[最終更新日]
2022/2/28
「7.オンライン授業に関するお問い合わせ」を更新しました。
Updated “7.Inquiry about taking online courses”.
2022/2/24
Webサイトを公開しました。
Site opened.

以下のとおり、2022年度の授業についておしらせします。WasedaメールやMyWaseda、Waseda Moodleにて、大学あるいは教員から発信される重要なお知らせについても、都度確認のうえご対応ください。
This is to inform you of the classes for Academic Year 2022. Please be sure to check your Waseda emails, the announcements on MyWaseda and Waseda Moodle which are sent from the University and faculty members.

Index

1.授業実施方法の確認方法/How to check course delivery methods
2.対面授業時の感染予防/Preventing Infection in Face to Face Classes
3.西早稲田キャンパスのオンライン授業受講スペース/Classrooms for taking online classes in Nishi-Waseda Campus
4.科目登録/Course registration
5.早稲田大学生協教科書・教材販売/Purchasing of textbooks and other materials at Waseda Co-op
6.対面授業（講義・演習・実験）」に出席できない場合/In case you cannot attend in-person classes (lecture, seminar, laboratory courses)
7.オンライン授業に関するお問い合わせ/Inquiry about taking online courses
8.学生生活に関するサポート/ Supports for Student Life
9.お問い合わせ/ Inquiry

1.授業実施方法の確認方法/How to check course delivery methods

科目登録前にWebシラバスを参照し、「対面授業」「オンライン授業」など授業実施方法をご確認ください（検索方法）。
※共同大学院設置科目は各専攻にご確認ください。
Please check web syllabus prior to course registration and check the course delivery method of each course, such as “face-to-face” or “online” classes（How to search）.
*For courses at Cooperative Major, please contact with the relevant faculty members directly.

• Webシラバス
• Syllabus Search

留意事項/Note

• 今学期は、16週目に対面教場試験を実施する科目もありますので、各科目シラバス、担当教員からの連絡に十分ご注意ください。
  In Spring Semester 2021, some subjects will have a face-to-face classroom examination in the 16th week, so please be careful about syllabus of each subject and contact notifications from each faculty member.
• 掲載科目は科目登録後、履修者数等によって、対面授業がオンライン授業に変更される場合があります。
  After course registration, some face-to-face courses may be changed to online courses depending on the number of course participants.
• 選択科目の一部には定員を設定する可能性があり、その科目で登録者が定員を超えた場合は抽選を行います。
  Some of elective courses may set the limit for course participants’ number, and in case the number of applicants for a course exceeds the capacity, final course participants will be decided through a lottery.

2.対面授業時の感染予防/Preventing Infection in Face to Face Classes

• キャンパスの入構にあたっては、当日、自宅で体温測定を行い、平熱であることやコロナ感染症の疑いのある症状がないことを確認してください。
  On the day you plan to come to campus, take your temperature at home, make sure it is at average body temperature and no symptoms of a suspected COVID-19 infection.
• 各教室、建物入口、各フロアーに消毒液を常備します。キャンパス・教室に入る際には必ず消毒液で手指を消毒してください。また、日中は教室の清掃が入りません。ご自身が使用される前後に机上等の清浄が必要な場合は、各自教室設置の消毒液あるいは除菌シートによりご対応ください。
  Hand sanitizer is always available in each classroom, at the building entrance and on each floor. Please disinfect your hands/fingers with it before entering the campus and classrooms. Please note that classrooms are not cleaned during the day. If you need to clean your desk before or after you use it, please use the hand sanitizers and disinfecting wipes provided in the classroom.
• 教室内では常時マスクを着用してください。
  Wear a mask at all times in the classroom.
• 昼休みなど、飲食が許可された施設で昼食をとる場合、着席間隔に留意し、マスクを外している際には会話を謹むなど、感染対策に十分配慮してください。
  If you are having lunch in a place where eating and drinking are permitted, please take care to ensure that you are seated at the correct distance from each other at the correct distance from each other and that you do not talk when you are not wearing a mask.
• 生協のカフェテリアを含め、西早稲田キャンパス内で飲食が許可された施設を利用する場合、可能であれば、昼休みなど利用が集中する時間帯を避ける、また、占有せず利用終了後は速やかにほかの方に席を譲る、など、皆さんが利用できるようご配慮ください。
  When using facilities on the Nishi-Waseda campus where eating and drinking are permitted, including the cafeteria, please try to avoid peak hours such as lunchtime if possible, and when you have finished eating, please give up your seat to someone else as soon as possible, so that everyone can use the place.
  【教室での飲食/Eating and drinking in the classroom】
  教室は、昼休みに限り飲食を可とします。授業開始10分前には食事を終え、机上の消毒などを完了してください。
  You are permitted eating and drinking in the classrooms ONLY during the lunch break. Please finish eating and disinfect your desk 10 minutes before class starts.

ご参考

大学の方針に基づき、「３密回避」の感染予防を徹底します。
In accordance with the University policy, we will take measures to ensure the prevention of infections in the “Avoid the 3Cs (Closed spaces, Crowded places, and Close-contact settings).”

• 教室利用は収容定員の2/3程度、または履修者の着席間隔を1m程度空けることを目安として配当します。また教室の座席は、密集を避けるように対応しています。
  Classrooms are allocated so that the number of course participants is about 2/3 of the classroom capacity or students can be seated about 1 meter apart from each other. Also, classroom seating is arranged to avoid crowding.
• 大学の方針に基づき、教職員、TA等はマスクもしくはフェイスシールドを着用するなどの対策を講じています。
  Faculty & staff members and TAs wear masks or face shields, in accordance with university policy.

3.西早稲田キャンパスのオンライン授業受講スペース/Classrooms for taking online classes in Nishi-Waseda Campus

• 対面授業後にリアルタイムのオンライン授業がある場合は、以下の教室・PCルーム・学生ラウンジ等で受講し、終了後は速やかに帰宅してください。
  If you have a real-time online class after attending a face-to-face class, you may use a Classrooms, PC rooms, student lounges, etc. for taking online courses.
• 利用にあたっては、三密を避け、できる限りソーシャルディスタンシングを心掛け、着席間隔に留意してください。
  When using the facilities, avoid the 3Cs, keep social distancing, and please take care to ensure that you are seated at the correct distance from each other.
• 教室のWi-Fi環境を利用したオンライン授業の受講に際しては、個人のモバイルPC等を持ち込んでご利用ください（接続方法はITサービスナビ「ネットワーク利用案内」をご確認ください）。また、イヤホン・ヘッドホン等(マイク付を推奨)を利用し、授業における発言以外の私語は謹んでください。
  If you are going to be using Wi-Fi connections in the classrooms to take online classes, please bring your laptops and/or mobile devices (For details on how to setup, please refer to “Network Use Guide”.). Use earphones/ headphones (with microphone) and please refrain from speaking unless it is a statement or a question for class.
• 大学施設利用にあたっては「Support Anywhere」記載事項も合わせてご確認ください。　※ID・パスワードはMyWasedaのお知らせをご参照ください。
  When you use university facilities, please also check the information on “Support Anywhere”.　*ID/PW can be posted on the notice board of MyWaseda page

西早稲田キャンパス開放教室一覧 /Classrooms for taking online classes in Nishi-Waseda Campus

春学期　Spring　Semester（2022/4/5～2022/7/22）

※上記以外の教室でも、授業やゼミ等で利用していない教室はオンライン授業受講のために使用できます。授業やゼミでの利用が始まった時は 、速やかに退出してください。
*Even classrooms that are not used in classes or seminars (other than the above) can be used for online classes. When a legitimate user starts using them in a class or seminar, please leave immediately.

西早稲田キャンパスPCルーム/PC rooms in Nishi-Waseda Campus

有線LAN接続済の既設PCの利用により、オンライン授業をより安定した環境で受講可能です。
By using an installed PC connected to a wired LAN, you can take online classes in a more stable environment.

• PCルームに関するお知らせ/ Notice about the PC room
  http://www.waseda.jp/mse/web/pcroom/
• PCログイン方法/How to log in to PC
  http://www.waseda.jp/mse/web/pcroom/pcroom_howtouse/
• PCの機種・OS・台数等/PC model, OS, number of PCs, etc.
  http://www.waseda.jp/mse/web/pcroom/oslist/

理工学図書館/Science and Engineering Library(Bldg. 51, B1F)

以下の施設を利用可能です。
You will be permitted to use the following facilities for taking online classes.

• グループワークルーム２/Group Workroom 2
  ※夏季休業期間中は閉室します。/ “Group Workroom 2” will be closed during the summer vacation.
  月～金/Mon.-Fri. 9:00-20:30, 　 土/Sat. 9:00-18:30
  *イヤホン・ヘッドホン等を利用し、授業における発言以外の私語は謹んでください。飲み物可。
  Please use earphones/ headphones and refrain from speaking unless it is a statement or a question for the class.You are permitted ONLY drinking.
• コミュニケーションラウンジ/Communication Lounge
  月～金/Mon.-Fri. 9:00-21:00（夏季休業期間中/During the summer vacation 9:00-20:00）, 　土/Sat. 9:00-19:00（夏季休業期間中は閉室/Closed during the summer vacation）
  *イヤホン・ヘッドホン等を利用し、私語は謹んでください。飲食可。
  Please use earphones/ headphones and refrain from speaking. You are permitted eating and drinking.

他キャンパスの開放教室/About the classroom for online classes in other Campus

「Learn Anywhere」にてご確認ください。
Please refer to 「Learn Anywhere」.

4.科目登録/Course registration

以下のサイトを参照し、スケジュールや注意事項を十分ご確認ください。
Please refer to below website.

• 科目登録
• Course registration

5.早稲田大学生協教科書・教材販売/Purchasing of textbooks and other materials at Waseda Co-op

履修する授業で指定されている教科書をWebシラバスで確認のうえ、必要に応じてご購入ください。
Please check the textbook for your course on Web syllabus and purchase it as needed.
※早稲田大学生協による教科書販売スケジュールは以下のサイトでご確認ください。
* Please check the following website for the textbook sales schedule by Waseda University Co-op.

• 早稲田大学生協教科書申込WEBサイト/Website for applying to purchase textbooks at Waseda University Co-op
• 早稲田大学生協営業時間/Business hours of Waseda University Co-op

※早稲田大学生協では各科目担当教員からの指示により教科書を入荷しています。早稲田大学生協に取り扱いのない教科書は、そのほかの方法でお求めいただくか、科目担当教員にご相談ください。
*Please check the following website for the sales schedule by Waseda University Co-op. Waseda University Co-op receives textbooks in stock as instructed by each course instructor.

