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次世代技術の芽と新しい物理をつくる

早稲田大学 理工学術院 先進理工学部 物理学科・応用物理学科

教員の紹介

電子相関物理

電子相関物理

[English]

溝川 貴司  [教授] mizokawa_figure1
e-mail mail_mizokawa
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専門分野 固体物理学・放射光分光
研究テーマ・研究活動

○強相関電子系の電子状態
○光電子分光・逆光電子分光
○X線分光・散乱

●日本物理学会
●日本放射光学会

真空中で固体に真空紫外線やX線を照射すると表面から光電子が放出されます。この光電子の運動エネルギーと運動量を計測することにより、固体表面や固体中で電子が占有している状態を調べることができます(光電子分光)。逆に、電子線を固体表面に照射して放出される光子のエネルギーを測定することにより、電子に占有されていない状態の情報が得られます(逆光電子分光)。当研究室では、これらの電子分光に加えて、高輝度で波長可変な放射光を利用するX線分光・散乱を実験手段として、固体表面や固体中において電子の織り成す多彩な現象を、電子相関という切り口で研究しています。

mizokawa_figure2

主な研究対象は、磁性や超伝導、金属絶縁体転移などの面白い物性を示す遷移金属化合物(d電子系)と希土類化合物(f電子系)です。dあるいはf電子系の電荷・スピン・軌道という自由度が格子振動と複雑に結合して、その多様な磁気的・電気的性質の発現を担っています。電子分光やX線分光による電子状態の計測結果に基づいて、物性のメカニズムを考察することができます。例えば、図のように角度分解光電子分光でバンド構造を観測し、電子間相互作用と電子格子相互作用を取り入れたモデル計算と比較することによって、電子相関や格子振動の効果を評価することができます。d電子系やf電子系は基礎物性の研究対象としての面白みだけでなく、光合成の活性中心のマンガンクラスターやリチウムイオン電池の正極のコバルト酸化物など、触媒やエネルギー変換材料としても重要です。電子分光・X線分光を駆使して表面・界面の複雑な電子状態の役割を解明することによって、従来材料の性能改善や新しい材料の開発に貢献することを目指しています。

 

 

Takashi Mizokawa [Professor] mizokawa_figure1
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research field Solid state physics, Synchrotron radiation spectroscopy
research keywords

Strongly correlated electron systems
Photoemission and inverse-photoemission spectroscopy
X-ray spectroscopy and scattering

link

 

Electronic correlation physics research

When a solid surface is irradiated by ultraviolet or x-ray light under vacuum, photoelectrons are emitted from the surface. By measuring the energy and momentum of the photoelectrons, we can study occupied states of the solid (photoemission spectroscopy). On the other hand, we can study unoccupied states of the solid by detecting ultraviolet or x-ray light emitted from the surface under electron beam irradiation (inverse-photoemission spectroscopy). Our research interests primarily focus on electron correlation effect in various electronic states of solids that can be observed by means of the photoemission and inverse-photoemission spectroscopy as well as x-ray spectroscopy/scattering with synchrotron radiation.

In particular, we are interested in transition-metal compounds (d-electron systems) and rare-earth compounds (f-electron systems) that show rich physical properties such as magnetism, superconductivity, and metal-insulator transition. The rich phenomena are derived from the spin, charge, and orbital degrees of freedom of the d– or f-electrons that are coupled with lattice in a complicated manner. We can study their mechanisms on the basis of the electronic structural information from the electron and x-ray spectroscopy experiments. For example, band dispersion can be probed by angle-resolved photoemission spectroscopy as shown in the Figure and can be analyzed by model calculations including electron-electron and electron-lattice interactions.

In addition to the interests in the fundamental electronic structures, useful catalysts and energy materials can be developed using d– and f-electron systems such as Mn clusters for photosynthesis and LixCoO2 cathode for Li-ion battery. By proving the complicated surface or interface electronic states with electron or x-ray spectroscopy, we aim to contribute to improvement or development of future energy materials.

ランダムネスと複雑性の起源と機能の探求

非線形物理学研究

[English]

原山卓久 [教授] 原山卓久
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専門分野 非線形物理学
研究テーマ・研究活動

1988年 早稲田大学理工学部物理学科卒業
1993年 早稲田大学大学院理工学研究科博士課程修了                                           理学博士(早稲田大学)
1992年 早稲田大学理工学部・助手
1995年 国際電気通信基礎技術研究所・研究員
2009年 NTTコミュニケーション科学基礎研究所・研究員
2011年 東洋大学理工学部・教授
2014年 早稲田大学理工学術院・教授

 

カオスなどの非線形物理学では基礎的・一般的な数理的理論を確立することが重要です。しかし、そこにとどまらず、非線形物理学を現実世界に適用し、理論モデルが現実の複雑な世界をどの程度説明できるか、実験で測定できるものは何か、といったことを明らかにし、そこから理論研究の更なる課題と方向性を抽出することも大切です。そこで、本研究室では、非線形物理学をベースに数理的・理論的側面とそれとは真逆の応用的側面とから同時に見る視点により、様々な問題に現れるランダムネスと複雑性の起源と機能について分野横断的な研究を展開しています。

数理的な研究としては、古典力学系のカオス・量子カオス・波動カオスに関する基礎的な非線形物理学の理論研究を行っています。古典力学系のカオスの研究では、予測可能な運動と予測不可能な運動の混在する保存写像系の複雑な相空間構造を詳しく調べるという基礎研究や、運動法則が決定論的であってもカオスによってランダムウォークのような振る舞いが観測される決定論的拡散等、カオスを基礎にした新しい統計物理学の構築を行っています。このカオスとよばれる現象は軌道の不安定性を基にした概念であるため、軌道の存在しない量子力学の世界では現れません。しかし、量子現象はエネルギーが非常に大きくなると古典力学の記述に近付くはずであるという対応原理からは、古典力学のカオスの性質も量子現象に影響を及ぼすと考えられます。このような量子現象におけるカオスの顕在化を研究する学問分野が量子カオスです。また、特に量子力学的粒子の波動性に注目し、エネルギーが大きい極限、即ち、短波長極限における波動現象に対するカオスの効果として量子カオスを拡張した概念が波動カオスです。

