Tohoku University Repository (TOUR) / 東北大学機関リポジトリ

Matsumoto, Ryoga

ヴァーマ加群と既約加群におけるジョーンズ・ウェンツル射影子

Kimura, Haruki

English

反強磁性ディラック電子系におけるスピン電磁応答の理論的研究

Matsumoto, Moemi

基底の最適化を伴う生成座標法の開発と原子核の集団運動の非経験的な記述

Tohoku University博士（理学）要約のみthesi

會田, 浩平

 
 
 
博士論文 
 
 
[1,2]-Phospha-Brook 転位を利用した 
多置換フラン合成法の開発と 
縮環骨格構築への展開 
 
 
 
 
 
 
 
會田 浩平 
 
2024 年
 
 
博士論文 要約 
第 1 章 序論 
多置換フランは多くの生理活性物質に含まれる重要な含酸素複素芳香族化合物である。また多置換
フランはビルディングブロックとして有機合成に広く利用され、さらにフラン環を含むΠ共役化合物
は有機機能性材料にも用いられている。そのため、多置換フランやフラン環を含む化合物の合成法の
開発研究が古くから盛んに行われ、様々な合成法が開発されてきた。しかしながら、様々な置換基を
位置選択的に導入できる多置換フランやその誘導体の合成法はいまだ非常に限られている。一方で
我々の研究室では、[1,2]-phospha-Brook転位を利用した新規分子変換反応の開発を精力的に行ってい
る。[1,2]-phospha-Brook転位とは α位にホスホノ基を有するアルコキシドにおいて、ホスホノ基が炭
素原子上から酸素原子上に転位し、炭素アニオンを生じる反応である。最近我々はこの[1,2]-phospha-
Brook転位を利用し、プロパルギルアニオンの触媒的発生と続く求電子剤での捕捉により多置換のア
レニルホスフェートを与える反応を開発した。さらに生じたアレニルホスフェートの高い反応性を利
用して複素芳香族化合物の合成法の開発へと研究を展開している。 
このような背景のもと本博士研究では、従来の手法では合成することが難しい多様なフラン化合物
の合成法の開発を目的とし、[1,2]-phospha-Brook転位を利用した多置換フラン合成法の開発と、開発
した多置換フラン合成法を応用したフランが縮環した多環式化合物の合成法の開発を行った。 
 
第 2 章 [1,2]-Phospha-Brook転位を利用した多置換フラン合成 
本章では、[1,2]-phospha-Brook 転位を利用した多置換フランの新たな合成法の開発に取り組んだ。
本フラン合成法は二段階の反応から成り立っており、まず一段階目の反応として、α 位にホスホノ基を
有するプロパルギルアルコールに対しアルデヒド存在下で触媒量のブレンステッド塩基触媒を作用さ
せる。これにより、プロパルギルアルコールの[1,2]-phospha-Brook 転位と続くアルデヒドへの付加が
進行しアレニルアルコールが得られる。次に二段階目の反応として、アレニルアルコールに対しNIS を
作用させる。これにより、アレニルアルコールのヨード環化と芳香族化が進行し 2,4,5-三置換-3-ヨード
フランが得られると考えた。検討の結果、一段階目の反応において触媒として tBuOK を作用させるこ
とで[1,2]-phospha-Brook 転位によるプロパルギルアニオンの発生とアルデヒドへの付加が効率よく進
行しアレニルアルコールが得られることを見出した。さらに二段階目の反応として、生じたアレニルア
ルコールに対し one-potでNISを作用させることで目的とする多置換ヨードフランが得られた。また基
質上の置換基を適切に選択することで、様々な置換基を位置選択的にフラン環上に導入した多置換ヨー
ドフランを合成することができた。さらに合成したヨードフランのヨウ素部位は、パラジウム触媒を用
いたクロスカップリングやハロゲン-メタル交換と続くアルキル化およびアシル化により様々な置換基
に変換可能であった。 
本研究により、入手容易なプロパルギルアルコールとアルデヒドを基質に用い、温和な条件下で多置
換ヨードフランを合成し、さらにヨウ素部位の誘導化を行ったことで、様々な置換基を望みの位置に選
択的に導入した多様な四置換フランの合成法を確立することに成功した。 
 
第 3 章 2-(2’-アルキニルアリール)-3-ヨードフランを用いた多置換ナフトフランおよび多置換インデ
ノフラン合成法の開発 
ナフトフランやインデノフランは医薬品や有機機能性材料への応用が期待される化合物である。そ
のため、これまでにナフトフランやインデノフランを与える合成法がいくつか開発されてきた。しか
し従来の手法では多置換ナフトフランおよび多置換インデノフランの合成に適しておらず、特に置換
基の位置を高度に制御した合成報告例は非常に限られている。このような背景のもと第 3 章では、第 2
章で開発した多置換フラン合成法を応用してフラン環が縮環した多環式化合物合成法を開発すること
を着想し、多置換ナフトフランおよび多置換インデノフランの合成法の開発に取り組んだ。具体的に
は、多置換フラン合成法を用いて、環化前駆体として 2-(2’-アルキニルアリール)-3-ヨードフランを調
製し、これを基質とする位置選択的分子内カルボメタル化反応の開発に取り組んだ。まずナフトフラ
ンの合成について検討を行ったところ、ヨードフランとターボグリニャール反応剤とのヨウ素-マグネ
シウム交換と続く銅塩の添加によって、報告例が非常に少ない 6-endo-anti 型のカルボメタル化が進行
することを見出した。さらにカルボメタル化によって生じたアリール金属種は、求電子剤による捕捉
や、パラジウム触媒を用いたヨードアレーンとのクロスカップリング反応への適用が可能であり、
様々な置換基が導入された多置換ナフトフランが得られた。一方インデノフランの合成については、
ヨードフランに対し配位子を P(o-tolyl)3としたパラジウム触媒存在下でアリールボロン酸を作用させ
ることで、形式的な 5-exo-anti環化/クロスカップリング連続反応が進行し、多置換インデノフランが
得られることを見出した。 
本研究により、他の手法では合成することが困難な多置換ナフトフラン、多置換インデノフランの
一般性の高い合成法を確立することに成功した。 
 
第 4 章 アルキニルチオフランの合成および多置換チエノフラン合成への応用 
 ヘテロペンタレンは二つの五員複素芳香環が縮環した複素芳香族化合物であり、これらの化合物は
光エレクトロニクス材料に利用されている。そのため、チオフェン環とフラン環が縮環したヘテロペ
ンタレンであるチエノフランもまた、潜在的に光エレクトロニクスの分野での応用が期待される。し
かしながら、チエノフランの一般性の高い合成法は非常に限られており、特に多置換チエノフランの
合成法はほとんど報告されていない。このような背景のもと第 4 章では、第 2 章で開発した多置換フ
ラン合成法を応用して、多置換チエノフラン合成法の開発に取り組んだ。具体的には、α位にホスホノ
基を有するジイノールから 2-アルキニル-3-ベンジルチオフランを合成し、これを環化前駆体とするブ
レンステッド塩基を用いた環化反応を開発することで、四置換チエノ[3,2-b]フラン合成法の開発を行
った。三段階の反応からなるこの合成法では、まず一段階目の反応として、ジイノールに対しアルデ
ヒド存在下で触媒量の tBuOKを作用させることで、[1,2]-phospha-Brook転位と続くアルデヒドへの
付加が進行しアレニルアルコールが得られた。次に二段階目の反応として、生じたアレニルアルコー
ルに対し系中発生させたベンジルスルフェニルクロリドを one-potで作用させることで、チオ環化が
進行し 2-アルキニル-3-ベンジルチオフランが得られることを見出した。最後に三段階目の反応とし
て、2-アルキニル-3-ベンジルチオフランに対し tBuOKを作用させることでチオフェン環構築が進行
 
し、2,3,5,6-四置換チエノ[3,2-b]フランが得られることを見出した。さらにこのチエノ[3,2-b]フラン合
成法を応用することで、縮環形式の異なる四置換チエノ[2,3-c]フラン合成法を開発した。すなわち、導
入するアルキニル基の位置を 2 位から 3 位に変えた 4-アルキニル-3-ベンジルチオフランを合成し、こ
こからブレンステッド塩基を用いたチオフェン環構築によって、2,3,4,6-四置換チエノ[2,3-c]フランが
得られることを見出した。 
本研究により、これまで一般性の高い合成法がほとんど知られていなかった多置換チエノ[3,2-b]フ
ランおよび多置換チエノ[2,3-c]フランの、より一般性の高い合成法を確立することに成功した。 
 