※白衣・レポートセット・関数電卓・電子辞書・製図用品・作業着等は、生協購買部（57号館B1階）にて購入可能です。詳細は、上記早稲田大学生協Webサイトにてご確認ください。
White coats, report sets, calculators, electronic dictionaries, drafting supplies, work clothes, etc. can be purchased at the Co-op Purchasing Department (Bldg. 57, B1F). For details, please refer to the Waseda University Co-op website.

6.対面授業（講義・演習・実験）に出席できない場合/In case you cannot attend in-person classes (lecture, seminar, laboratory courses)

対面授業は原則として出席を要します。ただし、理工学術院設置科目について、次の事情等により登校できない状況にある場合は、配慮が必要な旨を各科目担当教員にお申し出ください。
In principle, attendance is required for face-to-face classes. In case you are unable to enter our campus due to the following reasons for the courses provided by FSE, please contact the instructor of each course and ask for academic accommodation:

1. 渡航禁止などの入国制限による場合
   Due to entry restrictions to Japan.
2. 基礎疾患等のやむを得ない事情により公的な証明書等（診断書等）が提示できる場合
   In case a student is able to present an official certificate (e.g. medical certificate) due to unavoidable circumstances such as an underlying medical condition

ワクチン接種および副反応による場合/In case of COVID-19 Vaccination or side effects of vaccinations

• 新型コロナウイルス感染症ワクチン接種に関わる授業欠席の取り扱いについて
• COVID-19 Vaccination-Related Class Absence

授業を欠席する必要性が生じた場合は、以下の手順でご対応ください。
If you need to be absent from classes due to this reason, please follow the procedure below.

1. 学生は「新型コロナウイルス感染症ワクチン接種による欠席届および配慮願」に必要事項を記入し、客観的な証明書類を添えて、51号館1階教学支援課カウンターに申し出る（体調不良等により、登校が難しい場合は、学生証の画像ファイルおよび必要資料をすべて添付のうえ、[[email protected]]宛にWasedaメールからお送りください）。
   Students must fill out the “Notification of Absence due to Covid-19 Vaccination”  forms, and submit them with objective evidence to the “Academic and Student Affair’s Section at the Center for Science and Engineering” at the grand floor of the Bldg. 51, Nishi-Waseda Campus (If you are unable to come to the school due to illness or other reasons, please send an image file of your student ID and all necessary documents to [[email protected]] via Waseda-mail.).
2. 事務所承認後、学生本人が担当教員に、教場にて（オンライン授業の場合はEメール、WasedaMoodleの「Message My Teacher」等を通じて）、「新型コロナウイルス感染症ワクチン接種による欠席届および配慮願」を渡し、配慮を願い出る。
   After approval by the Office, the student must submit the “Notification of Absence due to Covid-19 Vaccination” to the faculty member in charge at the classroom (or via E-mail, “Message My Teacher” on WasedaMoodle , etc. in the case of online classes) and ask for consideration.

体調不良など新型コロナ感染症への感染が疑われる場合/ In case of illness or other suspected cases of COVID-19 infection

無理に登校をせず、速やかに医師の診断により登校可否の判断を受けてください。それに伴い、授業を欠席する必要性が生じた場合は、WasedaMoodleの「Message My Teacher」などを通じて、科目担当教員に事情をご説明ください。
Please do not come to school without a doctor’s advice, and get a decision on whether or not you can come to school as soon as possible. If you need to be absent from classes due to this reason, please explain your situation to the instructor of each course via “Message My Teacher” on WasedaMoodle etc..

※病院が発行した領収書や診断書等は担当教員等から要請があった際に提出できるよう各自保管しておいてください。
*Please keep receipts and medical certificates issued by the hospital so that you can submit them when requested by the instructor of each course.

科目の連絡先/How to contact

講義科目・演習科目/Lectures/Seminars

LMSのメッセージにより、科目担当教員に相談ください。
With regard to the query about the course, please  send the message to the lecturer through Learning Management System.

• Moodleマニュアル「3.メッセージについて」
  Moodle Manual “3. Messages” 

実験科目/Laboratory courses

該当科目担当の実験室にお申し出ください。
Please contact the laboratory in charge of your course

新型コロナウイルス感染症罹患・濃厚接触者特定時の連絡方法/How to Report about  COVID-19 infoction

• 新型コロナウイルス感染症罹患・濃厚接触者特定時の連絡方法/How to Report about COVID-19 infection

7.オンライン授業に関するお問い合わせ/Inquiry about taking online courses

初回授業日あるいは各時限の開始時間はアクセスが集中する場合があります。可能な場合は授業日に先立ち、使用するツールなどやダウンロードしておくべき資料の有無などの教員からの指示を事前に確認して準備しておくことをお勧めします。
Access may be congested on the first day of the class or the starting time of each period. It is recommended that you check in advance instructions from the lecturer about tools or materials to be used.

オンライン授業履修にあたっての重要なおしらせは、通常Wasedaメールに送信されますが、E-mailは送信されず、Moodleのおしらせに掲載されるのみ、あるいは、別の連絡手段が指定される場合もあります。メールの受信状況やMoodleのお知らせなどを、1日に複数回確認してください。
Important notices for taking online courses will be sent to your Waseda email. Also, it may be posted only in Moodle’s announcements or other contact tools without sending email. Please follow the instructions of your instructors for each course. Please check your mail box and Moodle annoucements etc. several times per day.

(1)オンライン授業準備サイト「Learn Anywhere」/ Information: “Learn Anywhere” online preparatory website

早稲田大学のオンライン授業を受講するために必要な準備や、参考になる情報を掲載しています。
Online preparatory website “Lean Anywhere” provides several tips and information for you to take online courses.

• Learn Anywhere

【重要】セキュリティや著作権について/Important: About the security and copyright

セキュリティや著作権について正しい知識が必要です。ご自身の個人情報の漏洩以外にも他者の個人情報や肖像権などに十分留意してください。Waseda Moodle上での活動を含めてインターネット上ならではの取り扱いやレポートなどの課題に取り組む際の留意点など、オンライン授業だからこそ遵守しなければならないルールがあります。オンライン、オンデマンド含め講義内容の録画やSNSなどでの公開は厳に慎んでください。これらに違反すると、退学や停学といった厳しい処罰がくだされることもありますので、 正しい知識を身に付けて、十分に注意するようにしてください。
You are requested to have the accurate knowledge of the security and copyright. Apart from the leakage of your personal information, please be aware of the personal information and portrait rights of others. In addition, there are certain rules to follow especially for online classes (including activities on Waseda Moodle) as well as notes for working on reports and other assignments on internet. Violation of these rules may result in disciplinary action, such as expulsion from the university or academic suspension.

(2)困りごとが発生した場合の問い合わせ方法/How to contact in case of problems

Wasedaメールを使うことが推奨されています。メールやMoodleのメッセージを送る際には、学部・学科・学籍番号・氏名、授業に関する問い合わせの場合は科目名やクラス、担当教員、ご自身に生じている状況を詳しく記載のうえ、お問い合わせください。
You are recommended to contact via Waseda email. Be sure to indicate your school, department, student ID number, name and the detail of situation happening to you when sending email or a message to the lecturer via Learning Management System. (Course title and name of lecturers are required additionally when your query refers to your course.)

加えて、システム的なトラブルが生じている場合は、以下の情報を記載のうえ、お問い合わせください。
If you have any system problem, please ask with following details:

• 使っている環境（スマートフォンかPCか、メーカー機種OSなど）やソフトウェアやアプリケーション
  Your device (smart phone or PC, Mac or Windows etc.), software, application
• 通信環境（固定回線かモバイル環境か、Wifiの状況）
  Your communication environment (fixed line or mobile, Wifi status)
• 生じているトラブルの具体的な内容（エラーメッセージが出ている場合はその内容）
  Detailed description of the problem (e.g. error message on the screen)

また、アクセス集中に伴うシステムの配信遅延、そのほかの理由により、お問い合わせに対する返信に1週間程度の時間を要する可能性がございます。初回講義に関する問い合わせや質問の回答が、第2回の講義において示される場合もあります。皆さまにはご不便をおかけしますが、何卒ご理解とご協力の程、宜しくお願いいたします。
In case of system disruption caused by access congestion, a university-wide response may be sent from MyWaseda. It may take up to a week to respond to inquiries about the lecture content and assignments. To be more specific, answers to inquiries and questions about the first lecture may be presented in the second lecture. We apologize for any inconvenience this may cause and thank you for your understanding and cooperation.

• MyWaseda「システム・メンテナンス」
  MyWaseda System Maintenance
• 「Learn Anywhere」Collaborate 05_トラブルシューティング
  Learn Anywhere Collaborate Troubleshooting
• 「Learn Anywhere」よくある質問
  Learn Anywhere FAQ

(3)授業や教材に関する相談/ Inquiry about course and course material

教材や課題などはWebシラバスやWaseda Moodleにて通知されます。授業について質問がある場合は、LMSのメッセージ（教員から指示がある場合はそのほかの方法）により、科目担当教員に相談ください。
With regard to the query about the course contents (e.g. communication environment designated by the course) and materials (e.g. in case you cannot get the textbooks), please check the web syllabus or Waseda Moodle and contact with the course lecturer. Please follow that instruction. Otherwise please send the message to the lecturer through Learning Management System.

• Webシラバス
  Web syllabus
• Moodleマニュアル「3.メッセージについて」
  Moodle Manual “3. Messages” 

(4)理工学術院お問い合わせ窓口/Inquiry at FSE

上記にあてはまらない質問、あるいは、次の授業回になっても教員からの回答がない場合などは、「理工学術院オンライン授業お問い合わせ窓口」にお問い合わせください。
If you have any questions that do not appear in the above list, or if you do not receive a reply from the lecturer in the next class session, please contact the “Inquiry at FSE”.

• 理工学術院お問い合わせ窓口/ Inquiry at FSE

*MyWasedaログインのうえご回答ください。/ Please log in to MyWaseda and answer the questions.

Moodle上で科目が見つからない場合/ In case the course you registered is not appeared on My courses on Waseda Moodle.

1.以下の「科目名対照表」を確認する、あるいは、担当教員から、シラバスやWasedaメールに届くお知らせなどによりMoodle上で履修すべき科目名が明示されていないか確認してください。
In this case, please check with the “Course Comparison List” below or confirm the other course title with the syllabus or emails which are sent by the lecturer of the course.

• 科目名対照表/Course Comparison List
  ※Moodle上でコース名が見つけづらい科目のみ掲載しています。
  *This is a list of courses which names are hard to find in Waseda Moodle.

2.科目登録2次登録日程以降のオンライン授業に参加できるタイミングは「科目登録日程」をご確認ください。
Please refer to the Appendix 1 of your program regarding when you can participate in online classes registered during the 2nd and 3rd course registration period.

