フォトクロミック結晶と近接場光学、そして数学に基づく順序構造認識

フォトクロミック結晶に近接場光を作用した際に現れるナノ光異性化経路と、シューベルトカリキュラスの方法を用いて、順序構造を認識したことを報告しました。内山、堀(山梨大学)、中島、鈴井、Chauvet、堀崎、成瀬(東京大学)、西郷(長浜バイオ大学)、内田(龍谷大学)による共同研究です(敬称略)。

フォトクロミック結晶におけるナノ光異性化経路を、独自の試料表裏ダブルプローブ近接場光学顕微鏡を用いて、形成・計測し、さらにその実験データをもとにシューベルト行列を生成する研究を、別の論文で報告していました。シューベルト行列は、順序を表す一般的な行列ですが、ナノ光異性化経路から量子的に計測される光子の情報で生成することで、高度な相関を有する行列の群となります。本論文では、この順序行列群と、解きたい順序問題を、シューベルトカリキュラスの方法で関係付け、順序問題の中の順序構造を認識することに成功したことを報告しました。

なぜ順序構造をうまく認識できるのかについては現在も研究を続けているところですが、ナノ光相関で生成した行列は、他の擬似的相関で生成した行列よりも高い性能を有することが分かっています。今後は、ナノ光相関をフォトクロミック結晶中に形成する際の履歴依存や、問題自体が量子相関を持った系での性能評価など、研究をさらに発展させていきます。

掲載論文:
Order recognition by Schubert polynomials generated by optical near-field statistics via nanometre-scale photochromism
Kazuharu Uchiyama, Sota Nakajima, Hirotsugu Suzui, Nicolas Chauvet, Hayato Saigo, Ryoichi Horisaki, Kingo Uchida, Makoto Naruse & Hirokazu Hori
Scientific Reports volume 12, Article number: 19008 (2022)
論文掲載ページ( https://www.nature.com/articles/s41598-022-21489-6 )

上記掲載論文から引用。Sci. Rep. 12, 19008 (2022)

修士2年の荒川君が応用物理学会の秋季学術講演会で発表しました。

応用物理学会の第83回秋季学術講演会が東北大学(仙台市)で開催され、修士課程2年の荒川君が口頭発表を行いました。フォトクロミック結晶中の自発的ナノ光異性化経路形成現象における履歴特性を上下ダブルプローブ走査型プローブで観察し報告したものです。

どんな研究か少し紹介します。

現在の発達した計算機を持ってしても解くことが難しい問題はたくさんあります。中でも、問題の設定自体が時々刻々と変化するような問題を解くことは大変ですが、日常の問題はそのような問題ばかりです。そんな難しい問題を人間を含む生物は巧みに解いているように見えます。その生物の働きを真似して、新しい計算システムを作るという発想があります。

さまざまなアプローチがありますが、人が完全には制御できない物理現象を使うことが鍵になります。人が制御出来ることであれば通常の計算機でも容易に再現できるでしょうから。

私たちは、光で色が変わるフォトクロミズムに注目し、フォトクロミック分子がきれいに整列したフォトクロミック結晶に、ナノサイズの光を加えると、光の通る道の枝分かれ構造を生む、とても複雑な物理現象が起こることを見出しました。作用させるナノサイズの光をイベントだと思えば、枝分かれ構造は記憶と見ることもできます。

光と物質の相互作用が生むこの物理現象は、光の可能性と、物質の可能性を掛け算できるので、とても魅力的です。

荒川君は、世界で類を見ない走査型プローブ顕微鏡を使い、結晶試料を2つのナノ探針で挟み込んで、複雑現象の発生とその場観察を行い、記憶の重ね書きや消去について履歴特性を解明しています。

詳しい内容については関係する下記preprintを御覧ください。

History-dependent nano-photoisomerization by optical near-field in photochromic single crystals
Yuji Arakawa, Kazuharu Uchiyama, Kingo Uchida, Makoto Naruse, Hirokazu Hori

フォトクロミック微結晶の光トラップ実験の論文がApplied Physics Lettersに掲載されました。

光で物体を空中や液中で捕らえ、固定したり移動したりする技術を光ピンセット、光トラップと呼びます。物体を光トラップすることで、精密に観察したり、物体の性質を精密に計測したりすることができます。

どの物体を光トラップするかしないかを外部からの作用で望むように切り替えたり、光トラップされている物体の内部に変化が生まれたら自動的に光トラップ中から出ていったりしたら、さらなる発展があります。