第 5 章 結論 
 本研究では、[1,2]-phospha-Brook転位を利用した複素芳香族化合物合成法の方法論に基づき、多置
換フラン合成法を開発した。さらにこのフラン合成法を応用して環化前駆体の設計・合成し、それを
基質に用い縮合環を形成するという独自の方法論によって、多置換ナフトフラン、多置換インデノフ
ラン、多置換チエノフランのような多環式化合物の合成を達成した。これにより従来の手法では合成
することが難しい、様々な置換基を位置選択的に導入した多置換フランならびにその誘導体の合成す
る手法を確立した。今後本研究の合成戦略をさらに拡張することによって多様な複素芳香族化合物の
合成が可能になると期待される。 


Japanese

[1,2]-Phospha-Brook転位を利用した多置換フラン合成法の開発と縮環骨格構築への展開

Handayani, Asteria Satyaning

博士論文 
 
Multidisciplinary study on the impacts of land use 
on urban torrential rainfall for flood mitigation 
and adaptation planning 
 
洪水緩和および適応計画のための 
土地利用の都市豪雨への影響に関する学際的研究 
 
 
 
 
 
 
 
 
Asteria Satyaning Handayani 
 
2024 年
Doctoral Thesis 
 
Multidisciplinary study on the impacts of land use 
on urban torrential rainfall for flood mitigation 
and adaptation planning 
 
洪水緩和および適応計画のための 
土地利用の都市豪雨への影響に関する学際的研究 
 
 
Asteria Satyaning Handayani 
(アステリア・サトヤニンク・ハンダヤニ) 
Department of Earth Science 
Graduate School of Science 
Tohoku University 
 
Thesis Committee Members 
Associate Professor Yuzuru Isoda (Chair, Supervisor) 
Assistant Professor Travis Flohr (The Pennsylvania State University) 
Professor     Tomoki Nakaya  
Professor    Kazuaki Hori  
Professor    Yuichi Ono  
 
2024
2 
 
Acknowledgements 
 
I wish to thank these special people who have been supporting me throughout my 
PhD journey. Without their terrific roles, I would not have been able to overcome my 
challenges and finish my PhD. 
 
First of all, I would like to express my gratitude and appreciation for my 
supervisor, Dr. Yuzuru Isoda, for his continuous guidance and unwavering support 
throughout every stage of my PhD periods, even after I finished my term and left Tohoku 
University to continue writing my thesis from my home country. His dedication to help 
me accomplish this final round of PhD term has been immense. 
 
Secondly, I would like to extend my deepest appreciation to my co-supervisor, 
Dr. Travis Flohr, at the Department of Landscape Architecture, The Pennsylvania State 
University, USA. He was always willing to and enthusiastic to assist in any way he 
could throughout my study abroad period. His constructive feedback and continuous 
encouragement have motivated me to work on my research meticulously. Further, the 
weekly meetings and conversations we had were vital in inspiring me to think outside 
the box, from multiple perspectives to form a comprehensive and objective critique. 
 
My gratitude also goes to Prof. Tomoki Nakaya for his insights and stimulating 
questions on my research which have been invaluable throughout this study and Dr. 
Ryohei Sekine for his kind assistance during our lab’s weekly seminars. I would like 
to also appreciate Prof. Kazuaki Hori and Prof. Yuichi Ono for the insightful 
discussions we had during seminars and lectures. 
     
Additionally, I would like to thank my labmates at Human Laboratory and peers 
at GP-EES Tohoku University for their kind friendships and support offered to me. Our 
lively discussions and shared references have advanced my comprehension toward my 
research topic. I also wish to thank my office mates at Penn State’s Department of 
Landscape Architecture, who have been a great source of support during my stay at State 
College. Our short but memorable interactions have made me feel like I have another 
home to go to.  
 
My study was supported by the International Joint Graduate Program on Earth and 
Environmental Sciences (GP-EES) and partially by the Pioneering Research Support 
Project. In this view, I would like to express my sincere gratitude especially to the 
GP-EES Secretariat, Ms. Shinobu Okuyama and Shin Ozawa sensei, the staffs of DiRECT 
3 
 
Office, Ms. Kikuchi, Ms. Kohama, and Ms. Endo for their warm and excellent assistance 
during my study. Their incredible support has transcended beyond work hours and lifted 
me from hardships every now and then.  
     
I thank the Indonesia Agency for Meteorology, Climatology, and Geophysics (BMKG) 
for providing us with weather radar data and ground observation data, and for the 
support given to me in pursuing higher study abroad. Further data I obtained from the 
Indonesia Geospatial Information Agency (BIG) and the European Centre for Medium-Range 
Weather Forecasts (ECMWF). The data supported us in conducting the research as we 
intended. We have published our research in a respected journal, which has become one 
of the core syntheses of this study, namely: 
Handayani, A. S., Permana, T., & Isoda, Y. (2023). Role of updraft in dry-season 
torrential rainfall in Greater Jakarta, Indonesia. Atmospheric Science Letters, 
24(12), e1186. doi:10.1002/asl.1186.  
 
To me, this thesis is a journey of learning the essence of life and to rediscover 
my strengths, my weaknesses, and my aspirations. I feel very fortunate that the Universe 
has been so kind in granting me the right people to accompany me through my journey. 
Therefore, I would like to thank my beloved ones, families, and friends – in Indonesia, 
Japan, and the US – for standing by my side during the compilation of this thesis. 
Their never-ending encouragement, understanding, and patience were the ones which kept 
me grounded through this journey. Especially to my beloved ones, who have been my 
foundation for this academic pursuit. Their beliefs in me fueled the perseverance 
needed to complete this thesis. I owe them my time, attention, and energy. 
 
 
 
 
 
 
 
  
4 
 
Abstract 
Urban rain, flooding, and their inherent hydrometeorological disaster risks have 
become significant global problems. It has been suggested that land use alterations to 
urban areas and human activities modify urban rain intensity and characteristics, which 
then fuels the excess runoff that fuels urban flooding. Hence, potential infrastructure 
and environmental damages, social-economic loss, and human casualties persist 
regardless of season. Further, recent findings suggest that climate change exacerbates 
urban rain and flooding. It forges the occurring rain to become more locally intensified, 
which further causes greater extents of flooding that spread across jurisdictional 
boundaries and cover multifaceted societal issues. The most disproportionately affected 
are the marginalized communities, of which the majority belong to the low-income 
classes and vulnerable groups. This issue creates a situation of climate injustice. 
Unfortunately, prior studies on flood adaptation and mitigation measures showed gaps 
in formulating and implementing relevant planning and regulations. In this view, urban 
flooding can be seen as a wicked problem with significant impacts on the well-being 
and livelihood of the people, and its prevention and management measures cannot be 
solved merely by a single actor and with limited information. We draw a comprehensive, 
multidisciplinary and multi-scalar research outline to contribute a solution. We choose 
the Greater Jakarta (GJ) area, Indonesia, as a study case example of a hybrid approach 
for future adaptation planning and design analysis due to its historical data of 
recurrent annual flooding.  
Chapter 1 delivers an introduction on the purpose and scope of this present 
study, stating research questions that we attempt to answer. It also provides a 
literature review on urbanization effects on weather and climate and urban mitigation 
and adaptation planning. Further, the methodology and study flow used in this study 
are illustrated.   
Chapter 2 reveals the role of updraft on rainfall over GJ through an 
investigation of diurnal rain and wind behavior in the GJ area using data from a C-
band Doppler radar and ERA5 reanalysis dataset during the dry season of 2018–2019. We 
found updraft origins which correspond to the peak time of daytime inland rainfall 
through employing back-trajectory calculations. These origins are mostly localized at 
an NW–SE-oriented front nearly parallel to the coastline in the northern part of GJ on 
the low-lying plain. It suggests a region of atmospheric destabilization favorable for 
convective activity. The dry-season torrential rainfall over GJ may involve convective 
activity from this front that forms from earlier updrafts originating above the densely 
populated area. Our findings suggest the important role of updrafts in rainfall 
generation, providing insights into the convective mechanism over GJ.   
5 
 