8.学生生活に関するサポート/ Supports for Student Life

大学における諸手続きや証明書申請の方法、あるいは、皆さんが抱えるさまざまな心配事に対する、大学や理工学術院の相談窓口は以下に記載されています。また、心理的な相談は、学生相談室や保健室にて、臨床心理士が対応しています。以下のサイトを参照のうえ、各窓口にお問い合わせください。
The University and the FSE provide consultation services for various concerns that you may have. For psychological counseling, clinical psychologists are available at the Student Counseling Room and the Health Support Center. Please refer to the following website:

• Support Anywhere
• 理工学術院問い合わせ・各種相談
• Faculty Contacts & Academic Advisor

理工学術院独自の学びを支えるサポート/Support for learning offered by the FSE

• 数学Q&A　（21/9/15Updated）
• 物理Q＆A　（21/9/15Updated）
• 情報Q＆A

9．お問い合わせ/ Inquiry

• 教学支援課：授業・学費・証明書・学生生活等
• Academic & Student Affairs Section: in charge of Course taking, Tuition fee, Certificate, Student life

※成績・科目登録については、MyWasedaログイン画面左下「成績照会　科目登録専用」をご利用ください。

*For your inquiries about grades and course registration, please contact via “Grades & Course registration” on MyWaseda log-in page.

2022年度 基幹・創造・先進理工学部一般入試（2月16、17日実施）の「英語」および「物理」「化学」のマーク解答問題について、解答を公表いたします。なお、上記科目に加え「数学」「生物」「空間表現」の「試験問題」および「記述解答問題の出題意図」については、6月ごろをめどに公表予定です。

• 2022年度理工一般 解答（英語）
• 2022年度理工一般 解答（物理・化学）

※ お問い合わせいただいた内容は本学で確認し、必要がある場合は、学術院Webページもしくは入学センターWebページに掲載いたします。個別に回答することはいたしません。

遷移金属酸化物の近藤効果を初めて実証

～電子相関物性の設計・探索の新たなプラットホームを開拓～

大阪府立大学（学長：辰巳砂 昌弘）大学院 工学研究科 播木 敦 助教、博士前期課程1年 加瀬林 啓人さん、早稲田大学 理工学術院 溝川 貴司 教授、京都大学 化学研究所 島川 祐一 教授、広島大学 田中 新 准教授らは、マックスプランク研究所 Liu Hao Tjeng 教授、ウィーン工科大学 Jan Kuneš 教授らのグループと共同で、銅（Cu）とルテニウム（Ru）からなる酸化物（CaCu₃Ru₄O₁₂）のX線光電子分光（注1）を測定し、独自に開発した計算パッケージを用いて、高精度な理論解析を行いました。

その結果、CaCu₃Ru₄O₁₂では、遷移金属の酸化物ではほとんど報告例がない近藤効果（注2）が実現していることを初めて実証しました（図1）。近藤効果は、電気抵抗がゼロになる超伝導現象や電子の質量が有効的に異常増大する重い電子現象など、様々な量子物性の発現メカニズムと密接な繋がりがあります。今回の結果は、近藤効果が実現する遷移金属酸化物の物質群（四重ペロブスカイト遷移金属酸化物、注3）の存在を示唆するもので、更なる物質合成を進めることで、近藤効果に由来する新奇物性の発見が期待されます。

なお、この成果は、米国物理学会が刊行する学術雑誌「Physical Review X」にて、1月27日（日本時間）にオンライン掲載されました。

＜本研究のポイント＞

ペロブスカイト遷移金属酸化物CaCu₃Ru₄O₁₂のX線光電子分光実験データを測定し、最新の量子理論手法を用いて解析した結果、近藤効果が実現していることを実証した。

希土類化合物だけでなく、遷移金属酸化物でも近藤効果が発生することを示した。

今後、遷移金属酸化物の構成元素を制御することで、近藤効果が紡ぎ出す磁気応答や超伝導、重い電子状態などの新奇量子物性の発見が期待される。

＜研究の背景＞

遷移金属の酸化物や希土類元素（注4）からなる化合物は、電気抵抗がゼロになる超伝導体や磁性材料として、現代のテクノロジーを支えています。これらの物質の多種多様な性質には、電子が持つ磁石のような性質 -スピン- が重要な役割を果たしています。スピンは電子に内在する性質で、このスピンが規則的に配列すると、我々が普段目にする磁石が出来上がります。しかし、ある物質では温度を下げると、この電子のスピンが巨視的なスケールで消失する現象が起こります。これが、近藤効果と呼ばれる現象です。1964年に近藤淳博士により、この現象は「磁性元素と伝導電子の間の量子力学的な相互作用」に由来することが明らかにされましたが、その後の研究から、超伝導や磁性から素粒子物理学や原子核物理学まで、広範囲の物理現象の根幹と深い関わりがある現象であることがわかってきました。材料科学においては、量子情報デバイスの素子としても期待される半導体量子ドットの設計や、電子のスピンを利用して高効率デバイスの創造を目指すスピントロニクスの分野でも重要な役割を担い始めています。近藤効果は、希土類元素の化合物では多くの物質で発見されており、電子質量が異常増大する重い電子現象や超伝導などを理解・設計する基本概念として定着しています。その一方で、遷移金属の酸化物では、近藤効果の実現がはっきり裏付けられた物質はこれまで見つかっていませんでした。

＜研究内容＞

本研究では、銅（Cu）とルテニウム（Ru）の2つの遷移金属元素を含む酸化物CaCu₃Ru₄O₁₂（図2）に着目し、近藤効果の検証に挑みました。この物質に関しては、近藤効果を示唆する過去の実験結果もありますが、一方で近藤効果とは全く相寄れない実験結果も報告されていました。この状況を打破すべく、本研究グループは、高純度なCaCu₃Ru₄O₁₂のサンプルを合成し、CuとRuの電子を直接観測できるX線光電子分光の実験を行いました。国内外の高輝度放射光施設（国内のSPring-8、台湾の國家同歩輻射研究中心、韓国の浦項放射光源）を利用し、広い範囲の波長の入射X線で実験することで、CuとRuの電子それぞれを分離して観測することに成功しました。その結果、Cuの電子は、近藤効果を示す希土類化合物と類似のスペクトル（運動エネルギー）を示すことが確認できました。この新しい実験データを、独自に開発した第一原理手法（密度汎関数理論）と量子多体手法（動的平均場理論）を実装した解析パッケージにインプットすることで、CaCu₃Ru₄O₁₂の結晶内部のCuとRu電子の運動（図2）を再現できる理論モデル（多軌道ハバードモデル）が完成しました。

この理論モデルを、スーパーコンピュータ（オーストリア・ウィーンのVienna Scientific Cluster）を用いて数値的に解くと、低温下で存在するべきであるCu電子のスピンが消失する様子が我々の目の前に浮かびあがりました。詳細に解析すると、Ruの伝導電子が雲のようにCu電子のスピンを取り囲んで結合し、スピンを打ち消した（遮蔽した）多体束縛状態（注5）を形成していることがわかりました（図1、図3を参照）。さらに、この束縛状態が壊れ始める温度、すなわちCuのスピン（局在モーメント）が見え始める近藤温度と呼ばれる特性温度が非常に高い（500K以上）ことを突き止めました。実験的にこの温度に到達するのは困難を極めますが、今回正確な理論モデルが得られたおかげで、高精度数値シミュレーションを利用して近藤温度の評価が可能になりました。これは、過去の実験で、温度を上げてもCuのスピンが現れないという近藤効果と一見矛盾する結果が得られた問題を解消する重要なポイントで、CaCu₃Ru₄O₁₂の近藤効果を決定づけるものです。

今回の解析から、四重ペロブスカイト構造（化学組成式AA’₃B₄O₁₂）の、A’部分にCuを、B部分に遍歴性の高い伝導電子を提供できる遷移金属元素（今回はルテニウム）を配置することで、近藤効果を実現できることがわかりました。今後、B部分を他の元素で置換することで、Cu電子のスピンとの伝導電子の相互作用を調整し、近藤効果の強弱（近藤温度）を制御できると考えられます。したがって、四重ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物は、近藤効果が紡ぎ出す磁気応答や重い電子現象、超伝導などの現象を探索・探究する新しいプラットホームになると期待されます。

＜社会的意義、今後の予定＞

本研究により、遷移金属酸化物のCaCu₃Ru₄O₁₂で近藤効果が初めて実証されました。本研究で得られた結果は、物性物理学を中心に広範囲の物理現象の源である近藤効果を実現・探究する新たなプラットホームを提案するという学術的な意義があります。また、現在のテクノロジーを支える遷移金属を用いた材料科学の分野に、近藤効果に由来する特異な磁気・電気応答を示す物質（四重ペロブスカイト構造の遷移金属酸化物）を設計・合成するための新たな指針を与えます。遷移金属の酸化物において、近藤効果が普及し、化学的制御が可能になることで、次世代量子情報デバイスやスピントロニクスにおける新しい素子やスピン伝導の制御法の開発に繋がると考えられ、今後の研究が期待されます。

＜発表雑誌＞

本研究の成果は、米国物理学会が刊行する学術雑誌「Physical Review X」にて1月27日（日本時間）にオンライン掲載されました。

＜雑誌名＞Physical Review X

＜論文タイトル＞CaCu₃Ru₄O₁₂: A High Kondo-Temperature Transition Metal Oxide

＜著者＞播木敦、加瀬林啓人（大阪府立大学）、溝川貴司（早稲田大学）、島川祐一、菅野聡（京都大学）、田中新（広島大学）、Liu Hao Tjeng, Takegami Daisuke, Chun-Fu Chang, Deepa Kasinathan, Simone Altendorf, Katharina Höfer, Federico Meneghin, Andrea Marino, Junwon Seo, Dong-Hoon Lee, Gihun Ryu, Alexander Christoph Komarek （マックスプランク研究所）、Yen-Fa Liao, Ku-Ding Tsuei, Chien-Te Chen （国立シンクロトロン放射光研究所）、Chang-Yang Kuo（マックスプランク研究所、国立シンクロトロン放射光研究所）、Cheng-En Liu,（マックスプランク研究所、国立交通大学）、Chi-Nan Wu,（マックスプランク研究所、国立清華大学）、Jan Kuneš（ウィーン工科大学）、Kyung-Tae Ko, Jonghwan Kim（浦項工科大学）、 Axel Günther（アウクスブルク大学）、Stefan Ebbinghaus（マルティン・ルター大学）

＜DOI番号＞10.1103/PhysRevX.12.011017

 ＜SDGs達成への貢献＞

大阪府立大学は研究・教育活動を通じてSDGs（持続可能な開発目標）の達成に貢献をしています。本研究はSDGs17のうち、「7：エネルギーをみんなにそしてクリーンに」、「9：産業と技術革新の基盤をつくろう」等に貢献しています。

