学生、教職員、一般（学外の方のご参加も歓迎いたします。） / 参加費：無料

定員：250名（予定）

5.申込手続き

以下のフォームからお申込みください。申込期間は12月8日12:00までです。
（ただし、定員を超えた場合はその時点で受付終了とさせていただきます。）

お申し込みフォームはこちら

6.お問い合わせ

早稲田大学各務記念材料技術研究所　オープンセミナー係（担当: 後藤・菊池）

〒169-0051 東京都新宿区西早稲田2-8-26
TEL 03-3203-4782 FAX 03-5286-3771
E-mail: zaikenjimu_at_list.waseda.jp　 (※ _at_ は @ に置き換えてください。)

演題：建築の詩的な叙事

日時：2021年12月16日(木)16:30-18:00

会場：Zoomによるオンライン講演会

講師：王　欣 （中国美術学院　准教授、雑誌『烏有園』編集長）

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法：参加ご希望の方は開催時刻になりましたら下記URLより入室して下さい。

https://zoom.us/j/98486838632?pwd=U0UybEsrWGFFWEptaDFOempDS09QUT09

主催：創造理工学部　建築学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

演題：吸着技術の理解と応用

日時：

第１回　　2021年11月15日(月)10:40-12:10

第２回　　2021年11月22日(月)10:40-12:10

第３回     　2021年11月29日(月)10:40-12:10

会場：Zoomによるオンライン講演会(後日URLをお送りいたします)

講師：望月　和博

（工学博士　合同会社リトカ研究者工房　社長／代表社員）

対象：学部生、大学院生、教職員、一般の方

参加方法：参加無料、事前申込制

事前申込先：https://forms.gle/texMP7uxGLwLr7t69

上記URL入力フォームにて、「メールアドレス」「氏名」「所属」「講演会参加の目的」「参加回」「学籍番号（早稲田大学学生のみ）」を入力してお申し込み下さい。

申込締切：2021年11月10日(水)15：00

主催：創造理工学部　環境資源工学科

問合せ：[email protected]

演題：数学で知る健康と健康予報

日時：2021年10月28日(木)16:30-18:00

会場：Zoomによるオンライン講演会

講師：中岡　慎治

（北海道大学先端生命科学研究院准教授）

対象：学部生、大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法：参加無料、事前申込制

事前申込先：[email protected]

「お名前」「所属」「メールアドレス」「講演会参加の目的」を明記下さい。

早稲田大学の学生の場合は、学籍番号もご記入ください。

申し込みいただいた方に、zoomアドレスをお送りします。

主催：先進理工学部　生命医科学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

令和3年度 戦略的創造研究推進事業ERATOに採択

元素固有の色を可視化し、宇宙と医療をつなぐ新しい架け橋　「ラインX線ガンマ線イメージング」を提案

発表のポイント

• 元素固有の色を可視化する革新手法「放射化イメージング法」を提案
• 宇宙から人体まで、あらゆる物質の動態を同じ技術で可視化

（1） 宇宙観測では、小型衛星で未踏の先端科学を開拓
（2）医学では薬物動態を迅速に可視化する新しいツールを開拓

2021年10月1日、早稲田大学理工学術院の 片岡 淳（かたおかじゅん）教授を研究総括とし、大阪大学大学院医学系研究科の 加藤 弘樹（かとうひろき）准教授ならびに東京工業大学理学院の 谷津 陽一（やつよういち）准教授をグループリーダーとする提案が、科学技術振興機構（JST）による令和3年度戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究（Exploratory Research for Advanced Technology、以下ERATO）（*1）研究領域「ラインX線ガンマ線イメージング」として採択されました。
研究総括は数キログラムから数トンクラスの様々な衛星開発に参加し、高エネルギー宇宙物理学を牽引してきました。人工衛星は重量、大きさ、電力が著しく制約された環境で、最高性能が求められます。同様に、医療では体に負担が少なく高精度な技術が求められ、両者の技術やアイデアを用いることで大きな相乗効果が期待されます。特に、がんの粒子線治療中に人体で起きる反応の多くは宇宙でも同様に起きており、基礎となる現象や物理にも多くの共通点があります。本提案では宇宙観測で培った高度な可視化技術を共通基盤とし、宇宙・医学・薬学分野への新たな展開を目指します。図1に研究領域の概観を示します。

