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T2K ニュートリノ振動実験でのミューオン検出器としての
CVD ダイヤモンド製検出器の性能評価
(Study of the CVD-diamond detector as a muon detector
in the T2K neutrino oscillation experiment)
高エネルギー物理学研究室 田代一晃
（学籍番号M08SA010）
T2Kニュートリノ振動実験は茨城県東海村にある大強度陽子加速器施設 J-PARCで生
成させたニュートリノを 295離れた岐阜県の神岡鉱山地下の水チェレンコフ光検出
器スーパーカミオカンデで検出することによりミューオンニュートリノの消失モード
のパラメーター精密測定や電子ニュートリノの出現モードの観測を目指すJ-PARCで
のニュートリノの生成は陽子-陽子反応から得られるパイ中間子が反ミューオンとミュ
ーオンニュートリノに二体崩壊することで得られる実験にはニュートリノビームのプ
ロファイルを知る必要があるがこの反ミューオンのプロファイルを測定することで間
接的にミューオンニュートリノのプロファイルを知ることができそのための実験機器
群が MUMON(ミューオンモニター)である現状ではイオンチェンバー(7times7ch)とシリ
コン PINフォトダイオード(7times7ch)で構成されているがシリコン PIN フォトダイオー
ドは放射線損傷のため半年に一度の交換が必要とされるMUMON は高放射線環境下にあ
るため検出器はメンテナンスフリーであることが望ましくその代替の候補として挙げ
られているのが CVDダイヤモンドである
今回京都大学化学研究所の 100MeV 電子線形加速器をお借りし単結晶 CVD ダイヤ
モンドを用いて MUMONにて実用可能かの検証を行ったCVDダイヤモンドに対する要請
は最短ビーム周期である bunch毎(2MHz 程度)の測定ができることニュートリノビ
ームの方向の誤差を 1mrad 以内に抑えるため応答の非線形性が 3以内であること年
単位での安定な動作をすることが挙げられる[1]これらの要求に対して100nsec 毎
(10MHz)の信号読み出しが可能T2K ビーム強度の 13～190の範囲で誤差 3以内の線
形性が得られる40分間の連続照射に対しては-053～+041の安定な応答が得られ
るという結果が得られた
e-mailtashiroocupc1heposaka-cuacjp
参考文献
1 松岡広大rdquoT2K 長基線ニュートリノ振動実験ミューオンモニターの開発rdquo
京都大学(2007 年)
1
T2Kニュートリノ振動実験でのニュートリノビーム
モニター INGRIDの性能評価(A Study of the Neutrino Beam Monitor
INGRID for the T2K Neutrino OscillationExperiment)
高エネルギー物理学研究室 松村知恵
(学籍番号M09SA030)
T2K(Tokai to Kamioka)ニュートリノ振動実験とは茨城県東海村に建設
された大強度陽子加速器施設 J-PARCでニュートリノビームをつくり295km
離れた水チェレンコフ検出器スーパーカミオカンデ (SK)で検出することで
その間のニュートリノフレーバー振動を研究するための実験である特に電
子ニュートリノ出現モードの発見とミューオンニュートリノ消失モードの精
密測定を主な目的している実験の特徴に off-axis法があげられSKでの
ニュートリノ振動確率が最大になるように中心軸 25 ずらしたビームを
使っているここでビーム方向とニュートリノエネルギーには相関がある
ためビーム方向を 1mrad以上の精度でモニターする必要がある
ニュートリノビームモニター INGRID(Interactive Neutrino GRID) は
ビーム中心軸上に位置しニュートリノビームの方向プロファイル強度
を監視するINGRIDは同一モジュール 16台をグリッド状に設置したもの
で各モジュールは鉄とシンチレータープレーンを交互に並べたサンドイッ
チ構造をしているシンチレーター波長変換ファイバー半導体光検出器
MPPC(Multi-Pixel Photon Counter)を 1チャンネルとしプレーン 1枚に
は 48チャンネルある
INGRID内で反応した荷電粒子の飛跡を再構成することでニュートリノイ
ベントを特定しニュートリノイベントの統計を溜めビームの方向を求める
このとき各チャンネルの hit efficiencyを求めておかなければニュートリノ
イベントの検出効率が正確に求まらない
2010年 3月から 6月までに取得した宇宙線データを使いINGRIDの性能
評価として各チャンネルの hit efficiencyと平均光量を求め安定に動作して
いることを確かめるため長期安定性を調べた
2
重心系エネルギー 196TeV陽子反陽子衝突実験における前方領域の電子同定
(Forward Electron Identification in 196-TeV Proton-Antiproton Collisions)
高エネルギー物理学研究室 大和大祐 lowast
(学籍番号M09SA036)
本論文では重心系エネルギー 196 TeV陽子反陽子衝突実験における前方領域 (11 lt
|η| lt 20)の電子同定について記述するこの研究の動機は同符号対レプトン事象を用いたWh rarr WWW 過程を探索するために前方領域の電子を組み込みたいことに基づいている現在CDF(Collider Detector at Fermilab)においてアクセプタンスを増やすとヒッグスボソン生成断面積のリミットが下がる傾向にある大阪市立大学が以前に出した結果は中心領域（ |η| lt 10）におけるレプトンのみを使っている [1]それゆえ中心と前方を合わせた領域のレプトンを用いれば以前の結果よりよい結果が得られることが期待される幾何学的にアクセプタンスを増やすとシグナルを増やす結果になるけれどもさらなるバックグラウンドをも引きつけることになるさらに悪いことに前方領域において中心領域よりもレプトンと同定するための検出器が少ないそれゆえにシグナル事象のための効果的な抽出が前方領域を使うそしてヒッグスボソン探索の鍵となっている中心領域における尤度に基づいたレプトンの同定（Likelihood-based lepton identification
LLID）を使った以前の結果はCDFでよく用いられているカットに基づいた方法よりもよいパフォーマンスを示している [2]そこで前方領域の電子に LLIDを適用しカットに基づいた方法とパフォーマンスを比較したさらにカットに基づいた方法では使われないでいる前方プリシャワー装置の情報を LLIDに適用しシグナルとバックグラウンドをより区別しようとしたシグナルを ZのMonte Carloサンプルバックグラウンドに Jet20サンプルとして電子の同定効率をカットの方法と同じ同定効率になるように LLIDを行うとカットの方法に比べて約 35倍バックグラウンドを減らすことができることがわかった
e-mail yamatoocupc1heposaka-cuacjp参考文献
1 Takayuki Wakisaka PhD thesis 2009 Osaka City University
2 Mina Yoshida Master thesis 2010 Osaka City University
3
多変量解析を用いた WZ 生成断面積の測定
(A Measurement of the WZ Production Cross Section Using a Multivariate Analysis)
高エネルギー物理学研究室 山本 将士
（学籍番号M09SA037）
CDF（Collider Detector at Fermilab）実験は米国国立フェルミ研究所にある陽子
反陽子衝突型加速器 Tevatronを用いた重心系エネルギー196TeVにおける陽子反
陽子衝突による素粒子実験である加速された陽子反陽子は CDF検出器の中心部で
正面衝突しその際に生成される多数の粒子のエネルギー等の情報はCDF検出器に
よって記録される
電磁相互作用と弱い相互作用を統合した電弱相互作用は素粒子物理学の標準モデ
ルを構成しており非可換ゲージ群 SU(2)timesU(1)により記述されているこの理論によ
ると弱い相互作用を媒介するゲージボソン Wと Z同士が直接相互作用することが予想
されているこの WWZ ゲージ結合の存在を確認することは標準モデルの検証として
重要であるまた標準モデルにおいて唯一未発見の全ての粒子に質量を与える役割
を担っているヒッグス粒子の探索で WZ 生成は主要なバックグラウンドの一つになって
おりその理解は不可欠となっているこれらのことからこの研究ではWZ 生成に
ついて基本的な物理量である生成断面積の測定を試みる
WZ 生成のシグナルはW と Z ボソンのレプトン崩壊モードから生じ終状態に 3 個の
荷電レプトンを含む解析ではそのうちの同符号の 2 レプトンが検出された場合を
シグナルとするWZ 生成断面積を求めるにあたってはベイズ統計を用い生成断面
積を変数とする尤度関数を定義するこの尤度関数はある物理量の分布を表すヒス
トグラムの各チャンネル（ビン）に対してポアソン分布を基本とした尤度を定義し
それらの全チャンネルにわたる積で構成される尤度関数を構成する分布として
Boosted Decision Trees(BDT)と呼ばれる多変量解析の出力を採用するBDT は検出
器で得られる多数の情報を同時に用い信号とバックグラウンドの選別が最も有効に
なるような「信号らしさ」を定義数値化する手法の一つである信号とバックグラウ
ンドの選別に優れた分布を直接用いることで生成断面積測定の精度がより高いもの
になると期待される
結果はWZ 生成断面積の値は 標準モデルと矛盾しないことまたその精度は BDT
を用いなかった場合と比べ向上することが確認できた
e-mail shojiocupc1heposaka-cuacjp
4
ボイド宇宙における構造形成
(Structure formation in Void Universe)
素粒子論研究室 西川隆介
（学籍番号M09SA019）
現代の科学的宇宙論の中で最も成功を収めている標準宇宙モデルは「我々は
特別な場所にいない」というコペルニクス原理を仮定している近年超新星
の距離-赤方偏移関係の観測から宇宙は加速膨張しており宇宙のエネルギーの
大半は正体不明のダークエネルギーが占めていることがわかったしかしコ
ペルニクス原理の仮定を外せばダークエネルギーを導入せずに観測を説明でき
る可能性はありボイド宇宙モデルはその候補として盛んに研究されている[1]
「我々はボイドという物質密度の低い領域の中心付近にいる」と仮定するボ
イド宇宙モデルは超新星の距離-赤方偏移観測や宇宙背景輻射温度ゆらぎのパ
ワースペクトルを説明することができる[2]しかし銀河銀河団などの大規
模構造の形成に関する観測を用いた検証はまだ行われていない
そこで本研究ではボイド宇宙における大規模構造の形成について調べた
構造形成は相対論的摂動論を用いて解析することができるが球対称時空であ
るボイド宇宙は対称性が低いため摂動の扱いが困難であるこの問題に対して
ボイド宇宙を近似的に一様等方時空と球対称摂動に分解する方法を選んだこ
の方法ではボイド宇宙における線形摂動方程式は一様等方宇宙における 2次摂
動方程式に帰着し解析的に解くことができる[3]求めた解から構造形成の成
長率を求めボイド宇宙モデルと標準宇宙モデルの構造形成の違いを明らかに
したまた銀河サーベイの観測から得られる成長率[4]と比較しボイド宇宙
モデルは構造形成の観測と整合的でないという示唆を得た
e-mail ryusukesciosaka-cuacjp
参考文献
1 K Tomita Mon Not R Astron Soc 326 (2001) 287 2 C Clarkson T Clifton and S February JCAP 0906 (2009) 025 3 K Tomita Prog Theor Phys 37 (1967) 831 4 L Guzzo et al Nature 451 (2008) 541
5
(2+1)(2+1)(2+1)(2+1)次元時空次元時空次元時空次元時空のののの回転対称回転対称回転対称回転対称 nullnullnullnull shellshellshellshell によるによるによるによる粒子生成粒子生成粒子生成粒子生成
(Particle creation by the collapse of a rotationally symmetric null shell in
(2+1)-dimensional spacetime)
素粒子論研究室 速水真裕
（学籍番号M09SA022）
重力を含む統一理論として有力な超弦理論は高次元時空の存在を予言して
いるこの超弦理論に触発され考案されたブレイン宇宙シナリオは001mm 以
下の距離での重力相互作用が高次元の古典重力理論で記述される可能性を示唆
しており現在高次元時空の古典重力理論に基づいた研究が活発に行われて
いる
ところで２つのブラックホール（BH）の散乱過程を考えたときに接近した 2
つの BH の間の領域は高い曲率を持つ数値相対論に基づいた研究によると四
次元時空ではこの領域の曲率半径がプランク長に達するより前にこの領域は
ホライズンに囲まれるためその外側にいる我々はプランク長未満の曲率半
径を持つ領域を観測することができないしかし高次元時空ではホライズ
ンに隠されること無くこのような高曲率の特異領域が現れる場合があることが
最近の研究により明らかになったこのような領域では古典重力理論は破綻
していると思われるしかし量子重力理論はまだ完成されていないため本
論文では曲がった時空の場の量子論[1]に基づいた解析によってこの特異領域
から発せられるシグナルに関する示唆を得ることを目指す
このような特異領域はおよそ円筒状になっていると考えられるので簡単の
ために軸の方向に十分長く一様だと仮定し軸に垂直な二次元空間の自由度の
みを考えることにするそこで回転対称性を持ち厳密に計算可能な null dust
shell の崩壊を考え裸の特異点形成による粒子生成を調べた(2+1)次元 dust
の崩壊による粒子生成の研究は幾何光学近似を用いて既になされておりその
近似が正しければ粒子生成は起こらないという結論が得られている[2]本論文
ではnull dust shell の崩壊する時空における実スカラー場のモード関数を
構成することによって量子論的粒子生成の有無を調べるための定式化を行った
e-mail hayamizusciosaka-cuacjp
参考文献
1 ND BIRRELL and PCW DAVIES ldquoQuantum fields in curved spacerdquo
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS
2 S GUTTI and TP SINGH Phys Rev D 76064026 (2007)
6
5次元ミンコフスキー時空における定常なストリング(Stationary strings in five-dimentional Minkowski spacetime)
宇宙物理（重力）研究室 西脇圭亮
（学籍番号M09SA021）
南部‐後藤ストリングとは線密度と張力が同じ値をとる１次元のひも状の物
体である１次元のひも状の物体の軌跡は２次元面になりこれを世界面と呼ぶ
一般に南部‐後藤ストリングの運動方程式は偏微分方程式になるが世界面に
背景時空のKillingベクトルと呼ばれる時空の対称性を表すベクトルが接して
いるような南部‐後藤ストリングの運動はKillingベクトルの方向を低減した
軌道空間の中での点粒子の測地線方程式に帰着させることができるここで
世界面に時間的Killingベクトルが接しているストリングを定常なストリング
と呼ぶ
４次元Minkowski時空において閉じたストリングには光速で動く尖点が出現
し定常な閉じたストリングは存在しないことが知られている一方宇宙は４
次元以上の高次元である可能性が考えられているそこで本論では５次元
Minkowski時空において時間推進のKillingベクトルpartｔと空間回転の
Killingベクトルpartφpartψの線形結合ξ＝partｔ＋αpartφ＋βpartψ がストリングの
世界面に接しているとして南部‐後藤ストリングの厳密な古典解を求めるこ
とを試みたKillingベクトルとしてβ＝０を選んだ場合には微分方程式を変
数分離することができその解の中に定常で閉じたストリングの厳密解を見出
した
e-mail nisiwakisciosaka-cuacjp
参考文献
1 AVilenkin and EPS Shellard ldquoCosmic Strings and Other Topological Defectsrdquo Cambridge university press2 TIgata and HIshihara PhysRevD810440242010
3 TIgata and HIshihara PhysRevD820440142010
4 KOgawa HIshihara HKozaki H Nakano SSaito PhysRevD780235252008
7
シュワルツシルトブラックホールまわりの球対称連続光源の見え方(Optical appearance of spherically symmetric continuous light source
surrounding a Schwarzschild black hole)
宇宙物理重力研究室 高田 真聡
（学籍番号M09SA015）
Einstein方程式の厳密解であるブラックホールはある領域より内側からは光すら
抜け出す事が出来ないという時空であるブラックホールは当初理論上の産物に
過ぎなかったが最近では宇宙に数多く存在すると考えられるようになってきた
ブラックホールそのものからはいかなる情報も出てこないので直接観測することは
できないが周囲に取り巻いている物質を調べる事で間接的には観測可能である
本修士論文はSchwarzschildブラックホールの周囲で球対称に分布する光源からの
光が観測者のスクリーン上にどう映るかを
１光源は光学的に薄い２球対称で一様な分布３発光は等方的
という仮定の下で考察した
光源の存在する領域を光が通過した空間距離が長い程観測者に到達する光子の数は
増えるためスクリーン上における明るさは増すSchwarzshild時空には光の不安定円
軌道が存在する光の軌道はインパクトパラメータで特徴付けられるがこれはスクリ
ーン上における中心からの距離に対応するインパクトパラメータが光の不安定円軌道
に対応する値 (Lo とする）に近いとき光は長い時間円軌道に留まるこのためス
クリーン上で Lo に対応する半径の円の上に到達する光子密度は発散する
この発散の度合いを光の測地線を積分することによって解析的に評価した
e-mail takadasciosaka-cuacjp
参考文献
1 William L Ames and Kip S Thorne ldquoThe optical appearance of a star that is collapsing trough its gravitational radiusrdquo The Astrophysical Journal Vol 151 pp 659-668 (February 1968)
2 Eric Poisson ldquoAn advanced course in general relativity rdquo Department of Physics University of Guelph pp 23-46 (January 2002)
8
N=2 超対称 U(1)ゲージ理論におけるケーラー項へのループ補正
(Loop correction to Kaumlhler term in N=2 supersymmetric U(1) gauge theory)
数理物理研究室 出口翔
（学籍番号M09SA017）
場の理論における困難の一つは摂動計算におけるループ振幅の発散である
このときくりこみの方法を用いてそれらの発散量から結合定数のスケール依
存性を知ることができるが理論に超対称性（ボゾンとフェルミオン間の回転対
称性を与えるもの）を導入することでそれらの発散量の一部に自然な相殺を起
こさせ発散量の数が少ない理論を構成できる
N=2 超対称 U(1)ゲージ模型はプリポテンシャルと呼ばれる任意の正則関数に
よって特徴づけられ例えばプリポテンシャルが２次までの正則関数の場合理論
はくりこみ可能なクラスに属するが一般にはくりこみ不可能であるように見え
るしかし N=2 超対称な模型に適用される非くりこみ定理より有効作用は１ル
ープオーダーまでしか補正を受けないことが示されている[1]同様のことを
N=1 の形式で見るとゲージ運動項とスーパーポテンシャル項に関してはN=1 の
非くりこみ定理よりループ補正が存在しないしかしケーラー項に関しては一
般にループ補正がオールオーダーで存在しN=2 超対称性に由来するループ補
正の相殺が特別に生じているはずである
本研究ではN=2 超対称 U(1)ゲージ模型における有効作用の一部ケーラー項へ
のループ補正の相殺の様子を N=1 の形式で解析した[23]
この解析は N =2 超対称性が部分的且つ自発的に破れる模型[45]に於いても
大きな役割を果たすと思われる
e-mail deguchisciosaka-cuacjp
参考文献
1 PS Howe KS Stelle and PC West Phys Lett 124B (1983) 55
2 SG Nibbelink and TS Nyawelo JHEP 01 (2006) 034
3 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
4 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Prog Theor Phys 113 (2005) 429
5 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Nucl Phys B723 (2005) 33
9
直積ゲージ群における N=2 超対称性の自発的破れ
(Spontaneous Breaking of N=2 Supersymmetry in the case of Product Gauge Group)
数理物理研究室 松田元一
（学籍番号M09SA029）
超対称性とはボゾンとフェルミオンを互いに変換する下での対称性のこと
である超対称性をもつ理論では電磁気力と弱い力強い力の３つのゲージ結
合定数の一致するエネルギースケールが存在するためゲージ場理論を統一す
るために超対称性が重要な役割を果たすと考えられている超対称粒子は観測
されていないことから少なくとも標準模型のエネルギースケールにおいて超
対称性は破れ超対称粒子は既知の粒子に対し重い質量をもたなければいけな
いこれを実現するためにわれわれの観測する visible sector と観測の及ば
ないhidden sectorの２つの領域がありまずhidden sectorで超対称性が破れ
それが visible sector に伝わると考えることでvisible sector の超対称性を破る
枠組みがある[1]
本研究では藤原糸山阪口による N=2 超対称性が自発的に破れるゲージ
理論[234]を用い直積群 U(N1) x U(N2)を visible sector と hidden sector の
ゲージ群としたとき超対称性がどのように破れるか調べたまた超対称性が
破れた真空における粒子の質量の解析をした
e-mail matsudasciosaka-cuacjp
参考文献
1 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
2 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi ProgTheorPhys 113 (2005) 429
3 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 723 (2005) 33
4 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 740 (2006) 58