 ＜研究助成資金等＞

本研究の一部は、科学研究費助成事業（科研費）（21K13884、19H05823 and 20H00397）、研究拠点形成事業（A.先端拠点形成型）、European Research Council（No.646807-EXMAG）、Deutsche Forschungsgemeinschaft （No.320571839） and SFB 1143 （No.247310070）、 からの支援を受けて行われました。

 ＜用語解説＞

（注1）X線光電子分光

X線を物質に照射すると、アインシュタインの発見した光電効果により、光電子が物質の表面から放出されます。この光電子の運動エネルギーを精密に測定することで、物質内部の構成元素の周りを運動している電子のエネルギー状態（バンド構造）を調べることができます。これをX線光電子分光と呼びます。

（注2）近藤効果

通常の金属は温度を下げると、原子の熱振動が抑制されるため、電気抵抗が減少します。しかし、磁性を持った不純物原子（例えば、ニッケルや鉄原子）が金属の中に存在した場合、温度を下げるとある温度以下で電気抵抗が上昇に転ずる場合があります。この現象そのものは1930年代から知られていましたが、その微視的な説明は1964年に近藤淳博士によって初めて与えられ、「近藤効果」と呼ばれています。

（注3）四重ペロブスカイト遷移金属酸化物

四重ペロブスカイト遷移金属酸化物は、一般式AA’₃B₄O₁₂で表され、A’とBに遷移金属元素が入ります。Aには、アルカリ金属、アルカリ土類金属などのイオンが入ります。広く普及している従来のペロブスカイト遷移金属酸化物（一般式ABO3）と比べて、2種類の遷移金属元素が含まれ、その間の電荷やスピンの相互作用が新たな自由度として働き、多彩な物性が現れることが知られており、精力的に研究が行われています。

（注4）希土類元素

希土類元素とは、原子番号57のランタン（La）から71のルテチウム（Lu）の15元素に、原子番号21のスカンジウム（Sc）と39のイットリウム（Y）を加えた17種類の元素の総称です。現代のテクノロジーを支える様々な分野で使用されており、私たちの身の回りの光ファイバ、レーザー、磁石、光磁気ディスクの中に含まれています。

（注5）多体束縛状態

近藤効果を示す物質では、局在したスピンとその周りを運動する伝導電子のスピンが互いに反対を向いている場合には、有効的に引力相互作用が働きます。この相互作用が十分強い場合、そのエネルギースケールより十分温度を下げると、伝導電子の集団はスピンに束縛されることになります。この状態を多体束縛状態（近藤一重項）と呼びます。

電極触媒の活性を評価する高精度手法を開発

発表のポイント

• 水の電気分解反応を具体的な対象として、サンプリング時間を短く設定することができる「サンプルドカレントボルタメトリー（SCV）」と呼ばれる方法を開発。
• 新たな方法は、従来の過渡応答法における過大評価問題を解決し、定常法における所要時間を短縮することができる。
• 電極触媒の活性をより高精度に評価できるため、電解槽を円滑に実用化することが可能となる。

概要

早稲田大学理工学術院総合研究所のセンゲニ アナンタラジ次席研究員および理工学術院の野田 優（のだ すぐる）教授らは、電極触媒の活性をより高精度に評価するために、一定電位間隔の短時間クロノアンペロメトリー※1に基づく新しい準定常法を開発しました。この新たな手法により、従来の過渡応答法における過大評価の問題と、従来の定常法における所要時間の長さを解決することができ、精度の高いデータを迅速に得ることができます。本手法は、水電解による水素製造や二酸化炭素の電解還元、燃料電池などの電極触媒開発に活用できます。より正確にデータを蓄積することで、これらのデバイスのより正確な設計やエネルギー変換効率の向上を支え、再生可能電力の高効率利用などを通じて次世代エネルギーの確保や低炭素化などの社会課題の解決に繋がることが期待されます。

本研究成果は、米国・電気化学会発行の『Journal of The Electrochemical Society』に、“Worrisome Exaggeration of Activity of Electrocatalysts Destined for Steady-State Water Electrolysis by Polarization Curves from Transient Techniques” として、2022年1月5日（水）にオンラインで公開されました。

上図：Pt電極を用いた1 M水酸化カリウム水溶液の水電解による水素生成反応の各手法による性能比較。時間がかかるが正確な値の得られるCA（クロノアンペロメトリー）と比べ、簡便で一般的に利用されるLSV（リニアスイープボルタンメトリー）は性能が過大評価されるが、本法（SCV）は正確な値が得られる。

（１）これまでの研究で分かっていたこと

水の電気分解によるH₂合成、N₂還元によるNH₃合成、CO₂還元によるCH₄合成などの燃料合成反応から、燃料を消費して発電する燃料電池まで、あらゆるエネルギー変換反応には電極触媒が欠かせません。これらの反応に用いられる電極触媒の活性は、従来、リニアスイープボルタンメトリー（LSV）やサイクリックボルタンメトリー（CV）^※2などの過渡応答測定で評価されてきました。これらの技術は、取り扱いが容易で迅速なものの、活性を正確に決定することができません。また、物質移動^※3によって律される反応では、電流応答は電位のスキャンレート^※4に依存するため、誤差が大きくなります。さらに、実用上はこれらの触媒は定常状態（定電流・定電位）で使用されるため、その活性は過渡応答で決定された値よりもかなり小さくなることがあります。LSVやCVで活性を過大評価する原因には、電気二重層容量、寄生反応、触媒の自己酸化還元反応^※5による電流の混入など様々なものがあります。これらの電流は、設定電位や電流を一定に保ち、界面^※6が定常状態^※7になるのを待つと、一般に観測されなくなります。例えば、クロノアンペロメトリー（CA）がその一例です。しかし、非常に時間のかかるCAを、すべての設定電位に対して行うと、何日もの時間がかかってしまいます。そこで、LSVやCVのように、電極触媒の活性を過大評価せず、CAのように時間をかけることなく、かつ活性を正確に測定できる代替手法を開発することが重要となっています。

（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

本研究では、サンプルドカレントボルタメトリー（SCV）という先進的な方法を開発しました。SCVは以前からステップポテンシャルボルタメトリー （SPV）という方法名で知られていましたが、あまり使用されず、プロトコルにいくつかの曖昧な点がありました。本手法では、サンプリング時間とその反応の種類や印加電位への依存性を正確に記述しました。

（３）そのために新しく開発した手法

我々は、水の電気分解反応を具体的な対象として、サンプルドカレントボルタメトリー（SCV）と呼ばれる方法を開発しました。これは、基本的に短時間（60〜200秒）のCA測定をいくつかのステップ電位に対して行うものです。最初の数秒で、電気二重層容量と自己酸化還元反応による電流はなくなり、その後に観測される電流が目的の反応によるものになります。さらに数十秒間電位を維持することで、CAにかなり近い活性値を得ることができます。ステップ電位を定期的に上げることで、LSVやCVと同じようなボルタンメトリー電流密度-電圧曲線を、より高い精度で得ることができます。触媒の定常状態への到達の速さに応じて、サンプリング時間を短く設定することができます。

上図：Co(OH)₂電極触媒を用いた1 M水酸化カリウム水溶液の水電解による酸素生成反応の測定結果の生データ。一定時間ごとにステップ状に電位を変化させて電流密度を測定。電流密度は電位を変化させた直後に大きく上昇した後、定常に達することがわかる。適切な電位間隔で、適切な待ち時間で電流密度を測定することで、正確性と迅速性を両立できる。

（４）研究の波及効果や社会的影響

多くの電解槽は、スケールアップの際に活性が低下することが商用化の妨げになっています。LSV/CVを使用して実験室で研究された触媒のほとんどは、大規模な運用に移行して定常状態で用いるとより低い性能を示します。これは、触媒自体ではなく、触媒の性能評価方法に起因するものです。本手法は、この問題を解決し、電解槽を円滑に実用化することに貢献します。

（５）今後の課題

今回開発した新たな方法は、従来から使われているLSVやCVよりも比較的精度が高いものの、オーミックドロップ^※8の問題があります。今後は、より精度が高く、オーミックドロップの問題がない手法の開発を目指します。

（６）研究者からのコメント

電極触媒の研究開発は、水電解による水素製造、二酸化炭素の電解還元、燃料電池など、多様な分野で日々進められ、毎年数千件もの論文が報告されています。しかしCVやLSVでの評価が一般に用いられ、不正確な値が蓄積されてしまっています。より正確な値を簡易に評価する本方法により、正しいデータが蓄積され、基礎研究から社会実装までより着実に繋がり、エネルギーの有効利用や低炭素化が推進されることを願います。

（７）用語解説

※1　クロノアンペロメトリー
電位をステップ状に変化させて、各電位における電流の時間変化を測定する方法

※2　LSV / CV
印加する電位を一定の速度で変化させて、触媒の性能を評価するための分析法。

※3　物質移動律速
反応物が電極に到達する速度が全体の速度を律して反応速度を決定する状況。

※4　スキャンレート
印加電位が上昇または下降する速度。

※5　Self-redox reaction current
触媒自身の酸化や還元によって生じる電流。

※6　インターフェイス
触媒を保持する固体電極と電解液の接合部

※7　定常状態
電流がほとんど変化を示さなくなった状態

※8　オーミックドロップ
直列の抵抗により界面で発生する電位差の低下。

（８）論文情報

雑誌名：Journal of The Electrochemical Society
論文名：Worrisome Exaggeration of Activity of Electrocatalysts Destined for Steady-State Water Electrolysis by Polarization Curves from Transient Techniques
執筆者名（所属機関名）：Sengeni Anantharaj (Waseda University), Subrata Kundu (CSIR -Central Electrochemical Research Institute), and Suguru Noda (Waseda University)
オンライン掲載日時：2022年１月５日（水）
掲載URL：https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/ac47ec/meta
DOI：10.1149/1945-7111/ac47ec

量子アニーリングマシンで大規模な問題を解法するための技術を開発

発表のポイント

現状のイジングマシンは、ハードウエアの制約により、入力可能な問題規模が制限されていた

本研究では、最適性を失わずに大規模な組み合わせ最適化問題を小さな問題に分割する条件を解明し、さらに、解法可能な問題規模に小さくし繰り返し解法するアルゴリズムを開発した