このような理論研究を進める一方で、これらの理論的成果を非線形光学や固体物理、さらには新規デバイスに応用する研究も行っています。たとえば波動カオスに見られる複雑な共鳴波動関数がレーザーの発振状態として実現可能であることを理論的に解明し、実際に半導体レーザーなどの実験を提案し、実験研究者と協力して出射光の特性を観測しています。この実験結果から2次元的な形状の微小光共振器のレーザー発振パターンが光線カオスに由来することが明らかになります。これは、光線と波動の対応問題であり、開放型の量子エルゴード問題という深い基礎的問題の解明の必要性に繋がっています。このように、非線形物理学を現実世界に適用することで基礎的・理論的問題を浮かび上がらせることも非常に重要であると考えています。

ところで、レーザーは1次元の場合にも、出射光が反射して再びレーザーに入射する戻り光によって不安定化し、カオスを生じます。このレーザーカオスが非常に複雑な高次元カオスとなることを理論的に研究しています。戻り光レーザーカオスは、その変動が大変高速であることも特徴の一つです。この高速な不規則変化を用いると、毎秒ギガビット以上の超高速でランダムなビット列を生成することが可能になります。このように物理的に超高速で生成される乱数は、暗号など通信セキュリティにおいて重要な役割を果たします。そこで本研究室ではこのようなレーザーカオスを用いた超高速物理乱数生成をモノリシックな半導体光集積回路により実現する方法についても研究しています。そして実験研究者と協力して物理乱数生成実験を行っています。この実験から、レーザーカオスにおける量子ノイズのエントロピーソースとしての役割、小型化と高速性の関係等の理論的課題が明らかとなります。ここでもやはり応用に踏み込むことによって逆に基礎的・理論的問題を浮き彫りにしていることが、本研究室の研究スタイルの大きな特徴です。

 

 

Takahisa Harayama [Professor] 原山卓久
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research field TBD
research keywords
TBD
TBD
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Research Profiles (at Faculty of Science and Engineering)

Research Profiles (Elsevier SciVal Experts)

English title: in preparation…

English summary in preparation…

光の量子性を追求する

量子光学研究

[English]

青木隆朗 [教授] dummy_photo
e-mail newaokimail
homepage www.qo.phys.waseda.ac.jp
専門分野 量子光学研究
研究テーマ・研究活動

2001 年 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻
            博士課程修了、博士(工学)
2001 年 東京大学大学院工学系研究科 助手
2007 年 科学技術振興機構「さきがけ」専任研究員
          (カリフォルニア工科大学滞在)
2008 年 京都大学大学院理学研究科 特定准教授
2011 年 早稲田大学理工学術院先進理工学部応用物理学科 准教授
2014 年 早稲田大学理工学術院先進理工学部応用物理学科 教授

 

青木研は、量子光学を中心にナノフォトニクスから量子情報まで、光科学の最先端の実験を行う研究室です。量子力学では、光(電磁場)も量子化して考える必要があり、古典光学では説明のつかない様々な不思議な性質を持っていることがわかります。このような光の量子性、および光と物質の量子力学的な相互作用について研究するのが量子光学です。本研究室では、光の量子性を実験室で実際に観測し、また光と物質の量子状態を自在に制御する技術の開発を目指します。そのためには、マイクロ~ナノスケールの光共振器や光導波路といった微小光デバイスが強力な武器となります。本研究室では、オリジナルな技術で新しい微小光デバイスを作製し、ナノフォトニクスデバイスとしての応用を探ると同時に、そのようなデバイスを量子光学の実験に適用します。

研究内容ダミー1

また、光と物質の量子力学的な相互作用を通して、光を使って物質の量子状態を制御することが可能です。例えば、室温では秒速数百メートルで飛び回っている気体原子の運動を、レーザーを使って一気にマイクロケルビン(速度にして秒速数センチメートル)以下にまで冷却し、さらに捕獲することができます。このようにして極低温にまで冷却された原子は、それ自身の振る舞いに量子性が強く発現するばかりか、原子が光子を放出する過程を制御することで、自然には存在しない量子状態の光の発生に利用することができます。従来の計算機では時間がかかって計算できない問題を一瞬で計算してしまう量子コンピュータや、原理的に絶対安全(盗聴が不可能)な量子暗号などが期待される量子情報。本研究室では、光の量子性を積極的に利用し、量子情報への応用を図ります。

 

 

Takao Aoki [Professor] dummy_photo
e-mail newaokimail
homepage www.qo.phys.waseda.ac.jp
research field Quantum Optics, Quantum Information Science, and Nano-Photonics
research keywords
Quantum Optics
Quantum Information Science
Quantum Electronics
Nonlinear Optics
Nano-Photonics
link

Research Profiles (at Faculty of Science and Engineering)

Research Profiles (Elsevier SciVal Experts)

Quantum Optics, Quantum Information Science, and Nano-Photonics

A cavity quantum electrodynamics (QED) system, in which an atom is coupled to the quantized electromagnetic fields (light) of an optical cavity, can be described with three characteristic parameters: g, the rate of coherent exchange of energy between the atom and cavity fields, γ, the rate of the decay of the atomic dipole, and κ, the rate of the decay of the cavity field. When the cavity has extremely high finesse and small mode volume, the condition of strong coupling, g >> γ , κ , can be achieved. In the strong coupling regime, coherent interaction of the cavity field and the atom dominates the dissipation of the system, and a single atom gives rise to a strong nonlinearity in optical responses and nonclassical statistics for light at the single-photon level, while a single photon appreciably affects the quantum state of the atom. In such a system, it is possible to generate highly quantum (nonclassical) states or to observe novel phenomena that are normally hampered by dissipation in other systems. This is applicable to quantum information science (e.g., nonclassical light sources, scalable quantum logic with photons, quantum networks connected with light), ultra-low threshold optical devices, and single atom/molecule detecting devices.

Progress in the research of cavity QED has been made with systems of single atoms coupled to Fabry-Perot cavities. In order to overcome the inherent limitation of these conventional cavities for scaling to large numbers and for coupling to single-mode optical fibers with high efficiency, the development of alternative types of cavities has been pursued.

In our current research, we utilize microtoroidal resonators to build on-chip cavity QED systems. Microtoroidal resonators are fabricated by standard lithographic techniques and can be directly coupled to single-mode optical fibers with extremely high efficiency. We are currently working to build scalable multiple cavity QED systems and are seeking for applications to quantum information science with light.

研究内容ダミー1
Scanning electron microscope (SEM) image of a microtoroidal resonator, which is monolithically fabricated on a silicon chip by using standard photolithography and etching techniques. The resonator’s quality factor reaches as high as 108.