10
AdSCFT対応の検証 ～Heun方程式と佐々木-Einstein多様体～(Test of AdSCFT correspondence)
数理物理研究室 姫島智樹
（学籍番号M09SA023）
超弦理論は一般相対性理論と量子力学を矛盾なく融合させる理論の候補の一
つとして期待されているそして超弦理論の低エネルギー極限では超重力理論
によって近似できることが知られているこの理論について1997年に
MaldacenaによってAdSCFT対応が提唱されたそれはAdS 5times S5を背景時空と
する超重力理論は共形不変性を持つゲージ理論と等価であるという予想である
この対応関係を使うと一方の理論で計算することが難しい量が対応する他方
の理論での量を計算することで間接的に求めることができるしかし現時点で
この対応関係は証明されておらず具体的な計算からさまざまな量の対応を調
べて予想の正当性を確かめている状況であるそして今回はその一部を数値計
算ソフトmathematicaを用いて計算してみた
タイプⅡB型超重力理論でD3ブレーン解を求めるときに出てくるSasaki-
Einstein計量からScalar Laplacianを作りそのエネルギー固有値を求めるこ
とを考えるすると計算の過程で2階微分方程式のHeun方程式が出てくる
Heun 方程式は4つの確定特異点を持つFuchs型微分方程式でガウスの超幾何微
分方程式を拡張したものだが一般に解析的には解けない
そこで数値計算ソフトを使って2つの方向から漸近解を求めることを考える
一つはHeun方程式をさらに変形させることで出てくる3項間漸化式から導かれ
る無限階連分数を適当な階数で切りそれについて値を求めるもう一つの方法
としてHeun方程式にWKB解析を適用させることで得られる条件式から値を求
める2つの方法の性質によりそれぞれ良い近似を得られる範囲が異なり2つを
相補的に使ってエネルギー固有値を求めることができるそしてゲージ理論で
粒子のBPS状態や励起状態のR電荷にこの値を対応させることが期待できる
e-mail himejimasciosaka-cuacjp
参考文献
1 HKihara MSakaguchi YYasui Scalar Laplacian on Sasaki-Einstein Manifold Y^(pq) PhysLett B621(2005) 288-2942柴田正和 漸近級数と特異摂動法 森北出版(2009)
11
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
T2Kニュートリノ振動実験でのニュートリノビーム
モニター INGRIDの性能評価(A Study of the Neutrino Beam Monitor
INGRID for the T2K Neutrino OscillationExperiment)
高エネルギー物理学研究室 松村知恵
(学籍番号M09SA030)
T2K(Tokai to Kamioka)ニュートリノ振動実験とは茨城県東海村に建設
された大強度陽子加速器施設 J-PARCでニュートリノビームをつくり295km
離れた水チェレンコフ検出器スーパーカミオカンデ (SK)で検出することで
その間のニュートリノフレーバー振動を研究するための実験である特に電
子ニュートリノ出現モードの発見とミューオンニュートリノ消失モードの精
密測定を主な目的している実験の特徴に off-axis法があげられSKでの
ニュートリノ振動確率が最大になるように中心軸 25 ずらしたビームを
使っているここでビーム方向とニュートリノエネルギーには相関がある
ためビーム方向を 1mrad以上の精度でモニターする必要がある
ニュートリノビームモニター INGRID(Interactive Neutrino GRID) は
ビーム中心軸上に位置しニュートリノビームの方向プロファイル強度
を監視するINGRIDは同一モジュール 16台をグリッド状に設置したもの
で各モジュールは鉄とシンチレータープレーンを交互に並べたサンドイッ
チ構造をしているシンチレーター波長変換ファイバー半導体光検出器
MPPC(Multi-Pixel Photon Counter)を 1チャンネルとしプレーン 1枚に
は 48チャンネルある
INGRID内で反応した荷電粒子の飛跡を再構成することでニュートリノイ
ベントを特定しニュートリノイベントの統計を溜めビームの方向を求める
このとき各チャンネルの hit efficiencyを求めておかなければニュートリノ
イベントの検出効率が正確に求まらない
2010年 3月から 6月までに取得した宇宙線データを使いINGRIDの性能
評価として各チャンネルの hit efficiencyと平均光量を求め安定に動作して
いることを確かめるため長期安定性を調べた
2
重心系エネルギー 196TeV陽子反陽子衝突実験における前方領域の電子同定
(Forward Electron Identification in 196-TeV Proton-Antiproton Collisions)
高エネルギー物理学研究室 大和大祐 lowast
(学籍番号M09SA036)
本論文では重心系エネルギー 196 TeV陽子反陽子衝突実験における前方領域 (11 lt
|η| lt 20)の電子同定について記述するこの研究の動機は同符号対レプトン事象を用いたWh rarr WWW 過程を探索するために前方領域の電子を組み込みたいことに基づいている現在CDF(Collider Detector at Fermilab)においてアクセプタンスを増やすとヒッグスボソン生成断面積のリミットが下がる傾向にある大阪市立大学が以前に出した結果は中心領域（ |η| lt 10）におけるレプトンのみを使っている [1]それゆえ中心と前方を合わせた領域のレプトンを用いれば以前の結果よりよい結果が得られることが期待される幾何学的にアクセプタンスを増やすとシグナルを増やす結果になるけれどもさらなるバックグラウンドをも引きつけることになるさらに悪いことに前方領域において中心領域よりもレプトンと同定するための検出器が少ないそれゆえにシグナル事象のための効果的な抽出が前方領域を使うそしてヒッグスボソン探索の鍵となっている中心領域における尤度に基づいたレプトンの同定（Likelihood-based lepton identification
LLID）を使った以前の結果はCDFでよく用いられているカットに基づいた方法よりもよいパフォーマンスを示している [2]そこで前方領域の電子に LLIDを適用しカットに基づいた方法とパフォーマンスを比較したさらにカットに基づいた方法では使われないでいる前方プリシャワー装置の情報を LLIDに適用しシグナルとバックグラウンドをより区別しようとしたシグナルを ZのMonte Carloサンプルバックグラウンドに Jet20サンプルとして電子の同定効率をカットの方法と同じ同定効率になるように LLIDを行うとカットの方法に比べて約 35倍バックグラウンドを減らすことができることがわかった
e-mail yamatoocupc1heposaka-cuacjp参考文献
1 Takayuki Wakisaka PhD thesis 2009 Osaka City University
2 Mina Yoshida Master thesis 2010 Osaka City University
3
多変量解析を用いた WZ 生成断面積の測定
(A Measurement of the WZ Production Cross Section Using a Multivariate Analysis)
高エネルギー物理学研究室 山本 将士
（学籍番号M09SA037）
CDF（Collider Detector at Fermilab）実験は米国国立フェルミ研究所にある陽子
反陽子衝突型加速器 Tevatronを用いた重心系エネルギー196TeVにおける陽子反
陽子衝突による素粒子実験である加速された陽子反陽子は CDF検出器の中心部で
正面衝突しその際に生成される多数の粒子のエネルギー等の情報はCDF検出器に
よって記録される
電磁相互作用と弱い相互作用を統合した電弱相互作用は素粒子物理学の標準モデ
ルを構成しており非可換ゲージ群 SU(2)timesU(1)により記述されているこの理論によ
ると弱い相互作用を媒介するゲージボソン Wと Z同士が直接相互作用することが予想
されているこの WWZ ゲージ結合の存在を確認することは標準モデルの検証として
重要であるまた標準モデルにおいて唯一未発見の全ての粒子に質量を与える役割
を担っているヒッグス粒子の探索で WZ 生成は主要なバックグラウンドの一つになって
おりその理解は不可欠となっているこれらのことからこの研究ではWZ 生成に
ついて基本的な物理量である生成断面積の測定を試みる
WZ 生成のシグナルはW と Z ボソンのレプトン崩壊モードから生じ終状態に 3 個の
荷電レプトンを含む解析ではそのうちの同符号の 2 レプトンが検出された場合を
シグナルとするWZ 生成断面積を求めるにあたってはベイズ統計を用い生成断面
積を変数とする尤度関数を定義するこの尤度関数はある物理量の分布を表すヒス
トグラムの各チャンネル（ビン）に対してポアソン分布を基本とした尤度を定義し
それらの全チャンネルにわたる積で構成される尤度関数を構成する分布として
Boosted Decision Trees(BDT)と呼ばれる多変量解析の出力を採用するBDT は検出
器で得られる多数の情報を同時に用い信号とバックグラウンドの選別が最も有効に
なるような「信号らしさ」を定義数値化する手法の一つである信号とバックグラウ
ンドの選別に優れた分布を直接用いることで生成断面積測定の精度がより高いもの
になると期待される
結果はWZ 生成断面積の値は 標準モデルと矛盾しないことまたその精度は BDT
を用いなかった場合と比べ向上することが確認できた
e-mail shojiocupc1heposaka-cuacjp
4
ボイド宇宙における構造形成
(Structure formation in Void Universe)
素粒子論研究室 西川隆介
（学籍番号M09SA019）
現代の科学的宇宙論の中で最も成功を収めている標準宇宙モデルは「我々は
特別な場所にいない」というコペルニクス原理を仮定している近年超新星
の距離-赤方偏移関係の観測から宇宙は加速膨張しており宇宙のエネルギーの
大半は正体不明のダークエネルギーが占めていることがわかったしかしコ
ペルニクス原理の仮定を外せばダークエネルギーを導入せずに観測を説明でき
る可能性はありボイド宇宙モデルはその候補として盛んに研究されている[1]
「我々はボイドという物質密度の低い領域の中心付近にいる」と仮定するボ
イド宇宙モデルは超新星の距離-赤方偏移観測や宇宙背景輻射温度ゆらぎのパ
ワースペクトルを説明することができる[2]しかし銀河銀河団などの大規
模構造の形成に関する観測を用いた検証はまだ行われていない
そこで本研究ではボイド宇宙における大規模構造の形成について調べた
構造形成は相対論的摂動論を用いて解析することができるが球対称時空であ
るボイド宇宙は対称性が低いため摂動の扱いが困難であるこの問題に対して
ボイド宇宙を近似的に一様等方時空と球対称摂動に分解する方法を選んだこ
の方法ではボイド宇宙における線形摂動方程式は一様等方宇宙における 2次摂
動方程式に帰着し解析的に解くことができる[3]求めた解から構造形成の成
長率を求めボイド宇宙モデルと標準宇宙モデルの構造形成の違いを明らかに
したまた銀河サーベイの観測から得られる成長率[4]と比較しボイド宇宙
モデルは構造形成の観測と整合的でないという示唆を得た
e-mail ryusukesciosaka-cuacjp
参考文献
1 K Tomita Mon Not R Astron Soc 326 (2001) 287 2 C Clarkson T Clifton and S February JCAP 0906 (2009) 025 3 K Tomita Prog Theor Phys 37 (1967) 831 4 L Guzzo et al Nature 451 (2008) 541
5
(2+1)(2+1)(2+1)(2+1)次元時空次元時空次元時空次元時空のののの回転対称回転対称回転対称回転対称 nullnullnullnull shellshellshellshell によるによるによるによる粒子生成粒子生成粒子生成粒子生成
(Particle creation by the collapse of a rotationally symmetric null shell in
(2+1)-dimensional spacetime)
素粒子論研究室 速水真裕
（学籍番号M09SA022）
重力を含む統一理論として有力な超弦理論は高次元時空の存在を予言して
いるこの超弦理論に触発され考案されたブレイン宇宙シナリオは001mm 以
下の距離での重力相互作用が高次元の古典重力理論で記述される可能性を示唆
しており現在高次元時空の古典重力理論に基づいた研究が活発に行われて
いる
ところで２つのブラックホール（BH）の散乱過程を考えたときに接近した 2
つの BH の間の領域は高い曲率を持つ数値相対論に基づいた研究によると四
次元時空ではこの領域の曲率半径がプランク長に達するより前にこの領域は
ホライズンに囲まれるためその外側にいる我々はプランク長未満の曲率半
径を持つ領域を観測することができないしかし高次元時空ではホライズ
ンに隠されること無くこのような高曲率の特異領域が現れる場合があることが
最近の研究により明らかになったこのような領域では古典重力理論は破綻
していると思われるしかし量子重力理論はまだ完成されていないため本
論文では曲がった時空の場の量子論[1]に基づいた解析によってこの特異領域
から発せられるシグナルに関する示唆を得ることを目指す
このような特異領域はおよそ円筒状になっていると考えられるので簡単の
ために軸の方向に十分長く一様だと仮定し軸に垂直な二次元空間の自由度の
みを考えることにするそこで回転対称性を持ち厳密に計算可能な null dust
shell の崩壊を考え裸の特異点形成による粒子生成を調べた(2+1)次元 dust
の崩壊による粒子生成の研究は幾何光学近似を用いて既になされておりその
近似が正しければ粒子生成は起こらないという結論が得られている[2]本論文
ではnull dust shell の崩壊する時空における実スカラー場のモード関数を
構成することによって量子論的粒子生成の有無を調べるための定式化を行った
e-mail hayamizusciosaka-cuacjp
参考文献
1 ND BIRRELL and PCW DAVIES ldquoQuantum fields in curved spacerdquo
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS
2 S GUTTI and TP SINGH Phys Rev D 76064026 (2007)
6
5次元ミンコフスキー時空における定常なストリング(Stationary strings in five-dimentional Minkowski spacetime)
宇宙物理（重力）研究室 西脇圭亮
（学籍番号M09SA021）
南部‐後藤ストリングとは線密度と張力が同じ値をとる１次元のひも状の物
体である１次元のひも状の物体の軌跡は２次元面になりこれを世界面と呼ぶ
一般に南部‐後藤ストリングの運動方程式は偏微分方程式になるが世界面に
背景時空のKillingベクトルと呼ばれる時空の対称性を表すベクトルが接して
いるような南部‐後藤ストリングの運動はKillingベクトルの方向を低減した
軌道空間の中での点粒子の測地線方程式に帰着させることができるここで
世界面に時間的Killingベクトルが接しているストリングを定常なストリング
と呼ぶ
４次元Minkowski時空において閉じたストリングには光速で動く尖点が出現
し定常な閉じたストリングは存在しないことが知られている一方宇宙は４
次元以上の高次元である可能性が考えられているそこで本論では５次元
Minkowski時空において時間推進のKillingベクトルpartｔと空間回転の
Killingベクトルpartφpartψの線形結合ξ＝partｔ＋αpartφ＋βpartψ がストリングの
世界面に接しているとして南部‐後藤ストリングの厳密な古典解を求めるこ
とを試みたKillingベクトルとしてβ＝０を選んだ場合には微分方程式を変
数分離することができその解の中に定常で閉じたストリングの厳密解を見出
した
e-mail nisiwakisciosaka-cuacjp
参考文献
1 AVilenkin and EPS Shellard ldquoCosmic Strings and Other Topological Defectsrdquo Cambridge university press2 TIgata and HIshihara PhysRevD810440242010
3 TIgata and HIshihara PhysRevD820440142010
4 KOgawa HIshihara HKozaki H Nakano SSaito PhysRevD780235252008
7
シュワルツシルトブラックホールまわりの球対称連続光源の見え方(Optical appearance of spherically symmetric continuous light source
surrounding a Schwarzschild black hole)
宇宙物理重力研究室 高田 真聡
（学籍番号M09SA015）
Einstein方程式の厳密解であるブラックホールはある領域より内側からは光すら
抜け出す事が出来ないという時空であるブラックホールは当初理論上の産物に
過ぎなかったが最近では宇宙に数多く存在すると考えられるようになってきた
ブラックホールそのものからはいかなる情報も出てこないので直接観測することは
できないが周囲に取り巻いている物質を調べる事で間接的には観測可能である
本修士論文はSchwarzschildブラックホールの周囲で球対称に分布する光源からの
光が観測者のスクリーン上にどう映るかを
１光源は光学的に薄い２球対称で一様な分布３発光は等方的
という仮定の下で考察した
光源の存在する領域を光が通過した空間距離が長い程観測者に到達する光子の数は
増えるためスクリーン上における明るさは増すSchwarzshild時空には光の不安定円
軌道が存在する光の軌道はインパクトパラメータで特徴付けられるがこれはスクリ
ーン上における中心からの距離に対応するインパクトパラメータが光の不安定円軌道
に対応する値 (Lo とする）に近いとき光は長い時間円軌道に留まるこのためス
クリーン上で Lo に対応する半径の円の上に到達する光子密度は発散する
この発散の度合いを光の測地線を積分することによって解析的に評価した
e-mail takadasciosaka-cuacjp
参考文献
1 William L Ames and Kip S Thorne ldquoThe optical appearance of a star that is collapsing trough its gravitational radiusrdquo The Astrophysical Journal Vol 151 pp 659-668 (February 1968)
2 Eric Poisson ldquoAn advanced course in general relativity rdquo Department of Physics University of Guelph pp 23-46 (January 2002)
8
N=2 超対称 U(1)ゲージ理論におけるケーラー項へのループ補正
(Loop correction to Kaumlhler term in N=2 supersymmetric U(1) gauge theory)
数理物理研究室 出口翔
（学籍番号M09SA017）
場の理論における困難の一つは摂動計算におけるループ振幅の発散である
このときくりこみの方法を用いてそれらの発散量から結合定数のスケール依
存性を知ることができるが理論に超対称性（ボゾンとフェルミオン間の回転対
称性を与えるもの）を導入することでそれらの発散量の一部に自然な相殺を起
こさせ発散量の数が少ない理論を構成できる
N=2 超対称 U(1)ゲージ模型はプリポテンシャルと呼ばれる任意の正則関数に
よって特徴づけられ例えばプリポテンシャルが２次までの正則関数の場合理論
はくりこみ可能なクラスに属するが一般にはくりこみ不可能であるように見え
るしかし N=2 超対称な模型に適用される非くりこみ定理より有効作用は１ル
ープオーダーまでしか補正を受けないことが示されている[1]同様のことを
N=1 の形式で見るとゲージ運動項とスーパーポテンシャル項に関してはN=1 の
非くりこみ定理よりループ補正が存在しないしかしケーラー項に関しては一
般にループ補正がオールオーダーで存在しN=2 超対称性に由来するループ補
正の相殺が特別に生じているはずである
本研究ではN=2 超対称 U(1)ゲージ模型における有効作用の一部ケーラー項へ
のループ補正の相殺の様子を N=1 の形式で解析した[23]
この解析は N =2 超対称性が部分的且つ自発的に破れる模型[45]に於いても
大きな役割を果たすと思われる
e-mail deguchisciosaka-cuacjp
参考文献
1 PS Howe KS Stelle and PC West Phys Lett 124B (1983) 55
2 SG Nibbelink and TS Nyawelo JHEP 01 (2006) 034
3 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
4 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Prog Theor Phys 113 (2005) 429
5 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Nucl Phys B723 (2005) 33
9
直積ゲージ群における N=2 超対称性の自発的破れ
(Spontaneous Breaking of N=2 Supersymmetry in the case of Product Gauge Group)
数理物理研究室 松田元一
（学籍番号M09SA029）
超対称性とはボゾンとフェルミオンを互いに変換する下での対称性のこと
である超対称性をもつ理論では電磁気力と弱い力強い力の３つのゲージ結
合定数の一致するエネルギースケールが存在するためゲージ場理論を統一す
るために超対称性が重要な役割を果たすと考えられている超対称粒子は観測
されていないことから少なくとも標準模型のエネルギースケールにおいて超
対称性は破れ超対称粒子は既知の粒子に対し重い質量をもたなければいけな
いこれを実現するためにわれわれの観測する visible sector と観測の及ば
ないhidden sectorの２つの領域がありまずhidden sectorで超対称性が破れ
それが visible sector に伝わると考えることでvisible sector の超対称性を破る
枠組みがある[1]
本研究では藤原糸山阪口による N=2 超対称性が自発的に破れるゲージ
理論[234]を用い直積群 U(N1) x U(N2)を visible sector と hidden sector の
ゲージ群としたとき超対称性がどのように破れるか調べたまた超対称性が
破れた真空における粒子の質量の解析をした
e-mail matsudasciosaka-cuacjp
参考文献
1 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
2 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi ProgTheorPhys 113 (2005) 429
3 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 723 (2005) 33
4 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 740 (2006) 58
10