本技術により、イジングマシンを使った現実世界の組み合わせ最適化問題の活用事例や活用範囲を広げることが期待できる

量子アニーリングマシン^※1（イジングマシン^※2）は、ハードウエア上の制約により、入力可能な問題規模が制限されていました。これを解消するため、早稲田大学グリーン・コンピューティング・システム研究機構（東京都新宿区、機構長　木村啓二）客員次席研究員の跡部悠太（あとべ ゆうた）氏、多和田雅師（たわだ まさし）研究院講師、同大学理工学術院の戸川望（とがわ のぞむ）教授らの研究グループは、最適性を失わずに大規模な問題を小さな問題に分割する条件をこのたび解明しました。さらにこれにもとづき、本研究グループは、小さな問題を繰り返し解法することで、量子アニーリングマシンやイジングマシンで大規模な問題を解法する技術を開発しました。

本研究成果は、米国のIEEE Computer Societyが発行する『IEEE Transactions on Computers』online版（Early Access）にPreprintとして2021年12月28日（火）（現地時間）に掲載されました。
論文名：Hybrid Annealing Method based on subQUBO Model Extraction with Multiple Solution Instances

（１）　これまでの研究で分かっていたこと（科学史的・歴史的な背景など）

現実世界のあらゆるところに存在する組合せ最適化問題^※3は大規模になるほど、従来型のコンピュータで最適解を得ることが困難になるため、様々な解法が研究されています。中でも近年、量子アニーリングマシンをはじめとしたイジングマシンと呼ばれる新しいタイプの計算機が注目されています。イジングマシンは組合せ最適化問題の答えを得るのに特化した計算機です。イジングマシンは国内外で研究開発され、一般のユーザーもクラウド上で使用できる段階になっています（図1）。

しかし、イジングマシンを活用するにはまだ課題が多くあります。特に、イジングマシンはハードウエア上の制約で、入力可能な問題規模制限されており、現状のイジングマシンでは大規模な問題を直接解法することは非常に困難でした。既存研究では、発見的な手法^※4によって、大規模な問題を小さな問題に分割してイジングマシンで解法していましたが、分割された問題の答えが、元の大規模な問題の答えと一致しているか理論的な条件は未解明のままでした。

（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、量子アニーリングマシンをはじめとするイジングマシンに入力可能な問題規模の制限を解決するために、まず、最適性を失わずに大規模な組合せ最適化問題を小さな問題に分割する条件を解明しました。これにより、イジングマシンによって、条件を満足した小さな問題を解法すれば、元の大規模な問題の答えと一致することを証明しました。また、大規模な問題からうまくこのような条件を抽出し、元の大規模な問題を、イジングマシンで解法可能な問題規模まで小さくして、繰り返し解法する新たなアルゴリズムを提案しました。提案したアルゴリズムは、理論的な裏付けのもとに、大規模な問題を小さな問題に分割して解法するため、従来技術に比較して、精度よく元の大規模な問題を解法することが可能となります。

 （３）　そのために新しく開発した手法

大規模な組合せ最適化問題の一部を抽出して、イジングマシンに入力可能な規模の小さな問題を作り、イジングマシンで解法することを考えます。この際、どのように小さな問題を作るかがポイントとなります。大規模な組合せ最適化問題の答えは複数のビットの集まりによって構成されます。ビットの集まりのうち「解として正しくないビット列」をすべて含むように規模の小さな問題を作り、イジングマシンで解法すれば、「解として正しくないビット列」はすべて「解として正しいビット列」に正しく修正されることが理論的に分かりました。このとき、規模の小さな問題が「正しくないビット列」をすべて含んでいれば、「正しいビット列」が含まれていても構いません。

つまり、ある程度大雑把にすべての「正しくないビット列」を含むように小さな問題を作り、これを繰り返しイジングマシンで解法すれば良いわけです。

そこで、従来の古典計算機を使って、問題の答えの候補を複数個準備します。これら候補は必ずしも正しい答えではありませんが、複数の答えのビット列を見比べて、多くの候補でビット列が一致しているものは「正しいビット列」であり、答えが一致しておらずばらついているものは「正しくないビット列」だと考えることができます。「正しくないビット列」だけを抽出して、実イジングマシンで解法することで、最終的に全体として正しい答えを得ることができます。

実際に、実イジングマシンで解法することができる問題規模に対して、8倍～32倍の大きな問題について、提案手法と従来手法（ランダム手法^※5とqbsolv手法^※6）とを比較した結果、本手法で得られる答えの精度が高いことが分かりました（図2）。

（４）　研究の波及効果や社会的影響

従来イジングマシンではハードウエア制約によって利用可能なビット数が制限されていたために規模の大きな問題は解くことが困難でしたが、本手法を使うことによってイジングマシンで計算することができます。そのため、量子アニーリングマシンを含むイジングマシンを使った、現実世界の組合せ最適化問題への活用事例を広げることができると考えられます。また、本研究は古典計算機とイジングマシンとを併用して問題を解法する取り組みでもあり、イジングマシンの活用範囲が大幅に広がります。

（５）　今後の課題

本研究では、イジングマシンに入力可能な問題規模の制限を解消することに成功しています。今後は、さらに実世界に見られるさまざまな問題に本手法を適用し、有効性を検証していく必要があります。

（６）　研究者のコメント

本研究ではイジングマシンを活用するために重要なハードウェアの制限を解決する手法を開発しました。イジングマシンを活用した事例は増えつつありますが、本研究で開発した手法を使って、今まで活用できなかった事例が増えることを期待します。

（７）　用語解説

※1　量子アニーリングマシン

組合せ最適化問題を高速に解決すると期待されるマシン。量子効果により量子重ね合わせ状態を実現させ、それを初期状態として用意し、徐々に量子効果を弱める。同時に組合せ最適化問題を表現するイジングモデルの効果を強めることにより、イジングモデルの安定状態を実現させるという機構で動作する。

※2　イジングマシン

組合せ最適化問題をイジングモデルで表現し、組合せ最適化問題を解決するマシンの総称。上記、量子アニーリングマシンはイジングマシンの一種である。

※3　組合せ最適化問題

膨大な選択肢の中から､与えられた制約を満たしつつ、関数の最小値（または最大値）をとる選択肢を求める問題の総称。

※4　発見的な手法

ある問題を解法する手法は、問題の最適解を厳密に算出する手法や、おそらく良さそうと考えられる手続きを組み合わせる手法がある。発見的な手法とは後者の手法を表し、必ずしも元の問題の最適化が得られるとは限らない。

※5　ランダム手法

大規模な問題から、ランダムに小規模の問題を繰り返し抽出し、イジングマシンで解法する手法。

※6　qbsolv手法

D-Wave System社が提供するソフトウェア開発キットに含まれる手法で、発見的な手法に基づき、大規模な問題から小規模の問題を繰り返し抽出し、イジングマシンで解法する手法。

（８）　論文情報

雑誌名：IEEE Transactions on Computers
論文名：Hybrid Annealing Method based on subQUBO Model Extraction with Multiple Solution Instances
執筆者名（所属機関名）：Yuta Atobe（早稲田大学）, Masashi Tawada（早稲田大学）, Nozomu Togawa（早稲田大学）　※　所属は論文投稿時
掲載日（現地時間）：2021年12月28日
掲載URL：https://ieeexplore.ieee.org/document/9664360
DOI：10.1109/TC.2021.3138629

（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・研究課題名：国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）「高効率・高速処理を可能とするＡＩチップ・次世代コンピューティングの技術開発／次世代コンピューティング技術の開発／量子計算及びイジング計算システムの総合型研究開発」
研究代表者名：川畑史郎（産業技術総合研究所新原理コンピューティング研究センター・副研究センター長）
早稲田大学における研究代表者名：理工学術院　教授　戸川望

芳香環にフッ素を導入しながら変形する
有機フッ素化合物の新規合成法の開発に成功

発表のポイント

• 芳香環にフッ素を導入しながらその環を開き、変形する反応の開発に成功。
• 様々な窒素を含む芳香環から第三級フッ素化合物の合成を実現。
• 医農薬、材料科学の分野で活躍する有機フッ素化合物の新規合成法を提供。

早稲田大学理工学術院の山口潤一郎（やまぐちじゅんいちろう）教授らの研究グループは、芳香環 （※1）にフッ素原子を導入しながら環を開き、変形する「芳香環開環型フッ素化反応」の開発に成功しました。

有機化合物にフッ素原子を導入すると、化学的・物理学的にも大きく性質を変化させることができることから、その導入法が盛んに研究されています。例えば、有機化合物に数多ある芳香環（芳香族化合物）にフッ素を導入する方法は様々です。しかし、芳香環の水素や置換基をフッ素に置き換えるものが多く、芳香環自体の形を変えるようなフッ素導入反応はほとんど知られていませんでした。もし、芳香環をフッ素導入と同時に変形することができれば、より多様な有機フッ素化合物を創出することができます。

今回の研究では、窒素を含む芳香環にフッ素化剤を作用させることで、フッ素を導入しながら、芳香環の結合（窒素―窒素結合）を切断し、有機フッ素化合物を合成することに成功しました。得られる有機フッ素化合物は元の構造からは全く異なる第三級フッ素化合物（※2）であり新形式の反応です。

今回の研究により、医薬品などを含む40種類以上の化合物を様々な第三級フッ素化合物に変換できました。また、芳香族化合物を原料とした、新たな有機フッ素化合物の合成法を提供することとなります。本研究成果は、複雑化合物の合成終盤での適用も可能であり、創薬化学研究における新規医薬品候補化合物の合成などへの応用が期待できます。

本研究成果は、英国王立化学会誌『Chemical Science』のオンライン版に2021年12月21日（現地時間）に掲載されました。

論文名：Ring-Opening Fluorination of Bicyclic Azaarenes （二環式アザアレーンの開環型フッ素化反応）

(1)これまでの研究で分かっていたこと

有機フッ素化合物は、撥水性・耐熱性の高い有機材料や、脂溶性や代謝安定性に優れた医農薬の原料として多用される注目物質です。そのため、現在世界中で多くの有機化合物へのフッ素導入反応が開発されています。例えば、有機化合物の代表格である芳香環（芳香族化合物）にフッ素を導入する手法も、日夜新しい方法が報告されています。しかし、芳香環の水素や置換基をフッ素に置き換えるものが多く、芳香環自体の形を変えるようなフッ素導入反応はほとんど知られていませんでした。もし、芳香環の形をフッ素導入と同時に変形することができれば、膨大に存在する芳香環から、より多様な有機フッ素化合物を創出することができます。

(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

早稲田大学の研究グループ（先進理工学研究科博士後期課程3年小松田雅晃さん、理工学術院山口潤一郎教授ら）と武田薬品工業株式会社の研究グループは共同で、芳香環にフッ素を導入しながら形を変形し、第三級フッ素化合物を合成する新たな手法の開発に挑戦しました。