1．研究の背景

宇宙空間には、宇宙線とよばれる謎多き粒子が満ちています。特に、100MeV（メガ電子ボルト）以下の宇宙線は生命の源であるイオン分子の生成や加熱、星の進化に重要な鍵となると考えられますが、直接観測することができません。一方で、これら宇宙線が星間物質と起こす様々な反応により、元素特有のエネルギーをもつX線やガンマ線のスペクトル輝線（ラインX線ガンマ線 *2）が生じます。これらを可視化することで、宇宙における物質の分布や流れ、さらには星内部の元素合成や超新星爆発など、一見静かな宇宙の「激動の歴史」を探ることができます。しかしながら、とくにガンマ線は数MeVという高いエネルギーをもつため観測が難しく、1990年代に打ち上げられた米国のコンプトン宇宙ガンマ線衛星（CGRO衛星）を最後に、30年来にわたり観測が行われていません。
一方で、これらの宇宙で起きる反応を、身近な医療に応用することは可能です。たとえば宇宙線が星間物質と衝突するように、薬剤や被写体に陽子や中性子線をぶつけると薬剤特有のラインX線ガンマ線が生じます。これを用いて、体内の薬物動態や粒子線治療中に細胞周辺で起こる様々な反応を、同じように可視化できるはずです（図2）。つまり、宇宙で起きる反応と、医療の可視化に必要な反応は共通の物理に根ざしています。ここで鍵となるのが、ラインX線ガンマ線を用いた放射化イメージングですが、微量分析技術の前例はあるものの、直接的に「動態を見る」可視化技術は未だ確立されていませんでした。

2．今回のプロジェクトで実現しようとすること

本領域では元素固有のラインX線ガンマ線を可視化する独自の技術 ― ハイブリッド・コンプトンカメラ（*3）―を用いて「放射化イメージング法」を確立し、それを共通基盤として宇宙分野、医学・薬学分野に展開します。具体的には「放射化」で元素固有のＸ線ガンマ線を誘発し、宇宙から人体まで、あらゆる物質（たとえば宇宙空間を漂う物質、人体の薬剤等）の動態を統一的にイメージングし、それを通して宇宙分野、医学・薬学分野に、共通な物理で新しい枠組みを構築します。宇宙分野では、数十kgの小型衛星を基盤としたボトムアップ戦略で未踏の先端科学、たとえば宇宙や大気中での元素の流れや元素合成といった、核ガンマ線宇宙物理学の開拓に挑みます。医学・薬学分野では、放射性特性を有さない通常の薬剤を投与前もしくは投与後にごく微量放射化し、その動態をX線ガンマ線で可視化できる革新手法を実証します。さらに、宇宙分野で培われた「光子計数イメージング法」を高速化し、X線やガンマ線の診断技術に応用し、薬剤ごとの同定が可能なスペクトラル多色CTによる超低被ばくX線動態イメージング技術を開拓します。

