電池の研究開発で世界をリードする東京工業大学 科学技術創成研究院の菅野了次教授が統括する「全固体電池技術共創コンソーシアム」が活動を開始し、1月23日、創立シンポジウムを東工大大岡山キャンパス蔵前会館で開きました。

同コンソーシアムは2019年9月、国立研究開発法人・科学技術振興機構（JST）の産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム（OPERA)に研究領域「目的指向型材料科学による全固体電池技術の創出」プロジェクトとして採択されました。東工大が幹事機関となり、民間企業6社が参画機関として加わり、全固体電池の実用化を促進する研究を行います。

コンソーシアムのキックオフとなる創立シンポジウムは、本学と共同研究を行う企業研究者を中心に100名近くが参加しました。

益一哉学長の開催挨拶に続いて、来賓の真先正人文部科学省大臣官房文部科学戦略官と白木澤佳子JST理事が、祝辞とともに本プロジェクトの意義とプロジェクトへの大きな期待を述べました。

続いて、領域統括の菅野教授がコンソーシアムで取り組む課題について説明しました。全固体電池の実用化に向けてのさまざまな課題と、それを解決するためのコンソーシアムとしての取り組みを紹介しました。

さらに、科学技術創成研究院 全固体電池研究ユニットの研究者4名が、超イオン導電体であるLGPS結晶構造を探索する取り組みや、全固体電池の実用化に求められる要素性能を定量的に把握する基盤技術の構築といった最先端の技術を紹介しました。

• 物質理工学院 応用化学系 鈴木耕太助教
  研究課題「革新的材料研究」

• 科学技術創成研究院 堀智特任助教
  研究課題「次世代型への飛躍研究」

• 物質理工学院 応用化学系 平山雅章准教授
  研究課題「用途多様化研究」

• 科学技術創成研究院 池松正樹特任教授
  研究課題「社会実装のための技術課題検討」

研究領域「目的指向型材料科学による全固体電池技術の創出」の概要

情報化社会が進展してスマートフォンやタブレットなどの携帯情報端末が日常生活に不可欠なものになり、また電気自動車（EV）へのパラダイムシフトがグローバルに加速している。これらには現在、液体の電解質を持つリチウムイオン電池などが利用されているが、さらに安全性が高く、コンパクトで高性能な電池の開発が期待されている。菅野教授らが創り出した超イオン導電体（固体電解質）は、固体中を高速でイオンが選択的に動き回り、かつ低温から高温まで幅広い温度領域で作動する新しい材料であり、液漏れもなく安全性や安定性にも優れ、重量あたりのエネルギー密度も高い、全固体電池のキーテクノロジーである。本共同研究では、超イオン導電体の開発を世界的にリードしている技術優位性を活用し、全固体電池の実用化を促進するための研究を行う。 （JSTサイトによる）

• 文部科学省 「オープンイノベーション機構の整備事業」に採択｜東工大ニュース
• リチウム電池のブレークスルーに向けて全固体化による安全性と容量の向上を実現 ― 菅野了次｜研究ストーリー｜研究
• “企業”と“大学”それぞれの道を歩む2人の若き研究者～未来を変える次世代電池の開発と実装を目指して～｜研究ストーリー｜研究
• 菅野・平山研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 菅野了次 Ryoji Kanno
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 平山雅章 Masaaki Hirayama
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 鈴木耕太 Kota Suzuki
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 池松正樹 Masaki Ikematsu
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 堀智 Satoshi Hori
• 研究ユニット｜組織構成｜科学技術創成研究院
• 物質理工学院 応用化学系
• オープンイノベーション機構連携型｜研究領域｜産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム
• プログラム概要｜産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム
• 産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム（OPERA）について｜科学技術振興機構

要点

• 1ナノメートルサイズ酸化銅粒子のアモルファス構造解析に成功
• 安価な酸化銅が貴金属にも匹敵する高効率触媒活性を達成
• 高難度炭化水素の酸化反応に対応できる新触媒技術への期待

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の田邊真特任准教授と山元公寿教授らの研究グループは、1ナノメートル（nm）程度の酸化銅サブナノ粒子^[用語1]が、炭化水素^[用語2]の酸化反応^[用語3]において高効率触媒活性を示す要因を明らかにした。

酸化銅は銅と酸素が安定な化学結合を形成した化合物だが （錆びた銅の成分）、その酸化銅粉末を1 nmサイズまで極小化すると、結晶構造としての安定性が失われると同時にアモルファス構造^[用語4]による反応性が向上する。サブナノ酸化銅粒子の構造解析と触媒活性の評価から、既存の貴金属触媒にも匹敵する高効率な触媒活性を示すことを見いだした。

研究成果は、既成概念にとらわれないサブナノ酸化物粒子の精密な構造解析や化学特性に関する実験結果をもとに、安価な銅触媒でも高難度炭化水素の酸化反応を引き起こす触媒技術開発に貢献できると期待される。

研究は科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業総括実施型研究（ERATO）「山元アトムハイブリッドプロジェクト（山元公寿研究総括）」で実施した。研究成果は2月6日発行の米国化学会誌「ACS Nano」オンライン版に掲載された。

背景と経緯

酸素親和性の高い遷移金属 (チタン、鉄、銅など) を含む酸化物は遷移金属と酸素原子から安定な結晶構造を形成するため、そのバルク材料やナノ粒子が顕著な触媒活性を示すことはほとんどない。これに対して、1 nmサイズの物質は規則的な原子配列を持たないアモルファス構造が支配的であり、従来のナノ粒子より触媒活性が向上することが期待されている (図1)。

しかしながら、サブナノ酸化物粒子を合成する手法は限られているため、その粒子構造や触媒機能はほとんど理解されていなかった。今回の研究では、樹状型高分子デンドリマー^[用語5]を鋳型として用いることで、原子数が規定されたサブナノ酸化銅粒子の合成および構造解析をおこない、炭化水素の酸化反応において高い触媒活性を示す要因を探究した。

研究成果

サブナノ酸化銅粒子の合成には樹状型の規則構造をもつデンドリマーをテンプレートとして利用する。デンドリマー構造中に銅イオンを取り込み、化学還元により銅粒子が形成された後、大気下で晒（さら）して酸化銅粒子を合成した （図2）。

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図2.

（a）デンドリマーを鋳型とするサブナノ酸化銅粒子（Cu_nO_x@DPA）の合成スキームと電子顕微鏡像 （b）Cu₁₂O_x、（c）Cu₂₈O_x、（d）Cu₆₀O_x.

X線光電子分光法^[用語6]、赤外分光法^[用語7]による構造解析の結果、サブナノ酸化銅粒子に含まれる銅－酸素（Cu－O）結合は、酸化銅粉末の結晶性Cu－O結合とは全く異なっていた。その特徴は （1）極小粒子の歪み構造が影響してCu－O結合が伸長すること、（2）Cu－O結合間にイオン性^[用語8]が増大して分極が生じることである。

理論計算から再現化したサブナノ酸化銅粒子はアモルファス構造を形成し（図1右）、かつ、そのCu–O結合間に電荷の偏りが増大したことから、各種分析結果を合理的に説明することができた。さらに、これらの結合状態は空気中の水分子が作用して粒子表面に多くの水酸基が吸着するという化学特性も観測された。言い換えれば、従来のナノサイズと比較して「サブナノ酸化銅粒子は反応性が高い状態を保持している」とみなすことができる。

実際に炭化水素（トルエン）の酸化反応において、ジルコニア（ZrO₂）に担持したサブナノ酸化銅粒子は市販ナノ粒子より高い触媒活性を示すだけでなく、粒子サイズの減少に伴って触媒活性が向上する実験結果を得た （図3）。サブナノ酸化銅粒子の精密な構造解析から触媒活性が向上する関連性を明らかにした。その結果、安価な銅を含むサブナノ酸化物が酸化反応において貴金属ナノ粒子にも匹敵できる触媒活性に至ったことを実証できた。

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図3.

