平成30年度『UECパスポートセミナー』の講義内容
１年次の後期（第2学期）に理工系教養科目として『UECパスポートセミナー』を開講します。このセミナーは，それぞれの分野で研究をされている学内の５名の先生方の講演と学内研究設備での実習，学外の５名の先生方の講演と学外の研究施設・研究所の視察からなるユニークなセミナーです。
学外講師による講演内容
１月２４日（木）
国立天文台 先端技術センター 准教授 松尾 宏 先生
第１１回講演タイトル：量子光学と天文観測
講義概要
天文学は大型望遠鏡と焦点面検出器、干渉計と広帯域信号処理などの開発により大きく発展してきた。本講義では、赤外線から電波領域にわたるテラヘルツ波領域に注目し、高感度・高解像度の天体画像がどのように得られるのか、今後どのような技術の発展が期待されるか、について議論する。
将来技術として、本講義では量子光学的手法の天文観測への応用について取り上げる。もともと天体観測技術として提案された強度干渉計（ハンブリ・ブラウンとツイスの実験）は、光子の統計的ふるまいを調べる上で必須の技術となっている。天体光子の統計が意味するもの、強度干渉計を発展させた光子計数型干渉計による天体観測で期待される成果などを議論する。
キーワード
テラヘルツ天文学、量子光学、強度干渉計、将来技術の展望
レポート課題
- 強度干渉計とマイケルソン干渉計について、電磁波の波動性と粒子性を用いて、その特徴について説明せよ。
- テラヘルツ領域の天体観測手法について、講義を聞いて理解した内容を記述せよ。
見学日程
- 2月28日(木)
１２月２０日（木）
宇宙航空研究開発機構(JAXA)航空技術部門 研究開発員 西山 万里 先生
第１０回講演タイトル：電動航空機の発展と展望
講義概要
今日では当たり前のように日常の一部となっている航空機であるが、燃費改善やCO2排出量削減、騒音低減など、超えなければならない課題はまだ数多く存在する。これらに対して有効なアプローチのひとつとして近年注目されているのが電動航空機である。電動航空機とはその名の通り、電気を動力源として飛行する航空機のことを指す。ジェット燃料でエンジンを動かして飛行する一般的な航空機と異なり、電動航空機はバッテリの電気エネルギーで駆動させたモータによってプロペラやファンを回し飛行する。そのため従来の航空機と比べてCO2排出がなく、燃費や整備費、騒音を抑えることができるというメリットが存在し、各国で研究開発競争が激化しているのが現状である。その一方で、電動航空機の実用化において壁となる課題も存在している。 本講義ではこうした電動航空機の発展してきた経緯や実際に国内で有人飛行実証を行った例などを紹介し、電動航空機が抱える課題を踏まえて今後の展望について述べる。
キーワード
電動航空機、バッテリ、モータ、有人飛行実証、e-VTOL
レポート課題
- 近年の電動航空機が飛躍的な成長を遂げるに至った大きな要因を挙げよ。
- 国内初の有人飛行実証を行った電動航空機で使用されたバッテリについて、これに相当する電力をまかなうにはアルカリ乾電池が何本必要となるか述べよ。
見学日程
2月21日(木)⇒ 2月26日(火)
１２月１３日（木）
理化学研究所 仁科加速器科学研究センター 開発研究員 加治 大哉 先生
第９回講演タイトル：新元素探索の最前線 ～新元素ニホニウムの合成～
講義概要
新元素探索は、化学と物理についての基本的な問いに答える一つの試みとして、科学の進歩とともに営々と続けられている。原子番号104以降の非常に重い元素は「超重元素」と呼ばれ、重イオン加速器を利用した原子核融合反応で人工的に合成する事で研究が行われている。2016年、元素周期表第7周期までの全元素名が確定し、アジア初・日本発の新元素(113番元素ニホニウム)が誕生した。