Chapter 3 tries to explain the initiation of convective rain updraft by 
anthropogenic land uses over GJ. We employed spatial statistical approaches using 
specific land use regressions, the spatial autoregressive model with autoregressive 
error term. Then, we computed the factor by which the land uses amplify the rain. Our 
empirical results show that anthropogenic land uses, including dry agricultural fields 
and settlements, are markedly increasing rain intensity. The results also indicated 
that urban areas have shifted and enhanced the rain over downwind through the urban 
heat island effect from the urban surface. Therefore, our findings suggested that 
pronounced inter- and intra-jurisdictional relationships between land uses and rain 
and that anthropogenically increased rainfall intensity leads to an intersectional 
climate injustice in the GJ area.   
Chapter 4 discusses the formulation of a framework for land use and water-related 
planning in the GJ area. A thorough literature review of the previous and existing 
planning processes showed gaps and mismatched solutions in water and land-use planning 
related to climate and environmental issues, which led to continuing risks of 
hydrometeorological disasters in the area. Current planning efforts are often top-down, 
bureaucratic, technocratic, or politically influenced, despite the intersectional 
climate injustice nature, and do not appear to reduce the risks of torrential rainfall 
and urban flooding. Due to the complexity of anthropogenically increased rainfall, we 
argue an adapted Geodesign planning framework is needed, blending in scientific 
analysis with participatory methods of collaborative rationality principles in land 
use planning. Broader collaborating stakeholders would be necessary in the decision-
making process, namely planners, government officials, geographers, scientists, private 
business owners, non-governmental organizations, and local community leaders.    
This study's results demonstrate the entanglement of land uses effects on 
increasing rainfall intensity in the GJ area and its complexities. We combined a 
meteorological approach to seek patterns and mechanisms of urban rain and diurnal wind 
with a geographical and spatial statistical approach to measure the relationship 
between urban land use and rainfall through updraft origin occurrence. Our land use 
regression analysis implied that specific land use types contribute to the convective 
cloud formation leading to rainfall. These empirical studies uncovered intersectional 
climate injustice in the GJ area. We argue that an adapted Geodesign framework, which 
includes collaborative rationality principles and spatial regression analysis, is not 
just a solution, but a potential novel innovation for policymakers and urban planners 
to solve complex problems related to land use-induced rainfall and recurrent rainfall-
induced urban flooding. This hybrid approach, which combines different field studies, 
is the first of its kind in urban planning research in Indonesia, and has the potential 
to significantly impact future urban planning strategies.  
  
6 
 
Table of Contents 
Acknowledgements  ............................................................ 2 
Abstract  ................................................................... 4  
Table of Contents  ........................................................... 6   
 
Chapter 1: Introduction  ................................................ 9  
1.1 Introduction ........................................................ 9 
1.2 Literature review ................................................... 11 
1.2.1 Urbanization impact on weather and climate..................... 11 
1.2.2 Urban mitigation and adaptation planning  ..................... 13 
1.3  Methodology  ........................................................ 15 
 
Chapter 2: Role of updraft in dry-season torrential rainfall in Greater 
Jakarta, Indonesia ................................................ 17 
2.1  Introduction ........................................................ 17 
2.2  The Greater Jakarta area ............................................ 18 
2.3  Data and method ..................................................... 19 
 2.3.1 Spatiotemporal dominant wind field from reanalysis  
 datasets ............................................................ 19 
 2.3.2 Rainfall estimation from radar reflectivity data ............... 19 
 2.3.3 Wind back-trajectory analysis ................................. 20 
2.4 Results and discussions ............................................. 25 
 2.4.1 Diurnal cycle of wind and rainfall ............................ 25 
 2.4.2 Relationship of updraft origin and rainfall.................... 26 
 2.4.3 Convective mechanism and torrential rainfall................... 30 
2.5 Summary ............................................................. 34 
 
7 
 
Chapter 3: Investigating local climate injustice using land use regressions 
to inform urban adaptation planning: the case of urban rain in 
Greater Jakarta  ................................................. 35 
3.1  Introduction ........................................................ 35 
3.2  Investigating climate justice in Greater Jakarta..................... 38 
3.3. Data and method ..................................................... 40 
 3.3.1 Spatiotemporal dominant wind field  ........................... 40 
 3.3.2 Average dry-season rain intensity from weather radar  
 data ................................................................ 42 
 3.3.3 Updraft origin from back-trajectory analysis .................. 43 
 3.3.4 Spatial regression and the cross-sectional land use  
 regression  ......................................................... 44 
 3.3.5 Land use shares and distance to the NW–SE-oriented  
 front as explanatory variables ...................................... 47 
3.4  Results and discussion .............................................. 48 
 3.4.1 Relationship between updraft origin and rain .................. 48 
 3.4.2 Spatial regression model and trans-jurisdictional effects of 
anthropogenic land use  ............................................. 51 
 3.4.3 Local climate injustice in Greater Jakarta .................... 55 
 3.4.4 Urban adaptation planning  .................................... 58 
3.5  Summary ............................................................. 60 
 
Chapter 4: Blending scientific analysis and participatory method in 
inclusive planning in Greater Jakarta, Indonesia: a collaborative 
rationality geodesign framework ................................. 62  
4.1 Introduction ........................................................ 62 
4.2  Urban land use and water planning ................................... 66 
4.2.1 Traditional planning approaches ............................... 66 
4.2.2 Geodesign framework ........................................... 68 
 
8 
 
4.2.3 Collaborative rationality ..................................... 70 
4.3  Collaborative Rationality Geodesign Framework ....................... 72 
4.4  Collaborative Rationality Geodesign Framework for mitigating  
 torrential rain  .................................................... 74 
4.5  Summary ............................................................. 79 
 
Chapter 5: Conclusion  .................................................. 81  
 
References  .............................................................. 86 
  


洪水緩和および適応計画のための土地利用の都市豪雨への影響に関する学際的研究

影山, 莉沙

ラマン顕微鏡を用いた液-液相分離の分析と応用

及川, 達希

（別紙様式５）                                       
論 文 内 容 要 旨 
(NO．1) 
氏  名 及川 達希 提出年 ２０２４年 
学位論文の 
題   目 
 
 
 
時間反転対称性の破れの効果を取り込んだ第一原理フォノン計算手法の開発 
 
 
 
 
 