今回開発した開環型フッ素化反応により40種類以上の窒素を含む芳香族化合物を様々な第三級フッ素化合物に変換可能であることが分かりました。複雑な構造を有する医薬品誘導体をフッ素化することも可能であり、新たな含フッ素医薬品誘導体を簡便に提供することにも成功しています。機構解明研究により、この新反応の反応機構が明らかとなりました。また、本反応をキラル（※3）フッ素化合物の合成法へと展開することにも成功しました。

(3)そのために新しく開発した手法

今回、芳香族化合物の開環型フッ素化の開発にあたり、二環式アザアレーンという窒素―窒素結合を含む芳香環に着目しました。二環式アザアレーンに求電子的フッ素化剤（※4）を作用させることで、フッ素化に続き、窒素―窒素結合が切断され、芳香環の開環が進行すると考えました。反応条件の精査の結果、求電子的フッ素化剤として市販のSelectfluor^®を用いることで、種々の二環式アザアレーンの芳香環開環型フッ素化が進行し、第三級フッ素化合物を与えることを発見しました。また、反応機構解明研究により反応はフッ素化のみが進行した中間体を経由することを確認しました。さらに、フッ素導入後のフッ素化剤が窒素―窒素結合を切断する役割（塩基）も担っていることを明らかにしました。

(4)研究の波及効果や社会的影響

今回開発した開環型フッ素化は、芳香族化合物を求核剤（※5）とした求電子的フッ素化反応に分類されるものの、生成物として第三級フッ素化合物を与える新形式の反応です。市販のフッ素化剤を混ぜて、加熱するという、簡便かつ穏和という、工業的にも実施可能と思われる条件で反応が進行することも特徴です。そのため、複雑化合物の合成終盤での適用も可能であり、創薬化学研究における新規医薬品候補化合物の合成などへの応用が期待できます。

(5)今後の課題

非常にユニークな方法であるものの、適用できるアザアレーンが限られていることや、導入可能な官能基がフッ素のみであることが課題です。今後、より綿密な反応設計や条件の検討により、これらの課題を克服したいと考えています。

(6)研究者のコメント

これまで汎用性の高い芳香族化合物を有用化合物に変換する新奇反応の開発を精力的に行ってきました。本研究では、これまで類を見ない芳香族化合物の骨格を変化させながら有用なフッ素原子を導入する新反応の開発に成功しました。早稲田大学・武田薬品工業、両研究グループの綿密な共同研究により、この難易度の高い化学反応の開発を達成することができました。今後も、本研究で得た知見を活かし様々な芳香族化合物の新奇変換反応を開発していきたいと思います。

(7)用語解説

※1　芳香環・芳香族化合物
環状の不飽和有機化合物。容易に合成が可能。化学的に安定である。窒素や、酸素、硫黄（ヘテロ原子）などの入った芳香族化合物もある（ヘテロ芳香環）。

※2　第三級フッ素化合物
フッ素が直接結合している炭素原子に３個の炭素原子が結合している化合物。

※3　キラル
右手と左手の関係ように、ある分子とその鏡像を重ね合わせることができないときその分子をキラルという。

※4　求電子的フッ素化剤
電子が不足しているフッ素（F⁺）と有機化合物が反応してフッ素化合物を与える反応試薬。

※5　求核剤
電子が不足している化学種（求電子剤）と反応し電子を受け渡すことで化学結合を形成する化学種。

(8)論文情報

掲載雑誌：Chemical Science（英国王立化学会誌）
論文名：Ring-Opening Fluorination of Bicyclic Azaarenes（二環式アザアレーンの開環型フッ素化反応）
著者：Masaaki Komatsuda, Ayane Suto, Hiroki Kondo Jr., Hiroyuki Takada, Kenta Kato, Bunnai Saito, and Junichiro Yamaguchi（小松田雅晃¹、須藤絢音¹、近藤裕貴¹、高田浩行²、加藤健太¹、齊藤文内²、山口潤一郎¹）
所属：1．早稲田大学　2．武田薬品工業
掲載日（現地時間）：2021年12月21日
DOI: 10.1039/D1SC06273E
掲載URL：https://doi.org/10.1039/D1SC06273E

(9)研究助成

本研究は、科研費（挑戦的研究萌芽、基盤研究（B）、学術変革領域研究（A）、特別研究員奨励費）、ERATO、早稲田大学アーリーバードプログラムによる支援を受けて行われました。

2021年度CRESTに本学研究者1名が採択、新たな生命システムの発見を目指す

2021年9月21日、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の2021年度戦略的創造研究推進事業（CREST）の新規研究課題について、本学から1件「ありえた生体高分子ネットワークを創出するBioDOSの構築（木賀大介 理工学術院 教授）」の採択が決定しました。当該研究領域には69件の応募があり、うち6件が採択され、そのうちの1件となります。
木賀教授の提案は、深層学習AIと論理推論AIを組み合わせたBio Discovery OS(BioDOS)を構築することで、人間の認知バイアスを超えた「ありえた生命のかたち」を設計することを目指すものです。さらに、設計した遺伝子ネットワークが、種々の生物や培養条件で動作可能であることを示すことで、これまでの合成生物学と伝統的な生物学の良い関係と同様に、自然界の改めての探索による新たな生命システムの発見につながることが期待されます。

採択課題

【研究代表者】木賀 大介（理工学術院 教授）
【研究領域】データ駆動・ＡＩ駆動を中心としたデジタルトランスフォーメーションによる生命科学研究の革新
【研究課題名】ありえた生体高分子ネットワークを創出するBioDOSの構築

JST戦略的創造研究推進事業（CREST）とは

国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）が所管する事業のひとつで、国が定める戦略目標の達成に向けて、研究総括の運営のもと課題達成型基礎研究を推進し、科学技術イノベーションを生み出す革新的技術シーズを創出するためのチーム型研究です。研究代表者は、自らが立案した研究構想の実現に向けて、産・学・官の研究者からなる複数の共同研究グループで構成される最適な研究チームを編成し、研究課題を実施します。

接着剤いらずの超柔軟導電接合

フレキシブルエレクトロニクスの集積化に貢献

理化学研究所（理研）開拓研究本部染谷薄膜素子研究室の福田憲二郎専任研究員（創発物性科学研究センター創発ソフトシステム研究チーム専任研究員）、染谷隆夫主任研究員（同チームリーダー、東京大学大学院工学系研究科教授）、早稲田大学大学院創造理工学研究科の梅津信二郎教授らの共同研究グループ^※は、接着剤を用いずに高分子フィルム上に成膜された金同士を電気的に直接接続する技術の開発に成功しました。

本研究成果は、次世代のウェアラブルデバイスにおける配線技術や、フレキシブルエレクトロニクスの集積化に向けた、フレキシブルな実装技術への応用に貢献すると期待できます。

今回、共同研究グループは、水蒸気プラズマ^[1]を用いる新しい接合技術（Water Vapor Plasma-assisted Bonding；WVPAB）を開発しました。この技術を用いると、異なる薄膜基板上の金電極同士を配線する際に、接着剤を介さず、電極同士を直接接合できます。接着剤を一切用いないため、接合部の最小曲げ半径は0.5 mm未満と非常に柔軟です。金属同士の直接接合であるため、WVPAB接合部の抵抗は0.07Ωと極めて低抵抗を達成しました。機械的耐久性も1万回の曲げで電気抵抗の変化が1％未満と優れており、かつ熱安定性にも優れ、100℃で500時間加熱しても酸化による劣化は生じず、むしろ金属結合が促進されることで、電気抵抗が8％改善しました。また、別々の薄膜基板上に作製したフレキシブルな有機太陽電池^[2]と有機発光ダイオード（有機LED）^[3]を、超薄型配線フィルムを介して相互接続することにも成功し、WVPABが超薄型フレキシブルエレクトロニクスシステムに応用できることを実証しました。

本研究は、科学雑誌『Science Advances』オンライン版（12月22日付：日本時間12月23日）に掲載されました。

１．背景

近年、皮膚や洋服に貼り付けて使用する次世代ウェアラブルデバイスの実用化を目指し、センサーや電源などの高性能化・薄膜化が進んでいます。電子素子を薄膜化することで、人間の皮膚が持つ複雑な曲面に対して隙間なく密着して貼り付く次世代ウェアラブルデバイスが開発できます。このようなデバイスは、身体への装着負荷を減らし、継続的な生体モニタリングが可能です。例えば、この次世代ウェアラブルデバイスとモノのインターネット（IoT）技術を組み合わせることで、自宅療養患者や二次感染の可能性がある患者との遠隔診断が実現し、医療関係者の負担軽減および救急対応の迅速化に貢献できると考えられています。

このような生体継続モニタリングに向けたウェアラブルデバイスの実用化には、個々のセンサーや電源の高性能化とともに、複数の電子素子を集積化できる配線技術・実装技術が重要です。これらの技術には、金属のような導電性とデバイスの柔軟性を損なわない十分に低い剛性の実現、さらに、デバイスの損傷を防ぐために低温のプロセスで配線することが必要です。

しかし、従来の電子素子同士の配線方法は、導電性接着剤層を介する必要があり、その接着層の厚みによって接合部の剛性が増加するという課題がありました。十分な接着力と高導電性を実現するためには、加熱・加圧工程が必要であるため、プラスチックフィルムを用いた電子素子の配線は困難でした。一方で、表面活性化接合^[4]など従来の金属の直接接合技術は、接合面の許容表面粗さRMS^[5]が1ナノメートル（nm、1nmは10億分の1メートル）未満と非常に高い平坦性が必須であるため、フレキシブル基板上の金属同士の接合に適応することは不可能でした。

２．研究手法と成果

共同研究グループは、2マイクロメートル（μm、1μm は100万分の1 メートル）厚の高分子材料パリレン^[6]基板上に蒸着した金電極（表面粗さRMS = 約7 nm）に対して、水蒸気プラズマを照射し、大気中で金電極同士を接触させることで、金属結合が生じることを発見しました。そして、この新しい接合方法を「水蒸気プラズマ接合（WVPAB: Water Vapor Plasma-assisted Bonding）」と名付けました（図1）。

図2に、WVPABで接合した金電極の断面を走査型透過電子顕微鏡（STEM）^[7]で観察した結果を示しています。上下別々の基板上に蒸着された二つの金電極の一部がWVPABによって一体化（境界線が消失）し、強固に接合していることを確認しました。

WVPABを用いて接合した薄膜サンプルと、従来接合手法の異方導電性テープ（ACF）^[8]で接合した薄膜サンプルの接合部の柔軟性を比較したところ、ACF接合の最小曲率半径が1 mm以上であるのに対し、WVPABの最小曲率半径は0.5 mm未満でした。つまり、WVPABによって接合した薄膜には接着層がないため、優れた柔軟性を持つことを確認しました（図3）。

