学術的背景 プロトン伝達（proton transfer）は、生物エネルギー変換（ATP合成など）やシグナル伝達において中心的な役割を果たす。従来の理論では、プロトンは水分子鎖やアミノ酸側鎖を介した「ホッピング機構」（hopping mechanism）によって輸送されると考えられてきたが、近年提唱された「プロトン共役電子移動」（PCET, proton-coupled electron transfer）仮説では、電子移動がこの過程に同期して関与する可能性が示唆されている。生命システムは高度なキラリティー（chirality）特性を持つため、「キラリティ誘起スピン選択性」（CISS, chiral-induced spin selectivity）効果——つまりキラル環境で電子が移動する際...

学術的背景 ボウリングはアメリカで最も人気のあるスポーツの一つであり、2017年時点で4500万人以上が定期的に参加しています。毎年開催される全国大会では数百万ドルの賞金がかかっており、選手のスコアを向上させる方法が研究の焦点となっています。しかし、計算の複雑さやボールの軌道に影響を与える変数の多さから、ほとんどの研究は理論モデルではなく、経験データの統計分析に依存しています。例えば、2018年の米国ボウリング協会（USBC）の設備仕様報告書では、コンピュータモデルではなく、37人の選手のボール速度データを使用しました。 これまで、ボウリングの物理学に関する定量的分析は少なく、主に関与するパラメータの多さが原因でした。Fröhlich、Hopkins、Hustonらは過去数十年にわたり、ボウ...

学術的背景 極限条件下（高圧、高温など）での材料の挙動を研究することは、凝縮系物理学や材料科学における重要な課題です。レーザー衝撃技術は、ナノ秒の時間スケールで材料に極めて高い圧力を加えることができ、X線回折技術はフェムト秒の時間スケールで材料の構造変化を捉えることができます。しかし、これらの動的圧縮実験において、温度の測定は常に難しい課題でした。従来の温度測定技術（熱放射測定など）は、このような短い時間スケールと小さなターゲットでは実現が困難です。そのため、単一の実験で動的圧縮材料の温度を正確に測定する方法を開発することが重要です。 本研究では、X線自由電子レーザー（X-ray Free-Electron Laser, XFEL）とレーザー衝撃技術を利用し、X線熱拡散散乱（Thermal ...

背景紹介 アト秒科学（attosecond science）は、原子、分子、固体中の電子の超高速ダイナミクスを研究する最先端の分野です。高次高調波発生（High-Order Harmonic Generation, HHG）とアト秒パルスの実験的実現以来、アト秒科学は急速に発展し、電子ダイナミクスを研究する強力なツールとなっています。しかし、従来のチタンサファイア（Ti:Sapphire, Ti:Sa）レーザーは、高次高調波発生とアト秒パルス生成において優れた性能を発揮するものの、その高い量子欠陥と熱負荷により、高繰り返し周波数と高平均出力での応用が制限されています。近年、イッテルビウム（Ytterbium, Yb）ドープレーザーは、その低量子欠陥、高繰り返し周波数、高平均出力の特性により、...

学術的背景 情報時代の到来に伴い、集積回路（Integrated Circuits, ICs）は技術進歩を推進する中核的な力となっています。しかし、従来の集積フォトニクスプラットフォーム（シリコン、窒化シリコンなど）は材料特性に多くの制限があります。例えば、シリコンの間接バンドギャップはレーザーアプリケーションでの使用を制限し、シリコンの近赤外波長域での強い二光子吸収は非線形光学アプリケーションでの性能を制限しています。これらの制限を克服するため、研究者たちは優れた光学特性を持つ二次元材料（2D Materials）をフォトニックチップに統合することを探求し始めました。グラフェン（Graphene）、遷移金属ダイカルコゲナイド（Transition Metal Dichalcogenides...

学術的背景 近年、構造化光（structured light）は、高エネルギー物理学、宇宙論、磁性材料、超流体におけるトポロジカル・スキルミオン（skyrmion）テクスチャを模倣する可能性を示しています。スキルミオンは非特異的で局所的なトポロジカル構造であり、当初は核物理学で提案され、その後、超流体、磁性材料、ボース・アインシュタイン凝縮（Bose-Einstein condensates）で広く研究されてきました。光学スキルミオンはデータエンコーディングやストレージに潜在的な応用がありますが、そのトポロジカル構造を物質に転送し保存する研究は非常に限られています。本論文はこの問題に取り組み、レーザービーム内のスキルミオン・トポロジーを冷原子ガスに高忠実度でマッピングし、新しい非伝播形式で検...

学術的背景 ゲルマニウム（Germanium, Ge）は第IV族元素の一つとして、基礎科学と技術応用において重要な意義を持っています。そのメタステーブル多形（metastable polymorphs）は、独特のナノ構造と優れた電子・光学特性から注目を集めています。しかし、高圧条件下でのゲルマニウムの相転移メカニズムとメタステーブル多形の形成過程はまだ明確ではなく、特に動力学経路を通じてそのナノ構造を制御する合成方法は十分に研究されていません。本研究では、急速減圧実験を通じて、高圧β-Sn相ゲルマニウムが減圧過程で異なるナノ構造を持つメタステーブル多形を形成するメカニズムを明らかにし、その相転移動力学経路を探求することを目的としています。 論文の出所 本論文は、Mei Li、Xuqiang ...

学術的背景 極限条件下での材料の物理的特性を研究することは、凝縮系物理学の重要な方向性の一つです。超強磁場（100テスラを超える）は、材料中の電子の振る舞いを著しく変化させることができ、例えばゼーマン効果（Zeeman effect）やサイクロトロン運動（cyclotron motion）を通じて材料の電子構造や結晶構造に影響を与えます。しかし、超強磁場の発生と測定技術は大きな技術的課題に直面しており、特に誘電率（dielectric constant, ε）の測定は困難です。誘電率は材料が外部電場に応答する能力を示す重要なパラメータであり、材料内部の電荷分布と分極特性を明らかにすることができます。強誘電体材料では、誘電率の変化は通常、結晶構造の不安定性と関連しており、特に強誘電相転移（fe...

マイクロメカニカル共振器における内部共振メカニズムの研究とその周波数安定化への応用 背景紹介 マイクロメカニカル共振器（micromechanical resonators）は、高周波数、高品質因数、高感度を特徴とする現代の時間計測およびセンシングデバイスにおいて重要な役割を果たしています。しかし、これらの共振器の極めて低い減衰特性は、さまざまな非線形現象を引き起こし、周波数安定性に影響を与える可能性があります。その中でも、ダフィング硬化効果（Duffing hardening effect）は主要な制限要因であり、振幅変化による周波数ドリフト、すなわち振幅-周波数効果（amplitude-frequency effect）を引き起こします。近年、内部共振（internal resonanc...

非線形システムの確率応答スペクトル研究：分数次導関数要素の導入と分析方法 学術的背景 工学および物理学の分野では、非線形動的システムが複雑な現象をモデル化するために広く使用されています。しかし、これらのシステムが確率的な励振を受ける場合、その応答を予測することは非常に困難であり、特に分数次導関数（fractional derivative）要素が導入されるとさらに複雑になります。分数次導関数は、記憶効果や遺伝現象をより正確に記述することができますが、その導入は追加的な解析および計算の困難をもたらします。従来の線形システムの解析手法は、非線形システムに直接適用することができません。特に、システムに分数次導関数が含まれる場合、その応答のパワースペクトル密度（PSD, Power Spectral...