論 文 目 次 
第１章 序論 
1.1 フォノン角運動量………………………………………………………………………………...1 
1.2 時間反転対称性の破れに起因する諸物性……………………………………………………...9 
1.3 本研究の目的……………………………………………………………………………………,12 
第２章 理論的背景 
2.1 断熱近似………………………………………………………………………………………….15 
2.2 第一原理に基づく計算………………………………………………………………………….22 
2.3 フォノン角運動量……………………………………………………………………………….32 
2.4 Dynamical matrix の性質…………………………………………………………………….35 
2.5 Nuclear Berry curvature の性質…………………………………………………………….41 
第３章 計算手法 
3.1 凍結フォノン法………………………………………………………………………………….45 
3.2 結晶の対称性の利用…………………………………………………………………………….49 
3.3 ワニエ関数の利用……………………………………………………………………………….56 
3.4 計算フローと実装……………………………………………………………………………….59 
第４章 強磁性金属 BCC-Fe への適用 
4.1 空間反転対称性による制約…………………………………………………………………….62 
4.2 計算条件………………………………………………………………………………………….63 
4.3 フォノン分散…………………………………………………………………………………….63 
4.4 Nuclear Berry curvature の電子波数に対する依存性…………………………………….67 
第５章 強磁性絶縁体 CrI3 への適用 
5.1 計算条件………………………………………………………………………………………….70 
5.2 フォノンモードの変化………………………………………………………………………….70 
5.3 Nuclear Berry curvature の電子波数に対する依存性…………………………………….79 
第６章 結論……………………………………………………………………………………………………..81 
（別紙様式５）                                       
(NO．2) 
付録 A Γ行列の積……………………………………………………………………………………………..83 
付録 B  Nuclear Berry curvature の差分表式の導出……………………………………………………..85 
参考文献……………………………………………………………………………………………………….....89 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
（別紙様式５）                                       
(NO．3) 
論文内容要旨 
1 研究背景と目的 
フォノンは結晶中の格子振動を量子化した準粒子であり，物質の比熱や熱伝導といった熱力学的
特性，および電子との相互作用に起因する電気伝導や超伝導などの電子特性を決定するうえで重要
な役割を果たす．近年，外部磁場中で熱流（フォノン）が曲がるフォノンホール効果の発見を皮切
りに，電荷をもたないフォノンが時間反転対称性の破れを感じる機構に関する研究がなされてお
り，その過程で，フォノンがもつ角運動量の概念に注目が集まるようになった．このフォノン角運
動量は，フォノンホール効果や Einstein-de Haas 効果，熱や音の非相反伝導などの様々な現象に
寄与することが期待されているとともに，スピントロニクス分野においてスピンによる磁化制御が
行われているように，フォノン角運動量による磁化制御の実験も行われている．このように，フォ
ノン角運動量の研究は，新奇物性の理解や新たな物質機能の開拓などの観点から重要であると考え
られる． 
フォノンが角運動量をもちうるかどうかは結晶の対称性に依存する．対称性が高い結晶におい
て，対称性が高い波数経路におけるフォノンを考えると，進行方向である波数に対して，振動方向
が平行な縦波モードと，振動方向が垂直な 2 重縮退した横波モードに分かれる．この場合，フォノ
ンは角運動量をもたない．一方，対称性が低い結晶，もしくは対称性の低い一般の波数領域におけ
るフォノンを考えると，一般には，振動モードが混成して角運動量を持つようなモードになりう
る．このような一般の波数領域においてフォノンが角運動量をもちうるかどうかは，空間反転対称
性 P と時間反転対称性 T の観点から議論されており，PT が破れている場合，すなわち，P または
T のいずれか，もしくは両方が破れている場合にフォノンが角運動量をもちうるということが提案
されている．微視的には，P の破れによるフォノン角運動量は dynamical matrix と呼ばれる量か
ら計算することができるのに対して，T の破れによるフォノン角運動量は，加えて nuclear Berry 
curvature と呼ばれる量を評価する必要があり，定量的な理解や物質探索の観点からはこれらを第
一原理計算に基づいて評価することが重要となる．しかし，dynamical matrix は現在広く用いら
れている第一原理フォノン計算により評価することができる一方，nuclear Berry curvature は従
来の第一原理フォノン計算では寄与が小さいことから無視されており，ほとんど評価されていな
い． 
このような背景から，本研究では，nuclear Berry curvature を取り込んだ第一原理フォノン計
算手法の手法開発を目的とする．Nuclear Berry curvature は断熱近似のもとで自然に現れる項
で，物質の時間反転対称性の破れをフォノンモードの縮退・分裂に反映する重要な役割を担ってい
ると考えられている．しかしながら，今日までに第一原理計算に基づいて nuclear Berry 
curvature を評価した研究で用いられている手法では，現実的な物質に対する計算は困難である．
そこで，本研究では，現実的な物質に適用可能な計算手法の実現を目指す． 
 
2 計算手法 
 本研究では，第一原理フォノン計算の主要な方法の一つである，凍結フォノン法に基づいた手法
を開発した．この方法では，ブリルアン・ゾーン内に切ったメッシュの波数 q における 
dynamical matrix と nuclear Berry curvature を計算し，フーリエ変換を用いた内挿法により， 
（別紙様式５）                                       
(NO．4) 
任意の波数点における値を補間する．Dynamical matrix と nuclear Berry curvature の計算で 
は，原子を平衡位置から動かすことで波数 q の格子振動が凍結した状態を表現し，その原子核配置
における電子状態計算の結果を用いる．このような計算方法では supercell に対する電子状態計算
が必要になるため，可能な限り supercell のサイズを抑えるために，本手法では nondiagonal 
supercell を採用している．また，磁気空間群による nuclear Berry curvature の変換則を導くこ
とで，既約な波数点のみに対する計算や，数値誤差による対称性の破れの修正を可能にしている．
これにより，既約な波数点における可能な限り小さい supercell に対する電子状態計算の実行と，
対称性が保たれた物理量の計算が可能となる． 
 
3 物質への適用 
P があり T が破れている物質のうち，先行研究が存在する以下の二つの物質に適用した． 
 強磁性金属 BCC-Fe への適用 
計算は primitive cell に対して行い，先行研究より細かい 4×4×4 の q メッシュにおける 
dynamical matrix と nuclear Berry curvature を評価した．フォノン分散を計算した結果，
dynamical matrix のみの計算では縮退していた z 方向に進行する横波モードが，nuclear 
Berry curvature を考慮することによって分裂し，z 方向の角運動量をもつ状態となることを
確認した．このように，z 軸上の波数経路においてフォノン角運動量をもったモードが生じる
という傾向は先行研究の結果と整合している．また，このような分裂を磁気空間群の観点から
議論した．さらに，どのような電子構造が nuclear Berry curvature に寄与するかを明らか
にするために，最も値が大きかった nuclear Berry curvature の行列要素に着目し，その電
子波数 k に対する依存性を調べた．二次元平面上の電子波数領域に対する計算を実行した結
果，スピン軌道相互作用により分裂したバンドがフェルミ面にかかった波数領域において，
nuclear Berry curvature への寄与が急峻に増大することがわかった． 
 強磁性絶縁体 CrI3 への適用 
 先行研究は Γ点のみの計算であったため，本研究では 2×2×2 の q メッシュに対する計算を
行った．その結果，Γ点と z 軸上の波数点の 2 点において，縮退していたモードの分裂がみら
れた． z 軸上の波数点における変化が顕著であるという傾向は，Fe の結果と同様である．一
方，分裂幅に関しては Fe と比べて 1 桁程度小さいという結果が得られたため，この原因を明
らかにするために，Fe と同様に nuclear Berry curvature の電子波数依存性を調べた．その結
果，波数依存はするものの，その変化は小さいという結果が得られた．この結果は，Fe の結果
をふまえると，CrI3 のバンドギャップが大きいことに起因していると考えられる． 
 
4 結論 
本研究では，凍結フォノン法をベースに nuclear Berry curvature を取り込んだ第一原理フォ
ノン計算手法を開発した．開発した手法を空間反転対称性があり時間反転対称性が破れている Fe
と CrI3 に適用し，nuclear Berry curvature により時間反転対称性の破れに起因するフォノン角
運動量モードが生じることを確認した．また，スピン軌道相互作用により分裂したバンドがフェル
ミ面にかかった波数領域の電子が，nuclear Berry curvature に寄与することを示した． 
別 紙 
 
論文審査の結果の要旨 
 本論文は、磁気秩序に伴うフォノンの運動の変化を第一原理計算により明らかにする手法を開
発し、実際の物質に適用して解析を行ったものである。 
 近年、フォノンの角運動量やそれに起因する物性が注目を集めている。フォノンが角運動量を
持つためには、空間反転対称性あるいは時間反転対称性が破れている必要があるが、空間反転が
破れている場合の研究は進んでいる一方、磁気秩序による時間反転対称性の破れがフォノンの運
動に及ぼす影響については、実際の物質を対象とした研究が限られていた。 
 本研究では、第一原理計算に基づいて磁気秩序がある場合のフォノンの運動を精度よく、かつ
効率的に計算する手法を開発した。特に、フォノンが感じる有効磁場を対称性に基づいて対称化
することで、計算誤差を可能な限り小さくするとともに、計算効率を上げることに成功した。ま
た、スーパーセルの取り方を工夫することで更なる効率化を図ることにより、汎用的に様々な物
質へ適用することを可能にした。次に、これらの手法を実装したコードを用いて、強磁性体であ
る鉄のフォノンの計算を行った。その結果、有効磁場を考えないときは縮退していた横波のモー
ドが、磁化によって分裂することで角運動量を持つことを定量的に明らかにした。また、その寄
与を分解して解析することで、フェルミ準位近傍の電子に由来する有効磁場が大きな寄与をもた
らしていることを示した。さらに、強磁性絶縁体である CrI3 についても適用し、鉄と比較して磁
化によるフォノンモードの分裂が小さくなることを示した。これらの成果は、フォノンが感じる
有効磁場の第一原理計算において貴重なリファレンスとなるだけでなく、磁化のフォノンへの影
響が顕著な物質の探索に向けた基盤を構築したものといえる。 
 以上のように本論文の成果は、磁気秩序に起因するフォノンの角運動量とその関連物性を議論
する上での重要な基盤技術を構築したものであり、及川氏が自立して研究活動を行うのに必要
な高度の研究能力と学識を有することを示している。したがって、及川達希氏の博士論文を
博士（理学）の学位論文として合格と認める。 
 