3．このプロジェクトで期待される波及効果

近年、世界各国では小型衛星の開発が活発に行われ、数十兆円レベルの巨大ビジネスへと発展しています。一方で、その限られた重量やサイズは科学観測には不向きとされ、多くは通信用途や工学的な技術実証のみに用いられています。しかしながら、小型衛星は安価で打ち上げ機会も多く、コストパフォーマンスが圧倒的に良いのも事実です。搭載センサーの性能を究極まで高めれば、一点突破型の優れた科学観測ができるはずです。実際、海外ではわずか10 kgの衛星が、X線による宇宙観測で素晴らしい成果を上げつつあります。本研究では大学主導で数十kgの小型衛星を実際に開発し、前人未踏のMeVガンマ線宇宙観測へ向けた突破口を拓きます。上記の通り、MeVガンマ線は宇宙における物質動態、爆発現象を探る最適な波長帯ツールです。本プロジェクトを通じて小型衛星の全く新しい利用法、つまり「一点突破型」先端宇宙科学観測を提案します。
最後に、本プロジェクトは準安定状態の元素が出す「色」情報を独自装置で可視化し、元素の全く新しい可能性を切り拓く新しい試みです。本年度の文部科学省・戦略目標「元素戦略を基軸とした未踏の多元素・複合・準安定物質探査空間の開拓」達成に大きく資するものと期待されます。さらに、放射化という新しい概念は上記の戦略目標ですら触れられておらず、この枠組みをも大きく凌駕し、元素戦略の新しい可能性を追求する革新的テーマとなっています。本プロジェクトの推進には、理学・工学・薬学・医学・情報全ての研究者が一堂に集い、統合的に研究を進めることが必須で、分野横断型の新しいフレームワークを構築するものです。本プロジェクトにより、新しい薬物動態可視化システムの構築、さらにはナノ粒子を用いた新しい粒子線治療の開拓など、既存の治療や診断を塗り替える新たな医療価値を見出します。さらに、画像診断システムについては、研究機関の他に材料・計測メーカーの協力を得て、材料やセンサーの開発、システム評価を産学連携で進め、国内産業の活性化に貢献していきます。

4．各機関の役割

（1）早稲田大学（Head Quarter）
本研究提案全体を推進。多色スペクトラルCTグループを統括

（2）大阪大学
放射化イメージングや核医学治療、多核種粒子線治療の提案と実証
核医学治療・粒子線治療グループを統括

（3）東京工業大学
科学観測を目的とした小型衛星開発を推進。宇宙・大気科学グループを統括

（4） 金沢大学
スペクトラル多色CTシステムの開発と実証

（5）帝京大学
機械学習を用いた医療画像の鮮鋭化

（6）岡山大学
核医学・粒子線治療用薬剤および多色CT造影剤の開発

（7）量研機構
重粒子線を基盤とした新規放射線治療の提案と評価、細胞実験

（8）理化学研究所
中性子イメージング、大気（雷）ガンマ線イメージングの推進

5．研究総括（代表者）のコメント

現代物理学の宿命は「高エネルギー・フロンティア」の開拓であり、実践的で患者さんと向き合う医療とは全く関係がない ― 実は、私自身も10年前までは同じ考えを持っていました。しかしながら、日本人の半数が一生のうちに罹患するといわれる、がんの高度な粒子線治療を行うには体内で起こる電離や核反応など、高度な物理の理解が必要です。逆に、医療に必要な装置を作るのには臨床現場のニーズを正しく理解することが必要で、理学や工学の研究者が想像だけで装置を作っても意味がありません。さらに、新しい治療や診断には新規薬剤の開発がつきもので、薬学や生物の専門知識も必要となります。多くの学問では、本来一つの目標に向かっているにもかかわらず分野間の風通しが悪く、学問の進展を遅らせてしまう場面が多々あると危惧しています。そのような中、本ERATOプロジェクトはラインX線ガンマ線イメージングをキーワードに、同じ目標に向かって理・工・医・薬をつなぐ「糊」の役割を果たすことが期待されます。そして、本ERATOプロジェクトの圧倒的な強みは、それぞれの分野で世界トップを走る若手研究者を一堂に集め、情報や技術をよどみなく共有できる点です。そして、実際に研究を進めるうえでは博士課程の学生に限らず、修士・学部の学生も積極的に採用し、フレッシュなアイデアとパワーで新しい学問を拓くことが狙いです。ある分野では「できない」ことが、他の分野では「当たり前にできる」経験は、研究者なら誰でも経験することです。登山に様々なルートがあるように、研究の道筋も一つではありません。本ERATOプロジェクトを契機に、日本の学問全体が活発化し、分野連携の架け橋になることを強く願っています。