AdSCFT対応の検証 ～Heun方程式と佐々木-Einstein多様体～(Test of AdSCFT correspondence)
数理物理研究室 姫島智樹
（学籍番号M09SA023）
超弦理論は一般相対性理論と量子力学を矛盾なく融合させる理論の候補の一
つとして期待されているそして超弦理論の低エネルギー極限では超重力理論
によって近似できることが知られているこの理論について1997年に
MaldacenaによってAdSCFT対応が提唱されたそれはAdS 5times S5を背景時空と
する超重力理論は共形不変性を持つゲージ理論と等価であるという予想である
この対応関係を使うと一方の理論で計算することが難しい量が対応する他方
の理論での量を計算することで間接的に求めることができるしかし現時点で
この対応関係は証明されておらず具体的な計算からさまざまな量の対応を調
べて予想の正当性を確かめている状況であるそして今回はその一部を数値計
算ソフトmathematicaを用いて計算してみた
タイプⅡB型超重力理論でD3ブレーン解を求めるときに出てくるSasaki-
Einstein計量からScalar Laplacianを作りそのエネルギー固有値を求めるこ
とを考えるすると計算の過程で2階微分方程式のHeun方程式が出てくる
Heun 方程式は4つの確定特異点を持つFuchs型微分方程式でガウスの超幾何微
分方程式を拡張したものだが一般に解析的には解けない
そこで数値計算ソフトを使って2つの方向から漸近解を求めることを考える
一つはHeun方程式をさらに変形させることで出てくる3項間漸化式から導かれ
る無限階連分数を適当な階数で切りそれについて値を求めるもう一つの方法
としてHeun方程式にWKB解析を適用させることで得られる条件式から値を求
める2つの方法の性質によりそれぞれ良い近似を得られる範囲が異なり2つを
相補的に使ってエネルギー固有値を求めることができるそしてゲージ理論で
粒子のBPS状態や励起状態のR電荷にこの値を対応させることが期待できる
e-mail himejimasciosaka-cuacjp
参考文献
1 HKihara MSakaguchi YYasui Scalar Laplacian on Sasaki-Einstein Manifold Y^(pq) PhysLett B621(2005) 288-2942柴田正和 漸近級数と特異摂動法 森北出版(2009)
11
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
重心系エネルギー 196TeV陽子反陽子衝突実験における前方領域の電子同定
(Forward Electron Identification in 196-TeV Proton-Antiproton Collisions)
高エネルギー物理学研究室 大和大祐 lowast
(学籍番号M09SA036)
本論文では重心系エネルギー 196 TeV陽子反陽子衝突実験における前方領域 (11 lt
|η| lt 20)の電子同定について記述するこの研究の動機は同符号対レプトン事象を用いたWh rarr WWW 過程を探索するために前方領域の電子を組み込みたいことに基づいている現在CDF(Collider Detector at Fermilab)においてアクセプタンスを増やすとヒッグスボソン生成断面積のリミットが下がる傾向にある大阪市立大学が以前に出した結果は中心領域（ |η| lt 10）におけるレプトンのみを使っている [1]それゆえ中心と前方を合わせた領域のレプトンを用いれば以前の結果よりよい結果が得られることが期待される幾何学的にアクセプタンスを増やすとシグナルを増やす結果になるけれどもさらなるバックグラウンドをも引きつけることになるさらに悪いことに前方領域において中心領域よりもレプトンと同定するための検出器が少ないそれゆえにシグナル事象のための効果的な抽出が前方領域を使うそしてヒッグスボソン探索の鍵となっている中心領域における尤度に基づいたレプトンの同定（Likelihood-based lepton identification
LLID）を使った以前の結果はCDFでよく用いられているカットに基づいた方法よりもよいパフォーマンスを示している [2]そこで前方領域の電子に LLIDを適用しカットに基づいた方法とパフォーマンスを比較したさらにカットに基づいた方法では使われないでいる前方プリシャワー装置の情報を LLIDに適用しシグナルとバックグラウンドをより区別しようとしたシグナルを ZのMonte Carloサンプルバックグラウンドに Jet20サンプルとして電子の同定効率をカットの方法と同じ同定効率になるように LLIDを行うとカットの方法に比べて約 35倍バックグラウンドを減らすことができることがわかった
e-mail yamatoocupc1heposaka-cuacjp参考文献
1 Takayuki Wakisaka PhD thesis 2009 Osaka City University
2 Mina Yoshida Master thesis 2010 Osaka City University
3
多変量解析を用いた WZ 生成断面積の測定
(A Measurement of the WZ Production Cross Section Using a Multivariate Analysis)
高エネルギー物理学研究室 山本 将士
（学籍番号M09SA037）
CDF（Collider Detector at Fermilab）実験は米国国立フェルミ研究所にある陽子
反陽子衝突型加速器 Tevatronを用いた重心系エネルギー196TeVにおける陽子反
陽子衝突による素粒子実験である加速された陽子反陽子は CDF検出器の中心部で
正面衝突しその際に生成される多数の粒子のエネルギー等の情報はCDF検出器に
よって記録される
電磁相互作用と弱い相互作用を統合した電弱相互作用は素粒子物理学の標準モデ
ルを構成しており非可換ゲージ群 SU(2)timesU(1)により記述されているこの理論によ
ると弱い相互作用を媒介するゲージボソン Wと Z同士が直接相互作用することが予想
されているこの WWZ ゲージ結合の存在を確認することは標準モデルの検証として
重要であるまた標準モデルにおいて唯一未発見の全ての粒子に質量を与える役割
を担っているヒッグス粒子の探索で WZ 生成は主要なバックグラウンドの一つになって
おりその理解は不可欠となっているこれらのことからこの研究ではWZ 生成に
ついて基本的な物理量である生成断面積の測定を試みる
WZ 生成のシグナルはW と Z ボソンのレプトン崩壊モードから生じ終状態に 3 個の
荷電レプトンを含む解析ではそのうちの同符号の 2 レプトンが検出された場合を
シグナルとするWZ 生成断面積を求めるにあたってはベイズ統計を用い生成断面
積を変数とする尤度関数を定義するこの尤度関数はある物理量の分布を表すヒス
トグラムの各チャンネル（ビン）に対してポアソン分布を基本とした尤度を定義し
それらの全チャンネルにわたる積で構成される尤度関数を構成する分布として
Boosted Decision Trees(BDT)と呼ばれる多変量解析の出力を採用するBDT は検出
器で得られる多数の情報を同時に用い信号とバックグラウンドの選別が最も有効に
なるような「信号らしさ」を定義数値化する手法の一つである信号とバックグラウ
ンドの選別に優れた分布を直接用いることで生成断面積測定の精度がより高いもの
になると期待される
結果はWZ 生成断面積の値は 標準モデルと矛盾しないことまたその精度は BDT
を用いなかった場合と比べ向上することが確認できた
e-mail shojiocupc1heposaka-cuacjp
4
ボイド宇宙における構造形成
(Structure formation in Void Universe)
素粒子論研究室 西川隆介
（学籍番号M09SA019）
現代の科学的宇宙論の中で最も成功を収めている標準宇宙モデルは「我々は
特別な場所にいない」というコペルニクス原理を仮定している近年超新星
の距離-赤方偏移関係の観測から宇宙は加速膨張しており宇宙のエネルギーの
大半は正体不明のダークエネルギーが占めていることがわかったしかしコ
ペルニクス原理の仮定を外せばダークエネルギーを導入せずに観測を説明でき
る可能性はありボイド宇宙モデルはその候補として盛んに研究されている[1]
「我々はボイドという物質密度の低い領域の中心付近にいる」と仮定するボ
イド宇宙モデルは超新星の距離-赤方偏移観測や宇宙背景輻射温度ゆらぎのパ
ワースペクトルを説明することができる[2]しかし銀河銀河団などの大規
模構造の形成に関する観測を用いた検証はまだ行われていない
そこで本研究ではボイド宇宙における大規模構造の形成について調べた
構造形成は相対論的摂動論を用いて解析することができるが球対称時空であ
るボイド宇宙は対称性が低いため摂動の扱いが困難であるこの問題に対して
ボイド宇宙を近似的に一様等方時空と球対称摂動に分解する方法を選んだこ
の方法ではボイド宇宙における線形摂動方程式は一様等方宇宙における 2次摂
動方程式に帰着し解析的に解くことができる[3]求めた解から構造形成の成
長率を求めボイド宇宙モデルと標準宇宙モデルの構造形成の違いを明らかに
したまた銀河サーベイの観測から得られる成長率[4]と比較しボイド宇宙
モデルは構造形成の観測と整合的でないという示唆を得た
e-mail ryusukesciosaka-cuacjp
参考文献
1 K Tomita Mon Not R Astron Soc 326 (2001) 287 2 C Clarkson T Clifton and S February JCAP 0906 (2009) 025 3 K Tomita Prog Theor Phys 37 (1967) 831 4 L Guzzo et al Nature 451 (2008) 541
5
(2+1)(2+1)(2+1)(2+1)次元時空次元時空次元時空次元時空のののの回転対称回転対称回転対称回転対称 nullnullnullnull shellshellshellshell によるによるによるによる粒子生成粒子生成粒子生成粒子生成
(Particle creation by the collapse of a rotationally symmetric null shell in
(2+1)-dimensional spacetime)
素粒子論研究室 速水真裕
（学籍番号M09SA022）
重力を含む統一理論として有力な超弦理論は高次元時空の存在を予言して
いるこの超弦理論に触発され考案されたブレイン宇宙シナリオは001mm 以
下の距離での重力相互作用が高次元の古典重力理論で記述される可能性を示唆
しており現在高次元時空の古典重力理論に基づいた研究が活発に行われて
いる
ところで２つのブラックホール（BH）の散乱過程を考えたときに接近した 2
つの BH の間の領域は高い曲率を持つ数値相対論に基づいた研究によると四
次元時空ではこの領域の曲率半径がプランク長に達するより前にこの領域は
ホライズンに囲まれるためその外側にいる我々はプランク長未満の曲率半
径を持つ領域を観測することができないしかし高次元時空ではホライズ
ンに隠されること無くこのような高曲率の特異領域が現れる場合があることが
最近の研究により明らかになったこのような領域では古典重力理論は破綻
していると思われるしかし量子重力理論はまだ完成されていないため本
論文では曲がった時空の場の量子論[1]に基づいた解析によってこの特異領域
から発せられるシグナルに関する示唆を得ることを目指す
このような特異領域はおよそ円筒状になっていると考えられるので簡単の
ために軸の方向に十分長く一様だと仮定し軸に垂直な二次元空間の自由度の
みを考えることにするそこで回転対称性を持ち厳密に計算可能な null dust
shell の崩壊を考え裸の特異点形成による粒子生成を調べた(2+1)次元 dust
の崩壊による粒子生成の研究は幾何光学近似を用いて既になされておりその
近似が正しければ粒子生成は起こらないという結論が得られている[2]本論文
ではnull dust shell の崩壊する時空における実スカラー場のモード関数を
構成することによって量子論的粒子生成の有無を調べるための定式化を行った
e-mail hayamizusciosaka-cuacjp
参考文献
1 ND BIRRELL and PCW DAVIES ldquoQuantum fields in curved spacerdquo
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS
2 S GUTTI and TP SINGH Phys Rev D 76064026 (2007)
6
5次元ミンコフスキー時空における定常なストリング(Stationary strings in five-dimentional Minkowski spacetime)
宇宙物理（重力）研究室 西脇圭亮
（学籍番号M09SA021）
南部‐後藤ストリングとは線密度と張力が同じ値をとる１次元のひも状の物
体である１次元のひも状の物体の軌跡は２次元面になりこれを世界面と呼ぶ
一般に南部‐後藤ストリングの運動方程式は偏微分方程式になるが世界面に
背景時空のKillingベクトルと呼ばれる時空の対称性を表すベクトルが接して
いるような南部‐後藤ストリングの運動はKillingベクトルの方向を低減した
軌道空間の中での点粒子の測地線方程式に帰着させることができるここで
世界面に時間的Killingベクトルが接しているストリングを定常なストリング
と呼ぶ
４次元Minkowski時空において閉じたストリングには光速で動く尖点が出現
し定常な閉じたストリングは存在しないことが知られている一方宇宙は４
次元以上の高次元である可能性が考えられているそこで本論では５次元
Minkowski時空において時間推進のKillingベクトルpartｔと空間回転の
Killingベクトルpartφpartψの線形結合ξ＝partｔ＋αpartφ＋βpartψ がストリングの
世界面に接しているとして南部‐後藤ストリングの厳密な古典解を求めるこ
とを試みたKillingベクトルとしてβ＝０を選んだ場合には微分方程式を変
数分離することができその解の中に定常で閉じたストリングの厳密解を見出
した
e-mail nisiwakisciosaka-cuacjp
参考文献
1 AVilenkin and EPS Shellard ldquoCosmic Strings and Other Topological Defectsrdquo Cambridge university press2 TIgata and HIshihara PhysRevD810440242010
3 TIgata and HIshihara PhysRevD820440142010
4 KOgawa HIshihara HKozaki H Nakano SSaito PhysRevD780235252008
7
シュワルツシルトブラックホールまわりの球対称連続光源の見え方(Optical appearance of spherically symmetric continuous light source
surrounding a Schwarzschild black hole)
宇宙物理重力研究室 高田 真聡
（学籍番号M09SA015）
Einstein方程式の厳密解であるブラックホールはある領域より内側からは光すら
抜け出す事が出来ないという時空であるブラックホールは当初理論上の産物に
過ぎなかったが最近では宇宙に数多く存在すると考えられるようになってきた
ブラックホールそのものからはいかなる情報も出てこないので直接観測することは
できないが周囲に取り巻いている物質を調べる事で間接的には観測可能である
本修士論文はSchwarzschildブラックホールの周囲で球対称に分布する光源からの
光が観測者のスクリーン上にどう映るかを
１光源は光学的に薄い２球対称で一様な分布３発光は等方的
という仮定の下で考察した
光源の存在する領域を光が通過した空間距離が長い程観測者に到達する光子の数は
増えるためスクリーン上における明るさは増すSchwarzshild時空には光の不安定円
軌道が存在する光の軌道はインパクトパラメータで特徴付けられるがこれはスクリ
ーン上における中心からの距離に対応するインパクトパラメータが光の不安定円軌道
に対応する値 (Lo とする）に近いとき光は長い時間円軌道に留まるこのためス
クリーン上で Lo に対応する半径の円の上に到達する光子密度は発散する
この発散の度合いを光の測地線を積分することによって解析的に評価した
e-mail takadasciosaka-cuacjp
参考文献
1 William L Ames and Kip S Thorne ldquoThe optical appearance of a star that is collapsing trough its gravitational radiusrdquo The Astrophysical Journal Vol 151 pp 659-668 (February 1968)
2 Eric Poisson ldquoAn advanced course in general relativity rdquo Department of Physics University of Guelph pp 23-46 (January 2002)
8
N=2 超対称 U(1)ゲージ理論におけるケーラー項へのループ補正
(Loop correction to Kaumlhler term in N=2 supersymmetric U(1) gauge theory)
数理物理研究室 出口翔
（学籍番号M09SA017）
場の理論における困難の一つは摂動計算におけるループ振幅の発散である
このときくりこみの方法を用いてそれらの発散量から結合定数のスケール依
存性を知ることができるが理論に超対称性（ボゾンとフェルミオン間の回転対
称性を与えるもの）を導入することでそれらの発散量の一部に自然な相殺を起
こさせ発散量の数が少ない理論を構成できる
N=2 超対称 U(1)ゲージ模型はプリポテンシャルと呼ばれる任意の正則関数に
よって特徴づけられ例えばプリポテンシャルが２次までの正則関数の場合理論
はくりこみ可能なクラスに属するが一般にはくりこみ不可能であるように見え
るしかし N=2 超対称な模型に適用される非くりこみ定理より有効作用は１ル
ープオーダーまでしか補正を受けないことが示されている[1]同様のことを
N=1 の形式で見るとゲージ運動項とスーパーポテンシャル項に関してはN=1 の
非くりこみ定理よりループ補正が存在しないしかしケーラー項に関しては一
般にループ補正がオールオーダーで存在しN=2 超対称性に由来するループ補
正の相殺が特別に生じているはずである
本研究ではN=2 超対称 U(1)ゲージ模型における有効作用の一部ケーラー項へ
のループ補正の相殺の様子を N=1 の形式で解析した[23]
この解析は N =2 超対称性が部分的且つ自発的に破れる模型[45]に於いても
大きな役割を果たすと思われる
e-mail deguchisciosaka-cuacjp
参考文献
1 PS Howe KS Stelle and PC West Phys Lett 124B (1983) 55
2 SG Nibbelink and TS Nyawelo JHEP 01 (2006) 034
3 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
4 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Prog Theor Phys 113 (2005) 429
5 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Nucl Phys B723 (2005) 33
9
直積ゲージ群における N=2 超対称性の自発的破れ
(Spontaneous Breaking of N=2 Supersymmetry in the case of Product Gauge Group)
数理物理研究室 松田元一
（学籍番号M09SA029）
超対称性とはボゾンとフェルミオンを互いに変換する下での対称性のこと
である超対称性をもつ理論では電磁気力と弱い力強い力の３つのゲージ結
合定数の一致するエネルギースケールが存在するためゲージ場理論を統一す
るために超対称性が重要な役割を果たすと考えられている超対称粒子は観測
されていないことから少なくとも標準模型のエネルギースケールにおいて超
対称性は破れ超対称粒子は既知の粒子に対し重い質量をもたなければいけな
いこれを実現するためにわれわれの観測する visible sector と観測の及ば
ないhidden sectorの２つの領域がありまずhidden sectorで超対称性が破れ
それが visible sector に伝わると考えることでvisible sector の超対称性を破る
枠組みがある[1]
本研究では藤原糸山阪口による N=2 超対称性が自発的に破れるゲージ
理論[234]を用い直積群 U(N1) x U(N2)を visible sector と hidden sector の
ゲージ群としたとき超対称性がどのように破れるか調べたまた超対称性が
破れた真空における粒子の質量の解析をした
e-mail matsudasciosaka-cuacjp
参考文献
1 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
2 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi ProgTheorPhys 113 (2005) 429
3 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 723 (2005) 33
4 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 740 (2006) 58
10
AdSCFT対応の検証 ～Heun方程式と佐々木-Einstein多様体～(Test of AdSCFT correspondence)
数理物理研究室 姫島智樹
（学籍番号M09SA023）
超弦理論は一般相対性理論と量子力学を矛盾なく融合させる理論の候補の一
つとして期待されているそして超弦理論の低エネルギー極限では超重力理論
によって近似できることが知られているこの理論について1997年に
MaldacenaによってAdSCFT対応が提唱されたそれはAdS 5times S5を背景時空と
する超重力理論は共形不変性を持つゲージ理論と等価であるという予想である
この対応関係を使うと一方の理論で計算することが難しい量が対応する他方
の理論での量を計算することで間接的に求めることができるしかし現時点で
この対応関係は証明されておらず具体的な計算からさまざまな量の対応を調
べて予想の正当性を確かめている状況であるそして今回はその一部を数値計
算ソフトmathematicaを用いて計算してみた
タイプⅡB型超重力理論でD3ブレーン解を求めるときに出てくるSasaki-
Einstein計量からScalar Laplacianを作りそのエネルギー固有値を求めるこ
とを考えるすると計算の過程で2階微分方程式のHeun方程式が出てくる
Heun 方程式は4つの確定特異点を持つFuchs型微分方程式でガウスの超幾何微
分方程式を拡張したものだが一般に解析的には解けない
そこで数値計算ソフトを使って2つの方向から漸近解を求めることを考える
一つはHeun方程式をさらに変形させることで出てくる3項間漸化式から導かれ
る無限階連分数を適当な階数で切りそれについて値を求めるもう一つの方法
としてHeun方程式にWKB解析を適用させることで得られる条件式から値を求
める2つの方法の性質によりそれぞれ良い近似を得られる範囲が異なり2つを
相補的に使ってエネルギー固有値を求めることができるそしてゲージ理論で
粒子のBPS状態や励起状態のR電荷にこの値を対応させることが期待できる
e-mail himejimasciosaka-cuacjp
参考文献
1 HKihara MSakaguchi YYasui Scalar Laplacian on Sasaki-Einstein Manifold Y^(pq) PhysLett B621(2005) 288-2942柴田正和 漸近級数と特異摂動法 森北出版(2009)