（a）サブナノ酸化銅触媒（Cu_nO_x: n = 12、28、60）によるトルエン酸化反応、（b）原子数に依存した触媒活性

今後の展開

サブナノ粒子の触媒開発にはナノ粒子の既存概念の延長ではなく、粒子自身の構造解析及び反応特性などの分析結果を正確に理解することが不可欠である。今後、さらなる高機能触媒の開発に向けて複数元素で構成される多元合金ナノ粒子 ^{[用語9] [参考文献1]} が注目されており、高効率高選択率を可能とする革新的酸化触媒の開発に貢献できると期待される。

謝辞

本研究は日本学術振興会（JSPS）、科学技術振興機構（JST-ERATO）、および第一稀元素化学工業株式会社の支援・協力を受けて実施された。

論文情報

掲載誌 :	ACS Nano
論文タイトル :	Enhanced Catalytic Performance of Subnano Copper Oxide Particles
著者 :	Kazutaka Sonobe, Makoto Tanabe and Kimihisa Yamamoto
DOI :	10.1021/acsnano.9b07582 Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース 貴金属に匹敵する触媒活性を示す安価な錆びた銅 ―極小サイズが引き起こす高活性化―Image may be NSFW.
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• 山元・今岡研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 山元公寿 Kimihisa Yamamoto
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 田邊 真 Makoto Tanabe
• 物質理工学院 応用化学系
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• JST ERATO 山元アトムハイブリッド プロジェクト
• 研究成果一覧

東京工業大学大岡山キャンパスに横20メートルの大きな屋外壁画が2月3日、完成しました。タイトルは「水底（みなそこ）」。東工大生や教職員だけでなく、ご近所の皆さんも力を合わせて色を塗り、カラフルに仕上げた大作をどうぞご覧ください。

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場所は正門を入ってすぐ、附属図書館向かいの工事現場。2020年12月のオープンを目指して建設が進む学生向け国際交流施設「Hisao & Hiroko Taki Plaza（ヒサオ アンド ヒロコ タキ プラザ、以下、Taki Plaza）」の白い仮囲いです。仮囲いが撤去されるまで期間限定の「Taki Plaza仮囲いアートプロジェクト」となります。「水底」にはTaki Plazaを舞台に実現するであろう学生のつながり、交流、海と陸を超えた世界への飛躍がイメージされています。左から右に向かって成長していく様子を描いています。

Taki Plazaの建設は2019年5月に始まり、工事作業は仮囲いで見えなくなりました。「Taki Plaza仮囲いアートプロジェクト」は、真っ白に広がる仮囲いそのものを活用し、Taki Plazaについて広く知ってもらう企画です。

7月、参加者を学内公募で募ったところ、15名（うち6名は留学生）の学生が集まりました。参加学生は、Taki Plaza の企画運営を担当する「Taki Plaza 学生ワーキンググループ」から、Taki Plazaのコンセプトと各フロアの構成について説明を聞きました。各々がTaki Plazaをテーマにスケッチを描き、思い思いのアイデアを元にディスカッションを行いました。東工大のシンボルであるツバメをモチーフにした案。フォトスポットを意識したアイデア。Taki Plazaでの学生の交流活動を切り取った構想。さまざまな提案を討論しながら、方向をしぼります。下絵は、人を惹きつけるスケッチを描いた工学院 機械系 学士課程3年の神田海都さんが担当することになりました。

神田さんが考案した「水底」のコンセプトは以下の通りです。

Taki Plaza

Taki Plazaは学生のための国際交流拠点として建設を進めています。本学の卒業生である株式会社ぐるなびの滝久雄取締役会長からの寄附金をもとに、留学生と日本人学生が出会い、つながる場として構想されました。地上2階・地下2階、延床面積約4,800平方メートル、設計は隈研吾建築都市設計事務所。

本学のランドマークとして、大岡山キャンパス正門入口付近に2020年12月、オープンします。

• Hisao & Hiroko Taki Plazaのフロアコンセプトを学生グループが考案｜東工大ニュース
• 2020年、学生向け国際交流の施設が誕生｜東工大ニュース
• Taki Plaza活用検討学生ワークショップ「東工大グランプリ」開催報告｜東工大ニュース
• 学生交流支援基金｜基金による支援事業｜東工大への寄附
• Taki Plaza ウェブサイト

タイのチュラロンコン大学から計18名の学生と教員が1月8日から17日までの10日間、東京工業大学を訪問し、東工大グローバル理工人育成コースの学生とともに「AI」をテーマに、サイトビジットと合同プレゼンテーションを行いました。

グローバル理工人育成コースでは、東工大とチュラロンコン大学の合同で、異文化課題解決型学習 GATI（Global Awareness for Technology Implementation in the Solving of Social Issues）プログラムを、毎年実施しています。2019年度は第5回目（GATI 5）となります。同コースの東工大生が超短期海外派遣プログラムにより8月末にタイ・バンコクを訪問、第3・第4クォーターに両大学をポリコムシステムで繋いだ遠隔授業を行い、その後、1月にチュラロンコン大生が来日してサイトビジット及び最終発表と、約半年にわたって行われました。

2019年度のテーマは「AI」

GATIでは、両大学合同のグループを作り、その年度のテーマに関連するトピックを各グループで決定し、グループワークを行います。2019年度のテーマは「AI」です。東工大から9名、チュラロンコン大から18名の学生達が参加し、6グループに分かれて活動しました。8月末に東工大生がタイに滞在した期間に、AIについて専門家による講義を聞き、AIを活用している企業を訪問しました。6つのグループは、「自動運転車」「AIを活用した農業」「個人情報への意識」「AI活用による失職」「自律型兵器」「災害後の支援」のトピックをそれぞれ取り上げることを決定しました。東工大生が日本に帰国した後は、週1回の遠隔授業に加え、授業時間以外にグループごとで調査・共同研究を重ね、最終発表で提案するプレゼンテーションの準備を進めました。

1月にチュラロンコン大生が来日し、東京工業大学 工学院 機械系の葭田貴子准教授が、AIテクノロジーにおける倫理面での課題について講義しました。葭田准教授は人工知能を有するロボットが起こした事故に対して、誰が責任を負うべきか、ユーザーなのか、メーカーなのか、それともロボットなのか、といった責任の所在について、ディスカッション形式で学生からの意見を聞き取りながら、講義を進めました。学生達の関心はこれまで最新の技術に対して向かっていましたが、想像を超えたAIの発達により生じるELSI（倫理的・法的・社会的な課題）について新たな視点を与えられました。将来的に世界の技術革新に携わることになる両大学の学生にとって、有意義な時間となったようです。

NEC サイバーダイン 企業訪問

来日したチュラロンコン大生と東工大生は、AI分野での世界のトップ企業の一つであるNECImage may be NSFW.
Clik here to view.（東京都港区）を訪問し、NEC AI・アナリティクス事業部シニアマネージャーの秋元一郎氏・同主任の茂刈春華氏より「NECのAI事業への取組」について、NECクロスインダストリー事業開発本部主任の片岡宏輔氏より「データ流通」、長谷川明彦氏より「自動運転」について説明を受けました。その後、学生が進めているグループごとのトピックを発表し、アドバイスや意見を伺いました。さらに、NEC Future Creation HubImage may be NSFW.
Clik here to view.を英語で案内され、AIを使用した日本の最先端技術について学びを深めました。

最終日には、大型バスで茨城県つくば市へ行きました。まず産業技術総合研究所のショールーム「サイエンス・スクエアつくば」を訪問しました。最新の日本の科学技術の研究展示について、英語で詳細な解説があり、学生たちは熱心に聞き入っていました。

その後、同市内のCYBERDYNE（サイバーダイン）株式会社本社を訪問しました。同社のCEO（最高経営責任者）であり、筑波大学大学院の教授でもある山海嘉之氏から、世界各国の医療関連機関などで導入されている装着型サイボーグHAL®（Hybrid Assistive Limb®）製品の開発過程や、医療分野へのAIの適用で未来を変える構想など、貴重な講義を聞きました。穏やかで明快でユニークな山海教授の語り口に、両大学の一同はすっかり魅了されてしまいました。

グループの最終発表

1月16日には東工大大岡山キャンパスレクチャーシアターで最終発表を行い、6グループが遠隔ワーク及びタイ・日本滞在中に進めてきたグループワークの成果を発表しました。

各グループともタイと日本の文化による意識の違いをふまえ、Webでのアンケート調査や、自ら開発したアプリを提案するなど、それぞれが課題に対する取り組みを英語で発表しました。

発表終了後には、東工大グローバル人材育成推進支援室長の須佐匡裕教授が双方の学生代表に修了証を授与しました。

学生たちは半年近く密接に交流し文化の違いを意識しながらも、共同で共通の課題に取り組んできました。2019年度も英語でのコミュニケーション力向上にとどまらず、異文化を理解し、友情を育みながら自分の強みをアピールしつつ同じ目的に邁進する、という実践的な意味でのグローバルな能力を大きく向上させることができました。

• 東工大・チュラロンコン大学合同の異文化課題解決型学習プログラム開催｜東工大ニュース
• グローバル理工人育成コース ―国境を越えて活躍するエンジニアを育てる―｜教育TOPICS｜教育
• ロボットやAIと人間の関係性を究める ― 葭田貴子｜研究ストーリー｜研究
• グローバル理工人育成コース
• 超短期海外派遣プログラム（タイ）-2019年度・夏｜グローバル理工人育成コース

要点

• 世界初5 nm CMOSプロセスを用いた分数分周型クロック回路を実現
• 世界最小・最高性能のスペクトル拡散クロック回路の開発に成功
• デジタル回路のみで構成でき、自動合成による超短期間設計が可能

概要

東京工業大学 工学院 電気電子系の岡田健一教授らと株式会社ソシオネクストの研究グループは、最先端の5 nm FinFET CMOSプロセス^[用語1]で世界初となる世界最小の高性能分数分周型クロック回路^[用語2]の開発に成功した。この回路はプロセッサーやメモリー、通信用のクロック用途として必須の電子回路であり、開発したクロック回路は小型ながらも優れたジッタ特性^[用語3]を持つ。また、細かい周波数調整が可能な分数分周型PLL^[用語5]で構成されており、スペクトル拡散クロック^[用語6]の生成が可能である。

一般にクロック回路は典型的なアナログ回路であり、従来はアナログ回路設計者が時間をかけて設計・チューニングする必要があったが、本技術ではクロック回路をデジタル回路として構成することを可能とした。通常のデジタル回路と同様に自動配置配線が可能となり、非常に短時間で必要なプロセスやクロック周波数に合わせて最適に設計することができる。また、製造プロセスの微細化にあわせてスケーラブルに回路面積を小型化することが可能であり、幅広い用途のSoC^[用語7]の小型化・低コスト化を実現できる。