また、WVPABによる直接接合は機械的耐久性と、熱安定性にも優れていることを確認しました。曲げ半径2.5 mmで1万回繰り返し曲げた後でも、電気抵抗の変化は1％未満でした（図4(a)）。大気中、100℃で500時間加熱しても電気抵抗の上昇は観察されず、むしろ金属同士の結合が促進されることで電気抵抗が8％減少することを確認しました（図4(b)）。

さらに、超薄型のフレキシブルエレクトロニクスの集積化デバイスへの応用も実証しました。厚さ約3μmの超薄型有機太陽電池と超薄型有機LED、複数の超薄型配線を、WVPABにより相互接続することに成功しました（図5）。WVPABによって素子や基板に損傷は無く、実際に太陽電池に光を照射し、発電した電力で有機LEDが発光することを確認しました。この集積化デバイスは、配線や接合部を含めた全体が柔軟な超薄型のフレキシブルエレクトロニクスシステムです。

３．今後の期待

本研究によって、薄膜基板上の金電極同士を水蒸気プラズマ処理によって接合する新たな接合技術を開発しました。この技術は、大気中室温で加圧することなく、複数のフレキシブルエレクトロニクスを一つのシステムとして集積することを容易にし、従来研究の分厚い接着剤で接続されたフレキシブルエレクトロニクスシステムの柔軟性を向上させることが可能です。

本研究では金電極とパリレン基板のみを対象としましたが、この技術はプラズマ条件や接合用電極の表面粗さRMSを調整することで、幅広い素材に対応できる汎用的な集積技術となる可能性があります。次世代のウェアラブルデバイスにおけるフレキシブルな接合の実装に大きく貢献すると期待できます。

４．論文情報

タイトル：Direct gold bonding for flexible integrated electronics
著者名：Masahito Takakuwa, Kenjiro Fukuda, Tomoyuki Yokota, Daishi Inoue, Daisuke Hashizume, Shinjiro Umezu, and Takao Someya
雑誌：Science Advances
DOI：10.1126/sciadv.abl6228

５．補足説明

[1] 水蒸気プラズマ

ガス源に水を使用したプラズマ処理方法。水由来のガス雰囲気下でプラズマ処理を行うことで、処理面の還元作用が得られる。

[2] 有機太陽電池

有機半導体を光電変換層として用いた太陽電池のこと。塗布プロセスによる大量生産が適用できると同時に、安価かつ軽量で柔らかいことから次世代の太陽電池として注目を集めている。

[3] 有機発光ダイオード（有機LED）

OLEDや有機ELとも呼ばれる。有機半導体を光電変換層として用いた発光ダイオード。塗布プロセスによる大量生産が適用できると同時に、軽量で柔らかい特徴をもつ。

[4] 表面活性化接合

真空中室温で金属結合を生じさせる直接接合方法。真空中で中性子ビームやアルゴンビームエッチングを用いて接合表面に付着している有機物や酸化膜、吸着した水などを除去し、活性化エネルギーの高い状態で接合面を接触させると、常温で強固な接合を得ることが可能。

[5] 表面粗さRMS

Root-Mean-Squareの略。二乗平均粗さ。凹凸の平均線からのプロファイルの高さの偏差の二乗平均値。

[6] パリレン

高分子材料の一種。化学気層堆積法によって良質の均一薄膜が形成できる。生体適合性に優れているため、さまざまな生体・医療用途に応用されている。

[7] 走査型透過電子顕微鏡（STEM）

透過型電子顕微鏡の一種。試料組成に関するコントラストを強く反映できることから、組成情報を得たい場合、透過型電子顕微鏡よりもSTEMが優れている。また走査型のため透過型電子顕微鏡よりも厚みのある試料の測定にも向いている。STEMはScanning Transmission Electron Microscopyの略。

[8] 異方導電性テープ（ACF）

不導体である熱硬化性樹脂を接着剤として、その中に導体の粒子が分散している構造を持つ。電極と電極の間に挿入し、熱と圧力を加えることで、導体粒子を介した電気的なパスが形成されることで、導通が形成される。ACF はAnisotropic Conductive Filmの略。

共同研究グループ

理化学研究所

開拓研究本部　染谷薄膜素子研究室

専任研究員 福田 憲二郎（ふくだ けんじろう）（創発物性科学研究センター 創発ソフトシステム研究チーム 専任研究員）

主任研究員 染谷 隆夫（そめや たかお）（創発物性科学研究センター 創発ソフトシステム研究チーム チームリーダー、東京大学 大学院工学系研究科 教授）

創発物性科学研究センター

創発ソフトシステム研究チーム

研修生 髙桑 聖仁（たかくわ まさひと）（早稲田大学大学院 創造理工学研究科 総合機械工学専攻 博士課程1年）

物質評価支援チーム

チームリーダー 橋爪 大輔（はしづめ だいすけ）

専門技術員 井ノ上 大嗣（いのうえ だいし）

早稲田大学

大学院 創造理工学研究科 総合機械工学専攻
教授 梅津 信二郎（うめず しんじろう）

東京大学

大学院工学系研究科 電気系工学専攻
准教授 横田 知之（よこた ともゆき）

研究支援

本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金新学術領域「ソフトロボット学の創成：機電・物質・生体情報の有機的融合」のうち「弾性グラディエントナノ薄膜を利用した自由変形可能な太陽電池の創成（研究代表者：福田 憲二郎）」、JSPS特別研究員奨励費「水蒸気プラズマを用いた超柔軟な導電接合技術の開発（研究代表者：髙桑聖仁）」、科学技術振興機構（JST）研究成果最適展開支援プログラム（A-STEP）「ウルトラフレキシブル有機太陽電池の開発 （研究代表者：福田憲二郎）」、早稲田大学理工学術院総合研究所若手研究者支援事業（アーリーバードプログラム）「薄膜金電極同士の直接接合によるフレキシブル配線の低接触抵抗化とノイズ増加の抑制（研究代表者：髙桑聖仁）」による支援を受けて行われました。

2021年度の創発的研究支援事業に5件が採択

国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）が募集した2021年度の創発的研究支援事業に、本学から5件の研究課題が採択されました。全国的には、応募総数2,314件に対し、259件が採択されており、採択率は約11％という結果となりました。昨年度採択の2件と合わせて7件の研究課題について、これを推進する研究者の挑戦を支援してまいります。

2021年度 採択者一覧

• 早水 桃子（理工学術院 基幹理工学部 応用数理学科　講師）
  【研究課題名】離散数学と統計科学の融合による生命科学データ解析の技術革新
• 柳谷 隆彦（理工学術院 先進理工学部 電気・情報生命工学科　准教授）
  【研究課題名】電池レス無線給電デバイス用の新規３次元配向圧電薄膜の創製
• 畠山 歓（理工学術院 先進理工学部 応用化学科　講師）
  【研究課題名】プロセスに強いMIの創出と複合材料系での実践
• 細川 正人（理工学術院 大学院先進理工学研究科 生命医科学専攻　准教授）
  【研究課題名】大規模１細胞ゲノムから設計する微生物叢の戦略的制御
• 布山 美慕（人間科学学術院 人間科学部 人間情報科学科　講師）
  【研究課題名】量子確率を用いた不定な文章理解とその効果の認知研究

JST創発的研究支援事業とは

2020年度に設立され、特定の課題や短期目標を設定せず、多様性と融合によって破壊的イノベーションにつながるシーズの創出を目指す「創発的研究」を推進するため、研究者がその研究に専念できる環境を確保することを含め、原則7年間（途中ステージゲート審査を挟む、最大10年間）にわたり長期的に支援する事業です。創発を促進するため、異分野研究の理解と融合研究を目的とした「創発の場」を設け、将来の発展的な研究構想を描いたり、チーム型研究の発足等に資するネットワーク構築が促されたりすることを目指します。

早稲田大学_教員公募_211203

アト秒レーザーで光と原子の位相を分離した測定に成功

発表のポイント

• アト秒レーザー光を用いた新たな測定法により、光の位相と原子の位相を分けて測定した。
• 電子の干渉による重なりを分離して、個別の複素数の波動関数イメージを得ることに成功。
• 極端紫外（EUV）領域のアト秒・超短レーザー分光など光量子技術の発展、新規な量子力学計算法の発展、光によって機能する物質や生体分子の開発に寄与することが期待される。

概要

早稲田大学理工学術院の新倉 弘倫（にいくら ひろみち）教授とカナダ国立研究機構の研究者らは、アト秒レーザー光を用いた二次元アト秒測定法により、光のスペクトル位相と原子由来の位相とを分けて測定し、重なり合っていた電子波動関数を分離してイメージングすることに成功しました。この測定方法や解析法は、アト秒領域での固体物理分野などの研究の発展につながり、新しい量子工学技術や光計測技術などの分野での活用も期待されます。

本研究成果は、アメリカ物理学会発行の『Physical Review A』に、“Complete characterization of attosecond photoelectron wave packets” として、2021年11月23日（火）にオンラインで公開されました。

（１）これまでの研究で分かっていたこと

物質に光を照射すると、光の波長や強度に応じて、エネルギーが高い状態（励起状態）や、電子が物質から飛び出す過程（イオン化）が生じます。放出された電子は波としての性質をもつため、振幅と位相の両方の情報からなる複素数の波動関数であらわされます。どれくらいの数の電子が、どのようなエネルギーをもってどの方向に飛び出すのかは光電子分光法により測定され、物質内部の状態などの研究に用いられています。一方、従来の光電子分光法や光吸収スペクトル法などで測定される信号強度は、その自乗（実数）に相当するため、「位相情報」の測定が困難でした。

21世紀に入って発達したアト秒（１アト秒1×10^-18秒）科学は、優れた時間分解能だけではなく、電子などの位相を測定する方法を拓きました。アト秒科学には、再衝突電子を用いた方法と、アト秒レーザー光^※1を用いる方法との、二つの方法があります。アト秒レーザー光で光電子の位相を測定するためには、複数のイオン化過程により生成した、光電子の波動関数の干渉を利用します。しかし、干渉により得られる光電子の「位相」は、(1)アト秒レーザー光のスペクトル位相（spectral phase）と、原子に由来する位相（atomic phase）とが重なっている、(2)さらに原子位相は、複数のイオン化の過程ごとに異なる角度分布を持つ電子の波動関数（f-波、p-波などの部分波）の位相が重なっている、という問題があり、直接、理論計算と比較可能な位相の値を求めることは困難でした。そこで、これらの絡み合った位相を分離した測定が必要でした。

（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

アト秒レーザー光のスペクトル位相と原子由来の位相とを分離し、かつそれぞれのイオン化過程で生じた、異なる角度分布を持つ電子の波（波動関数、部分波）ごとの原子位相を決定しました。得られた原子位相と振幅の値から、干渉の結果として重なっていた電子波動関数を、個々のイオン化過程により生成した電子波動関数に分離することに成功しました。