11
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
多変量解析を用いた WZ 生成断面積の測定
(A Measurement of the WZ Production Cross Section Using a Multivariate Analysis)
高エネルギー物理学研究室 山本 将士
（学籍番号M09SA037）
CDF（Collider Detector at Fermilab）実験は米国国立フェルミ研究所にある陽子
反陽子衝突型加速器 Tevatronを用いた重心系エネルギー196TeVにおける陽子反
陽子衝突による素粒子実験である加速された陽子反陽子は CDF検出器の中心部で
正面衝突しその際に生成される多数の粒子のエネルギー等の情報はCDF検出器に
よって記録される
電磁相互作用と弱い相互作用を統合した電弱相互作用は素粒子物理学の標準モデ
ルを構成しており非可換ゲージ群 SU(2)timesU(1)により記述されているこの理論によ
ると弱い相互作用を媒介するゲージボソン Wと Z同士が直接相互作用することが予想
されているこの WWZ ゲージ結合の存在を確認することは標準モデルの検証として
重要であるまた標準モデルにおいて唯一未発見の全ての粒子に質量を与える役割
を担っているヒッグス粒子の探索で WZ 生成は主要なバックグラウンドの一つになって
おりその理解は不可欠となっているこれらのことからこの研究ではWZ 生成に
ついて基本的な物理量である生成断面積の測定を試みる
WZ 生成のシグナルはW と Z ボソンのレプトン崩壊モードから生じ終状態に 3 個の
荷電レプトンを含む解析ではそのうちの同符号の 2 レプトンが検出された場合を
シグナルとするWZ 生成断面積を求めるにあたってはベイズ統計を用い生成断面
積を変数とする尤度関数を定義するこの尤度関数はある物理量の分布を表すヒス
トグラムの各チャンネル（ビン）に対してポアソン分布を基本とした尤度を定義し
それらの全チャンネルにわたる積で構成される尤度関数を構成する分布として
Boosted Decision Trees(BDT)と呼ばれる多変量解析の出力を採用するBDT は検出
器で得られる多数の情報を同時に用い信号とバックグラウンドの選別が最も有効に
なるような「信号らしさ」を定義数値化する手法の一つである信号とバックグラウ
ンドの選別に優れた分布を直接用いることで生成断面積測定の精度がより高いもの
になると期待される
結果はWZ 生成断面積の値は 標準モデルと矛盾しないことまたその精度は BDT
を用いなかった場合と比べ向上することが確認できた
e-mail shojiocupc1heposaka-cuacjp
4
ボイド宇宙における構造形成
(Structure formation in Void Universe)
素粒子論研究室 西川隆介
（学籍番号M09SA019）
現代の科学的宇宙論の中で最も成功を収めている標準宇宙モデルは「我々は
特別な場所にいない」というコペルニクス原理を仮定している近年超新星
の距離-赤方偏移関係の観測から宇宙は加速膨張しており宇宙のエネルギーの
大半は正体不明のダークエネルギーが占めていることがわかったしかしコ
ペルニクス原理の仮定を外せばダークエネルギーを導入せずに観測を説明でき
る可能性はありボイド宇宙モデルはその候補として盛んに研究されている[1]
「我々はボイドという物質密度の低い領域の中心付近にいる」と仮定するボ
イド宇宙モデルは超新星の距離-赤方偏移観測や宇宙背景輻射温度ゆらぎのパ
ワースペクトルを説明することができる[2]しかし銀河銀河団などの大規
模構造の形成に関する観測を用いた検証はまだ行われていない
そこで本研究ではボイド宇宙における大規模構造の形成について調べた
構造形成は相対論的摂動論を用いて解析することができるが球対称時空であ
るボイド宇宙は対称性が低いため摂動の扱いが困難であるこの問題に対して
ボイド宇宙を近似的に一様等方時空と球対称摂動に分解する方法を選んだこ
の方法ではボイド宇宙における線形摂動方程式は一様等方宇宙における 2次摂
動方程式に帰着し解析的に解くことができる[3]求めた解から構造形成の成
長率を求めボイド宇宙モデルと標準宇宙モデルの構造形成の違いを明らかに
したまた銀河サーベイの観測から得られる成長率[4]と比較しボイド宇宙
モデルは構造形成の観測と整合的でないという示唆を得た
e-mail ryusukesciosaka-cuacjp
参考文献
1 K Tomita Mon Not R Astron Soc 326 (2001) 287 2 C Clarkson T Clifton and S February JCAP 0906 (2009) 025 3 K Tomita Prog Theor Phys 37 (1967) 831 4 L Guzzo et al Nature 451 (2008) 541
5
(2+1)(2+1)(2+1)(2+1)次元時空次元時空次元時空次元時空のののの回転対称回転対称回転対称回転対称 nullnullnullnull shellshellshellshell によるによるによるによる粒子生成粒子生成粒子生成粒子生成
(Particle creation by the collapse of a rotationally symmetric null shell in
(2+1)-dimensional spacetime)
素粒子論研究室 速水真裕
（学籍番号M09SA022）
重力を含む統一理論として有力な超弦理論は高次元時空の存在を予言して
いるこの超弦理論に触発され考案されたブレイン宇宙シナリオは001mm 以
下の距離での重力相互作用が高次元の古典重力理論で記述される可能性を示唆
しており現在高次元時空の古典重力理論に基づいた研究が活発に行われて
いる
ところで２つのブラックホール（BH）の散乱過程を考えたときに接近した 2
つの BH の間の領域は高い曲率を持つ数値相対論に基づいた研究によると四
次元時空ではこの領域の曲率半径がプランク長に達するより前にこの領域は
ホライズンに囲まれるためその外側にいる我々はプランク長未満の曲率半
径を持つ領域を観測することができないしかし高次元時空ではホライズ
ンに隠されること無くこのような高曲率の特異領域が現れる場合があることが
最近の研究により明らかになったこのような領域では古典重力理論は破綻
していると思われるしかし量子重力理論はまだ完成されていないため本
論文では曲がった時空の場の量子論[1]に基づいた解析によってこの特異領域
から発せられるシグナルに関する示唆を得ることを目指す
このような特異領域はおよそ円筒状になっていると考えられるので簡単の
ために軸の方向に十分長く一様だと仮定し軸に垂直な二次元空間の自由度の
みを考えることにするそこで回転対称性を持ち厳密に計算可能な null dust
shell の崩壊を考え裸の特異点形成による粒子生成を調べた(2+1)次元 dust
の崩壊による粒子生成の研究は幾何光学近似を用いて既になされておりその
近似が正しければ粒子生成は起こらないという結論が得られている[2]本論文
ではnull dust shell の崩壊する時空における実スカラー場のモード関数を
構成することによって量子論的粒子生成の有無を調べるための定式化を行った
e-mail hayamizusciosaka-cuacjp
参考文献
1 ND BIRRELL and PCW DAVIES ldquoQuantum fields in curved spacerdquo
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS
2 S GUTTI and TP SINGH Phys Rev D 76064026 (2007)
6
5次元ミンコフスキー時空における定常なストリング(Stationary strings in five-dimentional Minkowski spacetime)
宇宙物理（重力）研究室 西脇圭亮
（学籍番号M09SA021）
南部‐後藤ストリングとは線密度と張力が同じ値をとる１次元のひも状の物
体である１次元のひも状の物体の軌跡は２次元面になりこれを世界面と呼ぶ
一般に南部‐後藤ストリングの運動方程式は偏微分方程式になるが世界面に
背景時空のKillingベクトルと呼ばれる時空の対称性を表すベクトルが接して
いるような南部‐後藤ストリングの運動はKillingベクトルの方向を低減した
軌道空間の中での点粒子の測地線方程式に帰着させることができるここで
世界面に時間的Killingベクトルが接しているストリングを定常なストリング
と呼ぶ
４次元Minkowski時空において閉じたストリングには光速で動く尖点が出現
し定常な閉じたストリングは存在しないことが知られている一方宇宙は４
次元以上の高次元である可能性が考えられているそこで本論では５次元
Minkowski時空において時間推進のKillingベクトルpartｔと空間回転の
Killingベクトルpartφpartψの線形結合ξ＝partｔ＋αpartφ＋βpartψ がストリングの
世界面に接しているとして南部‐後藤ストリングの厳密な古典解を求めるこ
とを試みたKillingベクトルとしてβ＝０を選んだ場合には微分方程式を変
数分離することができその解の中に定常で閉じたストリングの厳密解を見出
した
e-mail nisiwakisciosaka-cuacjp
参考文献
1 AVilenkin and EPS Shellard ldquoCosmic Strings and Other Topological Defectsrdquo Cambridge university press2 TIgata and HIshihara PhysRevD810440242010
3 TIgata and HIshihara PhysRevD820440142010
4 KOgawa HIshihara HKozaki H Nakano SSaito PhysRevD780235252008
7
シュワルツシルトブラックホールまわりの球対称連続光源の見え方(Optical appearance of spherically symmetric continuous light source
surrounding a Schwarzschild black hole)
宇宙物理重力研究室 高田 真聡
（学籍番号M09SA015）
Einstein方程式の厳密解であるブラックホールはある領域より内側からは光すら
抜け出す事が出来ないという時空であるブラックホールは当初理論上の産物に
過ぎなかったが最近では宇宙に数多く存在すると考えられるようになってきた
ブラックホールそのものからはいかなる情報も出てこないので直接観測することは
できないが周囲に取り巻いている物質を調べる事で間接的には観測可能である
本修士論文はSchwarzschildブラックホールの周囲で球対称に分布する光源からの
光が観測者のスクリーン上にどう映るかを
１光源は光学的に薄い２球対称で一様な分布３発光は等方的
という仮定の下で考察した
光源の存在する領域を光が通過した空間距離が長い程観測者に到達する光子の数は
増えるためスクリーン上における明るさは増すSchwarzshild時空には光の不安定円
軌道が存在する光の軌道はインパクトパラメータで特徴付けられるがこれはスクリ
ーン上における中心からの距離に対応するインパクトパラメータが光の不安定円軌道
に対応する値 (Lo とする）に近いとき光は長い時間円軌道に留まるこのためス
クリーン上で Lo に対応する半径の円の上に到達する光子密度は発散する
この発散の度合いを光の測地線を積分することによって解析的に評価した
e-mail takadasciosaka-cuacjp
参考文献
1 William L Ames and Kip S Thorne ldquoThe optical appearance of a star that is collapsing trough its gravitational radiusrdquo The Astrophysical Journal Vol 151 pp 659-668 (February 1968)
2 Eric Poisson ldquoAn advanced course in general relativity rdquo Department of Physics University of Guelph pp 23-46 (January 2002)
8
N=2 超対称 U(1)ゲージ理論におけるケーラー項へのループ補正
(Loop correction to Kaumlhler term in N=2 supersymmetric U(1) gauge theory)
数理物理研究室 出口翔
（学籍番号M09SA017）
場の理論における困難の一つは摂動計算におけるループ振幅の発散である
このときくりこみの方法を用いてそれらの発散量から結合定数のスケール依
存性を知ることができるが理論に超対称性（ボゾンとフェルミオン間の回転対
称性を与えるもの）を導入することでそれらの発散量の一部に自然な相殺を起
こさせ発散量の数が少ない理論を構成できる
N=2 超対称 U(1)ゲージ模型はプリポテンシャルと呼ばれる任意の正則関数に
よって特徴づけられ例えばプリポテンシャルが２次までの正則関数の場合理論
はくりこみ可能なクラスに属するが一般にはくりこみ不可能であるように見え
るしかし N=2 超対称な模型に適用される非くりこみ定理より有効作用は１ル
ープオーダーまでしか補正を受けないことが示されている[1]同様のことを
N=1 の形式で見るとゲージ運動項とスーパーポテンシャル項に関してはN=1 の
非くりこみ定理よりループ補正が存在しないしかしケーラー項に関しては一
般にループ補正がオールオーダーで存在しN=2 超対称性に由来するループ補
正の相殺が特別に生じているはずである
本研究ではN=2 超対称 U(1)ゲージ模型における有効作用の一部ケーラー項へ
のループ補正の相殺の様子を N=1 の形式で解析した[23]
この解析は N =2 超対称性が部分的且つ自発的に破れる模型[45]に於いても
大きな役割を果たすと思われる
e-mail deguchisciosaka-cuacjp
参考文献
1 PS Howe KS Stelle and PC West Phys Lett 124B (1983) 55
2 SG Nibbelink and TS Nyawelo JHEP 01 (2006) 034
3 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
4 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Prog Theor Phys 113 (2005) 429
5 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Nucl Phys B723 (2005) 33
9
直積ゲージ群における N=2 超対称性の自発的破れ
(Spontaneous Breaking of N=2 Supersymmetry in the case of Product Gauge Group)
数理物理研究室 松田元一
（学籍番号M09SA029）
超対称性とはボゾンとフェルミオンを互いに変換する下での対称性のこと
である超対称性をもつ理論では電磁気力と弱い力強い力の３つのゲージ結
合定数の一致するエネルギースケールが存在するためゲージ場理論を統一す
るために超対称性が重要な役割を果たすと考えられている超対称粒子は観測
されていないことから少なくとも標準模型のエネルギースケールにおいて超
対称性は破れ超対称粒子は既知の粒子に対し重い質量をもたなければいけな
いこれを実現するためにわれわれの観測する visible sector と観測の及ば
ないhidden sectorの２つの領域がありまずhidden sectorで超対称性が破れ
それが visible sector に伝わると考えることでvisible sector の超対称性を破る
枠組みがある[1]
本研究では藤原糸山阪口による N=2 超対称性が自発的に破れるゲージ
理論[234]を用い直積群 U(N1) x U(N2)を visible sector と hidden sector の
ゲージ群としたとき超対称性がどのように破れるか調べたまた超対称性が
破れた真空における粒子の質量の解析をした
e-mail matsudasciosaka-cuacjp
参考文献
1 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
2 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi ProgTheorPhys 113 (2005) 429
3 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 723 (2005) 33
4 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 740 (2006) 58
10
AdSCFT対応の検証 ～Heun方程式と佐々木-Einstein多様体～(Test of AdSCFT correspondence)
数理物理研究室 姫島智樹
（学籍番号M09SA023）
超弦理論は一般相対性理論と量子力学を矛盾なく融合させる理論の候補の一
つとして期待されているそして超弦理論の低エネルギー極限では超重力理論
によって近似できることが知られているこの理論について1997年に
MaldacenaによってAdSCFT対応が提唱されたそれはAdS 5times S5を背景時空と
する超重力理論は共形不変性を持つゲージ理論と等価であるという予想である
この対応関係を使うと一方の理論で計算することが難しい量が対応する他方
の理論での量を計算することで間接的に求めることができるしかし現時点で
この対応関係は証明されておらず具体的な計算からさまざまな量の対応を調
べて予想の正当性を確かめている状況であるそして今回はその一部を数値計
算ソフトmathematicaを用いて計算してみた
タイプⅡB型超重力理論でD3ブレーン解を求めるときに出てくるSasaki-
Einstein計量からScalar Laplacianを作りそのエネルギー固有値を求めるこ
とを考えるすると計算の過程で2階微分方程式のHeun方程式が出てくる
Heun 方程式は4つの確定特異点を持つFuchs型微分方程式でガウスの超幾何微
分方程式を拡張したものだが一般に解析的には解けない
そこで数値計算ソフトを使って2つの方向から漸近解を求めることを考える
一つはHeun方程式をさらに変形させることで出てくる3項間漸化式から導かれ
る無限階連分数を適当な階数で切りそれについて値を求めるもう一つの方法
としてHeun方程式にWKB解析を適用させることで得られる条件式から値を求
める2つの方法の性質によりそれぞれ良い近似を得られる範囲が異なり2つを
相補的に使ってエネルギー固有値を求めることができるそしてゲージ理論で
粒子のBPS状態や励起状態のR電荷にこの値を対応させることが期待できる
e-mail himejimasciosaka-cuacjp
参考文献
1 HKihara MSakaguchi YYasui Scalar Laplacian on Sasaki-Einstein Manifold Y^(pq) PhysLett B621(2005) 288-2942柴田正和 漸近級数と特異摂動法 森北出版(2009)
11
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
ボイド宇宙における構造形成
(Structure formation in Void Universe)
素粒子論研究室 西川隆介
（学籍番号M09SA019）
現代の科学的宇宙論の中で最も成功を収めている標準宇宙モデルは「我々は
特別な場所にいない」というコペルニクス原理を仮定している近年超新星
の距離-赤方偏移関係の観測から宇宙は加速膨張しており宇宙のエネルギーの
大半は正体不明のダークエネルギーが占めていることがわかったしかしコ
ペルニクス原理の仮定を外せばダークエネルギーを導入せずに観測を説明でき
る可能性はありボイド宇宙モデルはその候補として盛んに研究されている[1]
「我々はボイドという物質密度の低い領域の中心付近にいる」と仮定するボ
イド宇宙モデルは超新星の距離-赤方偏移観測や宇宙背景輻射温度ゆらぎのパ
ワースペクトルを説明することができる[2]しかし銀河銀河団などの大規
模構造の形成に関する観測を用いた検証はまだ行われていない
そこで本研究ではボイド宇宙における大規模構造の形成について調べた
構造形成は相対論的摂動論を用いて解析することができるが球対称時空であ
るボイド宇宙は対称性が低いため摂動の扱いが困難であるこの問題に対して
ボイド宇宙を近似的に一様等方時空と球対称摂動に分解する方法を選んだこ
の方法ではボイド宇宙における線形摂動方程式は一様等方宇宙における 2次摂
動方程式に帰着し解析的に解くことができる[3]求めた解から構造形成の成
長率を求めボイド宇宙モデルと標準宇宙モデルの構造形成の違いを明らかに
したまた銀河サーベイの観測から得られる成長率[4]と比較しボイド宇宙
モデルは構造形成の観測と整合的でないという示唆を得た
e-mail ryusukesciosaka-cuacjp
参考文献
1 K Tomita Mon Not R Astron Soc 326 (2001) 287 2 C Clarkson T Clifton and S February JCAP 0906 (2009) 025 3 K Tomita Prog Theor Phys 37 (1967) 831 4 L Guzzo et al Nature 451 (2008) 541
5
(2+1)(2+1)(2+1)(2+1)次元時空次元時空次元時空次元時空のののの回転対称回転対称回転対称回転対称 nullnullnullnull shellshellshellshell によるによるによるによる粒子生成粒子生成粒子生成粒子生成
(Particle creation by the collapse of a rotationally symmetric null shell in
(2+1)-dimensional spacetime)
素粒子論研究室 速水真裕
（学籍番号M09SA022）
重力を含む統一理論として有力な超弦理論は高次元時空の存在を予言して
いるこの超弦理論に触発され考案されたブレイン宇宙シナリオは001mm 以
下の距離での重力相互作用が高次元の古典重力理論で記述される可能性を示唆
しており現在高次元時空の古典重力理論に基づいた研究が活発に行われて
いる
ところで２つのブラックホール（BH）の散乱過程を考えたときに接近した 2
つの BH の間の領域は高い曲率を持つ数値相対論に基づいた研究によると四
次元時空ではこの領域の曲率半径がプランク長に達するより前にこの領域は
ホライズンに囲まれるためその外側にいる我々はプランク長未満の曲率半
径を持つ領域を観測することができないしかし高次元時空ではホライズ
ンに隠されること無くこのような高曲率の特異領域が現れる場合があることが
最近の研究により明らかになったこのような領域では古典重力理論は破綻
していると思われるしかし量子重力理論はまだ完成されていないため本
論文では曲がった時空の場の量子論[1]に基づいた解析によってこの特異領域
から発せられるシグナルに関する示唆を得ることを目指す
このような特異領域はおよそ円筒状になっていると考えられるので簡単の
ために軸の方向に十分長く一様だと仮定し軸に垂直な二次元空間の自由度の
みを考えることにするそこで回転対称性を持ち厳密に計算可能な null dust
shell の崩壊を考え裸の特異点形成による粒子生成を調べた(2+1)次元 dust
の崩壊による粒子生成の研究は幾何光学近似を用いて既になされておりその
近似が正しければ粒子生成は起こらないという結論が得られている[2]本論文
ではnull dust shell の崩壊する時空における実スカラー場のモード関数を
構成することによって量子論的粒子生成の有無を調べるための定式化を行った
e-mail hayamizusciosaka-cuacjp