研究の背景・意義

携帯電話、パソコン、テレビなどを含むほとんどの電子機器に搭載されているLSI（大規模集積回路）は、デジタル信号処理を行うデジタル回路部と、外部からのアナログ信号を扱うアナログ回路部から構成される。LSIを製造する半導体製造プロセスの微細化にあわせてデジタル回路は小型化・高性能化が可能であるが、アナログ回路は小型化が困難であり、また、微細な製造プロセスほど設計が困難になることが大きな問題となっている（図1）。

LSIには、所望の周波数のクロック信号や通信用搬送波信号を生成するクロック回路が搭載されている。LSIに内蔵されるクロック回路は通常PLL方式のクロック回路が用いられる。PLLは典型的なアナログ回路の一種であり、FinFETのような最先端の半導体製造プロセスを用いる場合に、従来に比べて、設計がより困難となり、また、デジタル回路部分に比べて相対的に回路面積が大きくなる問題がある。

一般にアナログ型のPLLは優れたジッタ特性を持つことができる一方で、キャパシターやインダクターなどの回路面積の大きいアナログ素子を用いることになり、特に20 nm以下の先端プロセスでは微細プロセスの利点を失わせかねない課題を抱えている。また、通常アナログ回路は手作業で設計・レイアウトが行われるが、先端プロセスではアナログ回路の設計ルールが複雑化し、設計・検証の反復のコストが増大してしまう問題がある（図1）。さらに、高周波回路は回路寸法が大きくなればなるほど意図しない抵抗や容量による寄生成分が増え、アナログ素子による面積増大が性能劣化につながる。また、従来からデジタル型のPLLについて検討は行われていたが（図2）、回路ブロックの一部にアナログ回路が含まれており、依然としてアナログ回路の手設計が必要であった。本提案技術であるシンセサイザブルPLLでは、構成する回路ブロックをすべてデジタル回路構成とすることができ、あたかもデジタル回路のように自動設計を可能とすることに成功した（図2）。これにより、半導体製造プロセスの微細化にあわせて回路面積の縮小が可能となり、低消費電力化が期待できる。従来方式と比較すると、最先端の微細なプロセスを使うほどに性能の向上が期待できる。

PLLには生成できる周波数が基準信号に対して整数倍の周波数のみか、あるいは非整数倍（分数倍）の周波数を出力可能かで、それぞれ整数分周型（インテジャーN型）PLLと分数分周型（フラクショナルN型）PLLの二つの種類がある。無線機やSoCなどでは、任意の周波数の発生が可能な分数分周型PLLが必要である。分数分周型PLLは汎用性が高く、様々な用途での利用が可能であるが、一方で設計の難易度が高いことが問題であった。

研究成果

今回の成果は、従来のデジタルPLLにおいて、アナログ回路構成で実現されていたデジタル制御発振器（DCO）^[用語8]および時間差デジタル変換器（TDC）^[用語9]をデジタル回路構成により実現できたことによる（図2）。従来のデジタルPLLでは、TDC回路で長い時間差の変換が必要であったため、アナログ回路設計による高線形なTDCが必要であった。本研究成果では、タイミングをデジタル的に制御するデジタル時間変換器（DTC）^[用語10]とTDC回路とを組み合わせることで、TDC回路に必要な時間差範囲を狭めることに成功し、そのデジタル回路化に成功した。一方で、DTC回路には長い時間差での変換が必要になるが、デジタル補正を組み合わせることでこの問題を解決した。DCO回路においても、同様にデジタル補正を駆使することでデジタル回路化を実現した。以上により、PLL回路全体をデジタル回路として構成することが可能となり、デジタル回路開発で使用されている回路合成・タイミング設計や自動配置配線ツールを活用できるようになり、通常のデジタル回路同様に、PLLをスタンダードセルによって自動設計できるようになった。これは異なるプロセス間での移植性を高め、新たに開発された最先端製造プロセスにおいても迅速な回路設計を可能とする。

図3は作製したチップ写真である。実現した回路は、分数分周型（フラクショナルN型）のPLLで、わずかな面積で高周波信号の生成が可能なリングオシレータ^[用語11]型の発振器を用いた。回路面積は世界最小の0.0036mm²であり（図4）、消費電力とジッタ特性に関する性能指標であるFoM^[用語12]が-235 dB（デシベル）と、極めて優れた性能を達成した（表1）。わずか0.95mWの消費電力で動作し、スプリアスレベル^[用語13]は低く-44 dBcであった。さらにスペクトル拡散クロック機能を有し、低電磁妨害特性を実現した。

本研究成果は、1月27日に集積回路設計技術において権威のあるジャーナルのひとつである「IEEE Solid-State Circuit Letters（米国電気電子学会 固体素子回路レター誌）」に掲載された。

なお本研究は株式会社テラピクセル・テクノロジーズの協力により実現した。

今後の展開

本提案技術である高性能クロック回路により、世界最先端の5 nmプロセスによる高性能、低消費電力、小面積のSoCを短期間で設計することが可能になった。また、クロック回路のデジタル化により、将来のSoCの全自動設計への道が拓かれた。ソシオネクストは今回の成果をもとにAIやIoTなど今後も継続して市場の成長が予想される分野で商品やサービスの差異化に寄与するSoCを供給していく。また東工大とソシオネクストは今後も、アナログデジタル変換器などの他の種類のアナログ回路の自動合成を始めとするCMOSミックストシグナル設計の基礎技術開発の分野で協力していく。

論文情報

掲載誌 :	IEEE Solid-State Circuits Letters
論文タイトル :	A Fully-Synthesizable Fractional-N Injection-Locked PLL for Digital Clocking with Triangle/Sawtooth Spread-Spectrum Modulation Capability in 5 nm CMOS
著者 :	Bangan Liu（東工大 研究員）、Yuncheng Zhang（東工大 博士後期課程学生）、 Junjun Qiu（東工大 博士後期課程学生）、Hongye Huang（東工大博士後期課程学生）、 Zheng Sun（東工大博士後期課程学生）、Dingxin Xu（東工大 修士課程学生）、 Haosheng Zhang（東工大 博士後期課程学生）、Yun Wang（東工大 研究員）、Jian Pang（東工大 研究員）、Zheng Li（東工大 修士課程学生）、Xi Fu（東工大 修士課程学生）、白根篤史（東工大 助教）、黒須一司（ソシオネクスト）、中根美徳（ソシオネクスト）、正木俊一郎（ソシオネクスト）、岡田健一（東工大 教授）
DOI :	10.1109/LSSC.2020.2967744 Image may be NSFW. Clik here to view.

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東京工業大学の40歳未満の若手研究者に対し基礎研究の資金を支援する2019年度「大隅良典基礎研究支援」授与式が1月24日、東工大すずかけ台キャンパスで行われました。

「大隅良典基礎研究支援」は2016年にノーベル生理学・医学賞を受賞した大隅良典栄誉教授からの寄附をもとに東工大が設立した「大隅良典記念基金」を原資にしています。本支援は、長期的な視点が必要な基礎研究分野における若手研究者支援を目的として研究費の支援を行います。40歳未満の本学教員による基礎研究を対象に、1件あたり250万円までを支援します。2019年度に初めて6名を選びました。2回目の今回は42名の応募があり、4名が採択されました。

大隅良典基礎研究支援の概要

2019年度「大隅良典基礎研究支援」採択者一覧

授与式では、4名の支援採択者に対して益一哉学長から支援決定通知書が手交されました。益学長より本学の基礎研究支援の取り組みについて説明があった後、大隅栄誉教授より祝辞がありました。次いで支援採択者と益学長、大隅栄誉教授、渡辺治理事・副学長（研究担当）ら審査員を交えた懇談が行なわれ、採択者の研究紹介や、活発な意見交換がなされました。

東京工業大学は、今後も日本の礎となる基礎研究に対する支援を続けていきます。

大隅良典記念基金

大隅良典栄誉教授が2016年、「オートファジーの仕組みの解明」によりノーベル生理学・医学賞を受賞したことを機に、将来の日本を支える優秀な人材を育成するため、経済的支援が必要な学生が本学で学ぶための修学支援（奨学金）並びに長期的な視点が必要な基礎研究分野における若手研究者支援の推進など、研究分野の裾野の拡大を目的として設立しました。

「基礎研究支援」は大隅栄誉教授が、若い人がチャレンジングな課題に取り組める環境整備や次世代を担う研究者の育成支援について要望されたことに基づき、発足しました。

東工大は大隅良典記念基金をさらに充実させるため、寄附を受け付けています。

• 平成30年度「大隅良典基礎研究支援」授与式を開催｜東工大ニュース
• 東京工業大学 研究・産学連携本部

要点

• 酸化チタンと水酸化コバルトを組み合わせた可視光駆動型水分解電極を開発
• 太陽光に多く含まれる可視光をエネルギー源に水から水素を製造
• 水分解光電極を駆動する新しい原理を発見

概要

東京工業大学 理学院 化学系の前田和彦准教授、田中秀幸大学院生（2017年度修士課程修了）、岡崎めぐみ大学院生・日本学術振興会特別研究員らは、酸化チタンと水酸化コバルトからなる複合材料が可視光照射下で水を分解する光電極^[用語1]として機能することを発見した。

