ナノスケールの試料を光を使って観察することは大変魅力的です。光は直接的に物質と相互作用するので、構成分子について多彩な情報を得ることができます。本研究室では、ナノスケールの空間分解能で分光測定を行う手法を開発しています。プラズモニクスと近接場効果を、ラマン散乱やフォトルミネッセンスといった分光法を組み合わせると、ナノの世界を可視光で見ることができます。
本研究室では、「見えないものを可視化する」を理念に、ナノフォトニクス、ラマン分光、先端光学顕微鏡、クライオ光学顕微鏡を基盤とした新しい光計測・イメージング技術の創出に取り組んでいます。細胞や組織の構造・機能を分子レベルで可視化・解析し、生命現象の理解、疾患診断、創薬・医療応用へ展開しています。物理、工学、生命科学、医学を横断する異分野融合研究と国際共同研究を通じて、「見る」「測る」「理解する」の限界を広げ、新しい科学と技術の創出を目指しています。
本領域では、自然界に存在しないナノ物質の創製と、それらナノ物質で発現する新奇物理現象の解明、さらにナノ物質を用いたデバイス創出への応用研究を展開しています。具体的には、固体表面上に作製した原子レベルの厚さ・太さの2次元・1次元ナノ物質中に閉じ込められた電子の特異な振る舞いを観測し、その起源を解明しています。研究は、我々が開発・高度化した学内の装置に加え、国内外の放射光施設なども積極的に利用することで進めています。
本研究室ではプラズモニクスやメタマテリアルの基礎研究を通じて革新的なナノフォトニックデバイスの実現をめざしています。 メタマテリアルでは２次元のメタマテリアルであるメタサーフェス（メタ表面）の研究を行っています。これは金属ナノ構造体や高屈折率誘電体をミー共振器として平面基板上に配列させたものです。メタ原子の散乱と吸収を制御することで、回折限界分解能を示すカラー印刷、完全吸収体や赤外線エミッターなど多様な機能を実現することに成功しています。また、プラズモニクスではプラズモニック導波路やハイパボリックメタマテリアルの研究を行っています。これにより、回折限界のために原理的に不可能と思われていた超微細かつ低消費電力のフォトニックデバイスの実現を目指しています。また、メタサーフェス完全吸収体を熱輻射フィラメントに応用し、黒体輻射を制御した高効率エコ電球のプロトタイプを実現しました。
先駆的な光操作・光計測技術群を駆使し、新奇な物質・生命機能を探求しています。
❶レーザーによる秩序構造形成の自在制御：レーザーの物理的作用（熱・電場など）により分子や原子の集合・配列を自在制御し、従来法では得られない構造・形状・サイズ・機能を有する革新的材料（エレクトロニクス素子、医薬品、人工細胞など）の創製を目指しています。
❷ソフトマターの特異な構造・機能の解明：系の引力・斥力バランスを乱さない非侵襲な光計測技術を駆使し、膜、ゲル、細胞組織（オルガノイド）などの柔らかい物質群に特異な構造や機能を調べています。
先端物性工学領域（小野研究室）では、X線・中性子線などの量子ビームとインフォマティクス技術を組み合わせた先端計測・解析技術開発を行っています。材料の構造や物性をマルチスケールで解明するためのX線顕微鏡観察、機械学習を用いたデータ解析、ロボットによる実験の自動化、AIによる計測の最適化などに取り組んでいます。
人類は、資源・エネルギー、食料と人口、気候変動・自然災害、都市化と貧困などの地球規模の課題に直面しています。それらを乗り越えて持続可能な社会を築くためには、人と人の絆、そして人と自然との共生を大切し、問題解決に希望をつなぐテクノロジーの発展が求められています。サステナブル社会の実現と価値ある未来のために、私たちは材料そのものの設計から、異種材料の組み合わせや新構造の採用によって、革新的な機能を発現するデバイスの創製を目指し、幅広い見地から次世代のグリーンナノエレクトロニクスを支える研究開発を進めています。
半導体光触媒は、有機物に対する高い分解機能や光励起親水化機能などの
セルフクリーニング機能を有し、様々な環境浄化に重要な役割を担う。しかし、その反応機構については未解明な部分が多く残されている。原子間力顕微鏡を
駆使して、光誘起表面キャリアの挙動や光触媒プロセスなどの解明を進めている。このような研究は、従来の触媒にはない、新しい機能を持った触媒設計の開発や新しい物性を持った新奇材料の発見に結びつくものと考えています。
ナノテクノロジーとバイオロジー、さらにフォトニクスを融合したナノ・バイオフォトニクスと呼ばれる研究分野の開拓を行っています。金属ナノ粒子、金属ナノクラスター、半導体量子ドットなどのナノマテリアルに代表されるナノテクノロジー、赤外分光やラマン分光など分子を分析・識別する振動分光法、超短パルス光を用いる非線形フォトニクスを駆使し、細胞や生体分子を超高感度・高分解能でセンシングする技術の研究・開発を行っています。
車の自動運転や交通機関の運行最適化に代表されるサイバーフィジカルシステム（Cyber-Physical System）を実現するためには、動きを計画する意思決定（Decision）と計画した動きを実行する制御（Control）の研究が必要不可欠です。本講座では、意思決定と制御に関する数学的理論、アルゴリズム、およびそれらの実問題への応用について研究しています。ロバスト最適化や乱択アルゴリズム、数式処理などのアプローチにより、意思決定と制御における真に有用な方法論およびツールを確立することを目指します。
世の中には非線形現象があふれています。工学・情報・生体等のシステムに現れる多様な現象が、非線形数理モデルにより記述されます。非線形数理講座では、様々な実現象の数理モデルを対象として、実現象の背後にある非線形数理を理解すること、非線形数理モデルを解析するための方法を開発すること、さらには非線形数理を工学・情報システムに応用することを目指して研究を進めています。
超スマート社会の実現に向けて、フィジカル空間とサイバー空間の連携をもたらす科学技術が重要になっています。本講座では、光学現象や光技術を基盤としながら、数理科学や情報科学との強固な融合により新たな価値をもつ情報技術を生み出す情報フォトニクスに関する教育研究を行っています。特に光コンピューティングや光計算イメージング／センシング、人や物質との光インタフェースにおける高性能・高機能な光情報システムを探求しています。
システム数理学講座では、数理計画法や統計的手法などの数理科学的アプローチによるシステム化とその応用に関する教育研究を行っています。最適化手法やデータ解析法の理論的展開に取り組み、企業における生産活動、社会現象や自然現象のモデリング、不確実性科学に基づくシステム解析、システム評価のための多基準型データ分析法などの研究を通じてシステム化技術を養うことを目指しています。
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