私たちは、ネール研究所(フランス グルノーブル)、龍谷大学、東京大学と共同で、光トラップされた物体に外部から光で変化を加える実験を行いました。光で色が変わるフォトクロミック結晶を光で水中で光トラップし、外部から別の光を当てて結晶を着色したり、脱色したりします。すると、着色状態では弱くトラップされていた結晶が、脱色によって強くトラップされることを発見しました。

なぜこのような変化が生じるのか、実はまだ明確には分かっていません。光トラップした物体が、フォトクロミック分子が整列した「結晶」であることが関係していると考えています。

この研究は、光トラップされている物体の動きを制御することだけでなく、動きから物体の状態を推測することにもつながります。複数の物体をトラップして、物体の状態にもとづいた計算もできるかもしれません。


(この論文はApplied Physics Lettersに掲載されました。)
“Optical trapping of photochromic microcrystals by a dual fiber tweezers”
Appl. Phys. Lett. 121, 111103 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0101484
K. Uchiyama, J. Fick, S. Huant, K. Uchida, M. Naruse, and H. Hori
https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0101484?journalCode=apl

2名の学部生が卒業しました

研究室の学部生2名、若林君、渡辺君が本日卒業式を迎えました。4年間、勉強、研究や課外活動に取り組み、卒業を迎えられたこと、本当に喜ばしいことです。おめでとうございます。

若林君は、3年後期の研究室所属時から、多様な分野の勉強をして輪講での毎回の議論が盛り上がりました。学科や学部の専門にこだわらず興味を持った内容はとことん学ぶ姿勢は、教員や他の学生にとっても刺激になりました。卒業論文では、フォトクロミック結晶の光異性化を電子特性で捉える全く新しい研究を行いました。精力的に実験に取り組み、最初の一歩となる重要な成果を上げるところまで行きました。卒業研究の内容は3月下旬の応用物理学会学術講演会で発表します。今後は他大学の大学院にて、また新たな分野で研究を始めると聞いています。

渡辺君は、やはり多様な分野に興味を持って勉強し、特に4年次の輪講では、数学の中でも抽象度が高い圏論を学び教員や他の学生へ講義を行いました。私たちの研究室のテーマの一つである「フォトクロミック結晶におけるナノサイズの光異性化の解明と応用」でも、圏論は重要な役割を果たしています。卒業研究では、ユニバーサルグリッパーを題材として実験・理論・シミュレーションと多角的に研究を行いました。自分で良く考えて実験計画から解析まで行っていました。今後も新規分野での活動をされると聞いています。

お二人の今後のご活躍に期待しています。まずは健康に楽しく今後の日々を歩まれますことを心よりお祈りします。

(文責:内山)

3名の学生が卒業しました!

今日は2020年度卒業式でした.

コロナの関係で,大掛かりなイベントは無く,研究グループで学位記を授与して,記念撮影をしました.私達の研究室からは,荒川君,高瀬君,渡邉君の3名が卒業となりました.

おめでとうございます!

卒業研究も大変なことが多かったと思いますが,励まし合って熱心にそして楽しんで取り組んでいるように見えました.発表ぎりぎりまで実験を続けて,今後の発展につながる結果を多く得ました.堀先生が今年度でご退職となる節目の年に,彼らが頑張って研究をしていたことは記憶に強く残ると思います.

荒川君は修士課程に進学します.引き続き前向きに頑張っていきましょう.高瀬君,渡邉君は新しい環境でまた活躍してくれると思います.お互いに健康に気をつけて頑張りましょう.(内山)

修論発表,卒論発表が終わりました.

今年度の修論発表会が2月13日・14日に,卒論発表会が3月1日・2日に行われました.研究グループとしては,修論発表6名(理論2名,実験4名),卒論発表8名(理論3名,実験5名)でした.堀・内山研としては,修論2名,卒論2名で,最近少なめだったので,久しぶりにしっかりと卒論・修論の時期の雰囲気が研究室に溢れました.

堀・内山研の実験研究は,ここ1年ほどフォトクロミック化合物に集中しています.ナノスケールでのフォトクロミック化合物の挙動は,実験すればするほど混迷を見せ,多彩で魅力的です.フォトクロミック化合物に関係する卒論・修論発表は今回が初めてで,先輩のスライド等を参考に出来ないので例年以上に自分で考えることになったと思います.