本講義では、①新元素誕生までの道のり②周期表の拡張をめざした核図表末端領域での研究ついて、実験技術の側面から紹介する。新元素合成研究には、超重元素を合成するのに必要な加速器・薄膜標的技術、原子一個レベルで核種同定が行える高度な反跳分離・放射線検出器技術が用いられる。仁科加速器科学研究センターにおいて、ニホニウム研究で使用した気体充填型反跳分離装置GARISを含めた超重元素分析装置の見学、ならびにRIビームファクトリーの見学も合わせて行います。
キーワード
新元素、ニホニウム、薄膜生成技術、気体充填型反跳分離装置、放射線検出器
レポート課題
（下記、1.は事前課題として講義日までに用意し、当日レポート用紙に転記下さい。2.は当日の講義聴講により回答下さい。3.は理研様への見学に選抜された人のみ見学後に提出ください。）
- 元素周期表の中から一つ元素を選び、① 元素名(和名・英名) ② 選択理由 ③ 元素発見の歴史 ④ 元素名の由来 ⑤ 元素の有用性・特性、について調べてください。
- ニホニウム研究における気体充填型反跳分離装置の役割を説明してください。
- 仁科加速器科学研究センターを見学して学んだこと、感想を記載してください。
見学日程
- 2月20日(水)
１２月６日（木）
情報通信研究機構 未来ICT研究所 主任研究員 吉原 文樹 先生
第８回講演タイトル：超伝導電気回路上での量子力学実験
講義概要
物質は原子から構成されている。原子の直径は100億分の1 メートル(0.1 ナノメートル)程度と非常に小さい。このようなミクロの世界では、量子力学と呼ばれる物理法則が成り立っており、状態の重ね合わせ等の不思議な現象が起こる。これまで、電子や中性子、また炭素原子がサッカーボール状に60個集まったフラーレンで状態の重ね合わせが観測されている。一方で、1メートル程度の大きさを持つ人間が生活している世界では、量子力学の働きは実感できない。本講義では、量子力学特有の現象が観測可能な世界のうち、近年最も進展の著しい超伝導電気回路を取り扱う。はじめに、量子力学特有の現象として、状態の重ね合わせについて説明する。そして、超伝導電気回路で量子力学が成り立つ理由や、超伝導電気回路上の量子力学実験ならではの特徴について述べる。また、超伝導電気回路上で行われた様々な量子力学実験を紹介する。
キーワード
量子力学、状態の重ね合わせ、超伝導電気回路
レポート課題
- 状態の重ね合わせの例を挙げてください。
- 超伝導電気回路上で行う量子力学実験の特徴を挙げてください。
- 講義で紹介した、超伝導電気回路上で行われた量子力学実験のうち、興味を持ったものを挙げてください。また、その理由を記載してください。
見学日程
- 2月19日（火）
１１月２９日（木）
東京大学大学院 新領域創成科学研究科 物質系専攻 准教授 杉本 宜昭 先生
第７回講演タイトル：１つひとつの原子を観察して操作する
講義概要
小さなものを観察するためには、顕微鏡が必要である。顕微鏡としてまず思い浮かぶものは、光学顕微鏡である。観察対象を光で照らして、レンズで対象を拡大して視る。しかしながら、光学顕微鏡では、分解能が光の波長で制限され、個々の原子を観察することはできない。光を使わずにものを「視る」にはどうしたらよいだろうか？我々が暗闇で歩くとき、手探りで進むように、視覚だけではなく触覚によっても、ものを認識することができる。指先で物の表面をなぞると、目では見えない凹凸を感じることもできる。原子レベルの凹凸を感じるには指は太すぎるが、原子レベルで尖らせた針を用いれば、原子の凹凸を力によって感知することができる。この概念で原子を観察する顕微鏡が、原子間力顕微鏡である。本講義では、まず原子間力顕微鏡の原理について説明する。そして、その顕微鏡を用いて様々な試料の原子分子を観察した例を紹介する。さらに、1つひとつの原子を動かす技術すなわちナノテクノロジーへの応用について述べる。
キーワード
原子間力顕微鏡、原子操作、ナノテクノロジー
レポート課題
- 原子間力顕微鏡の原理について説明せよ。
- 原子間力顕微鏡をナノテクノロジーへ応用した例を1つ挙げて説明せよ。
見学日程
- 3月5日（火）
研究設備センター見学