人間の情動や感性を物理的に表現する

画像情報処理研究

[English]

森島 繁生  [教授] dummy_photo
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homepage http://www.mlab.phys.waseda.ac.jp/
専門分野 画像情報処理研究
研究テーマ・研究活動
1987 年 東京大学大学院工学系研究科博士課程修了
            工学博士(東京大学)
1988 年 成蹊大学工学部電気工学科・助教授
1991 年 電子情報通信学会業績賞 受賞
1994 年-1995 年 トロント大学・客員教授
2001 年 成蹊大学工学部電気電子工学科・教授
2004 年 早稲田大学理工学部・教授

森島研究室では、物理の知識を駆使して、人々に感動と幸福をもたらすことを最終目標に研究を進めています。これは、研究成果を机上の空論や自己満足に終わらせず、技術が世に出て実用化を果たし、人類に貢献するところまでを意識して研究を行うということです。テーマは幅広く人間そのものをターゲットとした、いわば等身大の物理学を展開しています。開発された要素技術の1つ1つは、研究室に所属するメンバーの地道な努力の成果ですが、プロジェクトとして大きな最終目標を定めており、その実現に向けて重要な役割を担います。
現在、下記の5つのグループで、研究を進めています。
1)顔C G チーム:表情筋シミュレーション 顔の3次元モデリング
表情分析・合成 個性を反映した表情モデリング
皮膚の質感モデリング 頭部・頭髪モデリング
モデリング リップシンクアニメーション
2)個人認証チーム:顔画像認証システム 性別・年齢特徴の解析・合成
感情認識 顔の3次元形状推定
表情変化時の顔の特徴量抽出・追跡
3)動作C G チーム:人間の動作の解析・合成 骨格と皮膚のモデリング
マーカレスモーションキャプチャ
デジタルアーカイビング 歩き方の個性表現
クロスシミュレーション 流体シミュレーション
4)音響チーム:個性を反映する音声合成 声質変換
音楽に同期した映像生成 音楽のサムネイル表現
CGM N次創作支援
5)映像効果チーム:影の演出ツール 頭髪シミュレータ
演出可能レンダリング スケッチベースモデリング
アニメ制作支援ツール 半透明物体の照明効果
アンビエントオクルージョン

研究内容ダミー1
開発技術の実用例として、2005 年の愛・地球博で実装され、163 万人に感動を与えた”Future Cast System” があります。これは長崎のハウステンボスで常設展示化されました。当時は、人物のキャラクタモデル生成のためにレンジスキャナという特殊な装置を開発し、処理時間に2分ほど要していました。しかし、研究開発を重ね、Web カメラで撮影した正面画像のみから3次元キャラクタモデルを2秒で生成可能な”Active Snapshot” へ進化を遂げました。また現在は、顔形状に加え体型や動作、表情、声、髪型などの個性を反映できる”Dive Into the Movie”に挑戦しています。さらに、研究成果は、日本のアニメ作品やゲームタイトルにも採用され、生産効率向上に大きく寄与しています。

 

 

Shigeo Morishima [Professor] dummy_photo
e-mail
homepage http://www.mlab.phys.waseda.ac.jp/
research field

Physics-based human modeling and retargeting for virtual environments

research keywords
Computer graphics for human modeling
Computer vision for human analysis
Speech and music signal processing
link

Research Profiles (at Faculty of Science and Engineering)

Research Profiles (Elsevier SciVal Experts)

Physics-based human modeling and retargeting for virtual environments

Named “Dive into Movie (DIM),” our research project seeks to build a new genre of interactive entertainment allowing anyone to participate readily in a movie by assuming a role and enjoying an embodied, first-hand theater experience.
Specifically, this is accomplished by replacing the original roles of pre-created traditional movies with user-created, highly-realistic, 3-D CG characters. DIM movies are in some sense a hybrid form of entertainment, positioned between games and narratives. My hope is that DIM movies will enhance audience interactions and offer more dramatic presence, engagement, and fun for audiences. In DIM movies, audiences can experience high realism 3-D CG character action with individualized facial characteristics, expressions, gaits, and voices.
The DIM system has two key features. First, it can automatically create a CG character within a few minutes after capturing the face, body, gait and voice feature of an audience member and generating the corresponding CG animation, inserting the resulting individualized CG character into the movie in real-time, without discomfort to the participant; Second, the DIM system makes it possible for multiple participants to take part in a movie at the same time in different roles, including a family, a circle of friends, and so forth.
The innovations involve precisely cloning a personality with respect to facial geometry, facial expression, voice quality and cadence, body size and shape, gait, skin reflectance, and hair, based on a capture and modeling process taking mere minutes, and synthesizing photo-realistic virtual humans on the screen at adequate video rates.
Our prototype system has already been featured as an actual application (the “Future Cast System”) at Aichi Expo 2005. A permanent theater launched in 2007 in Huis Ten Bosch is a commercial success.
Our current research focus areas include the following:
1) 3D face geometry estimates from snapshots: Facial geometries are generated automatically based on just a frontal face photo, without range scanning.
2) Gait characteristic capture and retargeting: The personal features of a gait are captured in silhouette and categorized, then a blend ratio of each eigen motion is estimated to establish a characteristic ambulatory style for the CG character.
3) Skin reflectance modeling: Since human skin is a translucent object, sub-surface scattering must be considered for object rendering under certain lighting conditions. The research goal is to achieve high-speed illumination models that account for sub-surface scattering and ambient occlusion.
4) Personality modeling in facial expression: The impression created by a smile differs from person to person. We propose a physics-based model of facial expressions in which changing the geometry of muscle and fat layers generates distinct personal traits.
5) Personal voice synthesis: By blending a pre-scored voice in database, we can generate and clone a specific personal voice quality and cadence.
研究内容ダミー1
Virtual actors in movie scenes
Technologies can be used to create a movie cast of virtual humans with facial expressions and lip synchronization reflecting the personality of individual audience members, based on the instant and transparent capture of various individual traits; including facial geometries, facial expressions, voice quality and cadence, body size and shape, gait characteristics, skin reflectance, hair, and other personal features from audience members. All resulting CG characters can be controlled and rendered in real-time.