参考文献
1 ND BIRRELL and PCW DAVIES ldquoQuantum fields in curved spacerdquo
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS
2 S GUTTI and TP SINGH Phys Rev D 76064026 (2007)
6
5次元ミンコフスキー時空における定常なストリング(Stationary strings in five-dimentional Minkowski spacetime)
宇宙物理（重力）研究室 西脇圭亮
（学籍番号M09SA021）
南部‐後藤ストリングとは線密度と張力が同じ値をとる１次元のひも状の物
体である１次元のひも状の物体の軌跡は２次元面になりこれを世界面と呼ぶ
一般に南部‐後藤ストリングの運動方程式は偏微分方程式になるが世界面に
背景時空のKillingベクトルと呼ばれる時空の対称性を表すベクトルが接して
いるような南部‐後藤ストリングの運動はKillingベクトルの方向を低減した
軌道空間の中での点粒子の測地線方程式に帰着させることができるここで
世界面に時間的Killingベクトルが接しているストリングを定常なストリング
と呼ぶ
４次元Minkowski時空において閉じたストリングには光速で動く尖点が出現
し定常な閉じたストリングは存在しないことが知られている一方宇宙は４
次元以上の高次元である可能性が考えられているそこで本論では５次元
Minkowski時空において時間推進のKillingベクトルpartｔと空間回転の
Killingベクトルpartφpartψの線形結合ξ＝partｔ＋αpartφ＋βpartψ がストリングの
世界面に接しているとして南部‐後藤ストリングの厳密な古典解を求めるこ
とを試みたKillingベクトルとしてβ＝０を選んだ場合には微分方程式を変
数分離することができその解の中に定常で閉じたストリングの厳密解を見出
した
e-mail nisiwakisciosaka-cuacjp
参考文献
1 AVilenkin and EPS Shellard ldquoCosmic Strings and Other Topological Defectsrdquo Cambridge university press2 TIgata and HIshihara PhysRevD810440242010
3 TIgata and HIshihara PhysRevD820440142010
4 KOgawa HIshihara HKozaki H Nakano SSaito PhysRevD780235252008
7
シュワルツシルトブラックホールまわりの球対称連続光源の見え方(Optical appearance of spherically symmetric continuous light source
surrounding a Schwarzschild black hole)
宇宙物理重力研究室 高田 真聡
（学籍番号M09SA015）
Einstein方程式の厳密解であるブラックホールはある領域より内側からは光すら
抜け出す事が出来ないという時空であるブラックホールは当初理論上の産物に
過ぎなかったが最近では宇宙に数多く存在すると考えられるようになってきた
ブラックホールそのものからはいかなる情報も出てこないので直接観測することは
できないが周囲に取り巻いている物質を調べる事で間接的には観測可能である
本修士論文はSchwarzschildブラックホールの周囲で球対称に分布する光源からの
光が観測者のスクリーン上にどう映るかを
１光源は光学的に薄い２球対称で一様な分布３発光は等方的
という仮定の下で考察した
光源の存在する領域を光が通過した空間距離が長い程観測者に到達する光子の数は
増えるためスクリーン上における明るさは増すSchwarzshild時空には光の不安定円
軌道が存在する光の軌道はインパクトパラメータで特徴付けられるがこれはスクリ
ーン上における中心からの距離に対応するインパクトパラメータが光の不安定円軌道
に対応する値 (Lo とする）に近いとき光は長い時間円軌道に留まるこのためス
クリーン上で Lo に対応する半径の円の上に到達する光子密度は発散する
この発散の度合いを光の測地線を積分することによって解析的に評価した
e-mail takadasciosaka-cuacjp
参考文献
1 William L Ames and Kip S Thorne ldquoThe optical appearance of a star that is collapsing trough its gravitational radiusrdquo The Astrophysical Journal Vol 151 pp 659-668 (February 1968)
2 Eric Poisson ldquoAn advanced course in general relativity rdquo Department of Physics University of Guelph pp 23-46 (January 2002)
8
N=2 超対称 U(1)ゲージ理論におけるケーラー項へのループ補正
(Loop correction to Kaumlhler term in N=2 supersymmetric U(1) gauge theory)
数理物理研究室 出口翔
（学籍番号M09SA017）
場の理論における困難の一つは摂動計算におけるループ振幅の発散である
このときくりこみの方法を用いてそれらの発散量から結合定数のスケール依
存性を知ることができるが理論に超対称性（ボゾンとフェルミオン間の回転対
称性を与えるもの）を導入することでそれらの発散量の一部に自然な相殺を起
こさせ発散量の数が少ない理論を構成できる
N=2 超対称 U(1)ゲージ模型はプリポテンシャルと呼ばれる任意の正則関数に
よって特徴づけられ例えばプリポテンシャルが２次までの正則関数の場合理論
はくりこみ可能なクラスに属するが一般にはくりこみ不可能であるように見え
るしかし N=2 超対称な模型に適用される非くりこみ定理より有効作用は１ル
ープオーダーまでしか補正を受けないことが示されている[1]同様のことを
N=1 の形式で見るとゲージ運動項とスーパーポテンシャル項に関してはN=1 の
非くりこみ定理よりループ補正が存在しないしかしケーラー項に関しては一
般にループ補正がオールオーダーで存在しN=2 超対称性に由来するループ補
正の相殺が特別に生じているはずである
本研究ではN=2 超対称 U(1)ゲージ模型における有効作用の一部ケーラー項へ
のループ補正の相殺の様子を N=1 の形式で解析した[23]
この解析は N =2 超対称性が部分的且つ自発的に破れる模型[45]に於いても
大きな役割を果たすと思われる
e-mail deguchisciosaka-cuacjp
参考文献
1 PS Howe KS Stelle and PC West Phys Lett 124B (1983) 55
2 SG Nibbelink and TS Nyawelo JHEP 01 (2006) 034
3 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
4 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Prog Theor Phys 113 (2005) 429
5 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Nucl Phys B723 (2005) 33
9
直積ゲージ群における N=2 超対称性の自発的破れ
(Spontaneous Breaking of N=2 Supersymmetry in the case of Product Gauge Group)
数理物理研究室 松田元一
（学籍番号M09SA029）
超対称性とはボゾンとフェルミオンを互いに変換する下での対称性のこと
である超対称性をもつ理論では電磁気力と弱い力強い力の３つのゲージ結
合定数の一致するエネルギースケールが存在するためゲージ場理論を統一す
るために超対称性が重要な役割を果たすと考えられている超対称粒子は観測
されていないことから少なくとも標準模型のエネルギースケールにおいて超
対称性は破れ超対称粒子は既知の粒子に対し重い質量をもたなければいけな
いこれを実現するためにわれわれの観測する visible sector と観測の及ば
ないhidden sectorの２つの領域がありまずhidden sectorで超対称性が破れ
それが visible sector に伝わると考えることでvisible sector の超対称性を破る
枠組みがある[1]
本研究では藤原糸山阪口による N=2 超対称性が自発的に破れるゲージ
理論[234]を用い直積群 U(N1) x U(N2)を visible sector と hidden sector の
ゲージ群としたとき超対称性がどのように破れるか調べたまた超対称性が
破れた真空における粒子の質量の解析をした
e-mail matsudasciosaka-cuacjp
参考文献
1 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
2 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi ProgTheorPhys 113 (2005) 429
3 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 723 (2005) 33
4 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 740 (2006) 58
10
AdSCFT対応の検証 ～Heun方程式と佐々木-Einstein多様体～(Test of AdSCFT correspondence)
数理物理研究室 姫島智樹
（学籍番号M09SA023）
超弦理論は一般相対性理論と量子力学を矛盾なく融合させる理論の候補の一
つとして期待されているそして超弦理論の低エネルギー極限では超重力理論
によって近似できることが知られているこの理論について1997年に
MaldacenaによってAdSCFT対応が提唱されたそれはAdS 5times S5を背景時空と
する超重力理論は共形不変性を持つゲージ理論と等価であるという予想である
この対応関係を使うと一方の理論で計算することが難しい量が対応する他方
の理論での量を計算することで間接的に求めることができるしかし現時点で
この対応関係は証明されておらず具体的な計算からさまざまな量の対応を調
べて予想の正当性を確かめている状況であるそして今回はその一部を数値計
算ソフトmathematicaを用いて計算してみた
タイプⅡB型超重力理論でD3ブレーン解を求めるときに出てくるSasaki-
Einstein計量からScalar Laplacianを作りそのエネルギー固有値を求めるこ
とを考えるすると計算の過程で2階微分方程式のHeun方程式が出てくる
Heun 方程式は4つの確定特異点を持つFuchs型微分方程式でガウスの超幾何微
分方程式を拡張したものだが一般に解析的には解けない
そこで数値計算ソフトを使って2つの方向から漸近解を求めることを考える
一つはHeun方程式をさらに変形させることで出てくる3項間漸化式から導かれ
る無限階連分数を適当な階数で切りそれについて値を求めるもう一つの方法
としてHeun方程式にWKB解析を適用させることで得られる条件式から値を求
める2つの方法の性質によりそれぞれ良い近似を得られる範囲が異なり2つを
相補的に使ってエネルギー固有値を求めることができるそしてゲージ理論で
粒子のBPS状態や励起状態のR電荷にこの値を対応させることが期待できる
e-mail himejimasciosaka-cuacjp
参考文献
1 HKihara MSakaguchi YYasui Scalar Laplacian on Sasaki-Einstein Manifold Y^(pq) PhysLett B621(2005) 288-2942柴田正和 漸近級数と特異摂動法 森北出版(2009)
11
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
(2+1)(2+1)(2+1)(2+1)次元時空次元時空次元時空次元時空のののの回転対称回転対称回転対称回転対称 nullnullnullnull shellshellshellshell によるによるによるによる粒子生成粒子生成粒子生成粒子生成
(Particle creation by the collapse of a rotationally symmetric null shell in
(2+1)-dimensional spacetime)
素粒子論研究室 速水真裕
（学籍番号M09SA022）
重力を含む統一理論として有力な超弦理論は高次元時空の存在を予言して
いるこの超弦理論に触発され考案されたブレイン宇宙シナリオは001mm 以
下の距離での重力相互作用が高次元の古典重力理論で記述される可能性を示唆
しており現在高次元時空の古典重力理論に基づいた研究が活発に行われて
いる
ところで２つのブラックホール（BH）の散乱過程を考えたときに接近した 2
つの BH の間の領域は高い曲率を持つ数値相対論に基づいた研究によると四
次元時空ではこの領域の曲率半径がプランク長に達するより前にこの領域は
ホライズンに囲まれるためその外側にいる我々はプランク長未満の曲率半
径を持つ領域を観測することができないしかし高次元時空ではホライズ
ンに隠されること無くこのような高曲率の特異領域が現れる場合があることが
最近の研究により明らかになったこのような領域では古典重力理論は破綻
していると思われるしかし量子重力理論はまだ完成されていないため本
論文では曲がった時空の場の量子論[1]に基づいた解析によってこの特異領域
から発せられるシグナルに関する示唆を得ることを目指す
このような特異領域はおよそ円筒状になっていると考えられるので簡単の
ために軸の方向に十分長く一様だと仮定し軸に垂直な二次元空間の自由度の
みを考えることにするそこで回転対称性を持ち厳密に計算可能な null dust
shell の崩壊を考え裸の特異点形成による粒子生成を調べた(2+1)次元 dust
の崩壊による粒子生成の研究は幾何光学近似を用いて既になされておりその
近似が正しければ粒子生成は起こらないという結論が得られている[2]本論文
ではnull dust shell の崩壊する時空における実スカラー場のモード関数を
構成することによって量子論的粒子生成の有無を調べるための定式化を行った
e-mail hayamizusciosaka-cuacjp
参考文献
1 ND BIRRELL and PCW DAVIES ldquoQuantum fields in curved spacerdquo
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS
2 S GUTTI and TP SINGH Phys Rev D 76064026 (2007)
6
5次元ミンコフスキー時空における定常なストリング(Stationary strings in five-dimentional Minkowski spacetime)
宇宙物理（重力）研究室 西脇圭亮
（学籍番号M09SA021）
南部‐後藤ストリングとは線密度と張力が同じ値をとる１次元のひも状の物
体である１次元のひも状の物体の軌跡は２次元面になりこれを世界面と呼ぶ
一般に南部‐後藤ストリングの運動方程式は偏微分方程式になるが世界面に
背景時空のKillingベクトルと呼ばれる時空の対称性を表すベクトルが接して
いるような南部‐後藤ストリングの運動はKillingベクトルの方向を低減した
軌道空間の中での点粒子の測地線方程式に帰着させることができるここで
世界面に時間的Killingベクトルが接しているストリングを定常なストリング
と呼ぶ
４次元Minkowski時空において閉じたストリングには光速で動く尖点が出現
し定常な閉じたストリングは存在しないことが知られている一方宇宙は４
次元以上の高次元である可能性が考えられているそこで本論では５次元
Minkowski時空において時間推進のKillingベクトルpartｔと空間回転の
Killingベクトルpartφpartψの線形結合ξ＝partｔ＋αpartφ＋βpartψ がストリングの
世界面に接しているとして南部‐後藤ストリングの厳密な古典解を求めるこ
とを試みたKillingベクトルとしてβ＝０を選んだ場合には微分方程式を変
数分離することができその解の中に定常で閉じたストリングの厳密解を見出
した
e-mail nisiwakisciosaka-cuacjp
参考文献
1 AVilenkin and EPS Shellard ldquoCosmic Strings and Other Topological Defectsrdquo Cambridge university press2 TIgata and HIshihara PhysRevD810440242010
3 TIgata and HIshihara PhysRevD820440142010
4 KOgawa HIshihara HKozaki H Nakano SSaito PhysRevD780235252008
7
シュワルツシルトブラックホールまわりの球対称連続光源の見え方(Optical appearance of spherically symmetric continuous light source
surrounding a Schwarzschild black hole)
宇宙物理重力研究室 高田 真聡
（学籍番号M09SA015）
Einstein方程式の厳密解であるブラックホールはある領域より内側からは光すら
抜け出す事が出来ないという時空であるブラックホールは当初理論上の産物に
過ぎなかったが最近では宇宙に数多く存在すると考えられるようになってきた
ブラックホールそのものからはいかなる情報も出てこないので直接観測することは
できないが周囲に取り巻いている物質を調べる事で間接的には観測可能である
本修士論文はSchwarzschildブラックホールの周囲で球対称に分布する光源からの
光が観測者のスクリーン上にどう映るかを
１光源は光学的に薄い２球対称で一様な分布３発光は等方的
という仮定の下で考察した
光源の存在する領域を光が通過した空間距離が長い程観測者に到達する光子の数は
増えるためスクリーン上における明るさは増すSchwarzshild時空には光の不安定円
軌道が存在する光の軌道はインパクトパラメータで特徴付けられるがこれはスクリ
ーン上における中心からの距離に対応するインパクトパラメータが光の不安定円軌道
に対応する値 (Lo とする）に近いとき光は長い時間円軌道に留まるこのためス
クリーン上で Lo に対応する半径の円の上に到達する光子密度は発散する
この発散の度合いを光の測地線を積分することによって解析的に評価した
e-mail takadasciosaka-cuacjp
参考文献
1 William L Ames and Kip S Thorne ldquoThe optical appearance of a star that is collapsing trough its gravitational radiusrdquo The Astrophysical Journal Vol 151 pp 659-668 (February 1968)
2 Eric Poisson ldquoAn advanced course in general relativity rdquo Department of Physics University of Guelph pp 23-46 (January 2002)
8
N=2 超対称 U(1)ゲージ理論におけるケーラー項へのループ補正
(Loop correction to Kaumlhler term in N=2 supersymmetric U(1) gauge theory)
数理物理研究室 出口翔
（学籍番号M09SA017）
場の理論における困難の一つは摂動計算におけるループ振幅の発散である
このときくりこみの方法を用いてそれらの発散量から結合定数のスケール依
存性を知ることができるが理論に超対称性（ボゾンとフェルミオン間の回転対
称性を与えるもの）を導入することでそれらの発散量の一部に自然な相殺を起
こさせ発散量の数が少ない理論を構成できる
N=2 超対称 U(1)ゲージ模型はプリポテンシャルと呼ばれる任意の正則関数に
よって特徴づけられ例えばプリポテンシャルが２次までの正則関数の場合理論
はくりこみ可能なクラスに属するが一般にはくりこみ不可能であるように見え
るしかし N=2 超対称な模型に適用される非くりこみ定理より有効作用は１ル
ープオーダーまでしか補正を受けないことが示されている[1]同様のことを
N=1 の形式で見るとゲージ運動項とスーパーポテンシャル項に関してはN=1 の
非くりこみ定理よりループ補正が存在しないしかしケーラー項に関しては一
般にループ補正がオールオーダーで存在しN=2 超対称性に由来するループ補
正の相殺が特別に生じているはずである
本研究ではN=2 超対称 U(1)ゲージ模型における有効作用の一部ケーラー項へ
のループ補正の相殺の様子を N=1 の形式で解析した[23]
この解析は N =2 超対称性が部分的且つ自発的に破れる模型[45]に於いても
大きな役割を果たすと思われる
e-mail deguchisciosaka-cuacjp
参考文献
1 PS Howe KS Stelle and PC West Phys Lett 124B (1983) 55
2 SG Nibbelink and TS Nyawelo JHEP 01 (2006) 034
3 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
4 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Prog Theor Phys 113 (2005) 429
5 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Nucl Phys B723 (2005) 33
9
直積ゲージ群における N=2 超対称性の自発的破れ
(Spontaneous Breaking of N=2 Supersymmetry in the case of Product Gauge Group)
数理物理研究室 松田元一
（学籍番号M09SA029）
超対称性とはボゾンとフェルミオンを互いに変換する下での対称性のこと
である超対称性をもつ理論では電磁気力と弱い力強い力の３つのゲージ結
合定数の一致するエネルギースケールが存在するためゲージ場理論を統一す
るために超対称性が重要な役割を果たすと考えられている超対称粒子は観測
されていないことから少なくとも標準模型のエネルギースケールにおいて超
対称性は破れ超対称粒子は既知の粒子に対し重い質量をもたなければいけな
いこれを実現するためにわれわれの観測する visible sector と観測の及ば
ないhidden sectorの２つの領域がありまずhidden sectorで超対称性が破れ
それが visible sector に伝わると考えることでvisible sector の超対称性を破る
枠組みがある[1]
本研究では藤原糸山阪口による N=2 超対称性が自発的に破れるゲージ
理論[234]を用い直積群 U(N1) x U(N2)を visible sector と hidden sector の
ゲージ群としたとき超対称性がどのように破れるか調べたまた超対称性が
破れた真空における粒子の質量の解析をした
e-mail matsudasciosaka-cuacjp
参考文献
1 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
2 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi ProgTheorPhys 113 (2005) 429
3 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 723 (2005) 33