6．用語解説

*1 　戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究（ERATO: Exploratory Research for Advanced Technology）
科学技術振興機構による公募プロジェクトの一つで、1981年に発足した創造科学技術推進事業を前身とするプログラムです。規模の大きな研究費をもとに既存の研究分野を超えた分野融合や新しいアプローチによって挑戦的な基礎研究を推進することで、今後の科学技術イノベーションの創出を先導する新しい科学技術の潮流の形成を促進し、戦略目標の達成に資することを目的としています。

*2 　ラインX線ガンマ線
元素に固有なエネルギーをもち、鋭いピークを有するX線またはガンマ線の総称です。励起した原子から発生するラインX線は特性X線、原子核から生ずるガンマ線は核ガンマ線と呼ばれます。本領域では、この鋭いピークに着目したイメージング法を開発し、宇宙分野、医学・薬学分野に展開します。一例として、金属ナノ粒子である金（AuNP）を放射化し、そこで生ずるガンマ線（412keV）をイメージングした結果を示します。

*3 　ハイブリッド・コンプトンカメラ
コンプトンカメラは、X線・ガンマ線が粒子として振舞う性質（コンプトン散乱）を利用し、その運動学を解くことで到来方向をイメージングする装置です。詳しくは応用物理学会誌「応用物理」2019年11月号 「ガンマ線イメージングがつなぐ医療と宇宙～超小型コンプトンカメラの挑戦～」（片岡 淳） をご覧ください。ハイブリッド・コンプトンカメラはこれを発展したもので、数十keV（キロ電子ボルト）から数MeVまでのX線、ガンマ線を一台のカメラで同時に可視化することが可能です。詳細は以下のリリースをご覧ください。

X線ガンマ線の同時可視化を可能に

7.　研究助成

研究費名：戦略的創造研究推進事業（ERATO: Exploratory Research for Advanced Technology）
研究課題名：「ラインX線ガンマ線イメージング」 （R3年度～R8年度）
研究総括名（所属機関名）：片岡淳（早稲田大学　理工学術院　先進理工学研究科 教授）
機構報 第1526号：戦略的創造研究推進事業における令和３年度新規研究総括および研究領域の決定について (jst.go.jp)

8．参画メンバー

・早稲田大学理工学術院 先進理工学研究科
片岡 淳　教授

・大阪大学大学院医学系研究科
加藤 弘樹　准教授、西尾 禎治　教授

・大阪大学放射線科学基盤機構
豊嶋 厚史　特任教授

・東京工業大学 理学院
谷津 陽一　准教授

・東京工業大学 工学院
松永 三郎　教授

・金沢大学理工学域 数物科学類
有元 誠　助教

・金沢大学 医薬保健研究域 保健学系
川嶋 広貴　助教、小林 聡　教授

・岡山大学大学院 医歯薬学総合科研究科 薬学系
上田 真史　教授

・量研機構 量子生命・医学部門 量子医科学研究所 重粒子線治療研究部
平山 亮一　主任研究員

・量研機構 量子生命・医学部門 量子医科学研究所 物理工学部
稲庭 拓　グループリーダー

・帝京大学大学院 医療技術学研究科
古徳 純一　教授

・理化学研究所 開拓研究本部
榎戸 輝揚　白眉研究リーダー

・理化学研究所 光量子工学研究センター
小林 知洋　専任研究員

演題：Properties, application, and recycling methods of polymeric materials

日時：2021年10月14日(木)9:00-10:30

使用言語：英語による講演、質疑応答

会場：Zoomによるオンライン講演会(後日URLをお送りいたします)