分子や電子の姿を超高速で見る

レーザー量子物理研究

[English]

新倉 弘倫  [教授]
e-mail
homepage  http://www.f.waseda.jp/niikura/index.html
専門分野 超高速レーザー分光、アト秒物理
研究テーマ・研究活動

2000年 総合研究大学院大学 数物科学研究科
           博士後期課程修了 博士(理学)
2000年 カナダ国立研究機構(National Research Council)
           研究員
2004年-2012年 科学技術振興機構 さきがけ研究員
2010年 早稲田大学先進理工学部 准教授
2012年 文部科学大臣表彰 科学技術賞(研究部門)
2013年 日本学術振興会賞
2015年 現職

本研究室では、赤外から極端紫外領域の超高速レーザー分光・測定技術の開発と、それを用いた原子や分子の量子ダイナミックスの測定を行っています。測定の時間領域は数フェムト秒(fs, 10-15秒)からアト秒(as, 10-18秒)という極限的な領域で、この時間領域では物質(分子)の構造変化よりも早く運動する電子の刻一刻の姿を測定することが可能です。そのため本研究室では、キャリアエンベロープ位相が安定化した高強度のレーザー系(~6mJ/pulse, 1KHz, 35fs)を用いて高強度5フェムトパルスおよびパルス幅が数百アト秒以下のアト秒パルスを発生し、光電子分光法や吸収分光法と組み合わせることで、原子や分子内の電子運動やそのイオン化過程がどのように起こっているのかを時間分解で測定することや、分子の波動関数をイメージング測定する方法などを開発しています。

従来のフェムト秒科学では、分子や固体などの構造(核間距離や角度)の変化を実時間で追跡することが行われていました。しかし、反応の選択性や反応効率、また様々な物性などの発現には、電子波動関数(分子軌道)の広がりやその位相が重要な役割を果たしています。アト秒科学の方法(再衝突電子法や高次高調波分光)などを用いることで、分子構造が変化するよりも速い時間で、分子内の電子波動関数がどのように変化するのかを測定することが可能になります。特に、原子・分子内における多電子の相関過程は興味の対象になります。

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また極端紫外領~軟X線領域では、従来、コヒーレントかつパルス幅の短いレーザー光源を用いることは困難でした。これらのエネルギー領域は原子・分子の量子ダイナミックスだけではなく、マテリアルサイエンスやバイオイメージングなどにも重要な領域です。アト秒高次高調波などの様々な超高速分光法により、より速い時間領域かつ良い空間分解能で、電子波動関数(分子軌道)の変化を元にした新たな物理現象および物理化学的過程の発見を期待しています。

 

 

Hiromichi Niikura [Professor]
e-mail
homepage http://www.f.waseda.jp/niikura/index.html 
research field Attoseconds and Ultra-fast Spectroscopy
research keywords
Intense
Laser
Attosecond
Physics
Quantum
link

Research Profiles (at Faculty of Science and Engineering)

Research Profiles (Elsevier SciVal Experts)

 

The best time-resolution of measurements has now reached less than a few-hundred attoseconds (1attosecond = 10-18 s). In this time scale, “pure” electron motion can be explored because most molecular structural changes can eventually be frozen. Our aim is to make advancements in the methodology for ultra-fast measurements and coherent imaging technology for wavefunctions. Attosecond science develops precision measurement technologies, and has a possibility to renew quantum physics because of its excellent time-resolution and unique features for measurements. We focus on the following research subjects:

(1) Attosecond measurement
There are two approaches for attosecond science. One is to use optical pulses with photon energy in the extreme ultraviolet region, which is referred to as “high-harmonic generation.” The other is to use the electron pulses, which is referred to as the “attosecond re-colliding electron.” In both approaches one can measure nuclear and electron dynamics in attosecond time-resolution. For instance, we have measured the molecular vibrational motion of Deuterium and the electron wavepacket motion in ethane on ever-faster time scales. We further try to generate shorter pulses and to develop experimental attosecond approaches for measuring electron dynamics during complex molecular reactions.

(2) Imaging wavefunctions
What is a wavefunction  Can we observe it directly  A wavefunction itself is given by a complex function. According to the statement of Max Born, the square of the amplitude of the wavefunction in unit volume represents the probability to find a particle in the unit volume. On the other hand, taking the square of the amplitude of the wavefunction eliminates the information on the phase. The phase of the wavefunction is critical to understanding chemical reaction dynamics, as has been shown in Frontier Orbital theory. However, so far it has been thought that the wavefunction itself, including the phase information, cannot be observable. On 2004, we showed that attosecond “re-collision” technology made it possible to observe the wavefunction itself. Our approach, referred to as “molecular orbital tomography,” is based on the fact that tunnel ionization and electron re-collision act as a quantum optical interferometer. We will extend this approach in order to apply many molecules and measure dynamical change.

(3) Quantum control of molecules
When we shine intense, short laser pulses on a molecule, a large Stark shift is induced in the energy levels of the molecule. The amount of the Stark shift depends on both the internal and external coordinates of the molecule. Thus, applying short laser pulses to coherently created molecular wavepackets, we can align or orientate molecules, or control the atoms in a molecule. This technique is referred to as “molecular optics.” Using attosecond laser technology, we try to control electron motion in molecules according to our desires in ever faster time scales.
研究内容ダミー1
Attosecond electron wavepacket motion in ethane (C2H6). 1as = 1 attosecond = 10-18 second.

液晶の動的協調現象を探るー光で水で動く液晶

ソフトマター物理学研究

[English]

多辺 由佳  [教授] dummy_photo
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homepage http://www.f.waseda.jp/tabe/index.html
専門分野 ソフトマター物理学研究
研究テーマ・研究活動
1987 年 東京大学工学部物理工学科卒業
1989 年 工業技術院 電子技術総合研究所
            超分子部 研究官
1996 年 博士( 工学) 東京大学
1996 年-1998 年 ハーバード大学物理学科
2005 年 早稲田大学理工学部・教授

液晶ときいて、皆さんは何を思い浮かべるでしょうか。携帯電話、パソコン、テレビなどの表示パネルを始め、薬品や化粧品などにも広く使われている他、私達の身体の中にある生体膜もまた液晶の1 種です。一般に液晶を構成する分子は棒のような形
をしていますが、このような棒状分子は液晶状態では、自由に動き回りながら常にその方向を互いにそろえようとします。この
柔らかくて強い異方的な分子間相互作用こそ液晶の特徴であり、表示パネルもこの性質を利用しているといえます。

研究内容ダミー1
液晶分子は、熱平衡構造で互いに向きをそろえるだけでなく、動く時も常に位相のそろった協調的な運動をしようとする性質
を持っています。私達は二次元の液晶を対象に、液晶分子の協調運動を研究してきました。厚さが数ナノメートル程度しかない
二次元液晶では、外場によってほんのわずか分子に引き起こされた変化が、三次元系と違って打ち消されることなく巨視的なダイナミクスへと発展しやすいからです。
これまで私達は、微弱な光で分子をわずかにつついた時に爆発的な分子の津波が発生したり、水を液晶膜に通過させた時に分子が集団で一斉に歳差運動をしたりするという、不思議な非平衡現象を見出してきました。柔らかく強い分子相関が主役となる非平衡ダイナミクスは、従来にない新しい液晶の可能性を与えるものであり、例えばこれを利用して、液晶ナノマシーンを実現することも夢ではないと考えています。