4 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 740 (2006) 58
10
AdSCFT対応の検証 ～Heun方程式と佐々木-Einstein多様体～(Test of AdSCFT correspondence)
数理物理研究室 姫島智樹
（学籍番号M09SA023）
超弦理論は一般相対性理論と量子力学を矛盾なく融合させる理論の候補の一
つとして期待されているそして超弦理論の低エネルギー極限では超重力理論
によって近似できることが知られているこの理論について1997年に
MaldacenaによってAdSCFT対応が提唱されたそれはAdS 5times S5を背景時空と
する超重力理論は共形不変性を持つゲージ理論と等価であるという予想である
この対応関係を使うと一方の理論で計算することが難しい量が対応する他方
の理論での量を計算することで間接的に求めることができるしかし現時点で
この対応関係は証明されておらず具体的な計算からさまざまな量の対応を調
べて予想の正当性を確かめている状況であるそして今回はその一部を数値計
算ソフトmathematicaを用いて計算してみた
タイプⅡB型超重力理論でD3ブレーン解を求めるときに出てくるSasaki-
Einstein計量からScalar Laplacianを作りそのエネルギー固有値を求めるこ
とを考えるすると計算の過程で2階微分方程式のHeun方程式が出てくる
Heun 方程式は4つの確定特異点を持つFuchs型微分方程式でガウスの超幾何微
分方程式を拡張したものだが一般に解析的には解けない
そこで数値計算ソフトを使って2つの方向から漸近解を求めることを考える
一つはHeun方程式をさらに変形させることで出てくる3項間漸化式から導かれ
る無限階連分数を適当な階数で切りそれについて値を求めるもう一つの方法
としてHeun方程式にWKB解析を適用させることで得られる条件式から値を求
める2つの方法の性質によりそれぞれ良い近似を得られる範囲が異なり2つを
相補的に使ってエネルギー固有値を求めることができるそしてゲージ理論で
粒子のBPS状態や励起状態のR電荷にこの値を対応させることが期待できる
e-mail himejimasciosaka-cuacjp
参考文献
1 HKihara MSakaguchi YYasui Scalar Laplacian on Sasaki-Einstein Manifold Y^(pq) PhysLett B621(2005) 288-2942柴田正和 漸近級数と特異摂動法 森北出版(2009)
11
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
5次元ミンコフスキー時空における定常なストリング(Stationary strings in five-dimentional Minkowski spacetime)
宇宙物理（重力）研究室 西脇圭亮
（学籍番号M09SA021）
南部‐後藤ストリングとは線密度と張力が同じ値をとる１次元のひも状の物
体である１次元のひも状の物体の軌跡は２次元面になりこれを世界面と呼ぶ
一般に南部‐後藤ストリングの運動方程式は偏微分方程式になるが世界面に
背景時空のKillingベクトルと呼ばれる時空の対称性を表すベクトルが接して
いるような南部‐後藤ストリングの運動はKillingベクトルの方向を低減した
軌道空間の中での点粒子の測地線方程式に帰着させることができるここで
世界面に時間的Killingベクトルが接しているストリングを定常なストリング
と呼ぶ
４次元Minkowski時空において閉じたストリングには光速で動く尖点が出現
し定常な閉じたストリングは存在しないことが知られている一方宇宙は４
次元以上の高次元である可能性が考えられているそこで本論では５次元
Minkowski時空において時間推進のKillingベクトルpartｔと空間回転の
Killingベクトルpartφpartψの線形結合ξ＝partｔ＋αpartφ＋βpartψ がストリングの
世界面に接しているとして南部‐後藤ストリングの厳密な古典解を求めるこ
とを試みたKillingベクトルとしてβ＝０を選んだ場合には微分方程式を変
数分離することができその解の中に定常で閉じたストリングの厳密解を見出
した
e-mail nisiwakisciosaka-cuacjp
参考文献
1 AVilenkin and EPS Shellard ldquoCosmic Strings and Other Topological Defectsrdquo Cambridge university press2 TIgata and HIshihara PhysRevD810440242010
3 TIgata and HIshihara PhysRevD820440142010
4 KOgawa HIshihara HKozaki H Nakano SSaito PhysRevD780235252008
7
シュワルツシルトブラックホールまわりの球対称連続光源の見え方(Optical appearance of spherically symmetric continuous light source
surrounding a Schwarzschild black hole)
宇宙物理重力研究室 高田 真聡
（学籍番号M09SA015）
Einstein方程式の厳密解であるブラックホールはある領域より内側からは光すら
抜け出す事が出来ないという時空であるブラックホールは当初理論上の産物に
過ぎなかったが最近では宇宙に数多く存在すると考えられるようになってきた
ブラックホールそのものからはいかなる情報も出てこないので直接観測することは
できないが周囲に取り巻いている物質を調べる事で間接的には観測可能である
本修士論文はSchwarzschildブラックホールの周囲で球対称に分布する光源からの
光が観測者のスクリーン上にどう映るかを
１光源は光学的に薄い２球対称で一様な分布３発光は等方的
という仮定の下で考察した
光源の存在する領域を光が通過した空間距離が長い程観測者に到達する光子の数は
増えるためスクリーン上における明るさは増すSchwarzshild時空には光の不安定円
軌道が存在する光の軌道はインパクトパラメータで特徴付けられるがこれはスクリ
ーン上における中心からの距離に対応するインパクトパラメータが光の不安定円軌道
に対応する値 (Lo とする）に近いとき光は長い時間円軌道に留まるこのためス
クリーン上で Lo に対応する半径の円の上に到達する光子密度は発散する
この発散の度合いを光の測地線を積分することによって解析的に評価した
e-mail takadasciosaka-cuacjp
参考文献
1 William L Ames and Kip S Thorne ldquoThe optical appearance of a star that is collapsing trough its gravitational radiusrdquo The Astrophysical Journal Vol 151 pp 659-668 (February 1968)
2 Eric Poisson ldquoAn advanced course in general relativity rdquo Department of Physics University of Guelph pp 23-46 (January 2002)
8
N=2 超対称 U(1)ゲージ理論におけるケーラー項へのループ補正
(Loop correction to Kaumlhler term in N=2 supersymmetric U(1) gauge theory)
数理物理研究室 出口翔
（学籍番号M09SA017）
場の理論における困難の一つは摂動計算におけるループ振幅の発散である
このときくりこみの方法を用いてそれらの発散量から結合定数のスケール依
存性を知ることができるが理論に超対称性（ボゾンとフェルミオン間の回転対
称性を与えるもの）を導入することでそれらの発散量の一部に自然な相殺を起
こさせ発散量の数が少ない理論を構成できる
N=2 超対称 U(1)ゲージ模型はプリポテンシャルと呼ばれる任意の正則関数に
よって特徴づけられ例えばプリポテンシャルが２次までの正則関数の場合理論
はくりこみ可能なクラスに属するが一般にはくりこみ不可能であるように見え
るしかし N=2 超対称な模型に適用される非くりこみ定理より有効作用は１ル
ープオーダーまでしか補正を受けないことが示されている[1]同様のことを
N=1 の形式で見るとゲージ運動項とスーパーポテンシャル項に関してはN=1 の
非くりこみ定理よりループ補正が存在しないしかしケーラー項に関しては一
般にループ補正がオールオーダーで存在しN=2 超対称性に由来するループ補
正の相殺が特別に生じているはずである
本研究ではN=2 超対称 U(1)ゲージ模型における有効作用の一部ケーラー項へ
のループ補正の相殺の様子を N=1 の形式で解析した[23]
この解析は N =2 超対称性が部分的且つ自発的に破れる模型[45]に於いても
大きな役割を果たすと思われる
e-mail deguchisciosaka-cuacjp
参考文献
1 PS Howe KS Stelle and PC West Phys Lett 124B (1983) 55
2 SG Nibbelink and TS Nyawelo JHEP 01 (2006) 034
3 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
4 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Prog Theor Phys 113 (2005) 429
5 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Nucl Phys B723 (2005) 33
9
直積ゲージ群における N=2 超対称性の自発的破れ
(Spontaneous Breaking of N=2 Supersymmetry in the case of Product Gauge Group)
数理物理研究室 松田元一
（学籍番号M09SA029）
超対称性とはボゾンとフェルミオンを互いに変換する下での対称性のこと
である超対称性をもつ理論では電磁気力と弱い力強い力の３つのゲージ結
合定数の一致するエネルギースケールが存在するためゲージ場理論を統一す
るために超対称性が重要な役割を果たすと考えられている超対称粒子は観測
されていないことから少なくとも標準模型のエネルギースケールにおいて超
対称性は破れ超対称粒子は既知の粒子に対し重い質量をもたなければいけな
いこれを実現するためにわれわれの観測する visible sector と観測の及ば
ないhidden sectorの２つの領域がありまずhidden sectorで超対称性が破れ
それが visible sector に伝わると考えることでvisible sector の超対称性を破る
枠組みがある[1]
本研究では藤原糸山阪口による N=2 超対称性が自発的に破れるゲージ
理論[234]を用い直積群 U(N1) x U(N2)を visible sector と hidden sector の
ゲージ群としたとき超対称性がどのように破れるか調べたまた超対称性が
破れた真空における粒子の質量の解析をした
e-mail matsudasciosaka-cuacjp
参考文献
1 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
2 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi ProgTheorPhys 113 (2005) 429
3 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 723 (2005) 33
4 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 740 (2006) 58
10
AdSCFT対応の検証 ～Heun方程式と佐々木-Einstein多様体～(Test of AdSCFT correspondence)
数理物理研究室 姫島智樹
（学籍番号M09SA023）
超弦理論は一般相対性理論と量子力学を矛盾なく融合させる理論の候補の一
つとして期待されているそして超弦理論の低エネルギー極限では超重力理論
によって近似できることが知られているこの理論について1997年に
MaldacenaによってAdSCFT対応が提唱されたそれはAdS 5times S5を背景時空と
する超重力理論は共形不変性を持つゲージ理論と等価であるという予想である
この対応関係を使うと一方の理論で計算することが難しい量が対応する他方
の理論での量を計算することで間接的に求めることができるしかし現時点で
この対応関係は証明されておらず具体的な計算からさまざまな量の対応を調
べて予想の正当性を確かめている状況であるそして今回はその一部を数値計
算ソフトmathematicaを用いて計算してみた
タイプⅡB型超重力理論でD3ブレーン解を求めるときに出てくるSasaki-
Einstein計量からScalar Laplacianを作りそのエネルギー固有値を求めるこ
とを考えるすると計算の過程で2階微分方程式のHeun方程式が出てくる
Heun 方程式は4つの確定特異点を持つFuchs型微分方程式でガウスの超幾何微
分方程式を拡張したものだが一般に解析的には解けない
そこで数値計算ソフトを使って2つの方向から漸近解を求めることを考える
一つはHeun方程式をさらに変形させることで出てくる3項間漸化式から導かれ
る無限階連分数を適当な階数で切りそれについて値を求めるもう一つの方法
としてHeun方程式にWKB解析を適用させることで得られる条件式から値を求
める2つの方法の性質によりそれぞれ良い近似を得られる範囲が異なり2つを
相補的に使ってエネルギー固有値を求めることができるそしてゲージ理論で
粒子のBPS状態や励起状態のR電荷にこの値を対応させることが期待できる
e-mail himejimasciosaka-cuacjp
参考文献
1 HKihara MSakaguchi YYasui Scalar Laplacian on Sasaki-Einstein Manifold Y^(pq) PhysLett B621(2005) 288-2942柴田正和 漸近級数と特異摂動法 森北出版(2009)
11
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
シュワルツシルトブラックホールまわりの球対称連続光源の見え方(Optical appearance of spherically symmetric continuous light source
surrounding a Schwarzschild black hole)
宇宙物理重力研究室 高田 真聡
（学籍番号M09SA015）
Einstein方程式の厳密解であるブラックホールはある領域より内側からは光すら
抜け出す事が出来ないという時空であるブラックホールは当初理論上の産物に
過ぎなかったが最近では宇宙に数多く存在すると考えられるようになってきた
ブラックホールそのものからはいかなる情報も出てこないので直接観測することは
できないが周囲に取り巻いている物質を調べる事で間接的には観測可能である
本修士論文はSchwarzschildブラックホールの周囲で球対称に分布する光源からの
光が観測者のスクリーン上にどう映るかを
１光源は光学的に薄い２球対称で一様な分布３発光は等方的
という仮定の下で考察した
光源の存在する領域を光が通過した空間距離が長い程観測者に到達する光子の数は
増えるためスクリーン上における明るさは増すSchwarzshild時空には光の不安定円
軌道が存在する光の軌道はインパクトパラメータで特徴付けられるがこれはスクリ
ーン上における中心からの距離に対応するインパクトパラメータが光の不安定円軌道
に対応する値 (Lo とする）に近いとき光は長い時間円軌道に留まるこのためス
クリーン上で Lo に対応する半径の円の上に到達する光子密度は発散する
この発散の度合いを光の測地線を積分することによって解析的に評価した
e-mail takadasciosaka-cuacjp
参考文献
1 William L Ames and Kip S Thorne ldquoThe optical appearance of a star that is collapsing trough its gravitational radiusrdquo The Astrophysical Journal Vol 151 pp 659-668 (February 1968)
2 Eric Poisson ldquoAn advanced course in general relativity rdquo Department of Physics University of Guelph pp 23-46 (January 2002)
8
N=2 超対称 U(1)ゲージ理論におけるケーラー項へのループ補正
(Loop correction to Kaumlhler term in N=2 supersymmetric U(1) gauge theory)
数理物理研究室 出口翔
（学籍番号M09SA017）
場の理論における困難の一つは摂動計算におけるループ振幅の発散である
このときくりこみの方法を用いてそれらの発散量から結合定数のスケール依
存性を知ることができるが理論に超対称性（ボゾンとフェルミオン間の回転対
称性を与えるもの）を導入することでそれらの発散量の一部に自然な相殺を起
こさせ発散量の数が少ない理論を構成できる
N=2 超対称 U(1)ゲージ模型はプリポテンシャルと呼ばれる任意の正則関数に
よって特徴づけられ例えばプリポテンシャルが２次までの正則関数の場合理論
はくりこみ可能なクラスに属するが一般にはくりこみ不可能であるように見え
るしかし N=2 超対称な模型に適用される非くりこみ定理より有効作用は１ル
ープオーダーまでしか補正を受けないことが示されている[1]同様のことを
N=1 の形式で見るとゲージ運動項とスーパーポテンシャル項に関してはN=1 の
非くりこみ定理よりループ補正が存在しないしかしケーラー項に関しては一
般にループ補正がオールオーダーで存在しN=2 超対称性に由来するループ補
正の相殺が特別に生じているはずである
本研究ではN=2 超対称 U(1)ゲージ模型における有効作用の一部ケーラー項へ
のループ補正の相殺の様子を N=1 の形式で解析した[23]
この解析は N =2 超対称性が部分的且つ自発的に破れる模型[45]に於いても
大きな役割を果たすと思われる
e-mail deguchisciosaka-cuacjp
参考文献
1 PS Howe KS Stelle and PC West Phys Lett 124B (1983) 55
2 SG Nibbelink and TS Nyawelo JHEP 01 (2006) 034
3 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
4 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Prog Theor Phys 113 (2005) 429
5 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Nucl Phys B723 (2005) 33
9
直積ゲージ群における N=2 超対称性の自発的破れ
(Spontaneous Breaking of N=2 Supersymmetry in the case of Product Gauge Group)
数理物理研究室 松田元一
（学籍番号M09SA029）
超対称性とはボゾンとフェルミオンを互いに変換する下での対称性のこと
である超対称性をもつ理論では電磁気力と弱い力強い力の３つのゲージ結
合定数の一致するエネルギースケールが存在するためゲージ場理論を統一す
るために超対称性が重要な役割を果たすと考えられている超対称粒子は観測
されていないことから少なくとも標準模型のエネルギースケールにおいて超
対称性は破れ超対称粒子は既知の粒子に対し重い質量をもたなければいけな
いこれを実現するためにわれわれの観測する visible sector と観測の及ば
ないhidden sectorの２つの領域がありまずhidden sectorで超対称性が破れ
それが visible sector に伝わると考えることでvisible sector の超対称性を破る
枠組みがある[1]
本研究では藤原糸山阪口による N=2 超対称性が自発的に破れるゲージ
理論[234]を用い直積群 U(N1) x U(N2)を visible sector と hidden sector の
ゲージ群としたとき超対称性がどのように破れるか調べたまた超対称性が
破れた真空における粒子の質量の解析をした
e-mail matsudasciosaka-cuacjp
参考文献
1 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
2 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi ProgTheorPhys 113 (2005) 429
3 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 723 (2005) 33
4 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 740 (2006) 58
10
AdSCFT対応の検証 ～Heun方程式と佐々木-Einstein多様体～(Test of AdSCFT correspondence)
数理物理研究室 姫島智樹
（学籍番号M09SA023）
超弦理論は一般相対性理論と量子力学を矛盾なく融合させる理論の候補の一
つとして期待されているそして超弦理論の低エネルギー極限では超重力理論
によって近似できることが知られているこの理論について1997年に
MaldacenaによってAdSCFT対応が提唱されたそれはAdS 5times S5を背景時空と
する超重力理論は共形不変性を持つゲージ理論と等価であるという予想である
この対応関係を使うと一方の理論で計算することが難しい量が対応する他方
の理論での量を計算することで間接的に求めることができるしかし現時点で
この対応関係は証明されておらず具体的な計算からさまざまな量の対応を調
べて予想の正当性を確かめている状況であるそして今回はその一部を数値計
算ソフトmathematicaを用いて計算してみた
タイプⅡB型超重力理論でD3ブレーン解を求めるときに出てくるSasaki-
Einstein計量からScalar Laplacianを作りそのエネルギー固有値を求めるこ
とを考えるすると計算の過程で2階微分方程式のHeun方程式が出てくる
Heun 方程式は4つの確定特異点を持つFuchs型微分方程式でガウスの超幾何微
分方程式を拡張したものだが一般に解析的には解けない
そこで数値計算ソフトを使って2つの方向から漸近解を求めることを考える
一つはHeun方程式をさらに変形させることで出てくる3項間漸化式から導かれ
る無限階連分数を適当な階数で切りそれについて値を求めるもう一つの方法
としてHeun方程式にWKB解析を適用させることで得られる条件式から値を求
める2つの方法の性質によりそれぞれ良い近似を得られる範囲が異なり2つを
相補的に使ってエネルギー固有値を求めることができるそしてゲージ理論で
粒子のBPS状態や励起状態のR電荷にこの値を対応させることが期待できる
e-mail himejimasciosaka-cuacjp
参考文献
1 HKihara MSakaguchi YYasui Scalar Laplacian on Sasaki-Einstein Manifold Y^(pq) PhysLett B621(2005) 288-2942柴田正和 漸近級数と特異摂動法 森北出版(2009)
11
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