紫外光を吸収して水を光分解できる酸化チタンと、水の酸化の優れた触媒となる水酸化コバルトを組み合わせると、水酸化コバルトから酸化チタンへの電子遷移^[用語2]に基づく可視光吸収が生じ、これを水の光酸化に利用して実現した。水分解水素製造だけでなく、二酸化炭素光還元^[用語3]への応用も期待される。

前田准教授らの発見により、ありふれた物質同士の単純な組み合わせだけで太陽光エネルギーを化学エネルギーへ変換する革新的機能材料を創出できる可能性が見えてきた。

研究成果は1月31日、米国の科学誌「ACS Applied Materials & Interfaces（米国化学会・アプライド マテリアルズ アンド インターフェース）」オンライン版に掲載された。

研究の背景

水を水素と酸素に分解する光電極の開発は太陽光に多く含まれる可視光を化学エネルギーへ変換する“人工光合成”実現の観点から重要な課題である。酸化チタンに代表されるある種の金属酸化物は合成が比較的容易で、化学的にも安定であることから、水分解の光電極材料として広く研究されてきた。だが、それらのほとんどはバンドギャップ^[用語4]が大きいため、紫外光しか吸収できないことが大きな問題となっていた。

研究成果

前田准教授らは透明導電性ガラス上に積層した酸化チタン薄膜に水酸化コバルトを析出させた電極が可視光照射下で水を分解する新たな光電極となることを見出した（図1）。酸化チタンや水酸化コバルト単独では同様の機能は得られず、両者を組み合わせることで生まれる可視光吸収能が機能発現の起源となっていることが明らかとなった。

酸化チタンや水酸化コバルトといったありふれた物質のみを用いて、実現困難な可視光水分解をはじめて実現した。この複合光電極は簡便かつ低コストな手法で作成できるという特徴もあわせもっている。

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図1.

酸化チタンと水酸化コバルトからなる複合材料を用いた可視光照射下での光電気化学的水分解。酸化チタンのバンドギャップ（＝伝導帯と価電子帯のエネルギー差）は大きいため400 nm以上の可視光を吸収できないが、水酸化コバルトから酸化チタンへの電子遷移が生じることで幅広い可視光の利用が可能となった。

今後の展開

これまで、可視光で水を分解する光電極の開発には、新材料の探索や既知物質の高性能化など多大な努力がなされてきた。今回の前田准教授らの発見により、ありふれた物質同士を簡便な操作で組み合わせるだけで太陽光エネルギーを化学エネルギーへ変換する革新的機能材料を創出できる可能性が見えてきた。

今後、光電極構造・電解条件の最適化を行うことや類似物質の組み合わせを検討することでさらなる性能向上が見込まれる。加えて今回の複合光電極は水分解水素製造だけでなく、二酸化炭素還元のための光電極部材としての応用も期待される。

また、これまでにない新しい動作原理で働く光電極であることから、その学術的な意義は大きく、詳細な機構解明も今後の重要な課題となる。

付記

本研究は京都大学の内本喜晴教授、内山智貴助教のグループとの共同で行った。

本研究は日本学術振興会 科学研究費補助金 新学術領域計画研究「複合アニオン化合物の新規化学物理機能の創出」（代表：前田和彦 東京工業大学 准教授）、基盤研究B「金属酸化物ナノシートと第一遷移金属酸化物ナノ粒子からなる可視光水分解光触媒」（代表：前田和彦 東京工業大学 准教授）等の助成を受けて行った。

論文情報

掲載誌 :	ACS Applied Materials & Interfaces
論文タイトル :	Water Oxidation through Interfacial Electron Transfer by Visible Light Using Cobalt-Modified Rutile Titania Thin Film Photoanode
著者 :	Hideyuki Tanaka, Tomoki Uchiyama, Nozomi Kawakami, Megumi Okazaki, Yoshiharu Uchimoto, Kazuhiko Maeda
DOI :	10.1021/acsami.9b20793 Image may be NSFW. Clik here to view.

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理化学研究所（理研） 創発物性科学研究センター 量子機能システム研究グループの野入亮人特別研究員、武田健太研究員、樽茶清悟グループディレクター、東京工業大学 工学院 電気電子系の小寺哲夫准教授の共同研究チームは、シリコン量子ドット^[用語1]デバイス中の電子スピン^[用語2]の高速読み出しに成功しました。

本研究成果は、高精度制御と将来的な集積性の観点から近年注目を集めている「シリコンスピン量子コンピュータ^[用語3]」の実現において、重要な課題となっている、「高速量子ビット^[用語4]読み出しが可能な試料設計」に指針を与えるもので、今後の研究開発をより一層加速させると期待できます。

通常、シリコンスピン量子コンピュータでは、スピンの情報を電荷状態の情報に変換し、電荷検出測定を行うことで量子ビットを読み出しています。この際重要となる電荷検出の性能は、「高周波反射測定法^[用語5]」の適用によって向上できると考えられます。しかしながら、従来、シリコン量子ドットと高周波反射測定法には互換性がなく、試料設計において重要な問題となっていました。

今回、共同研究チームは、高周波反射測定法が適用可能なシリコン量子ドット試料の設計を明らかにし、この技術を用いて電子スピン量子ビットの読み出し時間を従来の10分の1に低減することに成功しました。

本研究は、科学雑誌『Nano Letters』オンライン版（1月16日付：日本時間1月17日）に掲載されました。

研究支援

本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業CREST「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出（研究総括：荒川泰彦）」の研究課題「スピン量子計算の基盤技術開発（研究代表者：樽茶清悟）」、文部科学省光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）技術領域「量子情報処理（主に量子シミュレータ・量子コンピュータ）（研究総括：伊藤公平）」の研究課題「シリコン量子ビットによる量子計算機向け大規模集積回路の実現（研究代表者：森貴洋）」、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金若手研究「シリコン量子ドット中の電子スピンを用いた量子計算基盤技術の高性能化に関する研究（研究代表者：野入亮人）」による支援を受けて行われました。

背景

近年、半導体デバイスの微細化による情報処理能力の向上が限界を迎えつつあり、新しい動作原理に基づく次世代型コンピュータの実現が切望されています。特に有望視されているのが、量子力学の原理に基づき、複数の情報を同時に符号化することで超並列計算を実行する量子コンピュータであり、その実用化に向けた研究開発が世界的に活発化しています。

さまざまな物理系を用いた研究が進められていますが、なかでもシリコン量子ドット中の電子スピンを用いた「シリコンスピン量子コンピュータ」は、高精度制御に優れることに加えて^注）、既存産業の集積回路技術と相性が良いことから、大規模量子コンピュータの実装に適していると考えられています。

シリコンスピン量子コンピュータ実現に向けて解決すべき課題の一つとして、量子ビットの高速かつ高精度な読み出しが挙げられます。通常、単一電子スピンの向きの直接的な測定は困難なため、量子ビットの読み出しは、量子ビットの情報をスピン電荷変換^[用語6]によって測定が容易な電荷状態に変換し、電荷検出することで達成しています。これまでの研究により、スピン電荷変換を高速かつ高精度に実行する技術は確立しており、高性能な電荷検出技術の開発が急務となっていました。

量子ドット中の電子の電荷検出は、一般に量子ドット近傍に配置した電荷計^[用語7]の伝導度測定により行われます。この電荷計の性能は、電荷計を高周波共振回路に組み込み、「高周波反射測定」を行うことで向上できることが知られています。高周波共振回路は、インダクタ^[用語8]、電荷計による伝導度、配線や試料上で生じる寄生容量^[用語9]で構成されています（図1右）。この回路に、50オームの特性インピーダンス^[用語10]を持つ同軸線を介して高周波信号を入射させると、高周波共振回路のインピーダンス^[用語10]に応じて反射が起こります（図1左の青赤矢印）。高周波共振回路のインピーダンスは電荷計の伝導度に強く依存するため、高周波反射信号の測定により、電荷計の伝導度、すなわち量子ドットの電荷状態を高速かつ高精度に測定することができます。

この技術は、以前から研究の進んでいた砒化ガリウム量子ドット試料においては確立されていましたが、スピン量子コンピュータにより適するシリコン量子ドット試料に適用するのは困難でした。

注）

2017年12月19日プレスリリースシリコン量子ドット構造で超高精度量子ビットを実現｜国立研究開発法人 科学技術振興機構Image may be NSFW.
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研究手法と成果

共同研究チームは、高周波反射測定法が適用可能なシリコン量子ドット試料の設計を明らかにしました。量子ドット構造は、シリコンスピン量子コンピュータで一般的に用いられている、シリコン／シリコンゲルマニウム量子井戸^[用語11]基板上に金属微細加工を施すことで作製しました（図2下）。量子ドットは、絶縁層を挟んで作製したトップゲート電極に正電圧を加えることで量子井戸中に電子を誘起し、さらに微細ゲート電極に適切な電圧を加えると形成できます。

トップゲート電極で電子を誘起すると、量子井戸とトップゲート電極の間で静電容量が生じます。この誘起された静電容量はトップゲート電極の大きさに比例し、高周波共振回路の寄生容量に加算されるため、高周波反射測定法の動作に影響を及ぼします。そこで、トップゲート電極の大きさが異なる二つの試料を作製し（図2上）、比較することで高周波反射測定に適するトップゲートの設計を明らかにしました。