 

 

Yuka Tabe [Professor] dummy_photo
e-mail
homepage http://www.f.waseda.jp/tabe/index.html
research field Non-equilibrium dynamics in 2D liquid crystals
research keywords
Liquid crystals
Non-equilibrium dynamics in softly condensed matter
Cross-coupling of molecular motion and orientation
link

Research Profiles (at Faculty of Science and Engineering)

Research Profiles (Elsevier SciVal Experts)

Non-equilibrium dynamics in 2D liquid crystals

Two-dimensional liquid crystals (LCs) exhibit unique structures that cannot be found in bulk LCs. LC films of several tens of nanometer in thickness are significantly influenced by the effects of surfaces and interfaces, which, coupled with large molecular fluctuations and fluidity (flexibility), give rise to various spontaneous patterns. Due to our interest in their dynamic properties, we have investigated spatio-temporal molecular movement in LC films induced by weak photo-excitation and transmembrane gas transfer. When an LC monolayer of azobenzene derivatives is formed on a water surface and illuminated by linearly polarized green light, molecular photo-isomerization on the order of a few percent develops into a collective pendulum motion involving the molecules, observed as macroscopic orientational waves. The direction of propagation and the speed of the waves can be determined by the polarization direction and the intensity of the excitation light, respectively. The phenomenon highlights the complex nature of liquid crystallinity. How the random molecular motions couple coherently, resulting in macroscopic wave generation and propagation, is currently being examined. Another unique trait observed in 2D LCs is collective molecular precession driven by transmembrane gas transfer. In chiral LC films, molecules may be regarded as having propellers made of chiral groups, enabling them to rotate in one direction under gas flow across the film like windmills or watermills. Liquid crystalline molecular interactions gradually synchronize the unidirectional but random rotations, resulting in the collective precession clearly visible under an optical microscope. It appears that soft and strong molecular orientational interactions play an essential role in both dynamic structures, but how this motion is transformed from the vastly differing scales ranging from nm to mm and from pico-seconds to micro-seconds is not yet understood. This multi-scale energy transformation is one of the unique properties of soft matter. In addition to inherent scientific interest, an understanding of the process of transformation in the mesoscopic region will help clarify life activities and help make possible soft nano-machines.

研究内容ダミー1
Collective precession of chiral molecules in an LC monolayer. The figure above is a schematic drawing of the system. The lower figure shows snapshots taken by a polarizing microscope. When the water vapor molecules permeate the LC monolayer, molecules with chiral propellers exhibit precession in a certain direction. The rate of precession varies linearly with differences in water vapor pressure. Inverting molecular chirality and flow direction will reverse its direction.

半導体ナノ構造の一兆分の一秒を探検する

半導体デバイス研究

[English]

竹内 淳 [教授] dummy_photo
homepage http://www.f.waseda.jp/atacke/
専門分野  半導体デバイス研究
研究テーマ・研究活動
1985 年 大阪大学大学院基礎工学研究科
     博士前期課程修了.富士通研究所入社
1993 年 博士(理学)大阪大学
1993 年 マックスプランク固体研究所(独)客員研究員
     電子情報通信学会論文賞 受賞
2002 年 早稲田大学理工学部・教授
2004 年 応用物理学会論文賞JJAP 論文賞 受賞

みなさんが普段体験する最も短い時間は、どの程度の時間でしょうか。おそらく普通思い浮かべる時間は「一瞬」という時間でしょう。これは、“まばたきするほどの短い間” で、0.1 秒ほどの時間です。それでは、半導体の中で起こるもっとも速い現象はどの程度の時間で起こるのでしょう? 答は、1兆分の1秒程度の時間ということになります。「1兆分の1秒なんて想像もつかない!」というのが多くの人の感想だと思いますが、どうしてそんなに速い現象を調べるのかというと、半導体を使ったさまざまな素子(トランジスタやレーザなど)に、いっそうの高速化が要求されているからです。これらの素子が高速化されれば、より多くの情報をより迅速に処理することが可能になります。伝達される情報量の飛躍的な拡大と高速化は人類の社会に多大な貢献をすることでしょう。
また、半導体はたんに“速い” ということにとどまらず、“非常に小さい” 人工構造物の世界です。次の写真は、量子ドットと呼ばれる微細な構造の写真(原子間力顕微鏡で撮影したもの)で、10 万分の2 ミリほどの大きさに電子の波を閉じ込めます(1nm = 10-9m)。
これを利用して演算を行うと、現在のコンピュータをはるかにしのぐ超高速で大規模な演算が期待できます(量子コンピュータと呼びます)。
半導体の世界ではまた、青色で発光するデバイスの開発が続いています。
Blu-ray DVD などの日本が産んだ新しい技術です。この青色発光半導体の研究にも取り組んでいます。

研究内容ダミー1

竹内研究室では、このような微細なナノ構造の中で起こる超高速の現象を調べるために、特殊なレーザから出る光パルスを使っています。光パルスの時間幅は、10 兆分の1秒という極めて短い時間です。超高速の現象を調べ、その物理を探求し、さらに応用に役立てること、それが竹内研究室のテーマです。人類の到達可能な最も速い現象を調べるということは、それだけで充分な知的冒険だと思います。若いみなさんの参加を期待しています。

 

 

Atsushi Tackeuchi [Professor] dummy_photo
homepage http://www.f.waseda.jp/atacke/
research field Manipulation of carriers and spins in semiconductor quantum confined structures
research keywords
Semiconductor physics
Spintronics
Ultrafast phenomena
link

Research Profiles (at Faculty of Science and Engineering)

Research Profiles (Elsevier SciVal Experts)

Manipulation of carriers and spins in semiconductor quantum confined structures

 

Manipulation of electronic spin may provide new flexibility in device operations. Since spin in quantum dots is maintained coherently over nanosecond intervals by three-dimensional quantum confinement effects, the phenomenon may find applications in quantum memory or computing devices. Our research seeks to apply this underdeveloped flexibility for use in future quantum devices and for computing, based on our studies of ultrafast phenomena in semiconductor quantum-confined structures.