 
 
 
 
 
 
 


時間反転対称性の破れの効果を取り込んだ第一原理フォノン計算手法の開発

Kuze, Riku

（別紙様式５）                                       
論 文 内 容 要 旨 
(NO．1) 
氏  名 久世陸 提出年 ２０２４年 
学位論文の 
題   目 
Multi-wavelength emission modeling of  
jets and accretion flows of black holes 
(ブラックホール天体のジェットと降着円盤からの多波長放射モデルの構築) 
 
論 文 目 次 
1 Introduction 1  
1.1 Relativistic jets and accretion disks......................... 1  
1.2 Findings from the multi-wavelength data fitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2  
1.3 Radio galaxies..................................... 3  
1.3.1 Multi-wavelength observation in radio galaxies . . . . . . . . . . . . . . 3  
1.3.2 Classification of radio galaxies I: Geometric classification . . . . . . . . . 5  
1.3.3 Classification of radio galaxies II: Mass accretion rate classification . . . 5  
1.4 Black hole X-ray binaries .............................. 7  
1.4.1 Ultra-high-energy gamma rays from BHXBs . . . . . . . . . . . . . . . . 7  
1.4.2 Multiple phase of BHXBs .......................... 8  
1.4.3 Geometry of the corona ........................... 12  
1.5 States of the accretion disk ............................. 14  
2 Radiation processes 17  
2.1 Relativistic effects .................................. 17  
2.1.1 Relativistic beaming effect.......................... 17  
2.1.2 Relativistic Doppler effect.......................... 18  
2.2 Synchrotron radiation ................................ 21  
2.2.1 Synchrtron power............................... 21  
2.2.2 Synchrotron frequency............................ 23  
2.3 Synchrotron self-absorption ............................. 25  
2.4 Inverse Compton scattering (IC) .......................... 28  
2.4.1 Energy change of the photons via a single IC . . . . . . . . . . . . . . . 28  
2.4.2 IC with the isotropic photon field...................... 29  
2.5 Breit-Wheeler process ................................ 32  
2.6 pp ineleastic collision................................. 32  
2.7 Photomeson production ............................... 35  
2.8 Bethe-Heitler process................................. 37  
3 Various multi-wavelength emission model 39  
3.1 Multi-wavelength emission model in AGNs..................... 39  
3.1.1 Leptonic Jet Model.............................. 40  
（別紙様式５）                                       
3.1.2 Hadronic Jet Model ............................. 43  
3.1.3 Hybrid Model................................. 45  
3.1.4 Large-scale (≥kpc) Jet Model ....................... 45  
3.1.5 Black hole magnetosphere model ...................... 46  
3.2 Multi-wavelength emission model in BHXBs.................... 47  
3.2.1 ADAF model ................................. 47  
3.2.2 Jet model................................... 49  
4 Jet-MAD model 51  
4.1 Model overview.................................... 53  
4.2 MAD model...................................... 53  
4.3 Physical quantities at the base of the jet...................... 56  
4.4 Energy contents of the jet .............................. 58  
4.5 Particle distribution inside the jet.......................... 61  
5 Application to AGNs 65  
5.1 Results for the MAD model.............................. 65  
5.2 Results for strong plasma entrainment ....................... 67  
5.3 Results for weak or no plasma entrainment .................... 70  
5.4 Discussion ...................................... 71  
5.4.1 Particle energy distribution: power-law tail . . . . . . . . . . . . . . . . 71  
5.4.2 Acceleration by the Alfvén wave dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . 74  
5.4.3 Neutrino luminosity of the Jet-MAD model . . . . . . . . . . . . . . . . 76  
5.4.4 Effect of the pitch angle anisotropy..................... 78  
5.4.5 Time variability analysis........................... 78  
6 Application to BHXBs 79  
6.1 Difference from the AGNs .............................. 80  
6.1.1 MADs in BHXBs............................... 80 
6.1.2 Photo-attenuation by the companion star . . . . . . . . . . . . . . . . . 81  
6.2 Photon and neutrino emissions from individual BHXBs. . . . . . . . . . . . . . 82  
6.2.1 Typical features of photon and neutrino spectra. . . . . . . . . . . . . . 83  
6.2.2 Photon spectrum for MAXIJ1820+070 .................. 86  
6.2.3 Photon spectrum for CygnusX-1...................... 88  
6.2.4 Photon spectra for the other BHXBs.................... 91  
6.2.5 Neutrino emission from BHXBs....................... 92  
6.2.6 Difference of the plasma parameter between quiescent and hard states 
BHXBs .................................... 95  
6.3 Diffuse Emission from the quiescent and hard states BHXBs . . . . . . . . . . . 95 
6.3.1 Galactic neutrino and TeV gamma-rays .................. 95  
6.3.2 CRs from the quiescent and hard states BHXBs . . . . . . . . . . . . . . 98  
7 Conclusions 101  
（別紙様式５）                                       
7.1 Summary ....................................... 101  
7.1.1 Application to AGN ............................. 102  
7.1.2 Application to BHXB ............................ 103  
7.2 Comparison with the results for AGNs and BHXBs . . . . . . . . . . . . . . . . 104  
7.3 Future work...................................... 105  
References 107  
Appendix A Particle acceleration 115  
A.1 Magnetic Reconnection................................ 115  
A.2 Turbulence ...................................... 119  
Appendix B Calculation method of the thermal radiation inside the MAD 125  
B.1 Synchrotron radiation by the thermal electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 
B.2 Optical depth of the synchrotron self-absorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . 127  
Appendix C Calculation method of the synchrotron radiation by the nonthermal particles 129  
Appendix D Magnetization parameter for power-law tail distribution 131 
 
要旨 
In the Universe, there are many black holes (BHs), whose mass ranges in 5−30M⊙ (stellar-mass BH) and 
106 −1010M⊙ (supermassive BH). For example, active galactic nuclei (AGNs) are emitting multi-wavelength 
photons by releasing gravitational energy of accreting material onto supermassive BHs. AGNs are brighter 
than their host galaxies. Black hole X-ray binaries (BHXBs), consisting of stellar-mass BH and its 
companion star, exist in the Milky Way. We have observed multi-wavelength photons ranging from radio 
bands to high-energy gamma rays from these objects so far. In particular, Large High Altitude Air Shower 
Observatory (LHAASO) has recently detected ultra-high-energy (UHE) gamma rays from some BHXBs. 
However, multi-wavelength emission mechanisms and regions are still controversial. It is necessary to 
estimate the particle energy distribution and physical quantities of the emission region to calculate the 
multi-wavelength photon spectrum. Thus, understanding the multi-wavelength emission mechanism and 
region leads to revealing the particle acceleration mechanism and environment around the BH.  
Some AGNs and BHXBs have relativistic plasma outflow called “jets” from their BH. These jets are 
bright in the radio band. As a multi-wavelength emission region, the emission from the jets has been widely 
discussed. In the standard jet model, accelerated electrons emit multi- wavelength photons through 
synchrotron radiation and synchrotron self-Compton scattering. At least for M87, if we try to reproduce the 
multi-wavelength data by the jet model, the required magnetic field (∼ 1−10 mG) is lower than that 
estimated by the radio-core-shift measurement (∼ 1 G). As another emission region, the hot accretion flow is 
proposed, but the hot accretion flow model also cannot reproduce the multi-wavelength data, especially in 
the opt-to-X-ray bands. So far, the multi-wavelength emission from jets and accretion flows has been widely 
discussed, and these components have been treated as independent components. However, the jets and 
accretion flows are physically connected through particle injection into the jets. Thus, I have constructed a 
two-zone emission model that considers the interaction between jets and accretion flows. In this thesis, by 
（別紙様式５）                                       
modeling the multi-wavelength emissions from jets and accretion flows, I aim to understand the origin of the 
multi-wavelength emission from BHs and environments around BHs.  
We have investigated the origin of the multi-wavelength emission of AGNs by applying this two-zone 
emission model to M87. We found that our two-zone emission model can reproduce the multi-wavelength 
data, except for the radio data. Emissions from the accretion flows can explain the mm/sub-mm and 
GeV-TeV gamma-ray data, while the emission from the jets can explain the opt-to-X-ray data. We find that a 
large amount of plasma entrainment from the ambient gas is necessary to reproduce the multi-wavelength 
data. Since the emission region differs for each energy of the emitted photons, the time variability analysis 
can test our model.  
We have also investigated the origin of the multi-wavelength emission of BHXBs by applying our model 
to five BHXBs: MAXI J1820+070, Cygnus X-1, GRO J1650+40, GX 339-4, and XTE J1118+480. In our 
scenario, hadronic processes inside the accretion flows can explain the LHAASO data of MAXI J1820+070 
and Cygnus X-1. Future neutrino detectors will be able to detect TeV neutrinos from these objects, and 
future gamma-ray detectors will be able to detect sub-PeV gamma-rays from the accretion flows of other 
BHXBs. We also evaluate the contribution of the BHXBs to the diffuse gamma rays and neutrinos observed 
in our galaxy. We find that BHXBs can significantly contribute to these emissions.  
別 紙 
 