一般に電荷計が量子ドットの電荷状態に対して感度を持つのは、伝導度がe²/h（eは電荷素量、hはプランク定数）以下程度であることが知られています。さらに、高周波反射測定を適用するには、反射率が伝導度に高い感度を持つという条件を満たす必要があります。反射率が感度を持つ伝導度はインダクタと寄生容量の大きさで決まるので、上記の条件を満たすためには、寄生容量を1ピコファラド（pF、1 pFは1兆分の1ファラド）以下程度に抑える必要があります。

従来の設計の試料（図2左上）では、トップゲート電極により誘起される寄生容量が数pFにもなり、これが高周波反射測定を適用できない理由であると考えられます。実際にこの試料で高周波反射測定を行ったところ、トップゲート電極により量子井戸に電子を誘起すると、2.7 pFの寄生容量が生じることが分かりました（図3左上）。またこの試料では、高周波の反射率は、電荷計の伝導度の変化に対して感度がないことも分かりました（図3左下）。一方で、新しく設計した試料（図2右上）で同様の測定を行ったところ、トップゲート電極により生じる寄生容量を0.01 pFに低減することができ、また反射信号は伝導度に対して高い感度を持つことが分かりました（図3右）。

これらの結果から、従来のシリコン試料で高周波反射測定が適用できない理由と、この問題を解決する試料設計を明らかにしました。

最後に、高周波反射測定法を用いて、スピン量子ビットの読み出しが高速かつ高精度であるかを調べました。今回新しく設計した試料を用いてランダムな状態に用意した量子ビットの読み出しを多数回繰り返し、ヒストグラムにすると、量子ビットの状態に応じた二つのピークが観測されました（図4左）。この測定では積算時間が0.8マイクロ秒（µs、1 µsは100万分の1秒）であり、従来（12.5 µs）の10分の1以下の時間で量子ビットの読み出しを実証しました。また、この測定における二つのピークの間隔（信号：約210 mV）とピークの広がり（雑音：約35 mV）の比である信号雑音比は6.0となっており、99%以上の精度で読み出しが可能であることが分かりました。

さらに、信号雑音比は測定の積算時間が長くなるほど良くなり（図4右）、1.8 µsでは信号雑音比が7.9となり、99.99%以上の精度で読み出しが可能であることを実証しました。

今後の期待

本研究では、シリコンスピン量子コンピュータの主要な課題の一つとなっている高速量子ビット読み出しが可能な試料設計を明らかにし、実際に99%以上の精度を維持したうえで読み出し時間を10分の1に改善することに成功しました。

この成果は、近年進展が著しいシリコンスピン量子コンピュータの今後の試料設計に指針を与え、基本原理検証を超えた大規模化に向けた研究開発をより一層加速させるものと期待できます。

論文情報

掲載誌 :	Nano Letters
論文タイトル :	Radio-Frequency-Detected Fast Charge Sensing in Undoped Silicon Quantum Dots
著者 :	Akito Noiri, Kenta Takeda, Jun Yoneda, Takashi Nakajima, Tetsuo Kodera, and Seigo Tarucha
DOI :	10.1021/acs.nanolett.9b03847 Image may be NSFW. Clik here to view.

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最先端科学技術を担う若手研究者を育成するために東京工業大学が設立した基礎研究機構（小山二三夫機構長）の2019年度成果報告会・交流会が、1月24日、東工大すずかけ台キャンパスS8棟レクチャーホールで開催されました。来賓として文部科学省研究振興局から村田善則局長、金子忠利基礎研究推進室長らが出席し、益一哉学長ら本学関係者を合わせて、出席者総数は110名を超える催しとなりました。

基礎研究機構は、本学が世界をリードする最先端研究分野である「細胞科学分野」（大隅良典塾長）と「量子コンピューティング分野」（西森秀稔塾長）の2つの「専門基礎研究塾」と、本学のすべての新任助教が塾生として3ヵ月間研さんする「広域基礎研究塾」（大竹尚登塾長）から構成されます。

成果報告会は、小山機構長の挨拶で始まり、次いで益学長から塾生への激励がありました。

来賓の挨拶として文部科学省の村田局長から祝辞を頂きました。

続いて、大隅良典塾長（専門基礎研究塾 細胞科学分野）、西森秀稔塾長（専門基礎研究塾 量子コンピューティング分野）、大竹尚登塾長（広域基礎研究塾）から、それぞれの塾の活動について紹介がありました。

基礎研究機構とは

本学は、最先端研究領域を開拓し、世界の研究ハブの地位を継続的に維持・発展させるために必須な基礎研究者を育成する場として、2018年7月、基礎研究機構を科学技術創成研究院に設置しました。本機構は、2つの専門基礎研究塾と広域基礎研究塾からなります。

専門基礎研究塾では、基礎研究で顕著な業績を有する本学の研究者を専門基礎研究塾の塾長に据えるとともに、若手研究者の研究エフォート（職務時間のうち研究に集中できる時間の割合）を現在の6割（平成26年度文科省調査より推計）から9割に増加させるために、人、資金、スペース等のリソースを投入し、5年程度研究に集中できる環境を整備することで、卓越した研究者を養成します。2019年4月現在、細胞科学分野には14名、量子コンピューティング分野には2名の塾生がいます。

広域基礎研究塾では、本学の全ての分野の若手研究者を対象として3ヵ月間研究エフォートを9割に増加させ、研究テーマを落ち着いて考えるなど研究に集中する機会を設けます。2019年6月現在、29名の研究者が塾生として所属しています。

その結果として、基礎研究が実る節目と言われている10年程度を経た2030年以降に卓越した研究成果を継続的に生むことを目指しています。

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• 基礎研究機構 オープニングセレモニー開催｜東工大ニュース
• 若手研究者が自由な発想で新たな課題に挑戦する「基礎研究機構」が発足｜東工大ニュース
• 基礎研究機構
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）

要点

• 組合せ最適化問題を高速に解く新たなアニーリング処理モデルを構築
• このモデルにより全結合型アニーリングプロセッサLSIを世界で初めて開発
• 実応用性に優れ、従来比2桁以上のエネルギー効率改善を実現

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院の本村真人教授らは、北海道大学、日立北大ラボ、東京大学と共同で、スマート社会においてますます重要となる組合せ最適化問題を高速に解くことができる新しいアニーリング処理方式と、それを利用した新しいプロセッサLSIの開発に成功した。

アニーリング処理は「局所型」よりも「全結合型」の方が応用範囲は格段に広い反面、高速に解くのが難しく、これまで全結合型のアニーリングプロセッサLSIは発表されていなかった。本研究では、全結合型のアニーリング処理を高速に解く新たなモデル「ストカスティック・セルラー・オートマタ（SCA）」を提案するとともに、このモデルを全並列・高速に実行するプロセッサアーキテクチャを開発し、世界初の全結合型アニーリングプロセッサLSI「STATICA」を実現した。STATICAは既存の手法に比べて、少なくともアニーリング処理の性能を数倍、エネルギー効率を2桁以上向上させることができる。

研究成果の詳細は2月17日から米国サンフランシスコで開催された「ISSCC2020（国際固体素子回路会議）」で発表された。

本研究開発は、

により推進されたものである。

また、日立北大ラボは、日立製作所と北海道大学が2016年6月に開設したオープンラボであり、北海道における少子高齢化や人口減少などの社会課題を解決し、地域創生につながる共同研究を推進している。

背景

組合せ最適化問題とは、さまざまなパラメータ（選び得る変数）の組合せの中からベストな解を選択する問題である^[解説1]。交通、金融、製造・流通、化学・創薬・医療など、さまざまな分野の重要な問題が組合せ最適化問題に帰着することが知られているが、変数の数が多くなるにつれて、その組合せが爆発的に増大するため、従来型の計算機では効率的に解くことが難しい。

組合せ最適化問題の近似的な計算技法として、従来「アニーリング処理方式」^[解説2]が用いられており、これを実現する計算システムはアニーリングマシンと呼ばれている。アニーリング処理には「局所型」と「全結合型」の二つのカテゴリー^[解説3]があり、後者の方が応用範囲は格段に広い反面、高速に解くのが難しいことが知られている。このため、これまで全結合型のアニーリング処理を行うプロセッサLSIは存在していなかった^[解説4]。

研究成果

本研究ではまず、組合せ最適化問題を高速に解くことができる新しいアニーリング処理モデル「ストカスティック（確率的）・セルラー・オートマタ」（Stochastic Cellular Automata：SCA）を構築した。従来のアニーリングマシンは基本的には「シミュレーテッド・アニーリング」（Simulated Annealing：SA）か、SAに類似する計算手法をベースにしていた。SAでは原理的に、ある疑似スピンの値が変わると、これとつながる全ての疑似スピンに与える影響を改めて計算する必要があった。このため、疑似スピンの値の更新は逐次的にならざるを得なかった（図1左）。これに対し、SCAでは全疑似スピンの値を並列に更新することができる（図1右）。