At the outset of related work, Tackeuchi realized the inadequacies of conventional time-resolved photoluminescence measurements for observations of very fast picosecond spin relaxation in semiconductors. In response, he proposed and put to use novel pump and probe measurements to observe the spin relaxation of III-V compound semiconductors. He successfully observed for the first time the picosecond spin relaxation process in GaAs quantum wells, InGaAs quantum wells, and bulk GaN. He also demonstrated many interesting aspects of luminescence and tunneling in quantum wells, quantum dots, and the GaN system.

1) “Direct Observation of Picosecond Spin Relaxation of Excitons in GaAs/AlGaAs Quantum Wells using Spin Dependent Optical Nonlinearity,” A. Tackeuchi, S. Muto, T. Inata and T. Fujii, Appl. Phys. Letters 56 (1990) pp. 2213-2215.

” First observations of picosecond spin relaxation in GaAs/AlGaAs quantum wells”
We proposed and demonstrated a novel observation method using a pump and probe technique, which enabled clear observations of picosecond spin relaxation.

2) “Dynamics of Carrier Tunneling between Vertically Aligned Double Quantum Dots,” A. Tackeuchi, T. Kuroda, K. Mase, Y. Nakata, and N. Yokoyama, Phys. Rev. B, 62 (2000) pp. 1568-1571.

“First time-resolved measurement about carrier tunneling between quantum dots”
We demonstrated that tunneling between quantum dots is one order of magnitude slower than between quantum wells.

3) “Electron Spin Relaxation in InGaAs/InP Multiple-quantum Wells,” A. Tackeuchi, O. Wada and Y. Nishikawa, Appl. Phys. Lett. 70 (1997) pp.1131-1133.

“First observation of spin relaxation in InGaAs quantum wells in which the energy bandgap corresponds to the optical communication wavelength of 1.55 micrometers”

4) “Electron Spin Flip by Antiferromagnetic Coupling between Semiconductor Quantum Dots,” A. Tackeuchi, T. Kuroda, Y. Nakata, M. Murayama, T. Kitamura and N. Yokoyama, Jpn. J. Appl. Phys., 42, Part 1, 7A (2003) pp. 4278-4281.

“First observation of formation of antiferromagnetic coupling between semiconductor quantum dots”
Antiferromagnetic coupling between quantum dots is expected to move technology further toward quantum computing.

5) “Subpicosecond exciton spin relaxation in GaN,”T. Kuroda, T. Yabushita, T. Kosuge, A. Tackeuchi, K. Taniguchi, T. Chinone, and N. Horio,Appl. Phys. Lett. 85 (2004) pp.3116-3118.

“First observation of sub-picosecond spin relaxation in semiconductors”
The wurtzite GaN was found to exhibit sub-picosecond spin relaxation.

研究内容ダミー1
Ti:Sapphire laser (right); quantum dots (up)

光の物理に基づいて新しい応用を考える

光物理工学研究

[English]

小松 進一 [教授] dummy_photo
e-mail
homepage http://www.opt.phys.waseda.ac.jp/
専門分野 光物理工学研究
研究テーマ・研究活動
1972 年 早稲田大学理工学部応用物理学科卒業
1974 年 早稲田大学院理工学研究科修士課程修了
            理化学研究所研究員補
1978 年 理学博士(早稲田大学)
1980 年 早稲田大学理工学部・助教授
1985 年 早稲田大学理工学部・教授

光通信・情報機器からバイオ・宇宙にいたる先端科学技術の幅広い分野で、光は重要
な役割をはたしており、「21 世紀は光の時代」といわれています。
光は非常にすぐれた情報の担い手です。光波の振幅・位相・偏光状態などで、さまざ
まな情報を時間・空間・周波数の関数として表すことができますし、光の反射・屈折・
散乱・吸収・増幅などのいろいろな物質との相互作用を介して情報を高速・高密度に記録・再生することができるからです。また光の量子的な性質を利用すればさらにその可能性が拡がります。
本研究室では、新しいレーザー応用の開拓を中心として、光の波長より細かい微細構造の中での光のふるまいの解析から、新しい機能の光デバイスや多次元光情報処理システムの開発まで幅広く研究しています。

研究内容ダミー1

また、光と画像は縁が深く、光情報処理や可視化技術のほか、コンピューターによるデジタル画像処理にも取り組んでいます。
上の図には、劣化した星像だけを用いて元の天体の形を推定するブラインド・デコンボリューションの例が示されています。この図の左は望遠鏡で観測した天体写真で、大気の屈折率ゆらぎの影響を受け、すりガラスを通して眺めたように大きく像が広がっています。この天体写真のほかに手がかりがなくても、特殊なアルゴリズムを用いて画像復元を行うと、図の右のように、この天体が二重星であることがわかります。
下の図は、波面コード化法による被写界深度拡大実験の結果です。ふつうのカメラで撮影した写真(上)ではピンけしている遠方の物体が、下の図ではシャープに写っていることがわかります。
このほか、情報フォトニクス、光計測、イメージサイエンスの分野で、コンピュータを利用する像形成や可視化技術、補償光学の小型化・高機能化、光カオスによる秘匿通信、ファイバー・ブラッグ格子センサー、金属ナノ粒子鎖による光導波路などの最新の課題に、「不思議さ」に対する感覚を大切にしながら取り組んでいます。

 

 

Shinichi Komatsu [Professor] dummy_photo
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homepage http://www.opt.phys.waseda.ac.jp/
research field Extending Image Field Depth without Reducing Resolving Power and Light Intensity
research keywords
Wave-front Coding for Extending Depth of Field
Compact Adaptive Optics for Industrial Use
Phase Recovery of Light Wave and Blind Deconvolution
Heterodyne Laser Scanning Microscope
Dynamic Phenomena of Laser Speckle
link

Research Profiles (at Faculty of Science and Engineering)

Research Profiles (Elsevier SciVal Experts)

Extending Image Field Depth without Reducing Resolving Power and Light Intensity

 