先端材料理工学科としての修論発表会は今回が初めてであり,また卒論発表会はまだ3回目です.大学の教育は,卒論・修論発表まで含めて初めて一括りだと思っています.このアウトプットが相関しながら,じわりじわりと学科に浸透し,学科の色になり,講義や学生実験などにも影響を与えるはずです.その意味で,最後の最後まで気を抜かず,実験を繰り返し,解析を深め,本当のところ何が明らかになったのか突き詰める学生の活動が,学科を作っていくと言えます.

CREST採択課題に共同研究グループとして参画します

科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 CREST 「次世代フォトニクス」領域
2017年度採択課題 『ナノ光学と光カオスを用いた超高速意思決定メカニズムの創成』
に共同研究グループとして参画することになりました.

ナノスケールでの光と物質の相互作用について
走査型近接場光顕微鏡などを用いて
長年取り組んできた我々の研究グループの強みを活かし,
実りある研究になるように励んで参ります.

課題Webサイト
https://sites.google.com/site/photondecisionmaking/home

卒論・修論発表で,修士の西川君が専攻長賞,学部の岩本君,ノルアリヤさんが学部長賞を受賞しました.

新学期も始まりもうすぐ5月.ひと月以上経ってしまいましたが,
卒論・修論発表で,研究グループの学生が受賞しましたので報告します.

修士論文発表で,西川直樹君(堀・内山研)が専攻長賞を受賞し,
学部卒業論文発表で,岩本亘平君(石川研),ノルアリヤさん(居島研)が学部長賞を受賞しました.

おめでとうございます!

西川君,ノルアリヤさんは就職し,岩本君は大学院(山梨大学)に進学しました.
今後のさらなるご活躍を期待しています.

2015年度の研究室所属学生が決まりました.

4月1日に研究室配属が確定し,
研究室に新たなメンバーが加わりました.
2015年度版研究室メンバー表をアップしました.

新所属生歓迎会の様子

新所属生歓迎会の様子

今年度の4年生から,
先端材料理工学科の学生が正式に所属となりました.
昨年10月からインターンシップ制度で
6名が来てくれていましたが,
その6名に3名を加えた9名が研究室に所属することになりました.

今日も研究室ゼミで自己紹介をしてくれましたが,
元気が良く,研究にも前向きで期待の新人です.
楽しく健康に素晴らしい活躍をしてくれるように,
スタッフもサポートして行きたいと思っています.

(文責: 内山)

卒業論文発表で大竹君が学科長賞,修士論文発表で神田君が専攻長賞を受賞しました.

卒業・修了証書授与式で研究発表賞の表彰があり,本研究室の神田進君が修士論文発表で専攻長賞,大竹卓弥君が卒業論文発表で学科長賞を受賞しました.おめでとうございます.

少し彼らの苦労話を..(私内山から見ての話です)

神田君は最後の一月,文字通り研究室に泊まりこんでの研究でした.これまでの経験上,装置部品の一つがかなりもろく数週間持つか分からないということで,動いているうちにデータを取るため徹夜の日々が続きました.明日壊れるかもしれないという緊張感の中,優先順位をつけて測定を続けていくのは気力体力共にすり減らすものだったでしょう.何度か疲れのピークを迎えて,その度に新しい実験結果が出ていたのが印象に残っています.研究の神様は,やはり見ているんでしょうね.発表賞とはなりませんでしたが,神田君と一緒に研究を行った学部4年の篠原君,袴田君のがんばりも大きかったでしょう.3人が先輩後輩の垣根を超えて激論を交わしているのが,傍から見ていてうらやましかったです.

大竹君は4年次1年を通してコンスタントに頑張っていた印象があります.実験系はほぼ出来上がっている状態からのスタートでしたので,大竹君には実験系をフルに活かした高度な測定と解析が求められる状況でした.関連する論文を読みながら,長時間かかる測定をこなし,また講義実習ではあまりやってこなかったコンピュータ言語を一から勉強して解析に用いていました.教員から見て,まだもっと出来たというところはもちろん沢山あります.そう思うのは,大竹君が学部生でありまだ研究1年目であることを忘れてしまうからかもしれません.修士課程でのさらなる頑張りを見たいという意見を良く聞きましたが,この4月から晴れて就職ですので,新天地でのご活躍を心より期待しています.

もうすぐ新年度です.新たな研究室学生が加わって,今回受賞した彼らに負けず劣らず,いやもっと飛躍した研究がなされていくように,スタッフとしてサポートして行きたいと思います.
(文責:内山)