論文審査の結果の要旨 
 
 久世氏の研究目的は、電波銀河や X 線連星などのブラックホール・降着流・ジェットからなる
天体からの電波からガンマ線の多波長電磁波放射モデルを構築することである。そのために久世
氏は、最新の一般相対論的電磁流体シミュレーションとプラズマ粒子シミュレーションによる知
見を放射モデルに組み込み、それを最新の多波長の電磁波観測データと比較することで、ガンマ
線の起源や 1015eV を超える高エネルギー宇宙線の生成過程を解明することを目指している。 
 電波銀河は活動銀河の一種であり、超大質量ブラックホールを有する中心核から噴出する相対
論的ジェットを横から見込んでいる天体と考えられている。X 線連星には星サイズのブラックホー
ルと恒星の連星系が含まれる。これらの天体は共通してブラックホール・降着流・ジェットから
なるシステムを持っており、電波からガンマ線にわたる広い波長域の電磁波放射が観測されてい
る。近年、一部の X 線連星から 1013eV 以上の超高エネルギーガンマ線が Large High Altitude Air 
Shower Observatory によって検出され、話題となっている。その広い波長域の電磁波は、なんら
かの非熱的な散逸過程によって加速された電子や陽子からの放射と考えられるが、散逸が起こっ
ている場所や散逸の詳細な物理過程が不明である。久世氏の研究は、これらの謎に迫ることで高
エネルギー宇宙線や高エネルギーニュートリノ、宇宙背景電磁波の起源の理解を進めるだけでな
く、ブラックホール・降着流・ジェットの詳細な構造や動的性質を解明する手がかりとなる。近
年、ブラックホール降着流の一般相対論的電磁流体シミュレーションの高解像度・長時間計算が
国内外の複数のグループで実行され、強磁場降着流が色々な観測データを説明しうるとして活発
に議論されている。久世氏は強磁場降着流がブラックホール近傍で大規模な磁気リコネクション
による散逸過程や乱流を引き起こすことに注目し、その知見を主に電波銀河に適用し、独自の多
波長放射モデルを構築した。 
 この研究の新しい知見は以下の３点である：(1)降着流中の乱流によって生成される非熱的粒子
が高エネルギーガンマ線を放射することは提案されていたが、それとジェットからの放射も合わ
せて計算する新しいモデルを構築した。これまで降着流とジェットの放射は別々に研究されてき
たが、久世氏はブラックホール近傍での磁気リコネクションによるジェットへの粒子注入率をモ
デルに組み込むことでジェットと降着流を結びつけ、より現実的な分析を可能にした。(2)ジェッ
トは磁気エネルギーが卓越するため、その散逸機構も磁気リコネクションになると考えられる。
最新の磁気リコネクションのプラズマ粒子シミュレーション結果を考慮した放射スペクトルを導
出し、それが電波銀河 M87 などの観測と整合的であることを示した。(3)電波銀河だけでなく、同
じ理論モデルを X 線連星にも適用し、Large High Altitude Air Shower Observatory で検出され
た超高エネルギーガンマ線をも説明できることを示した。このガンマ線を説明する理論モデルは
すでに他に２つ提唱されているが、久世氏の理論モデルは X 線も同時に説明できる点で世界初で
ある。 
これらの新しい知見を含む久世氏の研究論文は、博士論文として適当である。そして論文は全
体として、自立して研究活動を行うに必要な高度の研究能力と学識を有することを示している。
以上の理由により、久世氏が提出した博士論文を博士（理学）の学位論文として合格と認める。 
 
 
 
 


ブラックホール天体のジェットと降着円盤からの多波長放射モデルの構築

Tanaka, Tomonaga

（別紙様式５） 
論 文 内 容 要 旨 
(NO．1) 
氏  名 田中智永 提出年 ２０２４年 
学位論文の 
題   目 
Development of Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs) for 
GroundBIRD experiment and their onsite calibrations（GroundBIRD 実験用
マイクロ波力学インダクタンス検出器(MKIDs) の開発及び観測現場での性能 
較正） 
 
論 文 目 次 
1 Introduction 
 1.1 Reionization epoch 
 1.2 Neutrino total mass and reionization epoch 
  1.2.1 The neutrino total mass and CMB B-mode polarization 
  1.2.2 The degeneracy of neutrino total mass and optical depth after 
reionization  
   epoch 
 1.3 Studies of observational cosmology measuring CMB polarization 
 1.4 GroundBIRD experiment 
  1.4.1 Features of GroundBIRD experiment 
  1.4.2 Required performance for the GroundBIRD instruments 
 1.5 Subject of this study 
 1.6 Outline of this study 
 
2 Microwave Kinetic Inductance Detectors 
 2.1 Microwave Kinetic Inductance Detector 
  2.1.1 superconducting state 
  2.1.2 Quasi-particle 
  2.1.3 Principle of the detection of the photons by MKIDs  
  2.1.4 Advantage of MKID 
 2.2 Complex conductivity 
 2.3 Surface Impedance 
 2.4 Resonant frequency and CoPlanar Waveguide (CPW) 
 2.5 Quality factor 
 2.6 Responsivity of MKID 
 2.7 Noise property characterizing MKID 
  2.7.1 Power Spectral Density (PSD) 
  2.7.2 Noise Equivalent Power (NEP) 
（別紙様式５） 
(NO．2) 
 2.8 Hybrid-type MKID 
 
3 MKIDs design and fabrication for GroundBIRD scientific observation 
 3.1 Design of antenna 
  3.1.1 Antenna for 145 GHz 
  3.1.2 Antenna for 220 GHz 
  3.1.3 Beam pattern of MKID coupled to hemispherical lens 
 3.2 Design of a MKID 
  3.2.1 Line width of Aluminum-NbTiN hybrid CPW 
  3.2.2 Impedance matching of antenna and aluminum line 
  3.2.3 Optimization of the fractional length of the capacitive part in a resonator 
  3.2.4 Optimization of the total length of resonator 
 3.3 MKID chip design for GroundBIRD scientific observation 
 3.4 Fabrication of MKIDs for GroundBIRD scientific observation 
 
4 Performance verification test of MKIDs for GroundBIRD scientific observation at 
laboratory 
 4.1 Outline of performance verification test in bright condition 
 4.2 Outline of performance verification test in dark condition 
 4.3 Measurement environment for performance verification test with bright condition 
 4.4 Measurement environment for performance verification test with dark condition 
 4.5 Distribution of resonant frequencies of installed MKIDs in all chips 
 4.6 Measured cutoff frequency 
  4.7 Results of performance verification tests of the fabricated MKIDs under bright  
   condition 
 4.8 Result of performance verification tests in dark condition 
 4.9 Conclusion of performance verification test 
 