（３）そのために新しく開発した手法

3-1. 二次元アト秒測定法

アト秒再衝突電子法と、アト秒レーザー光によるイオン化法とを組み合わせ、さらに「二次元アト秒測定法」を開発しました。装置系は早稲田大学51号館の新倉研究室で構築されたものです。まず高強度の赤外レーザー光（800nm, w）とその二倍波（400nm, 2w）をアルゴンガスに集光し、奇数次と偶数次とを持つ極端紫外領域のアト秒レーザー光（アト秒パルス列）を発生させます。発生したアト秒レーザー光と、赤外レーサー光とを組み合わせて試料となるネオンガスに再度集光し、イオン化により放出された光電子の運動量分布（どの角度に、どのエネルギーで電子が放出されるか）を測定しました。ここで、二つの制御可能な｢アト秒時間差｣があります。ひとつは(a)アト秒レーザー光の発生に使用する800nmと400nmの時間差（時間差Ａ）、もうひとつは(b)アト秒レーザー光と赤外レーザー光の時間差（時間差Ｂ）です。これらの二つの時間差を独立に50アト秒以下の精度で安定に変えることができます（1000アト秒＝１フェムト秒（fs））。

3-2. 奇数次および偶数次の高調波を持つアト秒レーザー光のスペクトル位相測定

本研究では、アト秒レーザー光の13次・14次・15次高調波と、赤外光による三つのイオン化過程の干渉を利用しました^※2。アト秒レーザー光のスペクトル位相は、これらの高調波の次数ごとに、少しずつずれています。まず「800nmのみでアト秒レーザー光を発生したときに対応する、高調波の次数ごとの位相のずれ」を、再衝突電子を用いた方法の一つであるw-2w法（N. Dudovich et al., Nature. Phys. 2, 781 (2006)）を組み合わせて測定しました。時間差Ａの関数として、アト秒レーザー光のスペクトル強度を測定すると、スペクトルのピークがシフトします。このシフトからスペクトル位相が見積もられます。一方、今回の研究で用いた「800nmに400nmを加えた光でアト秒レーザー光を発生させた場合のスペクトル位相」は、さらにこれから少しずれたものになります。そこでその「位相ずれ」を次の方法で測定しました。

はじめに800nmと400nmの相対時間差Ａを0に固定し、その状態でアト秒レーザー光を発生します。時間差Ａを固定したまま、赤外光と重ね合わせ、アト秒レーザー光と赤外光との時間差Ｂを変えて、放出された光電子の運動量分布（角度分布）の変化を測定しました（右下図）。その結果、角度分布は時間差Ｂの1.33フェムト秒ごとに、互い違いになっていました（下図(a)）。これはアト秒レーザー光と赤外光とによって生成した電子の干渉が変化したことによります。角度分布の時間差Ｂによる変化から、それぞれのイオン化過程ごとに、重なっている電子の波（f-波・p-波などの部分波）の位相を分離して求めました。

次に時間差Ａを585アト秒だけずらして同様の測定を行うと、光電子の角度分布は逆になり（下図(b)）、各部分波の位相はpだけずれることがわかりました。これは時間差Aを変えたことによる、アト秒レーザー光のスペクトル位相の変化によるものです。同様に、時間差Ａをいくつか変えて、電子の各部分波の位相がどのように変化するのかを測定し、それからスペクトル位相の変化量を見積もりました。その結果、13次高調波と14次高調波は1.4ラジアン、14次高調波と15次高調波は1.6ラジアンだけスペクトル位相がずれていることが分かりました。これらの値を差し引き、三つのイオン化過程ごとにf-波、p-波などの部分波の原子位相を得ました。なお、位相を時間に変換すると、1.4ラジアンは約600アト秒に相当します。

3-3. イオン化過程ごとの電子波動関数イメージ

得られた各部分波の原子位相の値と振幅から、三つのイオン化過程で生成した電子波動関数を個別に再構成しました。過程１は13次高調波と赤外の吸収（H13+IR）、過程２は15次高調波と赤外光の放出（H15-IR）、過程３は14次高調波それぞれによってイオン化により放出された電子波動関数で、複素数のため、実部と虚部にわけて表示しています。ここで、過程１と過程２はともにアト秒レーザー光と赤外光との２光子過程ですが、イオン化の過程が異なるために、生成する電子波動関数の位相が異なっていることがわかりました。このように、(a)スペクトル位相と原子位相とをわけて、(b)f-波やp-波などの部分波の原子位相を求め、それらの値を用いて再構成することにより、(c)干渉の結果、重なっていた電子波動関数を個々のイオン化過程によって生成した波動関数に分離することができました。図の縦軸と横軸は原子単位（atomic unit）での運動量で、「運動量空間での」イオン化状態の電子波動関数イメージに相当します。

（４）研究の波及効果や社会的影響

本研究で測定した電子の部分波の「原子位相」は、光イオン化過程における「遷移双極子モーメント」という物理量の「位相」に相当します。遷移双極子モーメントは光と物質の相互作用にかかわる基本的な複素数の物質量で、物質の波動関数と関係があり、様々な量子化学的計算などで計算されます。しかし、多電子の相互作用が顕著な場合や、速い化学反応が生じる場合には、現在のコンピューターでも、特に位相の正確な計算が困難になります。そこで遷移双極子モーメントの位相と振幅を実験的に得ることができれば、多電子系やレーザー電場中での量子計算方法の発展や、改良につながることが期待されます。例えば分子からの発光や光に対する応答は、緑色蛍光タンパク質などの生物学分野でも重要な役割を果たしていますが、その発光効率の改善や、光遺伝学などにおける新規な制御過程の開発にもつながりうると期待されます。

また本研究では、「２波長を用いてアト秒レーザー光を発生させたときに、そのスペクトル位相がどうなるのか？」について気相で実測したものです。近年では、Vampa et al., Nature 522, 462 (2015)のように、この方法は固体物理で大きく展開されています。本研究で開発した「二次元アト秒測定法」や解析方法などは、アト秒領域での固体物理分野の研究や、光量子測定技術の発展につながるものとも期待されます。

（５）今後の課題

本研究では、特定の波長のみから生じる過程を取り扱いましたが、波長を変えて多くの原子や分子などに適用することや、固体からの光電子分光法や顕微分光法に適用することが今後の課題、方針になります。この場合は、角度分解でより広い範囲でエネルギーを選択できる専用の光電子分光器が必要になります。

（６）研究者からのコメント

光や、電子のような量子的な物質では、波としての性質が重要になります。特にその「位相」情報は、一般に古典的な検出器にあたると消えてしまうため、また複数の様々な位相成分が重なるために、その測定や解析には工夫が必要でした。このような「位相問題」は、光・量子的な測定にはつきものです。今回、アト秒レーザー光を用いて、「どのように個々の遷移過程により生成した電子の位相と振幅を測定するのか」を示しましたが、量子力学の本質である、電子の位相を測定するというアト秒科学の特質を表した研究だと思います。

（７）用語解説

※1　アト秒レーザー光・スペクトル位相
高強度の赤外のレーザー光を気相の原子などに集光すると、その赤外光の波長よりも短い波長の光(極端紫外～軟Ｘ線)が発生します。今回使用した、アト秒レーザーパルスがいくつか連続して発生する「アト秒パルス列」（高次高調波とも呼ばれます）では、そのスペクトルには、赤外レーザー光のエネルギー（800 nmの場合は1.55eV）の奇数次倍の高調波によるピークが現れます。例えば11次高調波（11X1.55 eV = 17.0 eV (~73 nm)）、13次高調波（13 x  1.55eV = 20.15 eV (~ 61 nm)）、15次高調波、と飛び飛びになります。次に800nmの光に400nmを混ぜてアト秒レーザー光を発生すると、奇数次だけではなく、14次高調波（14 x 1.55eV =2 1.7 eV(~57nm)）など、偶数次の高調波も発生します。これらの異なる次数（エネルギー・波長）の高調波は、一般にその位相が同じではなく、アト秒単位でずれています。そのずれのことを「スペクトル位相」と言います。もともとの光のスペクトル位相がずれているので、それを用いてイオン化により生成された光電子の位相も、その「位相のずれ」が加味されたものになります。

※2　三つのイオン化過程
電子(波動関数)の位相を測定するには、電子同士の干渉を利用します。2001年に提案・実証された方法(P.M. Paul et al., Science 292, 1689 (2001))では、奇数次のみの高調波を持つアト秒レーザー光を用いて、二つの過程の干渉を作り出しますが、その場合は電子の角運動量成分ごとに位相をわけることが困難でした。そこで本研究では、奇数次と偶数次を持つアト秒レーザー光を使い、「三つのイオン化過程」を利用することで、それぞれの過程およびf-波、p-波などの角運動量成分ごとの電子波動関数（部分波）の位相と振幅を分離しました。この方法は、2017年に本研究者らが発表したものです（D. Villeneuve et al., Science 356, 1150 2017）。また、赤外レーザー光の強度とアト秒レーザー光の波長を調整し、特定の磁気量子数m=0のみを量子制御により選択しています（S. Patchkovskii et al.,J. Phys. B 53,134002 (2020)）。過程１（13次高調波＋赤外[H13+IR]）ではf-波とp-波、過程２（13次高調波―赤外[H15-IR]）では、過程１とは振幅と位相が異なるf-波とp-波、そして過程３(14次高調波)ではs-波とd-波が生じます。イオン化により放出された電子波動関数は、これらの部分波の重ね合わせになっています。14次高調波で、H13+IR, H15-IRとは異なる対称性を持つ電子の波を重ねあわせることにより、角運動量ごとの部分波の位相を求めることが可能になります。なお2017年の結果は、スペクトル位相と原子位相とが重なっていますので、今回はさらにそれを分離し、理論計算と比較しうる原子位相の値を求めたものです。

（８）論文情報

雑誌名：Physical Review A104, 053526 (2021).（アメリカ物理学会誌）
論文名：Complete characterization of attosecond photoelectron wave packets
執筆者名（所属機関名）：D.M.Villeneuve (National Research Council of Canada & University of Ottawa), Peng Peng (National Research Council of Canada & University of Ottawa & ShanghaiTech University), Hiromichi Niikura (Waseda University)^＊
＊責任著者
掲載日時（オンライン）：2021年11月23日（火）
掲載URL： https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.104.053526
DOI： 10.1103/PhysRevA.104.053526

（９）研究助成

研究費名：科学研究費補助金　基盤研究Ａ　18H03903
研究課題名：アト秒位相分解波動関数イメージング法による新規な量子選択性の研究
研究代表者名（所属機関名）：新倉弘倫（早稲田大学）

早大_国際理工_教員公募

【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)

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

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