N=2 超対称 U(1)ゲージ理論におけるケーラー項へのループ補正
(Loop correction to Kaumlhler term in N=2 supersymmetric U(1) gauge theory)
数理物理研究室 出口翔
（学籍番号M09SA017）
場の理論における困難の一つは摂動計算におけるループ振幅の発散である
このときくりこみの方法を用いてそれらの発散量から結合定数のスケール依
存性を知ることができるが理論に超対称性（ボゾンとフェルミオン間の回転対
称性を与えるもの）を導入することでそれらの発散量の一部に自然な相殺を起
こさせ発散量の数が少ない理論を構成できる
N=2 超対称 U(1)ゲージ模型はプリポテンシャルと呼ばれる任意の正則関数に
よって特徴づけられ例えばプリポテンシャルが２次までの正則関数の場合理論
はくりこみ可能なクラスに属するが一般にはくりこみ不可能であるように見え
るしかし N=2 超対称な模型に適用される非くりこみ定理より有効作用は１ル
ープオーダーまでしか補正を受けないことが示されている[1]同様のことを
N=1 の形式で見るとゲージ運動項とスーパーポテンシャル項に関してはN=1 の
非くりこみ定理よりループ補正が存在しないしかしケーラー項に関しては一
般にループ補正がオールオーダーで存在しN=2 超対称性に由来するループ補
正の相殺が特別に生じているはずである
本研究ではN=2 超対称 U(1)ゲージ模型における有効作用の一部ケーラー項へ
のループ補正の相殺の様子を N=1 の形式で解析した[23]
この解析は N =2 超対称性が部分的且つ自発的に破れる模型[45]に於いても
大きな役割を果たすと思われる
e-mail deguchisciosaka-cuacjp
参考文献
1 PS Howe KS Stelle and PC West Phys Lett 124B (1983) 55
2 SG Nibbelink and TS Nyawelo JHEP 01 (2006) 034
3 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
4 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Prog Theor Phys 113 (2005) 429
5 K Fujiwara H Itoyama and M Sakaguchi Nucl Phys B723 (2005) 33
9
直積ゲージ群における N=2 超対称性の自発的破れ
(Spontaneous Breaking of N=2 Supersymmetry in the case of Product Gauge Group)
数理物理研究室 松田元一
（学籍番号M09SA029）
超対称性とはボゾンとフェルミオンを互いに変換する下での対称性のこと
である超対称性をもつ理論では電磁気力と弱い力強い力の３つのゲージ結
合定数の一致するエネルギースケールが存在するためゲージ場理論を統一す
るために超対称性が重要な役割を果たすと考えられている超対称粒子は観測
されていないことから少なくとも標準模型のエネルギースケールにおいて超
対称性は破れ超対称粒子は既知の粒子に対し重い質量をもたなければいけな
いこれを実現するためにわれわれの観測する visible sector と観測の及ば
ないhidden sectorの２つの領域がありまずhidden sectorで超対称性が破れ
それが visible sector に伝わると考えることでvisible sector の超対称性を破る
枠組みがある[1]
本研究では藤原糸山阪口による N=2 超対称性が自発的に破れるゲージ
理論[234]を用い直積群 U(N1) x U(N2)を visible sector と hidden sector の
ゲージ群としたとき超対称性がどのように破れるか調べたまた超対称性が
破れた真空における粒子の質量の解析をした
e-mail matsudasciosaka-cuacjp
参考文献
1 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
2 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi ProgTheorPhys 113 (2005) 429
3 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 723 (2005) 33
4 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 740 (2006) 58
10
AdSCFT対応の検証 ～Heun方程式と佐々木-Einstein多様体～(Test of AdSCFT correspondence)
数理物理研究室 姫島智樹
（学籍番号M09SA023）
超弦理論は一般相対性理論と量子力学を矛盾なく融合させる理論の候補の一
つとして期待されているそして超弦理論の低エネルギー極限では超重力理論
によって近似できることが知られているこの理論について1997年に
MaldacenaによってAdSCFT対応が提唱されたそれはAdS 5times S5を背景時空と
する超重力理論は共形不変性を持つゲージ理論と等価であるという予想である
この対応関係を使うと一方の理論で計算することが難しい量が対応する他方
の理論での量を計算することで間接的に求めることができるしかし現時点で
この対応関係は証明されておらず具体的な計算からさまざまな量の対応を調
べて予想の正当性を確かめている状況であるそして今回はその一部を数値計
算ソフトmathematicaを用いて計算してみた
タイプⅡB型超重力理論でD3ブレーン解を求めるときに出てくるSasaki-
Einstein計量からScalar Laplacianを作りそのエネルギー固有値を求めるこ
とを考えるすると計算の過程で2階微分方程式のHeun方程式が出てくる
Heun 方程式は4つの確定特異点を持つFuchs型微分方程式でガウスの超幾何微
分方程式を拡張したものだが一般に解析的には解けない
そこで数値計算ソフトを使って2つの方向から漸近解を求めることを考える
一つはHeun方程式をさらに変形させることで出てくる3項間漸化式から導かれ
る無限階連分数を適当な階数で切りそれについて値を求めるもう一つの方法
としてHeun方程式にWKB解析を適用させることで得られる条件式から値を求
める2つの方法の性質によりそれぞれ良い近似を得られる範囲が異なり2つを
相補的に使ってエネルギー固有値を求めることができるそしてゲージ理論で
粒子のBPS状態や励起状態のR電荷にこの値を対応させることが期待できる
e-mail himejimasciosaka-cuacjp
参考文献
1 HKihara MSakaguchi YYasui Scalar Laplacian on Sasaki-Einstein Manifold Y^(pq) PhysLett B621(2005) 288-2942柴田正和 漸近級数と特異摂動法 森北出版(2009)
11
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
直積ゲージ群における N=2 超対称性の自発的破れ
(Spontaneous Breaking of N=2 Supersymmetry in the case of Product Gauge Group)
数理物理研究室 松田元一
（学籍番号M09SA029）
超対称性とはボゾンとフェルミオンを互いに変換する下での対称性のこと
である超対称性をもつ理論では電磁気力と弱い力強い力の３つのゲージ結
合定数の一致するエネルギースケールが存在するためゲージ場理論を統一す
るために超対称性が重要な役割を果たすと考えられている超対称粒子は観測
されていないことから少なくとも標準模型のエネルギースケールにおいて超
対称性は破れ超対称粒子は既知の粒子に対し重い質量をもたなければいけな
いこれを実現するためにわれわれの観測する visible sector と観測の及ば
ないhidden sectorの２つの領域がありまずhidden sectorで超対称性が破れ
それが visible sector に伝わると考えることでvisible sector の超対称性を破る
枠組みがある[1]
本研究では藤原糸山阪口による N=2 超対称性が自発的に破れるゲージ
理論[234]を用い直積群 U(N1) x U(N2)を visible sector と hidden sector の
ゲージ群としたとき超対称性がどのように破れるか調べたまた超対称性が
破れた真空における粒子の質量の解析をした
e-mail matsudasciosaka-cuacjp
参考文献
1 MDrees RGodbole and PRoy Theory and Phenomenology of Sparticles An Account of
Four-dimensional N=1 Supersymmetry in High Energy Physics World Scientific (2004)
2 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi ProgTheorPhys 113 (2005) 429
3 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 723 (2005) 33
4 KFujiwara HItoyama and MSakaguchi NuclPhysB 740 (2006) 58
10
AdSCFT対応の検証 ～Heun方程式と佐々木-Einstein多様体～(Test of AdSCFT correspondence)
数理物理研究室 姫島智樹
（学籍番号M09SA023）
超弦理論は一般相対性理論と量子力学を矛盾なく融合させる理論の候補の一
つとして期待されているそして超弦理論の低エネルギー極限では超重力理論
によって近似できることが知られているこの理論について1997年に
MaldacenaによってAdSCFT対応が提唱されたそれはAdS 5times S5を背景時空と
する超重力理論は共形不変性を持つゲージ理論と等価であるという予想である
この対応関係を使うと一方の理論で計算することが難しい量が対応する他方
の理論での量を計算することで間接的に求めることができるしかし現時点で
この対応関係は証明されておらず具体的な計算からさまざまな量の対応を調
べて予想の正当性を確かめている状況であるそして今回はその一部を数値計
算ソフトmathematicaを用いて計算してみた
タイプⅡB型超重力理論でD3ブレーン解を求めるときに出てくるSasaki-
Einstein計量からScalar Laplacianを作りそのエネルギー固有値を求めるこ
とを考えるすると計算の過程で2階微分方程式のHeun方程式が出てくる
Heun 方程式は4つの確定特異点を持つFuchs型微分方程式でガウスの超幾何微
分方程式を拡張したものだが一般に解析的には解けない
そこで数値計算ソフトを使って2つの方向から漸近解を求めることを考える
一つはHeun方程式をさらに変形させることで出てくる3項間漸化式から導かれ
る無限階連分数を適当な階数で切りそれについて値を求めるもう一つの方法
としてHeun方程式にWKB解析を適用させることで得られる条件式から値を求
める2つの方法の性質によりそれぞれ良い近似を得られる範囲が異なり2つを
相補的に使ってエネルギー固有値を求めることができるそしてゲージ理論で
粒子のBPS状態や励起状態のR電荷にこの値を対応させることが期待できる
e-mail himejimasciosaka-cuacjp
参考文献
1 HKihara MSakaguchi YYasui Scalar Laplacian on Sasaki-Einstein Manifold Y^(pq) PhysLett B621(2005) 288-2942柴田正和 漸近級数と特異摂動法 森北出版(2009)
11
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
AdSCFT対応の検証 ～Heun方程式と佐々木-Einstein多様体～(Test of AdSCFT correspondence)
数理物理研究室 姫島智樹
（学籍番号M09SA023）
超弦理論は一般相対性理論と量子力学を矛盾なく融合させる理論の候補の一
つとして期待されているそして超弦理論の低エネルギー極限では超重力理論
によって近似できることが知られているこの理論について1997年に
MaldacenaによってAdSCFT対応が提唱されたそれはAdS 5times S5を背景時空と
する超重力理論は共形不変性を持つゲージ理論と等価であるという予想である
この対応関係を使うと一方の理論で計算することが難しい量が対応する他方
の理論での量を計算することで間接的に求めることができるしかし現時点で
この対応関係は証明されておらず具体的な計算からさまざまな量の対応を調
べて予想の正当性を確かめている状況であるそして今回はその一部を数値計
算ソフトmathematicaを用いて計算してみた
タイプⅡB型超重力理論でD3ブレーン解を求めるときに出てくるSasaki-
Einstein計量からScalar Laplacianを作りそのエネルギー固有値を求めるこ
とを考えるすると計算の過程で2階微分方程式のHeun方程式が出てくる
Heun 方程式は4つの確定特異点を持つFuchs型微分方程式でガウスの超幾何微
分方程式を拡張したものだが一般に解析的には解けない
そこで数値計算ソフトを使って2つの方向から漸近解を求めることを考える
一つはHeun方程式をさらに変形させることで出てくる3項間漸化式から導かれ
る無限階連分数を適当な階数で切りそれについて値を求めるもう一つの方法
としてHeun方程式にWKB解析を適用させることで得られる条件式から値を求
める2つの方法の性質によりそれぞれ良い近似を得られる範囲が異なり2つを
相補的に使ってエネルギー固有値を求めることができるそしてゲージ理論で
粒子のBPS状態や励起状態のR電荷にこの値を対応させることが期待できる
e-mail himejimasciosaka-cuacjp
参考文献
1 HKihara MSakaguchi YYasui Scalar Laplacian on Sasaki-Einstein Manifold Y^(pq) PhysLett B621(2005) 288-2942柴田正和 漸近級数と特異摂動法 森北出版(2009)
11
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
ランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャルランダムポテンシャル中中中中のののの 2222 次元次元次元次元ボースボースボースボースハバードモデルハバードモデルハバードモデルハバードモデルのののの
量子量子量子量子モンテカルロモンテカルロモンテカルロモンテカルロ計算計算計算計算
(Quantum Monte Carlo Simulation of Two-Dimensional Bose-Hubbard Model with
Random Chemical Potential)
素励起物理学研究室 畔柳裕紀
（学籍番号M09SA009）
本発表では量子モンテカルロ法により正規分布に従うランダムポテンシャル中の 2
次元ボースハバードモデルを解析した結果を報告する[1-3]2 次元超流動転移は転移
温度を介した渦対の結合解離で特徴づけられるコスタリッツサウレス(KT)転移として
知られておりその性質はボース粒子系の超流動現象を記述するのに適したモデルである
ボースハバードモデルで記述できる超流動相とモット絶縁体相の中間相であるボース
グラス相[4]の存在が理論的に予言されて以降ランダムポテンシャル中のボース粒子系の
研究は理論数値的に幅広く行われているがそのほとんどが絶対零度の量子相転移に焦
点をあてており具体的に有限温度相転移である KT 転移とランダムネスの関係を明らかに
した報告は存在しない本研究ではまず正規分布の分散の値を変化させることで KT 転移
とランダムネスの関係を明らかにした下の相図は縦軸と横軸にそれぞれ分散と温度を
とった超流動―無秩序相図であり
ランダムネスが大きくなるにつれ転
移温度が低くなることがわかるさ
らに超流動密度圧縮率の計算か
らボースグラス相の挙動を確認し
相図から明らかにされた KT 転移とラ
ンダムネスの関係から 2次元超流動
―ボースグラス転移の量子臨界現象
にも考察を与える
Fig1超流動―無秩序相図 e-mail hirokisciosaka-cuacjp
[1] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 231
[2] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Low Temp Phys 162 (2011) (in press)
[3] H Kuroyanagi M Tsukamoto and M Tsubota J Phys Soc Jpn 80 (2011) (in press)
[4] M P A Fisher P B Weichman G Grinstein and D S Fisher Phys Rev B 40 (1989) 546
12
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
超流動 4He 中の量子渦のダイナミクス及び
量子乱流の数値解析的研究
(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices and Quantum Turbulence in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室 足立洋之
（学籍番号M09SA001）
本修士論文のテーマは大きく(1)熱対向流量子乱流[12](2)帯電量子渦のダイナミク
ス[3](3)量子渦バンドルのダイナミクス(4)量子乱流の速度分布[24](5)量子渦再結
合の統計的性質[5]に分けられるが今回の発表会では(1)(2)(3)について述べる
(1)有限温度の超流動 4He は粘性のない超流体と粘性を持った常流体による二流体モデ
ルで記述されるこの系に熱を加えると超流体と常流体が互いに反対方向に流れる熱対
向流という内部対流が発生するこの中では循環が量子化された量子渦が常流体との相互
摩擦により成長しそれが複雑に絡まることで熱対向流量子乱流が実現するこの熱対向
流量子乱流について渦糸法を用いて数値計算し統計的定常状態を初めて得た
(2)量子渦に電荷を持ったイオンを付着させた帯電量子渦において電場の印加により渦
にエネルギーが注入され量子渦のダイナミクスに影響を与えることが知られているし
かし電場による力がイオンを介してどのように量子渦に伝わるかは未だに理解されて
いないそこで本研究では渦糸法に電場による力の寄与を導入し帯電量子渦の渦輪
帯電量子渦が複雑に絡まった帯電量子乱流の数値シミュレーションを行い実験との比較
を行った
(3)近年古典乱流の最も重要な統計則であるコルモゴロフ則が絶対零度の量子乱流中で
も成立していることが様々な研究によって明らかになりこれは量子乱流中でも粘性流
体中で発生する渦に似た構造が実現していることを示唆しているこの古典渦に対応した
構造は量子渦が束になった量子渦バンドルによって実現していることが予想されている
本研究では量子渦バンドルの数値計算を行いその動的挙動を調べた
e-mail adachisciosaka-cuacjp
参考文献
1 H Adachi S Fujiyama and M Tsubota Phys Rev B 81 (2010) 104511
2 H Adachi and M Tsubota J Low Temp Phys 158 (2010) 384
3 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 158 (2010) 364
4 H Adachi and M Tsubota arXiv 11010926
5 M Tsubota and H Adachi J Low Temp Phys 162 (2011) 367
13
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
超流動4Heの量子渦環の伝播 (Propagation of Vortex Rings in Superfluid 4He at Finite Temperatures)
超低温物理学研究室 小川徹也
(学籍番号M09SA006)
4HeはBose粒子であり飽和蒸気圧下にて 217KでBose-Einstein凝縮を起こし超流動相へと相転
移するその際位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている渦芯
は 1Åと非常に細く渦糸とみなすことができる渦糸は自身で閉じる渦環か端が境界に(壁)に付
着するかのどちらかの場合のみ存在できる境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の
超流動速度場をあたえると渦糸は不安定になり複雑に絡み合い量子乱流となるまた渦環は自身
でつくる循環流のために超流動中を伝播する常流動成分が存在しない場合渦環は減衰せずに同
じ速度で進むしかし1K以上では常流動成分が存在し量子渦は常流動成分との間に相互摩擦力
が生じ渦環は減衰し消滅すると予測される過去の実験にて乱流生成器(generator)と渦の検知
器(detector)に極微細超伝導線を半円状に張ったVibrating Wire(VW)を使用し常流動成分が存在
しない温度(30mK)での測定を行ったGeneratorで乱流を発生させるとその後detectorで渦を検
知することが判明したgeneratorの周りの乱流により渦環が発生しdetectorに伝播したことを示
している[1] 本研究は渦環の伝播に着目しその常流動成分との相互摩擦による影響を調べることを目的とし
て行った実験にはgeneratorとdetectorとして直径 2μm程度のVWを使用し平行に 113mm離して配置したgeneratorを乱流遷移させ渦環が発生しdetectorが渦を検知するまでの時間
(time of flight)を測定した測定条件を統一し 100 回の同じ測定を繰り返したところ常流動成分
が存在しない 50mKではtime of flightは 8msから 110msまで分布したそれに対し12Kでは 3桁以上遅く17sから 330sまで分布した検出頻度の累積度数から図１に時間tまでに渦環は検出
しない確率 1-P(Pはその時間までに渦環を検出する確率)の温度変化を示すそれぞれ渦環を検出す
るまでの最短時間t0を持ち温度が上昇し 常流動成分が増加するとともにt0と分布が広がる ことが判明した温度とともに常流動成分との 相互摩擦の係数は増加するこれは常流動成分との 相互摩擦により渦環の運動が妨げられていることを 示している
0001
001
01
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Prob
abili
ty
time of flight [s]
14K
13K 11K
12K
10K
図 1 渦 環 を 検 出 し な い 確 率 の 温 度 変 化
[ 1 ] R G o t o e t a l P R L 1 0 0 0 4 5 3 0 1 ( 2 0 0 8 )
[ 2 ] Y N a g o e t a l J L o w Te m p P h y s 162 3 2 2 ( 2 0 11 )
14
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
ガラス管を用いたループ型熱音響冷凍機の開発
(Development of looped glass tube thermoacoustic refrigerator) 超低温物理学研究室 飯塚崇裕
（学籍番号M08SA001）
近年温暖化などの環境問題は深刻化しており熱エネルギーの廃棄はその原因の一つである
その熱エネルギーを再利用する技術の一つが熱音響効果を利用した冷凍機であるこの冷凍機