１１月１５日（木） 学術技師 小林 利章 先生
第６回講義：最先端の教育研究を支える寒剤供給体制
集合場所：Ａ２０１
講義概要
物性物理学，光科学，新しい機能を持つ電子デバイスの開発を目指す電子工学など実験的研究においては，温度を制御して対象の振る舞いを測定することや新規現象を実現させて観察することが重要な研究手法です．特に温度を下げて低温環境を実現することはとても重要な実験操作ですが，物体を冷却するためには様々な工夫が必要です．簡単な方法は低温の物体（寒剤）に対象を接触させて熱を奪うことです．液体窒素（77K）は安価に大量に使うことが出来るので沢山使われていますが，さらに低い温度を実現するためには液体ヘリウム（4.2 K）が利用されます．液体ヘリウムは超伝導コイルの冷却にも使われます．さらに冷凍機を利用し様々な手法を組み合わせることで，対象を絶対零度に限りなく近い超低温まで冷却することも可能です． ヘリウムは有限の地下資源であり，日本では全量を国外からの輸入に頼る貴重資源です。資源の有効利用を図るために本学ではヘリウム液化システムを整備し運用しています．ヘリウムの循環利用により貴重な資源を有効利用できるだけでなく，実験室で安価に液体ヘリウムを利用できるようになるので研究環境を整えるためにも非常に重要な設備です．ヘリウム液化システムは主要大学や研究所で運用されていますが関東でも数カ所のみであり，多摩地区では本学にしか置かれていません．
今回はこのヘリウム液化システムを含めた寒剤供給体制の見学の他，研究設備センターが運用する測定装置類の見学も合わせて行います．
キーワード
液体ヘリウム，液体窒素，低温実験
レポート課題
講義聞いて，また研究設備センターを見学して学んだこと，感想などを記載して，東１号館３階エレベータ前のポストに提出ください．
提出期限：11月19日（月）
学内講師による講演内容
１１月 ８日（木） 助教 VOHRA Varun 先生
第５回講義：Sustainable organic solar cells for photovoltaic window applications
(光起電力窓に応用できる持続可能なプロセスで作製した有機太陽電池)
講義概要
有機半導体は無機材料より低コストで作製可能であり、分子構造によってそれらの光電子特性（吸収・導電性）を簡単に調整することができる。アノード（陽極）とカソード（陰極）間に共役ポリマー半導体（電子ドナー）とフラーレン（電子アクセプター）の混合薄膜活性層を組み込むことで光起電力特性をもつ有機太陽電池を単純に製作できる。薄膜活性層は半透明であり、透明な電極を使用する場合は有機太陽電池を直に光起電力窓として応用することが可能となる。変換効率が10％を超える有機太陽電池は2015年から次々に発表されており、2018年にアモルファスシリコン太陽電池とほぼ同じ最高変換効率（14%)の有機太陽電池を作製することができた。しかし、高効率有機太陽電池の活性層を塗布するために、材料および危険な溶媒を多く廃棄する持続可能でないスピンコート法を利用することになる。加えて、従来の有機太陽電池には活性層上に真空蒸着で金属電極を作製することでコストが増加してしまい、高エネルギー入力が必要であるため、プロセスの持続可能性はより低下してしまう。本講演では持続可能性の高い光起電力窓を作製するため我々が開発した新たな活性層や電極の作製プロセスを発表し、光色を変化させずにデバイスを透過する光量を増加する戦略を紹介する。
キーワード
有機半導体・光起電技術・持続可能なプロセス
レポート課題
- 本講演で発表した活性層プロセスの利点、欠点を説明してください。
- ３元活性層の２種類（D:D:AとD:A:A）の動作原理（エネルギー移動・電荷分離・電荷輸送）を考慮に入れて、それぞれの利点、欠点を説明してください。
実習日程
- 12月 5日（水）16:30-17:00
- 12月 5日（水）17:15-17:45
- 集合場所：西８-711前