Reducing the pupil size of an imaging lens is the most convenient way to extend the depth of field, but it inevitably results in the reduction of both the resolving power and the amount of light transmitted through the lens.
Wave-front coding (WFC) is well-known as an efficient technique for extending the depth of field without causing such inconveniences. The WFC technique requires a phase mask to modulate the pupil function of the lens as well as the corresponding post image processing for decoding. To achieve a further extension of the depth of field, we newly designed a freeform phase mask (FPM) instead of a conventional cubic phase mask (CPM). We optimized the shape of the FPM using the simulated annealing algorithm and confirmed that the optimized FPM provides a much larger focal tolerance and better final images than the CPM.The wave-front coding (WFC) system is a pupil-modulated optical system that presupposes the corresponding subsequent digital image processing, and has been extensively studied as one of the most effective means of extending the depth of field (DOF) of imaging systems. By placing a suitable phase mask (PM) in the exit pupil plane, we can obtain encoded intermediate images. After decoding the intermediate images, the WFC system may acquire various unique imaging properties. For example, if the decoded intermediate images become insensitive to defocus, only one deconvolution filter is sufficient to decode the intermediate images and obtain sharp final images irrespective of the amount of defocus, which is the basic principle of the extension of the depth of field (EDOF) using the WFC system.
The cubic phase mask (CPM) has been derived as an analytic solution that realizes the above-mentioned EDOF on the basis of wave optics using the stationary phase method.
The CPM is an analytical but approximate solution, and it is possible that other forms of phase masks provide better properties in the EDOF. Therefore we designed a freeform phase plate (FPM) whose distribution is expressed as the power series of pupil coordinates, the coefficients of which are determined by the optimization procedure based on the simulated annealing algorithm. It was shown on computer simulations that the optical transfer function (OTF) of the WFC system with the optimized FPM is less sensitive to defocus and that, compared to the CPM, the optimized FPM results in much better performance in terms of the EDOF.
The optimized FPM is fabricated by injection molding methods, and various experiments have been conducted with it to confirm that the WFC imaging system with the optimized FPM can greatly extend the depth of field of a well-corrected camera lens without causing significant artifacts, e. g., oblique fringe-like patterns that usually appear in the WFC imaging system with the conventional CPM.

研究内容ダミー1
Top: Output image of WFC imaging system with the optimized FPM. Object B is imaged fairly sharp in spite of being outside the depth of field.
Bottom left: Enlarged part of Object B in the upper image. The detail of hair is clearly seen.
Bottom right: Corresponding enlarged part of blurred Object B that is imaged with an ordinary imaging system without WFC.

最先端の光センサーで宇宙から医療まで

放射線応用物理学研究

[English]

片岡 淳  [教授] dummy_photo
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homepage http://www.spxg-lab.phys.waseda.ac.jp/
専門分野  放射線応用物理学研究
研究テーマ・研究活動
1995 年 東京大学理学部物理学科卒業
2000 年 東京大学大学院理学系研究科博士課程修了 理学博士 (東京大学)
2000―2001 年 京都大学理学研究科・学振PD
2001 年 東京工業大学大学院理工学研究科・助手
2007 年 東京工業大学大学院理工学研究科・助教
2009 年 早稲田大学理工学部・准教授
2014 年 早稲田大学理工学部・教授

人間の目で見える光は可視光と呼ばれ、波長が数百ナノメートル(1ナノメートル
は100 万分の1ミリ)の限られた帯域の光です。太陽などの恒星は可視で明るい天体ですが、これより5桁も10 桁も波長が短い(エネルギーが高い)X線やガンマ線でも明るく輝く「謎の」天体たちがいます。
大気に遮られ地上からは見えませんが、衛星や気球を用いれば、激動する宇宙の「生」の姿を捉えることができます。我々の研究室では、2008 年に打ち上げられたフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡と日本の“すざく” 衛星を駆使した最先端の高エネルギー宇宙観測をおこない、また次期X 線天文衛星Astro-H の装置開発をJAXA、東工大、広島大などと協力しながら進めています。

 

研究内容ダミー1
宇宙に限らず、レントゲン写真や空港の手荷物検査、放射線診断や治療など、日常生活でもX 線・ガンマ線が大きな貢献をしていることをご存知でしょうか?これら最先端の放射線検出器を社会に還元し、より良い人間生活のお役に立てたい、それが我々の次なる願いです。新しい光センサーとして内部増幅機能を持つシリコン半導体素子(APD/MPPC) の開発をすすめ、この分野では世界のトップレベルにあると自負しています。とくに、PET(陽電子断層撮影)と呼ばれるガン診断装置では、従来品より5~ 10 倍も解像度の良い、究極のガンマ線カメラ・ユニットの製作に成功しました。最近では、医療系だけでなく量子情報通信に用いる高感度光センサーの開発などにも着手しています。
我々の研究室は宇宙をベースにしていますが、最先端の物理計測はあらゆる分野・現場で必要とされ、分野の境界がありません。むしろ垣根を取り去った「横断的な」研究室が、ひとつくらいあっても良いのでは?という気持ちで研究を進めています。色々なテーマが混在しつつも新しい検出器の開発と、それを用いた科学に対する興味は共通です。学生同士も大変仲がよく、和気藹々と楽しくやっています。私達と一緒に「垣根を越えた」科学の醍醐味を味わいませんか?

 

 

Jun Kataoka [Professor] dummy_photo
e-mail
homepage http://www.spxg-lab.phys.waseda.ac.jp/
research field Gamma-ray astronomy, radiological physics, and technology
research keywords
Gamma-ray astronomy
Radiation detector
Medical imaging
link

Research Profiles (at Faculty of Science and Engineering)

Research Profiles (Elsevier SciVal Experts)

Gamma-ray astronomy, radiological physics, and technology

 

Novel semiconductor devices that offer internal multiplication have recently entered wide use in the areas of particle physics, space science, nuclear medicine, and information engineering. We are, in particular, currently developing various photo-detectors, avalanche photodiodes (APDs), and multi-pixel photo-counters (MPPCs) for future applications in medical imaging and space satellite missions. The recent emergence of dual-mobility PET/CT imaging has profoundly affected clinical diagnoses in radiology, oncology, and other areas of nuclear medicine. However, CT exhibits poor soft-tissue contrast and exposes the patient to significant radiation doses that exceed those experienced with PET. The APD is a compact, high-performance light sensor that can be used in MRI-PET to provide ultimate sub-mm spatial resolutions. The very rapid response of MPPC devices will enable future PET detectors with time-of-flight (TOF) capabilities. We are also developing versatile APD- or MPPC-based PET modules for future applications in high-resolution, high-speed medical imaging. APD devices will also be used in the next Japanese X-ray astronomy satellite mission, Astro-H, currently slated for launch in 2013.
A subsequent research topic will involve the study of high-energy phenomena in the universe, including active galactic nuclei (AGNs), binary black-holes, neutron stars, supernova remnants, and gamma-ray bursts. Various modern astronomy satellites are currently used for this research, including the Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST; formerly known as GLAST), Chandra, XMM-Newton, and Suzaku. The successful launch of FGST will provide new opportunities to study gamma-ray emissions from various radio galaxies and galaxy clusters with unprecedented sensitivity. As a full partner of FGST, we currently take the lead for the AGN team in the areas of data analysis, calibration, operations, and software development. In one example, we recently reported on the discovery of a new type of gamma-ray galaxy; this can be found on the NASA website under the title “NASA’s Fermi Finds Gamma-ray Surprises.”(
http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/galaxy_surprise.html)We are also active in analyzing Suzaku data. Recent interests include the unique identification of unidentified Fermi objects (UFOs) as potential “dark accelerators” in the universe.研究内容ダミー1