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図1. SAとSCAの比較

研究チームは、このSCAによって、SAと同じ最適解を探せることを数学的に証明し、SCAを用いたアニーリングプロセッサLSIが実現可能であることを明らかにした。SCAにおける並列な疑似スピン更新は、更新したい疑似スピンにかかる相互作用係数を読み出し、現在の疑似スピンの値と演算することで行われる。この理解をもとに、相互作用係数をメモリに記憶させ、そのメモリから並列に相互作用係数を読み出し、メモリに付随したロジック回路で並列演算することで、SCAの計算を効率よく実行できることを発見した。このニアメモリ（メモリのすぐ近くで演算を行うことを指す言葉）型のアーキテクチャ（図2）を、「STATICA」（Stochastic Cellular Automata Annealer）と名付けた。

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図2. STATICAアーキテクチャ

このアーキテクチャに基づいて、512疑似スピンの並列更新ができるように構成したアニーリングプロセッサLSI「STATICA」（図3）を開発した。これはTSMC社の65 nmプロセスで試作したチップであり、わずか3 mm×4 mmの大きさで512疑似スピンからなるイジングモデルのアニーリング処理を並列に実行できる。消費電力はわずか600 mW程度である。

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図3. アニーリングプロセッサLSI：STATICA

近年、全並列型のアニーリングマシンが徐々に注目されるようになり、いくつかのマシンが提案されている。しかしSTATICA技術は図4のように、そうした既存技術と比べて、アニーリング速度、消費電力、答えの精度のいずれにおいても、非常に高い指標を達成することができる（少なくともアニーリング速度では数倍、エネルギー効率では2桁以上の向上）。

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図4. STATICAと既存の全並列型アニーリングマシンの比較
（512疑似スピン対応のSTATICA試作チップから2000疑似スピン搭載STATICAチップの性能を外挿）

今後の展開

今回開発したSTATICA試作チップでは、オンチップの疑似スピン数が512個となっているが、STATICAのアーキテクチャ自体は疑似スピン数をスケーラブルに拡大し、より大規模な疑似スピンシステムでも並列更新を実現できることを特徴としている。今後は、社会に存在するさらに複雑で大規模な組合せ最適化問題を高速に解くトータルソリューションの実現を目指して、今回開発したチップのキャパシティ強化を進めていく。さらに、ディープラーニング・機械学習技術等を含む知識情報処理システム全体へのインテグレーションに取り組むことにより、このチップの早期の実用化を目指す。

• プレスリリース 組合せ最適化問題を高速に解く新しいアニーリングマシンを開発 ―世界初の全結合型アニーリングプロセッサLSIで高いエネルギー効率を実現―Image may be NSFW.
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• AIコンピューティング研究ユニット
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 本村真人 Masato Motomura
• 科学技術創成研究院 (IIR)
• 研究成果一覧

栄誉の祝賀を受けた方、新たに名誉教授に選ばれた方は以下のとおりです。

令和元年度東京工業大学職員等の栄誉の祝賀該当者

新名誉教授

• 小門宏名誉教授が令和元年秋の叙勲を受章｜東工大ニュース
• 石原宏名誉教授が令和元年春の叙勲を受章｜東工大ニュース
• 東工大関係者6名が平成31年度科学技術分野の文部科学大臣表彰を受賞｜東工大ニュース
• 大隅良典栄誉教授、鈴木啓介教授が日本学士院会員に｜東工大ニュース
• 平成30年度名誉教授懇談会及び職員等の栄誉の祝賀会 開催報告｜東工大ニュース
• 平成29年度名誉教授懇談会及び職員等の栄誉の祝賀会　開催報告｜東工大ニュース

東京工業大学は2月7日、第57回外国人研究者へのオリエンテーション及び外国人研究者等との懇談会をすずかけ台キャンパス大学会館で開催しました。本イベントには、外国人研究者とそのご家族や受入れ教員等を含め、13ヵ国から38名が参加しました。

外国人研究者との懇談会は、学長主催により本学で教育・研究に従事している外国人研究者を招き、本学の教員及び各国の研究者の親睦を深めることを目的として、1991年から例年2回開催されているイベントです。また2010年1月からは、本学に関する理解を深める機会としてオリエンテーションも併せて実施しています。

オリエンテーションでは、益一哉学長による大学紹介があり、その後のQ&Aセッションでは、益学長と佐藤勲理事・副学長（企画担当）、水本哲弥理事・副学長（教育担当）、渡辺治理事・副学長（研究担当）、藤野公之理事・副学長（財務担当）・事務局長の5名が回答者として登壇しました。参加者からは、産学連携や財務に関する質問や意見があり、学長をはじめとする執行部が大学の現状や今後の課題について回答しました。

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集合写真

• 「第56回外国人研究者へのオリエンテーション及び外国人研究者等との懇談会」開催報告｜東工大ニュース
• 「第55回外国人研究者へのオリエンテーション及び外国人研究者等との懇談会」開催報告｜東工大ニュース
• 「第54回外国人研究者へのオリエンテーション及び外国人研究者等との懇談会」開催報告｜東工大ニュース

令和2年度前期日程試験

令和2年2月25日（火） ～ 2月26日（水）

期間中は、キャンパス内への関係者以外の立ち入りを制限しています。

所定の試験日程による試験実施が困難になるような不測の事態が発生した場合、「高校生・受験生向けサイト」の新着入試情報で情報発信しますので、定期的に確認をお願いします

• 高校生・受験生向けサイト > 新着入試情報

試験場は以下の2つの会場があります。先に公表している「（前期日程）試験場、受験上の注意等Image may be NSFW.
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受験番号 10001 ～ 13100 ：東京工業大学 大岡山キャンパス

東急大井町線・目黒線 「大岡山駅」下車 徒歩1分
中央改札を出て左手に進み、マクドナルド前の横断歩道を渡るとすぐに正門があります。

受験番号 13101 ～ 13642 ：東京工業大学 田町キャンパス（附属科学技術高等学校）

JR山手線・京浜東北線「田町駅」下車 徒歩2分
芝浦口（東口）方面に進み、右手エスカレーターを降りてすぐ右手に正門があります。

地下鉄都営三田線「三田駅」下車 徒歩5分
A4口を出て、JR田町駅方面へ。以下同上。

なお、試験室等の詳細を記載した試験場案内については、2月21日（金）に「高校生・受験生向けサイト」の新着入試情報に掲載しますので、確認をお願いします。

• 高校生・受験生向けサイト > 新着入試情報

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東京工業大学の弓道部男子が東京都学生弓道連盟の2019年リーグ戦3部で優勝し、2部との入れ替え戦にも勝利して、2020年リーグ戦2部への昇格を果たしました。弓道部主将の磯部凌さん（情報理工学院 情報工学系 学士課程2年）らが1月20日、益一哉学長に成績を報告しました。リーグ戦で1試合20射すべてを的中させ「皆中賞」を受賞した會田雄大さん（物質理工学院 材料系 学士課程4年）と女子リーグ戦で的中率10位となり表彰された竹内瑞希さん（工学院 電気電子系 学士課程3年）、およびリーグ戦当時の主将だった樫村耕佑さん（理学院 数学系 学士課程3年）も表彰状を手に、一緒に益学長に報告しました。

東京都学生弓道連盟によると、東工大弓道部男子は10月19日、リーグ戦3部Aブロックの順位決定戦で優勝をかけて東洋大学と対戦しました。各校8人ずつ各自20射し計160射の合計的中数を競い、121中対108中で勝ち、優勝しました。翌10月20日、リーグ戦入れ替え戦で2部の立教大学と対戦し、126中対114中で勝ち、2部への昇格が決定しました。

個人成績では會田さんがリーグ戦の対東京理科大学戦で20射すべてを的中させたほか、竹内さんがリーグ戦全体の的中率0.813で女子10位の好成績をあげました。

東工大弓道部とは

• 東工大弓道部が東京地区国公立大学体育大会で男子団体二連覇、女子団体準優勝｜東工大ニュース
• 東工大弓道部が東京都学生弓道連盟主催の新人戦・女子部新人戦で3位入賞｜東工大ニュース
• 東京工業大学 弓道部

要点

• ガリウムの金属クラスターによる「超原子」の合成に成功
• 13原子クラスターが特異な硬さと化学特性を示すことを解明
• ガリウムクラスターの原子数を規定することで、ハロゲンに似た性質が発現

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院の神戸徹也助教、山元公寿教授らの研究グループは、数原子からなるガリウム^[用語1]の金属クラスター^[用語2]を有機高分子であるデンドリマー^[用語3]を用いて合成し、それが超原子^[用語4]と呼ばれる特殊なクラスターになることを見出した。

ガリウムは融点が約30度と異常に低い金属として有名であり、低融点合金材料や水銀の代替金属として利用されている。こうしたガリウムの性質が1ナノメートル（nm）程度のクラスターにすることで劇的に変化することが分かった。なかでも13個のガリウム原子からなるクラスターはハロゲン^[用語5]に似た物理的・化学的性質を有していることが明らかとなった。今回の研究で実証した超原子を合成する手法は材料を構成単位から新たに生み出す手法であり、これまでにない様々な新素材の開拓に繋がるものと期待される。

研究成果は2月21日（ドイツ時間）発行の『Advanced Materials（アドバンスド・マテリアルズ）』オンライン版に掲載された。

背景

物質の新しい構成単位として「超原子」が注目されている。超原子は元素に似た電子軌道^[用語6]を作り出せる金属クラスターである。この超原子は構成する原子の種類や組成により性質が変化するため、構造をデザインすることで様々な元素の性質を人工的に作り出すことができるとされている。このような元素を設計できる超原子は、レアメタル^[用語7]の代替のみならず、現在の周期表では表せない新元素も作り出せる可能性があるとして期待されている新しい物質群である。