- 実習内容：研究室見学と研究紹介
１１月 １日（木） 准教授 志賀 智一 先生
第４回講義：情報ディスプレイの高画質化とその背景要因
講義概要
我々はスマートフォンや携帯ゲーム機器、テレビ、PCなどを通して電子情報ディスプレイを日頃から利用している。このほかにも店舗や屋外に設置されたデジタルサイネージ（電子掲示板）、公共交通機関の車内に設けられたディスプレイもよく目にしている。これらのことからディスプレイは一番身近な電子機器と言えるであろう。スマートフォン、テレビ用ディスプレイの高画質化は年々進んでおり、現在では多くの人が満足できるようなレベルに達している。しかしながら更にその上の画質を目指して技術開発が進められており、解像度は現行テレビ放送の4倍,16倍の解像度を持ついわゆる4K,8Kディスプレイが登場してきた。また、より鮮やかな色を表現できる高色域表示技術や、影に隠れた物体と青空を同時に表示できるような高ダイナミックレンジ表示技術が提案されている。本講義ではそれらの高画質化技術がなぜ必要であるのかを人間の視覚特性の観点から説明する。
キーワード
視覚特性、色彩工学、ディスプレイ
レポート課題
視力検査で用いられるランドルト環（Ｃの記号）で幅 d [cm] のスリットが見える最小の視角 θ [分]と視力AにはA=1/θ の関係がある。なお1分は1°の1/60である。以下の問いに答えよ。
- 視距離が D [cm] の時、視力Aの人が見える最小のスリット幅 d を ppi (pixel per inch) の単位で表すと、2.54/(2D tan (1/2A)) となることを示せ。なお1 inch = 2.54 cmとする。
- 自分がよく使うディスプレイ（テレビ、PC、スマートフォンなど）の視距離（目からディスプレイまでの距離）を調べ、その視条件の dを1.の式を用いて ppiの単位で計算せよ（次元の変換に注意）。Aは自分の視力とすること。例えば視力1の人が100 cmの視距離で見る場合、87ppiとなる。
- 2.の計算結果と自分の使用しているディスプレイの解像度（ディスプレイ表示部分の大きさと画素数から計算できる）を比較し、視覚的に十分か不十分か評価せよ。
実習日程
- 12月4日（火）16:30-17:15
- 12月4日（火）17:15-18:00
- 集合場所：西8号館 601号室前
- 実習内容：研究室見学と研究紹介
１０月２５日（木） 教授 斎藤 弘樹 先生
第３回講義：ボース・アインシュタイン凝縮とは何か
講義概要
古典力学では粒子の位置や速度は定まったものと考えるが、量子力学ではそれらは「ぼやけて」いる。このような粒子の量子力学的な状態は波動関数Ψと呼ばれるもので記述される。
通常は、波動関数の形を直接観測することはできない。なぜならば、粒子を見ようとすると|Ψ|^2に比例する確率でどこかに粒子が発見されるとともに、観測前の波動関数は壊されてしまうからである。
これに対して、ボース・アインシュタイン凝縮では、多数の粒子が同じ波動関数Ψに「凝縮」している。観測を行うと、それらの粒子は|Ψ|^2に比例する分布に従って見出される。つまり波動関数の形が粒子数分布として浮き彫りになる。しかもそのサイズは0.1mmほどもあり、文字通り波動関数の形が「見える」わけである。
ボース・アインシュタイン凝縮が原子気体で初めて実現されたのは1995年のことである。これはレーザーや磁場などを巧みに利用し、原子気体の温度をマイクロケルビン以下という超低温に冷却することで実現された。
本講義では、ボース・アインシュタイン凝縮とはどのようなものかを、量子力学を履修していない学生にも理解できるように解説する。
キーワード
量子力学、ボース・アインシュタイン凝縮
レポート課題
- 本日の講義の中で関心を持った事項を具体的に挙げ、感想、考察を述べよ。
- 物質波の干渉実験では、同心円状の波同士が干渉しているにもかかわらず、直線的な干渉縞が観測された。その理由を説明せよ。
実習日程