5 Results of the onsite performance verification tests and calibration measurements 
 5.1 Readout system of GroundBIRD 
 5.2 Distribution of resonant frequencies of the MKIDs 
 5.3 Outline of measurement procedure 
 5.4 Monitoring system to proceed remote observation 
 5.5 Modeling the beam patterns and their validations with the Jupiter observations 
  5.5.1 Modeling the beam pattern 
  5.5.2 Validation of modeled beam 
 5.6 Calibration of the responsivity and noise performance  
  5.6.1 responsivity 
（別紙様式５） 
  (NO．3) 
  5.6.2 Noise property 
 5.7 Onsite measurements of noise power spectrum density 
 
6 Conclusion and Discussion 
 6.1 Conclusion 
 6.2 Discussion 
 
Appendix 
 
A CMB E-mode and B-mode polarizations 
 A.1 coherency matrix 
 A.2 E-mode and B-mode 
 
B IQ modulation 
 
C Common mode subtraction of MKID 
 
D The setup of simulations 
 D.1 CST Studio Suites 
  D.1.1 Simulation of antenna transmittance 
  D.1.2 Simulation of beam pattern with lens 
 D.2 SONNET 
 D.3 GRASP 
 
 
GroundBIRD is a ground-based CMB polarization experiment designed to measure the 
reionization bump that appeared in the CMB polarization power spectrum. While tilting the 
telescope at an elevation angle of 60--70 degrees, the telescope is rotated at a high rotation 
speed of 20 RPM. The strategy for mitigating atmospheric fluctuation is to observe a 
significant portion of the sky before the amplitude of the atmospheric emission changes 
significantly. It is set at the Teide observatory on Tenerife Island. The observation bands are 
145 GHz and 220 GHz, where 145 GHz covers the peak frequency of the CMB spectrum and 
220 GHz is used to remove the Galactic dust foreground contribution from the data. The 
Microwave Kinetic Inductance Detector (MKID), a state-of-the-art superconducting detector, 
is chosen as a focal plane detector because it has a fast enough response, high enough 
sensitivity, and wide dynamic range compared with other superconducting direct detectors, 
which satisfy the requirements of the GroundBIRD.  The number of detectors in the 145 GHz 
band is 23 $¥times$ 6 chips = 138 pixels, and 23 $¥times$ 1 chip = 23 pixels in the 220 GHz  
（別紙様式５） 
(NO．4) 
band. We adopted a hybrid type MKID in which the resonator is made from Al and NbTiN to 
reduce the detector intrinsic 1/f noise called the TLS noise drastically while keeping high 
sensitivity. The design was carried out by myself based on the design strategy of the hybrid 
type MKID proposed by H. Kutsuma (PhD thesis) and H. Kutsuma, T. Tanaka et al. (in 
preparation). Fabrication of the detectors is done at the Netherlands Institute for Space 
Research and Delft University of Technology. Performance evaluation experiments in the 
laboratory were conducted at the Netherlands Institute for Space Research and Delf 
University of Technology in April 2023. We have confirmed that the detectors show the 
expected performance. 
 
Following the performance verification experiments, the full detector arrays were installed in 
the GroundBIRD telescope. The operation was restarted in December 2023. A survey of the 
sky has been performed by remote control operation since then. In parallel, the onsite 
performances of the telescope and detectors have been tested. The main beam part of the 
detector beam pattern was modeled using the quasi-optics simulator GRASP and verified 
through Jupiter observations. Responsivities of detectors were extracted using the Moon 
observation data. Although the deduced noise level was higher than expected, it was 
confirmed that the detector noise is limited by the photon noise of the atmosphere at the Teide 
Observatory. The atmospheric PWV dependence of the 1/f noise was found in the measured 
noise PSD for various PWVs. It confirmed that the $1/f$ noise that appeared in the PSD 
originated from the atmospheric emission. It shows that we could successfully suppress the 
1/f noise intrinsic to the detector, TLS noise, sufficiently below the atmospheric noise at the 
Teide observatory. It also shows that the TLS noise model proposed by H. Kutsuma's PhD 
thesis and H. Kutsuma, T. Tanaka et al. (in preparation) works well. Additionally, the fact 
that the 1/f knee frequency appears about a few times 0.1 Hz when the PWV is 1.5 mm 
supports that the GroundBIRD scan strategy could work as the original idea to access the 
reionization bump in the CMB E-mode polarization power spectrum by mitigating the 
atmospheric fluctuation. 
 
別 紙 
 
論文審査の結果の要旨 
 田中氏は、宇宙初期の謎の解明を目的とした、日西韓蘭国際共同プロジェクトである宇宙マ
イクロ波背景放射偏光観測実験 GroundBIRD 実験の核となる最先端の超伝導検出器 MKID の設計、
作成、性能評価実験を行い、望遠鏡に搭載しサイエンス観測開始を実現した。超伝導検出器 MKID
は、次世代高感度高性能検出器として長年注目を集めてきたが、低周波に現れる 1/f ノイズと呼
ばれるノイズを、光の検出器としての性能を劣化させることなく、如何にして低減できるかが最
大の課題であった。光を受光するパーツを超伝導転移温度が低い金属を用いて作成し、超伝導体
全体の体積の大半は受光する光に感度を持たない超伝導転移温度の高い金属で作成するハイブリ
ッド型で作成することで、この問題を克服できることが示された。しかしながら、受光部の体積
が全体に占める割合をどうするのが最適化は、これまでは作成者の経験と勘が頼りであった。こ
の状況を打破するため同じ研究室の先輩である沓間氏が最適化の物理モデルを提案した。本研究
では、世界で初めてこの物理モデルに基づいて最適化した設計を行い作成した。作成した検出器
の性能評価を実験室で実施し、その後 GroundBIRD 望遠鏡に搭載して、観測実施環境下での性能評
価測定を行った。その結果、光に対する高い感度と十分低い雑音レベルを保ちつつ、検出器由来
の 1/f ノイズが期待通りに低く低減できることを実証した。すなわち沓間氏が提案した最適化の
物理モデルが、実際の検出器作成に使えることを世界で初めて実証した。この成果は、今後の超
伝導検出器 MKID の開発を加速する大きな一里塚となる成果である。また、超伝導検出器 MKID を
搭載した宇宙マイクロ波背景放射偏光観測の実現は、世界で初めてのことである。 
 さらに GroundBIRD 望遠鏡を用いたサイエンス観測の基本量の幾つかの定量化を完了した。その
一つは、検出器のビームパターンのモデル化である。口径の小さい GroundBIRD 望遠鏡のビーム
パターンの定量化に適した天体が存在しないため、物理光学シミュレーションと準光学シミュレ
ーションを組み合わせたシミュレーションにより全 161 検出器素子のビームパターンのモデル化
を行い、木星の観測により得られたモデルの正確性を実証した。  
以上のことは、田中氏が、自立して研究活動を行うに必要な高度の研究能力と学識を有するこ
とを示している。したがって、田中智永氏提出の博士論文は、博士（理学）の学位論文として合
格と認める。 
 
 


GroundBIRD実験用マイクロ波力学インダクタンス検出器 (MKIDs) の開発及び観測現場での性能較正

小嶋, 理白

（別紙様式５）                                       
論 文 内 容 要 旨 
(NO．1) 
氏  名 小嶋 理白 提出年 2024 年 
学位論文の 
題   目 
 
 
強塩基性キラルブレンステッド塩基触媒による不斉付加反応を鍵とする非環状
1,3-非連続不斉炭素中心の立体選択的構築法の開発 
 
 
 