しかしながら、こうした超原子の合成はこれまで気相系での極微量合成が主であった。そのため、素材として利用するには量合成やクラスターの組成を制御した手法が必要とされていた。

研究成果

神戸助教、山元教授らは樹状高分子であるデンドリマーを用いてガリウムクラスターを合成することで、ハロゲン超原子の液相での合成に成功した。

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図1. ガリウムによるハロゲン超原子の合成

樹状高分子であるフェニルアゾメチンデンドリマー^[用語8]に塩化ガリウムを集積し、これを還元することで13個や3個などガリウムの原子数を精密に規定した金属クラスターを合成した。得られたクラスターの特性を調べ、13個のガリウム原子からなる金属クラスター[Ga₁₃]がハロゲンに似た性質を持つことを酸化還元特性やクラスターの硬さから実証した。

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図2. 合成したガリウムクラスター。（A、B）[Ga₁₃]クラスターのSTEM像 （C）ガリウムクラスターの構成原子数と観測サイズ

研究の経緯

神戸助教、山元教授らはこれまでに、アルミニウムクラスターの超原子を合成し、その物性について明らかにしてきた。今回はガリウムを用いることで新たな超原子への展開に成功した。

今後の展開

超原子は設計次第で、安価な元素から希少元素の特性を生み出せるとされている。それを実現していくには数個の金属元素を精密に組み上げる必要がある。今回の研究ではガリウムを用いたが、別の元素でも超原子を作ることは可能であり、また合金化することでその可能性はさらに広がると期待される。

論文情報

掲載誌 :	Advanced Materials
論文タイトル :	Superatomic Gallium Clusters in Dendrimers: Unique Rigidity and Reactivity Depending on their Atomicity
著者 :	Tetsuya Kambe, Aiko Watanabe, Meijia Li, Takamasa Tsukamoto, Takane Imaoka, and Kimihisa Yamamoto*
DOI :	10.1002/adma.201907167 Image may be NSFW. Clik here to view.

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• 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所
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要点

• 白金原子を担持体表面のケージ構造の破れ部分に入れ込むことで安定に固定した、新たな単原子触媒の開発に成功
• 従来の単原子触媒で問題とされていた、高温で原子が凝集してしまうという欠点を克服
• 担持体として12CaO･7Al₂O₃を用いることで、CaOやAl₂O₃より桁違いに高い活性と安定性を実現

概要

東京工業大学 元素戦略研究センター長の細野秀雄栄誉教授、同センターの叶天南特任助教、北野政明准教授らは、カルシウムとアルミニウムの酸化物C12A7（12CaO･7Al₂O₃）がサブナノサイズのケージから構成されていて、その最表面ではケージ構造が破れていることに着目し、その部分に白金原子を入れ込んで安定的に固定した単原子触媒の開発に成功した。

遷移金属の単原子触媒は、原子の周りの結合が不飽和なために、バルクの金属に比べて圧倒的に触媒活性が高いことや、金属原子の利用効率が極めて高いことから、活発な研究がおこなわれている。しかし、高温にすると担持された単原子金属が凝集してしまい、活性が低下することが問題であった。本研究成果は、この課題を克服するものである。

本研究成果は、担持体のC12A7が石灰とアルミナのみから構成される安価な物質であること、また高価な触媒である白金を単一原子として安定に担持できることから、ありふれた元素の活用と希少金属の使用量の低減を目指す「元素戦略」に資するものといえる。

この成果は英国科学誌Nature Communicationsにて2月24日にオンライン公開された。

背景

触媒として有効に機能する物質には、白金やロジウムなど高価な貴金属が多い。そうした金属の使用量を大幅に減少させる方法として、単原子として固体表面に固定（担持）する単原子触媒が熱心に研究されている。この単原子触媒は、バルクの金属と比べて原子の周りの結合が不飽和なので、高い活性が得られる。しかしほとんどの場合、担持された単原子は温度をあげると凝集し、通常の金属ナノ粒子触媒と同じになってしまうという欠点がある。いかにして単原子金属を固体表面に安定的に固定するかが技術的課題となっていた。

本研究のアプローチ

この課題に対して本研究では、単原子がちょうど収まる大きさの極小のケージに、目的とする金属の単原子を入れ込むことを目指した。対象とする金属には、最も代表的な貴金属触媒である白金を、そして触媒性能を左右する、白金を担持する固体（担持体）には、12CaO・7Al₂O₃（以下「C12A7」）を選択した。C12A7は、直径がサブナノメートルサイズの正に帯電したケージが3次元的に繋がった結晶構造をしており、これまでの基礎的研究によって、その最表面はゲージが破れた構造をしていることがわかっている。今回の研究の鍵となったのは、この破れたケージに白金原子を入れ込むことであった。そこで、[PtCl₄]^2-というアニオンの大きさが、図1のように、破れたケージの入り口の大きさよりも少し小さいことに注目し、まずこのアニオンをケージの入口に入れ込んで、その後熱還元によってPt原子にして、単原子触媒を調製する方法を考えた。

単原子白金触媒の確認

調製した触媒について、高分解能電子顕微鏡（STEM、図2）と広域X線吸収微細構造（EXAFS）^[用語1]（図3）によって、目指した通りに白金原子がC12A7表面に担持されていることが確認された。ケージのサイズより大きなPt錯体分子アニオンを用いた場合には、このような単原子構造は確認できなかった。また、通常の単原子触媒では金属の凝集が生じてしまう600 ℃という高温で加熱処理を行っても、単原子構造が保持されていることがわかった。

触媒性能

触媒反応としては、工業的に重要な様々な置換基を有するニトロベンゼン分子のNO2基の選択的還元を検討した（図4）。この水素化反応では、水素分子の開裂が律速段階となるが、C12A7骨格の酸素イオンによって配位された白金原子の環境は、水素が2つの水素原子になるよりも、H⁺とH^-にヘテロリティックに解離するのに有利であると考えられる。実験では予想通り、分極したNO₂基が H⁺とH^-によって選択的に水素化され、目的分子が高収率で得られた。また、触媒の活性サイトの性能を示す指標であるTOF（Turnover Frequency）^[用語3]は、C12A7の構成成分であるCaOやAl₂O₃の上に担持した場合よりも桁違いに高い活性を示し、さらにこの触媒が熱的にも格段に安定なことがわかった（図5）。

今後の展開

C12A7は、市販のアルミナセメントの主な構成成分の一つで、安価でしかも環境調和性に優れている。これまでの走査トンネル顕微鏡観察による表面構造に関する研究で、ケージの破れを修復する処理方法も確立されている。また、表面再構成を伴う電子状態の変化についても研究が既に終了している。よって今後は、用途に応じた単原子触媒の設計が可能になる段階に進んでいけると期待している。本研究は、ありふれた元素からなる安価な物質と高価な貴金属の効率的利用を可能にしたものであり、「元素戦略」に対応した成果だといえる。

支援事業

本成果は科学研究費補助金（No. 17H06153、19H05051、19H02512）、文部科学省元素戦略プロジェクト＜拠点形成型＞（No.JPMXP0112101001）、日本学術振興会 海外特別研究員（No.P18361）の支援によって実施された。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	Stable single platinum atoms trapped in sub-nanometer cavities in 12CaO･7Al2O3 for chemoselective hydrogenation of nitroarenes （ニトロアレン類の選択的還元のための12CaO・7Al2O3のサブナノメートルのキャビティーに捕捉された安定な単原子白金原子）
著者 :	叶天南（Tian-Nan Ye）、肖泽文（Zewen Xiao）、李江（Jiang Li）、巩玉（Yutong Gong）、阿部仁※、丹羽尉博※、笹瀬雅人、北野政明、細野秀雄 （※高エネルギー加速器研究機構、それ以外は東京工業大学 元素戦略研究センター）
DOI :	10.1038/s41467-019-14216-9 Image may be NSFW. Clik here to view.