講師：Oleszek Sylwia Izabela

（京都大学 大学院 工学研究科 都市環境工学専攻　博士研究員）

対象：学部生、大学院生、教職員、一般の方

参加方法：参加無料、事前申込制

事前申込先：https://forms.gle/gTY5UuUwph3Yq2Ya9

上記URL入力フォームにて、「メールアドレス」「氏名」「所属」「講演会参加の目的」

「学籍番号（早稲田大学学生のみ）」を入力してお申し込み下さい。

申込締切：2021年10月8日(金)15：00

主催：創造理工学部　環境資源工学科

問合せ：[email protected]

Unveiling Galaxies at Cosmic Dawn That Were Hiding Behind the Dust

Scientists serendipitously discover two heavily dust-enshrouded galaxies that formed when the Universe was only 5% of its present age

While investigating the data of young, distant galaxies observed with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, Dr. Yoshinobu Fudamoto from Waseda University and the National Astronomical Observatory of Japan noticed unexpected emissions coming from seemingly empty regions in space that, a global research team confirmed, came actually from two hitherto undiscovered galaxies heavily obscured by cosmic dust. This discovery suggests that numerous such galaxies might still be hidden in the early Universe, many more than researchers were expecting.

A schematic of the results of this research. ALMA revealed a hitherto undiscovered galaxy as it is buried deep in dust (artist’s impression in upper right) in a region where the Hubble Space Telescope could not see anything (left). Researchers serendipitously discovered the new hidden galaxy while observing an already well-known typical young galaxy (artist’s impression in lower right)
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope

When astronomers peer deep into the night sky, they observe what the Universe looked like a long time ago. Because the speed of light is finite, studying the most distant observable galaxies allows us to glimpse billions of years into the past when the Universe was very young and galaxies had just started to form stars. Studying this “early Universe” is one of the last frontiers in astronomy and is essential for constructing accurate and consistent astrophysics models. A key goal of scientists is to identify all the galaxies in the first billion years of cosmic history and to measure the rate at which galaxies were growing by forming new stars.

Various efforts have been made over the past decades to observe distant galaxies, which are characterized by electromagnetic emissions that become strongly redshifted (shifted towards longer wavelengths) before reaching the Earth. So far, our knowledge of early galaxies has mostly relied on observations with the Hubble Space Telescope (HST) and large ground-based telescopes, which probe their ultra-violet (UV) emission. However, recently, astronomers have started to use the unique capability of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) telescope to study distant galaxies at submillimeter wavelengths. This could be particularly useful for studying dusty galaxies missed in the HST surveys due to the dust absorbing UV emission. Since ALMA observes in submillimeter wavelengths, it can detect these galaxies by observing the dust emissions instead.

In an ongoing large program called REBELS (Reionization-Era Bright Emission Line Survey), astronomers are using ALMA to observe the emissions of 40 target galaxies at cosmic dawn. Using this dataset, they have recently discovered that the regions around some of these galaxies contain more than meets the eye.

While analyzing the observed data for two REBELS galaxies, Dr. Yoshinobu Fudamoto of the Research Institute for Science and Engineering at Waseda University, Japan, and the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), noticed strong emission by dust and singly ionized carbon in positions substantially offset from the initial targets. To his surprise, even highly sensitive equipment like the HST couldn’t detect any UV emission from these locations. To understand these mysterious signals, Fudamoto and his colleagues investigated matters further.

In their latest paper published in Nature, they presented a thorough analysis, revealing that these unexpected emissions came from two previously unknown galaxies located near the two original REBELS targets. These galaxies are not visible in the UV or visible wavelengths as they are almost completely obscured by cosmic dust.  One of them represents the most distant dust-obscured galaxy discovered so far.

Distant galaxies imaged with ALMA, the Hubble Space Telescope, and the European Southern Observatory’s VISTA telescope. Green and orange colors represent radiations from ionized carbon atoms and dust particles, respectively, observed with ALMA, and blue represents near-infrared radiation observed with VISTA and Hubble Space Telescopes.
REBELS-12 and REBELS-29 detected both near-infrared radiation and radiation from ionized carbon atoms and dust. On the other hand, REBELS-12-2 and REBELS-29-2 have not been detected in the near-infrared, which suggests that these galaxies are deeply buried in dust.
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope, ESO, Fudamoto et al.