- 12月 5日（水）16:30-17:15
- 12月 5日（水）17:15-18:00
- 集合場所：東６号館４２３号室
- 実習内容：研究室見学と研究紹介
１０月１８日（木） 特任教授 岩澤 康裕 先生
第２回講義：燃料電池と触媒のリアルタイム観察およびイメージング
講義概要
我が国の政策課題となっている次世代水素燃料電池や、自動車産業と並んで我が国の貿易収支を支えてきた化学工業プロセスは、エネルギー・資源に乏しく、環境・気候変動や医療・医薬に問題を抱え、自然災害が多発する我が国の持続的発展（SDGｓ）のために必須の触媒プロセスである。人工知能、ビッグデータ、IOTなどと並んで、次世代新型触媒の設計・開発および計測・解析は世界的な競争下に置かれている。特に、機能物質・材料の動作下のin situ及びoperando計測技術・解析法は生きた情報を与える強力な先端科学技術である。しかし、触媒は“ブラックボックス”と言われるように、触媒のin situ及びoperando計測解析は依然として極めて難しいアプローチでもある。我々が建設した世界オンリーワン・世界最高性能のビームラインBL36XU @SPring-8（図参照）を始めとする最先端分析法によるin situ及びoperando計測解析により“触媒は変化しない”という常識が間違っていることが分かるであろう。本セミナーにおいては、また、触媒の化学史に名を残している科学者についても紹介する。
キーワード
燃料電池、触媒、放射光分析法、in situ & operando計測解析
レポート課題
「触媒が無いと進まない化学反応が何故触媒により進行するのか述べよ。
実習日程
- 12月18日（火）16:30-17:15
- 12月18日（火）17:15-18:00
- 集合場所：東6号館308号室
- 実習内容：研究室見学と研究紹介
１０月１１日（木） 准教授 白川 英樹 先生
第１回講義：光で解き明かす生命のしくみ
講義概要
１７世紀に光学顕微鏡が発明されて以来、生物科学の研究は新たな光技術の開発と並行して発展を続けてきました。最近でも、従来の解像度の限界を超える新たな顕微鏡法を開発した研究者がノーベル化学賞を受賞しました。今日の生命科学・生命工学分野の研究で使われる測定・解析手法には、実に様々な光技術が応用されていますが、本講義では主に、生物がつくる優秀な機能分子であるタンパク質を活用した方法について、私たちの研究室で行っている具体的な研究の例を交えてお話しします。なかでも、（１）“光るタンパク質”を使って生きた細胞の中の生体分子の動きを詳しく『観る』技術と、（２）“光で変わるタンパク質”を使って細胞の挙動を意のままに『操る』ためのアプローチに焦点をあて、それらの原理や実際の応用例について解説します。
キーワード
蛍光タンパク質、光センサータンパク質、バイオイメージング、オプトジェネティクス
レポート課題
- 生きたままの細胞の中で特定の種類の分子だけを観察するには、どのような方法を用いればよいか？
- 光センサータンパク質の応用法（対象は生物でなくても構わない）を１つ提案せよ。
実習日程
- 12月19日（水）16:30-17:15
- 12月20日（木）16:30-17:15
- 集合場所：東6-728
- 実習内容：実験室見学と共焦点蛍光顕微鏡のデモ
受講申し込みのお知らせ
本講義の履修には，メールでの申し込みが必須です．
締切：１０月９日（火）１３：００
パスポートセミナー受講希望者は必ずメールを下記に送ってください．
contactアットpassport.uec.ac.jp
（アットを@に置き換えてください。）
件名：パスポートセミナー申込
内容：類＋学籍番号＋氏名＋受講理由
受講理由がないものは受け付けません．
Ａ学籍番号@edu.cc.uec.ac.jpメールにて送付すること．
ガイダンス
時間：１０月４日（木）１限
場所：Ａ２０１
UECパスポートプログラムの目的とセミナーの内容をご案内した後，受講希望者数を調査します．