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東京工業大学 情報理工学院 情報工学系の瀧ノ上正浩准教授と小長谷明彦名誉教授（同学院 特任教授）が、NHK Eテレ「サイエンスZERO」に出演します。

「サイエンスZERO」は、私たちの未来を変えるかもしれない最先端の科学と技術を紹介する番組です。今回は、DNAを「材料」に、ナノサイズの極小ロボットを作る新技術「DNAオリガミ」の研究が紹介されます。

瀧ノ上准教授のコメント

小長谷名誉教授のコメント

• 番組名
  NHK Eテレ サイエンスZERO
• タイトル
  極小スケールの“ものづくり大革命”DNAオリガミ
• 放送予定日
  2020年3月1日（日） 23:30 - 24:00
• 再放送予定日
  2020年3月7日（土） 11:00 - 11:30

• サイエンスZERO
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• 世界初！DNAオリガミを融合した分子人工筋肉を開発│東工大ニュース
• 瀧ノ上研究室
• 小長谷研究室
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• 研究者詳細情報（STAR Search） - 小長谷明彦 Akihiko Konagaya
• 瀧ノ上研究室 ―研究室紹介 #60―｜生命理工学系 News
• 情報理工学院 情報工学系
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東京工業大学 物質理工学院 応用化学系教授で地球生命研究所主任研究者の吉田尚弘教授が、国際的な地球化学の学会GS（国際地球化学会、The Geochemical Society）の2020年クレア・パターソン・メダル（Clair C. Patterson Medal）を受賞することが決まり、GSが1月21日、発表しました。さらに、GSおよびEAG（欧州地球化学協会、European Association of Geochemistry）の地球化学フェロー（Geochemistry Fellow）に選出されることが決定しました。日本人がクレア・パターソン・メダルを受賞するのは初めてです。

GSは1955年創立で、米国ワシントンD.C.に本部を持ち、70を超える国と地域からの4,000名強の会員で構成されています。EAGは1985年創立で、フランスに本部があり、GSとともに地球・宇宙化学の分野で最も権威のある国際会議であるゴールドシュミット会議（Goldschmidt Conference）を1988年より毎年、欧・米持ち回りで開催しています。クレア・パターソン博士は地球・宇宙化学の創始者の一人で、GSは氏の功績を称え、1998年から環境地球化学の基礎に革新的なブレイクスルーをもたらした研究者を毎年1名選び、クレア・パターソン・メダルを与えています。

また、GSとEAGは1996年より地球・宇宙化学の分野で科学的に大きな貢献のあった研究者を毎年10名程度、地球化学フェローに選出して、その貢献を称えています。パターソン・メダル受賞者は自動的に地球化学フェローに推薦されますが、吉田教授は、パターソン・メダルと地球化学フェローの両委員会から二重に推挙されました。

吉田教授は6月21日から26日まで米国ハワイ州ホノルルで開催されるゴールドシュミット会議で2つの賞を授与され、受賞記念講演を行います。

吉田尚弘教授のコメント

• 吉田 尚弘｜メンバー｜ELSI
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 吉田尚弘 Naohiro Yoshida
• 物質理工学院 応用化学系
• 地球生命研究所（ELSI）
• Geochemistry Fellows | European Association of Geochemistry
• European Association of Geochemistry
• Naohiro Yoshida Named 2020 C.C. Patterson Medalist｜Geochemical Society
• C.C. Patterson Award｜Geochemical Society

要点

• 有機塩基触媒を用いてアンモニアの炭酸塩類から尿素を合成することに成功
• 水質汚濁防止法の有害物質である廃水中のアンモニアを資源として再利用可能
• 尿素は基礎化成品として活用、固体で安定な水素キャリアとしても注目される

概要

東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の眞中雄一准教授（国立研究開発法人 産業技術総合研究所とのクロス・アポイントメント制度^[用語1]適用）と本倉健准教授らは、有機塩基触媒^[用語2]を用いることで廃水中などに含まれるアンモニア（以下アンモニウムイオン^[用語3]）の炭酸塩類^[用語4]から尿素^[用語5]を合成できることを見出した。

従来の下水処理場のアンモニウムイオンの無害化処理（窒素への分解）とは異なり、アンモニウムイオンを有用物質に変換することにより、資源として用いることができるようになる。

この研究結果は有機塩基触媒が触媒反応中にイオン交換反応を介することが特徴であり、高価な遷移金属^[用語6]を含まない有機合成的なアプローチにより達成された。今後は廃水処理のプロセスとの組み合わせを検討する。合成された尿素は、様々な化成品の原料となる基礎化成品として活用可能であり、近年は固体で安定な水素キャリアとしても注目されている。

研究成果はネイチャーリサーチ社の科学誌「Scientific Reports（サイエンティフィックリポーツ）」に2月18日に公開された。

研究成果

眞中准教授らは有機塩基触媒を用いることでアンモニウムイオンの炭酸塩類から尿素を合成できることを見出した。特に原料にカルバミン酸アンモニウム^[用語7]を用い、有機塩基触媒として1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene（ジアザビシクロウンデセン）^[用語8]を用いて反応条件を最適化すると、最大35%の収率で尿素を得ることができた。

尿素は一般的には、ガス状態のアンモニアと二酸化炭素を150 ℃以上の高温・20気圧程度の高圧の条件下におくことで合成されている。今回の発見では、アンモニアよりも反応させにくいと考えられているアンモニウムイオンを用い、70～140 ℃で加圧することなく尿素の合成に成功した。

一定の強さ以上の塩基性^[用語9]（今回の検討ではアセトニトリル中での共役酸のpK_a^[用語10]が20以上）を持つ有機塩基触媒を用いることで、有機塩基触媒とアンモニウムイオンがイオン交換を起こし、反応が進みやすい中間体が生成することが効率的な反応の鍵となっていると推測される。

また、カルバミン酸アンモニウム以外の炭酸塩として、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウムを用いても尿素を合成することに成功した。これらは、アンモニウムイオンの存在する水中に二酸化炭素を吹き込むことで生成される化合物群であり、アンモニウムイオンの安価な濃縮の一助になると考えられる。

研究の背景

廃水処理場では、悪臭物質であり劇物でもあるアンモニア（もしくはアンモニウムイオン）を硝化・脱窒^[用語11]という工程を経て無害な窒素分子に変えている。この処理方法では、無害化のためにエネルギーを多く投入しており、副生成物として温室効果ガスの亜酸化窒素が発生する可能性もある。

一方で見方を変えると、アンモニウムイオンは、窒素分子の強固な三重結合が破壊された形であり、窒素分子に戻して三重結合を復活させるよりも、アンモニウムイオンの状態で何らかの分子に変換できると、投入エネルギー的に有利になる。つまり、アンモニウムイオンを活かした有機合成が可能になると、エネルギー削減をしつつ、有害物質を減少させ、有用な物質を供給することが可能になる。

展望および意義

今回の研究では、有機塩基触媒を用いることでアンモニウムイオンからでも有用な分子が合成できることを示した。実際の廃水処理に組み込むために適した触媒の形状や反応系、反応率の向上などの検討を経て、アンモニウムイオンの活用を行う予定である。また、今回合成した尿素以外の付加価値の高い分子への転換も検討していく。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Organic bases catalyze the synthesis of urea from ammonium salts derived from recovered environmental ammonia
著者 :	Yuichi Manaka, Yuki Nagatsuka and Ken Motokura
DOI :	10.1038/s41598-020-59795-6 Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース 廃水中のアンモニアを資源に変える触媒を発見 ―有害物質処理から有用物質製造へ―Image may be NSFW.
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• 二酸化炭素を資源に変える有機分子触媒を発見｜東工大ニュース
• 触媒活性指標の回転数が一桁高い190万回を実現 ―極めて高い活性を示す固定化ロジウム触媒を開発―｜東工大ニュース
• 東工大関係者6名が平成31年度科学技術分野の文部科学大臣表彰を受賞｜東工大ニュース
• 本倉・眞中研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 眞中雄一 Yuichi Manaka
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 本倉健 Ken Motokura
• 物質理工学院 応用化学系
• 研究成果一覧

東京工業大学の「工系学生国際交流プログラム」は工学院、物質理工学院、環境・社会理工学院の3学院が海外の大学に学生を派遣する制度です。2019年度の派遣実績報告会および秋季に留学した学生による報告会を2月12日、大岡山キャンパス本館で開催しました。

工系学生国際交流プログラム

工学院、物質理工学院、環境・社会理工学院の3学院は、国際的感覚を持つ工学を専門とする高度技術者を養成するため、所属学生を海外の大学等に派遣する支援を合同で行っています。この学生国際交流プログラムは、海外で様々な国の研究者や学生と共に研究を行うことで、専門性を深め、さらにはより広範な先端科学技術と知識を学びながら異文化に触れることにより、学生自身の修学意欲の一層の向上と国際意識の涵養を図ることをねらいとして実施しています。

2019年秋季派遣生の報告会

後半には2019年度の工系留学報告会が行われました。これは当プログラムで2019年秋季に短期留学した学生が履修対象となっている講義「国際研究研修」の一環として実施されたものです。他に「官民協働海外留学支援制度～トビタテ！留学JAPAN日本代表プログラム」の留学奨学金を受給し、個人留学にてマサチューセッツ工科大学で研究活動をした「グローバル理工人育成コース」上級履修学生も発表をしました。

派遣先大学と発表者（計10名）は以下の通りです。（敬称略）

報告会では、留学経験者が留学生活について英語で発表を行いました。

留学経験者の報告

派遣実績報告会

前半に行われた実績報告会では、工系国際交流委員会主査の竹村次朗准教授（環境・社会理工学院 土木・環境工学系）がプログラムの概要ならびに本年度の派遣実績について説明を行いました。また、グローバル人材育成推進支援室 太田絵里特任教授からは、当プログラムによる留学は、科学・技術の力で世界に貢献する人材の育成を目的とする教育カリキュラムである「グローバル理工人育成コース」上級の修了要件の一部を満たすとの説明がありました。

本イベントは、帰国して間もない留学経験者からの新鮮な現地情報や感想に触れることができる機会です。2020年夏季派遣が決定している学生も参加し、情報を収集したり、発表学生と交流したりする機会にもなりました。また、本プログラムは受入・派遣の双方向でもあり、夏季には協定大学より来日する留学生との交流イベントも企画・運営されています。

学生国際交流プログラムは年3回募集があり、次回の公募開始は4月を予定しております。

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