What is most surprising about this serendipitous finding is that the newly discovered galaxies, which formed more than 13 billion years ago, are not strange at all when compared with typical galaxies at the same epoch. “These new galaxies were missed not because they are extremely rare, but only because they are completely dust-obscured,” explains Fudamoto. However, it is uncommon to find such “dusty” galaxies in the early period of the Universe (less than 1 billion years after the Big Bang), suggesting that the current census of early galaxy formation is most likely incomplete, and would call for deeper, blind surveys. “It is possible that we have been missing up to one out of every five galaxies in the early Universe so far,” Fudamoto adds.

The researchers expect that the unprecedented capability of the James Webb Space Telescope (JWST) and its strong synergy with ALMA would lead to significant advances in this field in the coming years. “Completing our census of early galaxies with the currently missing dust-obscured galaxies, like the ones we found this time, will be one of the main objectives of JWST and ALMA surveys in the near future,” states Pascal Oesch from University of Geneva.

Overall, this study constitutes an important step in uncovering when the very first galaxies started to form in the early Universe, which in turn shall help us understand where we are standing today.

Reference

Authors: Y. Fudamoto^1,2,3, P. A. Oesch^1,4, S. Schouws⁵, M. Stefanon⁵, R. Smit⁶, R. J. Bouwens⁵, R. A. A. Bowler⁷, R. Endsley⁸, V. Gonzalez^9,10, H. Inami¹¹, I. Labbe¹², D. Stark⁸, M. Aravena¹³, L. Barrufet¹, E. da Cunha^14,15, P. Dayal¹⁶, A. Ferrara¹⁷, L. Graziani^{18,20, 27}, J. Hodge⁵, A. Hutter¹⁶, Y. Li^21,22, I. De Looze^23,24, T. Nanayakkara¹², A. Pallottini¹⁷, D. Riechers²⁵, R. Schneider^18,19,26,27, G. Ucci1⁶, P. van der Werf⁵, C. White⁸
Title of original paper: Normal, Dust-Obscured Galaxies in the Epoch of Reionization
Journal: Nature
DOI: 10.1038/s41586-021-03846-z
Affiliations:
¹Department of Astronomy, University of Geneva
²Research Institute for Science and Engineering, Waseda University; ³National Astronomical Observatory of Japan
⁴Cosmic Dawn Center (DAWN), Niels Bohr Institute, University of Copenhagen
⁵Leiden Observatory, Leiden University
⁶Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University
⁷Sub-department of Astrophysics, The Denys Wilkinson Building, University of Oxford
⁸Steward Observatory, University of Arizona
⁹Departmento de Astronomia, Universidad de Chile
¹⁰Centro de Astrofisica y Tecnologias Afines (CATA)
¹¹Hiroshima Astrophysical Science Center, Hiroshima University
¹²Centre for Astrophysics & Supercomputing, Swinburne University of Technology
¹³Nucleo de Astronomia, Facultad de Ingenieria y Ciencias, Universidad Diego Portales
¹⁴International Centre for Radio Astronomy Research, University of Western Australia
¹⁵ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D)
¹⁶Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen
¹⁷Scuola Normale Superiore
¹⁸Dipartimento di Fisica, Sapienza, Universita di Roma
¹⁹INAF/Osservatorio Astronomico di Roma
²⁰INAF/Osservatorio Astrofisico di Arcetri
²¹Department of Astronomy & Astrophysics, The Pennsylvania State University
²²Institute for Gravitation and the Cosmos, The Pennsylvania State University
²³Sterrenkundig Observatorium, Ghent University
²⁴Dept. of Physics & Astronomy, University College London
²⁵Cornell University
²⁶Sapienza School for Advanced Studies
²⁷INFN, Roma, Italy