はエネルギー源として廃熱が利用可能でありフロンなどの有害冷媒を使用せず二酸化炭素
を排出しないことから環境保全に繋がる魅力的な装置であるまたピストンのような可動部がな
いため安価で長寿命かつ簡易な形状が可能であるという利点もあるこの熱音響冷凍機はガ
ラス製のループ管内に熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機と音エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する冷凍機を持っているそれぞれには狭い流路が設置されておりその中を伝播
する音波では流体はその流路壁と熱交換をすることになる特に音波の進行方向に温度勾配が存
在する場合（原動機）には振動する流体は圧縮膨張に加え温度勾配の中を変位することで
加熱冷却を経験するこうした熱力学的過程を利用することで音波という形で仕事を出力する
逆に気体を振動させるとスタックの両端に温度勾配が生じヒートポンプ機能（冷凍機）が現れる
本研究はループ型熱音響冷凍機の冷却特性の向上のために効率のよい発振の機構を実験的
に解明することを目的として行った 過去の実験から冷却特性の向上には原動機の温度が低い状態で発振することが重要であると
予測されたよって発振後に原動機の温度を下げてみると冷凍機の温度は更に下がるという
結果が得られた(図１)しかし原動機の温度を下げすぎると発振そのものが停止してしまうた
め冷却は得られなくなってしまうそこで発振の効率に着目した以前は発振が起こりやす
くなるという理由で冷凍機の付近に薄膜を挟んでいたがこの薄膜を原動機の付近に動かすこと
で熱の流出を止めたり流体の振動に影響を与えたりすることができ更に発振の効率を上げら
れるのではないかと考えたそこで薄膜の挟む位置を変
え各位置での冷却特性や圧力振幅を測定したすると
次のような結果が得られた 最も原動機に近い位置に薄膜を挟むときに冷却特性
が向上する 薄膜を挟む位置が原動機から遠いほど圧力振幅は大
きくなる 冷却特性が向上しているときのほうが圧力振幅は小
さい これらの結果を踏まえ薄膜の位置と冷却特性の関係
および効率のよい発振の機構に薄膜がどのように寄与するかを議論した
0
100
200
300
400
500
18
20
22
24
26
28
0 100 200 300 400 500
冷凍機の
温度
（）
原動機の
温度
（）
時間（min）
図 1
冷凍機の温度［］ 原動機の温度［］
15
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
NMR を用いた p 波超流体ヘリウム３とエアロジェル中の
液体ヘリウム３との接合面の研究
(NMR study at the interface between p-wave superfluid 3He and liquid helium in aerogel)
超低温物理学研究室 森 亮彦
（学籍番号M09SA033）
超流動3He-Bとエアロジェル中常流動3Heとの界面においてスピン３重項Ｓ波
状態の超流動3Heがエアロジェル中常流動3Heにしみ出すという近接効果が理論
的に予想されている(Fig1)エアロジェルは不純物散乱体であり図の横軸が
負の部分は不純物効果が存在している領域である横軸が正の部分では三重
項Ｐ波成分は有限なペア振幅を持っているが負の領域ではペア振幅は０にな
り常流動状態となるしかし三重項S波成分のペア振幅は有限な値を持つ
細長い円筒状のガラスチューブ内部の上半分が 975エアロジェルで満たさ
れている測定セルを作成したエアロジェル界面の側面にサドル型 NMR コイル
を設置した 3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する範囲を相図に示す(Fig2)理論によると
温度が低いほどペア振幅の強度も増すので最も検出可能性が高いのは超低温
の領域である
本論文では 24bar において温度を 05mK まで下げcw-NMR の測定を行った結
果について議論する
e-mail mori335sciosaka-cuacjp
参考文献
1 SHigashitani et al JLTP 115 83-97 (2009)
Fig2網線の部分において超流動3He-Bと常流動3Heとの界面が存在する
Fig1界面におけるスピン三重項
S波のペア振幅[1]
16
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
光誘起吸収分光法によるπ共役ポリマーの
光励起ダイナミクスに関する研究
(Study on the dynamics of photoexcited states in π-conjugated polymers with photoinduced absorption spectroscopy)
光物性物理学研究室 福永篤志
（学籍番号M09SA025）
π共役ポリマーは薄膜化することで高い導電性や高効率な発光等の優れた光及び電子
機能を発現することから光伝導素子や有機 EL 素子といったオプトエレクトロニクス素子
への応用が期待されているそれ故ポリマー薄膜の基礎物性を理解することはその機
能性応用性を高めるために必要不可欠であるが未だにその解明には至っていないそ
の原因としてポリマーの鎖長が不均一であることや薄膜内のアモルファス構造に起因
して隣接するポリマー鎖間の相互作用が不均一であることにより電子状態が複雑となる
ため詳細な解析が困難になることが挙げられる
そこで本研究では鎖長が有限に制御されたオリゴチオフェン(8T16T)を研究対象とし
た(オリゴチオフェンの数字はチオフェン環の数を表す)また鎖間相互作用を制御する
手段として16T を不活性分子であるポリプロピレン(PP)中に分散した希釈膜を用意した
8T 薄膜16T 薄膜及び 16T 希釈膜の 3つの試料に対して100fs パルスレーザー励起の過渡
吸収分光(fsPIA)を行い鎖長及び鎖間相互作用の影響による光励起ダイナミクスの違いを
明らかにすることを目的とする
3 つの試料に対する fsPIA 測定を行った結果16T 薄膜でのみ時間経過に伴うスペクトル
形状の変化及びピークエネルギーのシフトが観測されその他の試料ではスペクトルが一
様に減衰することが観測されたまた測定結果から鎖長の不均一性により複数の電子
状態が混在すること鎖間相互作用の影響により光励起で生成された励起子が単一鎖内
の状態から鎖間の状態へとエネルギー移動を起こすことが明らかになった
また一般的に物質の光応答では高強度の光励起下において非線形現象が生じるポ
リマー薄膜においてもこのような現象が生じることは予想されるがこれまでに究明され
た研究例はないそれはポリマー薄膜内の複雑な電子状態に起因するスペクトルのブロ
ード化が原因でそれらの応答が埋もれて認知されていないためであると考えられるそ
こでπ共役系において強光励起下で形成される特異な電子状態を模索するためオリゴ
チオフェン薄膜を用いた光励起ダイナミクスの励起強度依存性を測定したその結果16T
薄膜における fsPIA スペクトルで強励起下において新たな吸収信号が観測されたこの
信号は励起子密度が高くなることで励起子同士の対消滅が起こりその対消滅により生
成されるキャリアに由来するものであることが明らかになった
e-mail fuku777sciosaka-cuacjp
17
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
光及び電流検出電子スピン共鳴法を用いた有機半導体デバイスにお
けるスピン物性の研究
Study of physical properties of spin in organic semiconductor devices using optically and electrically detected electron spin resonance techniques
光物性物理学研究室 松岡秀展
（学籍番号M09SA028）
巨大磁気抵抗効果[1]の発見以降金属及び無機半導体を中心にキャリアのスピンを制御
して利用するスピントロニクス分野の発展が目覚ましい近年有機半導体において LED
や太陽電池などの応用研究が盛んに行われているが有機半導体は軽元素から構成される
ためスピン軌道相互作用が弱くスピン緩和時間が長いという特徴を持つことからスピ
ントロニクス素子への応用にも期待が集まっているそこで本研究では有機半導体素
子内におけるスピン物性の解明と新規スピン物性の探索を目的として光電流検出 ESR 応
答に着目した研究を行った試料としては有機半導体である MEH-PPV 及び C60 からダイ
オード素子を作製して用いた 光電流検出 ESR 測定においてはESR を起こすことで顕著に光電流が変化することが観測
されその信号の起源は有機半導体中のπ電子であることを確認したこれによりMEH-PPV
および C60 素子における光伝導がスピンに強く依存していることを明らかにした続いて
共鳴点における信号の時間変化を測定したところESR 共鳴の発生及び消失の直後にスパイ
ク状の過渡的な電流変化が観測されこのスパイク電流値は定常光電流値を超えており
巨大な電流応答であることが分かったESR に基づく効果でこれ程大きな電流変化を示す
という報告例は無いこのスパイク電流の起源を調べるために絶縁層を挿入した構造の
素子にて同様の測定を行ったところ定常光電流が阻止されているにもかかわらず同じく
スパイク電流が観測されることが分かったこれらの結果よりスパイク電流はESR によ
って素子の誘電率が変化したことに起因した分極電流によるものだと結論づけた磁場や
マイクロ波を用いて分極電流を非接触制御することができるためスピントロニクス素子
の新たな動作原理としても期待される
e-mail matsu-hisciosaka-cuacjp
参考文献
[1] M N Baibich A Fert et al Phys Rev Lett 612472 (1988)
18
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
新規有機非線形結晶の開発と物性評価
(Development and evolution of new organic nonlinear optical crystals)
生体構造物性物理学研究室 横江拓人
（学籍番号M09SA039）
テラヘルツ電磁波（THz 波）の研究が近年盛んに行われているTHz 波の振動領
域には生体高分子などの固有振動数が多数存在し注目を浴びているその THz 波
の発生検出要素として非線形光学結晶がある非線形光学結晶には大きく分けて有
機非線形結晶と無機非線形結晶がある有機非線形結晶は無機非線形結晶に比べ数倍
から数十倍の二次非線形性を持つが結晶性の悪さなどから実用的に使用できるものは
数えるほどしかないそこで我々は実用的に使用できるような高い二次非線形性を持
ちつつ物理的にも安定な有機非線形光学結晶の開発に取り組んだまず我々は結
晶の二次非線形性が分子の一次超分極率に依存することから分子の一次超分極率が大
きくなるように分子設計を行った[1]π電子系の両端に電子供与基と電子求引基を配
置することにより基底状態と励起状態での双極子モーメントの差を大きくすることで
分子の一次超分極率を大きくすることで結晶の二次非線形性の増大を図ったこの考え
を基に 12 種の分子を合成し結晶化を行った結晶の二次非線形性を確かめるために
YAG レーザー（1064nm）を照射し第二高調波（532nm）の発生を確認したその
結果2 種の結晶から第二高調波の発生が確認できた次に第二高調波が確認できた 2
種の分子の分子超分極率を測定するために電場変調吸収分光を行い分子超分極率を求
めた求めた分子超分極率と第二高調波発生の結果から有機非線形結晶の開発のため
の一つの指針を見出した
1 DS Chemla and J Zyss Nonlinear Optical Properties of Organic Molecules and Crystals
Academic Press (1987)
19
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
褐藻由来のアンテナ色素蛋白複合体に結合したフコキサンチンに
周囲の環境が及ぼす影響
(Effects of surrounding environment on fucoxanthin bound to the photosynthetic
antenna pigment-protein complexes from a brown alga Okinawa Mozuku)
生体構造物性物理学研究室 喜多麻美子
（学籍番号M09SA008）
褐藻や珪藻の光合成初期過程ではアンテナ色素蛋白複合体フコキサンチン(Fx)-クロロ
フィル(Chl)ac蛋白質(FCP)が光エネルギーを吸収し反応中心へエネルギーを伝達する役
割を担っている褐藻の生息する海底 10mあたりでは500plusmn50nmの光が最も到達しており
この波長域の光を効率良く吸収するためにFCPに結合した Fxの吸収帯は長波長シフトを
起こしている(Fig1)本研究ではこの機構の解明に焦点を当て褐藻由来の新規な FCPに
結合した Fxに周囲の環境が及ぼす影響について考察した
我々は沖縄原産の褐藻オキナワモズクから 3 量体構造を保った FCPの単離手法を確立
したそして高速液体クロマトグラフィーおよびプロトン核磁気共鳴により FCPに結合
する光合成色素を調べ色素組成比を ChlaChlc1Chlc2Fx=4115と決定したまたこ
の FCPに結合した Fxは温度上昇に伴い解離していったこれはFCP内の蛋白質と Fxが
分散相互作用により結合していることを示唆する次に非極性溶媒中に溶解した Fxの吸
収スペクトルは低温状態で FCPに結合したと同様の長波長シフトを再現した低温時に
は溶解度の低下による Fxの析出晶析がおこるため微結晶の吸収帯が観測されたと説明で
きるよってFCP内においても Fx-Fx間の分散相互作用が大きく影響していることを示唆
する[1]更にフェムト秒時間分解吸収分光測定の励起波長依存性からFCP中には上述
の長波長シフト成分以外の Fxの存在を確認した即ちFCP内の Fxを覆う環境が少なくと
も 2種類あるということになる
以上のことから遺伝子の相同性の高い高等植物
由来の LHCII[2]および珪藻由来の FCP[3]の構造情
報に基づきオキナワモズク由来の FCP内での Fxの
結合性について議論した
e-mail mkitasciosaka-cuacjp
参考文献
1 Frank C Spanao JACS 131 4267-4278 (2009)
2 C Wilhelm et al Protist 157 91 (2006)
3 M Eppard et al Mol Gen Genet 260 335 (1998)
Fig1 FCP に結合した各色素の吸
収スペクトル(メタノール中)
20
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
光合成色素分子単層膜の光電変換特性
Photoelectric Conversion Properties of
Self-Assembled Monolayers of Photosynthetic Pigments
生体構造物性物理学研究室 桝屋豪
（学籍番号M09SA027）
現在次世代型太陽光発電に期待が寄せられておりこの事を実現するための手立ての
一つに色素増感型太陽電池がある[1]その動作機構は有機物である色素分子が光エネル
ギーを吸収しそのエネルギーを電流に変換するものである現在普及しているシリコ
ン型太陽電池に比べ製造コストが低い点と環境負荷が少ない点が注目されているしか
しエネルギー変換効率が十分では無く10程度に留まっている私はこの色素増感型太
陽電池の高効率化への手がかりを見つけるために色素分子からどの
ような機構を介して電子移動が行われているかに注目して研究を進
めた一つの色素分子による電子移動がどの程度の効率で起こるかを
詳細に見積もるために平滑な金基板上に色素分子を単一方向に配向
させ単一分子だけの厚さを持つ自己組織化単層膜 (self-assembled
monolayer SAM)を測定対象としたこれは色素による電子移動だ
けを観測する理想的な系をつくるためである
特に研究で注目したのは吸着色素の電荷分離状態でのエネルギー準位と金電極に印可
するバイアス電位との関係であるサンプル色素としては有機合成により得た光合成色素
クロロフィルの誘導体である亜鉛メソポルフィリン(ZnMPC12SH)を用いたこの色素で
は従来の色素増感太陽電池とは逆に金電極基板から色素への電流注入が起こる(Fig1)
光電流などの酸化還元応答は3 端子法で測定した3 端子法で測定することにより金電
極の電位を任意に設定できるので金電極と色素との関係だけを視野において電子移動を
観測することが出来る単色光の波長を変えながら光電流量を測定することにより光電
流の励起スペクトルを得たまた色素分子が金電極表面に吸着している事をサイクリッ
クボルタンメトリーにより確認した測定データから色素分子の HOMO（最高占有分子軌
道）の準位を決定した金電極の電位をこの HOMO 準位から離調していきその変位によ
って光電流量が変わる様相を測定したその結果をもとにMarcus の理論から導出される
式で fitting することにより金基板表面上での色素分子の再配置エネルギーを求め色素への
電荷注入が最も効率的な電位を見積もることができた[2]以上のことからこの色素をデ
バイスに組み込む上で周辺環境を最適化するための条件を決定した
参考文献
1 B ORegan M Graumltzel Nature 353 737 (1991)
2 RA Marcus N Sutin Biochim Biophys Acta 811 265(1985)
Fig1 光誘起電子移動
SAM
21
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
再構成光合成膜の電場変調吸収分光測定
(Electroabsorption Spectroscopy of Reconstituted Photosynthesis Membranes)
生体構造物性物理学研究室 西坂好晃
（学籍番号M09SA020）
光合成初期過程では一般的に周辺アンテナ色素タンパク複合体(LH2)で光を吸収した励
起エネルギーをコアアンテナ複合体(LH1)光反応中心複合体(RC)へと順に伝達しRC で
電荷分離を起こし水素化キノンの形で電子伝達系に電子を供出しているしたがって
天然の太陽電池としての機能を発現していると見なすことができる
Core(RC+LH1)複合体１つに対していくつの LH2 複合体がどのような配置で隣接し
ていれば最も高効率なエネルギー伝達を実現することが可能となるのかという問いに
対する答えを得ようという研究が開始されている[1]この研究では異なる種類の紅色光
合成細菌から単離した Core (from Blc viridis)と LH2 (from Rsp acidophila)を卵黄由来の
フォスファチジルコリン(Egg PC)の脂質二重層膜に再配列させた Hybrid 光合成膜の調製
に成功したHybrid 光合成膜はLH2Core の比を大きくしていくと配列に乱れが生じ
たりエネルギー移動効率が低下したりすることが報告されている
Hybrid 光合成膜と Blc viridis から調製した天然由来の光合成膜について電場変調吸
収分光(EA)測定を行い求められたパラメータ(励起状態と基底状態での分極率変化 Tr()
および静的双極子能率変化| |)の値をもとに人工系と天然系で静電環境の差異が検出で
きるのかに焦点を当てて本研究を遂行した [23]色素蛋白複合体の配列の違いが静電環境
の微妙な差異に与える影響を可視化する事が本研究の目的である
Blc viridis の LH1 で光を吸収する役割を行っている Bchl b 二量体の Qy遷移は近赤
外波長域に吸収帯を有するためEA 測定が困難であったInGaAs 光検出器を用いた測定系
を構築することによりこの困難を克服し測定を可能とした天然由来の光合成膜に内
在する LH1 複合体中の Bchl b 二量体に関して実験誤差が無視できる程度に再現性良く
EA スペクトル測定に成功したHybrid 光合成膜と天然系では僅かではあるが明確に異なっ
た結果を与えたこのことは両者の静電環境の違いを反映しているものと考えられる
すなわちEA 測定により色素蛋白複合体の配列と光機能との関係を議論する準備が整った
と結論される
[1]R Fujii and H Hashimoto et al Photosynth Res 95 327 (2008)
[2]Robin M Hochstrasser Acc Chem Res 6 (8) 263 (1973)
[3]GBoxer J Phys Chem B 113 (10) 2972 (2009)
22
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
周辺環境は光合成色素の電子および振動ダイナミクスに
どのように影響を及ぼすのか
How do surrounding environments influence on the electronic and vibronic dynamics of photosynthetic pigments
生体構造物性物理学研究室 殿内規之
（学籍番号M09SA018）
光合成色素蛋白複合体中において色素分子間で非常に高効率なエネルギー移動が実現し
ていることがわかっている[1]エネルギーの移動経路には分子間の励起エネルギー移動
とそれに競合するエネルギー散逸があるエネルギー移動効率は双方の過程の速度比
で決まるので高効率なメカニズムを正しく理解するには色素蛋白複合体中でのこの両
過程に着目する必要がある現在光合成系の研究分野においてエネルギー移動に着目
した研究は多数存在するが[23]エネルギー散逸過程に関しては研究が端についたばか
りである[4]エネルギー散逸過程は分子振動が媒体となるがこれらのダイナミクスは周
辺の環境に依存する色素蛋白複合体中では高効率なエネルギー移動が実現するように
色素分子の周辺環境が最適化されているのではないかと期待される
本研究では電子ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく様々な溶媒中お
よび色素蛋白複合体中において定常吸収分光測定時間分解吸収分光測定を行ったその
結果溶媒中においては電子ダイナミクスを特徴付けるパラメータは分極率誘電率で
あることが確認された次に振動ダイナミクスに対する周辺環境の影響を調べるべく
ラマン散乱分光測定を行ったラマン散乱分光測定においてはラマン散乱光の線幅に着目
することで分子振動のダイナミクス(周囲との相互作用)を調査することが出来る溶媒
中での振動ダイナミクスを特徴付けるパラメータは溶媒の粘性および密度であることを
見出したタンパク中では等方的かつランダムな環境である有機溶媒中とは異なり
分子振動の位相緩和速度が小さくなるような特別な環境が形成されているということを示
唆する興味深い結果を得た高効率なエネルギー移動メカニズム解明の鍵が本研究で示
唆するこの特別な環境の詳細解明にあるものと期待される
1 H A Frank and R J Cogdell Photochem Photobiol 1996 63 257
2 AN Macpherson JB Arellano NJ Fraser RJ Cogdell T Gillbro J Phys Chem A 1998 102
5049
3 H Nagae T Kakitani T Katoh and T Mimuro J Chem Phys 1993 98 8012
4 M Sugisaki M Fujiwara D Kosumi R Fujii M Nango RJ Cogdell and H Hashimoto Phys
Rev B 2010 81 245112
23
![ミューオン高周波加速の実現までの道のりがあり[5, 6, 7], 現在もJ-PARC MLF で超低速ミュー オンが生成されている[8]。一方で, ミューオンを高周波](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5ff725d36f4aaf2ceb0d3111/ffffeece-oe5-6-7-coej-parc.jpg)