 
論 文 目 次 
 
第 1 章 序論 
 
第 2 章 強塩基性キラルブレンステッド塩基触媒を用いた不斉付加反応による 1,3-非連続不斉炭素中心
の構築 
 
第 3 章 ジアステレオ選択的アルキル化反応による四置換炭素を含む非環状 1,3-非連続不斉炭素中心の
構築 
 
第 4 章 結論 
（別紙様式５）                                       
論 文 内 容 要 旨 
第 1 章 序論 
 
キラルブレンステッド塩基触媒による不斉付加反応は、1,3-非連続不斉炭素中心を構築する有用な方
法論である。しかしながらこの反応では、アニオン性求核剤の求電子剤への付加および、それによって
生じるアニオン中間体のプロトン化の二つの段階で、それぞれの不斉炭素中心を立体選択的に構築する
必要があるため、立体化学の制御が難しく、高い立体選択性を実現した例は非常に限られている。特に
これまで報告されている例では、従来のキラルブレンステッド塩基触媒の塩基性が低いことに起因して、
酸性度の高いプロ求核剤を用いた反応に限られていた。また、求電子剤の α位に導入可能な置換基も非
常に限定的であった。 
一方で、当研究室ではウレアの脱プロトン化によって生じるウレエートを塩基性官能基として用いた、
強塩基性キラルウレエート触媒を開発した。この触媒は、触媒前駆体かつ共役酸であるウレアの水素結
合を介した高い基質認識能と高い入手容易性を有している。そして、この触媒を用いることで従来の触
媒では達成困難な酸性度の低いプロ求核剤と種々の求電子剤との不斉付加反応の開発に成功している。
そこで著者は、本博士研究においてこの新たに開発されたキラルウレエート触媒の高い触媒活性と高い
立体制御能を活用することで、1,3-非連続不斉炭素中心を構築する不斉付加反応に適用可能なプロ求核
剤と求電子剤の双方を拡充することを着想した。 
 
第 2 章 強塩基性キラルブレンステッド塩基触媒を用いた不斉付加反応による 1,3-非連続不斉炭素中心
の構築 
 
1,3-非連続不斉炭素中心を構築する不斉付加反応に適用可能なプロ求核剤と求電子剤の双方を拡充す
ることを目指し、強塩基性キラルウレエート触媒を用いることで酸性度の低いプロ求核剤と α位に様々
な置換基を有する求電子剤の不斉付加反応の開発に取り組んだ。検討の結果、従来の触媒では反応に適
用困難な、酸性度の低い α-チオアセトアミドと α位に様々な置換基を有するビニルスルホンならびにア
クリル酸エステルの不斉付加反応が、高ジアステレオ選択性および高エナンチオ選択性で進行すること
を見いだした。これまで報告されている 1,3-非連続不斉炭素中心を構築する不斉付加反応において、本
触媒系のように、幅広い求電子剤に対し高い立体選択性を実現できた反応はない。種々のコントロール
実験の結果、ナトリウムをカウンターカチオンとするキラルウレエート触媒を用いたことで、様々な置
換基を有する求電子剤との反応において高いジアステレオ選択性を実現できたことを明らかにした。 
 
第 3 章 ジアステレオ選択的アルキル化反応による四置換炭素を含む非環状 1,3-非連続不斉炭素中心の
構築 
 
第 3 章では、キラルブレンステッド塩基触媒を用いた不斉付加反応では直接的に構築することが難し
い、四置換炭素を含む非環状 1,3-非連続不斉炭素中心の構築法の開発に取り組んだ。それらを構築する
戦略として、エナンチオ選択的付加に続いてジアステレオ選択的アルキル化を行うという、2 つの反応
を組み合わせる戦略を考案した。そして、その有効性を検証するために、第 2 章で開発したキラルウレ
エート触媒を用いた α-チオアセトアミドと α-置換ビニルスルホンの不斉付加反応によって光学活性体
（別紙様式５）                                       
の合成が可能なスルホンを基質として、キレーションを活用したスルホンの α位のジアステレオ選択的
なアルキル化の開発に取り組んだ。検討の結果、LDA によるスルホニル基の α位の脱プロトン化によっ
て生成するカルボアニオン中間体において、リチウムカチオンとアミド酸素のキレーションにより六員
環イス型配座が形成されることで、アルキル化がジアステレオ選択的に進行することを見いだした。最
後に、不斉付加反応で得られた光学活性な基質を用いて、ジアステレオ選択的なアルキル化を検討した。
その結果、光学純度をほぼ損なうことなく、メチル化およびアリル化、ベンジル化がジアステレオ選択
的に進行した。本研究によって、四置換炭素を含む非環状 1,3-非連続不斉炭素中心のジアステレオ選択
的かつエナンチオ選択的構築に成功し、今回の戦略の有効性を示すことができた。 
 
第 4 章 結論 
 
「強塩基性キラルブレンステッド塩基触媒による不斉付加反応を鍵とする非環状 1,3-非連続不斉炭素
中心の立体選択的構築法の開発」と題した本博士研究では、当研究室で独自に開発されたキラルウレエ
ート触媒の高い触媒活性と高い立体制御能を活用することで、立体制御が難しいため報告例が非常に限
られている、1,3-非連続不斉炭素中心を構築する不斉付加反応の開発に成功した。さらに、キラルブレ
ンステッド塩基触媒を用いた不斉付加反応では直接的に構築することが難しい、四置換炭素を含む非環
状 1,3-非連続不斉炭素中心を構築する戦略として、エナンチオ選択的付加に続いてジアステレオ選択的
アルキル化を行うという戦略を考案し、その有効性を示すことができた。従って本博士研究を通し、1,3-
非連続不斉炭素中心を構築する不斉付加反応に適用可能な基質の拡充と、四置換炭素を含む 1,3-非連続
不斉炭素中心を有する光学活性化合物の新たな合成法を提供することができた。本博士研究で得られた
触媒や反応の立体制御に関する知見は、さらに高活性な強塩基性キラルブレンステッド塩基触媒の開発
や、より多様な立体構造を有する光学活性化合物の効率的な合成法の開発に繋がるものと期待される。 
 
別 紙 
 
論文審査の結果の要旨  
 
 キラルブレンステッド塩基触媒による不斉付加反応は 1,3-非連続不斉炭素中心を構築する有用
な方法論である。しかし、反応の性質上 2 つの不斉炭素中心を立体選択的に構築するのは難しく、
高い立体選択性を実現した報告例は非常に限られている。特に、これまでの報告例では、酸性度
の高いプロ求核剤を用いた反応に限られており、求電子剤の α 位に導入可能な置換基も非常に限
定的であった。この課題に対し、小嶋理白氏は強塩基性キラルウレエート触媒を用いることで、
反応に適用可能なプロ求核剤と求電子剤の双方の拡充を目指し、1,3-非連続不斉炭素中心を構築す
る不斉付加反応の開発に取り組んだ。  
 
第 2 章では、強塩基性キラルウレエート触媒を用いることで、酸性度の低いプロ求核剤と α 位に
様々な置換基を有する求電子剤の不斉付加反応の開発に取り組んだ。その結果、酸性度の低い α-
チオアセトアミドと α 位に様々な置換基を有するビニルスルホンならびにアクリル酸エステルの
不斉付加反応が、高立体選択性で進行することを見いだした。  
 
第 3 章では、キラルブレンステッド塩基触媒を用いた不斉付加反応では直接的に構築することが
難しい、四置換炭素を含む非環状 1,3-非連続不斉炭素中心の構築法の開発に取り組んだ。それら
を構築する戦略として、エナンチオ選択的付加に続いてジアステレオ選択的アルキル化を行うと
いう、2 つの反応を組み合わせる戦略を考案した。検討の結果、第 2 章で開発した不斉付加反応に
よって得られる光学活性スルホンを基質とする、キレーションを活用したジアステレオ選択的な
アルキル化反応の開発に成功した。これにより、四置換炭素を含む非環状 1,3-非連続不斉炭素中
心の立体選択的な構築を達成し、本戦略の有効性を示した。  
 
本研究の成果は、1,3-非連続不斉炭素中心を構築する不斉付加反応に適用可能なプロ求核剤と求電
子剤の双方を大幅に拡充することを実現し、さらに四置換炭素を含む非環状 1,3-非連続不斉炭素
中心を構築する新たな戦略を提供した点にある。本研究の反応開発で得られた知見は、さらに高
活性なキラルブレンステッド塩基触媒の開発や、より多様な立体構造を有する光学活性化合物の
効率的合成法の開発に繋がるものと期待できる。これらの研究成果は、著者が自立して研究活動
を行うに必要な高度の研究能力と学識を有することを示している。従って、小嶋理白氏提出の博
士論文は，博士（理学）の学位論文として合格と認める。  


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