Gamma-ray radio galaxy NGC 1275 discovered using the Fermi gamma-ray space telescope

無限次元空間の中で非線形現象を解析する

非線形関数解析学研究

[English]

大谷 光春 [教授] dummy_photo
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homepage http://www.phys.waseda.ac.jp/wps/otani/index-j.html
専門分野 非線形関数解析学研究
研究テーマ・研究活動
1973 年 早稲田大学応用物理学科卒業
1978 年 東京大学大学院理学系研究科博士課程修了
1978 年 理学博士(東京大学)
1981 年 東海大学理学部数学科助教授
1990 年 東海大学理学部数学科教授
1990 年 早稲田大学理工学部教授

物理学や工学などに現れる重要な現象のほとんどは、「偏微分方程式」(複数の独立変数による微分が現れる微分方程式)によって記述されており、その多くは、「非線形性」と呼ばれる、「二つの解の足し算が必ずしも解にならない」という際立った性質をもっています。

これらの解を探す場所(空間)として、バナッハ空間やヒルベルト空間(ピタゴラスの定理が成り立つようなユークリッド空間の拡張概念)などと呼ばれる、無限次元空間をとり、ここでどのような解析学が成り立つかを研究する立場をとる学問が、「関数解析学」です。

無限次元の世界においては、有限次元における解析学と同様な多くの事実が成り立つと同時に、有限次元の常識では考えられない不思議なことも多く起こります。たとえば無限次元ヒルベルト空間においては、ベクトル列の収束(ベクトル列が、あるベクトルに近づいていくこと)に関して、強収束と弱収束という2 種類の定義ができますが、有限次元の場合、これらは同等な性質となってしまいます。さらに、有限次元空間においては、あるベクトル列が、長さを1に保ちながら0ベクトルに収束することは不可能ですが、無限次元空間ヒルベルト空間における弱収束の世界では、これが可能になります。

大谷研究室では、無限次元空間における非線形微分方程式を、主に、変分法的観点から研究しています。「変分法」とは、「物理法則に従って動く質点の運動や光の径路は、すべての可能な運動や径路のなかで、ある物理量を最小にするように選ばれている」すなわち、「自然は無駄をしない」という原理に基づく解析手法の総称です。

研究室において最近、「多孔質媒質方程式(均一に孔が分布している媒質中を水などが拡散するモデル)が無限回微分可能な解を許す」という長年の未解決問題が、肯定的に解決されるという大きな成果がありました。

あなたも、私たちと一緒に無限次元空間を変分法というコンパス( 羅針盤) をもって探検してみませんか?

 

 

 

 

Mitsuharu Otani [Professor] dummy_photo
e-mail
homepage http://www.phys.waseda.ac.jp/wps/otani/index-j.html
research field Nonlinear Functional Analysis and its applications to nonlinear PDEs
research keywords
Functional Analysis
Nonlinear PDEs
Nonlinear Evolution Equations
Variational Method
link

Research Profiles (at Faculty of Science and Engineering)

Research Profiles (Elsevier SciVal Experts)

Nonlinear Functional Analysis and its applications to nonlinear PDEs

 

Nonlinear Partial Differential Equations: Differential Equations are the language in which the laws of nature are expressed. Understanding properties of solutions for differential equations is fundamental to much of contemporary science and engineering. Ordinary Differential Equations (ODEs) deal with functions of one variable, which can often be thought of as time. On the other hand, Partial Differential Equations (PDEs) deal with functions of several variables (of space and time). Most fundamental laws in physics are expressed in terms of Nonlinear PDEs, where the nonlinearity means that the sum of two solutions of the equations could not be a solution anymore, in other words, the principle of the superposition does not hold.

Evolution Equations: A function u(x,t) solving PDEs with time evolution depends on several variables, i.e., “x” for space and “t” for time. However, we can regard u(x,t) as a function u(t) of one variable “t” with value of u( ,t), which would lie in an infinite dimensional space X.
In this way, PDEs with time evolution can be reduced to ODEs in infinite dimensional spaces.
In fact, Heat Equations, Wave Equations, Schrodinger Equations, and many other important PDEs in physics and engineering can be written in abstract ODEs of the form: (E) du(t)/dt + Au(t) =0 in appropriate spaces X, called Banach spaces, and with operators A which work on X. In order to analyze this type of ODE, we must develop the theory of ODEs in Banach spaces, which is called the “Theory of Evolution Equations.” For this purpose, we need knowledge related to calculus in infinite dimensional spaces, called “Functional Analysis.”

Nonlinear Functional Analysis: Some important Nonlinear PDEs such as “Porous Medium Equations” (equations describing the diffusion process through porous mediums) are formulated as (E) by choosing suitable nonlinear operators A. In order to treat these cases, the theories of Nonlinear Evolution Equations and Nonlinear Functional Analysis are needed. Among them, the Nonlinear Semi-group Theory, which was initiated and developed by Japanese mathematicians, provides a remarkable tool. In particular, this theory reflecting the variational structure, called the subdifferential operator theory, which deals with the case where A is given as the functional derivative  f(u) of convex functional f(u), is a most successful one for applications to Nonlinear PDEs. However, these theories work only for dissipative systems, whose energy is a monotone decreasing in time t, but cannot cover non-dissipative systems such as Navier-Stokes Equations, which is the fundamental equation in fluid dynamics.
We have been developing the perturbation theory for subdifferential operators, aiming at its application for not only Navier-Stokes-type equations but also for a wider class of non-dissipative PDEs systems including Nonlinear PDEs with nonlinear boundary conditions.

Other Topics: Our main interest is also related to the analysis of the asymptotic behaviors of solutions to Nonlinear PDEs, such as the blow-up of solutions and the existence of global attractors, etc., as well as seeking underlying hierarchical structures between the parabolicity and hyperbolicity of PDEs.

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